Ролята на оксидативния стрес в патогенезата на инфекцията с вируса на хепатит С
Роля на оксидативния стрес в патогенезата на инфекцията с вируса на хепатит С
Първо публикувано: 16 юли 2016 г.
Редакционна група: MEDICHUB MEDIA
Резюме
Постигнат е значителен напредък в терапията на хепатит С, но много неща все още са неизвестни за неговата патогенеза. Курсът на хепатит С се влияе както от характеристиките на гостоприемника, така и от вируса. Все повече проучвания подчертават ролята на оксидативния стрес в патогенезата на хепатит С. Основният протеин играе ключова роля в генерирането на реактивни кислородни видове. В допълнение, най-важните усложнения на инфекцията, цироза и хепатоцелуларен карцином, изглежда са свързани с наличието на оксидативен стрес. В този контекст антиоксидантите могат да бъдат полезна адювантна терапия.
Обобщение
Въпреки че е постигнат значителен напредък в лечението на вирусен хепатит С, все още има много прозрения в патогенезата. В случай на инфекция с вируса на хепатит С (HCV), развитието на болестта се определя както от характеристиките на гостоприемника, така и от вируса. Все повече изследвания потвърждават ролята на оксидативния стрес в патогенезата на HCV инфекцията. Основният протеин играе основна роля в генерирането на реактивни кислородни видове. В допълнение, най-важните усложнения на инфекцията, цироза и хепатоцелуларен карцином, изглежда са свързани с наличието на оксидативен стрес. В този контекст антиоксидантите могат да бъдат полезно адювантно лечение.
Вирусният хепатит С (HVC) е основен обществен здравен проблем. Има около 130-150 милиона случая на хроничен HVC по света. Процентът на хронична инфекция е много висок, така че 55-85% от заразените развиват хронична инфекция. Най-честите усложнения са цироза и хепатоцелуларен карцином (1) .
Вирусът на хепатит С (HCV) е РНК вирус с обвивка, който принадлежи към семейство Flaviviridae. На нивото на неговия геном са кодирани 10 протеина, структурни - ядро, Е1 и Е2, и неструктурни - p7, NS2, NS3, NS4A, NS4B, NS5A, NS5B (2). Основният протеин образува нуклеокапсид, а протеините Е1 и Е2 образуват част от обвивката. Описани са 6 основни генотипа. Генотипове 1-3 имат широко разпространение, генотипове 4 и 5 са идентифицирани особено в Африка, а генотип 6 в Азия (3). Проучване, проведено в Румъния, показа, че 99% от заразените с HCV са заразени с генотип 1, от които генотип 1b, в над 90% от случаите. Повечето случаи са във възрастовата група 50-59, преобладаващи при жените (4) .
През последните години все повече изследвания потвърждават основната роля на оксидативния стрес (OS) в патогенезата на много заболявания. SO възниква, когато се установи дисбаланс между окислителната система и антиоксидантната система, като първата се изразява в излишък. Това има последици за биологичните процеси, като по този начин влияе върху апоптозата, възпалителната реакция или вирусната репликация (5). Свободните радикали имат несравними електрони в атомите, с висока степен на реактивност, с молекули като протеини, липиди или ДНК. Основните реактивни кислородни видове (SRO) са супероксидният радикал, хидроксилният радикал и водородният пероксид (6). ORS унищожават клетъчните мембрани, произвеждайки некроза, чрез окисляване на ненаситени мастни киселини в структурата на мембраните, процес, наречен липидна пероксидация. Той също така действа върху протеините, като окислява SH групата на цистеиновите остатъци, което води до дисулфиди, сулфоксиди или сулфонова киселина. На нивото на ДНК и РНК те водят до структурни промени с появата на мутации (7) .
Наличието на SO по време на инфекция с вируса на хепатит С (HCV) се съобщава от 90-те години на миналия век. Повишени концентрации на ORS се наблюдават както в чернодробните клетки, така и в лимфоцитите при пациенти с HCV (8). .
Изследвани са няколко механизма, чрез които HCV води до освобождаване на ORS. Изглежда, че промените в нивото на митохондриите настъпват по време на репликация на вируса и експресия на вирусен протеин. Повишеното производство на ORS изглежда е свързано с преразпределение на калция (Ca 2+) в цитоплазмата, ендоплазмения ретикулум (ER) и митохондриите. Има повишено освобождаване на ORS, явление, което се основава на инхибиране на активността на електронен транспортен комплекс 1 (8). Ефектът на ORS върху HCV не е напълно изяснен, като някои проучвания показват възможна стимулираща роля върху вирусната репликация (9) .
Генериране на оксидативен стрес при HCV инфекция
Основният източник на образуване на свободни радикали са митохондриите, чрез два основни механизма, електронно-транспортния комплекс и митохондриалните дехидрогенази. От друга страна, митохондриите са мястото на избор за действие на СРО. Основните екстрамитохондриални източници са RE, пероксизоми, NADPH оксидази и цитохром Р 450. Купферовите клетки също участват в генерирането на оксидативен стрес (10) .
Митохондрии и ендоплазмен ретикулум
Митохондриите участват в производството на над 90% от количеството АТФ, необходимо на клетката (11,12). Митохондриите имат много функции в пролиферацията, диференциацията и клетъчната смърт. Структурно има външна и вътрешна мембрана. Външната мембрана се свързва с RE мембраната, образувайки свързаната с митохондриите RE мембрана (MAM), с роля в обмена между двата клетъчни органа, особено транспорта на Ca 2+ и липидите. По този начин MAM има протеини, участващи в транспорта на Ca 2+, като най-известният е Ca 2+ ATPase на ендо-саркоплазматичния ретикулум (SERCA) (12) .
Понастоящем се счита, че има 7 митохондриални обекта, участващи в производството на ORS. На нивото на вътрешната митохондриална мембрана са разположени четири протеинови комплекса, участващи в окислително-възстановителните процеси. При индуцирането на оксидативен стрес изглежда, че основната роля играят комплекси I и III. Комплекс I освобождава O2 на нивото на матрицата, а комплекс III на нивото на междумембранното пространство (13,14) .
В случай на HCV инфекция, вирусната репликация и свръхекспресията на основния протеин имат сложно действие на ниво RE, което води до освобождаване на Ca 2+ в цитоплазмата. Процесът се усилва и чрез инхибиране на Са 2+ АТФазата на ендоплазмен/саркоплазмен ретикулум (SERCA). NS5A допълнително стимулира освобождаването на Ca 2+ от ретикулума в цитоплазмата (15) .
Основният механизъм на производство на реактивни видове при HCV инфекция се основава на взаимодействието между митохондриите и основния вирусен протеин, което води до сенсибилизация на митохондриите към приток на Ca 2+ и митохондриална пропусклива пора (mPTP), като краен резултат, засягащ електронната транспортна верига, с генерирането на SRO (10,15). Трябва да се отбележи, че при пациенти с HCV се наблюдават много митохондриални аномалии. Тъй като 2+ в излишък на митохондриално ниво чрез индуциране на синтез на NADPH участва в образуването на ORS. В допълнение, митохондриалният Ca 2+ е свързан с повишено образуване на азотен оксид (16, 17). Вирусните протеини се натрупват в зоната, където митохондриалната мембрана влиза в контакт с тази на ER, явление, което улеснява напредването на вирусните протеини чрез процес на странична дифузия от RE до митохондриално ниво (11) .
NADPH оксидази
Семейството NOX, принадлежащо към NADPH оксидази, участва в генерирането на ORS. Семейството NOX се състои от 7 члена, които се намират в различни тъкани, включително черния дроб. NADPH оксидазата участва в много биологични процеси, включително медииране на отговора на гостоприемника на вирусни или бактериални инфекции (18). Доказано е, че в незаразените клетки NOX 4 се намира в цитоплазмата и ядрото, докато в заразените с HCV клетки той е свръхекспресиран и се намира главно в ядрото. Така се получава производството на ORS на ядрено ниво, с увреждане на клетъчната ДНК. Изглежда, че основният протеин също участва в този процес косвено чрез стимулиране на синтеза на бета TGF, който активира експресията на NOX (15) .
NOX 2 се намира в клетките на Kupffer, полиморфонуклеарни клетки в черния дроб. Протеинът NOX 2 във фагоцитите се активира от вирусен протеин NS3, като по този начин предизвиква апоптоза и промяна на имунните клетки (LT клетки, естествен убиец) (19) .
Проучването, проведено от Smirnova и сътрудници, показа, че HCV-индуцираният оксидативен стрес активира NOX 1 и NOX4, циклооксигеназа 2 и цитохром 450 2E1 (CYP2E1). В допълнение, проучванията показват, че NOX 1, NOX4 и CYP2E1 участват в процеса на възпаление и последваща чернодробна фиброза. CYP2E1 е ензим, намиращ се в чернодробните клетки, а при пациенти с HCV NS5A индуцира неговата експресия. CYP2E1 също участва в катализа на етанол (20) .
Цитокини и възпалителни клетки
В допълнение, SO при пациенти с HCV може да е резултат от наличието на провъзпалителни цитокини като TNF алфа, което е доказано повишено в периферните мононуклеарни клетки при пациенти с HCV (21). Повишено количество TNF алфа е наблюдавано при пациенти с HCV. TNF алфа участва в производството на ORS чрез генериране на супероксиден йон и водороден пероксид (22). Трябва също така да се има предвид, че ORS участват в противоинфекциозната защита. Наличието на заразени клетки води до появата на имунния отговор и освобождаването на ORS от макрофагите. Изследвания в клетъчни култури показват освобождаването на ORS след взаимодействието между вирусните структури и клетките (9) .
Ролята на вирусните компоненти
HCV индуцира оксидативен стрес както чрез структурни протеини, основния протеин и гликопротеините E1 и E2, така и чрез неструктурни компоненти, NS3, NS5A и NS4B (19,23) .
Вирусните протеини индуцират промени както структурно, така и функционално в митохондриите на заразените клетки. Включени са множество протеини, но основната роля играят основните протеини и NS5A (24). Основният протеин се свързва с външната митохондриална мембрана през крайната СООН област (25) .
Основният протеин е най-мощният активатор на оксидативен стрес. Той, заедно с протеините NS5A и NS3, действа на митохондриално ниво, увеличавайки притока на Ca 2+ и предизвиквайки окисление на глутатион, което води до генериране на ORS в митохондриите. Ядрените фактори NF-kB и STAT 3 се активират и в ядрото възниква оксидативен стрес (26). Излишъкът 2+ има стимулиращ ефект върху електронния транспорт, който е в основата на генерирането на ORS. НЕ се активира синтаза с образуването на азотен оксид и освобождаването на цитохром С. Образува се порочен кръг с промяна на митохондриалната функция и допълнително освобождаване на ORS. HCV също е свързан с RE, така че вирусната репликация може да възникне и в цитозолната част на RE мембраната, което води до нарушена функция на RE. Този процес води до активиране на сигналните пътища, участващи в възпалението (27) .
NS5A и NS4B, както и гликопротеините E1 и E2 участват в генерирането на ORS чрез индуциране на стрес на ниво RE (23). NS5A индуцира освобождаването на Ca 2+ от ендоплазмения ретикулум и участва в генерирането на ORS и чрез активирането на NADPH оксидаза (28) .
Претоварване с желязо
Повишени отлагания на желязо (Fe) се наблюдават при пациенти с HCV. Повишените депозити на желязо изглежда са резултат от индуцирана от вируса ОС, която има инхибиращ ефект върху хепцидин, молекула, участваща в метаболизма на желязото (16,29). Установено е, че хепцидинът е по-нисък при тези пациенти, отколкото при тези с HBV или друго чернодробно заболяване, така че може да се счита, че хепцидинът играе важна роля при претоварването с HVC Fe (30). .
Желязото в големи количества участва в промяната на ДНК и в процеса на липидно пероксидиране по няколко механизма (29). Например, железният йон чрез реакция на редукция се превръща в железен йон. Йонът на железа участва в образуването на SRO, разтваряйки H2O2 до хидроксидния йон и OH - (6). В допълнение, при тези пациенти се наблюдава положителна корелация между нивата на Fe и 8-хидрокси-2 de -дезоксигуанозин (8-OhdG), което означава промяна на ДНК (31,32). .
Повишените нива на Fe ускоряват процеса на чернодробна фиброза. Хино и колегите му проведоха проучване с трансгенни мишки, експресиращи HCV полипротеин. Те са получили повишено ниво на Fe и е установено, че имат значителна чернодробна стеатоза, митохондриални промени, повишени нива на липопероксидация и 8-OhdG (30). .
Последствията от оксидативния стрес
на чернодробно ниво
HCV инфекцията е хронична в около 70-80% от случаите и от тях 20% ще развият цироза през първите 20 години от инфекцията (3). Прогресията до чернодробна фиброза се влияе както от гостоприемника, така и от вируса. Основните рискови фактори, свързани с гостоприемника, са мъжки пол, хронична консумация на алкохол, затлъстяване и диабет тип 2. Цитирани са и генетични фактори (33). Проучванията показват, че HCV няма пряк цитопатичен ефект, като увреждането на черния дроб се появява до голяма степен в резултат на развитието на имунния отговор на гостоприемника (3). Наличието на хроничен възпалителен процес води до фиброза, която по-късно може да прогресира до цироза (34) .
Пациентите в стадия на цироза имат годишен риск от развитие на хепатоцелуларен карцином от 1-5% (33). В Европа основните рискови фактори за хепатоцелуларен карцином са HCV инфекция и хронична консумация на алкохол. Има няколко механизма, които участват в процеса на канцерогенеза. Вирусът на хепатит променя липидния метаболизъм и индуцира експресията на някои гени, участващи в злокачествената трансформация (34) .
Оксидативният стрес изглежда играе важна роля за високия процент на хроничен хепатит С (35). Проучванията показват, че ОС участва в процеса на чернодробна фиброза, активира звездни клетки и стимулира производството на колаген (36). HCV стимулира активирането на клетките на Kupffer, които освобождават цитокини, участващи в развитието на фиброза и ORS, което води до увреждане на чернодробните клетки. Увредените чернодробни клетки генерират ORS, активирайки звездни чернодробни клетки. Освен това изглежда, че NADPH оксидазата се активира в клетките на Kupffer и звездните клетки, с генерирането на ORS, явление, което допринася за образуването на фиброза (24). В допълнение, ORS индуцира синтеза на бета TGF, молекула, която също участва в процеса на фиброза (19) .
Според проучването, проведено от Clichici, малондиалдехидът е най-важният маркер, който корелира с появата на фиброза при чернодробна инфекция с HCV (37). Проучването на Gabr установява, че маркерите за оксидативен стрес могат да се използват като неинвазивен метод за оценка на чернодробната фиброза, най-важният елемент при започване на лечението (36) .
Оксидативният стрес изглежда участва в развитието на хепатоцелуларен карцином чрез промени в ДНК (19). През последните години все повече изследвания приписват важна роля на SO в прогресията на хроничното чернодробно заболяване и в процеса на канцерогенеза. Проучванията in vitro показват, че клетките на Kupffer под въздействието на NS3 освобождават цитокини с провъзпалително действие (IL1 бета, TNF алфа) и IL 10 с имуносупресивен ефект. В допълнение, вирусът предизвиква настъпване на възпалителен статус. По този начин, на мястото на възпалението, клетките на Kupffer освобождават множество провоспалителни молекули и ORS (38). ORS води до промяна на ДНК и поява на генни мутации (19). Неотдавнашно проучване показа, че ORS индуцира експресията на 3 b-хидроксистерол Δ 24-редуктаза, която има роля в предотвратяването на възстановяването на ДНК и развитието на тумора. Свръхекспресията на тази редуктаза води до блокада на апоптозата на заразените клетки, тяхната репликация и персистиране на хронична инфекция (39) .
Антиоксиданти при HCV инфекция
Антиоксидантите могат да бъдат разделени на две категории, а именно агенти с ниско молекулно тегло (витамин С, витамин Е, глутатион, каротеноиди) и ензими с антиоксидантна роля (супероксиддисмутаза, глутатион пероксидаза, каталаза) (6) .
При пациенти с HCV се наблюдава намаляване на антиоксидантния капацитет с ниски нива на антиоксидантни молекули, като супероксиддисмутаза, каталаза, глутатион и хемооксигеназа (1). Изглежда, че има връзка между тежестта на HCV инфекцията и серумното ниво на антиоксидантните елементи (25) .
HCV намалява нивата на глутатион както индиректно, чрез пораженията, които произвежда в хепатоцитите, така и директно, чрез действието на основния протеин. Някои изследвания показват, че неструктурните вирусни протеини увеличават глутатиона. Всъщност повишаването на нивата на глутатион е резултат от повишената активност на г-глутамилцистеин-лигазата по време на преходна адаптация към сублетален оксидативен стрес (29) .
Наскоро беше показано, че балансът между оксиданти и антиоксиданти се различава в зависимост от вирусния генотип. По този начин, при генотип 1a/1b, оксидативният стрес изглежда по-силно изразен, отколкото при генотипове 4, 2a/c, 2b и 3a. По този начин беше издадена хипотезата за необходимостта от антиоксидантни терапии, особено при пациенти, заразени с генотипове, които предизвикват тежка ОС. В същото време генотипът изглежда важен предиктор за отговора на антивирусната терапия (40). Проучването на Groenbaek и негови колеги установява, че прилагането на добавки, базирани на витамини Е и А, е имало ефект върху антиоксидантния статус, но не и върху вирусното натоварване и чернодробните цитолизни ензими .
Тъй като оксидативният стрес играе важна роля в патогенезата на HCV инфекцията, антиоксидантите намират роля в терапията. По този начин агенти като витамини С и Е, N-ацетилцистеин, глициризин, фосфатидилхолин или силимарин са показани като полезни (42) .
Няколко изследователи са изследвали ролята на микроелементите (Cu, Zn, Se) в патогенезата на чернодробните заболявания в контекста на HCV инфекция. Промените в концентрациите на тези елементи, които действат като антиоксиданти, причиняват дисбаланс, с възможност за OS и началото на възпалителния процес, който насърчава репликацията на вируса (43). По този начин е показано, че приложението на Zn при тези пациенти намалява чернодробната фиброза и подобрява прогнозата на заболяването (44) .
Оксидативният стрес играе важна роля в патогенезата на HCV. Вирусните протеини действат в митохондриите, основният производител на ORS, генерирайки поредица от биологични реакции, с въздействие върху развитието на болестта. По този начин SO участва в процеса на фиброза и канцерогенеза.
Конфликт на интереси: Авторите не декларират конфликт на интереси.