Активные формы кислорода (АФК) как плейотропные физиологические сигнальные агенты
Скелетная мышца.
Передача окислительно-восстановительных сигналов играет важную роль в мышечной функции, адаптации к физическим нагрузкам и снижении мышечной функции при слабости.
Например, окислительно-восстановительная передача сигналов поддерживает нервно-мышечное развитие, кровоток для немедленной физической активности и долгосрочное ремоделирование и адаптацию к сократительной активности.
Jackson, M. J. Redox regulation of muscle adaptations to contractile activity and aging. J. Appl. Physiol. 119, 163–171 (2015)
Также было показано, что регенерация скелетных мышц находится под окислительно-восстановительным контролем, при этом физиологические АФК, действующие через множество окислительно-восстановительных сигнальных путей, регулируют активность мышечных стволовых клеток.
Le Moal, E. et al. Redox control of skeletal muscle regeneration. Antioxid. Redox Signal. 27, 276–310 (2017).
Однако, как и в других тканях, повышенная нагрузка активных форм кислорода (АФК) вредна для функции мышц, а слабость скелетных мышц, общее снижение мышечной массы и функций, обычно связанное со старением, является фенотипическим проявлением лежащего в основе окислительного стресса.
El Assar, M., Angulo, J. & Rodriguez-Manas, L. Frailty as a phenotypic manifestation of underlying oxidative stress. Free Radic. Biol. Med.10 (2019).
Считается, что такое снижение скелетных мышц происходит из-за нарушения физиологической адаптации к H2O2 и продуктам окислительного повреждения биомолекул.
McArdle, A., Pollock, N., Staunton, C. A. & Jackson, M. J. Aberrant redox signalling and stress response in age-related muscle decline: role in interand intra-cellular signalling. Free Radic. Biol. Med. 132, 50–57 (2019)
Как и ожидалось, учитывая роль постоянной прогрессирующей физической активности в повышении устойчивости и усилении механизмов детоксикации АФК, физические упражнения способны противодействовать возрастной потере мышечной массы.
Onyango, A. N. Cellular stresses and stress responses in the pathogenesis of insulin resistance. Oxid. Med. Cell Longev. 2018, 4321714 (2018).
Cobley, J. N., Close, G. L., Bailey, D. M. & Davison, G. W. Exercise redox biochemistry: conceptual, methodological and technical recommendations. Redox Biol. 12, 540–548 (2017). 242. Hancock, M. et al. Myocardial NADPH oxidase-4 regulates the physiological response to acute exercise. eLife 7, 41044 (2018)
Также недавно появились данные о том, что нарушение окислительно-восстановительного баланса и нарушение передачи окислительно-восстановительных сигналов, особенно в мотонейронах, причастны к потере мышечной массы.
Jackson, M. J. Mechanistic models to guide redox investigations and interventions in musculoskeletal ageing. Free Radic. Biol. Med. 149, 2–7 (2020).
Перспективы окислительно-восстановительной медицины.
Как обсуждается в основном тексте, активные формы кислорода (АФК) и другие активные формы генерируются посредством различных эндогенных источников, которые связаны друг с другом и с клеточными сигнальными сетями. В настоящее время также хорошо установлено, что совокупность воздействий — различных химических и биологических агентов, радиации, психосоциальных компонентов, питания, физических упражнений и образа жизни — на протяжении всей жизни, так называемый экспосом, вносит важный вклад в уровень оксидантов.
Мы также подробно обсудили важность правильного окислительно-восстановительного баланса для поддержания гомеостаза и физиологических функций клеток и организма. Физиологические уровни оксидантов поддерживают физиологию (окислительный эустресс), тогда как чрезмерное воздействие оксидантов вызывает повреждение (окислительный дистресс). Небольшое повышение уровня оксидантов приводит к адаптации к стрессу и повышению устойчивости (концепция, известная как гормезис).
Редокс-медицина обладает потенциалом модулировать уровни оксидантов для достижения терапевтического эффекта. Желательно контролировать чрезмерные уровни оксидантов, чтобы предотвратить токсичность, связанную с окислительным дистрессом (приводящим к гибели клеток и дегенерации тканей), и поддерживать правильный окислительно-восстановительный баланс. Применение этих стратегий включает использование при (нейро)дегенеративных расстройствах и расстройствах, связанных с патологическим воспалением.
Утилизация АФК также была предложена в качестве стратегии продления жизни, а также профилактики рака (поскольку повышенные уровни АФК связаны с патологией раковых клеток).
Одной из возможностей контроля АФК является предоставление окислительно-восстановительных кофакторов (особенно никотинамидных нуклеотидов и флавинов), которые необходимы для большинства окислительно-восстановительных реакций и ,следовательно, необходимы для правильного окислительно-восстановительного баланса.
Дополнительный подход заключается в поставке антиоксидантов, включая различные небольшие биоактивные молекулы, такие как витамины, микроэлементы и ионы металлов, в качестве строительных блоков и компонентов ферментов, таких как редоксины (тиоредоксин, глутаредоксин и пероксиредоксин), глутатионпероксидаза (GPX) и супероксиддисмутазы (СОД).
Существует также потенциал для использования различных окислительно-восстановительных мер, включая изменение образа жизни и соответствующее питание, а также окислительно-восстановительные препараты.
Кроме того, воздействие гипоксии может оказывать благотворное влияние на окислительно-восстановительный баланс и связано с повышением устойчивости к стрессам, включая окислительный стресс.
В некоторых обстоятельствах, таких как рак и другие типы аберрантного образования тканей, а также для усиления иммунных реакций и защиты от патогенов, например, в контексте заживления ран, может быть полезно индуцировать повышенную генерацию АФК, чтобы вызвать окислительный дистресс и стимулировать клеточную активность убийство.
Эти подходы могут быть реализованы с использованием различных химиотерапевтических, лучевых и окислительно-восстановительных препаратов, а также с использованием физических методов, таких как фотодинамическая терапия или использование холодной атмосферной плазмы. RNS – активные формы азота; RSS активные формы кислорода.
В этом обзоре по поводу окси стресса и аэробно/анаэробных нагрузок на клетки я не включил некоторые важные критерии, доказывающие те и иные механизмы. Подробнее при личном общении.
