Nieenzymatyczna glikozylacja (glikacja) białek jest procesem zachodzącym spontanicznie w żywych organizmach, a jej produkty akumulują się w tkankach wraz z wiekiem. Fakt ten może wskazywać na udział nieenzymatycznej glikozylacji w procesie starzenia organizmu. Jednocześnie pewne stany patologii, jak cukrzyca i niewydolność nerek prowadzą do nasilenia nieenzymatycznej glikozylacji. Poniższy przegląd wskazuje na udział nieenzymatycznej glikozylacji w patologii towarzyszącej zarówno podeszłemu wiekowi, jak i wspomnianym chorobom. Udział ten zastał udokumentowany, poczynając od zaburzeń na poziomie molekularnym, poprzez oddziaływania komórkowe, a kończąc na zmianach narządowych. Szczególną rolę w powstawaniu patologii mają tutaj końcowe produkty nieenzymatycznej glikozylacji białek i ich oddziaływania z pewnymi grupami komórek. Wobec rodzących się potencjalnych możliwości wpływania na proces nieenzymatycznej glikozylacji poprzez stosowanie określonych substancji, wydaje się istotne jak najlepsze poznanie tego procesu i jego skutków w organizmie ze względu na możliwość profilaktyki powikłań cukrzycy i niewydolności nerek oraz opóźnienie niekorzystnych skutków starzenia.
Białka ustrojowe podlegają wielorakim zmianom potranslacyjnym. Część z tych modyfikacji zachodzi na drodze reakcji enzymatycznej, część zaś dokonuje się bez udziału enzymów. Do tych ostatnich zalicza się nieenzymatyczna glikozylację (glikację) białek. Dotyczy ona głównie białek o wysokiej zawartości wolnej grupy aminowej, zatem tych, w których strukturze znajduje się lizyna. Wczesna glikacja zachodzi poprzez wytworzenie wiązania pomiędzy grupą aldehydową cukrowca (glukozy, galaktozy, fruktozy) a aminową grupą białka. Jej wynikiem jest powstanie odwracalnej zasady Schiffa. Po kilku tygodniach związek ten podlega przegrupowaniu z wytworzeniem produktu Amadori. Reakcja ta jest również odwracalna, a stan równowagi osiąga po 28 dniach. Takim procesom poddane zostają białka o stosunkowo krótkim czasie półtrwania. Białka pozostające dłużej w organizmie podlegają dalszym przekształceniom (oksydacji, dehydratyzacji, fragmentacji i kondensacji z innymi grupami aminowymi) o wspólnej nazwie reakcji Maillarda. Jej ekektem jest powstanie końcowych produktów zaawansowanej glikacji (advanced glycation endproducts – AGEs). Są one produktami trwałymi, nieodwracalnymi. Ich charakterystyczną cechą jest brunatne zabarwienie, specyficzne właściwości spektrofotometryczne (fluorescencja o określonej długości fali) i zdolność do tworzenia wiązań krzyżowych pomiędzy białkami. Do AGEs zalicza się m.in. furoylo-furonylo-imidazol (FBI), karboksymetyllizynę (CML), pyralinę i pentozydynę (rys. 1).
W warunkach fizjologicznych nieenzymatyczna glikozylacja zachodzi w procesie starzenia organizmu. Potwierdzają to przeprowadzone przez nas badania. Oznaczyliśmy stężenie AGEs w surowicy pochodzącej od 115 osób w wieku od 23 do 105 lat (średnia = 69). Zastosowaliśmy do tego celu wcześniej opisaną metodę immunoenzymatyczną. Uzyskaliśmy istotną statystycznie zależność stężenia AGEs od wieku osoby badanej (r = 0,33; P < 0,01) (rys. 2). Udziału AGEs upatruje się m.in. w mechanizmie przebudowy struktury macierzy pozakomórkowej. Wraz z wiekiem zawartość AGEs w tkankach i płynach ustrojowych wzrasta. Prawdopodobną przyczyną tego stanu jest zmniejszone ich usuwanie. Może to być spowodowane pogarszającą się z wiekiem wydolnością mechanizmów przebudowy tkanek. W warunkach patologicznych, gdzie tkanki podlegają ekspozycji na zwiększone stężenie cukrów redukujących, proces nieenzymatycznej glikozylacji przebiega szybciej. Stany te to przede wszystkim cukrzyca, ale i dializa otrzewnowa, w czasie której białka otrzewnej podlegają glikacji pod wpływem dużych stężeń glukozy w płynie dializacyjnym. Z kolei w niewydolności nerek upośledzone wydalanie AGEs prowadzi do wzrostu ich zawartości w tkankach i płynach ustrojowych. Glikacja białek nie pozostaje bez wpływu na ich funkcję. Poniższa praca jest próbą określenia, w jaki sposób glikacja białek wpływa na ich strukturę i funkcję.
Zmiany czynnościowe glikozylowanych białek
Nieenzymatyczna glikozylacja albuminy osoczowej upośledza jej funkcje transportowe. Powinowactwo glikozylowanej albuminy do bilirubiny jest dwukrotnie mniejsze, a powinowactwo do długołańcuchowych kwasów tłuszczowych jest dwudziestokrotnie mniejsze w porównaniu z niemodyfikowaną albuminą. Glikacja białek błony erytrocyta wpływa na jej właściwości sprężyste. Może to mieć związek ze zmniejszoną podatnością erytrocyta na odkształcenia, co zaobserwowano w cukrzycy i potwierdzono w badaniach in vitro.
Enzymy, które uległy glikacji, mają zmniejszoną aktywność. Katepsyna B – enzym biorący udział w przekształceniu proinsuliny w insulinę ulega zahamowaniu pod wpływem glikacji. W wyniku glikacji antytrombiny III (AT-III) dochodzi do zahamowania jej wpływu na trombinę poprzez uniemożliwienie połączenia heparyny z grupą lizynową AT-III. Prowadzi to do stanu przewagi procesów krzepnięcia nad procesami fibrynolizy. Dysmutaza ponadtlenkowa, enzym będący elementem układu przeciwutleniaczy, pod wpływem dużych stężeń glukozy ulega glikacji, co prowadzi do jej inaktywacji i stwarza warunki do rozwoju stresu oksydacyjnego w komórce. Fakt ten obserwowany u osób chorych na cukrzycę potwierdzono w badaniach in vitro.
Glikacja upośledza wiązanie białek regulatorowych. Apolipoproteina B – składnik lipoprotein o małej gęstości (LDL) – podlega glikacji w miejscu, które odpowiada za jej połączenie z receptorem na powierzchni fibroblastu. Zaburza to proces internalizacji i degradacji LDL poprzez komórki. Efektem tego jest zwiększone stężenie LDL w osoczu.
Jednym z najwcześniej odkrytych zjawisk dotyczących wpływu produktów zaawansowanej glikacji na funkcje białek było zwiększone usieciowanie składników macierzy pozakomórkowej. Kolagen, jedno z białek najdłużej pozostających w organizmie, ulegając glikacji zwiększa liczbę wiązań krzyżowych w swej strukturze. Efektem tego jest zwiększona sztywność włókien kolagenowych, ich zmniejszona rozpuszczalność i obniżona podatność kolagenu na trawienie enzymatyczne. Mikroskopia skaningowa kolagenu o zwiększonej zawartości pentozydyny (jednego z AGEs) wykazała ponadto pogrubienie fibryli wchodzących w skład włókna kolagenowego. Glikozylowany kolagen oprócz tworzenia wiązań krzyżowych pomiędzy swymi podjednostkami może stanowić sieć wiążącą inne białka, w tej liczbie immunoglobuliny i lipoproteiny o małej gęstości (LDL). Zjawisko tworzenia się wiązań krzyżowych, w które zaangażowana jest grupa aminowa i aldehydowa, dotyczy zresztą nie tylko glikacji. Yin postuluje uznanie tworzenia się wiązań krzyżowych za zasadniczy problem procesu starzenia. Podobną do kolagenu zmniejszoną podatność na trawienie z udziałem plazminy wykazuje glikozylowana fibryna.
Oprócz białek glikacji ulegają również kwasy nukleinowe. Jako molekuły długo żyjące mogą one osiągnąć znaczny stopień modyfikacji pod wpływem grup cukrowcowych. Może to prowadzić do zmian w materiale genetycznym obserwowanych w procesach starzenia. Obejmują one rozpad nici DNA, obniżenie sprawności reparacyjnej, zaburzenia procesów replikacji i transkrypcji.
Powyżej przytoczone przykłady wpływu nieenzymatycznej glikozylacji na funkcje biomolekuł dotyczą po części działania produktów wczesnej glikacji (zasady Schiffa i produktów Amadori), po części zaś AGEs. Najistotniejszym jednak mechanizmem z punktu widzenia patologii związanej zarówno ze starzeniem, jak i z powikłaniami cukrzycy i niewydolności nerek jest fakt rozpoznawania produktów zaawansowanej glikacji białek przez receptory błonowe pewnych typów komórek. Zjawisko to dotyczy wyłącznie końcowych produktów zaawansowanej glikacji, które w przeciwieństwie do zasady Schiffa i produktów Amadori wykazują immunogeniczność i są rozpoznawane przez specyficzne dla nich białka błonowe.
Interakcja AGEs z ich receptorem błonowym oraz jej skutki biologiczne
Pierwszą grupą komórek, u której wykryto obecność receptora dla białek modyfikowanych przez AGEs, były makrofagi. Wkrótce określono masę cząsteczkową tego receptora i stwierdzono, że bierze on udział w procesie endocytozy AGEs i ich degradacji. Zauważono też, że połączenie AGEs Agens receptorem na błonie makrofaga pociąga za sobą wzrost syntezy i sekrecji przez tę komórkę cytokin: interleukiny-I i czynnika martwicy nowotworów-α (kachektyny/TNF – tumor necrosis factor). Cytokiny te, działając na komórki mezenchymalne, pobudzają je do wydzielania kolagenazy i innych proteaz. Stwierdzono ponadto, że TNF-α, działając autokrynnie na makrofaga, zwiększa ekspresję receptora dla AGEs. Efektem tego jest zwiększenie wiązania, endocytozy i degradacji AGEs, czego przykładem może być przyspieszenie pod wpływem TNF-α eliminacji erytrocytów modyfikowanych przez glikację. Innym zjawiskiem, związanym z wpływem TNF-α na fibroblasty, jest pobudzanie ich do wzrostu i podziałów. W związku z powyższymi spostrzeżeniami wysnuto hipotezę o roli AGEs w procesie przebudowy macierzy pozakomórkowej. Zgodnie z nią AGEs miałyby być markerami białek o znacznym wieku. Takie białka byłyby usuwane za pośrednictwem makrofagów tkankowych i enzymów proteolitycznych wydzielanych przez inne komórki mezenchymalne. Jednocześnie fibroblasty produkowałyby nowe składniki macierzy pozakomórkowej, które miałyby zastąpić te właśnie usunięte. Cały ten proces miałby być synchronizowany za pośrednictwem cytokin, wśród których kluczową rolę miałby odgrywać TNF-α.
Równowaga pomiędzy procesem degradacji składników macierzy pozakomórkowej a syntezą nowych białek, według powyższej hipotezy, zapewnia prawidłowe funkcjonowanie mechanizmu przebudowy tejże macierzy. W momencie zachwiania tej równowagi, czy to poprzez zwiększone powstawanie AGEs, co ma miejsce w cukrzycy, czy przez niedostateczne ich usuwanie, czego należy się spodziewać w związku ze starzeniem się organizmu, istnieją warunki do rozwoju zmian patologicznych na poziomie tkanek. Należy tu dodać, że pewnie badania wskazują na powiązania pomiędzy glikacją a stresem oksydacyjnym i produkcją wolnych rodników. Wynika z nich między innymi to, że glikacja nasila stopień uszkodzeń zachodzących pod wpływem wolnych rodników na drodze zahamowania aktywności dysmutazy ponad tlenkowej przez przyłączanie glukozy. Ponadto znane są dane mówiące o tym, że glukoza ulega autooksydacji. Prawdopodobnie to zjawisko jest jednym z etapów reakcji Mailarda i ma znaczenie w procesie tworzenia AGEs. Wydaje się, że próba połączenia zjawiska glikacji i oksydacji w jeden mechanizm może być kluczem do zrozumienia patofizjologii starzenia.
Receptor dla AGEs (RAGE) zaliczany do rodziny receptorów immunoglobulinowych odnaleziono, oprócz błony komórkowej makrofaga, na powierzchni komórki śródbłonka, komórki błony mięśniowej gładkiej naczyń, komórki mezangium nerkowego i neuronu. Połączenie AGEs z ich receptorem na komórce śródbłonka pociąga za sobą wzrost ekspansji białka adhezji – VCAM-I. Cząsteczka ta ułatwia interakcję komórki śródbłonka z monocytem. Podobnie poprzez śródbłonkowy receptor RAGE zwiększa się adhezja glikozylowanych erytrocytów do ściany naczynia. Jednocześnie stwierdzono, że w wyniku interakcji AGEs z komórką śródbłonka zwiększa się przepuszczalność całej warstwy śródbłonka, co dowiedziono, obserwując wzrost pasażu znakowanej trytem insuliny przez warstwę komórek endotelium. Ponadto związane AGEs przez receptor na powierzchni komórki śródbłonka wywołuje spadek ekspresji trombomoduliny, czynnika odgrywającego rolę w procesach antykoagulacyjnych oraz wzrost syntezy i ekspresji na powierzchni komórki czynnika tkankowego, cząsteczki o aktywności prokoagulacyjnej. AGEs po połączeniu z receptorem na powierzchni endotelium podlegają internalizacji, a następnie przechodzą do przedziału lizosomalnego, albo na drodze transcytozy zostają przeniesione do leżącej pod śródbłonkiem macierzy pozakomórkowej. Tam AGEs mogą reagować ze składnikami tej macierzy, tworząc opisane wcześniej wiązania krzyżowe pomiędzy podjednostkami kolagenu oraz między kolagenem a innymi białkami (immunoglobuliny, LDL). Stają się one jednocześnie czynnikiem chemotaksji dla monocytów/makrofagów. Stwierdzono, że makrofagi pod wpływem macierzy modyfikowanej przez AGEs, oprócz opisanych wcześniej cytokin, wydzielają płytkowy czynnik wzrostu (platelet derived growth factor – PDGF). Jak wcześniej zaznaczyliśmy, zjawisko to może być elementem prawidłowej koordynacji przebudowy macierzy pozakomórkowej, może jednak prowadzić do różnorakich zmian obserwowanych w starzejących się organizmach.
Kliniczne znaczenie zjawiska nieenzymatycznej glikozylacji białek
Miażdżyca
W badaniach przeprowadzonych na szczurach stwierdzono, że ilość AGEs w obrębie aorty wzrasta wraz z wiekiem. Li i wsp. W innych badaniach potwierdzili te wyniki, odkryli też zależny od wieku wzrost ilości AGEs w sercu szczurów i stwierdzili, że mogą być one związane z przerostem mięśnia sercowego u starzejących się osobników. W badaniu przeprowadzonym przez Kume i wsp. Preparaty sekcyjne ludzkiej aorty, pobrane ze zwłok, w których stwierdzono zmiany miażdzycowe, poddano immunohistochemicznej detekcji na obecność AGEs. Ich obecność została stwierdzona w makrofagach, komórkach mięśni gładkich i komórkach piankowych pochodzenia makrofagowego. Mikroskopia elektronowa tych preparatów wykazała, że AGEs lokalizują się w obrębie komórek lizosomalnych wakuolach tłuszczowych oraz w elektronowogęstnych ziarnistościach cytozolu komórek piankowych. Wykazano jednocześnie obecność receptora dla AGEs w makrofagach i komórkach piankowatych. Z kolei zauważono u osób z chorobą naczyń obwodowych zwiększoną ekspresję RAGE na powierzchni komórek śródbłonka. Zespół Vlassary i Ceramiego odkrył, że AGEs blokują antyproliferacyjną aktywność tlenku azotu pochodzenia śródbłonkowego wobec komórek mięśnia gładkiego aorty. Badania przeprowadzone przez Brownlee i wsp. Wykazały, że czynnik wzrostu fibroblastów (fibroblast growth factor – FGF) pod wpływem AGEs traci swoją zdolność do pobudzania podziałów komórek śródbłonka. Makita i wsp. Spostrzegli, że osoczowe stężenie LDL modyfikowanych przez AGEs (AGE-LDL) pozostaje w dodatniej korelacji ze stężeniem cholesterolu w osoczu. Sugerują oni, że AGE-LDL może stanowić aterogenną postać lipoprotein.
Wiążąc powyższe spostrzeżenia z przytoczonymi wcześniej danymi dotyczącymi procesów komórkowych, w których biorą udział AGEs, można przyjąć następujący scenariusz rozwoju wczesnych zmian miażdżycowych. AGEs krążące we krwi w powiązaniu czy to z albuminą, czy LDL lub innymi białkami, zostają rozpoznane przez komórki śródbłonka. Na drodze transcytozy przechodzą one do położonej pod śródbłonkiem macierzy pozakomórkowej, gdzie prowadzą do powstawania wiązań krzyżowych pomiędzy jej składnikami (kolagen, fibronektyna, białka błony podstawowej). Tak związane AGEs tworzą sieć, która może wyłapywać następne cząsteczki białek osoczowych, w tym LDL. Jednocześnie zwiększa się przepuszczalność ściany naczynia, a na jej powierzchni dochodzi do ekspresji białek adhezji (VCAM-I) oraz prokoagulacyjnych zmian polegających na spadku produkowanej trombomoduliny i wzroście ekspresji genów czynnika tkankowego. AGEs w stanie rozpuszczonym zlokalizowane pod śródbłonkiem stanowią czynnik chemotaktyczny dla makrofagów tkankowych. Te po połączeniu z AGEs zaczynają produkować i wydzielać cytokiny (IL-I, TNF-a, PDGF, FGF) z jednej strony prowadzące do zwiększonej resorpcji składników macierzy i białek osoczowych, które dostały się pod śródbłonek w wyniku jego zwiększonej przepuszczalności i upośledzonej regeneracji z drugiej do rozplemu fibroblastów i komórek mięśni gładkich naczynia. Istotne dla patofizjologii miażdżycy jest spostrzeżenie, że naczynia wraz ze wzrastającą ilością AGEs wykazują malejącą odpowiedź wazodylatacyjną na acetylocholinę i nitroglicerynę. Nie sposób tu też pominąć mechanicznego efektu tworzenia wiązań krzyżowych przez kolagen ściany naczynia pod wpływem AGEs, co prowadzi do zwiększonej sztywności tego naczynia.
Nerki
Badania histologiczne nerek szczurzych przeprowadzone przez Verbeke i wsp. wykazały związany z wiekiem wzrost fluorescencji kolagenu IV, składnika błony podstawowej kłębka, przy czym spektrum tej fluorescencji było charakterystyczne dla AGEs. Jednocześnie przeprowadzono immunohistochemiczną detekcję AGEs w tkance nerkowej. Wykryto obecność złogów AGEs w obrębie torebki Bowmana, w macierzy mezangium, w błonie podstawowej kłębków i kanalików. Stwierdzono, że nasilenie tych zmian idzie w parze z upośledzeniem wydolności nerek. Wyniki te potwierdzone zostały przez inne badanie, które wykonał Bendayan. Długotrwałe podawanie szczurom glikozylowanej albuminy szczurzej w eksperymencie przeprowadzonym przez Vlassarę i wsp. doprowadziło do wytworzenia PAS-dodatnich złogów w mezangium oraz w obrębie torebki Bowmana i błony podstawnej kanalików. Zmianom tym towarzyszył przerost i stwardnienie kłębków. Mikroskopia elektronowa wykazała przy tym poszerzenie błony podstawowej kłębków i zwiększenie objętości macierzy mezangialnej. Podawanie glikozylowanej albuminy wpłynęło również na funkcję nerek: zmniejszyło klirens AGEs oraz doprowadziło do wystąpienia albuminurii. Powyższe spostrzeżenia skłoniły badaczy do określenia dróg katabolizmu AGEs. Stosując metody immunohistochemiczne i znakowaną izotopowo pentozydynę stwierdzono, że podana do krążenia systemowego jest eliminowana z osocza poprzez nerki. Zauważono, że pentozydyna podlega akumulacji w kanaliku bliższym w ciągu godziny po jej podaniu. Tam prawdopodobnie podlega degradacji lub modyfikacji, a jej produkty zostają wydzielone do moczu w ciągu doby. Potwierdzenie roli nerki w przemianach katabolicznych AGEs zbieżne jest z obserwowanym od dawna zwiększeniem stężenia AGEs w płynach ustrojowych i tkankach mających miejsce w niewydolności nerek.
Vlassara i wsp. odkryli obecność białek receptorowych dla AGEs na powierzchni komórek mezangium. Stwierdzili oni, że połączenie AGEs z ich receptorem zmieniają funkcję komórek mezangialnych: produkują one mniej fibronektyny – jednego ze składników macierzy pozakomórkowej. Zmniejsza się przy tym proliferacja tych komórek. Throckmorton i wsp. w eksperymencie przeprowadzonym na hodowli komórek mezangium in vitro odkryli, że AGEs po połączeniu z receptorem pobudzają te komórki do produkcji płytkowego czynnika wzrostu (PDGF), co wcześniej stwierdzono w odniesieniu do makrofagów. Z kolei PDGF, działając autokrynnie na komórkę mezangium, pobudza syntezę i sekrecję wzrostowego czynnika transformującego-β (transforming growth factor-β – TGF-β), czego efektem jest wzrost produkcji kolagenu typu III przez tę komórkę. Eksperyment ten mogą tłumaczyć wyżej przytoczone dane, sugerujące że AGEs są czynnikami patogennymi w uwarunkowanej wiekiem patologii kłębków nerkowych. Prawdopodobnie mamy tu też do czynienia z mechanizmem „błędnego koła”. U osób w starszym wieku i u chorych na cukrzycę występuje zwiększone stężenie AGEs we krwi związane z nieenzymatyczną glikozylacją białek osoczowych. Filtrowane w nerkach glikozylowane białka mogą prowadzić do powstawania ich złogów w strukturach kłębka nerkowego. Komórki mezangium za pomocą receptora rozpoznają AGEs i poprzez autokrynną stymulację z udziałem cytokin zwiększają produkcję kolagenu. Prowadzi to do stwardnienia kłębków i w konsekwencji do upośledzenia funkcji nerek. Stąd eliminacja AGEs z osocza pogarsza się i ich stężenie wzrasta, co nasila zmiany patologiczne w nerkach. W skrajnej postaci niewydolności nerek u osób dializowanych z zastosowaniem dializy otrzewnowej należy również mieć na uwadze zwiększone powstawanie AGEs wywołane dużym stężeniem glukozy w płynach dializacyjnych.
Zaćma
Jak wcześniej wspomniano, z wiekiem wzrasta glikacja krystaliny, głównego składnika białkowego soczewki. W wyniku tego procesu dochodzi do wytworzenia nierozpuszczalnych aglomeratów białkowych o dużej masie cząsteczkowej. Aglomeraty te mogą powodować mętnienie i brunatnienie soczewki. Soczewki usunięte z powodu zaćmy starczej wykazywały większą zawartość glikozylowanych białek w porównaniu z prawidłowymi soczewkami. Jednocześnie krystalina uzyskana zarówno z soczewek zmętniałych, jak i prawidłowych, ale pobranych od starszych osobników wykazywała szybciej postępujące zmniejszenie rozpuszczalności w 0,2 M buforze fosforanowym pod wpływem glukozy w porównaniu z krystaliną soczewek pobranych od młodych dawców.
Układ nerwowy
Nieenzymatycznej glikozylacji podlegają również struktury ośrodkowego układu nerwowego. W komórkach piramidowych hipokampa wykazano narastające z wiekiem nagromadzenie CML. Spostrzeżenie to nasunęło podejrzenie, AGEs mogą mieć swój udział w procesie starzenia się neuronów i w patogenezie choroby Alzheimera. Wkrótce stwierdzono, że glikacja jest procesem, który potencjalnie wyjaśnia powstawanie zmian histopatologicznych stwierdzanych zarówno w starzejącym się mózgu, jak i w zwiększonej liczbie w chorobie Alzheimera – włókna neurofibrylarne (neurofibrillary tangles) i blaszki starcze (neuritic plaques). W dalszych badaniach zauważono, że AGEs wywołują w komórce nerwowej stres oksydacyjny. Stwierdzono też, że AGEs zaburzają komórkowy metabolizm glukozy, pogarszając pobór glukozy przez neuron. Spostrzeżenie to doprowadziło do konkluzji, że choroba Alzheimera może byś skutkiem współoddziaływania komórkowego deficytu glukozy, stresu oksydacyjnego i glikacji. W innym degeneracyjnym schorzeniu ośrodkowego układu nerwowego – chorobie Picka – wykryto udział AGEs jako prawdopodobnego czynnika patogennego. W typowych dla tej choroby zmianach histopatologicznych – w ciałkach Picka i w komórkach balonowatych – stwierdzono obecność CML i pentozydyny. Rozwój tych zmian wiąże się tu również z uruchomieniem stresu oksydacyjnego przez produkty glikacji. Być może te spostrzeżenia tłumaczą obserwowany wpływ cukrzycy na otępienie u osób w starszym wieku.
Nieenzymatyczna glikozylacja dotyczy również struktur obwodowego układu nerwowego. Białko, które jest substratem dla tego procesu, to mielina, składnik osłonki w nerwach obwodowych. U osób chorych na cukrzycę stwierdzono wyższy niż u zdrowych osobników stopień glikacji mieliny. Białko to w formie zmodyfikowanej przez AGEs stanowi czynnik chemotaktyczny dla monocytów. Komórki te infiltrują do nerwu, gdzie rozpoczynają wchłanianie osłonki mielinowej. Proces ten również zachodzi za pośrednictwem receptora dla AGEs. Mimo że dane te dotyczą neuropatii cukrzycowej, można przyjąć je jako hipotezę tłumaczącą upośledzenie funkcji nerwów obwodowych u osób w starszym wieku.
Płuca
Odkrycie nieenzymatycznej glikozylacji jako mechanizmu prowadzącego do zwiększonego usieciowania kolagenu, zwróciło uwagę badaczy na pojawiającą się możliwość wyjaśnienia zmieniających się z wiekiem właściwości mechanicznych płuc. Stwierdzono, że u szczurów wraz z wiekiem zwiększa się zależna od AGEs i pentozydyny fluorescencja kolagenu tkanki płucnej. To spostrzeżenie prowadzi do konkluzji, że należy rozpatrywać glikację jako prawdopodobną przyczynę zmniejszenia podatności płuc u osób starszych.
Narząd ruchu
Zjawisko tworzenia wiązań krzyżowych dotyczy również układu ruchu, gdzie najobficiej występuje kolagen. Stwierdzono między innymi, że z wiekiem wzrasta ilość pentozydyny związanej z białkami chrząstki stawowej. Zaobserwowano przy tym, proporcjonalny do wzrostu ilości pentozydyny, spadek zawartości proteoglikanów w macierzy pozakomórkowej chrząstki. Wskazuje to na możliwość uczestnictwa AGEs w rozwoju choroby zwyrodnieniowej stawów.
Zawartość AGEs w macierzy kostnej również wzrasta wraz z wiekiem. Stwierdzono, że AGEs mogą zaburzać wzrost i różnicowanie tkanki kostnej. Dzieje się to prawdopodobnie poprzez zmianę miejsca na powierzchni osteoblastów wiążącego białko-2, która to cząsteczka indukuje zwiększenie masy kostnej. Inni badacze postulują, aby tłumaczyć to podobnie jak patogenezę miażdżycy czy neuropatii cukrzycowej. Według nich AGEs stymulują makrofagi do produkcji i wydzielania IL-I, IL-6 i TNF-a. Cytokiny te działają na osteoklasty, pobudzając je do resorpcji tkanki kostnej. Mechnizm ten może mieć znaczenie w procesie fizjologicznej przebudowy starej tkanki kostnej, może jednak również potencjalnie tłumaczyć powstawanie zmian osteoporotycznych pod wpływem AGEs.
Perspektywy leczenia chorób o prawdopodobnym udziale AGEs w ich patogenezie
Wobec spostrzeżeń sugerujących udział nieenzymatycznej glikozylacji zarówno w rozwoju późnych powikłań cukrzycy, jak i w patogenezie chorób związanych z wiekiem, od dawna próbowano znaleźć i zastosować substancję, która zapobiega tworzeniu się AGEs. Brownlee, Vlassara i wsp. odkryli, że taką substancją jest aminoguanidyna. Wiele badań in vitro oraz in vivo wykazuje zmniejszenie powstawania AGEs pod wpływem aminoguanidyny. Niedawno odkryto też nowy inhibitor zaawansowanej glikacji, który oznaczono symbolem OPB-9195. Istnieją jednak nikłe szanse na wprowadzenie aminoguanidyny do prób klinicznych. Ciekawym spostrzeżeniem wydaje się natomiast stwierdzenie spadku zależnej od AGEs fluorescencji kolagenu myocardium u szczurów chorych na cukrzycę, którym podawano inhibitory konwertazy angiotensyny.
Próbowano również określić, czy dieta ma wpływ na powstawanie AGEs. W badaniu przeprowadzonym przez Masoro i wsp. ograniczenie podaży pokarmu szczurom doprowadziło u nich do zmniejszenia stężenia glukozy we krwi, zmniejszył się również stopień glikacji hemoglobiny w porównaniu ze szczurami karminymi ad libitum. Reiser w badaniu na myszach, którym ograniczono podaż pokarmu, wykazała, że fluorescencja kolagenu zależna od zawartości AGEs była mniej intensywna niż u myszy karmionych ad libitum. Inne badania jednak zaprzeczyły tym wynikom. Wykazały one, że dieta u szczurów nie ma wpływu na glikację kolagenu skóry i aorty.
Uwagi końcowe
W powyższej pracy podjęliśmy próbę przedstawienia roli, jaką pełnią AGEs w różnych procesach patologicznych, począwszy od poziomu molekularnego, a kończąc na zmianach narządowych. Próbowaliśmy jednocześnie wyjaśnić procesy, poprzez które hiperglikemia, nierozpoznana cukrzyca oraz nieleczona niewydolność nerek prowadzą do przyspieszenia fizjologicznego starzenia się organizmu. Lepsze poznanie tych zjawisk może otworzyć drogę do poznania mechanizmów starzenia się. Jawią się też możliwości praktycznych zastosowań naszej wiedzy na ten temat. Być może oznaczenie stężenia AGEs w płynach ustrojowych i tkankach pozwoli na przewidzenie dynamiki postępowania powikłań cukrzycy i określenie tempa starzenia się organizmu. Istnieje też nadzieja, że uda się wyprodukować lek, który będzie przeciwdziałał tym procesom. Miałoby ty przełomowe znaczenie dla terapii tych chorób. Należy się bowiem spodziewać wydłużania listy chorób z prawdopodobnym udziałem AGEs w ich rozwoju, a wobec tych, które się na tej liście znajdują, udział ten będzie coraz lepiej udokumentowany.
| Tabela I. Choroby i zaburzenia z prawdopodobnym udziałem AGEs w ich patogenezie |
|---|
| miażdżyca |
| arteriosclerosis obliterans |
| nefropatia cukrzycowa |
| stwardnienie kłębków związane z wiekiem |
| zaćma |
| zwyrodnienie plamki uwarunkowane wiekiem |
| choroba Alzheimera |
| choroba Picka |
| neuropatia cukrzycowa |
| zmniejszenie podatności płuc związane z wiekiem |
| choroba zwyrodnieniowa stawów |
| osteoporoza |
Zakład Patofizjologii Akademii Medycznej w Poznaniu
ul. Święcickiego 6
60-781 Poznań
tel. (61) 865 95 02
fax. (61) 865 88 79
autor: Arkadiusz Styszyński, Katarzyna Korybalska, Katarzyna Wieczorowska-Tobis
źródło: Gerontologia Polska 2001, Nr 9 (I)