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
Zpětné vazby
3
růstové signály receptory cykliny CDKs regulátory transkripce molekuly signálové transdukce p27 p21 p16 p15 molekuly zesilovací kaskády
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)
STRUKTURNÍ ÚLOHA FOSFOLIPIDŮ V BUŇKÁCH VNMK MEMBRÁNOVÉ SYSTÉMY a buněčné kompartmenty protientropické důsledky NEODDĚLITELNÁ OD BUNĚČNÝCH FUNKCÍ
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
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.
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.
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
Spolupůsobení regulátorů růstu rozdílné chemické povahy na proliferaci
Zpětné vazby Pozitivní zp. vazba
Pozitivní zpětná vazba
Zpětné vazby Negativní zp. vazba (obecnější východiska)
Negativní zpětná vazba + - Žádaná hodnota Akční veličina Výstup systému Regulační odchylka Reakce na vychýlení Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avicenum, 1980)
Efekty inhibitorů metabolismu AA význam rovnováhy v přísunu prekursorových PUFAs a v produkci jednotlivých jejich metabolitů
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
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
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
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 - 886 (15-LIPOXYGENASE) dříve - dnes
% kontroly % kontroly % kontroly % kontroly PRODUKTY LIPOXYGENÁZ A CYKLOOXYGENÁZ VORE et al., J. Immunol. : 11, 435-442, 1989 Esculetin Indomethacin 90 70 50 30 10-10 -30-50 -70-90 1 3 10 30 100 90 70 50 30 10-10 -30-50 -70-90 0,3 1 3 10 30 koncentrace (mm) koncentrace (mm) Ibuprofen NDGA 90 70 50 30 10-10 -30-50 -70-90 1 3 10 30 100 90 70 50 30 10-10 -30-50 -70-90 0,3 1 3 10 30 koncentrace (mm) koncentrace (mm)
Zpětné vazby Negativní zp. Vazba na systémové úrovni (tkáně a organismus)
Fosfolipidový metabolismus a působení ioniz. radiace (škodlivých faktorů životního prostředí)
Aplikace NDGA protektivním režimu a její dávkově závislé účinky na regeneraci ESC a GM-CFC
Periferní krev Efekty dalších inhibitorů Kostní dřeň
Příklad aplikace inhibitorů metabolismu AA v terapeutickém režimu
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
Příklad aplikace inhibitorů metabolismu AA v terapeutickém režimu
Inhibitory cyklooxygenáz stimulují (+) a lipoxygenáz inhibují (-) granulopoézu i lymfopoézu
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. 2009 June; 50(6): 1015 1038..
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. 2009 June; 50(6): 1015 1038.
ESC No. 100 80 60 40 control indomethacin cystamine Indomethacin + cystamine 20 10 8 6 4 2 1 Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990 6 6.5 7 7.5 8 dose (6.5Gy)
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, 1990 0 0 5 10 15 20 25 30 days after dose irradiation (6.5 Gy) 6.5 Gy
150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990 40 30 20 control indomethacin cystamine Indomethacin + cystamine 0 5 10 15 20 25 30 days after irradiation 6.5 Gy
ESC No. leukocyty / ml x 10 3 Dosažení dynamické rovnováhy v systému po podnětech rozdílné intenzity 100 80 60 40 20 kontroly indomethacin cystamin indomethacin + cystamin 5 4,5 4 3,5 3 10 8 6 2,5 2 4 2 1,5 1 0,5 kontroly indomethacin cystamin indomethan + cystamin 1 6 6.5 7 7.5 8 Dny po ozáření 6,5 Gy dose (Gy) Vlastní výsledky Posílení inhibitorů COX Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990 150 140 130 0 0 5 10 15 20 25 30 Dny po ozáření 6,5 Gy Zátěž nižší intenzity Kontrola 120 110 100 Cystamin Hmotnost slezity (mg) 90 80 Indomethacin Cystamin + Indomethacin 70 60 50 40 30 20 kontroly indomethacin cystamin indomethacin + cystamin Silně poškozený systém Kombinovaná léčba 0 5 10 15 20 25 30 Dny po ozáření 6,5 Gy 36
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.
Zpětná vazba negativní: Působení na vyšších úrovních organizace systémů
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
Nominální mzda SŠ profesora 13528,- Kč 13528,-Kč (3,4x) 6764 3990,- Kč 1989 90 91 92 93 94 95 96 97 ROK
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 * 2009 * 2010 mzda v % Vývoj reálných mezd (relace k roku 1989) 120 110 100 90 3990,-Kč 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 13528,-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 0,1-0,7-1,1-2 -4-6 -8-10 -12-11,6 6,3 6,8 6 4,5 3,2 0,8-2,3 80 70 60 hrubá mzda čistá mzda
Výsledky voleb do senátu ČR 2006-2012 (%) 50 40 30 20 41 35 25 15 10 0 2006 2008 2010 2012 50 40 30 20 12 29 41 46 10 0 2006 2008 2010 2012 LN 22.10.2012
Vývoj HDP meziročně v % - reálné oscilace Změna HDP v % 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 * 2009 * 2010 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 -12 5,9 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
Vývoj inflace meziročně v % Inflace v % 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 60 50 52 40 30 20 17,5 18,2 10 0 12,7 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
Vývoj inflace meziročně v %
Vývoj HDP meziročně v %
Porušení funkcí negativní zpětné vazby (důsledky,. obecnější platnost.!!!)
Důsledky převahy pozitivní zpětné vazby
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 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?? -29,6-19,4-50 -100 povodně -87,7-109 -97,6-105 -150-200 sanace bank cca 400-800 mld Kč??? Plýtvání -175-156 2010-135?? 2011 2012 rok
Očekávané tendence 2009/2013 20 10 Kritické období nároky % 0 Propad HDP???? -10 Propad možností?? Propad možností?? -20 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Příklad extrémně regulačně nevyváženého vnitřně rozporného systému (očekávánému zachování růstu Neodpovídají prostředky a zdroje)
Vyváženost tendencí 52
Tendence k nestabilitě 54
55
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avic
Hledání OPTIMA
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Av
% 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?
2 3 3 1 1 1,1 - celkové náklady potřebné k navození změny stavu (reakce) 3,3 - celkové náklady potřebné k utlumení (reakce)
Charakter odpovědi je nelineární Intenzita je závislá na délce adaptace
Deregulace cytokinetiky: možnosti jejího ovlivnění modulací metabolismu PUFAs
% 120 100 PŘEŽÍVÁNÍ MYŠÍ POTENCIÁL VYUŽITÍ inhibitorů metabolismu AA V nádorové problematice in vivo 80 60 40 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<0,05 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 týdny