Zdravotní rizika (význam rovnováh) A. Kozubík

Transkript

1 Zdravotní rizika (význam rovnováh) A. Kozubík Biofyzikální ústav AVČR, v.v.i., (Oddělení cytokinetiky) Ústav experimentální biologie, PřF MU (Oddělení fyziologie a imunologie živočichů) Brno

2 Zpětné vazby

3 3

4 růstové signály receptory cykliny CDKs regulátory transkripce molekuly signálové transdukce p27 p21 p16 p15 molekuly zesilovací kaskády

5 SIGNÁL (např. cytokiny) MOLEKULÁRNÍ MECHANISMY působení ω-3 a ω-6 VNMK (mediátory a modulátory buněčné signalizační sítě) lipidové rafty membránová fluidita signální kaskáda vnitrobuněčné funkce sekrece změny metabolismu, membránové fosfolipidy PUFA proteiny jaderné receptory transkripční faktory (NFkB, PPAR, AP-1...) mrna RE genová exprese ROS DNA inserce buněčného růstu diferenciace a apoptózy eikosanoidy lipidová peroxidace LOX P450 COX inhibice (NSAID) n-3 PUFA n-6 PUFA (AA, LA) membránové fosfolipidy kyselina arachidonová Mimobuněčné podněty (cytokiny, hormony, polutanty, záření) (stresory)

6 STRUKTURNÍ ÚLOHA FOSFOLIPIDŮ V BUŇKÁCH VNMK MEMBRÁNOVÉ SYSTÉMY a buněčné kompartmenty protientropické důsledky NEODDĚLITELNÁ OD BUNĚČNÝCH FUNKCÍ

7 Dynamický charakter biologických membrán (model) Zajištění většiny biologických funkcí se neobejde bez unikátních interakcí lipidových komponent jako jsou VNMK s dalšími biologicky významnými molekulami. Pietzsch J et al., Nature Reviews, October 2004 VNMK jsou součástí lipidových raftů: membránových mikrodomén obohacených o glykosfingolipidy a cholesterol Jejich modulace mohou významně měnit intenzitu a také směr signálové transdukce 7

8 Shrnutí (teoreticko praktické dopady) Lipidy patří spolu s proteiny a sacharidy mezi hlavní složky výživy. Důležité je nejen jejich množství a kvalita těchto živin, ale také časové rozložení jejich příjmu. Lipidy jsou nejen významným zdrojem energie, ale představují i jedny z hlavních stavebních kamenů buněk. Kromě strukturní úlohy (jako složky membránových fosfolipidů) je neméně podstatná řada jejich funkčních vlastností. Změny spektra mastných kyselin (MK/VNMK) v membránových strukturách mají dopad nejen na fyzikálně-chemické vlastnosti (fluiditu, konformaci apod.), ale zejména na interakce receptorů s jejich ligandy. MK/VNMK tak hrají důležitou úlohu v přenosu signálů a fungují jako intra- i intercelulární mediátory a modulátory b. signalizační sítě. Proto patří mezi významné faktory schopné ovlivnit jak dělení a zánik normálních, ale i transformovaných buněčných populací, tak proces maligní transformace.

9 Hlavní mechanismy působení PUFA v buněčných signalizacích 1) přímé ovlivnění aktivity transkripčních faktorů regulujících expresi genů významných z hlediska cytokinetiky 2) produkce eikosanoidů působících na přenos signálů růstových faktorů, cytokinů a imunitní systém 3) produkce reaktivních kyslíkových metabolitů (ROS) vznikajících peroxidací lipidů. Významným faktorem je množství lipidů v potravě. Vysoké koncentrace VNMK (anebo přílišná aktivace lipidového/fosfolipidového Metabolismu) mohou nepříznivě ovlivnit buněčné funkce. Tyto negativní účinky VNMK lze účinně inhibovat (např. NSAIDs) a tak napomáhat navrátit deregulovaný systém k homeostáze.

10 SOUČASNÝ VÝZKUM - PERSPEKTIVY Získané poznatky mají význam jak pro obecné pochopení 1) poruch homeostázy (např. negenotoxických mechanismů karcinogeneze) 2) tak pro oblast toxikologie, nádorové prevence a 3) hledání nových protinádorových terapeutických postupů

11 Spolupůsobení regulátorů růstu rozdílné chemické povahy na proliferaci

12 Zpětné vazby Pozitivní zp. vazba

13 Pozitivní zpětná vazba

14 Zpětné vazby Negativní zp. vazba (obecnější východiska)

15 Negativní zpětná vazba + - Žádaná hodnota Akční veličina Výstup systému Regulační odchylka Reakce na vychýlení Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avicenum, 1980)

16 Efekty inhibitorů metabolismu AA význam rovnováhy v přísunu prekursorových PUFAs a v produkci jednotlivých jejich metabolitů

17 positive effect on cell proliferation an example Ca 2+ Ca 2+ EGF Ca 2+ EGF AA 5HETE LTA4 LTC4 DAG PIP2 Tyr-K PLA2 5-LOX Ca 2+ PKC PLC Tyr-K + Nuclear responses

18 Negative effect on cell proliferation an example Phorbol esters CSF-1 GM - CSF IL- 3 PGE 2 PKC GM - CSF R adenylyl cyclase PKC CSF-1R (c- fms) IL- 3R camp tyr-p EFFECTOR e.g. G protein, kinase RESPONSE +? - PKA DNA synthesis cell cycle phases G0 G1 S

19 MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS PLA 2 COOH CYCLOOXYGENASES EPOXYGENASES (P450) LIPOXYGENASES PGG 2 LTA 4 PGH 2 EPOXYACIDS, DIOLS, etc. OH LTB 4 LTC 4 TXA 2 PGI 2 PGD 2 PGE 2 TXB 2 O PGE 2 : COOH C 5 H 11 LTC 4 : S COOH CH 2 CH CO NH CH 2 COOH NH COCH 2 CH 2 CHCOOH NH 2 LTD 4 LTE 4 LTF 4 OH OH

20 Arachidonic acid: metabolic pathways possible modulations and its INDOMETHACIN DICLOPHENAC MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS ARACHIDONIC ACID ETYA abbreviations: ETYA = 5,8,11,14 -eicosatetraynoic acid ESC = esculetin NDGA = nordihydroguaiaretic acid FLAP = 5-lipoxygenase activating protein 9- HE = 9-hydroxyellipticin HETEs = hydroxyeicosatetraenoic acids HPETEs = hydroperoxyeicosatetraenoic acids EETs = epoxyeicosatrienoic acids SKF525A = proadifen CYCLOOXYGENASES 12-LIPOXYGENASE 12-HETEs 12-HPETEs SKF525A, 9-HE NDGA ESC PROSTAGLANDINS THROMBOXANES PROSTACYCLINS P450-MONOOXYGENASES FLAP 5-LIPOXYGENASE LEUKOTRIENES EETs HETEs DIOLS MK (15-LIPOXYGENASE) dříve - dnes

21 % kontroly % kontroly % kontroly % kontroly PRODUKTY LIPOXYGENÁZ A CYKLOOXYGENÁZ VORE et al., J. Immunol. : 11, , 1989 Esculetin Indomethacin , koncentrace (mm) koncentrace (mm) Ibuprofen NDGA , koncentrace (mm) koncentrace (mm)

22 Zpětné vazby Negativní zp. Vazba na systémové úrovni (tkáně a organismus)

23

24 Fosfolipidový metabolismus a působení ioniz. radiace (škodlivých faktorů životního prostředí)

25 Aplikace NDGA protektivním režimu a její dávkově závislé účinky na regeneraci ESC a GM-CFC

26 Periferní krev Efekty dalších inhibitorů Kostní dřeň

27 Příklad aplikace inhibitorů metabolismu AA v terapeutickém režimu

28 Dílčí shrnutí (MOŽNÉ MECHANISMY) Radiorezistence kmenových a prekurzorových buněk není oblivněna!!! Efekty inhibitorů mohou být tedy způsobeny zásahy do biosyntézy eikosanoidů a jejich regulačními účinky na krvetvorbu

29 Příklad aplikace inhibitorů metabolismu AA v terapeutickém režimu

30 Inhibitory cyklooxygenáz stimulují (+) a lipoxygenáz inhibují (-) granulopoézu i lymfopoézu

31 Major eicosanoid biosynthetic pathways. The metabolites of the major pathways are indicated in color: COX (purple), 5-LOX (orange), 15-LOX (green), 12-LOX (yellow), CYP epoxygenase (red), CYP ω-hydroxylase (cyan), and nonenzymatic oxidation (gray) J Lipid Res June; 50(6):

32 Temporal genomic and lipidomic changes in eicosanoid biosynthesis in RAW264.7 macrophages in response to Kdo 2 -Lipid A stimulation. Greater intensity of red indicates increasing levels, greater intensity of green indicates decreasing levels, and gray represents J Lipid Res June; 50(6):

33 ESC No control indomethacin cystamine Indomethacin + cystamine Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, dose (6.5Gy)

34 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 control indomethacin cystamine Indomethan + cystamine Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, days after dose irradiation (6.5 Gy) 6.5 Gy

35 Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, control indomethacin cystamine Indomethacin + cystamine days after irradiation 6.5 Gy

36 ESC No. leukocyty / ml x 10 3 Dosažení dynamické rovnováhy v systému po podnětech rozdílné intenzity kontroly indomethacin cystamin indomethacin + cystamin 5 4,5 4 3, , ,5 1 0,5 kontroly indomethacin cystamin indomethan + cystamin Dny po ozáření 6,5 Gy dose (Gy) Vlastní výsledky Posílení inhibitorů COX Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, Dny po ozáření 6,5 Gy Zátěž nižší intenzity Kontrola Cystamin Hmotnost slezity (mg) Indomethacin Cystamin + Indomethacin kontroly indomethacin cystamin indomethacin + cystamin Silně poškozený systém Kombinovaná léčba Dny po ozáření 6,5 Gy 36

37 některá OBECNÁ VÝCHODISKA, DŮLEŽITÁ PRO POSTIŽENÍ CHOVÁNÍ A SMĚROVÁNÍ BUNĚČNÝCH POPULACÍ, Z NICHŽ LZE VYCHÁZET, MOHOU BÝT TATO: - Zachování rovnováhy v nejširším slova smyslu mezi produkcí buněk (intenzitou proliferace) a jejich úbytkem (např. smrtí apoptózou) je podmínkou pro zachování homeostázy na tkáňové úrovni. - Proto změny v intenzitě proliferace, diferenciace a apoptózy po působení jakýchkoli podnětů, jež mohou tyto procesy ovlivnit, lze chápat jako integrální ukazatele porušení této homeostázy. - Vhodný způsob detekce těch změn, které vedou k trvalejšímu porušení rovnováhy mezi produkcí a úbytkem buněk může celkově odrážet nejen poruchy, které jsou základem tzv. proliferativních chorob (nádorových onemocnění), ale být i ukazatelem procesů vedoucích k obnově porušené rovnováhy. - Parametry, jimiž lze postihnout tyto tendence, by proto měly být předmětem zájmu nejen teoreticky orientovaných pracovníků, ale i laboratoří zabývajících se účinky škodlivých látek vnějšího prostředí, šlechtitelských a zejména klinicky orientovaných laboratoří.

38 Zpětná vazba negativní: Působení na vyšších úrovních organizace systémů

39 HDP představuje veškerou finální produkci v peněžních jednotkách (celkový objem výrobků a služeb) za určité období (zpravidla 1 rok) národními výrobními faktory dané země, bez ohledu na to, ve kterém státě působí. Je odrazem sumy vnějších a vnitřních faktorů schopných ovlivnit ekonomiku Nevypovídá nic o kvalitě života, finální produkce - taková produkce, která je vyrobena a prodána, aby byla spotřebována domáctnostmi, státem, použita jako investice nebo vyvezena jako export

40 Nominální mzda SŠ profesora 13528,- Kč 13528,-Kč (3,4x) ,- Kč ROK

41 * 2009 * 2010 mzda v % Vývoj reálných mezd (relace k roku 1989) ,-Kč ,-Kč 8 3,6 6 5,9 4 4,2 3,9 2 2,2 2,5 1,9 1,2 0,3 0-0,5 0,1-0,7-1, ,6 6,3 6,8 6 4,5 3,2 0,8-2, hrubá mzda čistá mzda

42 Výsledky voleb do senátu ČR (%) LN

43 Vývoj HDP meziročně v % - reálné oscilace Změna HDP v % * 2009 * ,9 6,3 6,8 6 4,2 4,5 3,9 3,6 3,2 2,2 2,5 1,9 1,2 0,3-0,5 0,1 0,8-0,7-1,1-2,3-11,6 * predikce dle MFČR

44 Vývoj inflace meziročně v % Inflace v % ,5 18, ,7 10,2 7,9 8,6 10 6,8 2,5 4 4,1 0,6 1 2,8 2,2 1,7 5,4 3,6

45 Vývoj inflace meziročně v %

46 Vývoj HDP meziročně v %

47 Porušení funkcí negativní zpětné vazby (důsledky,. obecnější platnost.!!!)

48 Důsledky převahy pozitivní zpětné vazby

49 Státní rozpočet (v mld. Kč) Fakta - dynamika a některé příčiny zadlužování 50 Deficity 0 Krachy bank Masivní příjmy z privatizací 1,1 1,1 1,1-1,6 KRIZE?? -29,6-19, povodně -87, , sanace bank cca mld Kč??? Plýtvání ?? rok

50 Očekávané tendence 2009/ Kritické období nároky % 0 Propad HDP???? -10 Propad možností?? Propad možností??

51 Příklad extrémně regulačně nevyváženého vnitřně rozporného systému (očekávánému zachování růstu Neodpovídají prostředky a zdroje)

52 Vyváženost tendencí 52

53

54 Tendence k nestabilitě 54

55 55

56 Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avic

57 Hledání OPTIMA

58 Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Av

59 % hynutí po ozáření nevyvážená regulace tendence k retenci Na tendence ke ztrátám Na 100 vyvážená regulace (biol. optimum) 50 Na / K poměr v moči According to: Pospíšil 1977?

60

61

62 ,1 - celkové náklady potřebné k navození změny stavu (reakce) 3,3 - celkové náklady potřebné k utlumení (reakce)

63 Charakter odpovědi je nelineární Intenzita je závislá na délce adaptace

64 Deregulace cytokinetiky: možnosti jejího ovlivnění modulací metabolismu PUFAs

65 % PŘEŽÍVÁNÍ MYŠÍ POTENCIÁL VYUŽITÍ inhibitorů metabolismu AA V nádorové problematice in vivo Kontrola Dicloph 0.15 mg p<0,01 Dicloph 0.5 mg p<0,05 Ibuprof 0.5 mg Příklad působení NSAIDs u myší s nádorem (G:5:113) po terapii inhibitory COX 20 Ibuprof 0.15 mg p<0,01 Flurbiprof 0.5 mg Flurbiprof 0.15 mg p<0, týdny