Mechanizmy, ktorými HBOT zasahuje do stárnutia

Hyperbarická oxygenoterapia pre zdravé starnutie 3.časť

Za posledných niekoľko desaťročí sa dosiahol významný pokrok v pochopení molekulárnych mechanizmov procesu starnutia. Je zrejmé, že to poskytuje klinickým lekárom širokú škálu terapeutických cieľov pre starnutie a choroby súvisiace s vekom. Zároveň pribúdajú dôkazy o výhodách HBOT pri homeostáze a regenerácii tkanív. Skutočnosť, že terapeutické ciele HBOT sa značne prekrývajú s cieľmi starnutia a chorôb súvisiacich s vekom, začína získavať pozornosť.
V nedávnej prospektívnej štúdii sa zistilo, že HBOT indukuje transkriptómové zmeny vo vzorkách celej krvi od zdravých starnúcich jedincov, pričom 1342 génov je upregulovaných a 570 génov downregulovaných.

Zmeny v týchto vekových genetických podpisoch in vivo naznačujú pozoruhodné účinky HBOT na starších ľudí, prinajmenšom na molekulárnej úrovni. V tejto časti sa snažíme umiestniť HBOT do kontextu rôznych teórií starnutia a zhrnúť možné mechanizmy, ktorými HBOT podporuje zdravé starnutie (obr. 3).

Obr. 3. Mechanizmy, ktorými HBOT podporuje zdravé starnutie.

Osvedčené biologické mechanizmy, pomocou ktorých môže HBOT podporovať zdravé starnutie, možno zhrnúť do piatich kategórií:

1. HBOT zvyšuje angiogenézu najmä zvýšením expresie HIF-1α a série angiogénnych markerov.

2. HBOT znižuje zápal reguláciou počtu a aktivity extenzívnych zápalových typov buniek, ako sú neutrofily, lymfocyty, astrocyty a mikroglie. Na molekulárnej úrovni môže HBOT inhibovať prozápalové faktory a zároveň podporovať protizápalové faktory.

3. HBOT zvyšuje antioxidačnú obranu moduláciou rovnováhy medzi voľnými radikálmi a lapačmi. Tento proces úzko koreluje s reguláciou mitochondriálnej funkcie.

4. HBOT interferuje so škodlivými účinkami bunkového starnutia, ktoré sa prejavujú opätovným vstupom do bunkového cyklu a útlmom markerov starnutia, ako sú p16/p21/p53, SA-β-gal, lipofuscín a SASP. HBOT tiež zohráva úlohu pri inhibícii skracovanie telomér, jedného z hlavných stimulov bunkového starnutia.

 5. HBOT zvyšuje počet cirkulujúcich kmeňových buniek stimuláciou mobilizácie kmeňových buniek a mení vlastnosti kmeňových buniek podporou proliferácie a diferenciácie.

3.1. Zvýšenie angiogenézy

Zhoršená vaskulárna homeostáza a angiogenéza, jeden z charakteristických znakov starnutia, vedie k zníženiu hustoty kapilár v celom tele, čo zase prispieva k slabnutiu fyzických funkcií u starších ľudí. 

Expozícia kyslíka zvyšuje angiogenézu spôsobom závislým od dávky. A zdá sa, že stimulom angiogenézy nie je samotná zvýšená dostupnosť kyslíka, ale najviac súvisí s tlakom, ktorým sa v hyperbarickej komore dodáva. Preto hyperoxia aj tlakové zložky HBOT zohrávajú nepostrádateľnú úlohu pri podpore angiogenézy.

K dnešnému dňu početné štúdie uvádzali proangiogenézne účinky HBOT v rôznych tkanivách s narušenou perfúziou krvi, ako je koža, mozog, penis, kosť…. 

V súlade s tým vo všeobecnosti existujú dva prístupy pomocou HBOT.

Po prvé, jedinečný protokol opakovaných prerušovaných expozícií hyperoxii s 5-minútovým prerušením vzduchu každých 20 minút môže indukovať niektoré bunkové mechanizmy zvyčajne indukované počas hypoxie. Je to preto, že návrat k normoxii po expozícii hyperoxie má za následok kolísanie rozpusteného kyslíka, ktoré tkanivá interpretujú ako nedostatok kyslíka, hoci hypoxia sa v skutočnosti nevyskytuje, konkrétne takzvaný „hyperoxicko-hypoxický paradox“.
To isté platí pre všeobecné protokoly HBOT, pretože medzi dennými ošetreniami dochádza k prerušovaným výkyvom kyslíka.

Po druhé, je všeobecne známe, že HBOT vedie k zvýšenému parciálnemu tlaku kyslíka v krvi a tkanivách, čo zase zvyšuje produkciu ROS a RNS. Prechodne zvýšené ROS a RNS slúžia ako signálne molekuly prispevajúce priamo k tvorbe krvných ciev.

3.2. Zníženie zápalu – imunomodulačné vlastnosti

Predpokladá sa, že imunitná dysregulácia a aktivácia zápalových dráh sú základnými prispievateľmi k dysfunkcii tkaniva v priebehu starnutia. Chronický, sterilný zápalový stav nízkeho stupňa počas starnutia, tiež známy ako zápal, hrá dôležitú úlohu v patogenéze chorôb súvisiacich s vekom.

Na bunkovej úrovni môže HBOT mať imunomodulačné účinky na rôzne typy zápalových buniek. Apoptóza neutrofilov hrá rozhodujúcu úlohu pri riešení zápalu, zatiaľ čo zvýšená apoptóza buniek podobných neutrofilom sa pozoruje po jednorazovej 90-minútovej expozícii hyperbarickému kyslíku.

Okrem účinkov na neutrofily môže hyperbarický kyslík indukovať apoptózu lymfocytov aj prostredníctvom mechanizmu spojeného s mitochondriami.
Tieto výsledky ilustrujú, že HBOT potláča zápalové reakcie sprostredkované lymfocytmi kvantitatívne aj kvalitatívne.

Mozog je známy ako imunitne privilegovaný orgán, v ktorom astrocyty pôsobia v zhode s mikrogliami pri neurozápale počas normálneho starnutia, čo vedie ku kognitívnemu poškodeniu. HBOT môže zmierniť neurozápalové procesy znížením aktivácie astrocytov a mikroglií vrátane starnutia, Alzheimerovej choroby a poranenia mozgu. 
Tieto výsledky potvrdzujú, že účinky HBOT na zápalové bunky nie sú obmedzené len na tie v krvnom obehu.

Ako celkový účinok sa uvádza, že HBOT môže mať ochranné účinky proti poškodeniu viacerých orgánov po generalizovanom zápale. Vzhľadom na to, že proces starnutia je sprevádzaný aktiváciou viacerých zápalových dráh v celom tele, výsledky naznačujú, že HBOT môže podobným spôsobom chrániť rôzne tkanivá pred chronickým zápalovým poškodením počas starnutia.

Celkovo sa zdá, že HBOT má protizápalové účinky pri rôznych fyziologických aj patologických stavoch. Doteraz vedci predbežne pozorovali výhody HBOT pri spomaľovaní starnutia tkanív zmierňovaním zápalu, zatiaľ čo komplexnejší výskum by mal objasniť systémové účinky HBOT na zápalový stav súvisiaci s vekom.

3.3. Zvýšenie antioxidačnej aktivity

Oxidačný stres je vyvolaný, keď produkcia ROS prekročí antioxidačnú kapacitu. Teória oxidačného stresu starnutia ju považuje za hlavný mechanizmus zodpovedný za funkčné straty súvisiace s vekom a obmedzenie dlhovekosti.

Pokles účinnosti mitochondrií zároveň zohráva významnú úlohu pri oxidačnom strese vyvolanom starnutím, pretože mitochondrie sú primárnym miestom produkcie ROS
v bunke.

Obr. 4.

Obr. 4. Účinky HBOT na rovnováhu oxidačného stresu a mitochondriálne vlastnosti.

Pri HBOT inhalovaný kyslík prechádza pľúcami, čím účinne zvyšuje obsah kyslíka rozpusteného v plazme, čo zase spôsobuje nadbytok kyslíka v tkanivách a v  mitochondriách tkanivových buniek. Všeobecne platí, že jednorazové vystavenie hyperbarickému kyslíku alebo krátkodobému HBOT môže spôsobiť oxidačný stres.

Celkovo vzaté, na rozdiel od krátkodobých protokolov, dlhodobé HBOT alebo opakované prerušované hyperbarické vystavenie kyslíku môžu zvýšiť antioxidačnú obranu prostredníctvom adaptívnych mechanizmov.

Mechanicky HBOT aktivuje sériu transkripčných faktorov a génovej expresie na zvýšenie endogénnych antioxidačných enzýmov. Nrf2, redoxný senzor, predstavuje hlavný regulátor bunkovej obrany proti oxidačnému stresu.
Predpokladá sa, že pokles antioxidačných enzýmových reakcií závislý od veku je výsledkom zníženej expresie Nrf2 a jeho cieľových génov.

Záverom možno konštatovať, že HBOT prostredníctvom negatívnej spätnej väzby vyvoláva zvýšenie antioxidačných enzýmov a zníženie prooxidačných enzýmov, čím zvyšuje antioxidačnú obranu.

3.4. Potlačenie starnutia buniek

Hromadenie senescentných buniek v rôznych tkanivách sa považuje za významný prispievateľ k starnutiu, ako aj k chorobám súvisiacim s vekom.
Tu uvádzame účinky HBOT na starnutie buniek z viacerých perspektív.

V tkanivách sú starnúce bunky heterogénne, ale zdieľajú množstvo spoločných znakov, medzi ktorými sú najrozšírenejšie trvalé zastavenie bunkového cyklu a bioaktívny sekrét, konkrétne SASP. Senescentné bunky vylučujú SASP, ktorý sa zvyčajne skladá z prozápalových cytokínov a chemokínov, angiogénnych faktorov, rastových faktorov a matricových metaloproteináz. 

Keďže vývoj SASP môže čiastočne vysvetliť škodlivé účinky starnúcich buniek na starnutie, downregulácia expresie SASP pomocou HBOT môže do určitej miery zmierniť účinky starnutia starnúcich buniek alebo optimálnejšie odrážať výsledok klírensu starnúcich buniek. HBOT môže byť použitý ako dostupná alternatíva k senoterapeutikám alebo ako doplnková liečba.

V súčasnom štádiu je štúdia o pochopení úlohy HBOT v starnúcich bunkách stále v plienkach, ale s rýchlym pokrokom. Budúca práca je nevyhnutná a očakáva sa, že preskúma vhodné biomarkery bunkového starnutia. Vzhľadom na rozmanitosť starnúcich buniek rôzneho pôvodu je potrebné in vivo vyhodnotiť účinky HBOT na bunkové starnutie v rôznych systémoch.

3.5. Regulácia kmeňových buniek

Kmeňové bunky môžu podporovať regeneráciu tkanív nielen nahradením mŕtvych buniek novými, ale aj vylučovaním cytokínov a rastových faktorov, čo z nich robí hlavné ciele v starnutí a regeneratívnej medicíne. Na základe toho atraktívna teória starnutia tvrdí, že strata počtu kmeňových buniek a aktivity v priebehu času poháňa starnutie organizmu.

Je zaujímavé, že štúdie na rôznych tkanivách a chorobách ustanovili kmeňové bunky za kľúčových hráčov v regeneračných účinkoch HBOT. Možno z toho vyvodiť,
že regulácia biológie kmeňových buniek na spomalenie starnutia pomocou HBOT môže byť uskutočniteľná najmenej v troch aspektoch:

1. HBOT môže stimulovať mobilizáciu kmeňových / progenitorových buniek (SPC) a nábor z kostnej drene.

2. HBOT môže spôsobiť zmeny vlastné SPC, vrátane podpory proliferácie a diferenciácie kmeňových buniek, ako aj regulácie sekrécie proteínov. 
In vivo bolo hlásené, že HBOT stimuluje proliferáciu neurálnych kmeňových buniek a črevných kmeňových buniek, rast a diferenciáciu vaskulogénnych kmeňových buniek a aktiváciu kmeňových buniek hrubého čreva.
In vitro môže HBOT podporovať proliferáciu a diferenciáciu kmeňových buniek odvodených z tukov, ako aj osteogénnu a vaskulogénnu diferenciáciu mezenchymálnych kmeňových buniek.

3. Zatiaľ čo vyššie uvedené dva mechanizmy potenciálne zabezpečujú účinnosť samotného HBOT stimuláciou vlastných kmeňových buniek, tretím mechanizmom, ktorý tu sumarizujeme, je, že kombinácia HBOT s transplantáciou kmeňových buniek môže zvýšiť terapeutickú hodnotu kmeňových buniek. V porovnaní s monoterapiou kombinovaná liečba transplantácie kmeňových buniek a HBOT preukázala lepšie terapeutické účinky na regeneráciu srdca, obnovenie neurologických funkcií  a metabolickú kontrolu. 

Vzhľadom na veľký prísľub transplantácie kmeňových buniek v starnutí alebo geriatrickej medicíne sa špekuluje, že HBOT môže byť použitý ako doplnková terapia na zlepšenie prežitia a funkcie transplantovaných kmeňových buniek. Napriek povzbudivým zisteniam stojí za to vyplniť medzery vo výskume účinkov HBOT na vlastnosti kmeňových buniek u starších ľudí prostredníctvom pokračujúcich štúdií v budúcnosti.

ZDROJ
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213231722001240

Pokračovanie v 4. časti