Rolul mecanismelor moleculare in efectele radioterapiei

Rolul mecanismelor moleculare in efectele radioterapiei

Progresele realizate de fiziologia moleculara au modificat radical gandirea medicala si modul de abordare al efectelor iradierii asupra tesuturilor normale. Conceptul clasic al -celulei tinta a fost inlocuit de conceptul privind sistemele de celule care interactioneaza stergand diferentele dintre instalarea acuta si cea tardiva a efectelor. Vechea perioada de latenta considerata de saptamani sau luni este acum inlocuita de modelul de transmitere a mesajelor intercelulare : autocrin, paracrin si endocrine, aceasta fiind calea de comunicare intre celulele epiteliale, endoteliale, fibroblatice, monocite, mastocite si celulele imune specifice.

Modularea acestor mesaje se realizeaza prin procese multiple:

■ reprogramarea genetica a ciclului celular;

■ eliberarea unor factori de crestere sau inhibitori;

■ alterari ale receptorilor celulari specifici care primesc aceste semnale;

■ rezultantele acestor mesaje alterate, care sunt transductiile si translocatiile din nucleu .

[68, 69]

Cheia intelegerii comportamentului special al pacientilor cu neoplazii tratate preoperator radio-chimioterapic o reprezinta principiile sustinute de abordarea schimbata a fiziopatologiei efectelor injuriilor de etiologii diverse asupra tesuturilor normale.

► Primul principiu este schimbarea - tintei agresiunii de la conceptia celulara spre comunicarea intercelulara - -conversatia citokinelor.

► Al doilea principiu schimbat este cel al circulatiei celulelor inflamatorii si imune si in afara campului de iradiere ele fiind responsabile de efectele tardive asupra tesuturilor normale din afara zonei de agresiune.

► Al treilea principiu modificat este cel al recunoasterii - sensibilitatii - sau - rezistentei la efectele toxice ale iradierii datorate tocmai exacerbarii sau atenuarii raspunsului citokinelor care moduleaza reactiile organismului la agresiune.

Cancerul si terapiile antineoplazice reprezinta adevarate provocari pentru anestezist.In completarea cunostintelor despre neoplazie si extinderea sa, acesta trebuie sa inteleaga implicatiile diferitelor modalitati de terapie antineoplazica, efectele cumulate, durata si evolutia in timp a efectelor secundare.

Studiile specifice asupra interactiunii directe anestezie - terapie antineoplazica sunt putine si destul de superficiale, dar abordarea dintr-un unghi comun - cel al sistemului mesagerial al citokinelor si al efectorilor lor la nivel intracelular, radicalii liberi, modulatorii raspunsului organismului la orice fel de agresiune- poate fi solutia optima de intelegere si optimizare a ingrijirii perioperatorii a pacientilor neoplazici.

In tesuturile expuse iradierii se produc radicali liberi citotoxici si stres oxidativ extensiv (327, 328). Radiatiile ionizante produc un numar de specii reactive ale oxigenului, incluzand ionul superoxid, radicalul hidroxil si peroxidul de hidrogen. In mod curent, se postuleaza ca efectele terapeutice primare ale radioterapiei sunt mediate de generarea speciilor reactive citotoxice ale oxigenului (327, 329). Radicalii hidroxil sunt generati de radiatiile ionizante fie direct prin oxidarea apei, fie indirect , prin formarea de specii reactive ale oxigenului secundari. Acestia pot fi ulterior convertiti la radicali hidroxil, - activare - datorata proceselor metabolice din celule. Injuria secundara iradierii este astfel influentata de statusul antioxidant celular si de cantitatea si biodisponibilitatea mecanismelor activate. Raspunsul biologic la iradiere poate fi modulat prin alterarea factorilor care influenteaza aceste mecanisme secundare ale injuriei celulare (330).

In plus, celulele canceroase acumuleaza fier, iar radioterapia creste concentratia intracelulara de fier liber, care poate duce la producerea de radicali hidroxil citotoxici, prin intermediul reactiei Fenton (331). Celulele expuse la radioterapie sunt supuse unui stres oxidativ. Aceste celule fie se adapteaza acestor conditii, fie mor. Adaptarea include adesea inducerea activarii unor cai biochimice care sa atenueze sau sa distruga intermediarii reactivi toxici. Astfel, s-a observat in celulele de glioblastom uman U 251, ca radiatiile au indus supraexpresia unui numar de enzime antioxidante, inclusiv superoxid dismutaza ( de 2 ori ) si glutation peroxidaza ( de 5 ori) (330, 332).

Stresul oxidativ asociat cu tratamentul policitostatic

Agentii antineoplazici au fost dovediti ca producatori de stres oxidativ la pacientii care au primit aceste substante in cadrul chimioterapiei antineoplazice ( 333, 334, 335, 336, 337, 338, 339,340, 341). Acest lucru este evidentiat prin cresterea serica a produsilor de peroxidare lipidica; prin scaderea capacitatii totale a plasmei de a capta radicali liberi; prin scaderea nivelelor plasmatice ale antioxidantilor cum ar fi vitamina E, vitamina C si b-carotenul; si, mai ales, prin scaderea marcata a nivelelor tisulare ale glutationului care apare in cursul chimioterapiei. Agentii citostatici care genereaza nivelele foarte inalte de ROS sunt: antraciclinele (doxorubicina, epirubicina si daunorubicina), agentii alkilanti, complexele legate de platina (cisplatin, carboplatin, oxaliplatin), camptotecine (topotecan, irinotecam) si epipodofilotoxinele (etoposide si teniposide).

Stresul oxidativ si chemoterapia

Inalt Scazut Antracicline Complexele de platina Agenti alkilanti Epipodophigllotoxine Camptotecani Purine/Pirimidine Antimetaboliti Taxani Alkaloizii de vinka

.11. Stresul oxidativ si chimioterapia.

Cele mai inalte nivele de stres oxidativ indus de agentii antineoplazici sunt date de antracidine. Aceasta se datoreaza abilitatilor unice de a genera specii reactive ale oxigenului (ROS) in mitocondria fibrelor miocardice. Complexele legate de platina, agentii alkilanti, epipodofilotoxinele si camptotecanii genereaza, de asemenea, stres oxidativ la nivelul mai multor site-uri celulare. Nucleozidele si analogii nucleotidelor, antifolanii, taxanii si vinka-alcaloizii genereaza numai nivele scazute de stress oxidativ, care apare in primul rand ca urmare a apoptozei induse de chimioterapie.

Antraciclinele genereaza de departe, cele mai crescute nivele de stres oxidativ. Acesta se datoreaza abilitatii lor de a devia electroni de la nivelul ETS (sistemul transportor de electroni) al mitocondriilor fibrelor miocardice, rezultatul fiind formarea de radicali superoxid (342) si, in plus, de a genera ROS la nivelul altor site-uri celulare. Doxorubicina, cea mai studiata antraciclina, poseda o parte

de zaharid atasata unui inel tetraciclinic, care contine o structura chinonica. Scindarea ETS de catre doxorubicina poate apare numai dupa reducerea chinonei la semichinone. Doxorubicina este hidrofila, iar in mitocondriile majoritatii celulelor ea nu poate penetra membrana interna si sa fie redusa de dihidrogenaza-NADH (complexul I), care este localizata pe suprafata interna (matriceala) a membranei mitocondriei. Totusi, structura membranei interne a mitocondriei fibrei miocardice este unica, in sensul ca aceasta poseda o dehidrogenaza-NADH pe suprafata externa(citozolica) in plus de dehidrogenaza-NADH matriceala prezenta in mitocondriile celorlalte celule (343). In fibrele miocardice, doxorubicina poate penetra membrana mitocondriala externa si intra in citozol unde este redusa de dehidrogenaza-NADH citozolica. Rearanjarea intramoleculara rezulta in formarea de derivat deoxiaglicon-lipofolic al doxorubicinei, care penetreaza membrana interna. Aici intra in competitie cu coenzima Q₁₀ (ambele avand structura chinonica) ca si acceptori de electroni, deviind electronii catre oxigenul molecular, cu formarea de radicali superoxid.

In contrast cu grupul descris de chimioterapice, taxanii (ex. paclitaxel si drectaxel), alcaloizii de vinka (vincristine, vinblastine), antimetabolitii, nucleozidele si analogii nucleotidelor, genereaza doar nivele scazute de stres oxidativ. Totusi, toate drogurile antineoplazice genereaza ROS deoarece induc apoptoza in celulele neoplazice. Aceasta, deoarece, una din caile de inducere a apoptozei pe cale medicamentoasa, implica eliberarea de citocrome c din mitocondrie (344, 345). Cand are loc acest fenomen electronii sunt deviati din ETS spre oxigen, de catre dihihrogenaza NADH si coenzima Q₁₀ redusa, rezultatul fiind formarea de radicali superoxid.

Stresul oxidativ interfera cu procesele celulare (progresia ciclului celular si apoptoza drog indusa) ceea ce este necesar pentru agentii antineoplazici pentru a-si exercita citotoxicitatea optima asupra celulelor neoplazice, iar nivelele modeste ale stresului oxidativ s-a dovedit ca reduc citotoxicitatea drogurilor citostatice (346). Astfel, formarea de ROS care are loc in momentul administrarii chimioterapicelor antineoplazice, poate diminua eficienta tratamentului. In plus, odata ce unele efecte secundare determinate de citostatice par sa fie prevenite de anumiti antioxidanti, administrarea acestor suplimente in timpul chimioterapiei poate diminua dezvoltarea de efecte secundare ca si imbunatatirea raspunsului la terapie. Aceste supozitii sunt sustinute de multe studii preclinice, dar si cateva clinice (347, 348).

Radicalii liberi generati in timpul stresului oxidativ au multe tinte celulare desi una dintre primele tinte sunt lipidele celulare. Peroxidarea lipidica a acizilor grasi polinesaturati are ca rezultat formarea de radicali peroxil si alkoxil. Acesti produsi primari ai peroxidarii lipidice, care sunt foarte reactivi si au o viata foarte scurta, sunt supusi in continuare altor reactii pentru formarea unor produsi secundari ai peroxidarii lipidice, care includ o varietate de aldehide, cum sunt malondialdehida, 4-hidroxialkenalii si acroleina (349). Aldehidele sunt mai stabile decat produsii primari si pot difuza in intreaga celula, unde lezeaza componentele celulare si interfera cu functiile celulare. Din cauza caracterului lor electrofil, aldehidele se leaga de grupul nucleofilic de aminoacizi, cum sunt cisteina, lizina, bistidina, serina si tirozina, care sunt componente esentiale ale situsurilor enzimatice active sau sunt necesare pentru mentinerea structurii tertiare a proteinelor. Legarea aldihidelor de proteine, care determina inhibitia enzimatica si alterarea structurii receptorilor celulari, poate explica impactul stresului oxidativ asupra citotoxicitatii agentilor antineoplazici.

Ciclul celular (.10) este format din 4 faze: G₁, S, G₂ si M. In timpul fazei G₁, celula se pregateste pentru sinteza ADN-ului. Faza S este faza de sinteza a AND. In timpul fazei G₂, celula se pregateste pentru mitoza. Faza M este faza mitozei, in timpul careia celula se divide in doua celule fice.

Punctele de reglare si de siguranta majore ale ciclului celular includ punctul de restrictie (R) si punctele de control (C). O particularitate fundamentala a unui ciclu celular normal este controlul strict al deciziei celulei de a avansa spre o alta runda de sinteza a ADN-ului. In prezenta de agenti mitogeni si alte necesitati indeplinite, cum ar fi prezenta de nutrienti, celula va trece de punctul de restrictie si se va supune unui alt ciclu de sinteza a ADN. Punctele de control, care asigura faptul ca integritatea genomului e mentinuta, sunt plasate in G₁ si G₂,acestea oprind ciclul celular daca sunt detectate lezari ale ADN-ului; punctul de control din faza S, opreste ciclul celular daca apar probleme cu replicarea ADN-ului; si punctul de control al fazei M, care opreste ciclul celular daca apar probleme cu formarea fusului de diviziune mitotica. Cand ciclul celular se opreste la un punct de control, celula fie este capabila sa corecteze defectul ce a fost detectat (ex. prin repararea ADN), fie se supune apoptozei.

.10.Ciclul celular

Stresul oxidativ scade rata proliferarii celulare prin inhibarea tranzitiei de la faza G₀, la faza G₁ a celulelor, prelungind faza G₁, incetinind progresia spre faza S prin inhibarea sintezei ADN, inhiband progresia ciclului celular prin punctul de restrictie si determinand oprirea ciclului celular in punctele de control (350,351,352). Astfel, rata poliferarilor celulare in culturi (de celule normale sau de celule neoplazice) descreste in timpul episoadelor de stres oxidativ (353, 354, 355), iar stresul oxidativ incetineste cresterea tumorilor la animalele de laborator (356,357), 4-hidroxialchenarii, in mod specific, s-a dovedit ca inhiba cresterea celulelor tumorale in culturi(358) si la animale de laborator . Alte studii demonstreaza clar ca o rata de crestere inalta atat a tesuturilor normale (ficat) (359), dar si tumorale (360), se asociaza cu un nivel scazut al peroxidarii lipidice. Astfel nu este deloc surprinzator faptul ca celulele tumorale au nivel diminuat al enzimelor pro-oxidante si sisteme eficiente antioxidante, astfel incat pot mentine un nivel scazut al stresului oxidativ intracelular si o rata inalta a proliferarii (361,362,363,364,365).

Efectele stresului oxidativ asupra proliferarii celulare sunt cel mai probabil atribuibile inhibarii enzimelor critice de catre aldehide si inhibarii selective a ADN-polimerazei de 4-bideoalkenali, asa cum a fost demonstrat, prin multe studii (366, 367, 368, 369). Kinazele ciclin-dependente (CDK)sunt alte tinte ale aldehidelor. Aceste enzime asigura progresia programata spre fazele ciclului celular, iar inhibarea lor, de exemplu, de catre inhibitorul CDK p 21 (mediatorul genei de supresie tumorala p 53, previne trecerea prin punctul de restrictie si determina oprirea in punctele de control.

Agentii antineoplazici, care dezvolta activitatea specifica asupra ciclului celular, depind de progresia ciclului celular pentru a-si exercita activitatea antineoplazica, iar interferenta cu aceasta progresie, va diminua citotoxicitatea drogurilor. Exemple de agenti antineoplazici care isi exercita actiunea in faze specifice ale ciclului celular sunt:

1)        antiaciclinele si epidofolotoxinele care inhiba activitatea topozinerazei II si actioneaza in faza S;

2)      antifolatii si analogii de nucleotide/nucleozide care interfera cu sinteza ADN-ului si actioneaza in faza S;

3)      alcaloizii de vinka si taxanii care interfera cu procesele nitrozei si actioneaza primordial in faza M;

4)      camptotecanii care inhiba topoizomeraza I, actioneaza in faza S.

Chiar si complexele dependente de platina si agentii alkilanti, care nu sunt considerati dependenti de ciclul celular, au nevoie de progresia celulelor din faza S si faza G₂ pentru a induce apoptoza. In plus, repararea ADN-ului lezat de complexele de platina si agentii alkilanti conduce la ezistenta la aceste droguri, iar oprirea in punctele de control in timpul stresului oxidativ, poate exacerba procesele de reparare si diminua eficienta tratamentului . Din acest punct de vedere, revocarea punctelor de control, opusul a ceea ce se intampla in timpul stresului oxidativ, s-a dovedit ca mareste citotoxicitatea celor mai multe droguri antineoplazice. Prin scaderea generarii aldehidelor, antioxidantii pot contracara efectele stresului oxidativ indus de drogurile chimioterapice asupra ciclului celular si astfel, pot spori citotoxicitatea agentilor antineoplazici.

Cele doua cai majore de inducere a apoptozei prin droguri sunt: calea mitocondriei, initiata de citocromul c si calea receptorului mortii CD95, initiata de legarea receptorului de ligantul sau CD95L (370). In continuarea momentului de initiere, procesele apoptotice sunt duse mai departe de o familie de enzime numite caspaze (371, 372, 373). Caspazele (proteaze cistein-dependente controlate de aspartat sunt proteaze care au un reziduu de cisteina la situsul activ si necesita un mediu reductor pentru activitatea optima.

Semnalele pro-apoptotice ale legarii CD95 (agentii antineoplazici supraregleaza receptorul sau induc expresia ligantului) sau eliberarea citocromului c activeaza initiatorul caspazelor (caspaza-8 si caspaza-9), care ulterior activeaza caspazele efectoare (caspazele-3, -6 si -7) care desavarsesc liza celulara.

Stresul oxidativ poate induce apoptoza determinand leziuni ale componentelor celulare (ex.ADN) si unele studii sustin ca ROS sunt mediatorii din aval ai apoptozei (Johnson). Totusi, exista numeroase do ca apoptoza nu necesita ROS si ca generarea lor este un eveniment tardiv, dupa ce celula deja este intrata in ciclul mortii celulare programate (Clutton, Schandra). Dovada acestui lucru este ca generarea ROS in mitocondrie apare numai dupa ce apoptoza este initiata de eliberarea de citocrom c.

In contrast cu apoptoza indusa de stresul oxidativ, stresul oxidativ excesiv inhiba activitatea caspazelor (367, 369) si apoptoza drog-indusa, in acest fel interferand cu abilitatea agentilor antineoplazici de a distruge celulele tumorale (354, 357). Aldehidele electrofile, cum este tetrapeptid-aldehida (acetil-Tir-Val-Ala-Asp-H) care a fost folosita pentru a caracteriza caspaza-l, se leaga covalent de gruparea sulfhidril a restului de cisteina la nivelul situsului activ al caspazei si ii inhiba activitatea (374). Astfel, generarea aldehidelor, avand ca rezultat inhibarea caspazelor, pot fi cauza scaderii eficacitatii agentilor antineoplazici in cazul stresului oxidativ excesiv. Daca este asa, antioxidantii pot creste activitatea antineoplazica a chimioterapicelor prin scaderea generarii de aldehide in cazul unui stres oxidativ exagerat drog-indus.

Generarea aldehidelor prin peroxidare lipidica in timpul stresului oxidativ indus de chimioterapie poate interfera direct si cu calea receptorului CD95 al apoptozei drog-induse. Receptorul CD95 al mortii are un domeniu extracelular bogat in cisteina care il face o tinta pentru agentii electrofili cum sunt aldehidele. Aceste legaturi inter aldehide si receptorul mortii pot mima efectul anticorpilor antireceptor CD95, interferand cu apoptoza drog-indusa. De aceea, antioxidantii, prin scaderea nivelului aldehidelor, pot facilita apoptoza drog-indusa via calea receptorului CD95.

Concluzii

Stresul oxidativ interfera cu multe functii celulare, cum sunt progresia ciclului celular si caile apoptozei, si poate micsora abilitatea agentilor antineoplazici de a distruge celulele. Efectul este mediat, cel mai adesea, prin multele aldehide rezultate din peroxidarea lipidica indusa de stres. Deoarece multe chimioterapice folosite in terapia cancerului determina stres oxidativ dovedit, scazand acest stres prin administrarea de antioxidanti se poate creste eficienta tratamentului. Totusi, crescand citotoxicitatea agentilor antineoplazici, vor fi afectate atat celulele tumorale, cat si cele normale. Astfel, desi anumiti antioxidanti par sa previna dezvoltarea unor efecte secundare induse de anumite chimioterapice (coenzima Q10 pentru cardiotoxicitatea antraciclinelor si glutationul pentru nefrotoxicitatea cisplatinului), efectele secundare rezultate din toxicitatea asupra tesuturilor cu proliferare rapida, cum sunt mielosupresia, pierderea parului si mucozita, pot fi exacerbate de antioxidanti.

Cu siguranta sunt necesare studii mai profunde pentru a clarifica impactul stresului oxidativ si antioxidantilor asupra activitatii antineoplazice si a efectelor secundare ale multitudinii de droguri si combinatii de droguri existente in utilizarea clinica.