Postepy Hig Med Dosw. (online), 2011; 65: 534-541
Review
Full Text PDF  

Znaczenie zaburzeń układu prooksydacyjno-antyoksydacyjnego dla etiopatologii cukrzycy
The role of disorders of the prooxidant-antioxidant system in diabetes etiopathology
Małgorzata Mrowicka
Zakład Chemii i Biochemii Klinicznej, Uniwersytet Medyczny w Łodzi
Adres do korespondencji
dr n. med. Małgorzata Mrowicka, Katedra Biomedycznych Podstaw Fizjoterapii, Zakład Chemii i Biochemii Klinicznej, Uniwersytet Medyczny, pl. J. Hallera 1, 90-647 Łódź; e-mail: malgorzata.mrowicka@umed.lodz.pl

Źródło finansowania
Praca finansowana z funduszu grantu MNiSW nr NN402501639

Otrzymano:  2011.05.13
Zaakceptowano:  2011.07.22
Opublikowano:  2011.08.16

Streszczenie
Główną przyczyną rozwoju powikłań cukrzycy jest przewlekła hiperglikemia, która indukuje sze­reg mechanizmów generujących nadmierne wytwarzanie reaktywnych form tlenu (RFT). W cu­krzycy obserwuje się wzrost poziomu wolnych rodników, zaburzenia aktywności endogennych antyoksydantów enzymatycznych oraz zmniejszenie stężeń drobnocząsteczkowych przeciwu­tleniaczy. W konsekwencji dochodzi do zaburzenia równowagi prooksydacyjno-antyoksydacyj­nej określanej mianem stresu oksydacyjnego. Celem pracy jest podsumowanie dotychczasowej wiedzy o roli reaktywnych form tlenu i enzymatycznych przeciwutleniaczy w rozwoju powikłań u chorych na cukrzycę.
Słowa kluczowe: cukrzyca • czynniki genetyczne • równowaga prooksydacyjno-antyoksydacyjna


Summary
Chronic hyperglycemia is believed to play a pivotal role in the development of diabetic complica­tions. It was found that hyperglycemia triggered a number of mechanisms that evoke overproduc­tion of reactive oxygen species (ROS). Diabetes mellitus is associated with an increased level of free radicals, disturbances of the enzymatic antioxidant defense system and lower concentration of exogenous antioxidants. In consequence, these abnormalities lead to a redox imbalance called oxidative stress. The aim of the present study is to summarize the role of reactive oxygen species and changes in the antioxidant defense system in the development of diabetic complications.
Key words: diabetes mellitus • genetic factors • prooxidative-antioxidative equilibrium




Wykaz skrótów:
ADMA - dimetyloarginina (asymmetric dimethylarginine); AGE - końcowe produkty glikacji (advanced glycation endoproducts); AOPP - zaawansowane produkty utleniania białek (advanced oxidation protein product); AP-1 - białko aktywujące 1 (activator protein-1); CAT - katalaza (catalase); DAG - diacyloglicerol (diacylglycerol); DDAH - dimetyloargininy dimetyloaminohydrolaza (dimethylarginine dimethylaminohydrolase); eNOS - śródbłonkowa syntaza tlenku azotu (endothelial nitric oxide synthase); FFA - wolne kwasy tłuszczowe (free fatty acids); GPx - peroksydaza glutationowa (glutatione peroxidase); GSH - glutation (glutathione); ICAM - cząsteczka adhezji międzykomórkowej (intercellular adhesion molecule); IL - interleukina (interleukin); NADH - dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (nicotinamide adenine dinucleotide); NADPH - dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate); NFB - transkrypcyjny czynnik jądrowy (nuclear factor κB); p53 - białko 53 (protein 53); PKC - kinaza białkowa C (protein kinase C); RAGE - receptory produktów zaawansowanej glikacji (receptor for andvanced glycation end-product); SOD - dysmutaza ponadtlenkowa (superoxide dysmutase); T1DM - cukrzyca typu 1 (type 1 diabetes mellitus); T2DM - cukrzyca typu 2 (type 2 diabtes mellitus); TNF-α - czynnik martwicy guza (tumor necrosis factor); UCP-1 - białko rozprzęgające 1 fosforylację oksydacyjną (uncoupling protein-1); VCAM - cząsteczka adhezji do śródbłonka naczyń (vascular cell adhesion molecule).
1. Wstęp
Cukrzyca jest chorobą przewlekłą, w przebiegu której długotrwałe zaburzenia metaboliczne prowadzą do zmian w mikro- i makrokrążeniu, wywołując nieodwracalne uszkodzenia wielu narządów. Wyróżnia się kilka rodzajów tej choroby, zależnie od czynników etiologicznych, prze­biegu czy podatności na leczenie. Klasyfikacja cukrzycy według Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) wyróż­nia cukrzycę typu 1 (T1DM), cukrzycę typu 2 (T2DM), inne określone rodzaje cukrzycy oraz cukrzycę ciężarnych [1]. Interakcje genetyczne, środowiskowe czynniki ryzy­ka, m.in.: siedzący tryb życia, brak lub niewielki wysiłek fizyczny, otyłość to główne czynniki odpowiedzialne za rozwój cukrzycy.
Zniszczenia komórek β trzustki, odpowiedzialnych za se­krecję insuliny jest przyczyną rozwoju T1DM, cukrzycy typu 1 nazywanej również cukrzycą insulinozależną. Ten rodzaj cukrzycy (stanowiący około 5-10% wszystkich przy­padków cukrzycy), związany jest z istniejącym procesem autoimmunizacyjnym i prowadzi do bezwzględnego nie­doboru insuliny u osób predysponowanych genetycznie. Ta postać choroby może się ujawnić w każdym wieku, najczę­ściej jednak pojawia się w dzieciństwie i do 30 roku życia.
T2DM, stanowi około 90-95% wszystkich przypadków tej choroby, określana była dawniej mianem cukrzycy in­sulinoniezależnej lub osób dorosłych. Ta postać choroby jest wynikiem interakcji między genetycznymi czynni­kami predysponującymi a czynnikami środowiskowymi, w tym przede wszystkim prowadzącymi do nadmierne­go gromadzenia substratów energetycznych (mała aktyw­ność fizyczna przy jednoczesnym nadmiarze spożywanych kalorii). Uważa się, że za jej rozwój odpowiedzialna jest postępująca dysfunkcja komórek beta trzustki i współto­warzysząca insulinooporność. Chorują na ten rodzaj cu­krzycy osoby w wieku średnim i starszym, ze współistnie­jącą otyłością, nadciśnieniem tętniczym i zaburzeniami gospodarki lipidowej.
Przyczyną rozwoju powikłań ostrych i przewlekłych w cu­krzycy jest utrzymujące się podwyższone stężenie glukozy we krwi. Przewlekła hiperglikemia powoduje zaburze­nia funkcji, uszkodzenie i niewydolność wielu narządów, zwłaszcza oczu, nerek oraz powikłania ze strony układu ner­wowego i sercowo-naczyniowego. Powikłania te w istotny sposób zwiększają chorobowość oraz śmiertelność związa­ną z powikłaniami cukrzycy oraz obniżają jakość życia [4].
2. Enzymatyczna obrona antyoksydacyjna wcukrzycy
W celu obrony przed szkodliwym działaniem wolnych rodników tlenowych organizm wykształcił mechanizmy ochronne w postaci układów obrony antyoksydacyjnej: nieenzymatycznej i enzymatycznej. W obrębie komórek czynności antyoksydacyjne spełnia głównie układ enzy­matyczny, który składa się z dysmutazy ponadtlenkowej, katalazy i peroksydazy glutationowej.
2.1. Dysmutaza ponadtlenkowa
Dysmutaza ponadtlenkowa jest enzymem katalizującym reakcję dysmutacji anionorodnika ponadtlenkowego (re­akcja jednoczesnej redukcji i utlenienia) do nadtlenku wo­doru (H2O2) i tlenu. W zależności od miejsca występowa­nia w organizmach ssaków można wyróżnić trzy izoformy dysmutazy ponadtlenkowej. Wewnątrz komórki w cytopla­zmie znajduje się enzym zależny od jonów miedzi i cynku (CuZn-SOD; SOD-1). W macierzy mitochondrialnej cen­trum aktywne dysmutazy ponadtlenkowej zajęte jest przez jon manganu (Mn-SOD; SOD-2). Na zewnątrz komórki występuje trzeci rodzaj enzymu nazwany pozakomórko­wą dysmutazą ponadtlenkową (EC-SOD) [46].
2.2. Katalaza
Unieszkodliwianie anionorodników ponadtlenkowych przez dysmutazę ponadtlenkową dostarcza kolejnej aktyw­nej postaci tlenu - nadtlenku wodoru - substratu dla inne­go enzymu układu antyoksydacyjnego - katalazy, enzy­mu umiejscowionego przede wszystkim w peroksysomach [6]. Katalaza jest ważnym enzymem działającym przeciw­ko aktywnym tlenkom, usuwa nadtlenek wodoru, wytwa­rzany podczas licznych procesów metabolicznych, zacho­dzących we wszystkich komórkach organizmu.
2.3. Peroksydaza glutationowa
Grupa peroksydaz glutationowych obejmuje pięć izo­form, do których należą: cytosolowa peroksydaza gluta­tionowa (cGPx, GPx-1), żołądkowo-jelitowa peroksydaza glutationowa (giGPx, GPx-2), plazmatyczna peroksyda­za glutationowa (pGPx, GPx-3), peroksydaza glutationo­wa wodoronadtlenków lipidów (phGPx, GPx-4) oraz ją­drowa peroksydaza glutationowa (spGPx). Fizjologiczną rolą peroksydazy glutationowej jest usuwanie nadmiaru nadtlenku wodoru. Enzym ten ma większe powinowac­two do H2O2, w stosunku do katalazy, co sugeruje jego istotniejszą rolę w sytuacjach, w których stężenia H2O2 są małe. Szczególnie ważną rolę odgrywa peroksyda­za glutationowa w mitochondriach, w których nie wy­stępuje katalaza.
3. Stres oksydacyjny w cukrzycy
Uważa się, że stres oksydacyjny ma ogromne znaczenie w patogenezie powikłań cukrzycy [9,12,14,27]. W warun­kach prawidłowych istnieje równowaga między powstają­cymi reaktywnymi formami tlenu (RFT) i endogennymi układami antyoksydacyjnymi. Stresem oksydacyjnym na­zwiemy stan charakteryzujący się nadmierną aktywnością RFT, w wyniku ich wzmożonego wytwarzania i upośle­dzonego usuwania przez ustrojowe systemy antyoksyda­cyjne. Schemat zaburzeń równowagi oksydacyjno-reduk­cyjnej przedstawia ryc. 1.
Ryc. 1. Schemat zaburzeń równowagi oksydacyjno-redukcyjnej w cukrzycy; O2·- - anionorodnik ponadtlenkowy, OH· - rodnik hydroksylowy, RO·- - rodnik alkoksylowy, ROO·- - rodnik peroksyalkoksylowy, 1O2 - tlen singletowy, H2O2 - nadtlenek wodoru, LOOH -nadtlenki lipidowe, NOO·- - anion peroksynitrylowy

3.1. Hiperglikemia
Główną przyczyną zaburzeń równowagi oksydacyjno-re­dukcyjnej u chorych na cukrzycę jest przewlekła hipergli­kemia [3,28,35].
Utrzymanie się podwyższonych stężeń glukozy inicjuje wiele mechanizmów, które doprowadzają do uszkodzenia naczyń krwionośnych i neurocytów. W wyniku długotrwa­le utrzymującej się hiperglikemii dochodzi do:
• nieenzymatycznej glikacji białek,
• nasilenia przemian glukozy w cyklu poliolowym,
• zwiększonego powstawania diacyloglicerolu (DAG) i ak­tywacji białkowej kinazy C (PKC),
• nasilenia stresu oksydacyjnego [7,14].
Dodatkowo źródłem RFT w cukrzycy jest mitochondrial­ny łańcuch oddechowy [4,12]. Wykazano, że zwiększe­nie glikolizy i cyklu Krebsa w odpowiedzi na hipergli­kemię prowadzi do ogromnego wzrostu puli protonów, które następnie powodują wzrost gradientu protonowe­go i w konsekwencji dochodzi do tworzenia O2·-. Za przyjęciem tej hipotezy przemawia to, że redukcja gra­dientu protonowego w wyniku zwiększenia aktywności Mn-SOD i białka 1 rozprzęgającego fosforylację oksy­dacyjną (uncoupling protein-1-UCP-1) hamuje tworze­nie RFT indukowane hiperglikemią [31]. Ważnym źró­dłem RFT są również oksydaza NADPH i ksantynowa [11]. Stres oksydacyjny może zmieniać osoczowy pro­fil lipoprotein, parametry koagulacyjne i strukturę endo­telium czy błon komórkowych [12]. Rolę hiperglikemii w powstawaniu stresu oksydacyjnego oraz ich konse­kwencje przedstawiono na ryc. 2.
Ryc. 2. Rola hiperglikemii w tworzeniu stresu oksydacyjnego i powikłań cukrzycy

3.2. Nasilona glikacja białek
W cukrzycy teoria stresu oksydacyjnego łączona jest z jednej strony z autooksydacją glukozy (glikooksyda­cją), w wyniku której powstają reaktywne ketoaldehy­dy. Z drugiej strony, nasila to proces nieenzymatycznej glikacji białek, w której powstają nieodwracalne końco­we produkty glikacji, tzw. AGE-proteiny. W trakcie tego procesu, ze względu na silną zależność od tlenu, powsta­ją liczne toksyczne pochodne tlenu. U osób z cukrzycą podwyższone są stężenia pentozydyny, pyraliny czy kar­boksymetylolizyny. Nasilenie wytwarzania RFT zależy od stopnia glikacji białek, a więc i od glikemii. Procesowi glikacji ulega bardzo wiele białek organizmu, między in­nymi białka błony podstawnej i białka krwi. Biorąc pod uwagę czas potrzebny do ich syntezy, glikacji podlegają białka o długim okresie półtrwania, takie jak: kolagen, mielina, krystalina oka [39]. Następuje przebudowa bło­ny podstawnej, jej pogrubienia oraz zwiększonej podat­ności naczyń na powstawanie zakrzepów. Skutki powsta­wania AGE to:
• zmiany prokoagulacyjne na powierzchni komórek en­dotelium, powstawanie zakrzepów, skurcz naczyń,
• wzrost przepuszczalności endotelium,
• proliferacja komórek mięśni gładkich,
• wzrost liczby krwinek płytkowych, zaburzenia ich struk­tury i funkcji,
• zwiększona chemotaksja monocytów krwi [23,34].
3.3. Zaburzenia szlaku poliowego
Hiperglikemia powoduje również zwiększoną konwersję glukozy do sorbitolu i fruktozy na drodze szlaku poliolo­wego oraz nadmierną ekspresję enzymów wchodzących w skład tego szlaku: reduktazy aldozy i dehydrogena­zy sorbitolu. Procesy te zachodzą w tkankach, w których transport glukozy jest niezależny od insuliny (siatkówka, soczewka oka, nerki, nerwy obwodowe). Wzrasta stęże­nie sorbitolu, fruktozy, galaktikolu, które słabo przenikają przez błony komórkowe, ulegają akumulacji, co doprowa­dza do obrzęku i uszkodzenia tkanek [4,7]. Maleje wartość stosunku postaci zredukowanej do utlenionej fosforanu di­nukleotydu nikotynamidoadeninowego - NADPH/NADP+, a podnosi wartość stosunku dinukleotydu nikotynamido­adeninowego - NADH/NAD+. Wzrost tego ostatniego pro­wadzi do aktywacji cyklu przemian kwasu arachidonowe­go lipo- i cyklooksygenazowo, co warunkuje dodatkowe wytwarzanie wolnych rodników. Natomiast obniżenie po­ziomu NADPH może prowadzić do obniżenia aktywno­ści enzymów NADPH-zależnych biorących udział w wielu przemianach metabolicznych. Pociąga to za sobą hamowa­nie cyklu redukcji glutationu (GSH), co zwiększa podat­ność śródbłonka naczyniowego na uszkodzenie na powsta­jący w nadmiarze nadtlenek wodoru [45].
3.4. Dysfunkcja śródbłonka
Aktywacja metabolizmu glukozy na drodze szlaku po­liolowego prowadzi również do wzrostu stężenia DAG. W warunkach hiperglikemii DAG może powstawać de novo z pośrednich produktów przemian glikolitycznych. Diacyloglicerol aktywuje wiele kinaz białkowych (PKC). W cukrzycy aktywowana jest głównie izoforma β PKC (PKC-β), która jest odpowiedzialna za stymulację fosfo­lipazy A2. Następuje inicjacja kaskady kwasu arachido­nowego i spadek aktywności pompy sodowo-potasowej. W konsekwencji pobudzenie DAG-PKC-β nasila wzrost wytwarzania RFT. Dodatkowo zostają aktywowane płyt­ki krwi, neutrofile, makrofagi czy komórki śródbłonka. Doprowadza to do uszkodzenia śródbłonka naczyniowe­go, upośledzenia powstawania tlenku azotu (NO), powo­duje oksydację lipidów [23,40]. Równowaga pomiędzy NO - substancją kontrolującą napięcie ściany naczynio­wej, a RFT warunkuje skurcz naczyń, proliferację mięśni gładkich naczyń oraz aktywność prozakrzepową, proza­palną i prooksydacyjną [8,35]. Tlenek azotu jest ponadto zmiataczem wolnych rodników i ma działanie antyprolife­racyjne. Dysfunkcja śródbłonka i zmniejszona aktywność tlenku azotu może wynikać z nadmiernego wytwarzania anionorodnika ponadtlenkowego, związanego ze stresem oksydacyjnym w warunkach hiperglikemii. Wykazano, że w procesie tym uczestniczy śródbłonkowa syntaza tlen­ku azotu (endothelial nitric oxide synthase - eNOS) przy niedoborze kofaktorów: L-argininy i tetrahydrobioptery­ny. Udowodniono, że mała aktywność endogennych en­zymów usuwających RFT: dysmutazy ponadtlenkowej (CuZn-SOD) czy peroksydazy glutationowej (GPx) pro­wadzi do nagromadzenia anionorodników ponadtlenko­wych i wzmożonej inaktywacji NO za pośrednictwem re­akcji NO + O2·- --> ONOO- [22].
Uważa się, że na proces syntezy i inaktywacji NO mają wpływ również produkty nieenzymatycznej glikacji bia­łek [7]. Ponadto w warunkach stresu oksydacyjnego wy­kazano obniżoną aktywność DDAH - dimetyloargininy dimetyloaminohydrolazy, enzymu rozkładającego asyme­tryczną dimetyloargininę (ADMA), która jest inhibitorem naczyniowej syntazy NO. Upośledzenie działania DDAH przyczynia się do gromadzenia się ADMA, co może się przyczyniać do dysfunkcji wazodylatacyjnej naczyń krwio­nośnych w cukrzycy [26].
Przewlekła hiperglikemia, kumulacja końcowych produk­tów glikacji, wzrost RFT, mogą powodować u chorych na cukrzycę zaburzenia struktury i funkcji płytek krwi. Wykazano, że u osób chorych na cukrzycę typu 2 jeszcze bez powikłań ze strony układu sercowo-naczyniowego dochodzi do nadmiernej agregacji płytek krwi. Znacząco również wrasta w płytkach krwi stężenie dialdehydu ma­lonowego (MDA) - produktu degradacji lipidów, który re­aguje krzyżowo z grupami sulfhydrylowymi (-SH) białek wchodzących w skład błon komórkowych, prowadząc do ich uszkodzenia [43].
3.5. Dyslipidemia
Zmiany profilu lipidowego w cukrzycy typu 2 najczęściej polegają na podwyższonym stężeniu triglicerydów, a ob­niżonym stężeniu cholesterolu frakcji HDL. Cholesterol frakcji LDL cechuje predyspozycja do tworzenia małych, gęstych, bogatych w triacyloglicerole cząstek, które łatwiej ulegają oksydacyjnej modyfikacji i działają cytotoksycz­nie na śródbłonek naczyniowy zwiększając aterogenezę [12]. W wyniku nasilenia działania RFT oraz wyczerpa­nia endogennych układów antyoksydacyjnych, przy jed­noczesnym występowaniu zaburzeń ilościowych frakcji lipidów osocza, dochodzi do peroksydacji lipidów, na­stępstwem tego jest powstawanie dialdehydu malonowego (MDA), wodoronadtlenków kwasów tłuszczowych, sprzę­żonych dienów oraz oksycholesteroli [41]. Ponadto wyka­zano, że glikooksydowane cząsteczki LDL mają zdolność indukowania syntezy przeciwciał, które stymulują sekre­cję interleukin, cząsteczek adhezyjnych, inicjując tym sa­mym proces aterogenezy [8].
Wysokie stężenie glukozy przyczynia się także do bez­pośredniej stymulacji granulocytów obojętnochłonnych, co prowadzi do wytwarzania dużej ilości rodników tle­nowych [33].
3.6. Hiperinsulinemia i insulinooporność
W rozwoju cukrzycy typu 2 obserwuje się zaburzenia wy­dzielania i działania insuliny. Oba zaburzenia mają pod­łoże genetyczne i środowiskowe (wiek, otyłość, glukotok­syczność i lipotoksyczność). We wczesnym etapie rozwoju cukrzycy typu 2 dochodzi do upośledzenia odpowiedzi tkanek na insulinę (insulinooporność). Aby utrzymać pra­widłowe stężenie glukozy w warunkach insulinooporności dochodzi do wzrostu wydzielania insuliny przez komórki beta trzustki (hiperinsulinizm). Utrzymujący się hiperin­sulinizm wyczerpuje zdolność wytwarzania insuliny przez komórki beta trzustki i rozwój cukrzycy [21].
Wzrost RFT i zmniejszona aktywność antyutleniaczy jest również następstwem hiperinsulinemii i zmniejszonej wraż­liwości tkanek na insulinę [9]. Hiperinsulinemii towarzyszy ponadto wzrost stężenia katecholamin, które też mogą być źródłem RFT. Z kolei zjawisku insulinooporności towarzy­szy wzrost stężenia w osoczu wolnych kwasów tłuszczo­wych [13]. Ponadto insulinooporność zmniejsza zużycie glukozy w mięśniach szkieletowych, nasila glukoneogene­zę i zmniejsza syntezę glikogenu w wątrobie, co przyczy­nia się do przewlekłej hiperglikemii.
4. Wpływpalenia tytoniu na indukcję procesów prooksydacyjnych w cukrzycy
Wśród czynników stymulujących nadmierne wytwarzanie reaktywnych form tlenu na uwagę zasługuje również dym tytoniowy, który jest najlepiej poznaną używką i ma istot­ny wpływ na rozwój stresu oksydacyjnego. Dym tytonio­wy zawiera prooksydanty, zarówno w swojej frakcji ga­zowej, jak i w obrębie substancji smołowych. Wśród RFT dominują rodniki semichinonowe, znaczne ilości tlenku i dwutlenku azotu oraz hydrochinony. Na skutek palenia tytoniu spada zawartość antyoksydantów niskocząstecz­kowych w wyniku wzrostu intensywności wolnorodniko­wej degradacji białek i lipidów we krwi. Odrębne badania chorych na cukrzycę i palących tytoń jednoznacznie po­twierdziły zwiększoną chorobowość i zwiększone ryzyko przedwczesnego zgonu związane z rozwojem powikłań makronaczyniowych w tej grupie. Palenie tytoniu wiąże się również z przedwczesnym wystąpieniem obwodowych powikłań mikronaczyniowych i może mieć udział w pato­genezie cukrzycy typu 2 [16]. Dym tytoniowy nasila stan zapalny w naczyniach, poprzez aktywację makrofagów, co przyspiesza proces miażdżycowy na skutek toksycz­nego uszkodzenia śródbłonka. Poza tym palenie papie­rosów wpływa na obniżenie stężenia HDL, a narastające niedotlenienie nasila proliferację błony wewnętrznej na­czyń i wzrost przepuszczalności śródbłonka naczyniowe­go. Ponadto dym tytoniowy może wpływać na podwyż­szenie lepkości krwi i zaburzenia równowagi procesów krzepnięcia i fibrynolizy [42].
5. Zaburzenia aktywności enzymatycznego systemu antyoksydacyjnego w cukrzycy
Autorzy badań wpływu hiperglikemii na układ pro­-antyoksydacyjny u chorych na cukrzycę, w większo­ści opisują nasilenie procesu peroksydacji lipidów błon komórkowych. Markerem tego procesu jest dialdehyd malonowy, jeden z wielu związków reagujących z kwa­sem tiobarbiturowym, potwierdzający wzmożone wy­twarzanie wolnych rodników. Obrona antyoksydacyjna zostaje zaburzona zarówno na poziomie komórki, którą chronią enzymy antyoksydacyjne, a także modyfikacji podlegają stężenia osoczowych drobnocząsteczkowych antyutleniaczy nieenzymatycznych, takich jak witami­na A, tokoferol (witamina E), askorbinian (witamina C), glutation, karoteny, flawonoidy, bilirubina, kwas moczo­wy, koenzym Q i inne. Wśród badaczy istnieją spore róż­nice w ocenie aktywności enzymów antyoksydacyjnych u chorych na cukrzycę.
Kesavulu i wsp. [25] przedstawili wyniki badań, ocenia­jące proces utleniania lipidów błon komórkowych i obro­nę antyoksydacyjną u chorych na cukrzycę typu 2 z powi­kłaniami mikronaczyniowymi. Wykazali znaczący wzrost stężenia TBARS (związków tiobarbiturozależnych) w su­rowicy zarówno u pacjentów z powikłaniami, jak i bez nich. Aktywność CAT u chorych na cukrzycę była istot­nie statystycznie wyższa w porównaniu do osób zdrowych. Natomiast aktywność CuZn-SOD i GPx uległa obniżeniu.
W pracy Martin-Gallan i wsp. [29] opisano wpływ hipergli­kemii na procesy antyoksydacyjne u młodych pacjentów ze zdiagnozowaną T1DM z towarzyszącą mikroangiopatią lub bez niej. Wykazano przewagę reakcji wolnorodnikowych nad przeciwutleniającymi. Zanotowano wzrost parametrów pe­roksydacji lipidów: MDA, nadtlenków i wodoronadtlenków lipidów oraz wzrost stężenia wykładników oksydacyjne­go uszkodzenia białek: grup karbonylowych i zaawansowa­nych produktów utleniania białek (advanced oxidation protein product - AOPP). U badanych chorych wykazano obniżoną obronę antyoksydacyjną poprzez ocenę aktywności enzy­mów: CAT i GPx, których aktywność znacznie spadła przede wszystkim u chorych z powikłaniami naczyniowymi. Autorzy przypuszczają, iż rolę ochronną przed uszkodzeniami przez wolne rodniki przejęła dysmutaza ponadtlenkowa (CuZn-SOD), której wzrost aktywności zaobserwowano u chorych na cukrzycę bez mikroangiopatii. Również stężenie antyok­sydantów drobnocząsteczkowych, takich jak α-tokoferolu i β-karotenu było niższe w porównaniu z grupą kontrolną.
Również badania intensywności procesów peroksydacji lipidów oraz aktywności enzymów stanowiących obro­nę antyoksydacyjną przeprowadzone u chorych z cukrzy­cą insulinoniezależną ze zdiagnozowaną nefropatią lub bez niej, wykazały nasilenie stresu oksydacyjnego i ob­niżoną obronę przed uszkodzeniami przez wolne rodni­ki. Opisano znaczny wzrost MDA oraz spadek aktywno­ści CuZn-SOD i CAT, zwłaszcza u chorych z nefropatią. Obniżona aktywność enzymatycznego systemu przeciwu­tleniającego w cukrzycy jest powiązana z postępującą gli­kacją białek enzymatycznych [24].
Praca badawcza Vericel i wsp. [43] dowodzi, iż hipergli­kemia prowadzi również do dysfunkcji i licznych zabu­rzeń w płytkach krwi. Oceniano wielkość obrony antyok­sydacyjnej u chorych na cukrzycę typu 1i 2 bez powikłań sercowo-naczyniowych. Wykazano wzrost stężenia MDA w płytkach krwi chorych na oba rodzaje cukrzycy, z istot­nym statystycznie wzrostem w grupie z cukrzycą typu 2. Ochronę przeciw uszkodzeniom przez wolne rodniki, bada­no oceniając ekspresję i aktywność dwóch izoform perok­sydazy glutationowej: cytosolowej (GPx-1) i fosfolipido­wej wodoronadtlenkowej (GPx-4). Zarówno ekspresja, jak i ich aktywność była statystycznie obniżona w obu grupach w porównaniu z grupą kontrolną. Autorzy tej pracy badali także wydolność drobnocząsteczkowych związków chro­niących struktury płytek krwi przed oksydacyjnymi uszko­dzeniami: α-tokoferolu i γ-tokoferolu. Wykazano znaczące obniżenie stężenia przede wszystkim α-tokoferolu w płyt­kach krwi chorych na cukrzycę typu 1 i 2. Wyniki badań wskazują, że wzrost agregacji płytek krwi u chorych na cu­krzycę bez powikłań naczyniowych należy łączyć z nasile­niem metabolizmu kwasu arachidonowego oraz niewydol­nym mechanizmem antyoksydacyjnym chroniącym płytkę krwi przed wolnorodnikowymi uszkodzeniami.
Natomiast badania prowadzone przez Atliego i wsp. [2] u chorych z cukrzycą typu 2 powyżej 65 roku życia wy­kazały nieznaczny spadek aktywności CuZn-SOD i wzrost aktywności CAT i GPx. Z przeglądu prac [15,19,37] wy­nika, iż u osób starszych obserwuje się niższą niż u osób młodych aktywność enzymów antyoksydacyjnych: dys­mutazy ponadtlenkowej, katalazy i peroksydazy glutatio­nowej, co potwierdza wolnorodnikową teorię starzenia.
Niektórzy jednak autorzy są przeciwnego zdania, ponie­waż w swoich badaniach obserwowali wzrost aktywno­ści enzymów antyoksydacyjnych w surowicy krwi u osób w podeszłym wieku [36]. Ocenę aktywności enzymów an­tyoksydacyjnych u osób w wieku 65-93 prowadzili także Wiśniewska i wsp. [44]. Stwierdzili oni wzrost aktywno­ści peroksydazy glutationowej zależny od wieku i spa­dek aktywności katalazy. Zmniejszoną aktywność kata­lazy w erytrocytach ludzi starszych stwierdził również Guemouri i wsp. [15].
6. Uwarunkowania genetyczne zaburzeń prooksydacyjno-antyoksydacyjnych u chorych z cukrzycą
Zespół Hodgkinsona i wsp. [20] porównał wpływ normo- i hiperglikemii na ekspresję mRNA CAT, CuZn-SOD, MnSOD i GPx w komórkach jednojądrzastych krwi ob­wodowej pacjentów z cukrzycą typu 1 i nefropatią choru­jących powyżej 10 lat, w grupie chorych cierpiących na cukrzycę co najmniej 20 lat bez powikłań mikronaczynio­wych i u osób zdrowych. Autorzy zaobserwowali, że hi­perglikemia spowodowała zmniejszenie ekspresji mRNA dla badanych genów enzymów antyoksydacyjnych (CAT, CuZn-SOD, MnSOD, GPX), przy czym otrzymane warto­ści dla grupy chorych z nefropatią były niższe w porówna­niu z tymi bez powikłań. W grupie chorych bez powikłań normoglikemia wywołała obniżenie ekspresji mRNA dla wszystkich badanych genów, a w grupie chorych z nefro­patią podwyższenie. Autorzy przypuszczają, że hipergli­kemia zaburza wytwarzanie wewnątrzkomórkowych en­zymów antyoksydacyjnych u chorych z cukrzycą typu1 i współistniejącą nefropatią. Ten defekt może być częścio­wo spowodowany genetyczną predyspozycją do nefropatii.
Jedną z przyczyn zmian aktywności enzymów antyoksy­dacyjnych u chorych na cukrzycę mogą być polimorfizmy genów kodujących SOD, CAT i GPx. Flekac i wsp. [10] zaobserwowali, że aktywność SOD była mniejsza u cho­rych na T2DM i T1DM w porównaniu do osób zdrowych. Analiza wariantów polimorficznych genów +35 A/C CuZn-SOD (intron 3/ekson 3) i Ala16Val (C/T) Mn-SOD wyka­zała, że wyższa aktywność SOD koreluje z genotypem AA CuZn-SOD i CC Mn-SOD. Analiza polimorfizmu -21 A/T CAT nie wykazała istotnych różnic między często­ścią alleli i genotypów u osób z cukrzycą w porównaniu do osób zdrowych.
Panduru i wsp. [32] oceniali wpływ polimorfizmu +35 A/C CuZn-SOD na częstość nefropatii cukrzycowej wśród cho­rych na T1DM w populacji rumuńskiej. Zwiększone ryzy­ko wystąpienia nefropatii cukrzycowej związane było z al­lelem C. Nadif i wsp. [30] określili wpływ polimorfizmów -262 C/T i -844 T/C CAT na aktywność katalazy wśród francuskich górników poddanych ekspozycji na oksydanty (pył węglowy i dym tytoniowy). Najmniejszą aktywność CAT obserwowano u osób mających genotyp TT polimor­fizmu -262 C/T CAT. Wykazano również mniejszą aktyw­ność CAT wśród górników o genotypie CC polimorfizmu -262 C/T, którzy byli nosicielami genotypu CC polimorfi­zmu -844 T/C CAT. Ekspozycja na pył węglowy i dym ty­toniowy nie miały związku z aktywnością CAT.
Christiakov i wsp. [5] wykazali, że genotyp CC polimorfi­zmu -262 C/T CAT związany był z obniżeniem aktywności CAT wśród chorych na cukrzycę typu 1. Natomiast allel T związany był ze zmniejszeniem ryzyka wystąpienia nefro­patii cukrzycowej wśród tych chorych.
Liczne badania potwierdzają, że nosiciele allela Leu poli­morfizmu Pro197Leu wykazują obniżoną aktywność GPx1 oraz zwiększone ryzyko rozwoju nowotworów [18]. Nie wykazano natomiast związku tego polimorfizmu z ryzy­kiem rozwoju powikłań cukrzycowych, takich jak polineu­ropatia cukrzycowa, nadciśnienie tętnicze u chorych na cu­krzycę typu 1 i 2 [38,47]. Hamanishi i wsp. [17] wykazali, że ryzyko rozwoju IMT tętnicy szyjnej, choroby sercowo­-naczyniowej i choroby naczyń obwodowych wśród cho­rych na T2DM było znacząco wyższe wśród nosicieli ge­notypu Pro/Leu polimorfizmu Pro197Leu GPx1.
7. Podsumowanie
Hiperglikemia u chorych na cukrzycę indukuje wiele zmian molekularnych, zmieniających metabolizm komórkowy i zaburzających równowagę oksydacyjno-antyoksydacyj­ną. Autorzy zgodnie potwierdzają wzmożone wytwarza­nie wolnych rodników oraz nasilenie procesów oksyda­cyjnych w przebiegu cukrzycy. Jednak duże rozbieżności wyników badań aktywności enzymów antyoksydacyjnych mogą mieć związek z czasem trwania choroby, okresem zachorowania, w którym są podejmowane badania, wie­kiem chorych oraz stopniem wyrównania metabolicznego cukrzycy. Wpływ polimorfizmów genów SOD, CAT i GPx na aktywność tych enzymów wydaje się także niepewny, co może wpływać na system antyoksydacyjny chroniący przed uszkodzeniami struktur komórkowych oraz zapobie­gający rozwojowi powikłań cukrzycowych.
PIŚMIENNICTWO
[1] Atli T., Keven K., Avci A., Kutlay S., Turkcapar N., Varli M., Aras S., Ertug E., Canbolat O.: Oxidative stress and antioxidant status in elderly diabetes mellitus and glucose intolerance patients. Arch. Gerontol. Geriatr., 2004; 39: 269-275
[PubMed]  
[2] Baynes J.W., Thorpe S.R.: Role of oxidative stress in diabetic complications, a new perspective on an old paradigm. Diabetes, 1999; 48: 1-9
[PubMed]  [Full Text PDF]  
[3] Brownlee M.: Biochemistry and molecular cell biology of diabetic complications. Nature, 2001; 414: 813-820
[PubMed]  
[4] Chistiakov D.A., Zotova E.V., Savost'anov K.V., Bursa T.R., Galeev I.V., Strokov I.A., Nosikov V.V.: The 262T>C promoter polymorphism of the catalase gene is associated with diabetic neuropathy in type 1 diabetic Russian patients. Diabetes Metab., 2006; 32: 63-68
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  
[5] Dansen T.B., Wirtz K.W.: The peroxisome in oxidative stress. IUBMB Life, 2001; 51: 223-230
[PubMed]  
[6] Dickinson P.J., Carrington A.L., Frost G.S., Boulton A.J.: Neurovascular disease, antioxidants and glycation in diabetes. Diabetes Metab. Res. Rev., 2002; 18: 260-272
[PubMed]  
[7] Drzewoski J.: Gliclazide, inflammation and atherosclerosis. Antiinflamm. Antiallergy Agents Med. Chem., 2008; 7: 224-230
[8] Evans J.L., Goldfine I.D., Maddux B.A., Grodsky G.M.: Are oxidative stress-activated signaling pathways mediators of insulin resistance and β-cell dysfunction? Diabetes, 2003; 52: 1-8
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  
[9] Flekac M., Skrha J., Hilgertova J., Lacinova Z., Jarolimkova M.: Gene polymorphisms of superoxide dismutases and catalase in diabetes mellitus. BMC Med. Genet., 2008; 9: 30
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  
[10] Fraczek M., Kurpisz M.: The redox system in human semen and peroxidative damage of spermatozoa. Postępy Hig. Med. Dośw., 2005; 59: 523-534
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  
[11] Giugliano D., Ceriello A., Paolisso G.: Oxidative stress and diabetic vascular complications. Diabetes Care, 1996; 19: 257-267
[PubMed]  
[12] Górski J., Knapp M., Musiał W.: Metabolizm substratów energetycznych w mięśniu sercowym. Wpływ niedotlenienia i cukrzycy. Czynniki Ryzyka, 2000; 2-3: 18-23
[13] Green K., Brand M.D., Murphy M.P.: Prevention of mitochondrial oxidative damage as a therapeutic strategy in diabetes. Diabetes, 2004; 53; S110-S118
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  
[14] Guemouri L., Artur Y., Herbeth B., Jeandel C., Cuny G., Siest G.: Biological variability of superoxide dismutase, glutathione peroxidase and catalase in blood. Clin. Chem., 1991; 37: 1932-1937
[PubMed]  [Full Text PDF]  
[15] Haire-Joshu D., Glasgow R.E., Tibbs T.L.: Smoking and diabetes. Diabetes Care, 1999; 22: 1887-1898
[PubMed]  [Full Text PDF]  
[16] Hamanishi T., Furuta H., Kato H., Doi A., Tamai M., Shimomura H., Sakagashira S., Nishi M., Sasaki H., Sanke T., Nanjo K.: Functional variants in the glutathione peroxidase-1 (GPx-1) gene are associated with increased intima-media thickness of carotid arteries and risk of macrovascular diseases in japanese type 2 diabetic patients. Diabetes, 2004; 53: 2455-2460
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  
[17] Hansen R.D., Krath B.N., Frederiksen K., Tjonneland A., Overvad K., Roswall N., Loft S., Dragsted L.O., Vogel U., Raaschou-Nielsen O.: GPX1 Pro(198)Leu polymorphism, erythrocyte GPX activity, interaction with alcohol consumption and smoking, and risk of colorectal cancer. Mutat. Res., 2009; 664: 13-19
[PubMed]  
[18] Harman D.: Free radical theory of aging. Mutat. Res., 1992; 275: 257-266
[PubMed]  
[19] Hodgkinson A.D., Bartlett T., Oates P.J., Millward B.A., Demaine A.G.: The response of antioxidant genes to hyperglycemia is abnormal in patients with type 1 diabetes and diabetic nephropathy. Diabetes, 2003; 52: 846-851
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  
[20] Kashyap S.R., Defronzo R.A.: The insulin resistance syndrome: physiological considerations. Diab. Vasc. Dis. Res., 2007; 4: 13-19
[PubMed]  
[21] Kasperska-Zając A., Rogala B.: Rola tlenku azotu (NO) w patogenezie pierwotnego nadciśnienia tętniczego. Postępy Hig. Med. Dośw., 2002; 56: 39-48
[PubMed]  
[22] Keaney J.F.Jr, Loscalzo J.: Diabetes, oxidative stress and platelet activation. Circulation, 1999; 99: 189-191
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  
[23] Kędziora-Kornatowska K., Luciak M., Błaszczyk J., Pawlak W.: Lipid peroxidation and activities of antioxidant enzymes in erythrocytes of patients with non-insulin dependent with or without diabetic nephropathy. Nephrol. Dial. Transplant., 1998; 13: 2829-2832
[PubMed]  [Full Text PDF]  
[24] Kesavulu M.M., Giri R., Kameswara Rao B., Apparao C.: Lipid peroxidation and antioxidant enzyme levels in type 2 diabetics with microvascular complications. Diabetes Metab., 2000; 26: 387-392
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  
[25] Lin K.Y., Ito A., Asagami T., Tsao P.S., Adimoolam S., Kimoto M., Tsuji H., Reaven G.M., Cooke J.P.: Impaired nitric oxide synthase pathway in diabetes mellitus: role of asymmetric dimethylarginine and dimethylarginine dimethylaminohydrolase. Circulation, 2002; 106: 987-992
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  
[26] Lipinski B.: Pathophysiology of oxidative stress in diabetic mellitus. J. Diabetes Complications, 2001; 15: 203-210
[PubMed]  
[27] Majchrzak A., Zozulińska D.: Znaczenie stresu oksydacyjnego w patogenezie przewlekłych powikłań cukrzycy. Diabetologia Polska, 1998; 5: 3
[28] Martin-Gallan P., Carrascosa A., Gussinye M., Dominguez C.: Biomarkers of diabetes-associated oxidative stress and antioxidant status in young diabetic patients with or without subclinical complications. Free Rad. Biol. Med., 2003; 34: 1563-1574
[PubMed]  
[29] Nadif R., Mintz M., Jedlicka A., Bertrand J.P., Kleeberger S.R., Kauffmann F.: Association of CAT polymorphisms with catalase activity and exposure to environmental oxidative stimuli. Free Radic. Res., 2005; 39: 1345-1350
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  
[30] Nishikawa T., Edelstein D., Du X.L., Yamagishi S., Matsumura T., Kaneda Y., Yorek M.A., Beebe D., Oates P.J., Hammes H.P., Giardino I., Brownlee M.: Normalizing mitochondrial superoxide production blocks three pathways of hyperglycaemic damage. Nature, 2000; 404: 787-790
[PubMed]  
[31] Panduru N.M., Cimponeriu D., Cruce M., Ion D.A., Moţa E., Moţa M., Serafinceanu C., Chivu L.I., Panduru M., Chivu R.D., Covic A.C.: Association of +35A/C (intron3/exon3) polymorphism in SOD1-gene with diabetic nephropathy in type 1 diabetes. Rom. J. Morphol. Embryol., 2010; 51: 37-41
[PubMed]  
[32] Penckofer S., Schwertz D., Florczak K.: Oxidative stress and cardiovascular disease in type 2 diabetes: The role of antioxidants and pro-oxidants. J. Cardiovasc. Nurs., 2002; 16: 68-85
[PubMed]  
[33] Quinn L.: Mechanisms in the development of type 2 diabetes mellitus. J. Cardiovasc. Nurs., 2002; 16: 1-16
[PubMed]  
[34] Reusch J.E.: Diabetes, microvascular complications, and cardiovascular complications: what is it about glucose? J. Clin. Invest., 2003; 112: 986-988
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  
[35] Rodriguez-Martinez M.A., Ruiz-Torres A.: Homeostasis between lipid peroxidation and antioxidant activities in healthy human aging. Mech. Ageing Dev., 1992; 66: 213-222
[PubMed]  
[36] Schafer L., Thorling E.B.: Lipid peroxidation and antioxidant supplementation in old age. Scand. J. Clin. Lab. Invest., 1990; 50: 69-75
[PubMed]  
[37] Sergeeva T.V., Chistiakov D.A., Kobalava Z.D., Moiseev V.S.: Polymorphism of catalase and glutathione peroxidase genes in macrovascular complications in patients with non-insulin-dependent diabetes mellitus and hypertension. Genetika, 2001; 37: 418-421
[PubMed]  
[38] Słowik-Żyłka D., Safranow K.: Późne produkty glikacji białek (AGE) - powstawanie, znaczenie patogenetyczne, oznaczanie. Diabetologia Polska, 2001; 8: 2
[39] Srinivasan S., Hatley M.E., Bolick D.T., Palmer L.A., Edelstein D., Brownlee M., Hedrick C.C.: Hyperglycaemia-induced superoxide production decreases eNOS expression via AP-1 activation in aortic endothelia cells. Diabetologia, 2004; 47: 1727-1734
[PubMed]  
[40] Szczepański M., Kamianowska M., Skrzydlewska E.: The influence of hyperglycemia on oxidation-reduction reaction of human umbilical vein endothelial cells. Pol. Merk. Lek., 2007; 136: 246-250
[PubMed]  [Full Text PDF]  
[41] Tonstad S.: Cigarette smoking, smoking cessation, and diabetes. Diabetes Res. Clin. Pract., 2009; 85: 4-13
[PubMed]  
[42] Vericel E., Januel C., Carreras M., Moulin P., Lagarde M.: Diabetic patients without vascular complications display enhanced basal platelet activation and decreased antioxidant status. Diabetes, 2004; 53: 1046-1051
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  
[43] Alberti K.G., Zimmet P.Z.: Definition, diagnosis and classification of diabetes mellitus and its complication. Part 1. Diagnosis and classification of diabetes mellitus provisional report of a WHO consultation. Diabet. Med., 1998; 15: 539-553
[PubMed]  
[44] Wiśniewska J. Wieczorkowska-Tobis K., Korybalska K., Połubińska A., Simon M., Bręborowicz A.: Ocena aktywności enzymów antyoksydacyjnych u osób w wieku podeszłym. Gerontolog. Pol., 1999; 7: 27-32
[45] Włodek L.: Beneficial and harmful effects of thiols. Pol. J. Pharmacol., 2002; 54: 215-223
[PubMed]  [Full Text PDF]  
[46] Young I.S., Woodside J.V.: Antioxidants in health and disease. J. Clin. Pathol., 2001; 54: 176-186
[PubMed]  [Full Text PDF]  
[47] Zotova E.V., Savost'ianov K.V., Chistiakov D.A., Bursa T.R., Galeev I.V., Strokov I.A., Nosikov V.V.: Search for the association of polymorphic markers for genes coding for antioxidant defense enzymes, with development of diabetic polyneuropathies in patients with type 1 diabetes mellitus. Mol. Biol. (Mosk)., 2004; 38: 244-249
[PubMed]  
Autorka deklaruje brak potencjalnych konfliktów interesów.