Гомеостаз является проявлением жизненного свойства: Проверочная работа по биологии Основы цитологии

Содержание

Проверочная работа по биологии Основы цитологии

Проверочная работа по биологии Основы цитологии — науки о клетке 9 класс с ответами. Проверочная работа включает 13 заданий с выбором ответа.

1. Наименьшей структурной и функциональной единицей живого, вне которой невозможно реализовать основные жизненные свойства, является

а) атом
б) молекула
в) клетка
г) биосфера

2. Укажите формулировку одного из положений клеточной теории

а) Клетки растений отличаются от клеток животных наличием хлоропластов
б) Клетка -единица строения, жизнедеятельности и развития организмов
в) Клетки прокариот не имеют оформленного ядра
г) Клетки эукариот обязательно имеют клеточную стенку

3. К обязательным структурным компонентам клетки нельзя отнести

а) плазматическую мембрану
б) цитоплазму
в) ядро
г) генетический аппарат

4. О сходстве клеток эукариот свидетельствует наличие в них

а) ядра
б) пластид
в) клеточной оболочки, состоящей из клетчатки
г) крупных вакуолей с клеточным соком

5.

Строение и функции плазматической мембраны обусловлены входящими в её состав молекулами

а) гликогена и крахмала
б) ДНК и АТФ
в) белков и липидов
г) клетчатки и глюкозы

6. Молекулы АТФ выполняют в клетке функцию

а) защитную
б) каталитическую
в) аккумулятора энергии
г) транспорта веществ

7. Двойная спираль ДНК образуется за счёт связей между

а) аминокислотами
б) азотистыми основаниями и дезоксирибозой
в) остатком фосфорной кислоты и дезоксирибозой
г) комплементарными азотистыми основаниями

8. Ферментативную функцию в клетке выполняют

а) белки
б) липиды
в) углеводы
г) нуклеиновые кислоты

9. Богатое энергией вещество (АТФ) образуется

а) в рибосомах
б) в ядре
в) в межклеточном веществе
г) в митохондриях

10. Гомеостаз является проявлением жизненного свойства

а) раздражимости
в) саморегуляции
б) самовоспроизведения
г) изменчивости

11.

Вашему вниманию предлагаются тестовые задания в виде суждений. Запишите номера верных суждений.

1) основу клеточной мембраны составляет слой липидов, обеспечивающий её избирательную проницаемость
2) единственная функция клеточной мембраны — поддержание постоянной формы клетки
3) цитоплазма обеспечивает взаимосвязь всех частей клетки
4) за передачу наследственной информации отвечает ядро клетки
5) гетеротрофное питание характерно только для животных клеток
6) диплоидный набор всегда включает только чётное количество хромосом
7) в гаметах содержится гаплоидный набор хромосом

12. Найдите соответствие между характеристикой и органоидом клетки, к которому она относится. Для этого к каждому элементу первого столбца подберите позицию из второго столбца. Напротив соответствующих букв проставьте нужные цифры.

Характеристика

А) содержат пигмент хлорофилл
Б) окружены наружной и внутренней мембранами
В) служит для транспорта веществ внутри клетки
Г) относятся к немембранным органоидам
Д) мелкие многочисленные органоиды принимают активное участие в синтезе белков

Е) служит для накопления, превращения и упаковки синтезированных веществ
Ж) служат для синтеза молекул АТФ
3) бывает гранулярной и гладкой
И) представляет собой сеть каналов, образованных мембранами и пронизывающих всю цитоплазму
К) относятся к мембранным органоидам
Л) содержат множество ферментов, необходимых для окисления органических веществ

Органоид

1) рибосомы
2) хлоропласты
3) митохондрии
4) лизосомы
5) эндоплазматическая сеть
6) аппарат Гольджи

13. Определите, для каких организмов, обозначенных буквами, характерны следующие утверждения. Для этого к каждому элементу первого столбца подберите позицию из второго столбца. Напротив соответствующих букв проставьте нужные цифры.

Утверждение

А) использует в качестве источника углерода углекислый газ воздуха
Б) для синтеза органических соединений использует энергию, заключённую в органических веществах
В) для пластического обмена используется углерод органических соединений
Г) главный источник энергии для синтеза веществ — солнечный свет

Д) является автотрофом
Е) присущ гетеротрофный тип питания

Организм

1) водоросль хлорелла
2) гриб мукор
3) одноклеточное животное инфузория

Ответы на проверочную работу по биологии Основы цитологии — науки о клетке 9 класс
1-в
2-б
3-в
4-а
5-в
6-в
7-г
8-а
9-г
10-в
11. 1367
12. А2 Б3 В5 Г1 Д1 Е5 Ж3 З4 И4 К6
13. А1 Б2 В2 Г13 Д13 Е2

2.

Признаки и свойства живого

Живые системы имеют общие признаки:
1. единство химического состава свидетельствует о единстве и связи живой и неживой материи.

Пример:

в состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы, но в других количественных соотношениях (т. е. живые организмы обладают способностью избирательного накопления и поглощения элементов). Более \(90\) % химического состава приходится на четыре элемента: С, O, N, H, которые участвуют в образовании сложных органических молекул (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов).

2. Клеточное строение (Единство структурной организации).

Все существующие на Земле организмы состоят из клеток. Вне клетки жизни нет.
3. Обмен веществ (Открытость живых систем). Все живые организмы представляют собой «открытые системы».

Открытость системы — свойство всех живых систем, связанное с постоянным поступлением энергии извне и удалением продуктов жизнедеятельности (организм жив, пока в нём происходит обмен веществами и энергией с окружающей средой).

Обмен веществ — совокупность биохимических превращений, происходящих в организме и других биосистемах.

В живых организмах одновременно происходят процессы двух типов: ассимиляция, т. е. образование сложных органических веществ, и диссимиляция, т. е. распад органических веществ, протекающий с выделением энергии. Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.
4. Самовоспроизведение (Репродукция) — способность живых систем воспроизводить себе подобных.  Способность к самовоспроизведению является важнейшим свойством всех живых организмов. В её основе лежит процесс удвоения молекул ДНК с последующим делением клеток.

5. Саморегуляция (Гомеостаз) — поддержание постоянства внутренней среды организма в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды. Любой живой организм обеспечивает поддержание гомеостаза (постоянства внутренней среды организма). Стойкое нарушение гомеостаза ведёт к гибели организма.
6. Развитие и рост. Развитие живого представлено индивидуальным развитием организма (онтогенезом) и историческим развитием живой природы (филогенезом).

  • В процессе индивидуального развития постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организма и осуществляется его рост (все живые организмы растут в течение своей жизни).
  • Результатом исторического развития является общее прогрессивное усложнение жизни и всё многообразие живых организмов на Земле. Под развитием понимают как индивидуальное развитие, так и историческое развитие.

7. Раздражимость — способность организма избирательно реагировать на внешние и внутренние раздражители (рефлексы у животных; тропизмы, таксисы и настии у растений).

8. Наследственность и изменчивость представляют собой факторы эволюции, так как благодаря им возникает материал для отбора.

  • Изменчивость — способность организмов приобретать новые признаки и свойства в результате влияния внешней среды и/или изменений наследственного аппарата (молекул ДНК).
  • Наследственность — способность организма передавать свои признаки последующим поколениям.

9. Способность к адаптациям — в процессе исторического развития и под действием естественного отбора организмы приобретают приспособления к условиям окружающей среды (адаптации). Организмы, не обладающие необходимыми приспособлениями, вымирают.
10. Целостность (непрерывность) и дискретность (прерывность). Жизнь целостна и в то же время дискретна. Эта закономерность присуща как структуре, так и функции.

Любой организм представляет собой целостную систему, которая в то же время состоит из дискретных единиц — клеточных структур, клеток, тканей, органов, систем органов. Органический мир целостен, поскольку все организмы и происходящие в нём процессы взаимосвязаны. В то же время он дискретен, так как складывается из отдельных организмов.

Отдельные свойства, перечисленные выше, могут быть присущи и неживой природе.

Пример:

для живых организмов характерен рост, но ведь и кристаллы некоторых веществ тоже растут! Однако рост кристаллов происходит совершенно иначе, в его основе нет процесса деления клеток. 

Пример:

при горении любого вещества происходит обмен веществ и превращение энергии, но  не осуществляется саморегуляция и не происходит размножение.

 

Следовательно, все перечисленные выше свойства характерны для живых организмов только в своей совокупности.

Источники:

http://900igr.net/kartinki/geografija/Krugovoroty-v-biosfere/005-Priznaki-zhivogo.html

А. Атом Б. Молекула В. Клетка Г. Биосфера 2. Укажите формулировку...

Вопрос по биологии:

1. Наименьшей структурной и функциональной единицей живого, вне которой невозможно реализовать основные жизненные свойства, является:

А. Атом
Б. Молекула
В. Клетка
Г. Биосфера

2. Укажите формулировку одного из положений клеточной теории

А. Клетки растений отличаются от клеток животных наличием хлоропластов.
Б. Клетка- единица строения, жизнедеятельности и развития организмов
В. Клетки прокариот не имеют оформленного ядра
Г. Клетки эукариот обязательно имеют клеточную стенку

3. К обязательным структурным компонентам клетки нельзя отнести:

А. Плазматическую мембрану
Б. Цитоплазму
В. Ядро
Г. Генетически аппарат
4. О сходстве клеток эукариот свидетельствует наличие в них:

А. Ядра
Б. пластид
В. Клеточной оболочки, состоящей из клетчатки
Г. Крупных вакуолей с клеточным соком

5. Строение и функции плазматической мембраны обусловлены входящими в её состав молекулами:

А. Гликогена и крахмала
Б. ДНК и АТФ
В. Белков и липидов
Г. Клетчатки и глюкозы

6. Молекулы АТФ выполняют в клетке функцию:

А. Защитную
Б. Каталитическую

В. Аккумулятора энергии
Г. транспорта веществ

7. Ферментативную функцию в клетке выполняют:
А. Белки
Б. Липиды
В. Углеводы
Г. Нуклеиновые кислоты
8.Богатое энергией вещество (АТФ) образуется:

А. В рибосомах
Б. В ядре
В. В межклеточном веществе
Г. В митохондриях

9. Гомеостаз является проявлением жизненного свойства:

А. Раздражимости
Б. Самовоспроизведения
В. Саморегуляции
Г. Изменчивости

10. Двойная спираль ДНК образуется за счёт связей между:

А. Аминокислотами
Б. Азотными основаниями и дезоксирибозой
В. Остатком фосфорной кислоты и дезоксирибозой
Г. Комплементарными азотистыми основаниями

Гомеостаз - обзор | Темы ScienceDirect

3 Гомеостаз

Гомеостаз относится к общему принципу, который гарантирует стабильность естественных и искусственных систем, где стабильность понимается в ее более классическом смысле устойчивости к внешним возмущениям. Гомеостаз - фундаментальное понятие в нейропсихологии, психофизиологии и нейробиологии (тезис Кэннона). В поведенческих науках, однако, признается концепция гомеостаза, но она редко играет заметную роль в реальном анализе.

Заслуживающим внимания исключением является монография МакФарланда (1971). Тем не менее, математико-статистическая теория гомеостаза, в частности теория оптимального управления системами с обратной связью (например, Goodwin and Sin 1984), показывает, что гомеостаз оказывает важное влияние на поведение системы и, следовательно, должен приниматься во внимание при статистическом моделировании и анализе систем. Моленаар (1987) применяет теорию оптимального управления к оптимизации психотерапевтического процесса.

Кратко проиллюстрированы некоторые эффекты гомеостаза при моделировании прикладных систем.Гомеостаз будет определяться как контроль с отрицательной обратной связью (McFarland, 1971). С помощью простого компьютерного моделирования показано, что наличие гомеостаза оказывает глубокое влияние на измеряемые взаимосвязи между поведением связанных систем. Хотя системы сильно связаны, очевидная взаимосвязь между их поведением приближается к нулю как прямая функция силы гомеостаза. Это имеет важное значение для прикладного анализа поведенческих систем. Рассмотрим, например, давнюю исследовательскую традицию изучения биологической основы (физиологической системы) личности (системы поведения).Предполагается, что обе системы связаны, но обе также следует рассматривать как гомеостатические. Таким образом, можно ожидать, что гомеостатическая природа связанных физиологических и поведенческих систем, изучаемых в рамках этой исследовательской традиции, приведет к предвзятым показателям их связи (т. Е. Взаимной корреляции, близкой к нулю), тогда как фактическая сила этой связи может быть значительной.

Иллюстративное моделирование исследования основано на простом примере линейной модели пространства состояний в уравнении.(2). Рассматривается только один набор из двух связанных систем, поэтому индекс и можно опустить в определяющих уравнениях. Для дальнейшего упрощения предполагается, что состояние s ( t ) наблюдается напрямую, поэтому матрица H принимается за единичную матрицу, а шум измерения v ( t ) отсутствует. . Обозначая процесс одномерного состояния системы 1 (например, поведенческой системы) как s 1 ( t ) и процесс одномерного состояния системы 2 (например,g., физиологическая система) на с 2 ( t ), это дает:

(3a) s1t + 1 = f11s1t + f12s2t + w1t + 1s2t + 1 = f21s1t + f22s2t + w2t + 1

В уравнении. (3a) f 12 s 2 ( t ) обозначает влияние физиологической системы на процесс поведенческого состояния s 1 ( t +1), где f 12 - сила этой муфты; f 21 с 1 ( t ) обозначает обратное влияние поведенческой системы на процесс физиологического состояния с 2 ( t +1).

Система Ур. (3а) не включает гомеостаз. Напротив, следующий аналог уравнения ( (3a) включает гомеостаз:

(3b) s1t + 1 = f11s1t + f12s2t + c1s1t + w1t + 1s2t + 1 = f21s1t + f22s2t + c2s2t + w2t + 1

В уравнении. (3b) c 1 [ s 1 ( t )] и c 2 [ s 2 ( t )] обозначают оптимальные функции обратной связи, которые зависят от количество дополнительных параметров, которые не отображаются явно.Моленаар (1987, и ссылки в нем) представляет полное описание вычисления этих оптимальных функций обратной связи.

Чтобы оценить влияние гомеостаза на явную корреляцию между с 1 ( t ) и с 2 ( t ), временные ряды генерируются в соответствии с уравнениями. (3а) и (3б). Это требует, чтобы числовые значения были присвоены системным параметрам в обоих уравнениях. (3а) и (3б). Например: f 11 = 0.6, f 12 = 0,4, f 21 = 0,4 и f 22 = 0,7. Кроме того, c 1 [ s 1 ( t )] принимается равным нулю (только физиологическая система 2 в (3b) включает гомеостаз). Затем обнаруживается, что очевидная мгновенная взаимная корреляция между с 1 ( t ) и с 2 ( t ), определенная для реализации T = 100 временных точек, равна 0 .85 для уравнения. (3a) и 0,15 для уравнения. (3б). Это ясно показывает, что взаимная корреляция для уравнения. (3b), то есть когда гомеостаз присутствует в физиологической системе 2, существенно смещен в сторону нуля и не отражает силу связи между двумя системами без наличия гомеостаза.

Тот же результат (существенная недооценка действительной силы связи посредством явной взаимной корреляции между связанными системами в случае наличия гомеостаза) обнаруживается при всех других возможных сценариях (отрицательная связь между системами без гомеостаза, гомеостаз присутствует в обеих системах и т. Д.)). Этот общий результат также может быть доказан с помощью математико-статистических методов. Сделан вывод, что гомеостаз оказывает существенное смещающее влияние на очевидные меры системного взаимодействия, даже в простых линейных системах, таких как рассмотренные выше.

1.2A: Свойства жизни - Биология LibreTexts

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

  • Опишите свойства жизни

Все живые организмы обладают несколькими ключевыми характеристиками или функциями: порядок, чувствительность или реакция на окружающую среду, размножение, рост и развитие, регуляция, гомеостаз и переработка энергии.Вместе эти восемь характеристик определяют жизнь.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Многоклеточные организмы : Жаба представляет собой высокоорганизованную структуру, состоящую из клеток, тканей, органов и систем органов.

Заказать

Организмы - это высокоорганизованные, скоординированные структуры, состоящие из одной или нескольких клеток. Даже очень простые одноклеточные организмы чрезвычайно сложны: внутри каждой клетки атомы составляют молекулы; они, в свою очередь, составляют клеточные органеллы и другие клеточные включения.В многоклеточных организмах подобные клетки образуют ткани. Ткани, в свою очередь, вместе создают органы (структуры тела с определенной функцией). Органы работают вместе, образуя системы органов.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Реакция на стимулы : Листья этого чувствительного растения (Mimosa pudica) мгновенно опускаются и складываются при прикосновении. Через несколько минут растение приходит в норму.

Чувствительность или реакция на стимулы

Организмы могут реагировать на различные раздражители.Например, растения могут расти к источнику света, взбираться на заборы и стены или реагировать на прикосновения. Даже крошечные бактерии могут двигаться к химическим веществам или от них (процесс, называемый хемотаксисом) или свету (фототаксис). Движение к стимулу считается положительной реакцией, а движение от стимула - отрицательной.

Репродукция

Одноклеточные организмы размножаются путем первого дублирования своей ДНК. Затем они делят его поровну, поскольку клетка готовится к делению с образованием двух новых клеток.Многоклеточные организмы часто производят специализированные репродуктивные клетки зародышевой линии, из которых формируются новые особи. Когда происходит размножение, гены, содержащие ДНК, передаются потомству организма. Эти гены гарантируют, что потомство будет принадлежать к одному виду и иметь схожие характеристики, такие как размер и форма.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Воспроизведение : Хотя нет двух одинаковых котят, эти котята унаследовали гены от обоих родителей и обладают многими схожими характеристиками.

Рост и развитие

Все организмы растут и развиваются в соответствии с конкретными инструкциями, закодированными их генами. Эти гены предоставляют инструкции, которые будут управлять клеточным ростом и развитием, гарантируя, что детеныши вида вырастут и будут демонстрировать многие из тех же характеристик, что и его родители.

Постановление

Даже самые маленькие организмы сложны и требуют множества регуляторных механизмов для координации внутренних функций, реагирования на раздражители и преодоления стрессов окружающей среды.Два примера внутренних функций, регулируемых в организме, - это транспорт питательных веществ и кровоток. Органы (группы тканей, работающих вместе) выполняют определенные функции, такие как перенос кислорода по всему телу, удаление отходов, доставка питательных веществ в каждую клетку и охлаждение тела.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Гомеостаз : Белые медведи (Ursus maritimus) и другие млекопитающие, живущие в покрытых льдом регионах, поддерживают температуру своего тела, выделяя тепло и уменьшая потери тепла через густой мех и плотный слой жира. под их кожей.

Гомеостаз

Для правильного функционирования клетки должны иметь соответствующие условия, такие как правильная температура, pH и соответствующая концентрация различных химических веществ. Однако эти условия могут меняться от одного момента к другому. Организмы способны поддерживать внутренние условия в узком диапазоне почти постоянно, несмотря на изменения окружающей среды, благодаря гомеостазу (буквально «устойчивое состояние») - способности организма поддерживать постоянные внутренние условия. Например, организму необходимо регулировать температуру тела с помощью процесса, известного как терморегуляция. Организмы, обитающие в холодном климате, такие как белый медведь, имеют структуру тела, которая помогает им выдерживать низкие температуры и сохранять тепло тела. Структуры, которые помогают в этом типе изоляции, включают мех, перья, жир и жир. В жарком климате у организмов есть методы (например, потоотделение у людей или одышка у собак), которые помогают им отводить избыточное тепло тела.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Обработка энергии : Калифорнийский кондор (Gymnogyps californianus) использует химическую энергию, полученную из пищи, для обеспечения полета.

Энергетика

Все организмы используют источник энергии для своей метаболической деятельности. Некоторые организмы улавливают энергию солнца и превращают ее в химическую энергию в пище; другие используют химическую энергию в молекулах, которые они принимают в пищу.

Рис. \ (\ PageIndex {1} \): Адаптация у плоскохвостой рогатой ящерицы. : Эта ящерица имеет сплющенное тело и окраску, которая помогает его замаскировать; оба эти свойства являются адаптивными, помогая ей избегать хищников.

Evolution

По мере того, как популяция организмов взаимодействует с окружающей средой, особи с чертами, способствующими воспроизводству и выживанию в этой конкретной среде, оставляют больше потомства.Со временем эти полезные черты (так называемые адаптации) станут более распространенными среди населения. Этот процесс, изменяющийся во времени, называется эволюцией, и это один из процессов, которые объясняют разнообразие видов, наблюдаемых в биологии. Адаптации помогают организмам выжить в своих экологических нишах, и адаптивные черты могут быть структурными, поведенческими или физиологическими; как таковые адаптации часто связаны с другими свойствами организмов, такими как гомеостаз, размножение, рост и развитие.

Ключевые моменты

  • Порядок может включать высокоорганизованные структуры, такие как клетки, ткани, органы и системы органов.
  • Взаимодействие с окружающей средой проявляется в ответ на раздражители.
  • Способность воспроизводить, расти и развиваться - определяющие черты жизни.
  • Концепции биологической регуляции и поддержания гомеостаза являются ключом к выживанию и определяют основные свойства жизни.
  • Организмы используют энергию для поддержания своих метаболических процессов.
  • Популяции организмов развиваются, чтобы произвести индивидуумов, адаптированных к своей конкретной среде.

Ключевые термины

  • фототаксис : Движение организма к источнику света или от него
  • ген : единица наследственности; функциональные единицы хромосом, которые определяют конкретные характеристики путем кодирования определенных белков
  • хемотаксис : движение клетки или организма в ответ на химический стимулятор

Гипоталамус: функции, гормоны и нарушения

Гипоталамус - это небольшая, но важная область в центре мозга.Он играет важную роль в производстве гормонов и помогает стимулировать многие важные процессы в организме и находится в головном мозге между гипофизом и таламусом.

Когда гипоталамус не работает должным образом, это может вызвать проблемы в организме, которые приводят к широкому спектру редких заболеваний. Из-за этого жизненно важно поддерживать здоровье гипоталамуса.

Основная роль гипоталамуса заключается в том, чтобы поддерживать организм в максимально возможном гомеостазе.

Гомеостаз означает здоровое, уравновешенное состояние организма.Тело всегда пытается достичь этого баланса. Например, чувство голода - это способ мозга дать своему владельцу понять, что ему нужно больше питательных веществ для достижения гомеостаза.

Гипоталамус служит связующим звеном между эндокринной и нервной системами для достижения этой цели. Он играет роль во многих важных функциях организма, таких как:

  • температура тела
  • жажда
  • контроль аппетита и веса
  • эмоции
  • циклы сна
  • половое влечение
  • роды
  • кровяное давление и частота сердечных сокращений
  • производство пищеварительных соков
  • баланс жидкостей организма

Поскольку различные системы и части тела посылают сигналы в мозг, они предупреждают гипоталамус о любых несбалансированных факторах, которые необходимо устранить. Затем гипоталамус отвечает, высвобождая нужные гормоны в кровоток, чтобы сбалансировать организм.

Одним из примеров этого является замечательная способность человека поддерживать внутреннюю температуру 98,6 ° по Фаренгейту (ºF).

Если гипоталамус получает сигнал о том, что внутренняя температура слишком высока, он приказывает телу потеть. Если он получит сигнал о том, что температура слишком низкая, тело будет создавать собственное тепло, дрожа.

Для поддержания гомеостаза гипоталамус отвечает за создание или контроль многих гормонов в организме.Гипоталамус работает с гипофизом, который вырабатывает и отправляет другие важные гормоны по всему телу.

Вместе гипоталамус и гипофиз контролируют многие железы, вырабатывающие гормоны организма, называемые эндокринной системой. Это включает кору надпочечников, гонады и щитовидную железу.

Гормоны, секретируемые гипоталамусом, включают:

  • антидиуретический гормон, который увеличивает количество воды, всасываемой в кровь почками
  • кортикотропин-рилизинг-гормон, который помогает регулировать метаболизм и иммунный ответ, работая с гипофизом и надпочечниками. железа для высвобождения определенных стероидов
  • гонадотропин-рилизинг-гормон, который заставляет гипофиз выделять больше гормонов, которые поддерживают работу половых органов
  • окситоцин, гормон, участвующий в нескольких процессах, включая выделение материнского грудного молока, снижение температуры тела и регулирование циклов сна
  • гормоны, контролирующие пролактин, которые сообщают гипофизу о необходимости начать или прекратить производство грудного молока у кормящих матерей
  • тиреотропин-рилизинг-гормон активирует щитовидную железу, которая высвобождает гормоны, регулирующие обмен веществ, уровень энергии и развитие

Гипотеза Халамус также напрямую влияет на гормоны роста.Он приказывает гипофизу увеличивать или уменьшать их присутствие в организме, что важно как для растущих детей, так и для полностью развитых взрослых.

Поделиться на PinterestГипофиз и гипоталамус связаны между собой функцией. Иногда бывает трудно отличить заболевание от гипоталамуса или гипофиза.

Заболевание гипоталамуса - это любое заболевание, которое препятствует правильному функционированию гипоталамуса. Эти заболевания очень сложно определить и диагностировать, потому что гипоталамус выполняет широкий спектр функций в эндокринной системе.

Гипоталамус также служит жизненно важной цели, сигнализируя о том, что гипофиз должен выделять гормоны остальной части эндокринной системы. Поскольку врачам сложно диагностировать конкретную, неправильно функционирующую железу, эти нарушения часто называют гипоталамо-гипофизарными нарушениями.

В таких случаях врачи могут назначить несколько гормональных тестов, чтобы выяснить причину заболевания.

Причины и факторы риска

Самыми частыми причинами заболеваний гипоталамуса являются травмы головы, поражающие гипоталамус.Операции, облучение и опухоли также могут вызвать заболевание гипоталамуса.

Некоторые заболевания гипоталамуса имеют генетическую связь с заболеванием гипоталамуса. Например, синдром Каллмана вызывает у детей проблемы с гипоталамией, наиболее заметно задержку полового созревания или его отсутствие, сопровождающееся нарушением обоняния.

Проблемы гипоталамуса также имеют генетическую связь с синдромом Прадера-Вилли. Это состояние, при котором отсутствие хромосомы приводит к низкому росту и гипоталамической дисфункции.

Дополнительные причины гипоталамического заболевания могут включать:

  • расстройства пищевого поведения, такие как булимия или анорексия
  • генетические нарушения, вызывающие избыточное накопление железа в организме
  • недоедание
  • инфекции
  • чрезмерное кровотечение

Симптомы расстройства гипоталамуса

Симптомы нарушения гипоталамуса различаются в зависимости от дефицита гормонов.

У детей могут проявляться признаки аномального роста и аномального полового созревания.У взрослых могут проявляться симптомы, связанные с различными гормонами, которые их организм не может производить.

Обычно существует прослеживаемая связь между отсутствием гормонов и симптомами, которые они вызывают в организме. Симптомы опухоли могут включать помутнение зрения, потерю зрения и головные боли.

Низкая функция надпочечников может вызывать такие симптомы, как слабость и головокружение.

Симптомы, вызванные сверхактивной щитовидной железой, включают:

  • чувствительность к теплу
  • беспокойство
  • чувство раздражительности
  • перепады настроения
  • усталость и трудности со сном
  • отсутствие полового влечения
  • диарея
  • постоянная жажда

Поскольку гипоталамус играет такую ​​жизненно важную роль в организме, очень важно поддерживать его здоровье.Хотя человек не может полностью избежать генетических факторов, он может ежедневно принимать диетические меры для достижения идеального здоровья гипоталамуса, чтобы снизить риск заболевания гипоталамусом.

Гипоталамус контролирует аппетит, а продукты в рационе влияют на гипоталамус. Исследования показали, что диета с высоким содержанием насыщенных жиров может изменить способ, которым гипоталамус регулирует чувство голода и расход энергии.

Источники насыщенных жиров включают сало, мясо и молочные продукты. Исследования также показали, что диета с высоким содержанием насыщенных жиров может оказывать воспалительное действие на организм.

Это может сделать иммунную систему сверхактивной, увеличивая ее шансы нацеливаться на здоровые клетки тела, увеличивая воспаление в кишечнике и изменяя естественную работу организма.

Диета с высоким содержанием полиненасыщенных жиров, таких как омега-3 жирные кислоты, может помочь обратить вспять это воспаление. Эти жиры могут быть безопасной альтернативой другим типам масел и жиров. Продукты с высоким содержанием омега-3 включают рыбу, грецкие орехи, семена льна и листовые овощи.

Дополнительные варианты здоровой диеты для поддержки гипоталамуса и лучшей функции мозга включают:

  • богатые витаминами фрукты и овощи
  • витамин C
  • Витамины группы B

Работающий гипоталамус - одна из самых важных частей тела , и обычно это остается незамеченным, пока не перестанет работать должным образом. Следование этим советам по питанию может помочь гипоталамусу оставаться счастливым и работать хорошо.

Ремоделирование и гомеостаз внеклеточного матрикса: последствия для фиброзных заболеваний и рака | Модели и механизмы заболеваний

Динамическое ремоделирование внеклеточного матрикса (ВКМ) необходимо для развития, заживления ран и нормального гомеостаза органов. Опасные для жизни патологические состояния возникают, когда ремоделирование ВКМ становится чрезмерным или неконтролируемым.В этой перспективе мы сосредотачиваемся на том, как ремоделирование ВКМ способствует фиброзным заболеваниям и раку, которые представляют собой серьезные препятствия для клинического лечения, чтобы проиллюстрировать важность и сложность взаимодействий клетки-ЕСМ в патогенезе этих состояний. На фиброзные заболевания, включая фиброз легких, системный склероз, цирроз печени и сердечно-сосудистые заболевания, приходится более 45% смертей в развитых странах. Ремоделирование ВКМ также имеет решающее значение для злокачественной опухоли и метастатического прогрессирования, которые в конечном итоге вызывают более 90% смертей от рака.Здесь мы обсуждаем текущие методологии и модели для понимания и количественной оценки воздействия внешних сигналов, предоставляемых ВКМ, на прогрессирование заболевания, а также то, как улучшение нашего понимания ремоделирования ВКМ в этих патологических состояниях имеет решающее значение для открытия новых терапевтических целей и стратегий лечения. Этого можно достичь только за счет использования соответствующих моделей in vitro и in vivo для имитации болезни, а также с помощью технологий, которые обеспечивают точный мониторинг, визуализацию и количественную оценку ECM.

ЕСМ определяется как разнообразный набор белков и сахаров, окружающий клетки во всех твердых тканях. Этот тканевой компартмент обеспечивает структурную поддержку, поддерживая нерастворимый каркас, что, в свою очередь, определяет характерную форму и размеры органов и сложных тканей. ЕСМ в основном состоит из сложной взаимосвязанной сетки фибриллярных и нефибриллярных коллагенов, эластичных волокон и гликозаминогликанов (ГАГ), содержащих неколлагеновые гликопротеины (гиалуронан и протеогликаны).Хотя ECM исторически воспринимался как выполняющий в первую очередь структурную и, следовательно, биомеханическую роль, способность ECM предоставлять контекстную информацию, отвечающую за управление как индивидуальным, так и коллективным клеточным поведением, получает все большее признание в последние годы.

После внутриклеточного синтеза компоненты ECM секретируются в интерстициальный матрикс, который окружает и поддерживает клетки и является основным поставщиком структурных каркасов для ткани.Эта матрица также играет ключевую роль в защите клеток, действуя как буфер сжатия, когда ткани подвергаются деформирующим нагрузкам. Интерстициальный матрикс, обнаруживаемый в большинстве, но не во всех тканях, состоит в основном из фиброзного коллагена типа I, который вместе с фибронектином придает тканям механическую прочность (Erler and Weaver, 2009). Хотя коллагены в совокупности являются наиболее распространенным компонентом ВКМ, дифференциальная экспрессия отдельных интерстициальных компонентов ВКМ лежит в основе специфических функций многих органов и тканей.Например, хондроитинсульфат, сульфатированный ГАГ, который обычно обнаруживается прикрепленным к белкам как часть протеогликана, сильно экспрессируется в ECM соединительных тканей, таких как хрящи, сухожилия, связки и основные артерии, где он помогает поддерживать структурную целостность. ткани. Напротив, секретируемый белок кислый и богатый цистеином (SPARC), матрицеклеточный гликопротеин, который первоначально назывался остеонектином, был первоначально идентифицирован в кости, где он связывает коллаген и Ca 2+ , инициируя нуклеацию во время минерализации кости (Termine et al., 1981). Однако было также показано, что SPARC секретируется неэпителиальными клетками в неосифицирующих тканях (Sage et al., 1984) как во время развития, так и во время восстановления тканей, где он опосредует ремоделирование и обновление ВКМ, а также взаимодействия клеток с ЕСМ (Engel et al. , 1987; Sage et al., 1989; Funk and Sage, 1991; Lane and Sage, 1994; Murphy-Ullrich et al., 1995; Chlenski and Cohn, 2010). Внешняя механическая нагрузка тканей также может модулировать состав ВКМ в некоторых тканях. Например, в ситуациях, когда подвижность нарушена, наблюдается снижение содержания протеогликанов в суставном коллагене и минеральной плотности костной ткани, но они увеличиваются при выполнении упражнений (Bird et al., 2000; Риттвегер и др., 2006; Rittweger et al., 2009), предполагая, что состав ВКМ модулируется как внутренними, так и внешними стимулами.

В дополнение к интерстициальному матриксу внеклеточные базальные мембраны (BM) представляют собой специализированную форму пластинчатых ECM, к которым могут прикрепляться эпителиальные клетки и которые непосредственно взаимодействуют с эпителием и эндотелием. Эти мембраны в основном состоят из коллагена IV, ламининов, энтактина (также известного как нидоген) и гепарансульфатных протеогликанов (Erler and Weaver, 2009). BM играют ключевую роль в функции эпителиальных клеток, обеспечивая ориентиры для ориентации, которые помогают установить и поддерживать апикобазальную полярность и дифференцировку клеток.

Контроллер ЭСУД выполняет множество функций в дополнение к обеспечению поддержки конструкции. Макроскопически ECM физически разделяет клетки и органы и действует как защитная подушка - например, регулируя гидростатическое давление в тканях и органах. На микроскопическом уровне эта высокодинамичная молекулярная сеть также способна регулировать клеточное поведение посредством модуляции, среди прочего, пролиферации, организации цитоскелета, клеточной дифференциации и передачи сигналов рецепторами (Paszek and Weaver, 2004; Kass et al., 2007). Такие биохимические сигнальные механизмы "снаружи-внутрь" полагаются на точную пространственную организацию лигандов ECM для интеграции сложных сигналов регулируемым образом (Hynes, 2009). Биофизические свойства матрикса также регулируют клеточные механосенсорные пути - через глобальную жесткость субстрата (явление, определяемое как механотаксис или дуротаксис) (Lo et al., 2000; Wong et al., 2003; Hadjipanayi et al., 2009) или внеклеточное напряжение. (известный как тензотаксис) (Beloussov et al., 2000), который побуждает клетки обнаруживать изменения в биомеханике тканей и реагировать на них (Yu et al., 2010). Кроме того, ЕСМ также изолирует и, следовательно, действует как «локальное депо» для широкого спектра факторов роста и цитокинов. Например, повреждение ткани может запускать протеазную активность, приводя к быстрому высвобождению сигнальных молекул [таких как трансформирующий фактор роста-β (TGFβ) (Wipff et al., 2007; Wells and Discher, 2008)], что, в свою очередь, позволяет быстрая и локальная активация клеточных функций, опосредованная факторами роста, без синтеза de novo.

Функционально обособленные ткани и органы обладают ярко выраженными биомеханическими свойствами (рис. 1), которые могут изменяться в процессе развития или патогенеза (Butcher et al., 2009). Биомеханические свойства ЕСМ строго контролируются специфическим составом и концентрацией компонентов матрикса, а также посттрансляционными модификациями, такими как гликозилирование, трансглютаминирование и перекрестное связывание (Erler and Weaver, 2009).

Сшивание коллагена происходит как регулируемым, так и нерегулируемым образом, как правило, посредством ферментно-опосредованных или неферментно-опосредованных процессов, соответственно.Регулируемое перекрестное сшивание коллагена почти исключительно опосредуется лизилоксидазой (LOX) и семейством LOX секретируемых аминоксидаз (Csiszar, 2001; Kagan and Li, 2003) и в основном происходит во время процессов развития и заживления ран. Члены семейства LOX катализируют сшивание коллагенов (и эластина) посредством окислительного дезаминирования остатков лизина. Важность правильной экспрессии LOX и результирующего перекрестного связывания коллагена иллюстрируется тем фактом, что мыши с LOX-нокаутом умирают при рождении из-за коллапса их смертельно хрупкой диафрагмы и сердечно-сосудистой системы (Maki et al. , 2002; Хорнстра и др., 2003). Клинические проявления пониженной активности LOX (которая может быть результатом недостаточной ассимиляции меди в питательных веществах) также наблюдаются при двух Х-сцепленных рецессивно наследуемых заболеваниях: болезни Менкеса и синдроме затылочного рога (OHS) (Royce et al., 1980; Kaler et al., 1994). Остеолатиризм - это еще один дефицит сшивания коллагена, который вызывается хроническим приемом Lathyrus sativus , растения, богатого ингибитором LOX β-аминопропионитрилом (BAPN).Напротив, повышенные уровни активности LOX клинически связаны с повышенным фиброзом и могут быть обнаружены в сыворотках пациентов с циррозом печени (Murawaki et al., 1991; Kagan, 1994; Kagan, 2000). Было также показано, что хроническое повышение уровня циркулирующего LOX увеличивает перекрестное связывание коллагена и приводит к жесткости сердечных тканей, нарушая сердечную функцию (Sivakumar et al., 2008).

Рис. 1.

Вариации жесткости тканей. Биомеханические свойства ткани с точки зрения жесткости (модуля упругости), измеряемой в паскалях (Па), заметно различаются между органами и тканями и по своей сути связаны с функцией ткани. Механически статические ткани, такие как мозг или податливые ткани, такие как легкие, демонстрируют низкую жесткость, тогда как ткани, подверженные высокой механической нагрузке, такие как кость или скелетные мышцы, демонстрируют модули упругости с жесткостью, которая на несколько порядков больше.Онкогенез обычно связан с увеличением матрикса и жесткости тканей, как при раке груди. Адаптировано с разрешения Butcher et al. (Butcher et al., 2009).

Рис. 1.

Вариации жесткости тканей. Биомеханические свойства ткани с точки зрения жесткости (модуля упругости), измеряемой в паскалях (Па), заметно различаются между органами и тканями и по своей сути связаны с функцией ткани. Механически статические ткани, такие как мозг или податливые ткани, такие как легкие, демонстрируют низкую жесткость, тогда как ткани, подверженные высокой механической нагрузке, такие как кость или скелетные мышцы, демонстрируют модули упругости с жесткостью, которая на несколько порядков больше. Онкогенез обычно связан с увеличением матрикса и жесткости тканей, как при раке груди. Адаптировано с разрешения Butcher et al. (Butcher et al., 2009).

Неферментативное поперечное сшивание коллагена обычно происходит за счет гликирования (Schnider and Kohn, 1980) и трансглютаминирования (Mosher and Schad, 1979; Mosher et al., 1979) или в результате повышения уровней бигликана и протеогликана (Wiberg et al. ., 2003). Такое перекрестное связывание коллагена приводит к усилению жесткости ECM, хотя этот процесс происходит намного медленнее, чем его ферментативная альтернатива (Avery and Bailey, 2006). Однако структурные белки ЕСМ демонстрируют замечательную долговечность in vivo, часто измеряемую годами, а не часами для внутриклеточных белков: коллаген типов I и II в коже человека, суставном хряще и межпозвоночном диске демонстрирует 15-, 95- и 117-летнюю полувековую жизнь живет соответственно (Verzijl et al. , 2000; Sivan et al., 2008). В таком масштабе времени опосредованное гликированием перекрестное сшивание коллагена становится важным и, как считается, играет ключевую роль во многих возрастных заболеваниях, включая дегенеративное заболевание глаз, фиброз легких, артериальную жесткость и сердечно-сосудистые заболевания, а также нейродегенерацию; такие проявления все чаще ускоряются у пациентов с диабетом, у которых наблюдается хронически повышенный уровень глюкозы в крови (Bunn et al., 1978; Франк, 1991; Витек и др., 1994; Сасаки и др., 1998; Гленн и Ститт, 2009).

На микроскопическом уровне точная организация и ориентация компонентов ECM создает высокоорганизованную топологию, которая способствует функциональным свойствам матрицы (Paszek and Weaver, 2004; Kass et al., 2007). Хотя ранее предполагалось, что ECM представляет собой статическую структуру, которая изменяется только в ответ на рост или восстановление, теперь известно, что микроскопическая топология ECM определяется непрерывным динамическим ремоделированием, даже в то время как макроскопическая топология остается в основном неизменной. Такое ремоделирование регулируется тщательным балансом между синтезом матрикса, секрецией, модификацией и ферментативной деградацией. Компоненты ЕСМ разлагаются ферментами, разрушающими матрикс, включая гепараназу, катепсины, гиалуронидазы, матриптазы, различные сериновые и треониновые протеазы (Roycik et al., 2009) и большое суперсемейство метцинцинов, которое включает ADAM (дезинтегрин и металлопротеиназы), ADAMTS (ADAM с мотивами тромбоспондина) и матриксные металлопротеазы (MMP) и их ингибиторы [тканевый ингибитор MMP (TIMP)] (Mott and Werb, 2004).Строго контролируемый гомеостаз ВКМ чувствителен к измененной экспрессии этих протеаз, которая, если ее изменять в течение продолжительных периодов времени, может привести к чрезмерному ремоделированию ВКМ, что часто наблюдается как при фиброзных заболеваниях, так и при раке (см. Ниже) (Wynn, 2007; Butcher et al., 2009). Изменения в гомеостазе матрикса влияют не только на биохимические свойства матрикса, но и на результирующие биофизические свойства, которые имеют решающее значение для развития и нормального функционирования тканей.

Недавнее исследование было сосредоточено на том, как нарушения жесткости ECM могут влиять на поведение клеток ткани.Этот вопрос приобрел существенное значение в свете свидетельств того, что биомеханические свойства и, в частности, природа и сила натяжения трехмерной (3D) матрицы in vitro могут иметь важные последствия для клеточного поведения и могут действовать синергетически с биохимическими сигналами, влияющими на модулировать поведение клеток и тканей. Например, увеличение жесткости матрикса за счет увеличения концентрации коллагена усиливает напряжение цитоскелета, генерируемое Rho, что способствует сборке фокальной адгезии (FA) и увеличивает активацию ERK, зависящую от факторов роста (Paszek et al., 2005). Эпителиальные клетки молочных желез (MECs), выращенные в восстановленном BM (Matrigel), образуют поляризованные ацинусы молочных желез и дифференцируются в ответ на лактогенные гормоны способом, который повторяет ситуацию in vivo (Fig. 2) (Barcellos-Hoff et al., 1989). События трансформации заставляют клетки вторгаться в просвет ацинусов (Weaver et al., 1996), и, таким образом, систему можно использовать для моделирования туморогенеза. Исследования показали, что трансформация может быть вызвана увеличением жесткости матрикса BM [со 170 паскалей (Па) до 1200 Па] без изменения биохимического состава и регулируется посредством событий передачи сигналов, опосредованных интегрином и Rho-киназой.Эти механические изменения приводят к увеличению клеточного роста, потере полярности, увеличению контактов FA и активации киназы фокальной адгезии (FAK), винкулина и p130CAS, а также к нарушению целостности межклеточного соединения, что препятствует образованию просвета (Paszek et al. ., 2005).

Исследования экспрессии генов мезенхимальных стволовых клеток, нанесенных на матрицы разной степени соответствия, показали, что жесткость матрикса может приводить к клеточной дифференцировке по альтернативным линиям (Engler et al. , 2006; Discher et al., 2009). Кроме того, измененная экспрессия более чем 1500 генов с различными функциями наблюдалась в эпителиальных клетках молочных желез человека (HMECs) в ответ на нарушения жесткости матрикса (Alcaraz et al., 2008). Более того, исследования с использованием микроматриц показали, что изменения экспрессии генов, которые обычно связаны с сердечно-сосудистыми заболеваниями, происходят в клетках восходящей аорты в ответ на изменения артериальной жесткости (Durier et al., 2003).

Таким образом, биохимические и биофизические сигналы от ЕСМ напрямую влияют на клетки множеством способов, от транскрипции и контроля клеточного цикла до дифференцировки, миграции и межклеточных взаимодействий.Эти сигналы и клеточные ответы на них напрямую модулируются составом, структурой и организацией ECM. Как обсуждается в следующих разделах, точное исследование того, как генерируются различные сигналы ECM и, в свою очередь, как они вызывают клеточные реакции как в нормальной, так и в патологической среде, очень поможет нам понять прогрессирование заболевания.

Почти все клетки человеческого тела растут в организованных трехмерных матрицах, окруженных другими клетками как схожего, так и различного происхождения.Однако большинство экспериментов с клеточными культурами проводится с монокультурами в условиях 2D-адгезии. Хорошо известно, что клетки, выросшие в трехмерном тканевом контексте, находятся в различных механических и микроокружающих условиях, и именно сложное суммирование этих множественных сигналов определяет, подвергаются ли клетки таким процессам, как дифференцировка, апоптоз, пролиферация и инвазия. В 2D-монокультурах многие из этих сложных взаимодействий полностью теряются, а «органный контекст» игнорируется, что приводит к противоречивым сообщениям о клеточном ответе, который мы так часто видим в отношении фенотипа, клеточной передачи сигналов, миграции и ответа на лекарства.За последнее десятилетие становится все более очевидным, что клетки должны культивироваться в физиологически релевантном топографическом контексте, если они хотят физиологически релевантным образом реагировать на сигнальные молекулы (Weaver et al. , 1996; Weaver et al., 1997; Muthuswamy et al. al., 2001), так что как биохимические, так и биомеханические сигналы окружающей среды имитируют ситуацию in vivo.

В настоящее время существует множество трехмерных и квази-трехмерных систем in vitro, в которых клетки можно выращивать на трехмерных матрицах или внутри них.Компонентами матрикса, ремоделированием матрикса и жесткостью матрикса можно управлять для нарушения клеточного поведения, включая выживание, дифференциацию, миграцию и инвазию. Однако большинство обычных 3D-культур часто проводят в больших многолуночных планшетах, в которых объемы и размеры требуют большого количества клеток. Таким образом, все еще остается вопрос, обеспечивают ли эти системы макрокультуры соответствующий клеточный контекст для изучения сигналов окружающей среды.

Несмотря на достижения в методологиях культивирования клеток, необходимо также учитывать, что влияние матрицы на поток соединительной ткани (движение молекул через ткани) как в микро-, так и в макроскопическом масштабе также может нарушать пространственное распределение кислорода, метаболитов и других сигналов. молекулы.Следовательно, даже сложные трехмерные модели in vitro могут не отражать физиологические условия, обнаруженные in vivo (Schmeichel and Bissell, 2003; Pampaloni et al., 2007; Yamada and Cukierman, 2007). Градиенты биологических молекул обычно обнаруживаются в тканях и модулируются сосудистой сетью и ангиогенезом, но также прямо или косвенно посредством ECM. Градиенты кислорода и диффузия кислорода к клеткам являются основными детерминантами выживания клеток в 3D-культурах (Derda et al., 2009). В качестве более конкретного примера, не все клетки в солидной опухоли подвергаются воздействию одних и тех же сигналов микросреды: клетки на переднем крае опухоли получают больше питательных веществ и кислорода, более метаболически активны и с большей вероятностью подвергаются активной пролиферации и инвазии. чем те, которые ближе к ядру опухоли.Такое разнообразие в микроокружении опухоли, вероятно, способствует высокой гетерогенности популяций опухолевых клеток in vivo (Vaupel et al., 1989), и их трудно воспроизвести in vitro.

Рис. 2.

Моделирование эпителиальных клеток молочной железы in vitro. Схема, демонстрирующая моделирование эпителиальных клеток молочной железы (MEC) в 3D-анализах in vitro. МЭК образуют организованные и поляризованные структуры ацинусов при выращивании на реконструированной базальной мембране in vitro.Производство молока можно стимулировать за счет стимуляции лактогенными гормонами. Событие трансформации приводит к инвазии клеток в просвет. Повышенная инвазивная способность коррелирует с развитием неорганизованных и ветвящихся структур. Увеличение жесткости матрицы также может вызвать эти события. Адаптировано с разрешения Kass et al. (Kass et al., 2007) и Butcher et al. (Butcher et al., 2009).

Рис. 2.

Моделирование эпителиальных клеток молочной железы in vitro. Схема, демонстрирующая моделирование эпителиальных клеток молочной железы (MEC) в 3D-анализах in vitro. МЭК образуют организованные и поляризованные структуры ацинусов при выращивании на реконструированной базальной мембране in vitro. Производство молока можно стимулировать за счет стимуляции лактогенными гормонами. Событие трансформации приводит к инвазии клеток в просвет. Повышенная инвазивная способность коррелирует с развитием неорганизованных и ветвящихся структур. Увеличение жесткости матрицы также может вызвать эти события. Адаптировано с разрешения Kass et al. (Kass et al., 2007) и Butcher et al. (Бутчер и др., 2009).

Несомненно, что лучший способ точно изучить участие взаимодействий клетка-ECM в заболевании - это in vivo. Мышиные модели болезни предоставили прекрасное биохимическое понимание механизмов, лежащих в основе множества заболеваний, включая фиброз и прогрессирование рака (обсуждается позже). Однако многие исследования in vivo сосредоточены в первую очередь на манипулировании клеточными аспектами, а не непосредственно на ECM. Методологические ограничения обычно исключают экспериментальное нарушение структуры ВКМ in vivo, и, как таковые, большинство манипуляций с ВКМ вызываются косвенно и обеспечивают ограниченную возможность точного контроля биохимических и биомеханических изменений. Примеры включают манипулирование матричным перекрестным связыванием путем модуляции экспрессии и / или активности LOX (Erler et al., 2006; Erler et al., 2009; Levental et al., 2009) или влияние на деградацию ECM путем нокаута MMP или путем манипулирование экспрессией или активностью ТИМП (Sternlicht and Werb, 2001; Egeblad and Werb, 2002).Многие подходы in vivo также требуют сложных и чувствительных методов визуализации и количественной оценки, чтобы максимизировать информацию, которая может быть получена относительно динамики взаимодействий клетка-ECM (обсуждается ниже).

Благодаря тщательному объединению трехмерных моделей in vitro и in vivo стало возможным проанализировать многие аспекты взаимодействий клетка-ECM. Этот подход позволил изучить белки, которые участвуют во взаимодействиях клетка-ECM, роль механочувствительных путей и путей передачи сигналов, а также их влияние на клеточный цикл, поведение, фенотип, миграцию и инвазию (для обзора см. Kumar and Уивер, 2009).

Для значимого изучения эффектов ЕСМ на клеточное поведение in vitro необходимо управлять и количественно оценивать биохимические и биомеханические свойства ЕСМ контролируемым образом. Например, жесткость матрицы можно легко регулировать in vitro путем наложения тонкого слоя матрицы на любой настраиваемый полиакриламид (Wong et al., 2003; Paszek et al., 2005; Levental et al., 2009) или полидиметилсилоксановые (PDMS) (Cortese et al., 2009) подложки с определенной заранее заданной жесткостью. Жесткость матрикса также можно модулировать in vitro посредством модуляции поперечного сшивания in situ нативных компонентов ЕСМ (Butcher et al., 2009) либо ферментативно, используя LOX (Erler et al., 2009) и белки семейства LOX (Barry-Hamilton et al. al., 2010) или посредством неферментативных реакций, таких как гликирование с использованием рибозы или глюкозы (Paszek et al., 2005; Erler et al., 2006; Kass et al., 2007; Erler et al., 2009; Левенталь и др., 2009). Свойства ECM также можно аналогичным образом модулировать in vivo, в некоторой степени, либо за счет сверхэкспрессии перекрестно-связывающих ферментов, таких как LOX, либо путем ингибирования ферментов, разрушающих матрикс (Erler et al., 2006; Ahn and Brown, 2008; Levental и др., 2009). Такие процессы, как фиброз, можно вызвать с помощью облучения или других агентов, таких как блеомицин, чтобы вызвать фиброз легких, и четыреххлористого углерода или диметилнитрозамина, чтобы вызвать фиброз печени. Эти методы лечения вызывают быстрые воспалительные и фиброзные реакции в органах-мишенях, что приводит к увеличению отложения ВКМ и ремоделированию, имитирующему патологическое прогрессирование заболевания.Такие подходы значительно облегчили идентификацию ключевых игроков, которые опосредуют прогрессирование фиброзного заболевания (Kagan, 1994; Ebihara et al., 2000; Friedman, 2004; Pardo and Selman, 2006; Iredale, 2007).

Количественная оценка свойств ECM является требованием для понимания функциональных эффектов сложных процессов ремоделирования. Изменения в составе и жесткости матрикса можно измерить in vitro, in vivo и ex vivo.Общие методы включают окрашивание тканей на биохимические маркеры с помощью иммуногистохимии или иммунофлуоресценции для характеристики изменений в составе ЕСМ. Кроме того, гистологические методы, такие как использование трихрома Массона и пикросириуса красного для окрашивания коллагенов, могут быть использованы для изучения структуры коллагена и количественной оценки линеаризации и ориентации коллагена (Levental et al., 2009) (см. Рис. 3). Хотя такие стандартные процедуры могут предоставить очень информативные данные об изменениях матрицы во время развития и прогрессирования заболевания, они дают только статический снимок ECM и не могут фиксировать его сложную динамику.Чтобы устранить это ограничение, специальные методы [такие как эхокардиография и соноэластография (с использованием звука) и визуализация второй гармоники (SHG; с использованием света) с двухфотонной микроскопией целых тканей ex vivo и in vivo] могут использоваться для анализа ECM, в частности структуры коллагена и количественно оценить линеаризацию коллагена неинвазивным способом (Levental et al., 2009). Точно так же эти методы использовались для мониторинга взаимодействия эпителиальных и стромальных клеток с опухолями, а также инициирования ремоделирования коллагена (Brown et al., 2003; Кондилис и Сегалл, 2003; Perentes et al., 2009; Вольф и др., 2009). Однако наиболее важной является способность отслеживать события во временном масштабе, а не полагаться на анализы конечных точек, чтобы помочь понять как динамику ECM, так и результирующее поведение клеток. Недавняя работа Giampieri et al. с использованием неинвазивной прижизненной визуализации SHG идентифицирована парадигматическая роль TGFβ во время промежуточных стадий прогрессирования опухоли. В этой работе подчеркивается, как временные переключатели в экспрессии TGFβ, вызванные локальными сигналами микроокружения, могут драматически влиять на миграцию клеток, проникновение в кровеносную и лимфатическую системы и колонизацию вторичных участков (Giampieri et al., 2009).

Такие методы, как атомно-силовая микроскопия (АСМ), могут быть использованы для создания изображений структуры внеклеточного матрикса с чрезвычайно высоким разрешением (Graham et al., 2010), а с предстоящими экспериментами по модальности картирования сил, на которые способны многие атомно-силовые микроскопы, Для оценки упругости и жесткости матрицы в микронном масштабе можно проводить измерения местных сил. Неразрушающую тканевую АСМ можно проводить на стандартных криосрезах таким образом, чтобы сохранять биомолекулярную структуру и позволять визуализировать как внутри-, так и внеклеточную структуру с разрешением от микрометров до нанометров.Благодаря неразрушающему характеру метода экспериментальное вмешательство может применяться как до, так и после визуализации и, что более важно, позволяет комбинировать ультраструктурную визуализацию с современными методами клинико-патологической микроскопии (Graham et al., 2010).

Также представляют интерес вязкоупругие (т.е. зависящие от времени) свойства тканей и матрикса на клеточном уровне. Реология сдвига - это стандартный метод, используемый для измерения ECM и жесткости тканей на макроскопическом уровне.В простейшем случае этот подход измеряет напряжение и деформацию кручения, по которым можно рассчитать модуль упругости (в Па) как функцию скорости деформации. В то же время измерения механического сжатия и нано-вдавливания (обычно применяемые средства тестирования механических свойств материалов путем вдавливания исследуемого материала алмазным наконечником при измерении реакции силы-смещения) также могут обеспечить измерения с высоким разрешением матрица и эластичность ткани, поскольку нано-вдавливание может достигать разрешения по горизонтали около 15 мкм (Akhtar et al., 2009b). Однако общая проблема всех этих методов заключается в том, что метод опроса может сильно повлиять на результат, поэтому необходимо тщательно продумать экспериментальный план; Значения жесткости обычно рассчитываются как функция экспериментальных измерений и зависят именно от того, как и какие переменные измеряются.

Рис. 3.

Генерация второй гармоники (ГВГ) линеаризации коллагеновых фибрилл во время онкогенеза молочной железы. Изображения представляют собой целые нефиксированные молочные железы мышей MMTV-neu [которые несут активированный онкоген neu , управляемый промотором вируса опухоли молочной железы мыши (MMTV)] и показывают, что линейность коллагеновых фибрилл увеличивается с прогрессированием злокачественного новообразования, что коррелирует с увеличением жесткость тканей. Стрелки указывают на линеаризованные фибриллы коллагена. Изображение адаптировано с разрешения Levental et al. (Левенталь и др., 2009).

Рис. 3.

Генерация второй гармоники (ГВГ) линеаризации коллагеновых фибрилл во время туморогенеза молочной железы. Изображения представляют собой целые нефиксированные молочные железы мышей MMTV-neu [которые несут активированный онкоген neu , управляемый промотором вируса опухоли молочной железы мыши (MMTV)] и показывают, что линейность коллагеновых фибрилл увеличивается с прогрессированием злокачественного новообразования, что коррелирует с увеличением жесткость тканей. Стрелки указывают на линеаризованные фибриллы коллагена. Изображение адаптировано с разрешения Levental et al. (Левенталь и др., 2009).

Хотя описанные выше методы обеспечивают точные и полезные количественные данные о биомеханических свойствах матрикса и ткани, большинство из них обычно считаются инвазивными и / или деструктивными методами (Gueta et al., 2006). Следовательно, существует необходимость в разработке методов измерения эластичных свойств и жесткости тканей и матрикса неинвазивным способом для клинического применения. Эластичные свойства тканей - один из элементов, обеспечивающих контраст изображения в таких технологиях, как магнитно-резонансная и ультразвуковая эластография, которые обычно используются в клинике (Barbone and Bamber, 2002). Например, клиническая визуализация in vivo злокачественных опухолей молочной железы при эластографии обычно кажется более жесткой, чем доброкачественные опухоли молочной железы; в частности, ореол более жесткой ткани часто наблюдается на краю опухоли (инвазивном) краю опухоли (Джефф Бамбер, личное сообщение).Эти наблюдения могут оказаться неоценимыми при выборе режима лечения у постели больного. Однако на стенде наука стремится дать количественную оценку таким наблюдениям, чтобы лучше понять, как биомеханика тканей связана с прогрессированием заболевания.

Новые технологии, основанные на флуоресцентном резонансном переносе энергии (FRET) (Jiang et al., 2004), магнитно-резонансной томографии (MRI), позитронно-эмиссионной томографии (PET) и однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT) (обзор см. В Scherer и другие., 2008a) разрабатываются для изображения динамического статуса ремоделирования ECM, включая визуализацию активности MMP (Scherer et al., 2008b; Littlepage et al., 2010). Аналогичным образом, достижения в области μ-ультразвука, оптической когерентной томографии (ОКТ), оптической акустической микроскопии и сканирующей акустической микроскопии (SAM) (Akhtar et al., 2009a) в настоящее время разрабатываются для облегчения количественного измерения и визуализации жесткости в микроскопическом масштабе ( Джефф Бамбер, личное сообщение) (Low et al., 2006).Кроме того, повышение разрешения и универсальности многих из вышеперечисленных методов станет возможным с помощью улучшенных контрастных агентов, таких как так называемые `` умные зонды '', которые представляют собой контрастные вещества для МРТ, которые можно использовать для изучения компонентов ВКМ (Spuentrup et al. , 2005; Stracke et al., 2007; Miserus et al., 2009), растворимые белки, такие как факторы роста и ММП (Tsien, 2005; Scherer et al., 2008a; Scherer et al., 2008b), специфические иммунные или популяции опухолевых клеток (Reynolds et al., 2006; Korosoglou et al., 2008; McAteer et al., 2008; Radermacher et al., 2009), и даже физиологические условия, такие как гипоксия (рис. 4) (McPhail and Robinson, 2010). Эти контрастные вещества обычно очень селективны, специфичны и подвергаются усиленной активации при взаимодействии со своей мишенью. Таким образом, новые методы, которые отображают динамику взаимодействий клетка-ECM для неинвазивной количественной оценки ремоделирования ECM на субмиллиметровом уровне - и, что более важно, во временном масштабе - в конечном итоге предоставят дополнительные ресурсы для фундаментальных исследований и клиника.

Фиброз ткани является результатом аномальной реакции на повреждение органа или раздражение и обычно характеризуется гиперпролиферацией фибробластов, их дифференцировкой в ​​миофибробласты и чрезмерным синтезом и секрецией внеклеточного матрикса. Усиление синтеза, сборки и последующего перекрестного связывания ECM приводит к изменению биохимических и биомеханических свойств матрикса, нарушая нормальную функцию тканей и способствуя дальнейшему прогрессированию заболевания.Становится все более очевидным, что важно различать повышенные количества и повышенные концентрации компонента ECM в прогрессировании заболевания, как впервые было подчеркнуто в исследовании Cattell и соавторов (Cattell et al., 1996). В их исследовании концентрации коллагена и эластина в аорте увеличивались с возрастом, тогда как абсолютные количества уменьшались. Авторы связывают это несоответствие с возрастной дифференцированной потерей других компонентов ткани. Соответственно, в старых костях, коже и груди со временем снижается отложение коллагена и увеличивается активность ММП (Butcher et al., 2009). Однако это сопровождается увеличением жесткости ткани (т.е. потерей эластичности) и, вероятно, связано с непропорциональным увеличением несоответствующего посттрансляционного перекрестного сшивания и модификации белков ЕСМ, например, путем гликирования (обсуждалось ранее). При фиброзных заболеваниях, таких как фиброз легких, цирроз печени, сердечно-сосудистые заболевания и системный склероз, данные свидетельствуют о том, что конститутивная активация секретирующих коллаген миофибробластоподобных клеток в конечном итоге отвечает за увеличение количества и концентрации коллагена.В таких случаях эти клетки могут синтезировать и секретировать избыточные компоненты ВКМ, особенно коллагены, что приводит к повышенной жесткости тканей и прогрессирующей дисфункции органов.

Рис. 4.

Визуализация биомеханических свойств матрицы. Опухоли груди обычно идентифицируются по изменениям в механике тканей, которые могут быть обнаружены физически, посредством сердцебиения или с помощью методов визуализации, которые используют изменения, связанные с опухолью.(A, B) Изображения опухоли груди человека, идентифицированные с помощью ультразвуковой эхограммы (A) и изображения эластографии молочной железы (B). Пунктирные линии примерно очерчивают визуализированную границу поражения. Эластограмма, по-видимому, показывает большую видимую ширину поражения, но аналогичную высоту по сравнению с эхограммой. Это, по-видимому, связано с боковыми выступами, которые соответствуют десмопластической реакции, связанной с местной инвазией, которая использует преимущества существующей анатомии протоков и сосудов. (C, D) МРТ-изображения 1-метил-1-нитрозомочевины (MNU) -индуцированного рака молочной железы у крысы.Здесь не только изменения в ECM опухоли обеспечивают повышенный контраст тканей, но и внутренняя восприимчивость МРТ использует парамагнитные свойства дезоксигемоглобина в эритроцитах. Таким образом, дезоксигемоглобин действует как внутренний контрастный агент, зависящий от уровня оксигенации крови, что дополнительно подчеркивает сильно сосудистую природу опухолей. Ультразвуковые и эластографические изображения любезно предоставлены Джеффом Бамбером (Институт исследований рака, Великобритания). Изображения МРТ любезно предоставлены Саймоном П.Робинсон (Институт исследования рака, Великобритания).

Рис. 4.

Визуализация биомеханических свойств матрикса. Опухоли груди обычно идентифицируются по изменениям в механике тканей, которые могут быть обнаружены физически, посредством сердцебиения или с помощью методов визуализации, которые используют изменения, связанные с опухолью. (A, B) Изображения опухоли груди человека, идентифицированные с помощью ультразвуковой эхограммы (A) и изображения эластографии молочной железы (B). Пунктирные линии примерно очерчивают визуализированную границу поражения.Эластограмма, по-видимому, показывает большую видимую ширину поражения, но аналогичную высоту по сравнению с эхограммой. Это, по-видимому, связано с боковыми выступами, которые соответствуют десмопластической реакции, связанной с местной инвазией, которая использует преимущества существующей анатомии протоков и сосудов. (C, D) МРТ-изображения 1-метил-1-нитрозомочевины (MNU) -индуцированного рака молочной железы у крысы. Здесь не только изменения в ECM опухоли обеспечивают повышенный контраст тканей, но и внутренняя восприимчивость МРТ использует парамагнитные свойства дезоксигемоглобина в эритроцитах.Таким образом, дезоксигемоглобин действует как внутренний контрастный агент, зависящий от уровня оксигенации крови, что дополнительно подчеркивает сильно сосудистую природу опухолей. Ультразвуковые и эластографические изображения любезно предоставлены Джеффом Бамбером (Институт исследований рака, Великобритания). Изображения МРТ любезно предоставлены Саймоном П. Робинсоном (Институт исследования рака, Великобритания).

Вариации в составе ВКМ существенно влияют на биомеханические свойства ткани, что ясно видно при фиброзных заболеваниях (Birk and Bruckner, 2005).Например, эластиновые и коллагеновые волокна образуют основные структурные компоненты соединительнотканного матрикса легких, но их эластические свойства заметно различаются; модуль упругости коллагеновых фибрилл находится в районе 1200 мегапаскалей (МПа), тогда как модуль эластина ближе к 1 МПа (Sherratt et al., 2003; Akhtar et al., 2009a). Вместе они образуют в легких непрерывную сеть, которая обеспечивает силы, необходимые для пассивной отдачи во время выдоха. Во время легочного фиброза увеличение количества и концентрации коллагена приводит к изменениям в механике тканей и, в частности, к потере эластических свойств, что приводит к прогрессирующей одышке (одышке) (обзоры см. В Rocco et al., 2001; Суки и Бейтс, 2008 г.).

При легочном фиброзе важным источником активированных миофибробластоподобных клеток являются циркуляторные фиброциты, происходящие из костного мозга (Keeley et al., 2009). В нормальных условиях эти фиброциты проникают в легкие и способствуют заживлению ран вместе с резидентными мезенхимальными клетками. Было показано, что у мышей C-X-C хемокиновый рецептор 4 (CXCR4) и C-C хемокиновые рецепторы 2 и 7 (CCR2 и CCR7) опосредуют заживление легких и фиброз, рекрутируя эти фиброциты (Phillips et al., 2004; Мур и др., 2005; Strieter et al., 2007). Во время цирроза печени звездчатые клетки печени обеспечивают источник миофибробластоподобных клеток и, как было показано, вносят вклад в фиброзный ответ, который приводит к портальной гипертензии и печеночной недостаточности (Iredale, 2007). В таких ситуациях баланс продуцирования матрикса и деградации указывает на его продуцирование, чему может способствовать сверхэкспрессия ТИМП или потеря экспрессии ММП, что приводит к неполному ремоделированию матрикса и необратимому фиброзу (Issa et al., 2004).

Неправильная активация фибробластов может также проявляться в виде других фиброзных заболеваний, таких как системный склероз (SSc). Было показано, что фибробласты, экспериментально эксплантированные из фиброзных легких или кожных поражений пациентов с SSc, обладают конститутивно активированным миофибробластоподобным фенотипом, что дополнительно указывает на то, что этот тип клеток является основной причиной заболевания (Varga and Abraham, 2007). Считается, что при SSc конститутивная активация миофибробластоподобных клеток является результатом циркулирующих аутоантител, фактора роста соединительной ткани (CTGF) и интерлейкина-6 (IL-6), продуцируемых в ответ на вирусные инфекции (Markiewicz et al., 2004; Авраам и Варга, 2005; Hasegawa et al., 2005). Аутокринная передача сигналов TGFβ и TGFβ- и SMAD3-независимые механизмы также участвуют в активации фибробластов (Kaviratne et al., 2004; Moustakas and Heldin, 2005). TGFβ также участвует в ремоделировании ВКМ, сопровождающем артериальную гипертензию. Устойчивая гипертензия приводит к структурным и функциональным изменениям ЭКМ сердца и сосудов, что в конечном итоге приводит к прогрессирующей дисфункции. Локальные уровни TGFβ регулируются активированными макрофагами и миофибробластами в сосудах и вокруг них; Затем TGFβ действует аутокринным образом, способствуя дифференцировке и активации фибробластов в миофибробласты и дополнительно индуцируя продукцию TGFβ.Это приводит к увеличению выработки и секреции интерстициальных коллагенов, фибронектина и протеогликанов, что приводит к чрезмерному отложению ВКМ, жесткости тканей и, в конечном итоге, рубцеванию внутри сердца (Li et al., 1997; Denton and Abraham, 2001; Rosenkranz et al. , 2002; Watanabe et al., 2005; Wynn, 2007).

Развитие опухоли - это сложный, динамичный и прогрессивный процесс, в котором задействованы как клеточные, так и экологические сигналы.Микроокружение опухоли механически и биологически активно и, что более важно, динамично, что подчеркивается тем фактом, что оно непрерывно и прогрессивно ремоделируется (Yu et al., 2010). Хорошо известно, что взаимодействие между клетками и измененной микросредой может вызывать злокачественные новообразования. И наоборот, опухолевые клетки могут манипулировать своим микроокружением для увеличения собственной выживаемости, тем самым создавая положительную канцерогенную петлю обратной связи. Таким образом, было предложено, чтобы однажды возникшие опухоли считались функционально обособленными органами (Bissell and Radisky, 2001).Интересно, что клетки с онкогенным генотипом могут стать фенотипически нормальными, если соответствующим образом манипулировать окружающей средой, и появляется все больше доказательств того, что можно было бы восстановить агрессивные клеточные линии рака груди до почти нормального фенотипа, манипулируя сигналами окружающей среды и одновременно подавляя множественные сигнальные пути (Bissell, Radisky, 2001). Таким образом, становится все более очевидным, что опухоли следует изучать в физиологически значимом контексте.

Давно известно, что происходящий из опухоли ECM биохимически отличается по своему составу от нормального ECM. Кроме того, отчеты показали, что строма опухоли обычно жестче, чем нормальная строма (∼400 Па по сравнению с 150 Па, соответственно), и что ткань рака груди может быть в десять раз жестче, чем нормальная ткань груди (150 Па против 1,5 кПа, соответственно) ( Kass et al., 2007; Butcher et al., 2009; Левенталь и др., 2009). Совсем недавно в предзлокачественной ткани наблюдались повышенная жесткость матрикса и ремоделирование ВКМ (~ 350 Па в предзлокачественной ткани по сравнению со 150 Па в нормальной ткани), и было показано, что это увеличение способствует злокачественной трансформации в груди (Levental et al. ., 2009). Выраженные изменения гомеостаза внеклеточного матрикса, которые в некоторых отношениях имитируют те, которые возникают при фиброзных заболеваниях, играют решающую роль в прогрессировании опухоли. Они возникают из-за нарушения баланса между синтезом и секрецией ВКМ, а также из-за изменений нормальных уровней ферментов ремоделирования матрикса, таких как LOX (Payne et al., 2007) и ММП (Jodele et al., 2006; Strongin, 2006; Kessenbrock et al., 2010).

Как обсуждалось ранее, LOX связывает вновь синтезированный коллаген, и его экспрессия и активность повышаются в ответ на увеличенное отложение коллагена. Повышенная экспрессия LOX в значительной степени коррелирует с метастазированием и снижением выживаемости у онкологических больных и у мышей с моделями рака (Erler et al., 2006), а LOX подтвержден как прогностический маркер у пациентов с раком головы и шеи (Le et al., 2007; Le et al., 2009). Повышенная активность LOX приводит к увеличению жесткости ВКМ (Levental et al., 2009) и, как было показано, увеличивает инвазивность многих типов раковых клеток (Kirschmann et al., 2002; Erler et al., 2006; Erler et al., 2009 г.). Роли LOX- и LOX-опосредованных модификаций матрикса суммированы на рис. 5. Хотя точные механизмы, с помощью которых активность LOX способствует инвазивности, еще предстоит выяснить, предполагается, что они включают повышенную адгезию клеточного матрикса, увеличение кластеризации интегрина и активацию FAK ( Payne et al., 2005; Erler et al., 2006). Интегрины являются одним из наиболее широко изученных семейств механочувствительных белков и сильно вовлечены в прогрессирование опухоли (Baker and Zaman, 2010). Изменяя свою авидность, конформацию, кластеризацию и набор, интегрины передают биомеханические сигналы, модулируя внутриклеточные сигнальные каскады. В частности, увеличение жесткости ECM внутри и вокруг опухолей ведет к увеличению кластеризации интегринов (Paszek et al., 2005), что приводит к усилению механотрансдукции, что, следовательно, способствует миграции клеток.Подробное обсуждение интегринов при раке выходит за рамки этой статьи (недавний обзор см. Desgrosellier and Cheresh, 2010).

Рис. 5.

Роль LOX в прогрессировании опухоли. Схема, суммирующая роль LOX в прогрессировании опухоли. (1) Повышенная экспрессия LOX из стромальных клеток приводит к увеличению линеаризации коллагена и жесткости тканей в предраковых тканях.Эти изменения увеличивают заболеваемость опухолью и опухолевую нагрузку, а также вызывают злокачественное прогрессирование. (2) LOX, секретируемый гипоксическими опухолевыми клетками, увеличивает инвазию, способствуя метастатическому распространению. (3) LOX, секретируемый гипоксическими опухолевыми клетками, накапливается в отдаленных местах будущих метастазов и рекрутирует BMDC для формирования дометастатической ниши. Это значительно способствует образованию и росту метастазов. (4) Опухолевые клетки, экспрессирующие LOX, обладают повышенной способностью колонизировать отдаленные органы и образовывать метастазы. LOX, секретируемый как опухолевыми, так и стромальными клетками, поддерживает метастатический рост опухоли.Адаптировано с разрешения Erler and Giaccia (Erler and Giaccia, 2008).

Рис. 5.

Роль LOX в прогрессировании опухоли. Схема, суммирующая роль LOX в прогрессировании опухоли. (1) Повышенная экспрессия LOX из стромальных клеток приводит к увеличению линеаризации коллагена и жесткости тканей в предраковых тканях. Эти изменения увеличивают заболеваемость опухолью и опухолевую нагрузку, а также вызывают злокачественное прогрессирование. (2) LOX, секретируемый гипоксическими опухолевыми клетками, увеличивает инвазию, способствуя метастатическому распространению.(3) LOX, секретируемый гипоксическими опухолевыми клетками, накапливается в отдаленных местах будущих метастазов и рекрутирует BMDC для формирования дометастатической ниши. Это значительно способствует образованию и росту метастазов. (4) Опухолевые клетки, экспрессирующие LOX, обладают повышенной способностью колонизировать отдаленные органы и образовывать метастазы. LOX, секретируемый как опухолевыми, так и стромальными клетками, поддерживает метастатический рост опухоли. Адаптировано с разрешения Erler and Giaccia (Erler and Giaccia, 2008).

MMP разрушают ECM и участвуют в стимулировании воспалительной реакции, ремоделировании нормальной ткани, заживлении ран и ангиогенезе.Однако их экспрессия часто сильно повышается во многих солидных опухолях, и устойчивое присутствие этих протеаз (которые могут продуцироваться активированными стромальными клетками, проникающими в клетки врожденного иммунитета и раковые клетки в микроокружение опухоли) в сочетании с повышенным синтезом и секрецией ECM. , приводит к прогрессирующему разрушению нормального ECM и его замене ECM, происходящим из опухоли. Эта деградация и возникающие в результате новые сигналы микросреды стимулируют механизмы пролиферации и апоптоза, которые, как считается, приводят к отбору устойчивых к апоптозу опухолевых клеток с повышенным инвазивным потенциалом (Sethi et al., 1999; Кусенс и Верб, 2001; Мициадес и др., 2001). Однако совсем недавно было показано, что ММП регулируют не только оборот ECM, но также пути передачи сигналов в клетках, контролирующие рост клеток, воспаление и ангиогенез. Они также могут действовать непротеолитическим образом через различные некаталитические домены (Dufour et al., 2008; Glasheen et al., 2009; Sakamoto and Seiki, 2009) (для обзора см. Kessenbrock et al., 2010) .

Это особенно важно, потому что уровни экспрессии и активности ММР повышены в клетках, находящихся в среде опухоли.MMP1 (также известная как коллагеназа-1) разрушает коллаген IV, и его экспрессия увеличивается в высокометастатических раковых клетках (Morikawa et al., 1988; Chakraborti et al., 2003). Сходным образом сверхэкспрессия MMP2 была показана в трансформированных эпителиальных клетках молочных желез, тогда как избыточная экспрессия MMP3, MMP11, MMP12 и MMP13 была продемонстрирована в строме опухоли (Butcher et al., 2009). Полиморфизмы промотора MMP3 человека, которые увеличивают его экспрессию, были клинически связаны с увеличением заболеваемости опухолями, что подчеркивает важную природу MMPs при раке (Biondi et al., 2000). В соответствии с этим трансгенные мыши, сверхэкспрессирующие MMP3, обнаруживают повышенную десмоплазию (рост фиброзной или соединительной ткани), обнаруживают аномальное и дефектное ветвление эпителия молочных желез и развивают опухоли с генетическими аномалиями (Sternlicht et al., 1999). Деградация MMP ECM не только облегчает перемещение клеток, но также генерирует многочисленные биоактивные расщепленные пептиды и высвобождает факторы роста и хемокины, которые содержатся в ECM (Egeblad and Werb, 2002).

Большая часть повышенной жесткости опухоли и прилегающих тканей происходит в результате увеличения отложений ECM. Коллаген I типа и фибронектин являются наиболее распространенными и многочисленными компонентами ВКМ, депонируемыми при раке (Provenzano et al., 2008) в результате десмоплазии. Это приводит к повсеместной плотной фиброзной ткани, которая обычно окружает опухоль, увеличивая локальную жесткость ткани. Обычно это связано только со злокачественными опухолями и редко наблюдается при доброкачественных опухолях (Butcher et al., 2009). Механизмы и ключевые игроки, участвующие в опухолевом фиброзе, во многом такие же, как и в патологическом фиброзе. Например, сообщалось, что CCL2, CXCR4, CCR2, CCR7, TGFβ, CTGF и IL-6 играют роль в прогрессировании опухоли и связанном с ней фиброзе (Ben-Baruch, 2006; Stover et al., 2007; Massague, 2008). ; Aggarwal, Gehlot, 2009; Bennewith et al., 2009). Было показано, что другие белки ЕСМ, такие как фибронектин, тенасцин, декорин, фибромодулин, SPARC, люмикан и остеопонтин, участвуют в развитии опухоли, изменяя как биохимические, так и биомеханические свойства опухолевого ЕСМ; точная роль этих белков в прогрессировании опухоли в настоящее время исследуется (Oldberg et al., 2007; Хайнс, 2009; Klotzsch et al., 2009; Арнольд и др., 2010).

Ремоделирование BM также часто связано с раком и, более того, со злокачественным прогрессированием и метастатическим распространением. Нарушение BM отменяет апикобазальную полярность, а также позволяет опухолевым клеткам покинуть первичную опухоль. Ремоделирование фибриллярных коллагенов, окружающих опухоль, также наблюдается и связано с метастатическим прогрессированием (рис.3). Линеаризация и переориентация коллагеновых волокон, окружающих клетки на инвазивном фронте опухоли, является классическим примером злокачественной трансформации (Levental et al., 2009) и метастатической диссеминации (Provenzano et al., 2006), а трансформированные эпителиальные клетки молочной железы часто являются обнаруживается на пучках линейных коллагеновых волокон, прилегающих к кровеносным сосудам (Ingman et al., 2006). В соответствии с этим прижизненная визуализация показала, что опухолевые клетки могут перемещаться по этим перестроенным коллагеновым волокнам, облегчая проникновение через ткани и интравазацию в кровоток (Condeelis and Pollard, 2006).

Как обсуждалось, изменения в микросреде опухоли посредством ремоделирования ECM важны для метастатического распространения. В частности, нарушение нормального ECM и его замена опухолевым ECM в микросреде приводит к измененным физиологическим сигналам, которые действуют как ключевые факторы злокачественного прогрессирования. Выше мы обсуждали роль ЕСМ в развитии опухоли в первичной локализации; совсем недавно ремоделирование ВКМ, опосредованное первичной опухолью, было вовлечено в системное присвоение будущих участков метастазирования - так называемых дометастатических ниш.

Мы недавно продемонстрировали критическую роль секретируемых опухолями LOX и ремоделирования матрикса в формировании дометастатических ниш (Erler et al., 2009). Мы показали, что управляемое опухолью ремоделирование ЕСМ и повышение жесткости матрикса на участках, удаленных от первичной опухоли, зависят от LOX и действуют для рекрутирования клеток, полученных из костного мозга (BMDC), а также для облегчения колонизации и роста опухолевых клеток. Одновременно повышение жесткости матрикса либо ферментативно (с помощью LOX), либо химически (за счет гликирования) увеличивает инвазивность BMDC-предшественников миелоидов (CD11b + ) и увеличивает активность MMP in vitro (Erler et al., 2009).

Другой компонент ВКМ, фибронектин, играет важную роль в формировании дометастатической ниши. Через 3 дня после имплантации ортотопической опухоли в метастатических органах-мишенях наблюдаются повышенная экспрессия фибронектина фибробластов легких (Kaplan et al., 2005) и повышенное отложение фибронектина, секретируемое опухолью (Erler et al., 2009), что указывает на то, что по крайней мере некоторые из них фибронектин, наблюдаемый в дометастатических нишах, поступает непосредственно из опухолей.Вышеупомянутые агрегаты BMDC [многие из которых экспрессируют рецептор фибронектина VLA-4 (также известный как α4β1)] также обнаружены рядом с областями повышенного фибронектина, что указывает на потенциальный механизм их сайт-специфического рекрутирования и роли в преметастатической нише. формирование.

Хотя метастазирование традиционно описывалось как автономное распространение клеток-отступников по всему телу, теперь становится ясно, что это уже не так.Понятно, что ремоделирование ВКМ имеет решающее значение для облегчения выхода первичной опухоли, но теперь также очевидно, что успешная колонизация вторичных участков метастазирования частично зависит от правильного присвоения локальной среды посредством ремоделирования ВКМ, что приводит к созданию ниш. которые допускают колонизацию и рост опухолевых клеток. Возможность того, что опухолевые клетки могут достичь этого систематического присвоения, прежде чем они попадут в место, еще больше подчеркивает терапевтический потенциал нацеливания на ремоделирование ECM для предотвращения метастатического распространения солидных опухолей.

Нарушение регуляции гомеостаза ВКМ является общим движущим фактором как фиброзных заболеваний, так и рака. В соответствии с этим, проявления этих заболеваний могут перекрываться: было показано, что фиброз органов вызывает злокачественную трансформацию, а ассоциированные с раком фиброз и десмоплазия участвуют в росте первичной опухоли и метастатическом распространении. Например, давно известно, что существует четкая клиническая корреляция между плотностью ткани груди и риском рака (Wolfe, 1976b; Wolfe, 1976a; Boyd et al., 2002; Boyd et al., 2007). Однако, хотя существует множество методов лечения рака, в настоящее время нет одобренных методов лечения, которые непосредственно воздействуют на механизмы фиброза. Учитывая, что ECM играет ключевую роль в прогрессировании обоих типов заболеваний, ниже мы обсудим потенциал ECM как терапевтической мишени.

Нацеливание на ферменты ремоделирования ВКМ для предотвращения изменений в гомеостазе ВКМ, которые способствуют прогрессированию заболевания, вызвало большой интерес с точки зрения разработки антифибротических методов лечения и в настоящее время становится все более привлекательным терапевтическим подходом для предотвращения прогрессирования рака.Однако эта стратегия непроста: например, ранние попытки лечения гипертрофических фиброзных рубцов и келоидных рубцов были сосредоточены на нацеливании на перекрестное связывание коллагена с β-аминопропионитрилом (BAPN; ингибитор LOX). Хотя эта терапия эффективно уменьшала образование перекрестных связей коллагена и рубцевание при местном применении, клинические испытания были остановлены из-за токсичности лекарств, и с тех пор прогресс был ограниченным. Однако нацеливание на активность LOX оказалось более перспективным при лечении рака: было показано, что ингибирование LOX снижает рост первичной опухоли и механотрансдукцию в эпителии молочных желез (Levental et al., 2009). Кроме того, ингибирование LOX предотвращает образование инвазивных ветвящихся структур в коллагене in vitro, инвазию опухолей in vivo и отменяет набор BMDC и образование метастазов in vivo. Он также дестабилизирует уже сформированные метастазы за счет уменьшения их роста, предотвращает дальнейшие метастазы и увеличивает выживаемость хозяина (Erler et al., 2006; Erler et al., 2009). Хотя это предполагает, что прогрессирование опухоли в этих моделях напрямую зависит от LOX и его эффектов на свойства ECM, точный механизм, с помощью которого ингибирование LOX является защитным, остается неизвестным и в настоящее время исследуется.Тем не менее, эти данные подтверждают идею о том, что противодействие модификациям матрикса и, в частности, перекрестному связыванию, является многообещающей стратегией профилактики рака. Действительно, LOX кажется отличной терапевтической мишенью, и в настоящее время разрабатываются ингибиторы для использования в клинике. Потенциал воздействия на LOX- и LOX-опосредованные модификации матрикса при лечении рака схематически представлен на рис. 5.

Другие стратегии нацеливания на ECM при раке были менее успешными.Например, несмотря на наличие существенных доказательств того, что ММП играют множественную роль в метастазировании, клинические испытания ингибиторов ММП не продемонстрировали значительной эффективности, поскольку они не смогли повысить выживаемость пациентов (Coussens et al., 2002), что привело к повторному лечению. изучение функции MMP и ее сложных ролей. Плохой успех ингибиторов ММП в значительной степени был связан с неожиданной токсичностью препаратов для нормальных тканей, противоречивой ролью как в стимулировании, так и в снижении метастатического распространения, а также отсутствием надежных доклинических моделей для надежного исследования эффективности ингибиторов ММП.Кроме того, большинство ингибиторов ММП неспецифичны, нацелены на множественные ММП, и, что более важно, ММП вовлечены в широкий спектр функций, которые являются как про-, так и противоопухолевыми. Наконец, считается, что существует функциональная избыточность между членами семейства ММП, а это означает, что для клинической эффективности может потребоваться комбинация точно вводимых ингибиторов. Хотя новое поколение высокоспецифичных ингибиторов ММП и ингибиторов других протеаз, модифицирующих матрикс, является многообещающим (Mack and Marshall, 2010), нацеливание на конкретные ферменты, участвующие в ремоделировании ECM, при одновременном предотвращении нежелательных побочных эффектов является постоянной проблемой.

Хотя LOX является обнадеживающей терапевтической мишенью для лечения фиброзных заболеваний и рака, уроки клиники научили нас, что нацеливание на одну молекулу в сети болезни может привести к «сетевой компенсации» и последующей устойчивости к лекарствам. В случае рака трехмерная микросреда опухоли содержит множество перекрывающихся механизмов, которые помогают поддерживать ее функциональное нарушение. Следовательно, необходимо лучше понять положение ключевых индивидуальных и коллективных игроков в сотовых сетях, то, как эти узлы реагируют на динамику сети и, что более важно, как сигналы микросреды модулируют эти сети.Такие исследования могут быть выполнены только с помощью обширного междисциплинарного совместного моделирования болезни, но в конечном итоге дадут представление о наиболее многообещающих стратегиях для комбинаций лекарств и времени лечения (Pawson and Linding, 2008; Erler and Linding, 2010). Более глубокое понимание того, как сигналы микросреды управляют онкогенезом, проложит путь к разработке методов лечения, нацеленных как на опухоль, так и на ее микросреду. Ключевыми примерами исследований, которые предполагают, что этот подход будет полезным, являются исследования с участием гепатокарциномы, в которых нацеливание на основной фиброз печени может повысить эффективность химиотерапии (Friedman et al., 2000), рак молочной железы, при котором фиброзное заболевание молочной железы предрасполагает людей к раку (Jacobs et al., 1999), и ситуации, в которых вызванный окружающей средой фиброз легких может увеличить заболеваемость раком легких (Mossman and Churg, 1998).

Тщательно контролируемый гомеостаз ЕСМ имеет решающее значение для регулирования многих основных клеточных процессов, обеспечивая правильное развитие организма, заживление ран и нормальный гомеостаз тканей.Когда этот гомеостаз нарушен, аберрантный ECM может способствовать патологическим состояниям, включая фиброзное заболевание, прогрессирование опухоли и метастазирование (как обсуждается в этой перспективе). Патологические состояния, вызванные аномальными изменениями ECM, являются причиной миллионов смертей во всем мире и представляют собой серьезное препятствие для клинического лечения. Изучение процессов, лежащих в основе нарушения гомеостаза, вытекающих из этого изменений биохимических и биомеханических свойств внеклеточного матрикса и результирующего характера измененных взаимодействий клетка-внеклеточный матрикс, позволит нам определить терапевтические цели для клинической пользы при множественных заболеваниях.Среди задач - определить эффективные способы пространственного и временного мониторинга этих событий неинвазивным и количественным образом. Есть надежда, что мониторинг и терапевтическое нацеливание аномалий в ECM и взаимодействиях клеток-ECM, которые связаны с патологическими состояниями, скоро станут стандартной клинической практикой.

Учитывая, что данные о причастности внеклеточного матрикса к прогрессированию заболевания быстро накапливаются, новые методы лечения постоянно проходят доклинические и клинические испытания.Исследования нескольких типов заболеваний, особенно рака, направлены на изучение различных факторов, регулирующих гомеостаз внеклеточного матрикса; некоторые из этих факторов оказались многообещающими, включая ранее упомянутый перекрестно-сшивающий коллаген LOX (Erler et al., 2006; Le et al., 2007; Erler et al., 2009; Le et al., 2009; Levental et al. , 2009), ингибитор ММП Маримастат (Goffin et al., 2005; Rosenbaum et al., 2005), препараты против тенасцина-C (Hicke et al., 2006; Reardon et al., 2008) и анти-uPA / uPAR (Беркенблит и др., 2005) и др. Такие исследования продолжают выяснять общие черты между заболеваниями с участием внеклеточного матрикса, включая фиброз и рак; Выявление этих общих черт не только поможет разработать новые методы лечения, но также улучшит наше понимание лежащих в основе патологических механизмов. По мере продвижения вперед мы всегда должны осознавать, что ткани и органы состоят как из клеток, так и из окружающих внебольничных клеток. Кроме того, мы должны признать, что такие состояния, как рак и фиброзные заболевания, являются сложными тканевыми заболеваниями, при которых все эти компоненты в идеале должны изучаться одновременно.

Реактивные формы кислорода в состоянии здоровья и болезней

В течение последних десятилетий стало очевидно, что активные формы кислорода (АФК) оказывают множество биологических эффектов, охватывающих широкий спектр, который варьируется от физиологических регуляторных функций до повреждающих изменений, участвующих в патогенезе увеличения количество заболеваний. В этом обзоре суммированы ключевые роли, которые играют ROS как для здоровья, так и для болезней. АФК - это продукты обмена веществ, поступающие из различных клеток; две клеточные органеллы, а именно эндоплазматический ретикулум и митохондрии, принимают непосредственное участие в их производстве и метаболизме.Также будут обсуждаться обновленные данные исследований, которые чрезвычайно помогли подтвердить фундаментальную роль обеих органелл в регуляции окислительно-восстановительного потенциала. Хотя этот обзор не является исчерпывающим, он даст краткое представление о некоторых текущих исследованиях, проводимых в этой области, для лучшего понимания действий ROS в различных состояниях здоровья и болезней.

1. Введение

Первая опубликованная статья в Pubmed об активных формах кислорода (АФК), датированная 1945 годом; это было получено с использованием ключевого слова «активные формы кислорода».С тех пор и на момент написания этой обзорной статьи использование ROS в качестве ключевого слова в поиске Pubmed привело к появлению более 117 000 статей на английском языке, почти 12 000 из которых являются обзорными. Большинство исследований связывают ROS с болезненными состояниями, такими как рак, инсулинорезистентность, сахарный диабет, сердечно-сосудистые заболевания, атеросклероз и старение, просто чтобы перечислить примеры. Однако многочисленные статьи также связывают АФК с различными физиологическими процессами и важными защитными механизмами, которые живые организмы используют для своего выживания; очевидными примерами могут служить их роль в иммунной защите, антибактериальном действии, сосудистом тонусе и передаче сигнала.Вскоре стало ясно, что для поддержания состояния гомеостаза живые организмы стремятся держать эти высокореактивные молекулы под жестким контролем с помощью сложной системы антиоксидантов.

Огромное количество исследований, опубликованных в этой области, делает практически невозможным создание всеобъемлющей обзорной статьи. Таким образом, основная цель этого обзора - представить недавние исследования, в которых изучается роль АФК в различных состояниях здоровья и болезней, с особым акцентом на участие двух субклеточных органелл, эндоплазматического ретикулума и митохондрий, в метаболизме АФК. как это относится к этим состояниям.В центре внимания находятся метаболические нарушения, такие как инсулинорезистентность, сахарный диабет, ожирение и хроническое воспаление. Также представлено обсуждение нескольких молекул с антиоксидантными свойствами, поскольку они могут оказаться многообещающими для профилактики и / или лечения заболеваний, связанных с АФК. Таким образом, рассмотрение всех деталей не входило в объем данного обзора.

2. Редокс-стресс или редокс-регулирование?

АФК представляют собой высокореактивные молекулы, которые происходят в основном из митохондриальной цепи переноса электронов (ETC).Почти все клетки и ткани непрерывно превращают небольшую часть молекулярного кислорода в супероксид-анион за счет одновалентного восстановления молекулярного кислорода в ETC. АФК также производятся другими путями, включая респираторный взрыв, происходящий в активированных фагоцитах, повреждающее действие ионизирующего излучения на компоненты клеточных мембран и как побочные продукты нескольких клеточных ферментов, включая НАДФН-оксидазу (Nox), ксантиноксидазу (XO), и несвязанная эндотелиальная синтаза оксида азота (eNOS) [1].

Из-за потенциальной полезной роли АФК, продемонстрированной несколькими направлениями исследований, от их роли в качестве сигнальных молекул [2] до более неожиданной роли в улучшении некоторых видов рака [3], термин «окислительно-восстановительная регуляция» может оказаться полезным. быть более точным, чем «окислительно-восстановительный стресс»; были даже ситуации, когда антиоксиданты описывались как «плохие» [4]. Однако чаще используется термин «окислительно-восстановительный стресс».

3. Примеры роли АФК в нормальных физиологических процессах
3.1. Роль АФК в регуляции нормального диаметра сосудов

Митохондриальные АФК, в частности супероксид-анион (O2⋅–) и пероксид водорода (H 2 O 2 ), как было показано, играют роль в нормальной физиологии сосудов в ответ на такие факторы, как напряжение сдвига [2]. В сосудистой системе было продемонстрировано, что АФК происходят в основном из митохондрий в исследовании, проведенном на коронарных артериях сопротивления человека. Митохондриальное происхождение АФК было подтверждено с помощью электробиофизических методов, которые оценивали генерацию АФК и реакцию диаметра сосудов на присутствие ингибиторов митохондриальных комплексов и антиоксидантов [2].Го и его коллеги более подробно изучили роль митохондрий в сигнальной реакции на окисленную среду, которая может встречаться в сосудистой системе. Их результаты представляют собой модель, согласно которой более окисленная среда в плазме приводит к окислению клеточной плазматической мембраны и белков цитоскелета. Окисленные белки затем будут стимулировать митохондриальную продукцию ROS, которая инициирует сигнальные пути, активируя клеточную воспалительную реакцию [5]. Модель, описанная Go et al.также дает объяснение защитной антиоксидантной роли митохондриальных белков с малой молекулярной массой, таких как тиоредоксин 2 (Trx2). В более ранних работах был продемонстрирован «регуляторный» редокс-сигнальный путь Trx2 против митохондриальных АФК [6–8]. Описанная модель также частично объясняет парадокс, заключающийся в том, что, хотя умеренные уровни АФК способствуют регуляции функции сосудистых клеток [2], их чрезмерное производство связано с патологическими ситуациями, когда окислительно-восстановительное повреждение и воспаление преобладают при некоторых хронических заболеваниях.Исследования такого рода, связывающие клеточные ответы на изменения окислительно-восстановительного потенциала, с одной стороны, с внутриклеточными сигнальными путями, с другой стороны, являются многообещающими; поскольку это может быть преобразовано в разработку новых терапевтических агентов, нацеленных на соответствующие сигнальные пути, в качестве альтернативы использованию неспецифических антиоксидантных агентов в клинических испытаниях или, возможно, в качестве дополнительного инструмента к этим агентам.

3.2. Роль АФК в восприятии кислорода

Определение кислорода так важно для здоровья клеток, поскольку оно позволяет клеткам инициировать адаптивные реакции, которые увеличивают вероятность выживания в ожидании ограниченной доступности кислорода.Гузи и Шумакер предположили, что ETC действует как датчик O 2 , высвобождая ROS в ответ на гипоксию. Вызванные гипоксией высвобождаемые АФК действуют как сигнальные молекулы, которые запускают различные функциональные реакции, среди которых повышенная продукция и стабилизация индуцируемого гипоксией фактора-1 (HIF-1). Это было продемонстрировано, по крайней мере, в нормальных (нетрансформированных) клетках. Фактически, сообщалось о взаимном регулировании как для HIF-1, так и для ROS. В условиях острой гипоксии митохондриальные ETC продуцируют избыток АФК.Это необходимо для индукции экспрессии HIF-1 [9], которая, в свою очередь, опосредует адаптивные метаболические реакции, достигающие высшей точки в нормализации уровней ROS и поддержании окислительно-восстановительного гомеостаза. Точно так же гипоксическая индукция активности HIF-1 завершится нормализацией уровней O 2 в тканях за счет стимуляции ангиогенеза, что увеличивает доставку кислорода к тканям и решает проблему тканевой гипоксии. Однако в некоторых раковых клетках картина не такая же, поскольку ожидается, что трансформация клеток приведет к изменениям в вышеописанных нормальных адаптациях, следовательно, даже если может происходить ангиогенез, он менее эффективен в поддержании кислородного гомеостаза; это было подробно рассмотрено Семенза [10].

3.3. Роль АФК в иммунной системе

По сути, АФК глубоко вовлечены в обе ветви системы иммунологической защиты, в врожденные и приобретенные реакции. При воздействии патогенов окружающей среды повышенная продукция ROS как часть окислительного взрыва в активированных фагоцитах, присутствующих в местной воспалительной среде, представляет собой одну из первых линий защиты от вторжения патогенов. Хотя этот врожденный иммунитет является быстрым, он обычно эффективен лишь частично, поскольку определенная часть патогенов может ускользать и размножаться, тем самым производя большее количество патогенов.Приобретенный иммунитет будет инициирован, когда антигенные пептиды патогенного происхождения, которые являются результатом фагоцитоза и переваривания активированными фагоцитами, будут представлены Т-лимфоцитам. В результате последние будут пролиферировать и дифференцироваться с образованием большого потомства иммунологических эффекторных клеток, способных вызывать эффективный и антиген-специфический иммунный ответ. АФК участвуют в приобретенном иммунном ответе, потому что избыток АФК продолжает локально продуцироваться активированными фагоцитами и, следовательно, усиливает каскады внутриклеточной передачи сигнала в Т-лимфоцитах и ​​тем самым снижает их порог активации [1].Роль, которую играют ROS в иммунных ответах, будет еще раз рассмотрено, когда сборка инфламмасом как часть хронического воспалительного ответа будет обсуждаться позже в этом обзоре.

3.4. Роль АФК в физиологии скелетных мышц

Скелетная мышца является органом-мишенью для окислительной регуляции и / или оксидативного стресса, поскольку требует большого количества энергии для обеспечения эффективного сокращения и, следовательно, подвержена воздействию избыточных митохондриальных АФК. Выработке АФК скелетными мышцами способствует множество стимулов, включая сокращение мышц, инсулин и гипоксию.Хотя в нормальных физиологических условиях антиоксидантные системы контролируют уровень АФК в скелетных мышцах, окислительный стресс может иметь место, если уровни АФК превышают антиоксидантные возможности мышц, и это может иметь разрушительные функциональные эффекты [11]. Недавние исследования показали, что АФК могут действовать как промежуточные сигнальные звенья в регуляции поглощения глюкозы скелетными мышцами во время сокращения. Однако результаты таких исследований следует интерпретировать с осторожностью, поскольку они были несколько несовместимы в зависимости от изучаемой модели и плана эксперимента [11–13].Интересно, что недавно было сообщено, что мышечная активность также влияет на антиоксидантную защиту. Берзоса и его коллеги сообщили о повышенном влиянии острых физических упражнений у здоровых нетренированных мужчин на общий антиоксидантный статус и активность антиоксидантных ферментов после периодов максимальной и субмаксимальной нагрузки [14]. Другие [15] показали, что повышенный уровень активности антиоксидантных ферментов обнаруживался также в различных органах тела. Таким образом, считается, что физические упражнения, как острые, так и хронические, помогают поддерживать окислительно-восстановительный гомеостаз, поскольку они усиливают механизмы антиоксидантной защиты, а также из-за того, что длительные тяжелые упражнения делают как животных, так и людей более устойчивыми к окислительному повреждению [14]. .Не только сокращение мышц привлекло внимание ученых, интересующихся физиологией мышц, но и иммобилизация мышц, где, как сообщалось, производство ROS увеличивалось в ткани скелетных мышц после иммобилизации: открытие, которое требует дальнейших исследований, особенно если учесть, что иммобилизованные субъекты проявляют большую потерю мышечной массы [1].

3.5. Роль АФК в стабильности генома, регуляции транскрипции и трансдукции сигналов

Окислительно-восстановительный статус клетки считается новым регуляторным фактором стабильности и транскрипции генома.В недавней обзорной статье Rajendran с коллегами обсуждалась посттрансляционная ферментативная ковалентная модификация гистоновых и негистоновых белков в форме ацетилирования / деацетилирования для тонкой регуляции транскрипции в связи с окислительно-восстановительным статусом клеток. Известно, что различные физиологические процессы, такие как регуляция клеточного цикла, реакция на повреждение ДНК, регуляция промежуточного метаболизма, запрограммированная гибель клеток и аутофагия, регулируются на уровне транскрипции соответствующих генов.Авторы подробно рассмотрели различные факторы, регулирующие транскрипцию посредством модуляции динамики хроматина. Они указали, что окислительный стресс и потребление клеточной энергии являются одними из ключевых факторов регуляции транскрипции, поскольку деацетилазная активность сиртуинов, членов гистондеацетилаз класса III, зависит от клеточного окислительно-восстановительного статуса и доступности NAD + , соответственно. Фактически, уровень экспрессии генов сиртуинов, как было показано, находится под контролем фактора транскрипции, чувствительного к окислительному стрессу и повреждению ДНК, E2F1, который регулирует клеточный цикл и напрямую связывается с промотором сиртуина 1, наиболее изученного члена. семьи сиртуинов.Более того, воздействие на клетки избытка АФК, таких как H 2 O 2 , приводит к посттрансляционной модификации Sirt 1 в форме десумоилирования и, следовательно, к инактивации функции деацетилирования Sirt 1 и, как следствие, к ацетилированию и, следовательно, к активации проапоптоза. Субстраты Sirt 1, такие как p53, и в конечном итоге произойдет гибель клеток. В условиях окислительного стресса роль АФК в регуляции транскрипции имеет решающее значение и может влиять на жизненно важные процессы, такие как гомеостаз глюкозы, воспаление, продолжительность жизни клеток и множественные связанные со старением заболевания, включая рак [16].

Ячейки имеют сложную систему реагирования на окислительно-восстановительный статус. Это было хорошо изучено на бактериях, у которых хорошо установлено существование ряда различных сигнальных путей, отвечающих за ROS и окислительно-восстановительный статус [17], а также у дрожжей Saccharomyces cerevisiae [18]. В клетках млекопитающих были описаны аналогичные, но не совсем понятные каскады защитных окислительно-восстановительных сигналов. Эти каскады имеют решающее значение для выживания клеток, которые оказываются в среде с высокой окислительной способностью, такой как места инфекции и воспаления.В то время как активированные фагоциты используют свою способность создавать «окислительный взрыв», чтобы убить вторгшиеся патогены, а это подразумевает избыточное производство АФК, рекрутированным лимфоцитам, с другой стороны, необходимо иметь вооружение каскадов передачи сигналов, индуцированных окислительным стрессом, чтобы защитить себя от этого же самого. окислительный взрыв. Окислительная среда модулирует каскады передачи сигнала лимфоцитами и увеличивает активность окислительно-восстановительных факторов транскрипции, таких как активаторный белок-1 (AP-1) и ядерный фактор-B (NF-B).Последние будут связывать и активировать промоторы различных генов. Одним из таких генов является ген защитного белка тиоредоксина (Trx). Trx - это оксидоредуктаза, которая работает вместе с системой глутатиона для установления и поддержания восстанавливающего внутриклеточного окислительно-восстановительного состояния. Другой набор генов, продукты которых являются защитными антиоксидантами, - это пероксиредоксин I (т.е. пероксидаза Trx), гемоксигеназа-1, переносчик цистина xc2 и марганцевая SOD (MnSOD) [1, 19].

3.6. «Потенциально полезная» роль ROS в раке

Недавно появилась интересная гипотеза, которая исследует следующий вопрос: «Могут ли антиоксиданты способствовать возникновению болезненных ситуаций?» или, как заявили Перера и Бардиси: «Когда антиоксиданты плохи?» [4].Это горячая область исследований, которая находит все большее применение в исследованиях, связанных с раком. Классически было продемонстрировано, что АФК способствуют развитию различных типов рака. Это объяснялось разными фактами: способностью АФК вызывать повреждение ДНК и, таким образом, увеличивать скорость опухолевых мутаций и генетической нестабильности, их провоспалительным действием и их стабилизирующим влиянием на HIF, необходимое для регуляции энергии. Соответственно, антиоксиданты смогли снизить онкогенез за счет нейтрализации вредных эффектов АФК [20–23].

Недавно была выявлена ​​другая сторона монеты ROS, основанная на изучении эффекта мутаций, активирующих ядерный фактор транскрипции, ядерный фактор-эритроид 2-связанный фактор 2 (Nrf2). Nrf2 - это чувствительный к окислительно-восстановительному стрессу фактор транскрипции, который индуцирует несколько антиоксидантных генов и генов детоксикации. В отсутствие окислительно-восстановительных стрессовых состояний Nrf2 остается неактивным за счет связывания с другим белком, Kelch-подобным ECH-ассоциированным белком 1 или KEAP1, обеспечивая эффективную репрессию Nrf2. Соматические мутации в Nrf2 или KEAP1, препятствующие их связыванию, будут приводить к конститутивной активации Nrf2 и транскрипции генов-мишеней Nrf2.Такие мутации были изолированы от пациентов с раком легких, что указывает на протуморигенную роль Nrf2. Более того, лекарственная устойчивость в некоторых противоопухолевых препаратах может иметь место в результате таких соматических мутаций; это было рассмотрено Hayes и McMahon [24]. Совсем недавно ДеНикола и его коллеги продемонстрировали, что у мышей несколько эндогенных онкогенов, таких как Kras, Braf и Myc, активно индуцируют экспрессию Nrf2, способствуя программе детоксикации ROS и, следовательно, создавая более «уменьшенную» внутриклеточную среду, программа, которую авторы предлагают для необходимы для инициации опухоли [3].Поскольку Ханссон и Либби элегантно описали иммунный ответ при атеросклерозе как «обоюдоострый меч» [25], это описание, кажется, полностью соответствует ROS. Следовательно, общая картина, отражающая вклад различных медиаторов плюс местные факторы окружающей среды, кажется фактическим определяющим фактором для индуцированных АФК последствий как в физиологии, так и в патологии, и, следовательно, важно разгадать еще не до конца изученные части этой сложной изображение для лучшего понимания изменений, вызванных ROS.

Ключевые сообщения из раздела 3
Хотя АФК были классически известны своим повреждающим действием, накапливается все больше свидетельств их использования для регулирования и поддержания нормальных процессов в живых организмах. Следовательно, термин «окислительно-восстановительное регулирование», кажется, лучше описывает окислительно-восстановительный статус и его последствия. И АФК, и защитные антиоксидантные системы должны работать согласованно, чтобы достичь состояния окислительно-восстановительного гомеостаза. Были представлены доказательства роли, которую играют ROS в нескольких физиологических процессах, таких как поддержание диаметра сосудов и нормальная функция сосудистых клеток, участие HIF в восприятии доступности кислорода и инициирование ответов, необходимых для выживания клеток, создание эффективного иммунного ответа, действия в качестве возможной передачи сигналов. молекулы в регуляции поглощения глюкозы скелетными мышцами, а также в регуляции стабильности и транскрипции генов, влияя на стабильность хроматина.Не менее важны антиоксиданты, а экспрессия их генов регулируется АФК. Кроме того, упражнения на мышцы помогают сделать нас более устойчивыми к окислительным повреждениям. Недавние данные указывают на потенциальную связь между «уменьшенной» клеточной средой и возникновением опухоли.

4. АФК на уровне клеточных органелл: роль эндоплазматического ретикулума и митохондрий в окислительном стрессе / регуляции

И эндоплазматический ретикулум (ER), и митохондрии оказались интересными внутриклеточными органеллами, которые стимулировали огромное количество исследования из-за их уникальных характеров.Их хорошо известная роль в правильном сворачивании белков, посттрансляционных модификациях, перемещении клеток, хранении ионов, производстве энергии, клеточном термогенезе и промежуточном метаболизме - лишь некоторые примеры. Обе органеллы имеют прочные и взаимосвязанные связи с окислительно-восстановительным клеточным гомеостазом, нарушение которого связано со многими заболеваниями. Накапливается все больше доказательств того, что АФК способствуют дисфункции эндотелиальных клеток, атеросклерозу, старению, сахарному диабету (СД) и диабетическим осложнениям, а также сердечно-сосудистым заболеваниям, и это лишь некоторые из них [26–30].

4.1. Эндоплазматический ретикулум и эндоплазматический ретикулум стресс

Нарушенные биологические процессы внутри клетки, совокупно определяемые как клеточный стресс, вместе с хроническим воспалением причинно связаны с различными метаболическими заболеваниями, такими как СД, ожирение и сердечно-сосудистые заболевания [25–31]. ER, повсеместно присутствующий в эукариотических клетках, играет ключевую роль в сворачивании и модификации белков, а также в динамическом хранении кальция. Именно благодаря своей роли в поддержании сворачивания белков ER принимает активное участие в общем производстве ROS, как будет обсуждаться в ближайшее время.Хотя сворачивание белка является многоступенчатым процессом, который еще не полностью изучен, два фактора, как известно, по существу необходимы для образования внутри- и межмолекулярных дисульфидных связей, которые являются фундаментальными для процесса сворачивания; это доступность энергии и окислительная среда ER. Кроме того, два фермента ER, протеин дисульфид изомераза (PDI) и ER оксидоредуктин 1 (ERO1), имеют решающее значение для окислительного образования дисульфидных связей [32]. Реакции, которые они катализируют, включают перенос электронов и окисление остатков цистеина в формирующихся белках и используют динуклеотид флавинаденин (FAD) и молекулярный кислород.Перенос электрона на молекулярный кислород в качестве конечного приемника электронов дает H 2 O 2 ; следовательно, избыточная нагрузка сворачивания белка может привести к накоплению АФК. Последний вызовет клеточную воспалительную реакцию.

Считается, что ER воспринимает сигналы измененных клеточных состояний, вызванные различными стимулами, такими как определенные факторы роста и гормоны, ограниченная доступность энергии или питательных веществ и окислительно-восстановительное состояние клетки. Затем ER действует соответствующим образом, стремясь восстановить нормальный клеточный гомеостаз.Сам ER может испытывать состояние стресса ER, при котором его способность правильно складывать и модифицировать белки подавляется чрезмерной потребностью в сворачивании белков или условиями, сопровождаемыми чрезмерно развернутыми или неправильно свернутыми белками. Это увеличит количество белков с аномальной структурой в ЭР, запустив защитный набор реакций, известных под общим названием «развернутый белковый ответ» или UPR, во время которых изменяются механизмы клеточной транскрипции и трансляции, чтобы восстановить нормальный процесс сворачивания белка. .Однако, если стресс является экстремальным или продолжительным, клеточный гомеостаз не может быть установлен, и, наоборот, клеточные пути, завершающиеся апоптозом, будут активированы [33, 34]. Менее изученная система UPR была недавно описана в митохондриях (UPR mt), и ее участие в защите клеточных и особенно митохондриальных компонентов от повреждающих последствий метаболических стрессоров получает все большее признание [35]. На молекулярном уровне связь между ER-стрессом и окислительным стрессом может быть объяснена различными путями.Как упоминалось ранее, во время переноса электронов на молекулярный кислород как конечный реципиент электронов в процессе сворачивания белка ER, будет генерироваться некоторое количество ROS. Более того, в условиях стресса ER, проявляющегося избыточным накоплением развернутых или неправильно свернутых белков, клетка потребляет дополнительный восстановленный глутатион (GSH), чтобы правильно свернуть эти аберрантно свернутые белки, увеличивая клеточный стресс. Следовательно, стресс ER может привести к окислительному стрессу, который, как упоминалось ранее, может вызвать воспалительное состояние.Таким образом, кажется, что ER находится в порочном круге, в котором стресс ER может быть вызван окислительным стрессом, а также увеличивает нарушенное окислительно-восстановительное состояние. Следовательно, защитные механизмы, по существу, существуют в ER, чтобы ограничить последствия этого повреждающего цикла. К ним относится активация пути протеинкиназы R-подобной ER-киназы (PERK) антиоксидантной программы, которая использует факторы транскрипции: активирующий фактор транскрипции-4 (ATF4) и Nrf2 [36–38]. Как упоминалось ранее, активированный Nrf2 будет перемещаться в ядро, чтобы увеличить скорость экспрессии группы антиоксидантных и детоксифицирующих оксидант генов [39, 40].

4.2. Роль митохондрий в производстве ROS

Митохондриальный ETC представляет собой основной источник производства клеточных ROS; поэтому он упоминается в различных разделах этого обзора. Супероксид-анион неферментативно образуется семубихиноновым соединением ETC, а затем ферментативно превращается в перекись водорода с помощью супероксиддисмутазы (SOD). Анион супероксида также может неферментативно превращаться в перекись водорода и синглетный кислород. Перекись водорода может превращаться в высокореакционноспособный гидроксильный радикал в присутствии восстановленных переходных металлов.В качестве альтернативы перекись водорода может ферментативно превращаться в воду ферментами каталазой или глутатионпероксидазой [1].

Митохондрии обладают несколькими уникальными характеристиками, среди которых наличие митохондриальной ДНК (мтДНК), их способ наследования, динамический характер их структуры, их незаменимая роль в метаболизме топлива и выработке энергии, а также установленные связи с различными метаболическими аномалиями. Следовательно, ожидается, что дефектная митохондрия является основным механизмом множества патологических состояний.Во многих исследованиях наблюдалась сильная связь между дисфункцией митохондрий, генетически детерминированной или приобретенной, и хроническими метаболическими заболеваниями, такими как СД 2 типа (СД2) и ожирение; однако причинно-следственная связь оставалась условной в течение некоторого времени, пока дальнейшие исследования не продемонстрировали, что нарушение митохондриальной емкости и функции являются потенциальными причинами инсулинорезистентности и / или прогрессирования СД; более подробно об этом будет сказано ниже [41].

Центральная регулирующая роль митохондрий в метаболизме, энергетике и гомеостазе всего тела требует, чтобы он находился под строгим контролем.Его конечная функциональная способность в определенных тканях и при определенных физиологических условиях является результатом сети мешающих параметров. К ним относятся количество копий митохондриальной ДНК, плотность митохондрий, а также уровни и активность конкретных митохондриальных белков [41]. Существуют как транскрипционные, так и посттранскрипционные механизмы, обеспечивающие жесткий контроль за функциональным результатом митохондрий. Ядерная ДНК также активно участвует в реализации этого контроля, и более 15 лет назад была продемонстрирована сильная связь между экспрессией ядерных и митохондриальных генов [42].

Как упоминалось ранее, митохондриальные ETC являются мощным источником ROS, и по очевидным причинам, таким как физическая близость к мтДНК, генерация митохондриальных ROS находится под жестким контролем с помощью различных механизмов, в том числе разобщающих белков 1, 2 и 3. (UCP1, 2 и 3). UCP - это белки внутренней митохондриальной мембраны, которые рассматриваются как естественные регуляторы митохондриальных АФК, отвечающих на продукцию АФК и контролирующих ее, уменьшая образование большого протонного градиента [41].Считается, что UCP1, который присутствует в коричневой жировой ткани, приобрел термогенную роль у млекопитающих в качестве побочного пути исходной, более общей функции защиты клеток от индуцированного холодом производства ROS. С другой стороны, UCP2 (повсеместно экспрессируется на низких уровнях) и UCP3 (предпочтительно экспрессируется в скелетных мышцах) сохраняют свою первоначальную функцию снижения продукции ROS посредством разобщения и, следовательно, буферизации уровней ROS, и, по-видимому, не играют термогенной роли [43–45]. ].Были предложены и другие новые роли UCP, например, считается, что UCP2 оказывает отрицательный регуляторный эффект на секрецию инсулина поджелудочной железы, а также буферный эффект ROS на нейроны гипоталамуса, контролирующие пищевое поведение; это будет подробно описано позже [46, 47].

Несколько лет назад была выяснена динамическая природа митохондриальной структуры, и было продемонстрировано, что она достигается с помощью сложного молекулярного механизма, некоторые компоненты которого были хорошо охарактеризованы [48].Нарушение этого механизма связано с метаболическими заболеваниями, связанными с митохондриями. В качестве примера было показано, что сниженная экспрессия митофузина 2 (Mfn2), одного из митохондриальных белков, ответственных за его динамическую морфологию, частично ответственна за снижение окисления глюкозы и клеточного дыхания при ожирении [49].

Ключевые сообщения из раздела 4
И ЭР, и митохондрии участвуют в поддержании нормального клеточного гомеостаза. Именно благодаря роли ER в поддержании правильного сворачивания белков эта органелла принимает активное участие в общей регуляции ROS.ER воспринимает сигналы измененных окислительно-восстановительных состояний клеток и затем действует соответствующим образом, чтобы восстановить и поддерживать нормальный гомеостаз. Во время UPR ER, ROS будут накапливаться либо из-за фактического производства ROS, либо из-за потребления антиоксидантов, таких как GSH. Поскольку ER может быть частью порочного круга, в котором окислительный стресс приводит к стрессу ER, а последний еще больше ухудшает окислительно-восстановительный статус, существует несколько защитных механизмов, ограничивающих ожидаемое повреждение. Между дефектными митохондриями и метаболическими заболеваниями существует сильная связь и потенциальная причинно-следственная связь.Как и в случае с ER, существует несколько защитных механизмов для защиты митохондрий от окислительного повреждения. Антиоксиданты, такие как супероксиддисмутаза, каталаза и система глутатионпероксидаза / редуктаза, не входят в объем этого обзора. UCP являются естественными регуляторами митохондриальных АФК, отвечающими на продукцию АФК и контролирующими их, уменьшая митохондриальный градиент большого протона. Недавно UCP2 был связан и с другими функциями.

5. Роль АФК в метаболических заболеваниях и хроническом воспалении
5.1. Макромолекулярная «токсичность»

При СД и ожирении преобладающим метаболическим состоянием является состояние, описываемое термином «глюколипотоксичность», при котором избыток внеклеточной глюкозы и жирных кислот (ЖК) оказывает различное повреждающее действие. Избыток глюкозы увеличивает окислительный стресс через несколько биохимических механизмов, включая автоокисление глицеральдегидов, активацию протеинкиназы C, гликирование, продукцию метилглиоксаля и сорбита, путь гексозамина и окислительное фосфорилирование [50]. Аналогичным образом, избыток ЖК приводит к периферической резистентности к инсулину и накоплению липидов в не жировых тканях, таких как печень, сердце и поджелудочная железа, что может привести к отказу этих органов.На уровне клеточных органелл липотоксичность недавно была связана как с окислительным, так и с ER стрессом [51].

Связь между избыточной глюкозой и липидными клеточными стрессорами, то есть макромолекулами, и воспалением была недавно продемонстрирована в адипоцитах, где избыток глюкозы и насыщенных ЖК, посредством генерации ROS и активации фактора ядерной транскрипции NF-B, вызвал воспаление, что проявляется повышение активности активных медиаторов воспаления, участвующих в адгезии моноцитов и хемотаксисе.Toll-подобный рецептор 4 (TLR4) участвует в опосредовании эффекта избытка насыщенных ЖК - но не избытка глюкозы - на экспрессию этих медиаторов воспаления [52]. Более того, в отличие от избыточных насыщенных ЖК, полиненасыщенные ЖК обладают противовоспалительным действием на адипоциты, которые были связаны с ядерным рецептором PPAR𝛾 [52]. Эти наблюдения были подтверждены исследованиями in vivo, исследованиями на экспериментальных животных [53–55], но еще не на людях.

5.2. Роль АФК в инсулинорезистентности

Инсулинорезистентность (ИР) - это не только ключевая особенность СД2, но и характеристика широкого спектра клинических состояний, таких как ожирение, метаболический синдром, беременность и сепсис [56].ИР также может возникать, как in vivo, , так и in vitro , как следствие определенных экспериментальных методов лечения воспалительными цитокинами, такими как фактор некроза опухоли-(TNF-), или глюкокортикоидами, такими как дексаметазон, оба лечения имеют очевидные клинические последствия. Фактически, хорошо известно, что повышенные уровни TNF-β и / или глюкокортикоидов выявляются у пациентов с вышеупомянутыми клиническими состояниями, связанными с ИР [57–60].

Было продемонстрировано, что несколько факторов играют роль в IR.АФК занимают уникальное положение среди этих факторов, основываясь на исследованиях, проведенных на клеточных линиях или in vivo. Когда линия клеток адипоцитов мыши 3T3-L1 обрабатывалась ROS H 2 O 2 или индукторами ROS, у нее явно развивалась резистентность к инсулину [61, 62]. Более того, маркеры окислительного стресса в значительной степени связаны с ожирением, ИР, СД и сепсисом [63, 64]. Аналогичным образом, состояния, повышающие уровни АФК, например, заболевания с первичными дефектами, влияющими на баланс АФК, такие как семейный боковой амиотрофический склероз, были связаны с ИР [65].Хотя связь между АФК и ИР в различных патологических условиях является сильной, она изначально не подразумевала причинно-следственной связи; он просто прояснил состояние сильной ассоциации. Тем не менее, такой причинный эффект был продемонстрирован несколько лет назад Хустисом и его коллегами. Используя два подхода, клеточные линии (3T3-L1) и животную модель генетического ожирения (мыши ob / ob), авторы, несомненно, продемонстрировали, что повышенные уровни АФК действительно были причиной ИР, индуцированного TNF- или дексаметазоном, определяемого с помощью пониженная скорость поглощения глюкозы.Было показано, что экспериментальное вмешательство фармакологических агентов или трансгенных животных для снижения уровней АФК существенно предотвращает статус ИР [56]. Активация c-Jun NH 2 -концевой киназы (JNK), которая была обнаружена при стимуляции клеточной линии TNF-β или дексаметазоном, предположительно опосредует индуцированный ROS IR, и было продемонстрировано, что она связана с дифференциальной транслокацией двух важные факторы транскрипции; гомеобокс-1 поджелудочной железы и двенадцатиперстной кишки (PDX-1; который будет перемещаться из ядра в цитозоль, тем самым подавляя биосинтез инсулина) и фактор транскрипции Forkhead Foxo1, который будет перемещаться в противоположном направлении, из цитозоля в ядро, тем самым способствуя инсулинорезистентности за счет усиления глюконеогенеза [66].Поскольку сообщалось, что сфинголипид церамид увеличивает ИР, индуцированный TNF-β и дексаметазоном в клеточной линии 3T3-L1 и в мышцах диабетиков, он был предложен в качестве потенциального источника АФК при резистентности к инсулину [67–69].

5.3. Роль АФК в митохондриальной дисфункции и сахарном диабете

Обычно β -клетки поджелудочной железы адаптируют свою секрецию инсулина к колебаниям концентрации глюкозы в крови, определяемым их сенсором глюкозы, глюкокиназой. Во время гипергликемии скорость инсулинозависимой утилизации глюкозы за счет гликолиза в β -клетках будет увеличиваться.По сравнению с другими типами клеток, клетки β проявляют необычно высокую долю углеродного скелета, полученного из глюкозы, поступающего в митохондрии в форме пирувата, который затем вступает в цикл трикарбоновой кислоты (ТСА). Митохондриальный ETC способствует генерации АТФ, который затем экспортируется в цитозоль. При высоком соотношении АТФ: АДФ плазматическая мембрана β -клеток будет деполяризована, а калиевые-АТФ каналы (K ATP ) будут закрыты, позволяя открывать чувствительные к напряжению каналы Ca 2+ .Повышенный внутриклеточный Ca 2+ является ключевым триггером экзоцитоза и высвобождения инсулина из секреторных гранул [70, 71]. Это называется сочетанием стимул-секреция в β -клетках или глюкозо-стимулированной секрецией инсулина (GSIS), поскольку она инициируется утилизацией глюкозы.

Ключевая роль нормальных митохондриальных ETC в гомеостазе глюкозы в β -клетках поджелудочной железы была установлена ​​рядом элегантных исследований за последние 30 лет.Воздействие на митохондрии ядов или ограниченное поступление кислорода позволило установить, что блокада митохондриальной ETC ингибирует GSIS из β -клеток [72]. Позднее это было подтверждено в экспериментах с использованием rho 0 β -клеток, где субъединицы ферментов ETC, кодируемые мтДНК, подавлены, в то время как биосинтез инсулина и жизнеспособность клеток сохраняются. Дисфункция митохондрий в этих клетках и последующая потеря митохондриальной продукции АТФ привели к потере GSIS [73–75].Утраченный ответ был восстановлен путем введения нормальных митохондрий в клетки rho 0 β , что подтверждает митохондриальное происхождение дефекта [73]. Связь стимул-секреция в β -клетках была дополнительно изучена на трансгенных животных с направленной делецией β -клеток ядерно-кодируемого митохондриального фактора транскрипции (TFAM), который является основным фактором транскрипции, контролирующим экспрессию генов мтДНК. β -клетки этой животной модели проявляют диабетический фенотип, при этом как продукция АТФ, так и GSIS значительно снижены [76].Эти животные представляют собой модель митохондриального диабета человека, редкой формы СД, которая наследуется по материнской линии, вызвана мутациями в мтДНК и обычно связана с другими патологическими находками, такими как двусторонняя сенсорно-нервная глухота [77].

У пациентов с T2DM, формой заболевания, которая поражает почти 90% всех пациентов с диабетом, в некоторых сообщениях было продемонстрировано снижение количества копий мтДНК в скелетных мышцах и в клетках периферической крови [78, 79].

Как упоминалось ранее, накопление ROS в митохондриях (из-за чрезмерного производства и / или дефектных защитных механизмов) сопровождается митохондриальной дисфункцией; Было установлено, что это процесс, связанный с возрастом [80].По-видимому, в преклонном возрасте β -клетки будут особенно восприимчивы к повреждению АФК, что связано с их низкой экспрессией антиоксидантных защитных ферментов, что позволит усилить повреждающий эффект АФК [81, 82].

Митохондриальный разобщающий белок UCP2 считается негативным регулятором секреции инсулина. Сверхэкспрессия UCP2 в β -клетках снижает продукцию АТФ и GSIS [46]. Сходным образом делеция UCP2 у мышей усиливает образование АТФ островками поджелудочной железы и GSIS.Более того, повышение уровня UCP2 при ожирении, как предполагается, является одной из связей между ожирением и дисфункцией β -клеток при СД2, индуцированном ожирением [47]. Однако роль UCP до конца не изучена, и, в частности, их реакция на состояние глюколипотоксичности, которое сильно проявляется при неконтролируемом СД и ожирении, требует дальнейших исследований.

Все чаще признается, что диабетические осложнения также сильно связаны с состоянием окислительного стресса. Диабетическая ретинопатия, являющаяся основной причиной слепоты среди взрослых во всем мире, была в центре внимания интенсивных исследований, которые продемонстрировали, что окислительный стресс играет жизненно важную роль в его патогенезе.В недавней обзорной статье Чжу и Цзоу представили данные, опубликованные в ходе исследования фактора пигментно-эпителиального происхождения (PEDF), который представляет собой небольшой секретируемый гликопротеин, который, как было показано, оказывает защитное действие на сетчатку, в дополнение к его антиоксидантным свойствам. к другим функциям, таким как нейротрофические, антиангиогенные, противовоспалительные, противовоспалительные и антифиброзные свойства. Следовательно, PEDF или его пептидные производные могут представлять собой потенциальный терапевтический подход к профилактике и / или лечению диабетической ретинопатии, области, которая все еще требует дальнейшей оценки [83].

5.4. Роль АФК в ожирении и сопутствующих заболеваниях, связанных с ожирением

Ожирение, определяемое как индекс массы тела 30 кг / м 2 или выше, является хроническим заболеванием с серьезными неблагоприятными последствиями и в настоящее время является ведущей причиной предотвратимых смертей во всем мире. Это установленный независимый фактор риска сердечно-сосудистых заболеваний [84]. Ожирение также связано с состоянием хронического воспаления в жировой ткани, а также в других органах, где количество и активность инфильтрирующих ткань моноцитов / макрофагов увеличивается.Некоторые активные медиаторы, хемотаксические молекулы, цитокины и адипокины усиливают хроническое воспалительное состояние и приводят к чрезмерному производству АФК, вызывая системный окислительный стресс. Это считается потенциальным механизмом, связывающим ожирение, сосудистые аномалии и повышенный риск атеросклероза и сердечно-сосудистых заболеваний. Считается, что одним из основных источников АФК в таких ситуациях является НАДФН-оксидаза (Nox), мультибелковый комплекс, который экспрессируется как в фагоцитах, так и в эндотелиальных клетках.Кормление мышей диетой с высоким содержанием жиров в течение 22 недель, чтобы вызвать ожирение, вызванное диетой, было связано с активацией Nox. Считается, что последний увеличивает экспрессию TLR в тканях сосудов и, вероятно, также в адипоцитах. TLR4, который является рецептором эндотоксина и липида, и его внутриклеточные сигнальные последствия вызывают сверхэкспрессию провоспалительных цитокинов, таких как TNF-и IL6, и факторов транскрипции, таких как NF-B. Следовательно, индуцированная Nox повышенная экспрессия и передача сигналов TLR4 могут быть вовлечены в вызванное ожирением воспаление и инсулинорезистентность.Такие результаты позволяют предположить, что компоненты системы Nox являются потенциальными новыми терапевтическими мишенями для сопутствующих заболеваний, связанных с ожирением [84].

В последние годы АФК были отведены новые роли, поскольку они связаны с контролем центральной нервной системы над массой нашего тела. Место этих новых ролей для ROS - гипоталамус, где есть нейроны, контролирующие наше чувство сытости, и другие, контролирующие наше голодное поведение. Такие роли были вовлечены в качестве факторов, лежащих в основе различных результатов, таких как возрастное снижение способности терять вес и долголетие, вызванное ограничением калорийности.Интересные результаты показали, что разные нейроны гипоталамуса имеют явное предпочтение по отношению к использованию топлива, поэтому глюкоза является предпочтительным топливом для нейронов проопиомеланокортина (POMC), которые отвечают за насыщение, в то время как ЖК являются предпочтительным топливом для нейропептида Y / связанного с Агути белка (NPY / AgRP). ) нейроны, отвечающие за питание. Хотя АФК продуцируются в обоих типах нейронов в результате окисления глюкозы и ЖК, тем не менее было продемонстрировано, что АФК, продуцируемые в нейронах ПОМК, со временем накапливаются и, следовательно, повреждают нейроны ПОМК, и это считается причиной, по крайней мере частично, из-за нашей неспособности похудеть с возрастом.С другой стороны, АФК, продуцируемые нейронами NPY / AgRP, которые активны во время отрицательного энергетического баланса, будут буферизироваться UCP2, и считается, что это играет роль в механизме долголетия, вызванном ограничением калорийности. Эта деликатная нейронная система, хотя и не до конца изучена, подчеркивает реальную необходимость проявлять особую осторожность при использовании любого фармакологического подхода против ожирения, пытающегося вызвать чувство насыщения или подавить голод на гипоталамическом уровне [85, 86].

5.5. Роль АФК в воспалении и инфекциях
5.5.1. Роль АФК в воспалении

Недавно было продемонстрировано, что АФК вызывают сборку и активацию инфламмасом, которые представляют собой мультибелковые цитоплазматические комплексы, участвующие в опосредовании клеточного воспаления в ответ на различные повреждающие агенты [87–91]. Одной из основных детально изученных инфламмасом является NOD-подобный рецептор (NLR-) нуклеотид-связывающий домен белка 3, содержащий лейцин-богатый повтор, содержащий рецепторы-зависимый белок 3 (NLRP3), инфламмасома, которая тесно связана со старением и возрастные заболевания.Считается, что митохондрии являются основным источником АФК, активирующих инфламмасомы, хотя могут существовать и другие источники. Избыток АФК не только приведет к сборке и активации инфламмасомы NLRP3, но также будет ингибировать процесс митофагии, который представляет собой специализированный тип аутофагии, ответственный за удаление неисправных митохондрий. Следовательно, поврежденные митохондрии сохранятся, производя больше АФК и продолжая активацию инфламмасом. С другой стороны, клетки, содержащие эти поврежденные митохондрии, могут подвергнуться апоптозу; что, что удивительно, также зависит от ROS.Точно так же потенциал-зависимые анионные каналы (VDAC) во внешней митохондриальной мембране также участвуют как в воспалении, так и в апоптозе. Хотя пока неясно, что приведет клетку к хроническому воспалению или апоптозу, ожидается, что этот тип решения находится под жестким контролем [92].

В соответствии с сильной связью между АФК и хроническим воспалением, было сообщено, что образование АФК коррелирует с токсичностью и патогенностью различных типов загрязнителей, таких как асбест и частицы кремнезема.В недавнем исследовании Dostert et al. продемонстрировали ключевую роль АФК в опосредовании повреждающего действия этих загрязнителей, которое может закончиться хроническим воспалением или даже образованием опухоли. Их результаты показывают, что при фагоцитозе частиц иммунными клетками, Nox будет собираться и активироваться, что будет производить АФК в железозависимом процессе [93]. Опять же, Nox может быть не единственным источником ROS; могут быть задействованы другие производители АФК. В любом случае ROS активирует комплекс инфламмасом, образованный из белка NLRP3, адаптера ASC и субстрата прокаспазы-1.Описанная реакция, связанная со стрессом, завершится образованием и процессингом каспазы-1 с последующей секрецией провоспалительных медиаторов, включая IL-1 β и IL-18 [92].

5.5.2. Роль АФК в инфекции
Производство

АФК используется клетками человека для борьбы с инфекциями, как бактериальными, так и вирусными. Хотя бактерицидный эффект АФК известен с 50-х годов прошлого века [94], активные исследования в этой области все еще продолжаются, особенно с целью открытия новых агентов, нацеленных на бактериальные штаммы с множественной устойчивостью к антибиотикам, что является серьезной клинической проблемой, которая заключается в все чаще встречается.В этой области были применены новейшие экспериментальные методики; например, полногеномное транскрипционное профилирование ответа Staphylococcus aureus ( S. aureus) на криптотаншинон, химический агент, выделенный из лекарственных растений, проявляющий антимикробную активность против широкого круга бактерий [95]. Криптотаншинон (СТ) продемонстрировал эффективную антибактериальную активность in vitro против всех протестированных штаммов S. aureus . Affymetrix GeneChips были использованы для определения глобального транскрипционного ответа S.aureus к лечению субингибирующими концентрациями СТ. Как антибактериальные, так и функции генерации активных кислородных радикалов CT были положительно коррелированы. Более того, было обнаружено, что S. aureus претерпевает защитное состояние ограничения кислорода при воздействии препарата. Таким образом, авторы предположили, что оба действия препарата - антибактериальное действие и образование кислородных радикалов - могут быть ответственны за его фармакологическую эффективность. Этот тип исследований является многообещающим, поскольку он закладывает платформу для разработки и характеристики новых антибактериальных агентов с оптимальной активностью в отношении штаммов бактерий, устойчивых к антибиотикам.

Участие АФК в вирусной инфекции также изучается довольно давно (конец 1980-х - начало 1990-х годов) [96]; дополнительные исследования все еще проводятся и дают интересные результаты, особенно в области инфицирования и лечения вируса иммунодефицита человека-1 (ВИЧ-1). Известно, что инфекция ВИЧ-1 связана с состоянием окислительного стресса. Интересно, что лечение ВИЧ-1 с использованием высокоактивной антиретровирусной терапии (ВААРТ), по-видимому, ухудшает статус окислительного стресса.Это было недавно опубликовано Мандасом и его коллегами, которые сравнили ВИЧ-1-инфицированных пациентов, получавших ВААРТ, с нелеченными пациентами и с нормальным контролем. Более того, оптимальная приверженность к терапии ВИЧ-1 еще больше ухудшала статус окислительного стресса по сравнению с плохой приверженностью [97]. Совсем недавно у пациентов, коинфицированных ВИЧ-1 и ВГС, был продемонстрирован более высокий статус окислительного стресса, что проявляется в более высоком уровне окисленного глутатиона и более серьезном повреждении митохондриальной ДНК по сравнению с пациентами, моноинфицированными ВИЧ-1 [98].

Ключевые сообщения из Раздела 5
Глюколипотоксичность связана как с окислительным, так и с ER стрессом. Это связано с активацией фактора транскрипции NF-B и, следовательно, с экспрессией провоспалительного гена. In vitro Противовоспалительное действие полиненасыщенных ЖК частично опосредуется ядерным рецептором PPAR-.
Инсулинорезистентность, индуцированная TNF-β или глюкокортикоидами, опосредована избыточной продукцией ROS, потенциальным источником которых является церамид сфинголипида.Считается, что избыток ROS, в свою очередь, работает через активацию сигнального пути JNK, что приводит к дифференциальной транслокации двух факторов транскрипции; PDX-1 и Foxo1. Биохимические последствия, которые произойдут, включают подавление биосинтеза инсулина и активацию глюконеогенеза, оба будут усиливать прогрессирование ИР в диабет.
В нормальных β -клетках существует стимулированная глюкозой секреция инсулина, которая зависит от уровня продукции АТФ и снижается митохондриальным UCP2.Возрастная дисфункция митохондрий особенно важна для клеток β из-за их относительного дефицита антиоксидантных защитных ферментов.
Окислительно-восстановительное состояние влияет не только на частоту СД, но и на частоту диабетических осложнений. Считается, что PEDF защищает от возникновения диабетической ретинопатии и, следовательно, имеет терапевтический потенциал и требует дальнейшего изучения.
Полагают, что активация фермента Nox увеличивает экспрессию TLR4 в тканях сосудов и участвует в воспалении, вызванном ожирением, и связанных с ним сосудистых аномалиях.
ROS по-разному воздействуют на нейроны гипоталамуса, участвующие в поведении, связанном с чувством насыщения или голодом; поэтому следует проявлять осторожность при попытке разработать подход против ожирения, работающий на гипоталамическом уровне. АФК
индуцируют сборку и активацию инфламмасом и ингибируют митохондриальную аутофагию, оба процесса связаны со старением и возрастными заболеваниями.
Хроническое воспаление или образование опухоли, вызванное определенными загрязнителями, индуцируется активацией комплекса инфламмасом, вызванной высвобождением NOx ROS.
И бактериальные, и вирусные инфекции связаны с образованием АФК. Новые подходы используются для разработки антибактериальных средств с оптимальной активностью.

6. Антиоксидантная терапия

Несколько природных антиоксидантов были исследованы in vitro или на животных моделях для оценки их потенциального терапевтического эффекта в условиях, связанных с окислительным стрессом. Интересно, что не все антиоксиданты идентичны, результаты недавних исследований подчеркивают этот момент, а некоторые будут кратко описаны в следующем разделе.

Чтобы определить защитную роль витамина Е и / или дитиотреитола (DTT), Цай и его коллеги изучили гепатоциты крыс, которые подверглись окислительному стрессу, обработав их трет-бутилгидропероксидом, и оценили клеточный гомеостаз кальция в эти клетки. Их результаты показали, что витамин E не только блокирует повышение внутриклеточных ионных ионов кальция, но также предотвращает потерю тиолов белка из клеточных мембран, что привело авторов к предположению, что витамин E сохраняет целостность клеточных мембран, и это может быть важно для поддержание внутриклеточного гомеостаза кальция [99].

Другой природный антиоксидант, роттлерин, был изучен Майоли и др. На клеточных линиях рака молочной железы человека и рака толстой кишки человека, MCF-7 и HT-29, соответственно [100]. Роттлерин представляет собой пигмент, который оказывает плейотропное ингибирующее действие на определенные внутриклеточные киназы и, следовательно, считается, что он мешает процессу активации NF-B. Сообщалось также, что подобные полифенольные фитохимические соединения, такие как куркумин, ресвератрол и мангиферин, обладают антиоксидантной активностью, опосредованной ингибированием NF-B [101].Поскольку не все антиоксидантные фитополифенолы идентичны по механизму действия, ресвератрол и роттлерин, оба являются антиоксидантами, которые действуют как ингибиторы протеинкиназы C 𝛿 (PKC), ингибируют NF-B с помощью разных механизмов. Кроме того, роттлерин обладает эффектом улавливания свободных радикалов [100].

Подобно роттлерину, куркумин, который обычно используется в качестве пищевой добавки во многих частях мира, оказывает противовоспалительное и антиоксидантное действие, удаляя свободные радикалы и ингибируя NF-B.Куркумин также ингибирует перекисное окисление липидов, что проявляется в снижении уровня печеночного малонового диальдегида (МДА) на модели алкогольной болезни печени у крыс. Самухасането и его коллеги вызвали повреждение печени у крыс, дав им этанол, а затем оценили защитный эффект перорального куркумина. С другой стороны, по крайней мере в этой изученной модели, куркумин не влиял ни на активность SOD, ни на уровень экспрессии белка PPAR𝛾. Куркумин, по-видимому, подавляет ранние стадии алкогольной болезни печени у крыс.Фактически, ранние стадии заболевания в основном связаны с окислительным стрессом, который вызван чрезмерным накоплением АФК. В меньшей степени куркумин снижает апоптоз гепатоцитов, вызванный дисфункцией митохондрий и высвобождением цитохрома С [101].

Хотя куркумин не влиял на уровень активности СОД, недавно сообщалось, что другое природное антиоксидантное и противовоспалительное соединение, пурпурный цвет сладкого картофеля (PSPC), увеличивает активность Cu 2+ / Zn 2+ СОД, а также каталазы.Об этом сообщалось в мозговой ткани модели старения мышей, индуцированной D-Gal, где Shan et al. сначала оценивали спонтанное поведение животного и его когнитивные способности, а затем тщательно оценивали биохимические изменения, происходящие в головном мозге животного. В этой модели пероральное введение PSPC привело к улучшению поведения мышей и когнитивных функций интактного животного. На уровне животных выделены ткани головного мозга и помимо повышенной активности Cu 2+ / Zn 2+ , СОД и каталаза; продемонстрированные низкие уровни экспрессии индуцированной NOS (iNOS) и циклооксигеназы 2 (Cox2), снижение ядерной транслокации NF-B и пониженное содержание MDA - все это привело авторов к предположению, что PSPC, благодаря его антиоксиданту и анти- воспалительная способность, улучшает когнитивный дефицит и ослабляет окислительное повреждение и воспаление в стареющем мозге мыши [102].

Гинзенозид Rb1, природный стероид растения, принадлежащий к семейству гликозидов и тритерпеновых сапонинов, недавно сообщил Ся и его коллеги для ослабления окислительного стресса миокарда и гистологического повреждения тканей на модели индуцированного стрептозотоцином диабета и ишемии / реперфузионного повреждения миокарда. . Поскольку этот защитный эффект был отменен ингибитором eNOS, L-NAME, было высказано предположение, что гинсенозид Rb1 проявляет свой защитный эффект, усиливая экспрессию eNOS и, следовательно, увеличивая содержание NO в дополнение к его антиоксидантному эффекту [103].

Интересно, что не все противовоспалительные средства также являются антиоксидантами; Диклофенак, нестероидный противовоспалительный препарат (НПВП), который обычно назначают для лечения боли, лихорадки и воспаления, является ярким примером. Недавно сообщалось, что диклофенак вызывает апоптоз клеточной линии нейробластомы. Апоптоз, индуцированный диклофенаком, был связан с его способностью вызывать митохондриальную дисфункцию в виде снижения потенциала митохондриальной мембраны и, как следствие, высвобождения цитохрома С и, в конечном итоге, вызывать апоптоз клеток.Вызванная диклофенаком митохондриальная дисфункция была связана с его прооксидантной активностью, поскольку было обнаружено, что он снижает уровень белка и активность митохондриальной SOD, но не уровень ее мРНК. Кроме того, экзогенное введение антиоксиданта Trx снижает индуцированный диклофенаком апоптоз и улучшает уровень митохондриального белка SOD. Такие исследования могут иметь клиническое значение, поскольку их можно применять для определения оптимальной дозировки и предотвращения побочных эффектов и лекарственных взаимодействий, вызванных диклофенаком [104].

Эпоэтин 𝛿 представляет собой эритропоэтин, который назначают пациентам с повышенным риском развития анемии. Он уникален тем, что, в отличие от других агентов, стимулирующих эритропоэз, эпоэтин 𝛿 продуцируется с помощью технологии активации генов в клеточной линии человека, и, следовательно, он имеет профиль гликозилирования человеческого типа. Антиоксидантная способность эпоэтина 𝛿 была недавно оценена на первичных клетках почечных канальцев человека. Окислительный стресс сначала был вызван обработкой клеток ферментом глюкозооксидазы.Затем оценивали защитную антиоксидантную способность эпоэтина 𝛿, используя коммерческий индикатор окислительного статуса (2 ', 7'-дихлородигидрофлуоресцеин диацетат; H 2 DCFDA). Авторы продемонстрировали, что антиоксидантная способность эпоэтина защищает почечную ткань за счет активации нескольких генопротекторных генов, некоторые из них, например, карбоксипептидаза M, дипептид-пептидаза IV и цитоглобин, как сообщается, впервые участвуют в процессе антиоксидантной ренопротекции. [105].

7. Возможные новые целевые терапевтические средства против АФК

Взятые вместе, результаты недавно проведенных исследований по изучению молекулярных, субклеточных органелл и клеточных механизмов, участвующих в опосредовании действия АФК, предлагают многообещающие возможности, поскольку они предлагают новые потенциальные терапевтические агенты для АФК. связанные заболевания. В этом обзоре представлено несколько примеров, которые требуют дальнейшего изучения. Сложность и многогранность процесса регулирования окислительно-восстановительного потенциала делают важным лучше понять ключевых участников этого процесса, а затем разработать целевые средства управления этими участниками.Очевидным примером является сигнальный путь JNK, который активируется различными клеточными стрессорами, включая ROS, глюколипотоксичность и стресс ER [106–108]. В случае хронического стресса ER, такого как ожирение [85], вызванное стрессом ER метаболическое нарушение приведет к инсулинорезистентности и, в конечном итоге, к T2DM. Могут ли ингибиторы сигнального пути JNK быть сконструированы для специфического улучшения активации этого пути, связанной с ER-стрессом? Результаты, опубликованные Озканом и его коллегами, предполагают, что вмешательства, регулирующие стрессовую реакцию ER, открывают новые возможности для профилактики и лечения T2DM [107].

Кроме того, путь серин / треонинкиназы, IkappaB киназы β (IKK) также активируется такими стрессорами и сильно вовлечен в развитие дисфункции клеток β , инсулинорезистентности и СД2 [108– 111]. Следовательно, возможно, что такие пути могут быть нацелены как подход, дополняющий классические антиоксиданты при профилактике и / или лечении хронических заболеваний, связанных с АФК. Однако этот подход обычно не является ни предсказуемым, ни однозначным; поэтому сначала необходимо провести исследования in vitro , а также экспериментальные модели на животных, и на основе их результатов можно предложить тщательно разработанные исследования с участием человека.Даже при таком дизайне гипотеза о нацеливании на конкретный сигнальный путь с целью облегчения заболеваний, связанных с окислительно-восстановительным стрессом, остается предметом одобрения или опровержения. Недавняя опубликованная работа Мейера и его коллег является четким доказательством неотъемлемой сложности метаболических нарушений. Основываясь на результатах исследований на животных, предполагающих, что провоспалительный путь активатора фактора транскрипции протеина-1 (АР-1) является многообещающей мишенью для лечения сосудистых заболеваний, таких как атеросклероз, эта группа оценила профиль активации АР-1 в стенке аорты человека. образцы и протестировали потенциальную пользу ингибирования AP-1 в клинических испытаниях с участием пациентов с симптоматическим заболеванием периферических артерий.Использование доксициклина (ингибитор AP-1) или плацебо у этих пациентов не повлияло ни на один из маркеров воспаления и сосудистой дисфункции, за исключением C-реактивного белка, который выявил только пограничное снижение в группе, получавшей доксициклин. Это привело авторов к выводу, что их результаты не подтверждают результаты исследований на животных и что AP-1 не оказался терапевтической мишенью для прогрессирующих сосудистых заболеваний человека [112].

В этом обзоре суммируются ключевые роли, которые играют АФК, которые считаются основными, хотя и не единственными, окислительно-восстановительными видами; Редокс-система тиол / дисульфид также играет ключевую роль в передаче сигналов редокс и окислительном стрессе.Фактически, ограниченная польза классических антиоксидантных терапевтических агентов, используемых до сих пор в нескольких клинических испытаниях, может быть результатом нецелевого подхода этих агентов, как упоминалось выше, и, что важно, из-за того, что они не влияют на окислительно-восстановительные регуляторы на основе цистеина. . Действительно, необходимы дальнейшие исследования для лучшего прояснения общей картины окислительно-восстановительной регуляции как посредниками АФК, так и не-АФК.

Ключевые сообщения из разделов 6 и 7
В области антиоксидантной терапии продолжаются исследования, чтобы лучше понять механизм действия известных антиоксидантных агентов, а также разработать и испытать новые терапевтические агенты.Как и в случае любого испытания новых лекарств, необходимо применять систематический подход с использованием моделей in vitro, и in vivo, животных и испытаний на людях; тем не менее, результаты могут быть непредсказуемыми.

В заключение, оксидативная регуляция - это термин, который лучше описывает действия ROS, поскольку некоторые из этих действий считаются физиологическими, а другие, особенно если они неконтролируемы, глубоко вовлечены во многие патологические ситуации.

Появляется все больше свидетельств того, что окислительно-восстановительные регуляторы, соответствующие активные медиаторы, функции клеточных органелл и окружающая среда связаны вместе в сложные сети, влияющие на энергетику всего тела, метаболизм, состояние здоровья и болезни и даже продолжительность жизни.

Хотя в настоящее время использование антиоксидантов кажется разочаровывающим в предотвращении прогрессирования заболеваний, связанных с АФК, текущие результаты исследований предлагают новые цели, которые могут оказаться более подходящими антиоксидантами. Необходимы дальнейшие исследования для изучения возможных профилактических и / или терапевтических свойств этих молекул.

Сокращение
908O5 : 9056 9056 mtDNA: 9056 mtDNA: 9056 mellitus 55
ROS: Активные формы кислорода
ETC: Цепь переноса электронов
Nox: NADPH оксидазы
Тиоредоксин 2
HIF-1: Фактор-1, индуцируемый гипоксией
Nrf2: Ядерный фактор-эритроид 2-связанный фактор 2
Сердечно-сосудистые заболевания
CVD
DM: Сахарный диабет
ER: Эндоплазматический ретикулум
UPR: Ответ развернутого белка
MtDNA
mtDNA:
UCP: Разобщающий белок 9 0857
FA: Жирная кислота
NF-𝜅B: Фактор ядерной транскрипции 𝜅B
TLR: Толл-подобный рецептор
IR: резистентность к инсулину
IR: TNF-: Фактор некроза опухоли-𝛼
JNK: c-Jun Nh3-терминальная киназа
GSIS: Стимулированная глюкозой секреция инсулина P опиомеланокортин
NPY / AgRP: Нейропептид Y / Агути-родственный белок
NLRP3: NOD-подобный рецептор (NLR-) белок 3, связанный с нуклеотид-связывающим доменом, содержащий рецепторы, богатые лейцином родственный белок 3 инфламмасома
Благодарность

Эта работа была поддержана Программой стратегических технологий Национального плана в области науки и технологий. технологии и инновации в Королевстве Саудовская Аравия (Проект №08-MED513-02).

биология | Определение, история, концепции, отрасли и факты

Биология , изучение живых существ и процессов их жизнедеятельности. Эта область занимается всеми физико-химическими аспектами жизни. Современная тенденция к междисциплинарным исследованиям и объединению научных знаний и исследований из разных областей привела к значительному совпадению области биологии с другими научными дисциплинами. Современные принципы других областей - например, химии, медицины и физики - интегрированы с принципами биологии в таких областях, как биохимия, биомедицина и биофизика.

биология; микроскоп

Исследователь с помощью микроскопа исследует образец в лаборатории.

© Раду Разван / Fotolia

Популярные вопросы

Что такое биология?

Биология - это отрасль науки, изучающая живые организмы и их жизненные процессы. Биология охватывает различные области, включая ботанику, охрану, экологию, эволюцию, генетику, морскую биологию, медицину, микробиологию, молекулярную биологию, физиологию и зоологию.

Почему важна биология?

Где работают выпускники биологических специальностей?

Выпускники биологических специальностей могут работать на самых разных должностях, для некоторых из них может потребоваться дополнительное образование.Человек со степенью в области биологии может работать в сельском хозяйстве, здравоохранении, биотехнологии, образовании, охране окружающей среды, исследованиях, судебной медицине, политике, научном общении и во многих других областях.

Биология разделена на отдельные разделы для удобства изучения, хотя все подразделения взаимосвязаны по основным принципам. Таким образом, хотя существует обычай отделять изучение растений (ботаника) от исследования животных (зоология) и изучение структуры организмов (морфологии) от функции (физиология), все живые существа имеют общие определенные биологические свойства. явления - например, различные способы размножения, деления клеток и передачи генетического материала.

Биология часто рассматривается на основе уровней, которые имеют дело с фундаментальными единицами жизни. Например, на уровне молекулярной биологии жизнь рассматривается как проявление химических и энергетических преобразований, которые происходят между многими химическими составляющими, составляющими организм. В результате развития все более мощных и точных лабораторных инструментов и методов стало возможным понять и определить с высокой точностью и точностью не только конечную физико-химическую организацию (ультраструктуру) молекул в живом веществе, но и способ воспроизводства живого вещества. на молекулярном уровне.Особенно важным для этих достижений был рост геномики в конце 20-го и начале 21-го веков.

Клеточная биология - это изучение клеток - фундаментальных единиц структуры и функций живых организмов. Впервые клетки были обнаружены в 17 веке, когда был изобретен составной микроскоп. До того времени отдельный организм в целом изучался в области, известной как биология организма; эта область исследований остается важным компонентом биологических наук. Популяционная биология имеет дело с группами или популяциями организмов, населяющих данную территорию или регион.На этот уровень включены исследования ролей, которые определенные виды растений и животных играют в сложных и самовоспроизводящихся взаимоотношениях, существующих между живым и неживым миром, а также исследования встроенных средств контроля, которые естественным образом поддерживают эти отношения. . Эти общие уровни - молекулы, клетки, целые организмы и популяции - могут быть дополнительно подразделены для изучения, что дает начало таким специализациям, как морфология, таксономия, биофизика, биохимия, генетика, эпигенетика и экология.Область биологии может быть особенно связана с исследованием одного вида живых существ - например, изучение птиц в орнитологии, изучение рыб в ихтиологии или изучение микроорганизмов в микробиологии.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Основные понятия биологии

Биологические принципы

Концепция гомеостаза - что живые существа поддерживают постоянную внутреннюю среду - была впервые предложена в 19 веке французским физиологом Клодом Бернаром, который заявил, что «все жизненные механизмы, как бы они ни были разнообразны, имеют только одну цель: сохранение постоянные условия жизни.”

Как первоначально задумал Бернар, гомеостаз применялся к борьбе одного организма за выживание. Позднее эта концепция была расширена, чтобы включить любую биологическую систему от клетки до всей биосферы, все области Земли, населенные живыми существами.

Единство

Все живые организмы, независимо от их уникальности, обладают определенными общими биологическими, химическими и физическими характеристиками. Все они, например, состоят из основных единиц, известных как клетки, и одних и тех же химических веществ, которые при анализе обнаруживают заметное сходство даже в таких разрозненных организмах, как бактерии и люди.Более того, поскольку действие любого организма определяется тем, как его клетки взаимодействуют, и поскольку все клетки взаимодействуют примерно одинаково, основное функционирование всех организмов также схоже.

клеток

Клетки животных и растений содержат мембраносвязанные органеллы, включая отдельное ядро. Напротив, бактериальные клетки не содержат органелл.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Существует не только единство основной живой субстанции и функционирования, но и единство происхождения всего живого.Согласно теории, предложенной в 1855 году немецким патологом Рудольфом Вирховым, «все живые клетки возникают из уже существующих живых клеток». Эта теория кажется верной для всех живых существ в настоящее время при существующих условиях окружающей среды. Если, однако, жизнь зарождалась на Земле более одного раза в прошлом, тот факт, что все организмы имеют одинаковую базовую структуру, состав и функции, может указывать на то, что только один первоначальный тип преуспел.

Общее происхождение жизни могло бы объяснить, почему у людей или бактерий - и во всех промежуточных формах жизни - одно и то же химическое вещество, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), в форме генов определяет способность всего живого вещества воспроизводить себя. именно так и для передачи генетической информации от родителей к потомкам.Более того, механизмы этой передачи следуют шаблону, который одинаков для всех организмов.

Каждый раз, когда происходит изменение гена (мутация), происходит какое-то изменение в организме, который содержит этот ген. Именно это универсальное явление порождает различия (вариации) в популяциях организмов, из которых природа отбирает для выживания тех, кто лучше всего справляется с изменяющимися условиями окружающей среды.

Реферат

Введение

Системы гомеостатического контроля с пероральным приемом питательных веществ жизненно важны для поддержания жизни.Система довольно сложная, в которой важное значение имеют упорядоченное взаимодействие между внешними и внутренними чувствами, поведенческий контроль и поощрение обучения [1, 2]. Их неспособность правильно развиваться или поддерживать точное состояние приводит к появлению нескольких симптомов болезни. Например, нарушение вкуса может вызвать коллапс гомеостаза и нарушения питания [3-5].

Натриевый аппетит - репрезентативная система, которая интенсивно исследовалась на животных моделях гомеостатических систем, которые координируют пероральное потребление питательных веществ [6-11].Например, на уровне поведения известно, что предпочтение соленого вкуса меняется в зависимости от внутреннего состояния натрия. То есть, когда у животного истощается натрий после адреналэктомии [12], введения фуросемида или корма с низким содержанием натрия [9, 10], у него появляется положительный натрий-аппетит, что означает, что потребление натрия работает как вознаграждение. С другой стороны, когда у животного нет дефицита натрия, у него будет отрицательный натрий-аппетит, и потребление натрия действует как наказание [13, 14].Это свойство связано с различными факторами, а не только с отказом от вредных продуктов или потреблением основных питательных веществ. Скорее, это сложное явление, при котором ценность вкуса колеблется, отражая внутреннее состояние животных.

На физиологическом уровне несколько гормонов участвуют в контроле аппетита натрия. Например, у адреналэктомированных крыс, у которых возникают трудности с секрецией альдостерона, наблюдается повышенный натриевый аппетит [6]. В связи с этим дефицит натрия увеличивает уровень ангиотензина II и стимулирует секрецию альдостерона [15].

Кроме того, у животных с дефицитом натрия наблюдалось возбуждение нейронов, чувствительных к альдостерону, в ядре солитарного тракта (нейроны NTS HSD2 ), подобные пейсмекеру [16].

На уровне нервного субстрата известно, что несколько нейронных ядер (например, лимбическая система, мосты и базальные ганглии) контролируют аппетит к натрию. Напр., Активация дофаминергических нейронов вентральной тегментальной области (VTA), которые обнаруживают устойчивые корреляции с системами поощрения, снижает потребление соли [17].Дофаминергические нейроны среднего мозга могут кодировать аппетитные свойства натрия [18]. Некоторые возбуждающие нейроны в pre-locus coeruleus снижают натриевый аппетит [10]. Напротив, активация нейронов в субфорном органе увеличивает натриевый аппетит [9].

Несмотря на эти открытия, механизмы системного уровня для регулирования поведения потребления натрия и гомеостатического контроля остаются неясными. Теория снижения влечения [19] является классическим описанием, которое послужило основой для природы поведения аппетита натрия; то есть отклонение от оптимального состояния приводит к уменьшению несоответствия.Однако некоторые важные биологические наблюдения нельзя объяснить теорией уменьшения влечения. Например, прямая инфузия натрия в желудок, а не через рот, не снижает аппетит натрия в течение нескольких минут [2], даже если внутреннее состояние натрия может приближаться к оптимальному уровню.

Для решения этой проблемы мы предлагаем вычислительную модель, обеспечивающую механистическое понимание аппетита натрия, модель гомеостатического обучения с подкреплением (HRL), согласно которой гомеостатическое поведение интерпретируется как процессы обучения с подкреплением [2, 20, 21].В модели HRL изменение внутреннего состояния, приближающееся к идеальному, рассматривалось как вознаграждение, в то время как изменение внутреннего состояния, уходящее от идеального состояния, рассматривалось как наказание. На основе этой идеи ценности оптимального поведения для поддержания внутренних состояний были приобретены в процессе постепенного обучения. Кроме того, отдельно рассматривая модальность вкуса и фактическое изменение внутреннего состояния, модель HRL дает объяснения о механизмах, которые объединяют вкус, поведение и поддержание внутренней среды.

Модель HRL была первоначально предложена для объяснения гомеостатического контроля температуры тела, состояния внутренней воды [2] и патологических механизмов кокаиновой зависимости [21]. Это исследование - первая попытка использовать модель HRL для объяснения поведения аппетита натрия. Кроме того, хотя модель HRL может обрабатывать многомерные внутренние состояния, в предыдущих исследованиях она использовалась для обработки одномерных изменений внутреннего состояния [2, 20, 21]. Однако аппетит натрия - сложный процесс, в котором участвуют взаимодействия и гомеостатический баланс между предпочтением воды и натрия.Поэтому в текущем исследовании мы расширили модель HRL до многомерной модели, моделируя два внутренних состояния воды и натрия. Основываясь на этом расширении, мы попытались дать механистическое понимание предыдущих результатов, используя эксперименты с динамическими взаимодействиями между внутренними состояниями воды и натрия. Наконец, моделируя экспериментальные манипуляции с нейронной активностью определенного ядра мозга, которое, как известно, участвует в поведении, связанном с аппетитом натрия, мы предлагаем гипотезу о функции определенной нервной популяции в управлении аппетитом натрия.

Обзор ResultsModel

В текущем исследовании поведение, связанное с аппетитом натрия, моделировалось с использованием модели HRL [2, 20, 21]. Эта модель основана на предположении, что гомеостаз - это процесс RL, в котором минимизация отклонений внутренних состояний от оптимального уровня (то есть гомеостаза) рассматривается как вычисление для максимизации суммы вознаграждений. В модели HRL многомерное метрическое пространство, в котором каждое измерение представляет внутреннее состояние (например, температуру тела, плотность глюкозы в крови, состояние воды и уровень натрия), было определено как «гомеостатическое пространство».В этом гомеостатическом пространстве функция привода D (H t ) была определена как расстояние между внутренним состоянием i-го компонента (например, воды или натрия) в момент времени t, H i, t и идеальное внутреннее состояние H * и :

Где m и n - произвольные параметры для определения расстояния, а N - общее количество измерений для внутренних состояний (например, вода, натрий и т. Д.). Когда внутреннее состояние приближается к идеальному, значение функции привода должно быть уменьшено.) можно смоделировать как прогнозирующий фактор фактического потребления питательных веществ (K). Исходя из этого предположения, вознаграждение рассчитывалось следующим образом:

Процесс RL был смоделирован как модель Рескорла-Вагнера. В этой модели значения действия a (например, потребление натрия, ничего не делать…) Q (a) обновляются на основе ошибки прогнозирования вознаграждения:

Где α - скорость обучения.

Эксперимент 1: гомеостаз натрия в соответствии с HRL

Во-первых, мы подтвердили, что гомеостатический контроль внутренних состояний натрия может быть воспроизведен с использованием структуры модели HRL.В этом эксперименте модельные мыши могли либо принимать соленую воду, либо ничего не делать (рис. 1B). Значения действия потребления и бездействия были установлены на 0. Следовательно, первоначальный выбор действия был случайным (P (потребление) = 0,5) (рис. 1C). После нескольких случайных выборов потребления натрия эффективность потребления усилилась, и внутреннее состояние приблизилось к идеальному. Примерно в 20 испытаниях P (потребление) было почти 1, и внутреннее состояние быстро достигло идеального состояния.Когда внутреннее состояние превышало идеальное после примерно 80 испытаний, потребление натрия становилось наказанием, и ценность действия «ничего не делать» увеличивалась. После нескольких попыток бездействия, примерно на этапе 140, из-за распада, который, как предполагалось, был естественной потерей внутреннего натрия (подробнее см. Метод), внутреннее состояние стало ниже идеального. Следовательно, действие потребления натрия снова увеличилось. Благодаря повторению этого цикла, модель успешно достигла гомеостатического контроля внутреннего состояния натрия (рис. 1C).

biorxiv; 2021.04.20.440596v1 / FIG1F1fig1Fig 1. Гомеостатическое поведение в соответствии с моделью гомеостатического обучения с подкреплением (HRL).

(A) Схематическое изображение вычислительного процесса модели HRL. (B) Определение состояния и двух действий в экспериментах 1 и 2. (C) Пример гомеостатического поведения. Были нанесены на график изменения во внутреннем состоянии натрия, ценность каждого действия (Q-значение), вероятность потребления натрия (P (Потребление)) и величина вознаграждения с течением времени. Пунктирная линия на панели внутреннего состояния указывает идеальную точку (H = 50) натриевого вкуса.На панели вероятности поступления натрия (P (Потребление)) синие метки на оси P = 1,0 представляют «поведение при потреблении», а метки на оси P = 0,0 указывают «Ничего не делать». В начале моделирования внутреннее состояние натрия и Q-значения для каждого действия были установлены на 0. После нескольких случайных выборов действия, Q-значение натрия потребления было увеличено, и внутреннее состояние натрия быстро достигло идеальной точки. , поддерживая гомеостатически регулируемое поведение.

Эксперимент-2: Чувство вкуса как предиктор изменений внутренних состояний

В гомеостатическом контроле состояний натрия, а также при мониторинге внутренних состояний, чувство вкуса может играть важную роль.В модели HRL это предположение можно проверить, применив эту сенсорную модальность в качестве предиктора изменений внутренних состояний, вызванных потреблением питательных веществ [2]. В этом исследовании мы моделировали тест на внутрижелудочную инфузию [10]. В тесте с внутрижелудочной инфузией было три группы животных: (1) контрольная группа мышей с обедненным натрием, (2) группа животных с обедненным натрием NaCl-IG, получавших внутрижелудочную инфузию соленой воды перед тестом, и ( 3) пероральная группа NaCl с мышами с обедненным натрием, стимулированная натрием (соленый вкус) во время теста (рис. 2В).Определения состояний и действий были такими же, как в предыдущем эксперименте (рис. 1B). В начале теста внутрижелудочной инфузии внутренние состояния для контрольной группы и группы, получавшей NaCl перорально, были установлены на H t = 0, в то время как для группы NaCl-IG внутреннее состояние было установлено на H t = H * / 2, что соответствует натрию, частично поступающему через желудочный инфузионный раствор. Каждая животная модель была протестирована в 100 испытаниях с общей продолжительностью 600 с в реальных экспериментах.) был предиктором увеличения внутреннего состояния. (B) Три группы поведенческих тестов. (C) Сравнение результатов поведенческих экспериментов [10] и вычислительной модели. Внутрижелудочная инфузия не изменила потребление натрия, в то время как пероральная стимуляция уменьшила потребление. (D-F) Переходы симуляции. (D) Контрольная группа показывает повышенное значение Q потребления. (E) Благоприятное увеличение значения Q наблюдается в группе NaCl-IG. (F) Значения «ничего не делать» и «приема» усиливаются в группе, принимающей NaCl перорально.

В результате моделирования не было существенной разницы в общем количестве потребляемых NaCl между контрольной группой и группой NaCl-IG (рис. 2C). С другой стороны, общее потребление группы, получавшей NaCl перорально, было явно ниже, чем у контрольной группы и группы NaCl-IG. Эти тенденции были аналогичны тем, которые наблюдались в экспериментах на животных [10] (рис. 2С).

Чтобы обеспечить механистический обзор этих результатов, переходы каждой переменной во время эксперимента показаны на рис.) из-за непрерывного применения соленого раздражителя (натрия) во время теста. Не было четких различий между значениями действия потребления соли и бездействия (рис. 2F), а количество приемов в группе, получавшей NaCl в качестве питьевой воды, было ниже, чем в контрольной группе (рис. 2C).

Эксперимент 3: многомерный HRL

В этом эксперименте, чтобы описать динамическое взаимодействие между внутренними состояниями воды и натрия, мы расширили модель HRL до нескольких измерений [2].Модель HRL с многомерными внутренними состояниями (состояние воды и состояние натрия) оценивалась с помощью теста предпочтения двух бутылок, который представляет собой поведенческую процедуру, используемую для сравнения предпочтения содержимого двух бутылок (рис. 3B). В тесте предпочтения двух бутылочек модельные мыши могли либо выполнять «прием соленой воды», «прием воды», либо «ничего не делать» (рис. 3А). В этом эксперименте было четыре группы животных: контрольная группа с выполненными начальными внутренними состояниями, группа с низким содержанием натрия, группа с низким содержанием воды и группа с низким содержанием воды / соли.

biorxiv; 2021.04.20.440596v1 / FIG3F3fig3Fig 3. Многомерная гомеостатическая модель обучения с подкреплением (HRL) как подходящее объяснение результата теста предпочтения двух бутылочек.

(A) Определение состояния и трех действий в экспериментах 3 и 4. (B) Схематическое изображение эксперимента 3 (тест предпочтения с двумя бутылками). (C) Сравнение поведенческих данных [9] и данных моделирования в контрольной (все удовлетворены) и в группе, обедненной водой / натрием. Контрольные группы показывают незначительное потребление, и обе истощенные группы демонстрируют обильные объемы потребления в обоих наборах данных.(D) В группе с низким содержанием натрия потребление воды невелико, а потребление соленой воды увеличено. (E) Группы с дефицитом воды показывают обильные водозаборы и значимые водозаборы соленой воды (F-I) Переходы моделей HRL (F) Модель HRL с дефицитом воды / натрия показывает сильное увеличение значений потребления воды и соленой воды. (G) Действие потребления натрия по отдельности резко возрастает в модели с обедненным натрием. (H) Модель с низким содержанием воды показывает увеличенные значения потребления воды и соленой воды. (I) Модель управления отвергает оба приема.

Результаты моделирования показали, что контрольная группа с выполненными начальными внутренними состояниями демонстрировала непрерывно снижающиеся значения как потребления воды, так и потребления соли, и люди в этой группе в основном предпочитали вести себя бездействовать. В результате оба внутренних состояния оставались плоскими в идеальном состоянии (рис. 3I). Суммируя эти поступления, потребление из бутылок с водой и бутылок с морской водой было сдержанным (рис. 3C-3E). Напротив, в группе с низким содержанием воды / соли показатели действия как потребления воды, так и потребления соли быстро увеличивались.Отражая эти увеличения, состояние воды и натрия также увеличилось (рис. 3F). Накопление этого потребления было явно больше в истощенной, чем в контрольной группе (рис. 3C). В других случаях в группе с обедненным натрием, которой давали большое количество воды, наблюдалось повышенное действие потребления соли, что приводило к повышенному состоянию натрия (рис. 3G). Общее потребление воды было небольшим, в то время как потребление соли было преобладающим (Рис. 3D). Группа с дефицитом воды показала заметное поведение.Во-первых, увеличились показатели действия потребления воды и соли. Значение потребления воды было больше, чем потребление соли. Потребление соленой воды немного увеличилось (рис. 3H). Эти тенденции были аналогичны тем, которые наблюдались у реальных животных, оцененных с помощью теста предпочтения двух бутылочек [9] (рис. 3C).

Эксперимент-4: Моделирование хемогенетических нейронных манипуляций в сети солевого аппетита

Среди областей мозга, связанных с натриевым аппетитом, предполагается, что нейроны латерального парабрахиального ядра (нейроны LPBN Htr2c ) обладают подавляющей функцией по отношению к натриевому аппетиту, потому что искусственно ингибирование этого нейрона с помощью хемогенетических нейронных манипуляций (дизайнерские рецепторы, активируемые исключительно дизайнерскими препаратами / DREADD) увеличивает аппетит к натрию [22].LPBN Htr2c нейроны проецируются в центральную миндалину (CeA). Основываясь на этих предыдущих выводах, в этом эксперименте мы предположили, что нейроны LPBN Htr2c обладают функцией оказывать отрицательное влияние на значение действия, связанное с аппетитным поведением натрия. Гипотеза была реализована как учет значений действий в модели HRL следующим образом: где Q ’- значение функции выбора действия. Кроме того, ингибирование нейронов LPBN Htr2c с помощью DREADD было представлено отменой отрицательного смещения (т.е.е. LPBN в уравнении 5 был установлен на 0). С помощью этой реализации мы проверили нашу гипотезу о нейронах LPBN, сравнив моделирование и наблюдение в реальном эксперименте на животных (рис. 4A) [22].

biorxiv; 2021.04.20.440596v1 / FIG4F4fig4Fig 4. Моделирование дизайнерских рецепторов, активируемых исключительно дизайнерским лекарством (DREADD), которое ингибирует тоническое нейрональное подавление натриевого аппетита.

(A) Схематическая иллюстрация эксперимента 4: DREADD (B) Переходы контрольных моделей (без DREADD).Значения потребления натрия были вычтены из этих графиков по отрицательному смещению в сторону аппетита натрия. (C) В экспериментах DREADD потребление натрия увеличивалось [22]. (D) Модели гомеостатического подкрепления демонстрируют эквивалентное поведение.

Этот эксперимент был проведен в тесте предпочтения двух бутылок с использованием воды и соленой воды [22]. Было четыре группы мышей, основанных на истощении воды / соли и применении DREADD, а именно: обедненные водой / контрольные (без DREADD), обедненные натрием / контрольные, обедненные водой / DREADD и обедненные натрием / DREADD.

Обе группы DREADD потребляли больше соленой воды, чем контрольная группа. Однако четких различий между группами без DREADD не наблюдалось. В группах с истощением натрия потребление воды было небольшим как в группах без DREADD, так и в группах DREADD. В обеих группах потребление соленой воды быстро увеличивалось. Потребление в группе DREADD было выше, чем в группе без DREADD. Потребление воды резко увеличилось в группах обезвоживания. Не было четкой разницы между группами DREADD и отсутствием DREADD.Контрольная модель (без DREADD) показала поддержанный гомеостаз (рис. 4B). Потребление соленой воды в группах обезвоживания было небольшим, но группа DREADD показала гораздо более высокое потребление, чем группа без DREADD. Эти тенденции успешно воспроизводили те, которые наблюдались в реальных экспериментах на животных (рис. 4C и 4D).

Обсуждение

В этом исследовании мы попытались дать механистическое понимание поведения аппетита натрия, используя модель HRL. В простом моделировании эксперимента 1 мы подтвердили, что модель HRL успешно воспроизводит гомеостазоподобное поведение, регулируя аппетит натрия, (т.е.е., приближение и поведение избегания натрия). Кроме того, основываясь на предположении, что чувство вкуса является предиктором изменений во внутренних состояниях, модель HRL успешно воспроизвела предыдущие наблюдения теста на внутрижелудочную инфузию, которые не могут быть объяснены классической теорией снижения влечения [19]. Эти результаты подтверждают идею о том, что аппетитное поведение натрия можно понимать как процесс обучения с подкреплением.

Эта идея согласуется с предыдущими выводами о том, что система поощрения обучения участвует в поведении, связанном с аппетитом натрия.Например, активность дофаминергических нейронов в VTA, которая, как полагают, имеет прочную связь с процессом обучения с подкреплением в мозге [23, 24], увеличивалась, когда мыши с низким содержанием натрия лизали соленую воду. Напротив, фармакологическая инактивация нервных проекций от VTA к прилежащему ядру снижает потребление натрия [18]. Кроме того, оптогенетическое возбуждение дофаминергических нейронов VTA подавляет потребление натрия у мышей с дефицитом натрия [17]. Модель HRL может дать представление об интеграции этих предыдущих результатов.

В модели HRL предполагалось, что чувство вкуса предсказывает изменения во внутреннем состоянии. Последнее означает, что соленый стимул представляет собой непосредственный индуктор подкрепления, но это не относится к действительным изменениям внутреннего состояния. Тем не менее, только фактическое потребление может привести к насыщению внутренних состояний. Это предположение согласуется с тем фактом, что желудочная инфузия воды не действует как подкрепление, в отличие от перорального приема воды, которая может действовать как подкрепление [2, 25].Кроме того, искусственные подсластители, в том числе сахарин и сукралоза, могут действовать как усиливающие вещества [26-28], хотя их эффекты относительно слабее, чем у сахарозы, которая вызывает существенные изменения во внутреннем состоянии. С точки зрения вычислительной теории, это предположение модели HRL соответствует теории предсказательной обработки (также называемой предсказывающим кодированием или активным выводом) в том смысле, что гомеостаз понимается как предсказание интероцептивных сенсорных состояний и минимизация предсказания. ошибка [29].Таким образом, гомеостаз и поведение аппетита натрия могут стать идеальным полем для исследований для объединения этих вычислительных теорий.

В эксперименте 3 мы расширили модель HRL на мультимодальные данные и успешно воспроизвели поведенческие тесты, в которых аппетит воды и натрия регулируют друг друга. В текущем исследовании, в качестве простейшей попытки, предполагается, что внутренние состояния натрия и воды вносят одинаковый вклад. Однако в реальной биологической системе гомеостатическое поддержание воды и натрия может быть не совсем равным.Например, влияние внутрижелудочной инфузии воды и соленой воды на аппетит воды и натрия может иметь разные временные рамки [9, 11]. Более подробная реализация таких различий в аппетите к воде и натрию может дать новое понимание для понимания механизмов аппетита натрия на системном уровне.

Наконец, мы успешно воспроизвели характерные особенности экспериментов по подавлению LPBN Htr2c с помощью DREADD. В предложенной модели мы предположили, что нейроны LPBN Htr2c обеспечивают тоническое отрицательное смещение в сторону аппетита натрия через центральную миндалину.То есть проекция LPBN-миндалины обеспечивает отрицательное смещение выбора действий и не имеет прямого вклада в изучение значения Q. Основываясь на этом предположении, изучение Q-значения отменяет это отрицательное смещение, что приводит к ингибированию нейронов LPBN, повышению относительной ценности потребления соли и провоцирует быстрое увеличение потребления соли. Это предположение согласуется с предыдущими выводами о том, что немедленное увеличение тяги к натрию из-за его истощения не может быть опосредовано процессами обучения [30].Кроме того, CeA является важным регионом как для гедонистического, так и для аверсивного потребления. Например, нейроны, экспрессирующие препроноцицептин CeA, активируются гедонистическим приемом и способствуют потреблению приятной пищи [31]. Напротив, активация нейронов PKC-d + в латеральном подразделении CeA ингибирует питание [32]. Дальнейшее исследование нейронных связей от LPBN к CeA вместе с моделью HRL может предоставить фундаментальную информацию для разработки более точных алгоритмов.

Здесь мы обсуждаем важность построения вычислительной модели для аппетита натрия.Для понимания сложных систем, таких как мозг, необходимы исследования с трех уровней, а именно теории вычислений, представления и алгоритма, а также аппаратной реализации [33]. В этом исследовании мы предоставили механистическое объяснение поведения аппетита в отношении натрия, объединив предыдущие результаты по аспектам этих трех уровней. Хотя модели поведения оценивались только на предмет их количественного сходства с реальными экспериментами на животных, модель также может обеспечивать количественные прогнозы ненаблюдаемых скрытых переменных, таких как ошибка прогнозирования вознаграждения, значения действий (мотивация к потреблению питательных веществ) и прогноз внутренних состояний. .Исследования нейронных коррелятов таких скрытых переменных могут обеспечить более глубокое понимание основных нейронных механизмов натриевого аппетита и гомеостатического поведения.

Методы Гомеостаз натрия

Обзор модели HRL описан в разделе «Результаты» (см. Уравнения 1–4). Чтобы исследовать применимость модели HRL к поведению аппетита натрия, мы провели тест потребления натрия (эксперимент 1). Алгоритм вычислений показан на рис. 1А. В этом эксперименте учитывалось только внутреннее состояние натрия.Оценивались внешнее состояние (S 0 ) и два действия: бездействие ( 0 ) и прием ( 1 ) (рис. 1B). Выбор действия зависит от относительных величин значений каждого действия (Q-value) в соответствии с функцией soft-max: где P t (a k ) - вероятность того, что действие, a k будет выбрано в момент времени t, а β - обратная температура, параметр, контролирующий случайность действия. В эксперименте 1 Q-значения обоих действий были установлены на 0.Поэтому первое действие было выбрано случайным образом. Когда было выполнено потребление, внутреннее состояние натрия увеличивалось с K, постоянным параметром, определяющим размер потребления натрия. Когда ничего не было выбрано, K было установлено на 0. При t = 0, чтобы представить истощение натрия, первое внутреннее состояние (H = 0) было намного ниже идеального состояния (H * = 50). На этом этапе значение функции возбуждения было большим, поскольку функция возбуждения соответствует типу расстояния от внутреннего состояния времени t (Ht) до идеального состояния (H * = 50) (уравнение 1).Если агент в этот момент выполнял приемное поведение, внутреннее состояние увеличивалось, а функция возбуждения становилась меньше, что приводило к положительному вознаграждению (уравнение 2).

Кроме того, естественное уменьшение состояния натрия было реализовано следующим образом с использованием временной константы затухания τ (уравнение 7).

В результате расчет суммы вознаграждения был определен следующим образом (Уравнение 8).

Чтобы обновить Q-значения с помощью значения вознаграждения, мы использовали обычную модель Рескорла-Вагнера [35], где i обозначает каждое действие, ⍰ - скорость обучения, а r - Q представляет ошибку предсказания вознаграждения [35]., который представляет собой прогноз изменения внутреннего состояния. Определение вознаграждения (уравнение 3) также было обновлено следующим образом:

Таким образом, награда была определена как изменения во внутренних состояниях и вкусовые сенсорные данные в качестве предикторов изменений внутренних состояний. Остальные функции были такими же, как и в эксперименте 1.

Поведенческий эксперимент внутрижелудочной инфузии показан на фиг. 2А. Животные были разделены на три группы: контрольная, внутрижелудочная и оральная стимуляция.Только контрольная группа была обеднена солью. В группе, получавшей внутрижелудочную инфузию (IG), уровень натрия истощался. Кроме того, в кишечник мышей вводили внутрижелудочную канюлю. Перед тестом на потребление соленая вода вводилась непосредственно в кишечник. В группе оральной стимуляции животных стимулировали сильным соленым стимулом в тесте приема пищи. Чтобы смоделировать группу инфузии IG, мы предположили, что внутреннее состояние натрия было установлено на уровне половинного удовлетворения в начале теста приема.Для моделирования группы оральной стимуляции был придан соленый вкус, независимо от выбранных действий. Определения состояний и действий были такими же, как в эксперименте 1 (рис. 1B). Алгоритм, включающий сенсорный ввод вкуса в качестве предиктора изменений внутреннего состояния, показан на рис. 2А. Подробные значения параметров, используемых в этом эксперименте, показаны в таблице (в таблице S2).

Тест предпочтения двух бутылок

Для моделирования теста предпочтения двух бутылок в эксперименте 3 мы установили два внутренних состояния, соответствующих воде и натрию.Таким образом, в уравнении 1 количество измерений внутреннего состояния N было установлено равным 2. Каждое внутреннее состояние обновляется следующим образом: где H w - состояние воды, а H s - состояние натрия.

Детальные параметры частично отличались от вкусовых ожиданий. Подробные значения параметров в эксперименте 3 показаны в Таблице S3.

Эксперимент DREADD

Чтобы смоделировать эксперимент DREADD, мы предположили, что нейроны LPBN Htr2c обеспечивают тоническое подавление натриевого аппетита, что реализуется посредством тонического отрицательного смещения при выборе действия потребления натрия следующим образом: где LPBN - положительное постоянное значение, соответствующее отрицательному смещению нейрона LPBN Htr2c .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *