Edyta Mazurek-W do kowska, Jerzy Pa ka Molekularny mechanizm

-OLEKULARNY MECHANIZM PRZECIWZAPALNEGO DZIAŒANIA GLIKOKOR†
TYKOSTEROIDÌW
-OLECULARMECHANISMOFANTIINFLAMMATORYACTIONOFGLUCOCORTICOIDS
$RNFARM%DYTA-AZUREK†7’DOŒKOWSKA
0ROFDRHAB*ERZY0AŒKA
:AKŒAD&ARMACJI3TOSOWANEJ
!KADEMIA-EDYCZNAW"IAŒYMSTOKU
:AKŒAD#HEMIII!NALIZY,EKÌW
!KADEMIA-EDYCZNAW"IAŒYMSTOKU
STRESZCZENIE
Przeciwzapalne właściwości glikokortykosteroidów
wykorzystywane są w leczeniu wielu chorób w tym
alergii, chorób reumatycznych i autoimmunologicznych. Mechanizm działania glikokortykosteroidów
polega na łączeniu się ze swoistym receptorem (GR),
jego aktywacji i translokacji do jądra, gdzie wiąże się ze
swoistym obszarem DNA niektórych genów. Wynikiem
tej interakcji może być pobudzenie lub zahamowanie
transkrypcji genu. Blokowanie ekspresji genów pro-zapalnych zachodzić może również poprzez hamowanie czynników transkrypcyjnych, zwłaszcza czynnika
jądrowego kappaB (NFkB) i białka aktywatorowego-1
(AP-1). W tym artykule opisano molekularny mechanizm przeciwzapalnego działania glikokortykosteroidów.
ABSTRACT
Glucocorticoids suppress inflammation in a wide variety of diseases, including allergic diseases, rheumatoid
arthritis and autoimmune diseases. They act by binding
to the glucocorticoid receptor (GR) that, upon activation, translocates to the nucleus and either stimulates or
inhibits gene expression. Repression of many pro-inflammatory genes occurs by inhibition of transcription
factors, including nuclear factor kappaB (NFkB) and
activator protein-1 (AP-1). In this review, we discuss
the molecular mechanisms of anti-inflammatory activity
of glucocorticoids.
Key words: glucocorticoids, glucocorticoid receptor,
glucocorticoid response elements, inflammation
Słowa kluczowe: glikokortykosteroidy, receptor glikokortykosteroidowy, GREs, zapalenie
a}qyRŸly\|–u-AoRŸ
|Ÿaqlp|p|– ¬p|˜ R–|lJ-Ai
Glikokortykosteroidy (GKS) są hormonami steroidowymi produkowanymi przez komórki kory nadnerczy. Zawierają w cząsteczce 21 atomów węgla o strukturze pregnanu.
W cząsteczce tych hormonów występuje rodnik ketolowy
o konfiguracji ß przy C17, grupa 17 α-metylowa oraz grupa
ketonowa przy C3 [1] (Ryc. 1).
Glikokortykosteroidy warunkują w organizmie wiele
procesów metabolicznych. Odgrywają ważną rolę przede
wszystkim w przemianie węglowodanów. Wzmagają proces magazynowania glikogenu w wątrobie i w mięśniach
oraz ułatwiają spalanie glukozy. Jednak poprzez pobudzanie
glukoneogenezy zwiększają stężenie cukru we krwi. W niewielkim stopniu wpływają na gospodarkę mineralno-wodną,
co prowadzi do gromadzenia jonów sodowych i wody. IstotCOPYRIGHT‚'RUPA$R!2+WIECIÊSKIEGO
)33.†
ną cechą działania GKS jest hamowanie biosyntezy białek
oraz upośledzenie spalania tłuszczów. Oprócz aktywności
hormonalnej GKS wykazują aktywność farmakologiczną:
¬A‡Ÿ‡ŸŸ¥J|ª-ŸAiRulA®y-Ÿaqlp|p|– ¬p|˜ R–|lJ}ªŸ<^=
&ARMACEUTYCZNY
0RZEGL’D.AUKOWY
–Ÿ`ŸžŸ¤°°U
¬A‡Ÿ¤‡ŸŸ AiRu- Ÿ7¥J|ª¬Ÿ–RAR‚ |–-Ÿaqlp|p|– ¬p|k
przeciwzapalną, przeciwuczuleniową, antymitotyczną i immunodepresyjną [2, 3, 4].
RAR‚ |–Ÿaqlp|p|– ¬p|˜ R–|lJ|ª¬Ÿ„…
Glikokortykosteroidy oddziałują na procesy komórkowe
przez wpływ na transkrypcję genów za pośrednictwem swoistych receptorów (GR) [6, 7, 8, 9]. Receptor ten jest białkiem, zbudowanym z łańcucha polipeptydowego, składającego się z 777 aminokwasów [10]. W strukturze receptora
kortykosteroidowego zidentyfikowano na końcu karboksylowym domenę wiążącą hormon oraz w części centralnej
domenę wiążącą się z DNA. Na końcu aminowym znajduje się domena odpowiedzialna za rozpoczęcie transkrypcji
genu po połączeniu receptora z DNA, a także wiążąca receptor z rożnymi czynnikami transkrypcyjnymi (Ryc. 2).
Swoistość oddziaływania kompleksu kortykosteroid-receptor z DNA wynika z obecności w receptorze swoistych
struktur peptydowych, zwanych „palcami cynkowymi”. Są
to pofałdowane w szczególny sposób pętle łańcucha aminokwasowego. Każda z nich zawiera atom cynku połączony
z czterema cząsteczkami cysteiny. Przestrzenna struktura
„palców cynkowych” jest komplementarna do dwuniciowej spirali DNA w tych jej odcinkach, które zawierają sekwencję nukleotydów określaną jako element odpowiedzi
na kortykosteroidy (GRE). Aktywność biologiczna GKS
uwarunkowana jest ich zdolnością do wiązania się z tymi
receptorami.
RAi-yl®uŸJ®l-t-yl-Ÿ
aqlp|p|– ¬p|˜ R–|lJ}ª
Glikokortykosteroidy transportowane są z krwią do komórek tkanki docelowej w postaci związanej z białkiem
¬A‡Ÿ¡‡ŸŸRAi-yl®uŸJ®l-t-yl-Ÿaqlp|p|– ¬p|˜ R–|lJ}ªŸ<^=
&ARMACEUTYCZNY
0RZEGL’D.AUKOWY
¬A‡Ÿ`‡ŸŸ-˜p-J-Ÿpª-˜¥Ÿ-–-AilJ|y|ªRa|Ÿ<^GŸ¡=
– transkortyną (CBG- Corticosteroid Binding Globulin),
a także w mniejszym stopniu z albuminami [11, 12, 13].
Kompleks ten ulega hydrolizie uwalniając lipofilny hormon,
który przenika przez błonę komórkową do cytoplazmy,
gdzie łączy się ze swoistym receptorem glikokortykosteroidowym (GR).
Aktywny kompleks hormon-receptor (hGR), przedostaje
się do jądra, gdzie wiąże się ze swoistym obszarem DNA
niektórych genów (GREs) [7, 8, 14] (Ryc. 3). Wynikiem
interakcji aktywnego receptora z GRE jest pobudzenie lub
zahamowanie transkrypcji genu [6, 7, 14, 15, 16]. Mechanizm tego zjawiska dobrze poznano na przykładzie indukcji
ekspresji genu lipokortyny-1.
Lipokortyna jest białkiem hamującym aktywność fosfolipazy A2 [17, 18, 19]. Hamuje ona zatem uwalnianie
kwasu arachidonowego z fosfolipidów błonowych, a tym
samym powstawanie mediatorów zapalenia (Ryc. 4). Nie
wszystkie jednak efekty działania przeciwzapalnego glikokortykosteroidów wynikają z indukcji syntezy lipokortyny.
Szereg badań wskazuje, że najsilniejsze efekty przeciwzapalne glikokortykosteroidów wynikają z interakcji
białko-białko, między aktywnym kompleksem steroid-receptor (hGR) i innymi czynnikami transkrypcyjnymi,
które regulują ekspresje genów pro-zapalnych [9, 20].
Czynniki transkrypcyjne, zwłaszcza białko AP-1 i czynnik NFkB są znanymi modulatorami ekspresji wielu genów odpowiedzi pro-zapalnej, między innymi cytokin
i receptorów adhezyjnych [21, 22, 23, 24]. Prawdopodobnie aktywny receptor wiąże się z AP-1, blokując ekspresję genów AP-1 - zależnych. Udowodnioną konsekwencją
tego zjawiska jest zmniejszenie ekspresji receptorów adhezyjnych, co upośledza migrację leukocytów do ognisk
zapalnych. Ograniczona zostaje również aktywność cytokin pro-zapalnych, w tym TNF-α, GM-CSF, IL-1β, IL-2,
Il-3, Il-6, Il-8 i Il-11 [6, 25, 26, 27, 28]. Niektóre enzymy,
np. iNOS, COX-2 i cząsteczki adhezji w tym ICAM-1
i VCAM-1 są również regulowane w ten sposób [29,
30]. 0
Badania ostatnich lat sugerują udział glikokortykosteroidów w regulacji szlaków sygnałowych w komórce poprzez
indukcję PI3K, eNOS, fosfatazy MAPK i inaktywację
NFkB [8].
COPYRIGHT‚'RUPA$R!2+WIECIÊSKIEGO
)33.†
–Ÿ`ŸžŸ¤°°U
't-²Alª|²AlŸ\-–u-p|q|alA®yRŸ
aqlp|p|– ¬p|˜ R–|lJ}ª
W wyniku działania przeciwzapalnego i immunosupresyjnego GKS zapobiegają nadmiernym reakcjom obronnym
organizmu, mogącym zagrażać utrzymaniu homeostazy.
Hamują zarówno wczesne (przekrwienie, ból, obrzęk), jak
i późne (reakcje naprawcze i proliferacyjne) objawy zapalenia. Pod wpływem glikokortykosteroidów dochodzi do
hamowania migracji i aktywności neutrofilów, zmniejszenia aktywności makrofagów i limfocytów T, zmniejszenia
czynności fibroblastów. Glikokortykosteroidy hamują syntezę prostanoidów, wytwarzanie cytokin (IL-1-6, 8, TNF-γ),
receptorów adhezyjnych komórek.
GKS oprócz właściwości przeciwzapalnych i immunosupresyjnych wykazują aktywność przeciwalergiczną, przeciwwysiękową i antyproliferacyjną [3, 4, 5, 6]. Hormony
te hamują uwalnianie histaminy w ognisku zapalnym i w
miejscu odczynu alergicznego. Poza tym GKS hamują działanie hialuronidazy, przez co zmniejszają przepuszczalność
naczyń krwionośnych i zapobiegają powstawaniu obrzęków
tkankowych. Glikokortykosteroidy hamują także reakcje
alergenu z przeciwciałem, zapobiegając w ten sposób wystąpieniu odczynu alergicznego [4, 32]. Cechy te warunkują
szeroki zakres działania terapeutycznego kortykosteroidów.
Główne zastosowanie lecznicze glikokortykosteroidów polega na wykorzystywaniu ich właściwości przeciwzapalnych. Stosowane są więc w chorobach takich jak: reumatoidalne zapalenie stawów, choroba reumatyczna, toczeń
rumieniowaty, zapalenie wątroby. GKS stosowane są również jako leki przeciwuczuleniowe, np. w astmie oskrzelowej czy alergiach skórnych. Stosowane są także jako leki
immunosupresyjne oraz antymitotyki w niektórych chorobach nowotworowych [33, 34].
®l-t-yl-ŸylR‚|¸ÔJ-yRŸaqlp|p|– ¬p| R–-‚ll
Wysokiej skuteczności farmakologicznej glikokortykosteroidów towarzyszy szereg efektów niepożądanych.
Długotrwałemu stosowaniu glikokortykosteroidów może
towarzyszyć rozrost tkanki tłuszczowej na twarzy i karku,
nadając chorym charakterystyczny „cushingoidalny” wygląd. W tkankach GKS mogą mieć działanie kataboliczne.
Rozpad białek następuje głównie w kościach i prowadzi do
osteoporozy. Podstawowe znaczenie ma hamowanie przez
GKS wbudowywania aminokwasów do białek tkanek obwodowych, co powoduje, m.in. zaniki mięśniowe. W wątrobie GKS nasilają biosyntezę białek i glukozy, wpływając
na wzrost wydzielania glukozy przez komórki alfa trzustki. Efektem tego może być cukrzyca posteroidowa. GKS
w niewielkim stopniu mogą wiązać się także z receptorem
mineralokortykoidowym, co prowadzi do retencji jonów sodowych i wody (powstawanie obrzęków), zwiększonej eliminacji jonów potasowych i podwyższenia ciśnienia krwi.
Glikokortykosteroidy wpływają na mobilizację kwasów
tłuszczowych z tkanki tłuszczowej i podnoszą poziom wolnych kwasów tłuszczowych (FFA) w osoczu krwi. Istotną
cechą GKS jest zmiana metabolizmu w kierunku większego
zużywania kwasów tłuszczowych niż glukozy do produkcji
energii. Prowadzi to do wzrostu stężenia ciał ketonowych
COPYRIGHT‚'RUPA$R!2+WIECIÊSKIEGO
)33.†
w płynach ustrojowych (działanie ketogenne). GKS wpływają na zahamowanie podziałów mitotycznych limfocytów
oraz zmniejszają produkcję przeciwciał. Oddziaływują na
stopień wiązania z antygenami, również antygenami zlokalizowanymi na powierzchni komórek (np. komórek tucznych)
[4, 35, 36]. Długotrwałe miejscowe stosowanie glikokortykosteroidów może prowadzić do zaniku skóry właściwej.
Działanie to wynika z hamowania przez te leki proliferacji
keratynocytów i fibroblastów, syntezy kolagenu, elastyny
oraz glikozoaminoglikanów. GKS stosowane miejscowo na
duże powierzchnie skóry mogą wywołać również toksyczne
objawy ogólne [4, 37, 38, 39].
Od kiedy w 1948 roku został zsyntetyzowany kortyzol,
glikokortykosteroidy zajmują istotne miejsce w farmakoterapii wielu chorób, których podłoże patogenetyczne stanowi
proces zapalny. Pamiętać jednak należy, że leki te nie usuwają przyczyn choroby, a jedynie modyfikują ich przebieg.
Û"'
1. Zając M., Pawełczyk E.: Glikokortykosteroidy, W: Chemia leków. Poznań pp.2000, 566-577.
2. Hermoso M.A., Cidlowski J.A.: Putting the brake on
inflammatory responsem: the role of glucocorticoids.
IUBMB Life. 2003, 55(9), 497-504.
3. Janiec W.: Farmakodynamika hormonów: leków działających na czynność gruczołów wydzielania wewnętrznego, W: Farmakodynamika, Janiec W., Kupińska J.,
Warszawa, Wyd. Lek. PZWL, 2002. 569-608.
4. Reichardt H.M., Schutz G.: Glucocorticoid signalling:
multiple variations of a common theme. Mol. Cell Endocrinol. 1998. 146, 1-6.
5. Mazurek-Wądołkowska E.: Mechanizm zróżnicowanego wpływu hydrokortyzonu i 6α-metyloprednizolonu
na metabolizm kolagenu w fibroblastach skóry ludzkiej.
Rozprawa doktorska, 2007.
6. Barnes P.J.: Anti-inflammatory actions of glucocorticoids: molecular mechanisms. Clin. Sci (Lond). 1998,
94(6), 557-72, 1998.
7. Beato M., Truss M., Chavez S.: Control of transcription by
steroid hormones. Ann NY Acad Sci. 1996, 784, 93-123.
8. Rhen T., Cidlowski J.A.: Antiinflammatory action of glucocorticoids- new mechanisms for old drugs. N. Engl. J.
Med. 2005, 353, 1777-23.
9. Smoak K.A., Cidlowski J.A.: Mechanisms of glucocorticoid receptor signaling during inflammation. Mech.
Ageing and Develop. 2004, 125, 697-706.
10. Hollenberg S.M., Weinberger C., Ong E.S., et al.: Primary structure and expression of a functional human glucocorticoid receptor cDNA. Nature. 1985, 318, 635-641.
11. Emptoz-Bonneton A., Cousin P., Seguchi K., Avvakumov G.V., Bully Ch., Hammond G.L., Pugeat M.: Novel
human corticoid-binding globulin variant with low cortisol-binding affinity. Clin. Endocrinol. Metab. J. 2000,
85, 361-367.
12. Grzanka A. i wsp.: Molekularny mechanizm działania
glikokortykosteroidów. Pol. Arch. Med. Wewn. 1996,
95, 375- 382.
13. Sitter P.K., Murai J.T., Hammond G.L., Nisker J.A.,
Raymoure W.J., Kuhn
&ARMACEUTYCZNY
0RZEGL’D.AUKOWY
–Ÿ`ŸžŸ¤°°U
R. W.: The serum transport of steroid hormones. Recent
Prog. Horm. Res. 1982, 38, 457-510.
14. Karin M.: New twists in gene regulation by glucocorticoid receptor: is DNA binding dispensable? Cell. 1998,
93, 487-490.
15. Barnes P.J.: Corticosteroid effects on cell signalling. Eur.
Respir. J. 2006, 27, 413-426.
16. Webster J.C., Cidlowski J.A.: Mechanisms of Glucocorticoid-receptor-mediated repression of gene expression.
Trends Endocrinol. Metab. 1999, 10, 396-402.
17. De Caterina R., sicari R., Giannessi D., Paggiaro P.L.,
Paoletti P., Lazzerini G., Bernini W., Solito E. and Parente L.: Macrophage-specific eicosanoid synthesis inhibition and lipocortin-1 induction by glucocorticoids.
Applied Physiol. J. 1993, 75, 2368-2375.
18. Di Rosa M., Flower R.J., Hirata F., Parente L., Russo-Marie F.: Anti-phospholipase proteins. Prostaglandins.
1984, 28(4), 441-2.
19. Parente L., Di Rosea M., Flower R.J., Ghiara P., Meli R.,
Persico P., Salmon J.A., Wood J.N.: Relationship between the anti-phospholipase and anti-inflammatory effects
of glucocorticoid-induced proteins. Eur. J. Pharmacol.
1984, 99(2-3), 233-9.
20. Newton R.: Molecular mechanisms of glucocorticoid action: what is important? Thorax. 2000, 55, 603–613.
21. De Bosscher K., Vanden Berghe W., Haegeman G.: Interplay between the glucocorticoid receptor and neclear
factor-κB or activator protein-1: molecular mechanisms
for gene repression. Endocr Rev. 2003, 24, 488-522.
22. Lee K.Y., Ito K., Hayashi R., Jazrowi E.P., Barnes P.J.,
Adcock I.M.: Nf-kB and Activator Protein 1 response
elements and the role of histone modifications in IL-1β-induced TGF-β1 gene transcription. Immunology J.
2006, 176, 603-615.
23. McKay L.I., Cidlowski J.A.: Molecular control of immune/inflammatory response: interactions between nuclear
factor-kappa B and steroid receptor-signaling pathways.
Endocr. Rev. 1999, 20, 435-59.
24. Mittelstadt P.R., Ashwell J.D.: Inhibition of AP-1 by the
glucocorticoid-inducible protein GILZ. J. Biol. Chem.
2001, 276, 29603-29610.
25. Almawi W.Y., Melemedjian O.K.: Molecular mechanisms of glucocorticoid antiproliferative effects: antagonism of transcription factor activity by glucocorticoid
receptor. J. Leukoc Biol. 2002, 71 (1), 9-15.
&ARMACEUTYCZNY
0RZEGL’D.AUKOWY
26. Newton R., Kuitert L.M., Bergmann M, et al.: Evidence
for involvement of Nf-κB in the transcriptional control
of COX-2 gene expression by IL-1β. Biochem. Biophys.
Res. Commun. 1997, 237, 28-32.
27. Tobler A., Meier R., Seitz M., et al.: Glucocorticoids
down regulate gene expression of GM-CSF, NAP-1/
IL-8, and IL-6, but not of M-CSF in human fibroblasts.
Blood. 1992, 79, 45-51.
28. Vanden Berghe W., Francesconi E., De Bosscher K., et
al.: Dissociated glucocorticoids with anti-inflammatory
potential repress interleukin-6 gene expression by a nuclear factor-kappaB-dependent mechanism. Mol Pharmacol. 1999, 56, 797-806.
29. Cato A.C., Nestl A., Mink S.: Rapid actions of steroid receptors in cellular signaling pathways. Sci STKE 2002, 138.
30. Hafezi-Moghadam A., Simoncini T., Yang Z., et al.: Acute cardiovascular protective effects of corticosteroids are
mediated by non-transcriptional activation of endothelial
nitric oxide synthase. Nat Med. 2002, 8, 473-9.
31. Langwiński R., Kleinrok Z.: Glikokortykosteroidy, W:
Farmakologia, Kostowski W., Warszawa 2001, Wyd.
Lek. PZWL, 310-323.
32. Robins S.L., Cotran R.C., et al.: Pathologic basis of disease. Elsevier Inc. 2005, 47-87.
33. Barnes P.J.: Glucocorticosteroids. W: Asthma: Basic
mechanisms and clinical management. Barnes P.J., Rodger I.W., Thomson N.C., eds., London: Academic Press.
1998, 725-726.
34. Da Silva J.A.P., Jacobs J.W.G., Kirwan J.R., Boers M.,
Saag K.G., Ines L.B.S., de Koning E.J.P., Buttgereit F.,
Cutolo M., Capell H., Rau R., Bijlsma J.W.J.: Safety of
low dose glucocorticoid treatment in rheumatoid arthritis: published evidence and prospective trial data. Ann
Rheum Dis. 2006, 65, 285-293.
35. Canalis E., Delany A.M.: Mechanisms of glucocorticoid
action in bone. Ann NY Acad. Sci. 2002, 966, 73-81.
36. Manelli F., Giustina A.: Glucocorticoid-induced osteoporosis. Trends Endocrinol. Metabol. 2000, 11, 79-85.
37. Juszkiewicz-Borowiec M.: Miejscowa sterydoterapia
w chorobach skóry. Nowa Med. 2000, (107), 11.
38. Nieto M.A., Gonzalez A., Gambon F., et al.: Apoptosis
in human thymocytes after treatment with glucocorticoids. Clin. Exp. Immunol. 1992, 88, 341-344.
39. Pagliaro A.M., Pagliaro L.A.: Pharmacologic aspects of
nursing. Topical corticosteroids. 1986, 1277-1287.
COPYRIGHT‚'RUPA$R!2+WIECIÊSKIEGO
)33.†