Elektrofilicita ve vztahu k homeostáze dutiny ústní a teorii hormeze: biochemický pohled

Souhrn

Úvod: Dutina ústní představuje komplexní systém, kde probíhá vzájemná chemická komunikace mezi tkáněmi, mikrobiotou a složkami sliny a potravy. Tento článek je zaměřen na hormetické efekty a elektrofilní sloučeniny, které mohou hrát roli v obranných mechanismech proti oxidačnímu stresu a zánětlivým procesům. Hormetické efekty, vyvolané subletálními nebo subtoxickými stresory, mohou aktivovat reparační mechanismy a posílit odolnost tkání proti poškození.

Metodika: Analýza byla provedena prostřednictvím vyhledávání ve třech elektronických databázích: Web of Science, PubMed a Scopus. V rámci rešerše jsme se soustředili na studie publikované mezi lety 2000 a 2023, které se zabývaly oxidačně-redukčními procesy, zánětlivými stavy a aktivací Nrf2 dráhy v ústní dutině. Vyloučeny byly studie zaměřené na nádorová onemocnění.

Závěr: Elektrofilní sloučeniny působí jako jeden z činitelů zasahujících do homeostázy dutiny ústní a mohou tak představovat terapeutický potenciál v zubním lékařství, konkrétně v parodontologii. Zjištění založená na in vitro a preklinických studiích však vyžadují další ověření v klinických podmínkách, přičemž je třeba zvážit i interakce s orální mikrobiotou.

Klíčová slova:

hormeze, Nrf2 dráha, nitrované mastné kyseliny, homeostáza dutiny ústní

ÚVOD

Dynamika interakcí v dutině ústní, její kinetické parametry a klinické projevy jsou determinovány antagonistickými a agonistickými vztahy v (chemické) komunikaci mezi měkkými/tvrdými tkáněmi, mikrobiotou a konstituenty sliny či potravy a případně i dentálními materiály a medikací. Často se hovoří o homeostáze v případě, že tyto jednotlivé komponenty funkčně kooperují, nicméně v tomto ohledu je pojem „homeostáza dutiny ústní“ významně přeceňován. Dutina ústní, podobně jako další segmenty trávicího ústrojí, je exponována poměrně agresivním chemickým faktorům a mechanickým vlivům, které vedou k opakované destabilizaci ustanovené stálosti prostředí. Samotné provedení ústní hygieny představuje významný zásah do dynamických jevů, který je vždy spojen s prvotním narušením homeostázy. Tento princip intermitentního narušování stabilního prostředí má úzký vztah k teorii hormeze [1]. Zásadní úlohu představuje extracelulární matrix, která je součástí nejenom biofilmu, ale obecně bychom mohli celou dutinu ústní označit za rezervoár extracelulární tekutiny s definovaným obsahem konkrementů, mikrobů a (fermentujících) zbytků potravy. Objemová složka extracelulární kapaliny je dána orální clearancí, což plní významnou úlohu v procesu remineralizace skloviny a obecně v ochranné funkci sliny [2]. Z hlediska biochemických dějů je potřeba zohlednit nejenom solubilizovaný obsah, pH, ale i přítomnost plynů (dechová funkce), především kyslíku, i signálních molekul vyskytujících se v plynném skupenství. Obecně jsou označovány jako gasotransmitery, např. oxid dusnatý, sulfan a další [3]. Vzhledem k tomu, že hormetické působení v dutině ústní doposud nebylo v odborné literatuře dostatečně diskutováno, předkládáme čtenářům tento text. Chceme ukázat význam hormeze pro správnou funkci měkkých a tvrdých tkání z pohledu molekulárně-biologických principů, především z pohledu působení endogenně produkovaných elektrofilních látek nebo přímo elektrofilních (kandidátních) léčiv.

MATERIÁL A METODIKA

Pro tento přehledový článek byla provedena analýza relevantních studií z tří elektronických databází: Web of Science, PubMed a Scopus. Byly zohledněny klinické studie a přehledové články publikované v anglickém jazyce, s časovým rozsahem od roku 2000 do roku 2023. Vyhledávání probíhalo s použitím klíčových slov: „hormesis“, „nitric oxide“, „electrophiles“, „electrophilic“, „oral cavity“, „gingiva“, „gingival“, „inflammation“, „anti-inflammatory“, „oral bacteria“ a „Nrf2 pathway“. Pro doplnění databáze byly zahrnuty klíčové pojmy „electrophiles“ a „electrophilic drugs“, konkrétně: „dimethyl fumarate“, „sulforaphane“, „bardoxolone“, „nitro-fatty acids“, „nitric oxide donors“ a „NO-donors“. Vyhledávání proběhlo se zaměřením na následující klinické konsekvence: stomatitis and inflammation (gingivitis and periodontal disease), healing, bacterial or viral infection, pathogenic microbiota. Studie zaměřené na nádorová onemocnění byly vyloučeny. Předložený text je založen na úzké selekci vycházející z této literární rešerše, nejedná se tedy o vyčerpávající přehled všech dostupných studií. Z celkem 72 nalezených položek bylo 43 vyloučeno. Tyto texty jsou k dispozici a budou poskytnuty na vyžádání u P. J.

TEORIE HORMEZE A REAKCE ORGANISMU NA STRES

K pochopení všech souvislostí spojených s principy hormeze a obecně adaptačních mechanismů v dutině ústní předkládáme krátký historický a terminologický exkurz. Pojem „stálé vnitřní prostředí“ (milieu intérieur) [4] byl ustanoven již v 19. stol. a označení homeostáza [5], tedy udržení stálosti vnitřního prostředí, bylo zavedeno začátkem 20. stol. Homeostáza může být znázorněna graficky tak, jak je uvedeno na obr. 1A. Význam stresu v adaptačních mechanismech je zásadní a k jeho vyjádření využíváme termín „obecný (nebo také všeobecný) adaptační syndrom“ (OAS), který popisuje, jak organismus na stres reaguje ve třech fázích [6]. Jde o fázi mobilizační (působení stresoru), fázi rezistence (aktivace a akce obranyschopnosti organismu) a konečně fázi vyčerpání rezerv, sil či obranných možností. Termín hormeze byl zaveden v roce 1943 a slouží k popisu působení stresu na aktivaci reparačních mechanismů [7], má tedy vztah především k první a druhé fázi OAS. Hormetické působení vychází ze subletálního stimulu, jehož následkem je aktivizace obranných a reparačních mechanismů. Subletální stimul může být fyzikální (mechanické působení, radiace, teplota) nebo chemické podstaty. Mezi chemické faktory vyvolávající hormetický efekt řadíme obecně účinek xenobiotik nebo i endogenně produkované metabolity či toxiny. Hormetické působení se uplatňuje v první či druhé fázi OAS, konkrétně v první části bifazické křivky [8, 9] související s tzv. eustresem neboli „pozitivním“ stresem (obr. 1B).

OXIDAČNĚ-REDUKČNÍ PROCESY A HOMEOSTÁZA

Homeostatické a adaptační mechanismy jsou často spojeny s oxidačně-redukční rovnováhou, ta je dána přítomností antioxidačních a prooxidačních faktorů. Tyto faktory jsou obvykle (zjednodušeně) děleny na antioxidanty a prooxidanty enzymové nebo neenzymové povahy, kterými jsou často nízkomolekulární látky [10]. Známým nízkomolekulárním antioxidantem je např. glutathion, naopak prooxidanty představují rozsáhlou skupinu látek, které označujeme jako ROS (z angl. reactive oxygen species) nebo řada endogenně produkovaných metabolitů, např. methylglyoxal a další [11]. Mylná představa vychází z toho, že homeostáza je nastolena v momentě, kdy dojde k ustanovení rovnováhy mezi hladinami antioxidantů a prooxidačních agens (obr. 1C). Naopak, neustálá dynamika a vzájemná interakce mezi antioxidačními a prooxidačními vlivy je řídícím faktorem homeostázy, oxidačně-redukčních poměrů a metabolických pochodů v dutině ústní. Obecně přijímaný koncept založený na nízkomolekulárních (stechiometrických) antioxidantech, což jsou elektron donory, a látkách které mají prooxidační působení (radikálové formy nebo elektron akceptory) opomíjí účinek enzymů [12]. Mezi významné antioxidační enzymy řadíme např. superoxiddismutázu [13]. Zcela specifickou úlohu v regulaci oxidačně-redukčních mechanismů homeostázy plní endogenně produkované elektrofilní látky. Tyto sloučeniny jsou často silnými elektron akceptory a dá se u nich předpokládat prooxidační působení. Nicméně tyto látky mohou aktivovat/indukovat obranné mechanismy a mohou navozovat expresi antioxidačních enzymů prostřednictvím Nrf2 (z angl. nuclear factor-erythroid 2 p45-related factor 2) dráhy [14]. Konkrétně je tato signální dráha řízena komplexem transkripčního faktoru Nrf2 a jeho Keap1 (z angl. Kelch-like ECH-associated protein 1) represoru a je součástí jednoho z nejdůležitějších defenzivních mechanismů buňky, který ji chrání před stresem (obr. 1D). Po uvolnění proteinu Keap1 z komplexu Nrf2-Keap1 dochází k akumulaci Nrf2 v jádře a zvýšení exprese cytoprotektivních genů, čímž buňka eliminuje prooxidační stres vyvolaný účinkem toxických či karcinogenních látek. Není proto překvapující, že aktivace Nrf2 chemopreventivními látkami může mít potenciál při prevenci nádorových onemocnění nebo v regulaci zánětlivých procesů. Uvedený mechanismus má vztah k teorii hormeze [15], kterou jsme popsali výše. Celý mechanismus působení na molekulární úrovni je založený na interakci elektrofilní látky, často s významným prooxidačním potenciálem, s cysteinylovým zbytkem Cys151 proteinu Keap1, což celý mechanismus aktivace Nrf2 dráhy spouští. Na začátku je tedy prooxidační stimul modifikující (v nejjednodušším případě) jedno sulfhydrylové vazebné místo Cys151.

ELEKTROFILNÍ SLOUČENINY A AKTIVÁTORY NRF2 DRÁHY

Mezi představitele elektrofilních látek, resp. aktivátorů Nrf2 dráhy a dalších obranných mechanismů buňky patří nitrované mastné kyseliny [16]. O jejich působení v dutině ústní prakticky chybí informace. Jedná se o modulátory přenosu signálu vznikající interakcí RNS (angl. reactive nitrogen species, primárně oxid dusnatý a jeho deriváty) a nenasycených mastných kyselin, nejčastěji kyseliny olejové, linolové a arachidonové. Diskutuje se o jejich terapeutickém uplatnění v léčbě zánětlivých a fibrotických stavů [16]. Kyselina nitroolejová a konjugovaná verze kyseliny nitrolinolové byly pozitivně testovány na inhibici zánětlivých procesů na modelu RAW 264.7 (linie imortalizovaných myších makrofágů), přičemž zánět byl experimentálně navozen lipopolysacharidem izolovaným z paropatogenní bakterie Prevotella intermedia [17, 18]. Vzhledem k tomu, že nitrované mastné kyseliny mohou být produkovány endogenně, je možné, že se účastní zánětlivých procesů a procesů hojení v dutině ústní.

Dále byl studován vliv sulforafanu (přírodní látka izolovaná z vyšších rostlin), který je dobře etablovaným aktivátorem Nrf2 dráhy [19]. Sulforafan je schopen snižovat hyperaktivitu cirkulujících neutrofilů, což je asociováno s chronickým zánětem parodontu [20]. Ve stejné studii na leukemické buněčné linii HL60 bylo prokázáno, že sulforafan normalizuje poměr redukované a oxidované formy glutathionu. Dále bylo potvrzeno in vivo, že ošetření sulforafanem má antifibrotický potenciál a moduluje gingivální elasticitu [21]. Sulforafan také potlačuje přerůstání dásní indukované cyklosporinem A [22].

Dimethylfumarát je lékem relabující roztroušené sklerózy a lupénky s významnou klinickou účinností a dobrým bezpečnostním profilem [23]. Jedná se o elektrofilní
látku a aktivátor Nrf2 dráhy, u kterého byl prokázán inhibiční účinek na osteoklastogenezi a destrukci kosti [24]. Dimethylfumarát navíc potlačuje lipopolysacharidem
indukovanou pyroptotickou buněčnou smrt u fibroblastů parodontálních ligament a buněk zubní dřeně [25]. Pětitýdenní aplikace dimethyl- a ethylfumarátu vedla u 46leté pacientky k významnému potlačení recidivující aftózní stomatitidy [26].

Elektrofilicita výše zmíněných léčiv či endogenně produkovaných molekul je spojena s přítomnosti typických strukturních motivů, které vstupují do tzv. Michaelovy adice s příslušnými buněčnými cíli (jako je např. Cys151 proteinu Keap1) [27]. Chemické struktury elektrofilních sloučenin a Nrf2 aktivátorů popsané v tomto odstavci jsou ukázány na obr. 2.

DISKUSE

Přestože je hormetické působení esenciálním procesem, který se intermitentně uplatňuje v dutině ústní, jeho vliv na orální zdraví nebyl v odborné literatuře hlouběji popsán a dostatečně diskutován. Totéž platí o terapeutickém potenciálu hormetického efektu [28] v případě oboru zubního lékařství. Mezi látky, které mohou významně ovlivňovat vznik a progresi parodontálních a periimplantátových onemocnění a procesů hojení, řadíme nitrované mastné kyseliny. Obecně považujeme za důležité expandovat koncept elektrofilních sloučenin (Michaelových akceptorů) jako kandidátních léčiv ve stomatologii a příbuzných oborech. Nemělo by to být limitováno pouze na aktivátory Nrf2 dráhy, ale i na modulátory/aktivátory dalších cytoprotektivních mechanismů. Nově objevené elektrofilní sloučeniny (např. recentně deriváty kynureninu [29]) představují zajímavou alternativu k nově vyvíjeným protizánětlivým komponentám ústní hygieny a konvenční farmakoterapii. K využití elektrofilních sloučenin a kandidátních léčiv v oblasti stomatoonkologické doposud nebyla předložena žádná preklinická data. Trendy a poznatky popsané v tomto textu se zakládají prakticky výhradně na in vitro modelových, resp. preklinických pozorováních [17, 18, 20–22, 24, 25] a bude je nutné ověřit v klinických studiích. Výjimku představuje případová studie, kde je popsána aplikace dimethyl- a ethylfumarátu, která vedla k významnému potlačení recidivující aftózní stomatitidy [26]. V rámci preklinického výzkumu nedisponujeme znalostmi o účinku reaktivních elektrofilů a aktivátorů Nrf2 dráhy na orální mikrobiotu, což považujeme za klíčovou pre-rekvizitu, která by měla předcházet klinickým intervencím.

ZÁVĚR

Hormetické efekty a elektrofilní sloučeniny mohou sehrávat významnou roli v regulaci obranných mechanismů proti oxidačnímu stresu a zánětlivým procesům. Hormetické efekty, vyvolané subletálními nebo subtoxickými stresory, mohou aktivovat reparační mechanismy a posílit odolnost tkání proti poškození. Elektrofilní sloučeniny působí jako jeden z činitelů zasahující do homeostázy dutiny ústní, a mohou tak představovat terapeutický potenciál v zubním lékařství, konkrétně v parodontologii. Zjištění založená na in vitro a preklinických studiích však vyžadují další ověření v klinických podmínkách.

Poděkování

Autoři děkují dr. Vlastimilu Dorčákovi a doc. dr. Jiřímu Vrbovi (Ústav lékařské chemie a biochemie, Lékařská fakulta Univerzity Palackého v Olomouci) za kritické posouzení textu a diskusi. Za finanční podporu děkujeme Univerzitě Palackého v Olomouci, JG_2024_022 a IGA_LF_2023_043. Za jazykovou úpravu anglického textu patří poděkování B. J. Watson-Jonesovi, MEng.