Perspektivy farmakologického a klinického přínosu aktivátorů sirtuinu 1 při oxidativním poškození

Souhrn

Sirtuiny, pojmenované podle jejich homologního proteinu „Silent Information Regulator Two“ pocházejícího z kvasinky Saccharomyces cerevisiae, představují skupinu vysoce mezidruhově konzervovaných nikotinamidadenindinukleotid dependentních enzymů, které deacetylují histony a odštěpují acetyl z lysinových reziduí proteinů. Hlavním cílem tohoto článku je stručně přiblížit farmakologický význam hlavních aktivátorů sirtuinu 1 přírodního nebo syntetického původu, které byly v průběhu posledních několika let testovány zejména při oxidativním poškození. V článku je především popsána související biologická aktivita těchto látek vzhledem k tomu, že jsou považovány za „favority“ při hledání nových farmakologicky aktivních látek a potenciálních léčiv. Díky nedávnému vývoji znalostí o vzájemné komunikaci mezi sirtuinem 1 a jeho modulátory (např. resveratrolem) získává farmakologický a klinický výzkum v této oblasti novou perspektivu.

Klíčová slova:
antioxidanty, dlouhověkost, kalorická restrikce, metabolická onemocnění, nutraceutika, oxidativní stres, polyfenoly, resveratrol, sirtuiny, SIRT1 aktivátory.

ÚVOD

Oxidativní poškození souvisí s procesem stárnutí a různými chronickými onemocněními, jakými jsou diabetes mellitus, ateroskleróza, katarakta, makulární degenerace a Alzheimerova choroba. Oxidativní poškození může být jak příčinou, tak výsledným efektem, a proto je nutné jeho přesné vyhodnocení pomocí specifických biomarkerů. Pokud oxidativní poškození působí jako kauzální faktor onemocnění, jeho biomarkery mohou být užitečným nástrojem pro lepší pochopení zúčastněných patogenních mechanismů, nalezení nových cílových molekul pro farmakologické zásahy a vyhodnocování efektivních obranných (resp. terapeuticko-preventivních) strategií, mezi které patří aplikace farmaceutik a nutraceutik nebo-li složek potravy a jejích derivátů s pozitivním vlivem na lidské zdraví. Obecně platí, že oxidativní stres vzniká, když produkce reaktivních forem kyslíku překoná vnitřní antioxidační obranné mechanismy. Reaktivní formy kyslíku totiž hrají důležitou roli také jako druzí poslové v mnoha intracelulárních signálních kaskádách s cílem udržení homeostázy v buňce a v jejím bezprostředním okolí. Nicméně pokud jsou volné kyslíkové radikály produkovány v nadbytku, mohou způsobit náhodné poškození biologických molekul, což může vést ke ztrátě funkce a dokonce i smrti buňky.

V současné době existuje několik tisíc publikovaných příspěvků zabývajících se antioxidanty ve zdraví a nemoci s nadějnými, avšak někdy i protichůdnými výsledky, které mohou vést k určitým nejasnostem ohledně uplatnění antioxidantů. Přesto mezi vědci panuje shoda v tom, že antioxidanty, především polyfenolické formy, mohou pomoci snížit poškození DNA a výskyt chorob, jakými jsou některé druhy rakoviny, kardiovaskulární a neurodegenerativní onemocnění, nebo že dokonce zpomalují proces stárnutí (mají tzv. „anti-aging“ efekt). Na druhou stranu zůstává nezodpovězena otázka, zda by některé antioxidanty a rostlinné látky (fytochemikálie) mohly způsobovat potencionálně více škody než užitku. Jistá rizika již byla totiž zaznamenána. Příkladem může být poškození proteinů způsobené zvýšenou glykací (tzv. karbonylový stres). Snaha o zdravé stárnutí přesto vede k použití antioxidantů jako prostředku ke zpomalení či pozastavení dysregulace metabolických procesů a věkem podmíněného zhoršování fyziologických funkcí nebo k prevenci mnoha onemocnění souvisejících s věkem. I když se zdá, že strava bohatá na polyfenolické formy antioxidantů dává naději na oddálení nástupu onemocnění souvisejících s věkem, je ještě příliš brzy určit jejich přesný klinický přínos pro léčbu těchto onemocnění (1).

Přírodní produkty z rostlin a mikroorganismů skutečně slouží již tradičně farmaceutickému průmyslu jako významné zdroje tzv. „vedoucích” (kandidátních) sloučenin, které jsou zkoumány při hledání nových látek a léčiv. Většina těchto sloučenin vykazuje různorodou polyfenolickou strukturu. Nejdůležitějšími polyfenoly v naší stravě jsou fenolické kyseliny a flavonoidy. A právě přirozeně se vyskytujícím rostlinným flavonolům je přisuzováno několik zdraví prospěšných účinků včetně antioxidačních, antikarcinogenních, vazoprotektivních, protizánětlivých, neuroregenerativních, antidiabetických a antikoagulačních, přičemž antioxidační účinky stále zůstávají hlavním předmětem výzkumu posledních let (2).

Flavonoidy silymarin a silibinin jsou látky s prokázanými cytoprotektivními účinky, i když jejich mechanismus účinku není stále plně objasněn. Dalšími přirozeně se vyskytujícími substancemi rostlinného původu, o kterých se uvádí, že mají cytoprotektivní účinky, jsou kurkumin, tetrahydrokurkumin, katechin, kvercetin a beta-karoten. Jinou přírodní cytoprotektivní látkou je resveratrol (trans-3,4’,5-trihydroxystilben), který je také polyfenolickou sloučeninou rostlinného původu řadící se mezi tzv. stilbeny. Resveratrol byl nalezen ve stromech, v několika kvetoucích rostlinách, arašídech a vinné révě, přičemž hlavními potravními zdroji resveratrolu jsou hrozny, víno, arašídy a arašídové výrobky. Protektivní působení resveratrolu bylo prokázáno již v řadě tkání (3–6). V případě resveratrolu, jsme zjistili, že mezi mechanismy odpovědnými za jeho vysoce efektivní hepatoprotektivní účinek v experimentálním modelu fulminantního jaterního selhání patří nejen snížená produkce oxidu dusnatého a potlačená exprese jeho iducibilní syntázy, ale také modifikace dalších parametrů oxidativního stresu a modulace hemové oxygenázy-1, které vedly k celkovému zlepšení hepatotoxických markerů a morfologie poškozené jaterní tkáně (7). Předpokládá se, že jedním z mechanismů těchto a výše zmíněných příznivých účinků resveratrolu je aktivace sirtuinu 1 („silent information regulator T1“ nebo-li SIRT1).

FUNKCE SIRTUINU 1

Sirtuiny, pojmenované podle jejich homologního proteinu „Silent Information Regulator Two“ (Sir2) pocházejícího z kvasinky Saccharomyces cerevisiae, představují skupinu vysoce mezidruhově konzervovaných nikotinamidadenindinukleotid (NAD) dependentních enzymů, které deacetylují histony a odštěpují acetyl z lysinových reziduí proteinů (8). Společným znakem aktivity sirtuinů je jejich závislost na intracelulárních hladinách NAD jak v oxidované (NAD⁺), tak redukované podobě (NADH). Sirtuiny působí jako senzory, které detekují dostupnost energetických zásob v buňce (9). Kalorická restrikce prodlužuje délku života v organismech od kvasinek až po savce. A právě v kvasinkách zprostředkovává život prodlužující účinek kalorické restrikce Sir2 gen (10). Bylo prokázáno, že savčí Sir2 ortolog, SIRT1, aktivuje kritickou komponentu kalorické restrikce u savců, kterou je mobilizace tuku (lipolýza) v adipocytech bílé tukové tkáně (11). Nedávné studie naznačují, že savčí SIRT1 je zásadním způsobem zodpovědný nejenom za adekvátní buněčnou reakci v odpověď na metabolický stres spojený s nadměrným nebo naopak nedostatečným či chybějícím přísunem živin, ale také spolu s aktivátory SIRT1 za ochranu před škodlivými účinky metabolických stresorů (12). Klíčovou roli při regulaci adipogeneze hraje nukleární receptor PPAR-γ („peroxisome proliferator-activated receptor-γ”). Při odejmutí stravy SIRT1 protein skutečně potlačuje expresi genů, které jsou pod kontrolou PPAR-γ, včetně genů zprostředkujících ukládání tuku. SIRT1 inhibuje funkce PPAR-γ vazbou s jeho kofaktory (11). Represe PPAR-γ sirtuinem 1 je také patrná v 3T3-L1 adipocytech, kde nadměrná exprese SIRT1 zmenšuje adipogenezi, a naopak RNA interference ji zvyšuje. Obdobně je během hladovění kompromitována mobilizace mastných kyselin z adipocytů u SIRT1 (+/-) myší. V diferenciovaných tukových buňkách vede up-regulace SIRT1 k lipolýze a úbytku tuku. Vzhledem k faktu, že redukce tukových zásob postačuje k nárůstu délky života u myší (10), je pravděpodobné, že zde existuje molekulární dráha, která propojuje kalorickou restrikci s prodloužením života u savců.

Ve studii na knokautovaných myších, kterým byl vyřazen gen pro jaterní SIRT1, Chen et al. (13) zamítli hypotézu, že kalorická restrikce indukuje aktivitu SIRT1 ve všech tkáních. Tato studie totiž ukázala, že myši knokautované v genu pro jaterní SIRT1 jsou v porovnání s divokým typem myší do určité míry chráněny před hromaděním tuku v organismu, pokud jim byla podávána vysoce kalorická. „západní“ dieta. Avšak během kalorické restrikce tyto knokautované myši vykazovaly stejný fenotyp jako standardní myši. Tato pozorování naznačují, že v játrech je aktivita tohoto sirtuinu ve skutečnosti redukována kalorickou restrikcí a aktivovaná vysoce kalorickou dietou. Opačným způsobem je aktivita SIRT1 regulována ve svalech a bílé tukové tkáni, což lze vysvětlit rozdílným redoxním stavem a poměrem NAD⁺/NADH v játrech a ostatních tkáních za daných studijních podmínek. Autoři vznesli předpoklad, že inhibitory SIRT1 specificky zaměřené na játra mohou být užitečné při léčbě obezity. SIRT1 vskutku působí jako senzor energetických zásob v buňce, který spojuje metabolický stres s adekvátní buněčnou odpovědí. Během hladovění SIRT1 aktivuje PGC-1α (PPAR-γ koaktivátor-1α) v játrech, což vede k indukci glukoneogeneze (13–15).

Nedávné důkazy ukazují, že existují podobnosti mezi SIRT1 a AMPK (adenosin-5’-monofosfátem aktivovaná proteinová kináza). Obě molekuly ovlivňují podobným způsobem různé procesy, jakými jsou energetický metabolismus (včetně oxidace mastných kyselin, glukoneogeneze, adipogeneze, sekrece inzulínu, homeostázy glukózy a cholesterolu), zánětlivou reakci a mitochondriální aktivitu. Podobnosti mezi AMPK a SIRT1 vyplývají z jejich vzájemné regulace a díky tomu, že navíc sdílejí mnoho společných cílových molekul (14). Tato zjištění a současná demonstrace toho, že existují společné aktivátory, funkce a cílové molekuly pro SIRT1 a AMPK, vedly v mnoha laboratořích ke zkoumání možného propojení mezi SIRT1 a jaterní kinázou B1 aktivující AMPK. Například, důkaz o existenci signálního mechanismu SIRT1-jaterní kináza B1-AMPK byl předložen Houem et al. (15), kteří prokázali, že schopnost polyfenolů (resveratrolu, SI 17834) aktivovat AMPK v kultivovaných HepG2 buňkách a in vivo v myších játrech vyžaduje přítomnost jak SIRT1, tak jaterní kinázy B1.

Důležitým cílem pro působení SIRT1 je také NF-κB (nukleární faktor kappa B), regulátor řady procesů včetně buněčného cyklu, apoptózy a zánětu. SIRT1 potlačuje prozánětlivé účinky NF-κB tím, že deacetyluje RelA/p65 podjednotku NF-κB (16, 17). Je dobře zdokumentováno, že chronické přejídání spojené se zvýšením cirkulujících mastných kyselin v krvi může vést k zánětu, inzulinové rezistenci a poškození jater. Transgenní myši s nadměrnou expresí genu pro SIRT1 mají sníženou aktivitu jaterního NF-κB, a jsou tak chráněny před rozvojem zánětlivého onemocnění jater, glukózové intolerance a nealkoholické steatohepatitídy vyvolanými lipidy pocházejícími ze stravy s vysokým obsahem tuků (18). V jiné studii (19) bylo zjištěno, že útlum NF κB signalizace skrze aktivaci sirtuinu 1 brání cytokiny indukovanému poškození pankreatických ß-buněk.

AKTIVACE SIRTUINU 1

Milne et al. (20) identifikovali nové aktivátory SIRT1 o malé molekule s 1000krát vyšší farmakologickou účinností ve srovnání se strukturálně odlišným polyfenolickým SIRT1 aktivátorem resveratrolem. Obézní hlodavci, kterým byly aplikovány tyto SIRT1 aktivátory, vykazovali jak zlepšení celkové glukózové homeostázy a citlivosti na inzulín v játrech, kosterních svalech a tukové tkáni, tak zvýšení mitochondriální kapacity v kosterním svalstvu. Velmi silný SIRT1 agonista, SRT1720, dále zvyšuje výkonnost a oxidativní metabolismus ve svalech, játrech a hnědé tukové tkáni, což by mohlo vysvětlit jeho protektivní působení před vznikem obezity navozené nevhodnou dietou (12). Takové zvýšení metabolické výkonnosti by mohlo být vyvoláno současnou deacetylací SIRT1 substrátů: PGC-1α, FOXO-1 („forkhead box-containing protein-1“) a p53. Nepřímá aktivace AMPK a acetyl-CoA karboxylázy zprostředkovaná sirtuinem 1 může rovněž přispívat k ochraně před rozvojem nealkoholické steatohepatitidy u myší krmených stravou s vysokým obsahem tuků a vystavených působení SRT1720 (20). Tyto zajímavé zprávy týkající se aktivátorů SIRT1 o malé molekule také naznačují slibné nové terapeutické přístupy k léčbě metabolických onemocnění, jakými jsou diabetes mellitus 2. typu nebo nealkoholická steatohepatitida (12, 20).

Resveratrol jako malá polyfenolická sloučenina je nejvíce zkoumaným aktivátorem SIRT1, který zlepšuje funkci cév a citlivost na inzulín, zvyšuje celkovou výkonnost, brání vzniku nádorů a oddaluje časnou úmrtnost spojenou s obezitou u myší. Většina těchto účinků koresponduje s modulací cílových molekul pro SIRT1, jakými jsou PGC-1α a NF-κB. Navíc může resveratrol aktivovat AMPK, inhibovat cyklooxygenázy a mít vliv na řadu dalších enzymů (8). V současné době jsou vyvíjeny nejenom nové SIRT1 aktivátory (např. SRT1720), ale také různé další přístupy manipulující s metabolismem NAD jako alternativní metody pro zvýšení aktivity SIRT1. V mnoha případech tyto postupy v sobě shrnují účinky resveratrolu, mezi které patří například resveratrolem indukovaná aktivace AMPK s následným zvýšením hladin NAD⁺ v regenerujících a rezervních buňkách.

SOUČASNÝ A BUDOUCÍ VÝZKUM AKTIVACE SIRTUINU 1 A JEHO KLINICKÝ POTENCIÁL

Tento článek se zaměřuje na farmakologický význam hlavních SIRT1 aktivátorů přírodního nebo syntetického původu, jejichž související biologická aktivita jako „kandidátních“ látek byla v průběhu posledních několika let testována. Biologická aktivita těchto látek přitom závisí na různých molekulárně biologických účincích a jejich farmakokinetickém profilu. V současné době je kladen důraz na význam oxidativního poškození v elektronovém transportním řetězci s ohledem na racionální využití antioxidantů, např. polyfenolů, které cíleně působí v mitochondriích. Kromě toho jsou molekuly flavonoidního typu, které jsou středem zájmu, důkladně studovány jako favorité pro potenciální léčbu diabetes mellitus 2. typu (20). Z tohoto důvodu bude důležité plně objasnit roli SIRT1 v účincích polyfenolů včetně resveratrolu, který, jak se nedávno ukázalo, snižuje oxidativní stres dokonce i v mozku (21). Aby byly zodpovězeny všechny tyto otázky, bude potřeba ještě spousta práce v této oblasti.

Tyto snahy jsou důležité zejména proto, že SIRT1 aktivátory, jakými jsou SRT501, SRT2104 a SRT2379, vstupují do fáze klinických zkoušek na lidech, a vzhledem k tomu, že doplňky stravy obsahující resveratrol jsou již běžně dostupné. Díky nedávnému vývoji znalostí o vzájemné komunikaci mezi SIRT1 a jeho modulátory získává farmakologický a klinický výzkum v této oblasti novou perspektivu.

Zkratky

• AMPK – adenosin-5’-monofosfátem aktivovaná proteinová kináza
• NAD⁺ – nikotinamidadenindinukleotid - oxidovaná forma NAD
• NADH – nikotinamidadenindinukleotid - redukovaná forma NAD
• NF-κ B – nukleární faktor-kappa B
• PGC-1α – „peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator-1alpha“
• PPAR-γ – „peroxisome proliferator-activated receptor-gamma“
• Sir2 – „silent information regulator 2“ ze Saccharomyces cerevisiae
• SIRT1 – „silent information regulator T1“ - sirtuin 1

Práce vznikla za podpory výzkumného záměru VZ MSM 0021620807 programu PRVOUK-P25/LF1/2 a grantů GA ČR 305/09/0004 a GA ČR 305/07/0061.

Adresa pro korespondenci:

MUDr. Nikolina Kutinová Canová, Ph.D.

Farmakologický ústav 1.LF UK

Albertov 4, 128 00 Praha 2

fax: +420 224 968 104, e-mail: ncano@lf1.cuni.cz