Úloha oxidačného stresu v patogenéze infekcie vírusom hepatitídy C.

Prvýkrát zverejnené: 16. júla 2016

Redakčná skupina: MEDICHUB MEDIA

Abstrakt

V liečbe hepatitídy C sa dosiahol značný pokrok, o jej patogenéze však stále nie je veľa známych. Priebeh hepatitídy C je ovplyvnený charakteristikami hostiteľa aj vírusu. Čoraz viac štúdií zdôrazňuje úlohu oxidačného stresu v patogenéze hepatitídy C. Hlavný proteín zohráva kľúčovú úlohu pri tvorbe reaktívnych foriem kyslíka. Zdá sa, že najdôležitejšie komplikácie infekcie, cirhóza a hepatocelulárny karcinóm, súvisia s prítomnosťou oxidačného stresu. V tomto kontexte môžu byť antioxidanty užitočnou adjuvantnou terapiou.

Zhrnutie

Aj keď sa v liečbe vírusovej hepatitídy C dosiahol značný pokrok, v patogenéze stále existuje veľa poznatkov. V prípade infekcie vírusom hepatitídy C (HCV) je vývoj choroby určený charakteristikami hostiteľa aj vírusu. Stále viac štúdií potvrdzuje úlohu oxidačného stresu v patogenéze infekcie HCV. Jadrový proteín hrá hlavnú úlohu pri generovaní reaktívnych foriem kyslíka. Zdá sa, že najdôležitejšie komplikácie infekcie, cirhóza a hepatocelulárny karcinóm, súvisia s prítomnosťou oxidačného stresu. V tejto súvislosti by antioxidanty mohli byť užitočnou adjuvantnou liečbou.

Vírusová hepatitída C (HVC) je hlavným problémom verejného zdravia. Na celom svete existuje asi 130 - 150 miliónov prípadov chronickej HVC. Miera chronickej infekcie je veľmi vysoká, takže u 55 - 85% infikovaných sa vyvinie chronická infekcia. Najbežnejšími komplikáciami sú cirhóza a hepatocelulárny karcinóm (1) .

Vírus hepatitídy C (HCV) je obalený RNA vírus, ktorý patrí do čeľade Flaviviridae. Na úrovni jeho genómu je kódovaných 10 proteínov, štrukturálne - základné, E1 a E2 a neštrukturálne - p7, NS2, NS3, NS4A, NS4B, NS5A, NS5B (2). Jadrový proteín tvorí nukleokapsid a proteíny E1 a E2 tvoria časť obalu. Bolo opísaných 6 hlavných genotypov. Genotypy 1-3 majú širokú distribúciu, genotypy 4 a 5 boli identifikované najmä v Afrike a genotyp 6 v Ázii (3). Štúdia uskutočnená v Rumunsku ukázala, že 99% infikovaných HCV je infikovaných genotypom 1, z toho genotypom 1b, vo viac ako 90% prípadov. Najviac prípadov bolo vo vekovej skupine 50-59 rokov, prevažovali ženy (4) .

V posledných rokoch čoraz viac štúdií potvrdzuje hlavnú úlohu oxidačného stresu (OS) v patogenéze mnohých chorôb. SO nastáva, keď je medzi oxidačným systémom a antioxidačným systémom nainštalovaná nerovnováha, pričom prvý je vyjadrený v nadmernom množstve. To má dôsledky na biologické procesy, a tým ovplyvňuje apoptózu, zápalovú reakciu alebo replikáciu vírusov (5). Voľné radikály majú neporovnateľné elektróny v atómoch s vysokou mierou reaktivity s molekulami ako bielkoviny, lipidy alebo DNA. Hlavné reaktívne formy kyslíka (SRO) sú superoxidový radikál, hydroxylový radikál a peroxid vodíka (6). ORS ničia bunkové membrány a spôsobujú nekrózu oxidáciou nenasýtených mastných kyselín v štruktúre membrán, čo je proces nazývaný peroxidácia lipidov. Pôsobí tiež na bielkoviny oxidáciou skupiny SH cysteínových zvyškov, čo vedie k disulfidom, sulfoxidom alebo kyseline sulfónovej. Na úrovni DNA a RNA vedú k štrukturálnym zmenám s výskytom mutácií (7) .

Prítomnosť SO počas infekcie vírusom hepatitídy C (HCV) sa zaznamenáva od 90. rokov minulého storočia. U pacientov s HCV boli pozorované zvýšené koncentrácie ORS v pečeňových bunkách aj v lymfocytoch (8). .

Bolo študovaných niekoľko mechanizmov, pomocou ktorých HCV vedie k uvoľňovaniu ORS. Ukazuje sa, že zmeny v mitochondriálnej úrovni nastávajú počas replikácie vírusu a expresie vírusového proteínu. Zdá sa, že zvýšená produkcia ORS súvisí s redistribúciou vápnika (Ca 2+) v cytoplazme, endoplazmatickom retikule (ER) a mitochondriách. Dochádza k zvýšenému uvoľňovaniu ORS, čo je jav, ktorý je založený na inhibícii aktivity komplexu elektrónových transportov 1 (8). Účinok ORS na HCV nie je úplne objasnený, niektoré štúdie ukazujú možnú stimulačnú úlohu pri replikácii vírusu (9) .

Tvorba oxidačného stresu pri infekcii HCV

Hlavným zdrojom tvorby voľných radikálov sú mitochondrie prostredníctvom dvoch hlavných mechanizmov, transportného komplexu elektrónov a mitochondriálnych dehydrogenáz. Na druhej strane sú mitochondrie miestom voľby akcie SRO. Hlavnými extramitochondriálnymi zdrojmi sú RE, peroxizómy, NADPH oxidázy a cytochróm P 450. Kupfferove bunky sa tiež podieľajú na vzniku oxidačného stresu (10) .

Mitochondrie a endoplazmatické retikulum

Mitochondrie sa podieľajú na produkcii viac ako 90% množstva ATP potrebného pre bunku (11,12). Mitochondrie majú mnoho funkcií v proliferácii, diferenciácii a bunkovej smrti. Štrukturálne má vonkajšiu membránu a vnútornú membránu. Vonkajšia membrána sa asociuje s RE membránou a vytvára mitochondriálnu RE membránu (MAM), ktorá sa zúčastňuje výmeny medzi dvoma bunkovými orgánmi, najmä transportu Ca2 + a lipidov. MAM má teda proteíny zapojené do transportu Ca 2+, najznámejšia je Ca 2+ ATPáza endosarkoplazmatického retikula (SERCA) (12) .

V súčasnosti sa predpokladá, že na výrobe ORS sa podieľa 7 mitochondriálnych miest. Na úrovni vnútornej mitochondriálnej membrány sú štyri proteínové komplexy zapojené do redoxných procesov. Zdá sa, že hlavnú úlohu pri indukcii oxidačného stresu majú komplexy I a III. Komplex I uvoľňuje O2 na úrovni matice a komplex III na úrovni medzimembránového priestoru (13,14) .

V prípade infekcie HCV má vírusová replikácia a nadmerná expresia jadrového proteínu komplexný účinok na úrovni RE, čo vedie k uvoľneniu Ca2 + v cytoplazme. Proces je tiež zosilnený inhibíciou Ca2 + ATPázy endoplazmatického/sarkoplazmatického retikula (SERCA). NS5A dodatočne stimuluje uvoľňovanie Ca 2+ z retikula do cytoplazmy (15) .

Hlavný mechanizmus produkcie reaktívnych druhov pri infekcii HCV je založený na interakcii medzi mitochondriami a jadrovým vírusovým proteínom, ktorá vedie k senzibilizácii mitochondrií na prítok Ca 2+ a otvoreniu prechodných pórov mitochondriálnej permeability (mPTP), ktoré majú konečný výsledok ovplyvňujúci reťazec transportu elektrónov s tvorbou SRO (10,15). Je potrebné poznamenať, že u pacientov s HCV sa pozoruje veľa mitochondriálnych abnormalít. Pretože prebytok 2+ na mitochondriálnej úrovni indukciou syntézy NADPH sa podieľa na tvorbe ORS. Okrem toho bol mitochondriálny Ca 2+ spájaný so zvýšenou tvorbou oxidu dusnatého (16,17). Vírusové proteíny sa hromadia v oblasti, kde mitochondriálna membrána prichádza do kontaktu s membránou ER, čo je jav, ktorý uľahčuje postup vírusových proteínov procesom bočnej difúzie z RE na mitochondriálnu úroveň (11). .

NADPH oxidázy

Rodina NOX patriaca do NADPH oxidáz sa podieľa na tvorbe ORS. Rodina NOX pozostáva zo 7 členov, ktoré sa nachádzajú v rôznych tkanivách vrátane pečene. NADPH oxidáza sa podieľa na mnohých biologických procesoch vrátane sprostredkovania odpovede hostiteľa na vírusové alebo bakteriálne infekcie (18). Ukázalo sa, že v neinfikovaných bunkách sa NOX 4 nachádza v cytoplazme a jadre, zatiaľ čo v bunkách infikovaných HCV je nadmerne exprimovaný a nachádza sa hlavne v jadre. Dochádza tak k produkcii ORS na jadrovej úrovni s poškodením bunkovej DNA. Zdá sa, že hlavný proteín je tiež zapojený do tohto procesu nepriamo stimuláciou syntézy beta TGF, ktorá aktivuje expresiu NOX (15) .

NOX 2 sa nachádza v Kupfferových bunkách, polymorfonukleárnych bunkách v pečeni. Proteín NOX 2 vo fagocytoch je aktivovaný vírusovým proteínom NS3, čím indukuje apoptózu a alteráciu imunitných buniek (LT bunky, prírodný zabijak) (19) .

Štúdia uskutočnená spoločnosťou Smirnova a spolupracovníkmi ukázala, že HCV indukovaný oxidačný stres aktivuje NOX 1 a NOX4, cyklooxygenázu 2 a cytochróm 450 2E1 (CYP2E1). Štúdie navyše ukazujú, že NOX 1, NOX4 a CYP2E1 sa zúčastňujú na procese zápalu a následnej fibrózy pečene. CYP2E1 je enzým nachádzajúci sa v pečeňových bunkách a u pacientov s HCV indukuje jeho expresiu NS5A. CYP2E1 sa tiež podieľa na katalýze etanolu (20) .

Cytokíny a zápalové bunky

Okrem toho môže byť SO u pacientov s HCV výsledkom prítomnosti prozápalových cytokínov, ako je TNF alfa, u ktorých sa preukázalo, že sú zvýšené v periférnych mononukleárnych bunkách u pacientov s HCV (21). U pacientov s HCV sa pozorovalo zvýšené množstvo TNF alfa. TNF alfa sa podieľa na produkcii ORS vytváraním superoxidového iónu a peroxidu vodíka (22). Je tiež potrebné mať na pamäti, že ORS sú zapojené do protiinfekčnej obrany. Prítomnosť infikovaných buniek vedie k nástupu imunitnej odpovede a k uvoľňovaniu ORS makrofágmi. Štúdie na bunkových kultúrach preukázali uvoľňovanie ORS po interakcii medzi vírusovými štruktúrami a bunkami (9) .

Úloha vírusových zložiek

HCV indukuje oxidačný stres prostredníctvom štrukturálnych proteínov, jadrového proteínu a glykoproteínov E1 a E2, ako aj prostredníctvom neštrukturálnych zložiek NS3, NS5A a NS4B (19,23) .

Vírusové proteíny indukujú zmeny štrukturálne aj funkčne v mitochondriách infikovaných buniek. Zahŕňa veľa proteínov, ale hlavnú úlohu zohrávajú jadrové proteíny a NS5A (24). Jadrový proteín sa viaže na vonkajšiu mitochondriálnu membránu cez koncovú oblasť COOH (25) .

Jadrový proteín je najsilnejším aktivátorom oxidačného stresu. Spolu s proteínmi NS5A a NS3 pôsobí na mitochondriálnej úrovni, zvyšuje prítok Ca 2+ a produkuje oxidáciu glutatiónu, čo vedie k tvorbe ORS v mitochondriách. Jadrové faktory NF-kB a STAT 3 sa aktivujú a v jadre nastáva oxidačný stres (26). Prebytok 2+ má stimulačný účinok na transport elektrónov, ktorý je základom tvorby ORS. Prebieha aktivácia NO syntázy s tvorbou oxidu dusnatého a uvoľňovaním cytochrómu C. Vytvára sa začarovaný kruh so zmenou mitochondriálnej funkcie a ďalším uvoľňovaním ORS. HCV je tiež spájaný s RE, takže vírusová replikácia sa môže vyskytnúť aj v cytosolickej časti RE membrány, čo vedie k zhoršeniu funkcie RE. Výsledkom tohto procesu je aktivácia signálnych dráh zapojených do zápalu (27) .

NS5A a NS4B, ako aj glykoproteíny E1 a E2 sa podieľajú na tvorbe ORS vyvolaním stresu na úrovni RE (23). NS5A indukuje uvoľňovanie Ca 2+ z endoplazmatického retikula a podieľa sa na tvorbe ORS a aktivácii NADPH oxidázy (28) .

Preťaženie železom

U pacientov s HCV sa pozorovalo zvýšené množstvo železa (Fe). Zvýšené zásoby železa sa javia ako výsledok vírusom indukovaného OS, ktorý má inhibičný účinok na hepcidín, molekulu podieľajúcu sa na metabolizme železa (16,29). Zistilo sa, že hepcidín je u týchto pacientov nižší ako u pacientov s HBV alebo iným ochorením pečene, preto sa môže považovať za dôležitú úlohu hepcidín pri preťažení HVC Fe (30). .

Železo vo veľkom množstve sa podieľa na zmene DNA a na procese peroxidácie lipidov niekoľkými mechanizmami (29). Napríklad železitý ión sa redukčnou reakciou mení na železnatý ión. Železný ión sa podieľa na tvorbe SRO, rozpúšťaním H2O2 na hydroxidový ión a OH- (6). Okrem toho bola u týchto pacientov pozorovaná pozitívna korelácia medzi hladinami Fe a 8-hydroxy-2 ¢ -deoxyguanozínu (8-OhdG), čo znamená zmenu DNA (31,32). .

Zvýšené hladiny Fe urýchľujú proces fibrózy pečene. Hino a kolegovia uskutočnili štúdiu s transgénnymi myšami exprimujúcimi HCV polyproteín. Dostali zvýšenú hladinu Fe a zistilo sa, že majú významnú steatózu pečene, mitochondriálne zmeny, zvýšené hladiny lipoperoxidácie a 8-OhdG (30). .

Dôsledky oxidačného stresu
na úrovni pečene

Infekcia HCV je chronická v asi 70-80% prípadov az nich sa u 20% vyvinie cirhóza v prvých 20 rokoch infekcie (3). Progresia k fibróze pečene je ovplyvnená hostiteľom aj vírusom. Hlavnými rizikovými faktormi spojenými s hostiteľom sú mužské pohlavie, chronická konzumácia alkoholu, obezita a cukrovka typu 2. Citované sú aj genetické faktory (33). Štúdie ukazujú, že HCV nemá priamy cytopatický účinok, pričom k poškodeniu pečene dochádza do značnej miery v dôsledku vývoja imunitnej odpovede hostiteľa (3). Prítomnosť chronického zápalového procesu vedie k fibróze, ktorá môže neskôr viesť k cirhóze (34) .

Pacienti v štádiu cirhózy majú ročné riziko vzniku hepatocelulárneho karcinómu 1 - 5% (33). V Európe sú hlavnými rizikovými faktormi pre hepatocelulárny karcinóm infekcie HCV a chronická konzumácia alkoholu. Existuje niekoľko mechanizmov, ktoré sa podieľajú na procese karcinogenézy. Vírus hepatitídy mení metabolizmus lipidov a indukuje expresiu určitých génov podieľajúcich sa na malígnej transformácii (34) .

Zdá sa, že oxidačný stres hrá dôležitú úlohu pri vysokej miere chronickej hepatitídy C (35). Štúdie ukazujú, že OS sa podieľa na procese pečeňovej fibrózy, aktivuje hviezdicovité bunky a stimuluje produkciu kolagénu (36). HCV stimuluje aktiváciu Kupfferových buniek, ktoré uvoľňujú cytokíny zapojené do vývoja fibrózy a ORS, čo vedie k poškodeniu pečeňových buniek. Poškodené pečeňové bunky generujú ORS a aktivujú hviezdicové pečeňové bunky. Okrem toho sa ukazuje, že NADPH oxidáza je aktivovaná v Kupfferových bunkách a v hviezdicových bunkách za vzniku ORS, čo je jav, ktorý prispieva k tvorbe fibrózy (24). Okrem toho ORS indukuje syntézu beta TGF, molekuly, ktorá sa tiež zúčastňuje procesu fibrózy (19) .

Podľa štúdie uskutočnenej Clichici je malondialdehyd najdôležitejším markerom, ktorý koreluje s výskytom fibrózy pri infekcii pečene HCV (37). Gabrova štúdia zistila, že markery oxidačného stresu je možné použiť ako neinvazívnu metódu na hodnotenie fibrózy pečene, ktorá je najdôležitejším prvkom na začiatku liečby (36). .

Zdá sa, že na vývoji hepatocelulárneho karcinómu sa podieľa oxidačný stres prostredníctvom zmien v DNA (19). V posledných rokoch čoraz viac štúdií pripisuje dôležitú úlohu SO v progresii chronického ochorenia pečene a v procese karcinogenézy. Štúdie in vitro preukázali, že Kupfferove bunky pod vplyvom NS3 uvoľňujú cytokíny s prozápalovým účinkom (IL1 beta, TNF alfa) a IL 10 s imunosupresívnym účinkom. Vírus navyše vyvoláva nástup prozápalového stavu. Kupfferove bunky teda v mieste zápalu uvoľňujú početné prozápalové molekuly a ORS (38). ORS vedie k alterácii DNA a výskytu génových mutácií (19). Nedávna štúdia ukázala, že ORS indukuje expresiu 3b-hydroxystereolA24-reduktázy, ktorá má úlohu v prevencii opravy DNA a vývoja nádoru. Nadexpresia tejto reduktázy vedie k blokovaniu apoptózy infikovaných buniek, ich replikácii a pretrvávaniu chronickej infekcie (39) .

Antioxidanty pri infekcii HCV

Antioxidanty možno rozdeliť do dvoch kategórií, a to nízkomolekulárne látky (vitamín C, vitamín E, glutatión, karotenoidy) a enzýmy s antioxidačnou úlohou (superoxiddismutáza, glutatiónperoxidáza, kataláza) (6) .

U pacientov s HCV bol pozorovaný pokles antioxidačnej obrannej kapacity, keď sa zistili nízke hladiny antioxidačných molekúl, ako sú superoxiddismutáza, kataláza, glutatión a hemoxygenáza (1). Zdá sa, že existuje korelácia medzi závažnosťou infekcie HCV a sérovou hladinou antioxidačných prvkov (25). .

HCV znižuje hladinu glutatiónu jednak nepriamo, prostredníctvom lézií, ktoré produkuje v hepatocytoch, ale tiež priamo, pôsobením jadrového proteínu. Niektoré štúdie preukázali, že štrukturálne vírusové proteíny zvyšujú glutatión. V skutočnosti je zvýšenie hladín glutatiónu výsledkom zvýšenej aktivity g-glutamylcysteín-ligázy počas prechodnej adaptácie na subletálny oxidačný stres (29) .

Nedávno sa ukázalo, že rovnováha medzi oxidantmi a antioxidantmi sa líši v závislosti od použitého vírusového genotypu. Takže v genotype 1a/1b sa oxidačný stres javí byť výraznejší ako v genotypoch 4, 2a/c, 2b a 3a. Bola teda vydaná hypotéza o potrebe antioxidačných terapií, najmä u pacientov infikovaných genotypmi, ktoré indukujú závažnú OS. Genotyp sa zároveň javí ako dôležitý prediktor odpovede na antivírusovú terapiu (40). Štúdia Groenbaeka a kolegov zistila, že podávanie doplnkov na báze vitamínov E a A malo vplyv na antioxidačný stav, ale nie na vírusovú záťaž a enzýmy cytolýzy pečene (41) .

Pretože oxidačný stres hrá dôležitú úlohu v patogenéze infekcie HCV, nachádzajú si v liečbe úlohu antioxidanty. Ukázalo sa teda, že sú užitočné látky, ako sú vitamíny C a E, N-acetylcysteín, glycyrizín, fosfatidylcholín alebo silymarín (42). .

Niekoľko vedcov skúmalo úlohu stopových prvkov (Cu, Zn, Se) v patogenéze ochorení pečene v kontexte infekcie HCV. Zmeny v koncentráciách týchto prvkov, ktoré pôsobia ako antioxidanty, spôsobujú nerovnováhu s možnosťou OS a nástupom zápalového procesu, ktorý podporuje replikáciu vírusu (43). Ukázalo sa teda, že podávanie Zn u týchto pacientov znižuje fibrózu pečene a zlepšuje prognózu ochorenia (44) .

V patogenéze HCV hrá dôležitú úlohu oxidačný stres. Vírusové proteíny pôsobia v mitochondriách, hlavnom produkte ORS, a generujú sériu biologických reakcií s dopadom na vývoj choroby. SO je teda zapojený do procesu fibrózy a karcinogenézy.

Konflikt záujmov: Autori neprehlasujú, že by došlo ku konfliktu záujmov.