Antyoksydacyjne właściwości wodoru łagodzą stres oksydacyjny w komórkach nabłonka dróg oddechowych

Dodano: 11.09.2024 r.

Artykuł omawia badanie przeprowadzone w Korei Południowej pod kierownictwem dr In-Soo You na Yonsei University. Badanie to dotyczy antyoksydacyjnych właściwości wodoru i jego wpływu na redukcję stresu oksydacyjnego w komórkach nabłonka dróg oddechowych. Wyniki badań wskazują, że wodór, działając jako silny antyoksydant,
może chronić komórki nabłonkowe płuc i oskrzeli przed uszkodzeniami wywołanymi przez reaktywne formy tlenu i azotu, co może mieć istotne znaczenie w terapii chorób dróg oddechowych.

Stres oksydacyjny i wodór jako antyoksydant

Choroba Alzheimera (AD) i inne formy demencji stanowią coraz większe wyzwanie zdrowotne na świecie, zwłaszcza w kontekście starzejących się populacji. Molekularny wodór (H2) zyskuje na znaczeniu jako potencjalny środek terapeutyczny dzięki swoim właściwościom przeciwutleniającym, które mogą łagodzić stres oksydacyjny. W artykule przedstawiamy wyniki badania oceniającego efekty inhalacji H2 na funkcje poznawcze oraz biomarkery związane z AD u dorosłych w różnym wieku, sugerując jego potencjalne korzyści terapeutyczne.

Choroba Alzheimera i demencja jako narastający problem społeczny

Stres oksydacyjny jest stanem patologicznym, wynikającym z zaburzenia równowagi między produkcją reaktywnych form tlenu (ROS) a zdolnością organizmu do ich neutralizacji za pomocą systemów antyoksydacyjnych. ROS są grupą wysoko reaktywnych molekuł zawierających tlen, które mogą uszkadzać struktury komórkowe, takie jak lipidy, białka i DNA. W normalnych warunkach organizm dysponuje złożonymi mechanizmami obronnymi, które utrzymują homeostazę redoks i zapobiegają uszkodzeniom oksydacyjnym. W przypadku przewagi ROS nad mechanizmami antyoksydacyjnymi dochodzi do stresu oksydacyjnego, prowadzącego do poważnych uszkodzeń komórkowych i tkankowych.

Rola stresu oksydacyjnego w chorobach dróg oddechowych

Stres oksydacyjny odgrywa kluczową rolę w patogenezie wielu chorób dróg oddechowych. Pulmonalne komórki nabłonkowe są szczególnie narażone na działanie ROS, które są generowane przez różnorodne czynniki zewnętrzne, takie jak zanieczyszczenia powietrza, dym tytoniowy oraz wewnętrzne, jak procesy zapalne. W stanach patologicznych, takich jak astma, przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP) oraz włóknienie płuc nadprodukcja ROS prowadzi do zaburzeń funkcji płuc, przebudowy dróg oddechowych, nadprodukcji śluzu oraz upośledzenia wymiany gazowej. Mechanizmy te są związane z aktywacją szlaków sygnalizacyjnych, w tym kinaz białkowych aktywowanych mitogenami (MAPK), które mogą indukować śmierć komórek poprzez stres oksydacyjny.

Znaczenie wodoru jako potencjalnego antyoksydantu

Wodor (H₂) jest cząsteczką, która w ostatnich latach zyskała zainteresowanie jako potencjalny środek antyoksydacyjny. Wodór jest cząsteczką małą, która może łatwo przenikać przez błony komórkowe i dotrzeć do organelli, takich jak mitochondria i jądra komórkowe, gdzie może neutralizować ROS. Wodór jest w stanie skutecznie neutralizować najbardziej reaktywne formy ROS, takie jak rodnik hydroksylowy (•OH) oraz nadtlenoazotyn (ONOO-), przekształcając je w wodę. Ze względu na swoje właściwości wodór może grać istotną rolę w utrzymaniu równowagi redoks komórki, przy jednoczesnym minimalnym poziomie toksyczności. Badania wykazały, że wodór może zmniejszać uszkodzenia oksydacyjne w różnych tkankach, w tym mózgu, wątrobie i sercu, co wskazuje na jego potencjalne zastosowanie terapeutyczne.

Przegląd wcześniejszych badań dotyczących zastosowania wodoru w terapii

Badania nad wodorem jako środkiem terapeutycznym wskazują na jego szerokie zastosowanie w medycynie. Kilka badań wykazało, że wodór może łagodzić uszkodzenia oksydacyjne w różnych modelach chorób. Na przykład ekspozycja na wodór chroniła komórki mózgowe przed uszkodzeniami spowodowanymi przez niedotlenienie-reperfuzję oraz zmniejszała uszkodzenia w modelach chorób neurodegeneracyjnych. W kontekście chorób układu oddechowego badania wykazały, że wodór może zmniejszać zapalenie i stres oksydacyjny w modelach astmy i POChP. Co więcej, badania wykazały, że wodór może chronić komórki nabłonkowe przed apoptozą wywołaną przez promieniowanie oraz inne czynniki stresowe.

Wodór wykazuje silne właściwości antyoksydacyjne, co czyni go obiecującym kandydatem do terapii chorób wywołanych stresem oksydacyjnym. Jego zdolność do przenikania przez błony komórkowe i neutralizacji najbardziej reaktywnych form ROS sprawia, że jest skutecznym środkiem w ochronie komórek przed uszkodzeniami oksydacyjnymi.

Metodologia badania

W badaniu, które opisujemy w tym artykule, wykorzystano dwie linie komórkowe: A549 i NCI-H292, które są standardowo stosowane w badaniach nad komórkami nabłonkowymi dróg oddechowych. Komórki A549 to ludzka linia komórek raka płuca, które odgrywają kluczową rolę w transporcie substancji, takich jak woda i elektrolity, przez pęcherzyki płucne. Dodatkowo komórki te przyczyniają się do redukcji napięcia powierzchniowego, co zapobiega zapadaniu się pęcherzyków podczas oddychania. Z kolei komórki NCI-H292 pochodzą z ludzkiego raka oskrzeli i są odpowiedzialne za produkcję śluzu oraz białek w oskrzelach, tworząc barierę immunologiczną chroniącą przed infekcjami.

Komórki A549 i NCI-H292 zostały podzielone na cztery grupy eksperymentalne: grupę kontrolną (NC), grupę indukowaną H₂O₂ lub LPS (Ind), oraz grupy indukowane i traktowane gazem wodoru przez 30 minut (Ind + H₂-30) oraz 60 minut (Ind + H₂-60). Podział ten umożliwia ocenę efektów traktowania gazem wodoru na komórki w różnych warunkach stresu oksydacyjnego.

Komórki były hodowane w standardowych warunkach inkubacji: 37°C, 5% CO₂ i 100% wilgotności, w pożywce Roswell Park Memorial Institute (RPMI)-1640 z dodatkiem 10% płodowej surowicy bydlęcej (FBS) oraz 1% antybiotyków. Następnie odpowiednie grupy były traktowane gazem wodoru (2%) przez 30 lub 60 minut, po czym kontynuowano inkubację przez kolejne 24 godziny.

Jak H2 działa na stres oksydacyjny w komórkach nabłonka?

Stres oksydacyjny indukowany przez nadtlenek wodoru (H₂O₂) i lipopolisacharyd (LPS) znacząco obniżył żywotność komórek nabłonka płuc A549 oraz komórek nabłonka oskrzeli NCI-H292. W badaniu wykazano, że 24-godzinna ekspozycja na H₂O₂ (50 µM) oraz LPS (50 µg/mL) prowadzi do znacznego spadku liczby żywych komórek w obu liniach komórkowych, co jest wynikiem zwiększonej produkcji reaktywnych form tlenu (ROS) oraz reaktywnych form azotu (RNS), które indukują stres oksydacyjny i zapalenie.

Traktowanie komórek wodorem (H₂) znacząco poprawiło ich żywotność po ekspozycji na H₂O₂ i LPS. Po indukcji stresu oksydacyjnego komórki były traktowane 2-procentowym gazem wodoru przez 30 minut lub 60 minut, co przyczyniło się do znacznego wzrostu liczby żywych komórek w porównaniu do grupy nieleczonej. Wyniki wykazały, że wodór skutecznie zmniejsza uszkodzenia komórek spowodowane stresem oksydacyjnym, co może sugerować jego potencjalne zastosowanie terapeutyczne w leczeniu chorób dróg oddechowych.

Po indukcji stresem oksydacyjnym za pomocą H₂O₂ i LPS poziomy ROS i NO w komórkach A549 i NCI-H292 znacznie wzrosły. ROS i NO są kluczowymi markerami stresu oksydacyjnego, które prowadzą do uszkodzeń komórkowych, zaburzeń funkcji komórek oraz śmierci komórek poprzez mechanizmy apoptotyczne. Wzrost tych reaktywnych molekuł został potwierdzony w obydwu liniach komórkowych, co wskazuje na skuteczną indukcję stresu oksydacyjnego przez H₂O₂ i LPS.

Traktowanie komórek 2-procentowym gazem wodoru znacząco zmniejszyło poziomy ROS i NO w komórkach A549 oraz NCI-H292. Redukcja poziomów tych molekuł zależała od czasu ekspozycji, przy czym dłuższa ekspozycja (60 minut) była bardziej skuteczna niż krótsza (30 minut). Wyniki sugerują, że wodór działa jako silny antyoksydant, który neutralizuje ROS i NO, przywracając równowagę redoks w komórkach.

Traktowanie komórek wodorem zwiększyło aktywność enzymów antyoksydacyjnych, takich jak katalaza (CAT) i peroksydaza glutationowa (GPx), które są kluczowe w neutralizowaniu ROS. Indukcja stresem oksydacyjnym przez H₂O₂ i LPS obniżyła aktywność tych enzymów, jednak traktowanie wodorem przywróciło ich aktywność do poziomu zbliżonego do grupy kontrolnej. Wyniki te wskazują, że wodór może wzmacniać wewnętrzne mechanizmy obronne komórek poprzez zwiększenie aktywności enzymów antyoksydacyjnych.

Stres oksydacyjny wywołany przez H₂O₂ i LPS zwiększył wewnątrzkomórkowe stężenie wapnia (Ca²⁺) w komórkach A549 i NCI-H292, co prowadzi do zaburzeń funkcji komórek i indukcji apoptozy. Traktowanie wodorem znacząco zmniejszyło stężenie Ca²⁺ w komórkach, przywracając homeostazę wapniową. Wyniki sugerują, że wodór może chronić komórki przed stresem oksydacyjnym poprzez regulację poziomów wewnątrzkomórkowego wapnia.

Szlak sygnalizacyjny MAPK, obejmujący białka JNK, ERK i p38, jest kluczowy w odpowiedzi komórek na stres oksydacyjny. Indukcja stresem oksydacyjnym przez H₂O₂ i LPS zwiększyła aktywność tych białek w komórkach A549 i NCI-H292. Traktowanie wodorem zmniejszyło aktywność białek MAPK, sugerując, że wodór może modulować szlaki sygnalizacyjne związane ze stresem oksydacyjnym, co może przyczyniać się do jego ochronnych efektów w komórkach nabłonkowych dróg oddechowych.

Wnioski z badania

Wyniki badań wskazują, że traktowanie komórek A549 i NCI-H292 wodorem znacząco poprawia ich żywotność po indukcji stresu oksydacyjnego wywołanego przez H₂O₂ i LPS. To odkrycie jest szczególnie istotne w kontekście terapii chorób układu oddechowego, gdzie uszkodzenia komórek nabłonkowych prowadzą do pogorszenia funkcji płuc. Wodór, działając jako skuteczny antyoksydant, może chronić komórki przed śmiercią komórkową i utrzymywać ich integralność strukturalną oraz funkcjonalną.

Mechanizm, przez który wodór redukuje poziomy reaktywnych form tlenu (ROS) i tlenku azotu (NO), jest związany z jego zdolnością do neutralizacji tych reaktywnych molekuł. Wodór działa jako selektywny antyoksydant, który skutecznie redukuje najbardziej reaktywne i szkodliwe formy ROS, takie jak rodnik hydroksylowy (•OH) i nadtlenoazotyn (ONOO-). Redukcja poziomów ROS i NO jest kluczowa dla ochrony komórek przed stresem oksydacyjnym i zapaleniem, co potwierdzają wyniki tego badania.

Enzymy antyoksydacyjne, takie jak katalaza (CAT) i peroksydaza glutationowa (GPx), odgrywają kluczową rolę w detoksykacji ROS i ochronie komórek przed uszkodzeniami oksydacyjnymi. Wodór zwiększa aktywność tych enzymów w komórkach A549 i NCI-H292 po indukcji stresem oksydacyjnym.

Homeostaza wapnia (Ca²⁺) odgrywa istotną rolę w regulacji funkcji komórek i odpowiedzi na stres oksydacyjny. Wyniki tego badania pokazują, że wodór skutecznie przywraca homeostazę Ca²⁺ w komórkach A549 i NCI-H292 po stresie oksydacyjnym wywołanym przez H₂O₂ i LPS. Utrzymanie prawidłowego poziomu Ca²⁺ jest kluczowe dla zapobiegania apoptozie i zachowania funkcji komórek.

Wyniki tego badania są zgodne z wcześniejszymi doniesieniami na temat ochronnych właściwości wodoru. Podobnie jak w innych badaniach wykazano, że wodór działa jako silny antyoksydant, redukując poziomy ROS i NO oraz zwiększając aktywność enzymów antyoksydacyjnych. Jednak to badanie dostarcza nowych danych na temat mechanizmów molekularnych, poprzez które wodór działa, w tym jego wpływu na szlak sygnalizacyjny MAPK w komórkach nabłonkowych dróg oddechowych.

Wyniki tego badania pokazują, że wodór ma potencjalne zastosowania w terapii chorób dróg oddechowych związanych ze stresem oksydacyjnym, takich jak astma, POChP oraz włóknienie płuc. Jego zdolność do ochrony komórek przed stresem oksydacyjnym i regulacji szlaków sygnalizacyjnych może przyczynić się do poprawy funkcji płuc i jakości życia pacjentów.

Badanie wykazało, że wodór skutecznie redukuje stres oksydacyjny w komórkach nabłonkowych dróg oddechowych poprzez redukcję poziomów ROS i NO oraz zwiększenie aktywności enzymów antyoksydacyjnych. Jego działanie ochronne obejmuje także przywrócenie homeostazy wapnia oraz inhibicję szlaku sygnalizacyjnego MAPK.

Wodór poprawia żywotność komórek nabłonkowych dróg oddechowych po indukcji stresem oksydacyjnym, co sugeruje jego potencjalne zastosowanie w terapii chorób płuc. Jego zdolność do modulacji mechanizmów komórkowych i ochrony przed stresem oksydacyjnym czyni go obiecującym środkiem terapeutycznym.

Dalsze badania powinny skoncentrować się na bardziej szczegółowym zrozumieniu mechanizmów molekularnych, poprzez które wodór wywiera swoje efekty ochronne. Badania in vivo oraz badania kliniczne są niezbędne do potwierdzenia jego skuteczności i bezpieczeństwa w terapii chorób dróg oddechowych.

Tłumaczenie własne Symec Consulting jonizatory.eu na podstawie Antioxidant Properties of Hydrogen Gas Attenuates Oxidative Stress in Airway Epithelial Cells,

Źródło: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8588133/

Inne artykuły w tematyce zastosowania wodoru w celach wspierania zdrowia:

• Przerost serca – wodór i jego działania łagodzące
• Wodór cząsteczkowy: zapobiegawczy i terapeutyczny gaz medyczny na różne choroby
• Korzyści z terapii inhalacyjnej wodorem poparte badaniami-gaz Browna perspektywy

Nasze najbardziej popularne produkty w zakresie inhalatorów wodoru: