Остеопороз — это хроническое заболевание обмена веществ, в основном связанное с недостатком эстрогена в организме после менопаузы. Исследования в стране и за рубежом подтвердили, что окислительный стресс играет важную роль в патогенезе остеопороза, и что реактивные формы кислорода, образующиеся в результате окислительного стресса, влияют на активность и функцию остеобластов и остеокластов в организме; ликопин является сильным антиоксидантом, который существует в природе и широко распространен в свежих фруктах и овощах. Предыдущие эпидемиологические исследования, клинические исследования и клеточные культуры in vitro подтвердили, что ликопин оказывает профилактическое действие на человека. Поскольку окислительный стресс играет важную роль в патогенезе остеопороза, а ликопин обладает антиоксидантными свойствами, ученые в стране и за рубежом предположили, что потребление ликопина может предотвратить возникновение остеопороза, и провели множество фундаментальных и клинических исследований на эту тему. В данной статье приводится обзор современных исследований ликопина при остеопорозе в стране и за рубежом.
Обзор остеопороза
На протяжении всей жизни костная ткань постоянно восстанавливается в результате процесса, включающего лизис старой костной ткани остеокластами и образование новой костной ткани остеобластами [1, 2], сложного процесса, в котором участвуют различные цитокины, играющие важную роль при генетической регуляции. Эти факторы включают интерлейкины, трансформирующие факторы роста, факторы некроза опухоли, колониестимулирующие факторы и другие. Через аутокринное и паракринное действие эти факторы влияют на дифференциацию, пролиферацию, созревание и активацию остеобластов и остеокластов, регулируя баланс между резорбцией и восстановлением костной ткани. Если этот баланс нарушается, возникает остеопороз, когда экспрессия генов остеокластов повышена, а экспрессия генов остеобластов недостаточна [3]. Остеопороз по-прежнему является в первую очередь метаболическим заболеванием, которое в основном характеризуется снижением массы костной ткани и деградацией микроструктуры кости, в результате чего увеличивается хрупкость кости и повышается восприимчивость к переломам [5]. Постменопаузальный остеопороз является наиболее распространенной формой первичного остеопороза и вызывается снижением уровня эстрогена в организме и повышением активности остеокластов, что приводит к потере костной массы. Однако механизм того, как дефицит эстрогена повышает активность остеокластов, не очень хорошо изучен [6]. Сообщается, что внутриклеточные реактивные формы кислорода (ROS) могут значительно повышать активность остеокластов и приводить к остеопорозу[7]. Jenny M.L et al[8] показали, что дефицит эстрогенов приводил к снижению концентрации тиоловых антиоксидантов в остеокластах, что повышало чувствительность остеокластов к сигнализации генов остеокластов и увеличивало ROS-опосредованную активность. чрезмерная выработка цитокинов (например, IL-1, TGF-a), все из которых повышают активность остеокластов и в конечном итоге приводят к развитию остеопороза.
Окислительный стресс и антиоксиданты
Окислительный стресс в организме является результатом ослабления защитной системы или чрезмерного производства реактивных видов кислорода (ROS), которые представляют собой кислородсодержащие свободные радикалы, образующиеся при аэробном метаболизме в живых организмах и состоящие в основном из супероксидных анионов (O2-), гидроксильных групп (-OH) и перекиси водорода (H2O2) [9]. В нормальных физиологических условиях реактивные виды кислорода постоянно вырабатываются и уничтожаются антиоксидантами организма, такими как супероксиддисмутаза (SOD), каталаза (CAT), глутатионпероксидаза (GSH2px) и некоторые низкомолекулярные антиоксиданты [10]. Когда этот баланс нарушается из-за старения, рака и дефицита эстрогенов, окислительный стресс, вызванный аномальным увеличением ROS, вызывает ряд окислительных повреждений организма, таких как атака на полиненасыщенные жирные кислоты, вызывающая перекисное окисление липидов и изменяющая структуру и функцию биологических мембран и рецепторов поверхности клеточных мембран; повреждение сульфгидрильных и аминогрупп белков, вызывающее денатурацию белков, сшивание и потерю активности ферментов; повреждение ДНК, приводящее к Окислительный стресс ускоряет клеточное старение и гибель путем воздействия на многие цитокины, такие как ядерный фактор (NF-κB), митоген-активированные протеинкиназы (MAPKs), P53 и фактор теплового шока (HSF) [11, 12].
Окислительный стресс, антиоксиданты и остеопороз
Реактивные формы кислорода, образующиеся в результате окислительного стресса, играют важную роль в патогенезе остеопороза. Эпидемиологические исследования [13,14,15] показали, что некоторые антиоксиданты, такие как витамины С, Е и β-каротин, снижают заболеваемость остеопорозом и риск переломов у женщин с остеопорозом. Уровень антиоксидантов был значительно ниже в сыворотке крови женщин с остеопорозом [16], а у овариэктомированных крыс наблюдалось увеличение количества реактивных форм кислорода и снижение уровня антиоксидантных ферментов, таких как супероксиддисмутаза (СОД) [17]. В исследовании на постменопаузальных крысах с моделью остеопороза Isomura H et al. показали, что окислительный стресс участвует в патологии метаболических заболеваний костей, таких как остеопороз, о чем свидетельствует снижение активности щелочной фосфатазы и снижение уровня кальцитонина лосося в крови модельных крыс[18], а в последние годы в ходе контролируемого исследования состояния окислительного стресса у 22 пациенток с остеопорозом по сравнению с нормальными женщинами той же возрастной группы, было установлено, что окислительный стресс является одним из факторов, влияющих на развитие остеопороза. Yousefzadeh G и другие [19] подтвердили, что пациенты с остеопорозом находятся в состоянии высокого окислительного стресса и что умеренные дозы антиоксидантов могут быть полезны для пациентов с остеопорозом. В исследовании взаимосвязи между BMD и кислородными радикалами и антиоксидантами у мужчин с остеопорозом Yalin S [20] обнаружил, что уровень SOD у пациентов с остеопорозом отрицательно коррелировал с BMD, что позволяет предположить, что окислительный стресс также играет важную роль в патогенезе остеопороза у мужчин. Для дальнейшего выявления связи между остеопорозом и окислительным стрессом и антиоксидантами Ozqocmen S [21] и др. провели контролируемое клиническое исследование связи между внутриэритроцитарными антиоксидантами и минеральной плотностью костной ткани и окислительно-восстановительными реакциями in vivo после приема препаратов для лечения остеопороза и показали, что активность перекиси водорода и глутатионпероксидазы была значительно снижена у женщин с остеопорозом, тогда как перекисное окисление липидов Это позволяет предположить, что развитие остеопороза связано с увеличением окислительного стресса и снижением уровня антиоксидантов, и что фармакологическое лечение остеопороза работает за счет снижения окислительно-восстановительных реакций в организме и усиления функции антиоксидантной системы. Хотя приведенные выше исследования продемонстрировали взаимосвязь между окислительным стрессом и остеопорозом, детальные механизмы действия окислительного стресса и остеопороза на клеточном и молекулярном уровнях изучены недостаточно хорошо.
Окислительный стресс, антиоксиданты и остеокласты
Многие факторы регулируют дифференцировку и пролиферацию остеокластов и их способность способствовать резорбции кости; некоторые исследователи [22] показали, что реактивные виды кислорода играют важную роль в этом процессе, причем реактивные виды кислорода, такие как перекись водорода и супероксидный анион, стимулируют фактор ядра остеокластов через внеклеточные сигнал-регулируемые киназы (ERKs) и путь сАМР-связывающего элемента белка яичной киназы (PKA-CREB). Kim H et al [23] исследовали связь между окислительно-восстановительным статусом и остеокластами и резорбцией кости in vivo, анализируя глутатион синтетазу, скорость-лимитирующий фермент синтеза глутатиона и общее содержание глутатиона и сульфгидрилов in vivo. Исследование показало, что состояние окислительного стресса в организме было повышено наряду с усилением остеокластогенеза и резорбции костной ткани. Когда уровень окислительного стресса повышался до определенного уровня, остеокластогенез и резорбция кости последовательно подавлялись. Vaaraniemi J et al [24] обнаружили, что остеокласты способствуют резорбции костного матрикса на клеточном уровне, выделяя кислоту и лизоцим в пространство резорбции между клеточной мембраной и поверхностью кости. Остеокласты способствуют резорбции кости, выделяя кислоты и лизосомальные ферменты, такие как гистон К, в пространство резорбции между клеточной мембраной и поверхностью кости. Эта функция, способствующая резорбции костей, достигается за счет выделения остеокластами реактивных форм кислорода антитартратной кислой фосфатазой (TRACP) в цитозольных везикулах, вызывая деградацию коллагена и других белков.
Антиоксиданты также тесно связаны с функцией остеокластов. Nakagawa H [25] показал, что EGCGS индуцирует гибель остеокластов в основном через гидроксильную группу в своей молекулярной структуре. Lean J et al [26] обнаружили, что экспрессия антиоксиданта тиоредоксина-1 Trx была значительно увеличена в остеобластах. Дальнейшие исследования показали, что оксидант способствует пролиферации остеокластов, стимулируя экспрессию Trx в остеокластах, что приводит к увеличению экспрессии внутриклеточных цитокинов, способствующих пролиферации клеток. Добавление антиоксидантов, таких как пероксид глутатиона, предотвращало экспрессию Trx и, следовательно, пролиферацию остеокластов. Также было показано, что добавление в среду клеточной культуры антиоксидантов, таких как каталаза [27], эстроген [28] и гомоцистеин [29], снижает продукцию реактивных форм кислорода в клетках. Была выдвинута гипотеза, что природные антиоксиданты могут также обладать способностью противодействовать выработке реактивных форм кислорода в остеокластах, тем самым подавляя остеокластическую резорбцию кости.
Окислительный стресс, антиоксиданты и остеобласты
Влияние окислительного стресса на минерализацию остеобластов исследовал Arai M [30], который добавил окислитель H2O2 в среду клеток остеобластов MC3T3-E1; они обнаружили, что уровень минерализации клеток MC3T3-E1 снизился вдвое, а экспрессия транскрипционного фактора Nrf2, регулирующего антиоксидантные ферменты, увеличилась. Они также обнаружили увеличение экспрессии генов транскрипционного фактора Nrf2, который регулирует антиоксидантные ферменты, и обнаружили, что экспрессия маркеров костного происхождения Runx2, ALP и BSP была значительно ниже, чем в группе клеток, не обработанных H2O2. Это позволяет предположить, что окислительный стресс ингибирует минерализацию остеобластов через регуляцию генов регуляции антиоксидантных ферментов. Влияние окислительного стресса на остеобласты было также исследовано на молекулярном уровне Chan WH et al[31], которые обнаружили, что антиоксиданты влияют на производство реактивных форм кислорода и внутриклеточный уровень АТФ в остеобластах, что приводит к лизису ядер и гибели клеток. Они обработали клетки остеосаркомы ROS17/2.8 фактором некроза опухоли а (TNF-а) (10ng/ml) и обнаружили, что внутриклеточная мРНК для костного слюнного белка (BSP), который играет важную роль в минерализации костей, значительно снизилась через 24 часа, в то время как предварительная обработка антиоксидантом N-ацетил-цистеином (20Mm) с последующим добавлением TNF-а через 30 минут привела к снижению уровня мРНК. Содержание мРНК внутриклеточного BSP не было значительно снижено, что позволяет предположить, что многие вещества влияют на функцию остеобластов через внутриклеточный окислительный стресс.Nam SH[33] и др. обнаружили, что H2O2 регулирует внутриклеточную Ca2+ активность в остеобластах путем увеличения высвобождения Ca2+ из внутриклеточного Ca2+ пула, что в конечном итоге приводит к гибели остеобластов.Vali B[34] и др. исследовали Vali B [34] исследовал влияние эпигаллокатехин галлата (EGCG), антиоксиданта, на остеобласты и обнаружил, что он предотвращает производство реактивных видов кислорода в остеобластах и стимулирует дифференциацию остеобластов, способствуя образованию минерализованных узлов. Из вышесказанного следует, что окислительный стресс и антиоксиданты влияют на пролиферацию и дифференцировку остеобластов через различные пути, в конечном итоге влияя на формирование и минерализацию прядей.
Ликопин и окислительный стресс
Ликопин — это мощный антиоксидант, встречающийся в природе и не синтезируемый в организме человека. Ликопин поступает в организм в основном из свежих овощей и фруктов, больше всего его содержится в помидорах, затем в арбузах и фиолетовом винограде. Поглощение ликопина более благоприятно в термически обработанных томатах, чем в необработанных, так как нагретый ликопин преобразуется из своей первоначальной полностью транс-структуры в цис-изомер [35]. Среднесуточное потребление ликопина из пищи варьируется среди людей в разных странах и регионах и составляет в среднем 8,2 мг/день. Одно исследование показало, что ежедневный прием 7 мг ликопина в течение 14 дней снижает окислительное повреждение ДНК в лимфоцитах периферической крови [36]. Другое исследование показало, что ежедневное потребление от 30 мг до 75 мг ликопина было безопасным и полезным без побочных эффектов, и что более высокие уровни, чем 75 мг в день, не оказывали значительного влияния на уровень ликопина в крови [37].
Ликопин является каротиноидом, поскольку его химическая структура содержит 13 двойных связей, 11 из которых сопряжены, что определяет его сильные антиоксидантные свойства. Ликопин в два раза более восстановительный, чем β-каротин, и в 10 раз более восстановительный, чем витамин Е [38]. Эта мощная восстановительная функция позволяет ему играть важную роль в профилактике хронических заболеваний человека. Начиная с первых эпидемиологических исследований, показавших, что потребление ликопина снижает заболеваемость раком простаты [36], позже исследователи постепенно обнаружили в ходе эпидемиологических исследований и испытаний in vitro, что потребление ликопина предотвращает не только рак, но и ишемическую болезнь сердца, гипертонию, диабет, метаплазию, женское бесплодие и нейродегенеративные заболевания [39]. Все эти эффекты связаны с антиоксидантной функцией самого ликопина, включая защиту протоплазматических липопротеинов, ДНК лимфоцитов и сывороточных белков от окислительного повреждения [40]. Основываясь на этом антиоксидантном принципе, исследователи обнаружили, что ликопин также играет важную роль в профилактике и лечении остеопороза.
Ликопин и остеокласты
Исследований, связанных с ликопином и остеокластами, относительно мало. RAO и другие [41] показали, что остеокласты были выделены из костного мозга бедренной кости крысы и культивированы, а затем ликопин и тиреоидный гормон были добавлены в культуральную среду вместе или отдельно в различных концентрациях. Это ингибирование было связано с ингибированием системы оксидазы TRACP в остеобластах и, таким образом, синтеза и секреции внутриклеточных ROS. Мы инкубировали остеобласты с различными концентрациями ликопина и обнаружили, что различные концентрации ликопина (от 10-7 до 10-5) оказывают влияние на остеобласты (статья будет опубликована).
Ликопин и остеобласты
Kim et al [42] первыми добавили ликопин в среду остеобластов SaOS-2 и со временем количество клеток SaOS-2 в среде увеличилось, из чего они сделали вывод, что ликопин стимулирует пролиферацию клеток остеобластов SaOS-2 в зависимости от времени, и их результаты показали, что ликопин влияет на пролиферацию более зрелых остеобластов щелочной фосфатазы ( Ликопин также оказывал стимулирующее действие на активность щелочной фосфатазы (маркер дифференцировки остеобластов) в более зрелых остеобластах, но не в молодых остеобластах. Наше исследование также подтвердило, что ликопин в различных концентрациях способствовал пролиферации остеобластов, экспрессии щелочной фосфатазы и минерализации костей. Точный механизм действия ликопина на остеобласты на молекулярном уровне не очень хорошо изучен и требует более глубокого исследования.
Ликопин и постменопаузальный остеопороз
Клинические исследования ликопина и остеопороза представлены относительно слабо, однако эпидемиологические данные свидетельствуют о том, что потребление свежих фруктов и овощей, богатых ликопином, значительно снижает риск развития остеопороза [44]. Недавно Rao L.G [45] и др. провели 7-дневное клиническое исследование продуктов, содержащих ликопин, у 13 постменопаузальных женщин в возрасте 50-60 лет и измерили корреляцию между уровнем ликопина в сыворотке крови, перекисным окислением липидов, содержанием сульфгидрилов в белке, аминоконцевым пептидом I-коллагена (NTX, резорбция костной ткани) и щелочной фосфатазой (образование костной ткани). По мере увеличения ликопина в сыворотке крови, окисление белков (сульфгидрильные группы белков) значительно снизилось, наряду со значительным снижением уровня NTX в крови. Это говорит о том, что ликопин может снижать окислительный стресс в организме, тем самым предотвращая развитие остеопороза.
В заключение следует отметить, что ликопин может вмешиваться в патологический процесс развития остеопороза, влияя на функцию остеобластов и остеокластов посредством своей антиоксидантной функции, тем самым предотвращая и замедляя развитие остеопороза. Однако доказательств этому не так много, например, прямой механизм действия антиоксидантной функции ликопина недостаточно хорошо изучен, а также не хватает подтвержденных исследований на животных и крупных клинических исследований влияния ликопина на остеопороз. В настоящее время мы проводим исследования ликопина и остеопороза на животных и надеемся, что в ближайшем будущем диетическая терапия ликопином может быть использована как альтернатива лекарствам для лечения остеопороза или как эффективное дополнение к лекарствам для лечения остеопороза.