Reakcja fotodynamiczna a stres oksydacyjny

Reakcja fotodynamiczna a stres oksydacyjny — wpływ efektu
fotodynamicznego na aktywność enzymów antyoksydacyjnych
STRESZCZENIE
T
erapia fotodynamiczna PDT polega na selektywnym niszczeniu tkanki nowotworowej
tlenem singletowym lub innymi reaktywnymi formami tlenu (ROS), które tworzą się w
wyniku oddziaływania światła o odpowiedniej długości fali z fotouczulaczem. Selektywną
destrukcję wywołują reaktywne formy tlenu wygenerowane przez zaabsorbowany w tkance
nowotworowej barwnik o właściwościach fotoutleniających. Fotouczulacz znajdujący się w
komórce nowotworowej poddany działaniu energii świetlnej zapoczątkowuje szereg reakcji
fotochemicznych, podczas których powstają reaktywne utleniacze. W komórkach działają
mechanizmy utrzymujące stężenie tych utleniaczy na minimalnym poziomie. Do antyoksydacyjnej ochrony należą przede wszystkim witaminy A, C i E, glutation, koenzym Q10,
karotenoidy oraz enzymy z grupy oksydoreduktaz, takie jak dysmutazy ponadtlenkowe,
katalaza, peroksydazy glutationowe i reduktaza glutationowa. Ich aktywność może mieć zasadnicze znaczenie dla przebiegu i powodzenia terapii fotodynamicznej.
WPROWADZENIE
Dobroczynne działanie światła lub światła w połączeniu z preparatami chemicznymi znano już od dawna. Podstawą leczenia w PDT (ang. PhotoDynamic
Therapy) jest efekt fotodynamiczny odkryty przed ponad stu laty przez Raaba.
Oskar Raab, niemiecki uczony zauważył, że naświetlanie kultur bakterii w obecności akrydyny i jej pochodnych skutkuje śmiercią komórek.
Jako pierwszy wpływ efektu fotodynamicznego na organizm ludzki zaprezentował w 1913 roku Meyer Betz wstrzykując sobie roztwór 200 mg hematoporfiryny, a następnie po ekspozycji na światło słoneczne spowodował u siebie
poważne poparzenia części ciała odkrytych i wystawionych na działanie światła. Kilka dekad później w 1942 roku Auler i Banzer zaobserwowali efekt fluorescencji oraz nekrozy u zwierząt po podaniu im porfiryny i naświetleniu UV.
W 1961 roku Lipson i jego współpracownicy zaobserwowali zjawisko selektywnego gromadzenia się HpD w tkankach nowotworowych. W 1976 roku Kelly i
Smell opisali kliniczne zastosowanie PDT w leczeniu nowotworu pęcherza moczowego [1].
Anna Romiszewska*
Agata Nowak-Stępniowska
Instytut Optoelektroniki, Wojskowa Akademia
Techniczna, Warszawa
Instytut
Optoelektroniki,
Wojskowa
Akademia Techniczna, ul. Kaliskiego 2, 00-908
Warszawa; e-mail: [email protected]
*
Artykuł otrzymano 18 marca 2014 r.
Artykuł zaakceptowano 2 czerwca 2014 r.
Słowa kluczowe: terapia fotodynamiczna,
efekt fotodynamiczny, fotouczulacz, stres
oksydacyjny, antyoksydanty, aktywność enzymu
Wykaz skrótów: PDT — terapia fotodynamiczna; SOD — dysmutaza ponadtlenkowa;
CAT — katalaza; GPx — peroksydaza glutationowa; GR — reduktaza; Prz — peroksyredoksyny, ROS — reaktywne formy tlenu; RNS
— reaktywne formy azotu; SDT — terapia sonodynamiczna (z wykorzystaniem ultradźwięków); HpD — pochodne hematoporfiryny; PDI
— fotodynamiczna inaktywacja bakterii
Wkrótce po tym Dougherty wraz ze swoim zespołem przeprowadził rozszerzone badania kliniczne, które w następstwie doprowadziły do zarejestrowania pierwszego fotouczulacza Photofrinu. W 1993 roku Photofrin został wprowadzony do leczenia nowotworów pęcherza moczowego w Kanadzie, a nieco
później do leczenia różnych typów nowotworów w USA, Japonii i w krajach
Europy [1,2]. Obecnie w klinikach z pełnym sukcesem stosuje się PDT do leczenia wielu rodzajów nowotworów, takich jak nowotwory skóry, jamy brzusznej,
płuc, przełyku, pęcherza, guzy głowy i szyi, narządów rodnych, oka, a także
do leczenia schorzeń nienowotworowych głównie w dermatologii [2-5]. Ponadto metodę PDT wykorzystuje się w okulistyce do leczenia starczej degeneracji
plamki żółtej, a także do sterylizacji preparatów krwi, niszczenia płytek miażdżycowych oraz jako terapię wspomagającą po zabiegach chirurgicznych. Pojawiły się również doniesienia na temat zastosowania metody fotodynamicznej do
leczenia przewlekłych owrzodzeń, źle leczących się, zainfekowanych oparzeń,
leiszmaniozy skórnej oraz rozmaitych infekcji ustnych, a także do odkażania powierzchni przemysłowych i szpitalnych. Wykorzystuje się często do tych celów
fotouczulacze pochodzenia roślinnego. Są to wyciągi z kwiatów, nasion lub korzeni niektórych roślin pochodzących z Ameryki Południowej i Północnej. Proces niszczenia bakterii przy udziale fotouczulaczy i światła nazwano PDI (ang.
Photodynamic Inactivation) [6].
Od kilku lat do leczenia nowotworów stosuje się również tzw. metodę sonodynamiczną (SDT, ang. Sonodynamic Therapy), w której zamiast światła i fotouczulacza (PDT) stosuje się połączone działanie ultradźwięków z preparatami
Postępy Biochemii 60 (3) 2014
355
wrażliwymi na ich działanie. Sonouczulacze (lub fonouczulacze) to często pochodne porfirynowe. SDT jest nieinwazyjną, obiecującą metodą leczenia nowotworów, gdyż w
przeciwieństwie do światła, ultradźwięki mogą bez trudu
przenikać w głąb obszarów organizmu zwłaszcza tych położonych głęboko np. w mózgu oraz takich, które nie mogą
być poddane zabiegom chirurgicznym [7].
MECHANIZMY REAKCJI W PROCESIE
FOTODYNAMICZNYM
PDT wymaga obecności trzech składników: barwnika
fotouczulającego, światła i tlenu cząsteczkowego. Źródło
światła musi być odpowiednio dobrane do stosowanego
barwnika. Długość fali światła powinna pokrywać się z
maksimum absorpcji barwnika. Fotouczulacze mogą być
aplikowane do organizmu doustnie lub pozajelitowo (parenteralnie) [8]. Jedną z najważniejszych właściwości dobrego fotouczulacza jest jego zdolność do selektywnej kumulacji w tkance nowotworowej. Podczas gdy proces selektywnej lokalizacji fotouczulacza w tkance nowotworowej nie
jest do końca wyjaśniony, proces fotonekrozy chorej tkanki
jest mechanizmem dość dobrze poznanym i opisanym.
Fotodestrukcja tkanki nowotworowej przebiega według
trzech głównych mechanizmów: Typu I, Typu II i Typu III.
Wzbudzanie fotouczulacza przez światło wywołuje reakcję
fotoutleniania. W reakcji tej fotouczulacz absorbuje foton i
jest aktywowany do stanu wzbudzonego singletowego o
krótkim czasie życia, po czym następuje jego przejście do
niższego stanu wzbudzonego, jakim jest stan tripletowy
(Ryc. 1). Będący w stanie wzbudzonym fotouczulacz reaguje z sąsiadującymi biomolekułami np. lipidami błonowymi,
które mogą dalej reagować z tlenem tworząc rodniki nadtlenkowe lub inne rodniki tlenowe (Typ I), lub mogą reagować bezpośrednio z tlenem cząsteczkowym produkując
wysoko reaktywny tlen singletowy (Typ II) [9]. Mechanizm
Typu III polega na bezpośrednim toksycznym oddziaływaniu fotouczulacza z tkanką nowotworową bez udziału tlenu
[10]. Formy rodnikowe powstają w wyniku przeniesienia
wodoru lub elektronu pomiędzy wzbudzoną cząsteczką fotouczulacza, a tkanką nowotworową.
Rycina 1. Zmodyfikowany diagram Jabłonskiego, fotouczulacz porfirynowy
oznaczono literą P [12].
356
Reaktywne utleniacze, które tworzą się podczas efektu
fotodynamicznego, mogą atakować liczne struktury wewnątrzkomórkowe. Na reakcję ze strony czynników fotoutleniających najbardziej narażone są związki zawierające
wiązania podwójne w błonach komórkowych oraz fragmenty tych białek, które zawierają reszty aminokwasowe
z wiązaniami podwójnym. Poza tym uszkodzeniu ulega
DNA, w którym na atak głównie narażone są zasady występujące jako czynnik mostkujący w podwójnej spirali (guanina) [11].
Udział mechanizmu Typu I (przez wolne rodniki) lub
Typu II (przez tlen singletowy) zależy od różnych parametrów, takich jak: stężenie tlenu w miejscu reakcji, struktura
barwnika, stałe dielektryczne tkanek, pH.
REAKTYWNE FORMY TLENU I AZOTU
Tlen jest cząsteczką dwurodnikową i czasami zdarza się,
że jest tylko częściowo redukowany (przez dodanie jednego elektronu). Ocenia się, że 1–2% tlenu zużywanego przez
organizmy żywe, służy do generowania reaktywnych form
tlenu, ROS [13-14]. Reaktywne formy tlenu występują w
postaci wolnych rodników: anionorodnik ponadtlenkowy
(O2•-), rodnik wodoronadtlenkowy (HO2•), rodnik hydroksylowy (HO•), rodnik alkoksylowy (R·) oraz jako formy nierodnikowe czyli nie posiadające niesparowanego elektronu,
do których należą: tlen singletowy (1O2), ozon (O3) i nadtlenek wodoru (H2O2) (Ryc. 2).
Do endogennych źródeł powstawania reaktywnych
form utleniających należą głównie mitochondrium (łańcuch oddechowy), makrofagi, neutrofile, peroksysomy, a
także działanie niektórych enzymów, takich jak oksydaza
NADPH, oksydaza ksantynowa, syntaza NO (NOS), cyklooksygenaza, lipooksygenaza [15,17]. Przewlekłe stany zapalne są również źródłem powstawania utleniających form
wolnorodnikowych.
Oprócz endogennych czy fizjologicznych reaktywnych
form tlenu organizm jest narażony na działanie utleniaczy
egzogennych, pochodzących ze środowiska. Należą do nich
bez wątpienia, zanieczyszczenie powietrza, dym papierosowy (jeden „puff” z papierosa zawiera 1014–16 wolnych rodników) i spaliny. Cząsteczki reaktywnych form tlenu reagują
z biomolekułami powierzchni skóry, a niektóre z nich wnikają głębiej i przedostają się do układu krążenia. Kolejnym
źródłem powstawania aktywnych form utleniających jest
promieniowanie słoneczne (UV) absorbowane przez chromofory skóry, a także chemioterapia, leki (antybiotyki, ksenobiotyki), promieniowanie jonizujące, infekcje oraz stres.
Wolne rodniki są cząsteczkami posiadającymi co najmniej jeden niesparowany elektron, co powoduje, że są one
niestabilne i dążą do uzyskania pary elektronowej poprzez
przemieszczenie elektronu (reakcje utleniania i redukcji). Ze
względu na krótki czas życia ich zasięg działania jest jednak
niewielki, niszczą głównie struktury komórkowe w najbliższym sąsiedztwie ich tworzenia. Anionorodnik ponadtlenkowy, rodnik hydroksylowy oraz nadtlenek wodoru należą
do najbardziej reaktywnych form utleniających. Rodniki powww.postepybiochemii.pl
Innym przedstawicielem grupy biologicznych utleniaczy
jest tlenek azotu, NO, przekaźnik drugiego rodzaju, który
tworzy się w reakcji tlenu w obecności różnych syntaz tlenku azotu (NOS) [23], zgodnie z reakcją:
O2 + arginina + NADPH + H+ → NO + cytrulina + H2O +
NADPH+
Tlenek azotu (NO) należy do grupy reaktywnych form
azotu (RNS) i jest nieco podobny w swoich właściwościach
do rodnika ponadtlenkowego. Dość łatwo reaguje z innymi
wolnymi rodnikami (na przykład z rodnikiem alkilowym i
nadtlenowym). W reakcji z anionorodnikiem ponadtlenkowym tlenek azotu tworzy inny silny utleniacz, jakim jest jon
nadtlenoazotynowy (ONOO‾) [24].
STRES OKSYDACYJNY
Poza mikroorganizmami beztlenowymi wszystkie żywe
organizmy wymagają obecności tlenu cząsteczkowego jako
akceptora elektronów do efektywnej produkcji energii. W
celu określenia stanów występujących w organizmach aerobowych, kiedy produkty utlenienia nie są skutecznie
neutralizowane i prowadzą do upośledzenia metabolizmu,
obniżenia funkcji fizjologicznych i chorób, wprowadzono
pojęcie stresu oksydacyjnego [13]. Stres oksydacyjny jest
wynikiem braku równowagi pomiędzy wytwarzaniem
form utleniających a ich degradacją.
Rycina 2. Przykłady reakcji otrzymywania reaktywnych form tlenu w różnych
procesach biochemicznych wewnątrz organizmu [15].
nadtlenkowe i nadtlenek wodoru mogą reagować z metalami przejściowymi, takimi jak żelazo czy miedź, z utworzeniem silnie utleniającego rodnika hydroksylowego (OH•)
[18]. Rodnik hydroksylowy jest również produktem reakcji
Habera-Weissa, katalizowanej przez jony żelaza, jony miedzi, a także inne metale przejściowe, takie jak: kobalt, nikiel,
mangan, chrom oraz ich kompleksy [19,20].
Rodnik hydroksylowy bierze udział w peroksydacji lipidów. Peroksydacji ulegają głównie reszty wielonienasyconych kwasów tłuszczowych fosfolipidów, które są składnikiem błon komórkowych. Utworzone nadtlenki lipidowe powodują zaburzenia właściwości błon komórkowych
(zmiany przepuszczalności, płynności, utrata ich funkcji).
Modyfikują lipoproteiny o małej (LDL) i dużej gęstości
(HDL), co prowadzi do procesów promiażdżycowych i prozapalnych [21].
Do nierodnikowych reaktywnych form tlenu należy tlen
singletowy. Może on tworzyć się w niektórych biochemicznych procesach utleniania z udziałem peroksydazy i lipooksygenazy, w reakcjach pomiędzy różnymi reaktywnymi
formami tlenu lub w obecności światła, tlenu i fotouczulacza np. porfiryny (PDT) [22].
Postępy Biochemii 60 (2) 2014
Reaktywne formy tlenu są zaangażowane w patogenezę
lub progresję wielu schorzeń, do których należą między innymi choroby neurodegeneracyjne, takie jak choroba Huntingtona, Parkinsona i Alzheimera oraz choroby nowotworowe i zaburzenia zwyrodnieniowe siatkówki oka [25-27].
Natomiast w przypadku procesów starzenia nie ma jednoznacznej odpowiedzi czy rzeczywiście wolne rodniki przyspieszają te procesy. Badania przeprowadzone na zwierzętach wskazują, iż brak jest jednoznacznych dowodów na to,
że wolne rodniki przyśpieszają starzenie, a suplementy w
postaci antyoksydantów obniżają ryzyko śmierci. Starzenie
jest procesem złożonym, w którym należy uwzględnić również takie zjawiska jak nadaktywność pewnych procesów
biologicznych [28].
Reaktywne formy tlenu mają nie tylko działanie szkodliwe
dla organizmu. Rola jaką pełnią wolne rodniki w znacznym
stopniu zależy od ich rodzaju oraz stężenia. Jak wskazują wyniki badań, mogą wykazywać działanie korzystne, a nawet
prozdrowotne. Reaktywne formy tlenu czy azotu pełnią kilka
fizjologicznych funkcji w układzie nerwowym, w układzie naczyniowym kontrolują ciśnienie krwi, hamują agregację płytek
krwi i zabijają pewne chorobotwórcze mikroorganizmy. Ponadto ROS pełnią rolę cząsteczek sygnałowych (przekaźniki
drugiego rodzaju) w procesie nazywanym sygnalizacją redoks.
Uruchamiają wewnętrzne mechanizmy obronne i naprawcze organizmu, aktywują system obrony antyoksydacyjnej
[29-31]. Natomiast kiedy stężenie wolnych rodników rośnie
stają się niebezpieczne ze względu na rozmaite uszkodzenia,
które są ich udziałem [32]. Reaktywne formy tlenu biorą również udział w terapii PDT, gdzie ich rola polega na selektywnym uśmiercaniu komórek nowotworowych.
357
nego (ALS) w przypadku zaburzeń aktywności
Cu/ZnSOD (SOD1). Zmiany w aktywności tych
enzymów zaobserwowano w przypadku niektórych schorzeń np. w erytrocytach osób z zespołem Downa zanotowano zwiększoną aktywność
SOD-1 o ok. 37%, GPx o 8,4%, GR o 37,4% i o
24,3% CAT, w porównaniu do grupy kontrolnej
[35]. Jeszcze inne wyniki badań wskazują nawet
na 50% wzrost aktywności SOD-1 w przypadku
dzieci z zespołem Downa [36].
Dysmutazy ponadtlenkowe EC 1.15.1.1
Rycina 3. Uproszczony schemat szlaku oksydacyjnego i antyoksydacyjnego w komórce [37].
OCHRONA ANTYOKSYDACYJNA
NIEENZYMATYCZNE ENDOGENNE ANTYOKSYDANTY
Wszystkie organizmy, które mogą lub muszą żyć w
obecności tlenu są wyposażone w dość sprawnie działający
system ochrony przed szkodliwym wpływem tlenu i produktów jego reakcji (Ryc. 3). Do systemu antyoksydacyjnej
ochrony organizmu należą enzymatyczne i nieenzymatyczne antyoksydanty. Do grupy nieenzymatycznych antyoksydantów należą m.in.: glutation, ubichinon-koenzym Q10,
kwas liponowy, kwas askorbinowy (witamina C), retinoidy
(witamina A) i karotenoidy, tokoferol (witamina E), tioredoksyny, selen (jon Se-2), peroksyredoksyny, transferyna,
laktoferyna, ceruloplazmina, kwas moczowy, tauryna, cysteamina, cysteina. Metabolizm glutationu jest jednym z
najważniejszych układów ochronnych w komórce [33].
Główny mechanizm antyoksydacyjny składa się z kolejnych etapów [34]:
——oddziaływanie utleniaczy i czynników utleniających z
kwasem askorbinowym i zredukowanym glutationem
(GSH);
——usuwanie wolnych rodników i wygaszanie tlenu singletowego przez tokoferol, kwas askorbinowy, β-karoten i
dysmutazę ponadtlenkową;
——redukowanie nadtlenku wodoru przez peroksydazę glutationową i katalazę;
——wiązanie metali przejściowych przez różne chelatory, naprawa uszkodzeń oksydacyjnych powstałych w wyniku
procesów metabolicznych.
ENZYMATYCZNE ANTYOKSYDANTY
Do najbardziej efektywnych endogennych antyoksydantów należą również enzymy z grupy oksydoreduktaz: dysmutaza ponadtlenkowa (SOD), peroksydaza glutationowa
(GPx), katalaza (CAT), reduktaza glutationowa, glutationowa-S-transferaza, reduktaza tioredoksyny, aldoketoreduktaza. Odpowiedni poziom aktywności enzymów antyoksydacyjnych zapewnia sprawne funkcjonowanie organizmu.
Natomiast zaburzenia w ich aktywności są powodem różnych poważnych chorób np. stwardnienia zanikowego bocz-
358
Dysmutazy ponadtlenkowe (SOD) stanowią
grupę enzymów, które katalizują reakcję dysmutacji anionorodników ponadtlenkowych.
Dysmutazy ponadtlenkowe są sklasyfikowane
w zależności od rodzaju metalu pełniącego rolę
kofaktora oraz miejsca ich lokalizacji:
——Cu/ZnSOD (SOD-1) — miedziowo-cynkowa, wewnątrzkomórkowa;
——MnSOD (SOD-2) — manganowa, mitochondrialna;
——EC-Cu/ZnSOD (SOD-3) — miedziowo-cynkowa, zewnątrzkomórkowa;
——Fe-SOD — żelazowa;
——Ni-SOD — niklowa.
Pierwszą poznaną dysmutazą ponadtlenkową była wewnątrzkomórkowa dysmutaza Cu/Zn SOD (miedziowo-cynkowa) zwana też SOD-1. Nazwana początkowo erytrocupreiną została odkryta przez Fridovicha i McCorda
podczas badań dotyczących redukcji cytochromu c. Gen
kodujący SOD-1 znajduje się w chromosomie 21q22. W narządach ssaków najwyższe stężenie Cu/ZnSOD stwierdzono w: wątrobie, nerkach, erytrocytach i centralnym układzie
nerwowym [38].
Zewnątrzkomórkowa
dysmutaza
ponadtlenkowa
(EC-SOD), jest głównym izoenzymem SOD w płynach zewnątrzkomórkowych, takich jak: osocze, limfa, płyn maziowy. Znajduje się również w płynie mózgowo-rdzeniowym
i nasieniu. Występująca u ssaków EC-SOD jest glikoproteiną. Mimo iż EC-SOD jest enzymem występującym głównie
poza komórką, są doniesienia, że jest on znajdowany również wewnątrz komórki.
MnSOD, czyli manganowa dysmutaza ponadtlenkowa
(SOD-2), jest obok Cu/ZnSOD ważnym izoenzymem rodziny SOD. Znajduje się głównie w matriks mitochondrialnym
i jej zadaniem jest usuwanie anionorodników ponadtlenkowych w mitochondrium. Najwyższe stężenie MnSOD znaleziono w tkankach serca, mózgu, wątroby i nerek. Uważa
się, że stężenie MnSOD oraz zmiany jego aktywności mają
istotny wpływ na rozwój wielu schorzeń, w tym chorób nowotworowych [39]. Mitochondrialna MnSOD pełni prawdopodobnie ważną rolę w apoptozie szybko proliferujących
komórek nowotworowych. Wprowadzenie do komórek
ludzkiego czerniaka MnSOD powoduje zmniejszenie szybkości wzrostu nowotworu in vivo [40]. Synteza MnSOD jest
w przeciwieństwie do Cu/ZnSOD wywołana przez stres
oksydacyjny oraz przez tioredoksyny [41].
www.postepybiochemii.pl
Syntezę MnSOD indukują również antynowotworowe
cytokiny TNF (ang. Tumor Necrosis Factor) i limfotoksyna
(LT, ang. Lymphotoxin), pełniące ważną rolę w ochronie komórek przed stresem oksydacyjnym i w immunologicznej
reakcji organizmu.
Wzrost produkcji MnSOD hamuje czynnik tempa
wzrostu komórek nowotworowych zarówno in vitro jak
i in vivo [40]. Komórki nowotworowe mają ogólnie niską
aktywność MnSOD i czasami również niską aktywność
Cu/ZnSOD [42]. Nadmierna ekspresja genów kodujących enzymy z grupy SOD zwiększa stopień różnicowania komórki nowotworowej, obniża jej wzrost i proliferację. Może zmienić jej złośliwy fenotyp na niezłośliwy
w warunkach in vitro. W warunkach in vivo jest to proces
bardziej złożony ze względu na wielorakie oddziaływania komórek guza z jego otoczeniem. Komórki ludzkiego glejaka mają relatywnie wyższą aktywność MnSOD
w porównaniu z innymi typami nowotworów. Jest to
prawdopodobnie związane z dużym stężeniem nadtlenków tworzących się podczas normalnego metabolizmu
tlenowego w komórkach mózgu [42]. Prawdopodobnie
wysokie stężenie dysmutaz ponadtlenkowych może być
związane z lekoopornością na cytostatyki i radioterapię
[43,44].
Badania różnych typów nowotworów wskazują, że synteza antyoksydacyjnych czynników w guzach przerzutowych może być inna niż w guzach pierwotnych. Poziom
MnSOD w zmianach przerzutowych w nowotworze prostaty był obniżony w stosunku do nowotworu pierwotnego
[45].
Fe-SOD jest to najprostszy w budowie typ dysmutazy
ponadtlenkowej. Występuje u wielu bakterii, sinic, a także u niektórych pierwotniaków i glonów. Enzym ten jest
obecny również u roślin wyższych, ale nie występuje u
zwierząt. Ma budowę dimeru lub tetrameru, a w centrum
katalitycznym znajduje się jon żelaza [46].
Ni-SOD, niklowa dysmutaza ponadtlenkowa została
odkryta i wyizolowana z bakterii rodzaju Streptomyces. W
1996 roku została scharakteryzowana przez Youna i jego
współpracowników, jako nowy typ Ni-zależnej dysmutazy
ponadtlenkowej. Ni-SOD jest obecna również u Escherichia
coli [47].
Peroksydazy glutationowe EC 1.11.1.9
Peroksydaza glutationowa jest odpowiedzialna za rozkład większości powstającego w komórkach nadtlenku
wodoru. Jednak przy dużych stężeniach H2O2 w komórkach to katalaza pełni główną rolę w jego rozkładzie.
Wszystkie peroksydazy glutationowe wykorzystują
glutation jako substrat, co nie znaczy, że nie mogą wykorzystać innego reduktora. Głównym źródłem osoczowej formy GPx są nerki. Wysoki poziom cytosolowej
peroksydazy glutationowej znaleziono także w tkankach
wątroby, nerek, płuc i erytrocytach. Natomiast nie zaobserwowano aktywności GPx w roślinach [48]. Działanie
Postępy Biochemii 60 (3) 2014
peroksydazy glutationowej wspomaga transferaza glutationowa, która bierze udział w rozkładaniu produktów
peroksydacji lipidów oraz reduktaza glutationowa, która
katalizuje przemiany utlenionej formy glutationu do formy zredukowanej.
Podczas badań nad aktywnością peroksydazy glutationowej u szczurów z niedoborem selenu, odkryto przypadkowo obecność drugiej peroksydazy glutationowej,
której aktywność nie była zmniejszona przez niedobór
selenu. Masa cząsteczkowa nowo odkrytego białka była
dwukrotnie mniejsza od masy białka znanej już GPx wątroby szczura. Druga różnica dotyczyła powinowactwa
do nadtlenowych substratów. Podczas gdy selenozależna
GPx (Se-GPx) reagowała z liczną grupą wodoronadtlenków w tym również z H2O2, to nowo odkryty enzym nie
reagował z H2O2, natomiast chętnie wchodził w rekcję z
wodoronadtlenkami organicznymi. Obecność selenoniezależnej GPx (ang. non-selene-GPx) jest bardzo istotna w
ochronie komórek ssaków przed peroksydacją lipidów
i może pomóc wyjaśnić zmiany zachodzące w różnych
tkankach przy niedoborach lub braku selenu [49]. Selenoniezależna peroksydaza glutationowa jest izoenzymem
S-transferazy glutationowej, enzymu zależnego od glutationu, podobnie jak GPx i GR.
Transferazy lub S-transferazy glutationowe [EC 2.5.1.18]
Transferazy lub S-transferazy glutationowe są grupą
enzymów, które katalizują reakcje zachodzące między
zredukowanym glutationem (GSH) a związkami elektrofilowymi (także ksenobiotykami). Biorą one udział w
usuwaniu poza komórkę utlenionego glutationu (GSSG)
tworzącego się w reakcji rozkładu nadtlenku wodoru
[50].
Katalaza [EC 1.11.1.6]
Katalaza jest enzymem odpowiedzialnym za redukcję nadtlenku wodoru, który powstaje w reakcjach katalizowanych m.in. przez dysmutazę ponadtlenkową
oraz w wielu reakcjach nieenzymatycznych (utlenianie
związków tiolowych, askorbinianu i in.). Jest enzymem
wewnątrzkomórkowym, obecnym głównie w peroksysomach, gdzie katalizuje reakcję dysmutacji (dysproporcjonowania) nadtlenku wodoru, wytwarzanego w czasie
α-oksydacji kwasów tłuszczowych.
U ssaków katalaza występuje głównie w tkankach wątroby, nerek, błonach śluzowych, szpiku oraz w erytrocytach.
Wykazuje najwyższą aktywność katalityczną ze wszystkich
znanych enzymów.
Z badań przeprowadzonych przez Kirkmana wynika,
że cząsteczka ludzkiej katalazy jest mocno związana z
czterema cząsteczkami NADPH, co chroni enzym przed
inaktywacją i obniżeniem jego sprawności katalitycznej.
Jej katalityczna aktywność jest proporcjonalna do stężenia H2O2 w szerokim zakresie stężeń [51]. Katalaza nie jest
skuteczna w usuwaniu niewielkich ilości nadtlenku wodoru, ponieważ w jej katalitycznym cyklu potrzebne są
aż dwie cząsteczki H2O2 na jedno miejsce aktywne enzy-
359
mu. Dlatego przy niskich stężeniach nadtlenku wodoru
nie należy oczekiwać znaczącej roli katalazy.
Reduktaza glutationowa [EC 1.8.1.7]
Reduktaza glutationowa jest flawoproteiną, zawiera dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD) jako grupę prostetyczną. Reduktaza glutationowa (GR) pełni bardzo ważną rolę
w metabolizmie glutationu, ściśle współpracuje z peroksydazą glutationową dostarczając jej odtworzoną postać zredukowanego glutationu, kosztem utleniania NADPH.
EFEKT FOTODYNAMICZNY A ZMIANY AKTYWNOŚCI
ENZYMÓW ANTYOKSYDACYJNYCH
Terapia fotodynamiczna (PDT) prowadzi do zwiększenia
stężenia toksycznych form utleniających. Liczne badania
dotyczące wpływu PDT na zachowanie komórki wskazywały na wyraźny wzrost liczby wytwarzanych rodników
ponadtlenkowych w komórkach naświetlanych [52]. Dlatego badania wpływu PDT na aktywność enzymów takich
jak SODs, które katalizują ich rozkład, są ważnym czynnikiem w antynowotworowej skuteczności tej terapii. Badania
wykonane na linii komórkowej gruczolakoraka okrężnicy z
użyciem Photofrinu® wskazują na wzrost stężenia enzymu
manganowej dysmutazy ponadtlenkowej MnSOD. Nie zanotowano natomiast takich zmian w przypadku dysmutazy ponadtlenkowej Cu/ZnSOD [53]. Wcześniejsze badania
na linii komórkowej HeLa również potwierdzały indukcję
mRNA MnSOD wywołaną działaniem Photofrinu® w PDT.
Wysoki poziom aktywności SOD obniżał efektywność metody PDT. Uzyskane wyniki sugerują, że hamowanie aktywności SOD może zwiększyć skuteczność antynowotworowego działania PDT.
nia H2O2, który jest produktem ich reakcji z rodnikiem ponadtlenkowym. Obniżenie aktywności katalazy lub peroksydazy glutationowej, enzymów rozkładających nadtlenek
wodoru prowadzi do gromadzenia się jego nadmiaru, co
następnie powoduje uszkadzanie DNA i/lub śmierć komórki. Zatem, zmiany aktywności jednego z enzymów antyoksydacyjnych mogą prowadzić do zaburzeń aktywności
innych enzymów tej grupy. Antynowotworowy efekt PDT
wynika nie tylko z jego bezpośredniego oddziaływania w
komórce nowotworowej, ale także z jego wpływu na rozwój
stanów zapalnych i antynowotworową odpowiedź układu
immunologicznego.
W przeciwieństwie do chemio- i radioterapii, które z natury są immunosupresyjne, PDT daje możliwość oddziaływania na układ immunologiczny przez jego stymulację [57].
Wyniki badań wykonanych na linii komórkowej ludzkiego
czerniaka (G361, ang. amelanotic cell), z wykorzystaniem hyperycyny jako fotouczulacza, wskazują na wzrost aktywności SOD, natomiast aktywność katalazy i peroksydazy glutationowej oraz poziom glutationu były znacznie obniżone
[58].
Rozwój guza nowotworowego w dużym stopniu zależy
od angiogenezy. Wyniki przedstawione przez Marikovskiego, pokazują zależność, jaka istnieje między aktywnością
SOD-1 a angiogenezą oraz wpływ disulfiramu, inhibitora
SOD-1 na angiogenezę. Disulfiram podawany w formie doustnej transgenicznym myszom hamował angiogenezę nowotworu [59]. Wyniki tych badań mogą być przydatne w
leczeniu różnych patologii zależnych od angiogenezy.
Wyniki badań wykonanych przez zespół Gołąba na
trzech mysich i pięciu ludzkich liniach komórkowych wykazują, że hamowanie aktywności SOD w komórkach
guza przez preinkubowanie ich z 2-metoksyestradiolem
(2-MeOE2) wytwarzały synergistyczny antynowotworowy
efekt w połączeniu z PDT [54]. Hamowanie aktywności SOD
przez pochodne estrogenu może selektywnie uśmiercać komórki białaczkowe. Zastosowanie w badaniach 2-MeOE2,
powodowało kilka antynowotworowych efektów, takich
jak antyproliferacja, apoptoza, indukcja białka p-53, depolimeryzacja tubuliny i hamowanie angiogenezy. Badania
z 2-MeOE2 były przeprowadzone głównie na guzach eksperymentalnych oraz w dwóch klinicznych przypadkach
u pacjentów z rozwiniętym guzem litym. Podobnie jak w
poprzednich badaniach nie zauważono zmian aktywność
Cu/ZnSOD [53]. Autorzy eksperymentu tłumaczą ten fakt
wewnątrzkomórkową lokalizacją fotouczulacza Photofrin,
który początkowo lokalizował się w błonie komórkowej, a
po 24 godzinach inkubowania znajdował się głównie w mitochondrium [55].
Na aktywność enzymów antyoksydacyjnych podczas
działania efektu fotodynamicznego ma wpływ zarówno
energia świetlna, typ fotouczulacza, jak i oba te czynniki
razem. Okazało się, że sam barwnik fotouczulający jak i
obecność samej energii świetlnej może powodować zmiany aktywności tych enzymów. Znane są badania, z których
wynika, że światło czerwone (bez obecności fotouczulacza)
obniżało aktywność SOD oraz katalazy (CAT) w limfocytach. Spadek aktywności tych enzymów pociągał za sobą
wzrost stężenia reaktywnych utleniaczy (H2O2) uszkadzających komórki. Inne wyniki tych badań pokazały, że obecność samego fotouczulacza (PPIX) obniżała aktywność katalazy w limfocytach. Natomiast obecność energii świetlnej
oraz fotouczulacza powodowało wzrost aktywności tego
enzymu w komórkach. W badaniach tych został również
zaobserwowany niewielki spadek wartości stosunku glutationu zredukowanego do utlenionego(GSH/GSSG) w limfocytach pod wpływem światła czerwonego. Zmiana ta była
prawdopodobnie spowodowana obniżoną aktywnością reduktazy glutationowej [60]. W innych badaniach odnotowano wzrost aktywności peroksydazy glutationowej pod
wpływem efektu fotodynamicznego [61].
Wyniki wielu badań wykazały, że dysmutaza ponadtlenkowa jest ważnym antyoksydacyjnym enzymem regulującym wrażliwość komórek nowotworowych na różne metody leczenia. Stwierdzono, że synteza MnSOD jest negatywnie skorelowana z czułością komórek nowotworowych na
działanie leków antynowotworowych i radioterapię [53,56].
Wzrost aktywności MnSOD pociąga za sobą wzrost stęże-
Oznaczenie zmiany aktywności enzymów antyoksydacyjnych pod wpływem PDT wykonane na erytrocytach
szczura rasy Wistar, wskazywały na spadek aktywności
dysmutazy ponadtlenkowej, katalazy i peroksydazy glutationowej. W doświadczeniach tych dodatkowo wprowadzono chitosan (CS), liniowy polisacharyd, który wykazywał właściwości immunoadiuwanta (wspomagającego
360
www.postepybiochemii.pl
odporność) in vivo. Wspólne działanie chitosanu i 5-ALA
powodowało redukcję peroksydacji lipidów w tkankach
nowotworowych.
Chitosan wykazywał ponadto działanie ochronne dla
dysmutazy ponadtlenkowej i katalazy. Dzięki jego obecności aktywność tych enzymów była utrzymana na niezmienionym poziomie. Nie zaobserwowano takich zmian w
przypadku peroksydazy glutationowej, której aktywność
pozostała na obniżonym poziomie. Spadek aktywności
enzymów antyoksydacyjnych w erytrocytach poddanych
działaniu efektu fotodynamicznego, był prawdopodobnie
wynikiem uszkodzenia błon komórkowych krwinek i naruszenia struktury białek enzymatycznych [62].
Tlen singletowy, jeden z najbardziej toksycznych czynników uszkadzających komórki, jest odpowiedzialny za tworzenie się wodoronadtlenków lipidowych (LOOH) podczas
PDT. Peroksydacja lipidów błonowych jest wywołana przez
stres oksydacyjny. Prowadzi ona do naruszenia struktury
i funkcji błon komórkowych, co jest przyczyną uszkodzeń
komórki lub jej śmierci. Wykazano, że usuwanie z błon komórkowych wodoronadtlenków lipidowych (LOOHs) za
pośrednictwem peroksydazy glutationowej PhGPx redukuje cytotoksyczny efekt działania tlenu singletowego [63].
Wysoka ekspresja genu kodującego PhGPx w linii komórkowej raka sutka (MCF-7) powodowała wyraźny wzrost
przeżywalności komórek. PhGPx jest niezwykle skutecznym enzymem w ochronie komórki przed szkodliwym
działaniem wodoronadtlenków lipidowych powstających
podczas PDT.
W fotodynamicznej terapii enzymy antyoksydacyjne, takie jak katalaza czy dysmutaza ponadtlenkowa Cu/ZnSOD
mogą hamować proces fotodegradacji fotouczulacza. Przypuszcza się, że część fotowzbudzonych cząsteczek HpD
może utleniać białka komórki tworząc nadtlenki proteinowe (PPO), które są obecnie traktowane jako nowy rodzaj
reaktywnych form tlenu. Mogą one inaktywować enzymy
komórkowe, uszkadzać błony komórkowe i DNA [64].
żenia form utleniających podczas działania efektu fotodynamicznego powoduje niekontrolowaną modyfikację,
denaturację i fragmentację białek, co prowadzi do utraty
biologicznej aktywności enzymu. Autorzy tego eksperymentu wykazali również, jak można zmienić typ mechanizmu fotodynamicznej reakcji stosując dodatkowo
w PDT antyoksydanty, takie jak kwas askorbinowy, czy
kwercetynę. W zależności od stężenia dodanego antyoksydanta, reakcja niszczenia komórek w procesie fotodynamicznym może zmienić się z Typu I na Typ II i odwrotnie (Ryc. 4).
Ponadto okazało się, że zdolność kwercetyny do ochrony erytrocytów przed fotodestrukcją w wyniku działania
efektu fotodynamicznego jest większa niż kwasu askorbinowego. Naświetlanie erytrocytów inkubowanych wcześniej z hyperycyną, prowadzi do fotodestrukcji (hemolizy)
krwinek wywołanej głównie przez tlen singletowy. W tym
przypadku zachodzi reakcja fotodynamiczna według mechanizmu typu II. Dodanie do erytrocytów z hyperycyną
antyoksydanta (kwercetyny) w małym stężeniu nie zmienia
typu mechanizmu reakcji fotodynamicznej i nadal proces
niszczenia erytrocytów przebiega przez tlen singletowy
(mechanizm typu II). Natomiast przy większym stężeniu
antyoksydanta jest bardzo prawdopodobne, że cząsteczki
hyperycyny reagują z nim i następuje przeniesienie elektronu z anionu antyoksydanta na cząsteczkę hyperycyny
(HY-….H+). Tworzy się nadmiar form rodnikowych i reakcja
przebiega wówczas zgodnie z mechanizmem typu I [67].
Wyniki tych badań mają duże znaczenie w doborze warunków fotodynamicznej reakcji. Stosując fotouczulacz razem z antyoksydantem można zastosować jego niższe stężenie i osiągnąć tą samą lub lepszą skuteczność PDT [67].
Obecnie wiadome jest, że bezpośredniemu działaniu na
Promieniowanie UVB (280–320 nm) wpływa również na
aktywność enzymów z grupy SOD i w różny sposób aktywuje enzymy Cu/ZnSOD i MnSOD w ludzkich keratynocytach. Według hipotezy autorów badań, stężenie i aktywność
Cu/ZnSOD gwałtownie wzrosły bezpośrednio po naświetlaniu, ponieważ enzym ten pełniąc rolę obronną jest silnie
zaangażowany w usuwanie skutków działania stresu oksydacyjnego. Następnie aktywność enzymu stopniowo maleje z powodu jego inaktywacji powodowanej reaktywnymi
formami tlenu, jakie wytworzyły się podczas naświetlania.
Natomiast aktywność MnSOD rosła w późniejszej fazie po
naświetlaniu, rekompensując tym samym spadek aktywności Cu/ZnSOD [65,66].
Niemal dwukrotny spadek aktywności SOD-1 w czerwonych krwinkach uzyskano pod wpływem działania
PDT z udziałem hyperycyny i światła widzialnego. Redukcję aktywności dysmutazy ponadtlenkowej w tym
przypadku autorzy eksperymentu tłumaczą zmianami w
miejscu aktywnym enzymu, utlenianie jonu Zn i Cu i/
lub selektywnym utlenianiem aminokwasów. Wzrost stęPostępy Biochemii 60 (3) 2014
Rycina 4. Możliwe mechanizmy reakcji fotodynamicznej z udziałem hyperycyny
(HYP-PDT) w połączeniu z antyoksydantem. Eksperyment wykonano na krwinkach czerwonych [67]: A•- — anionorodnik antyoksydanta; A — anion antyoksydanta; AH — cząsteczka antyoksydanta; HY — cząsteczka hyperycyny w stanie
podstawowym; HY* — cząsteczka hyperycyny w stanie wzbudzonym (trypletowym); RBC — krwinki czerwone.
361
Rycina 5. Uproszczony schemat zmiany typu mechanizmu reakcji fotodynamicznej w zależności od stężenia
antyoksydanta w HYP-PDT [67].
komórki efektu fotodynamicznego towarzyszy efekt dodatkowy tzw. „bystandar effect” [68]. Bezpośredni kontakt
komórek uszkodzonych przez efekt fotodynamiczny z komórkami zdrowymi powoduje przenoszenie na nie uszkodzeń, nawet kiedy czynnik uszkadzający przestaje działać.
Można więc przypuszczać, że „bystandar effect” stanowi
mechanizm uzupełniający działanie PDT w warunkach in
vivo [69,70]. Poznanie różnych oddziaływań efektu fotodynamicznego zarówno na komórki nowotworowe oraz ich
otoczenie, które mogą mieć działanie wspomagające jak i
hamujące terapię, pozwoli w większym stopniu sterować
terapią fotodynamiczną, aby zwiększyć jej skuteczność.
Od kilku lat prowadzi się zaawansowane eksperymenty,
w których bada się połączone działanie niektórych leków
i efektu fotodynamicznego. Uszkodzone w wyniku utlenienia w procesie fotodynamicznym komórkowe makromolekuły, w tym liczne białka, powinny ulegać degradacji
poprzez szlak proteasomowy. Podanie wcześniej preparatów hamujących aktywność proteasomów, takich jak np.
Bortezomid, powoduje wzrost liczby nagromadzonych w
komórkach uszkodzonych białek, które uległy karbonylacji
i ubikwitylacji. W następstwie takich procesów następuje
uszkodzenie i/lub śmierć komórki. Należy więc sądzić, że
inhibitory proteasomów skutecznie „uwrażliwiają” komórki na cytotoksyczny efekt działania PDT. W badaniach in
vivo zauważono także wyraźne zahamowanie wzrostu guza
[71,72].
nych form tlenu: tlenu singletowego
lub wolnych rodników. W metodzie fotodynamicznej należy dobrać takie warunki aby skuteczność niszczenia zmian
nowotworowych była jak największa.
Można to osiągnąć między innymi hamując aktywność enzymów antyoksydacyjnych, które uczestniczą w usuwaniu
reaktywnych, cytotoksycznych form tlenu. Dlatego możliwość oddziaływania
na aktywność tych enzymów, dobierając
odpowiednio warunki fotodynamicznej
terapii (stężenie, typ fotouczulacza, dawka energii) jest taka istotna.
PIŚMIENNICTWO
1. Bonnet R, Martinez G (2001) Photobleaching of sensitizers used in
photodynamic therapy. Tetrahedron 47: 9513-9547
2. Ackroyd R, Kelty C, Brown N, Reed M (2001) The history of photodetection and photodynamic therapy. Photochem Photobiol 74: 656-669
3. Kostron H, Obwegeser A, Jakober R (1996) Photodynamic therapy in
neurosurgery. J Photochem Photobiol B 36: 157-168
4. Moor ACE (2000) Signaling pathways in cell death and survival after
photodynamic therapy. J Photochem Photobiol B 57: 1-13
5. Nowak-Stępniowska A, Pergoł P, Padzik-Graczyk A (2013) Metoda
fotodynamiczna diagnostyki i leczenia nowotworów-mechanizmy i
zastosowania. Postepy Biochem 5991: 53-64
6. Mamone L, Venosa G, Di, Gandra L, Saenz D, Vallecorsa P, Schickinger S, Rossetti MV, Batlle A, Buzzola F, Cassas A (2014) Photodynamic inactivation of Gram-positive bacteria employing natural resources. J Photochem Photobiol B 133: 80-89
7. Tsuru H, Shibaguchi H, Kuroki M, Yamashita Y, Kuroki M (2012) Tumor growth inhibition by sosnodynamic therapy using a novel sonosensitizer. Free Rad Biol Med 53: 464-472
8. Kubler AC (2005) Photodynamic therapy. Med Laser App 20: 37-45
9. Mitchel J (1985) Oxygen dependence of hematoporphyrin derivative-induced photoinactivation of Chinese hamster cells. Cancer Res
45: 2008-2011
10.Allison R, Moghissi K (2013) Oncologic photodynamic therapy: Clinical strategies that modulate mechanisms of action. Photodiag Photodyn Therapy 10: 331-34
11.Straight RC, Spikes JD (1985) Photosensitized oxidation of biomolecules, In: Frimer AA (Ed), Singlet O2, vol. 4. CRC Press, Boca Raton,
pp. 91-143
PODSUMOWANIE
12.Bonnet R, Martinez G (2001) Photobleaching of sensitizers used in
photodynamic therapy. Tetrahedron 57: 9513-9547
Reaktywne formy tlenu i azotu są produktami prawidłowego metabolizmu komórkowego. Każdy organizm posiada system ich wytwarzania jak i usuwania w celu zachowania równowagi.
13.Sorg O (2004) Oxidative stress: a theoretical model or a biological reality? C R Biol 327: 649-662
W przypadku zaburzenia tej równowagi dochodzi do
nadmiernego nagromadzenia form utleniających i wówczas
mamy do czynienia ze stresem oksydacyjnym. Wywołuje
on w organizmie wiele negatywnych zmian. Dlatego organizmy tlenowe zostały wyposażone w sprawnie działający
system ochrony antyoksydacyjnej.
16.Kinnula LVL, Crapo JD (2004) Superoxide dismutases in malignant
cells and human tumors. Free Radic Biol Med 36: 718-744
Są jednak przypadki, kiedy reaktywne formy tlenu czy
azotu odgrywają ważną pożyteczną rolę. Jednym z takich
przypadków jest metoda fotodynamiczna leczenia nowotworów, gdzie głównym celem jest zniszczenie komórek
nowotworach za pomocą silnie cytotoksycznych reaktyw-
362
14.Rao S, Kalva S, Yerramilli A, Mamidi S (2011) Free radicals and tissue
damage: role of antioxidants. Free Rad Antiox 1: 2-7
15.Betteridge DJ (2000) What is oxidative stress? Metabol 49: 3-8
17.Dasuri K, Zhang L, Kelner JN (2013) Oxidative stress, neurodegeneration, and the balance of protein degradation and protein synthesis.
Free Radic Biol Med 62: 170-185
18.Buettner GR, Jurkiewicz BA (1996) Catalitytic metals, ascorbate and
free redicals: combinations to avoid. Radiat Res 145: 532-541
19.Fridovich I (1999) Fundamental aspectsof reactive oxygen species, or
what’s the matter with oxygen? Ann NY Acad Sci 893: 13-18
20.Halliwell B (1999) Antioxidant defence mechanisms: from the beginning the end (of the beginning). Free Radic Res 31: 261-272
21. Niki E (2012) Do antioxidants impair signaling by reactive oxygen
species and lipid oxidation products? Febs Let 587; 3767-3770.
www.postepybiochemii.pl
22.Kanofsky JR (1989) Singlet oxygen production by biological systems.
Chem Biol Interact 70: 1-28
23.Dawson TM, Dawson VL (1996) Nitric oxide synthase: role as a transmitter/mediator in brain and endocrine system. Annu Rev Med 47:
219-227
24.Rubbo H, Radi R, Anselmi D, Kirk M, Barnes S, Butler J, Eiserich JP,
Freeman BA (2000) Nitric oxide reaction with lipid peroxyl radicals
spares alpha-tocopherol during lipid peroxidation. Greater oxidant
protection from the pair nitric oxide/alphatocopherol than alpha-tocopherol/ascorbate. J Biol Chem 275: 10812-10818
45.Ursby T, Adinolfi BS, Al-Karadaghi S, De Vendittis E, Bocchini V
(1999) Iron superoxide dismutase from the Archaeon Sulfolobus solfataricus: analysis of structure and thermostability. J Mol Biol 286: 189205
46.Eitinger T (2004) In vivo production of active Nickel superoxide dismutase from Prochlorococcus marinus MIT9313 is dependent on its cognate peptidase. J Bacteriol 186: 7821-7825
47.Patel RN, Singh N, Gundla VLN (2007) Synthesis, characterization and
superoxide dismutase activity of some octahedral nickel (II) complexes. Polyhedron 26: 757-762
25.Hardy J, Selkoe DJ (2002) The amyloid hypothesis of Alzheimer’s disease: progress and problems on the road to therapeutics. Science 297:
353-356
48.Lawrence RA, Burk RF (1978) Species, tissue and subcellular distribution of non-Se-dependent glutathione peroxidase activity. J Nutr 108:
211-215
26.Simpson EP, Yen AA, Appel SH (2003) Oxidative stress: a common
denominator in the pathogenesis of amyotrophic lateral sclerosis. Curr
Opin Rheumatol 15: 730-736
49.Gałecka E, Jacewicz R, Mrowicka M, Florkowski A, Gałecki P (2008)
Enzymy antyoksydacyjne-budowa, właściwości, funkcje. Pol Merk
Lek XXV 147: 266-268
27.Speciale SG (2002) MPTP: insights into parkinsonian neurodegeneration. Neurotoxicol Teratol 23: 607-620
50.Kirkman HN, Gaetani GF (2006) Mammalian catalase: a venerable enzyme with new mysteries. Trends Biochem Sci 32: 45-50
28.Gems D, de la Guardia Y (2012) Alternative perspectives on aging In
Caenorhabditis elegants: Reactive oxygen species or hyperfuncion?
Antioxid Redox Signal 19: 321-329
51.Nichols P (2001) Enzymology and structure of catalases. Adv Inorg
Chem 51: 51-106
29.Juranek I, Nikitovic D, Kouretas D, Wallace Hayes A, Tsatsakis M
(2013) Biological importance of reactive oxygen species in relation to
difficulties of treating pathologies involving oxidative stress by exogenous antioxidants. Food Chem Toxicol 61: 240-247
30.Liochev SI (2013) Reactive oxygen species and the free radical theory
of aging. Free Radic Biol Med 60: 1-4
31.Murphy M, Holmgren A, Larsson N, Halliwel B, Chang C, Kalyanaraman B, Rhee S, Thornalley P, Patridge L, Gems D, Nystrom T, Belousov V, Schumacker P, Winterbourm C (2011) Unraveling the biological roles of reactive oxygen apecies. Cell Metabol 13: 361-366
32.Hekimi S, Lapointe J, Wen Y (2011) Taking a „good” look at free radicals In the aging process. Trends Cell Biol 21: 569-76
33.Erat M, Ciftci M (2006) Effect of melatonin on enzyme activities of
glutathione reductase from human erythrocytes in vitro and from rat
erythrocytes in vivo. Eur J Pharmacol 537: 59-63
34.Ibrahim W, Lee US, Yen HC, Clair KS, Chow CK (2000) Antioxidant
and oxidative status in tissues of manganese superoxide dismutase
transgenic mice. Free Radic Biol Med 28: 397-402
35.Pastor M-Cruz, Sierra C, Dolade M, Navarro E, Brandi N, Cabre E,
Mira A, Seres A (1998) Antooxidant enzymes and fatty acid status in
erythrocytes of Down syndrome patients. Clin Chem 44: 924-929
36.Mehar Sultana S, Nandha Kumar S, Sridrar MG, Vishnu Bhat B, Ramachandra Rao K (2012) Antioxidant enzyme activity In children with
Down syndrome. Curr Pediatr Res 16: 43-47
37.Nordberg J, Arner ESJ (2001) Reactive oxygen species, antioxidants,
and the mammalian thioredoxin system. Free Radic Biol Med 31: 12871312
38.Kinnula LVL, Crapo JD (2004) Superoxide dismutases in malignant
cells and human tumors. Free Radic Biol Med 36: 718-744
39.Beyer W, Imlay J, Fridovich I (1991) Superoxide dismutases. Prog Nucleic Acid Res Mol Biol 40: 221-253
40.Arbiser JL (2003) Role of manganese superoxide dismutase in cancer.
Nature Med 9: 1103
41.Das KC, Lewis-Molock Y, White CW (1997) Elevation of manganese
superoxide dismutase gene expression by tioredoxin. Am J Respir Cell
Mol Biol 17: 713-726
42.Zhang HJ, T Yan, Oberley TD, Oberley LW (1999) Comparison of
effects of two polymorphic variants of manganese superoxide dismutase on human breast MCF-7 cancer cell phenotype. Cancer Res
59: 6276-6283
43.Cullen JJ, Weydert Ch, Hinkhouse MM, Ritchie J, Domann FE, Spitz
D, Oberley LW (2003) The role of manganese superoxide dismutase
in the growth of pancreatic adenocarcinoma. Cancer Res 63: 1297-1303
44.Kinnula LVL, Crapo JD (2004) Superoxide dismutases in malignant
cells and human tumors. Free Radic Biol Med 36: 718-744
Postępy Biochemii 60 (3) 2014
52.Salet C, Moreno G, Ricchelli (1997) Effects of Photofrin photodynamic
action on mitochondrial respiration and superoxide radical generation. Free Radic Res 26: 594
53.Bourghardt J, Bergström G, Krettek A, Sjöberg S, Boren J, Tivesten A
(2007) The endogenous estradiol metabolite 2-Methoxyestradiol reduces atherosclerotic lesion formation in female apolipoprotein E-Deficient Mice. Endocrinology 148: 4128-4132
54.Gołąb J, Nowis D, Skrzycki M, Czeczot H, Barańczak-Kużma A, Wilczyński GM, Makowski M, Mróz P, Kozar K, Kamieński R, Jalili A,
Kopeć M, Grzela T, Jakobisiak M (2003) Antitumor effects of photodynamic Therapy are potentiated by 2-Methoxyestradiol. J Biol Chem
278: 407-414
55.Wilson BC, Olivo M, Singh G (1997) Subcellular localization of Photofrin and aminolevulic acid and photodynamic cress-resistance in
vitro in radiation-induced fibrosarcoma cells sensitive or resistant to
Photofrin-mediated photodynamic therapy. Photochem Photobiol 65:
166-76
56.Kuroda M, Himei K, St. Clair DK, Urano M, Yoshino T, Akagi T, Asaumi J, Akaki S, Takeda Y, Kanazawa S, Hiraki Y (2000) Overexpression
of manganese superoxide dismutase gene suppresses spontaneous
apoptosis without a resultant alteration in in vivo growth of the mouse
fibrosarcoma, FSa-II. Anticancer Res 20: 7-10
57.Nowis D, Stoklosa T, Legat M, Issat T, Jakóbisiak M, Gołąb J (2005) The
influence of photodynamic Therapy on the immune response. Photodiag Photodyn Therapy 2: 283-298
58.Hadjur C, Richard MJ, Parat MO, Jardon P, Favier A (1997) Photodynamic effects of hypericin on lipid peroxidation and antioxidant status
in melanoma cells. Photochem Photobiol 64: 375-81
59.Marikovsky M, Nevo N, Vadai E, Harris-Cerruti C (2002) Cu/Zn superoxide dismutase plays a role in angiogenesis. Int J Cancer 97: 34-41
60.Casas A, Perotti C, Fukuda H, del C Batlle AM (2002) Photodynamic
therapy of activated and resting lymphocytes and antioxidant adaptive response. Lasers Med Sci 17: 42-50
61.Paoletti F, Aldinucci D, Mocali A, Caparrini A (1986) A sensitive spectrophotometric method for the determination of superoxide dismutase
activity in tissue extracts. Anal Biochem 154: 536-541
62.Doina D, Filip A, Clichici S, Suciu S, Muresan A, Decea N, Dreve S
(2008) Oxidative effects after photodynamic therapy in rats. Vet Med
65: 1843-5270
63.Wang HP, Qian SY, Schafer FQ, Downann FE, Oberley LW, Buettner
GR (2001) Phospholipid hydroperoxide glutathione peroxidase protects against singlet oxygen-induced cell damage of photodynamic
therapy. Free Radic Biol Med 30: 825-835
64.Chekulayeva LV, Chekulayev VA (2008) Shevchuk Active oxygen intermediates in the degradation of hematoporphyrin derivative in tumor cells subjected to photodynamic therapy. J Photochem Photobiol
B 93: 94-107
363
65.Sasaki H, Akamatsu H, Horio T (1997) Effects of a single exposure to
UVB radiation on the acivities and protein levels of cooper-zinc and
manganese superoxide dismutase in cultured human keratinocytes.
Photochem Photobiol 65: 707-713
66.Saczko J, Kulbacka J, Chwilkowska A, Pola A, Lugowski M, Marcinkowska A, Malarska A, Banas T (2007) Cytosolic superoxide dismutase activity after photodynamic therapy, intracellular distribution
of Photofrin II and hypericin, Andy-glycoprotein localization In human colon adenocarcinoma. Folia Histochem Et Cytobiol 45: 93-97
67.Martirosyan AS, Vardapetyan HR, Tiratsuyan SG, Hovhannisyan AA
(2011) Biphasic dose-response of antioxidants In hypericin-induced
photohemolysis. Photodiag Photodyn Therapy 8: 282-287
68.Castano AP, Nemidowa TN, Hamblin MR (2005) Mechanisms in
photodynamic therapy: Part three-Photosensitizer pharmacokinetics,
biodistribution, tumor localization and modes of tumor destruction.
Photodiag Photodyn Therapy 2: 91-106
prawa doktorska wyk. w Zakładzie Biologii Komórki Centrum Onkologii-Instytutu im. Marii-Curie Skłodowskiej w Warszawie
70.Poyer F, Thomas CD, Garcia G, Croisy A, Carres D, Maillard P, Lupu
M, Mispelter J (2012) PDT induced bystander effect on human xenografted colorectal tumors as evidenced by sodium MRI. Photodiag
Phototodyn Therapy 9: 303-309
71.Szokalska A, Makowski M, Nowis D, Wilczyński GM, Kujawa M,
Wójcie C, Młynarczyk-Biały I, Salwa P, Bil J, Janowska S, Agostinis P,
Verfaillie T, Bugajski M, Gietka J, Issat S, Grodkowska E, Mrówka P,
Stokłosa T, Hamblin MR, Mróz P, Jakóbisiak M, Golab J (2009) Proteasome inhibition potentiates antitumor effects of photodymiac therapy
In mice through induction of ER stress and unfolded protein response.
Cancer Res 69: 4235-4243
72.Li Z, Agharkar P, Chen B (2013) Therapeutic enhancement of vascular-targeted photodynamic therapy by inhibiting proteasomal function. Cancer Lett 339: 128-134
69.Dąbrowska A (2002) Udział efektu towarzyszącego „bystander effect”
w modelach in vitro terapii fotodynamicznej i termokoagulacji. Roz-
Photodynamic reaction and oxidative stress —
influence of the photodynamic effect on the activity antioxidant enzymes
Anna Romiszewska*, Agata Nowak-Stępniowska
Institute of Optoelectronics, Military Institute of Technology, 2 Kaliskiego St., 00-908 Warsaw, Poland
*
e-mail: [email protected]
Key words: photodynamic therapy, photodynamic effect, photosensitizer, oxidative stress, antioxidant, activity enzyme
ABSTRACT
The interaction of light with a photosensitizer, accumulated in a tissue in the presence of oxygen, leads to formation of reactive oxygen
species, mainly of singlet oxygen and free radicals. These factors react with biomolecules producing their oxidized states. Reactive oxygen
species, such as singlet oxygen and free radicals are able to damage membranes, DNA, enzymes, structural peptides and other cellular structures leading to cell death. An antioxidant protection of cell is formed by enzymes belonging to the family of oxidoreductases: superoxide
dismutase (SOD), catalase (CAT), glutathione peroxidase (GPx) and glutathione reductase (GR). Photodynamic therapy leads to the increased
production of oxidizing toxic forms. It is important to analyze impact of PDT on the activity of antioxidant enzymes, such as SOD, CAT, GPx.
The activity of antioxidant enzymes during the photodynamic effect is influenced by both the light energy dose and the concentration of photosensitizer. The presence only of the photosensitizer or only the light energy may also result in changes in the activity of these enzymes. The
differences in changes in the activity of these enzymes depend on the type of used photosensitizer. A phenomenon of selective accumulation
of photosensitizer in tumor tissues is used in the photodynamic method of tumor diagnosis and treatment.
364
www.postepybiochemii.pl