ВЛИЯНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА НА УРОВЕНЬ ЦИТОКИНОВ В КУЛЬТУРЕ КЛЕТОК

Aль-Акрас Рашад Кадим Махмуд

Магистрант кафедры  Генетики, Биологический факультет, ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЛЬНЫЙ УНИВЕРСЕТЕТ, г. Ростов на дону

ВЛИЯНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА НА УРОВЕНЬ ЦИТОКИНОВ В КУЛЬТУРЕ КЛЕТОК

Аннотация

Влияние окислительного стресса на организм человека и отдельные клетки является одной из актуальнейших проблем современной медицинской науки, так как это явление связывают с развитием многих патологических процессов. Одним из возможных диагностических критериев окислительного стресса в организме может быть уровень и соотношение различных цитокинов в сыворотке крови пациента. Однако механизмы изменения количества цитокинов до конца не выявлены. Поэтому целью нашего литературного обзора встал вопрос о влиянии окислительного стресса на уровень цитокинов в культуре клеток лимфоцитов человека. Для выполнения этой цели, мы поставили следующие задачи: изучение влияния окислительного стресса на уровень цитокинов в плазме крови в условиях целого организма и исследование влияния окислительного стресса на уровень цитокинов в культуре клеток лимфоцитов человека, а так же выяснить возможные причины изменения уровня цитокинов под воздействием окислительного стресса.

Ключевые слова: окислительный стресс, цитокины, культура клеток, лимфоциты, oxidativestress, cytokines, cell culture, lymphocytes.

Al-Akhras Rashad Kadhim Mahmood

University of kufa, Master degree Genetics Department, Biological College, Southern Federal University, Rostov on don

INFLUENCE OF OXIDATIVE STRESS ON CYTOKINE LEVELS IN CELL CULTURE

Abstract

Effect of oxidative stress on the human body and the individual cells is one of the most urgent problems of modern medical science , as this phenomenon is associated with the development of many pathological processes . One possible diagnostic criteria of oxidative stress in the body may be the level and balance of various cytokines in the patient's serum . However, changes in the number of cytokine mechanisms are not fully identified. Therefore, the purpose of our literature review was a question about the impact of oxidative stress on the levels of cytokines in cell cultures of human lymphocytes . To accomplish this goal , we have set the following objectives: to study the influence of oxidative stress on the cytokine levels in the blood plasma in the conditions of the whole organism and the study of the effect of oxidative stress on the level of cytokines in cell cultures of human lymphocytes , as well as to find out the possible causes of changes in the level of cytokines under the influence of oxidative stress.

Keywords: oxidative stress , cytokines , cell culture , lymphocytes , oxidativestress, cytokines, cell culture, lymphocytes.

Окислительный стресс – это состояние, возникающее при чрезмерномнакоплении активных форм кислорода, пероксидов и их вторичных продуктов обмена (1).Избыточное количество свободных радикалов может возникать либо от чрезмерного стимулирования NAD (P) H оксидазы или менее регулируемых источников, таких как митохондриальная электронно- транспортной цепь. В митохондриях , АФК генерируются как нежелательные побочные продукты окислительной энергетического обмена . Чрезмерная продукции АФК участвует в патогенезе рака , сахарного диабета , атеросклероза, нейродегенеративных заболеваний , ревматоидного артрита, ишемии, ночного апноэ и других заболеваний . Кроме того , свободные радикалы участвуют в механизме старения. (2) Окислительный стресс приводит к повреждению наиболее важных полимеров – нуклеиновых кислот, белков, липидов. Повреждение нуклеиновых кислот вызывает мутации, которые могут привести к патологии и гибели клеток или их злокачественному перерождению. Повреждение белков и липидов может нарушить функционирование клеток и целого организма, привести к смерти или наследуемой патологии. Однако действие активных форм кислорода напрямую связано с работой иммунной системы, они ипользуются макрофагами для повреждения инородных объектов, стимулируют накопление в клетках циклонуклеотидов: цАМФ и цГМФ, вызывают наколение ионов кальция в цитозоле и стимулируют фосфорилирование белков в результате активации протеинкиназ, что указывает на регуляторную функцию активных форм кислорода. (3)

На сегодняшний день, благодаря большому количеству исследований имеется представление о сети цитокинов, в качестве универсального механизма регулирования, который включает в себя посредников, контролирующие основные процессы клеточного гомеостаза в многоклеточного организма (4).

Связь между провоспалительнымицитокинами и окислительным стрессом проявляется в развитии воспалительного ответа. Pro-воспалительные цитокины и оксидативный стресс имеют общие  пути передачи сигналов, которые приводят к усилению воспалительного каскада, в основном, через активацию митоген-активированной протеинкиназы (МАРК) и ядерного фактора kappaB (NF-kappaB). Кроме того, провоспалительные цитокины, в частности ФНО-альфа, и окислительный стресс содействовуют друг другу в генерации порочного круга в остром воспалении. Это перекрестное действие, которое возникает между провоспалительными цитокинами и окислительным стрессом в значительной степени способствует усилению неконтролируемого воспалительного каскада. (5)

Исследования на животных показали, что при введении малоновогодиальдегида (прооксидантного вещества) дозозависимо повышалось количество интерлейкина-1 (ИЛ-1), фактора некроза опухоли α (ФНО-α) и трансформирующего фактор роста β (TGF-β). При введение животным аскорбиновой кислоты (известного антиоксиданта) наблюдалось снижение количества цитокинов в сыворотке крови . этот факт свидетельствует, о том что окислительный стресс и сверхпродукция цитокинов взаимосвязаны. (6)

Так же была обнаружена и обратная взаимовязь окислительного стресса и синтерзасигнальных цитокинов (IL-1 α, ИЛ-1 β, IL-6, и CXCL10). Так блокировка сигнального пути интерлейкина – 1 приводила к снижению уровня окислительного стресса и других провоспалительных цитокинов. То есть существует порочный круг, в котором окислительный стресс вызывает повышение количества провоспалительных цитокинов, а они в свою очередь усугубляют окислительный стресс. (7)Существуют различные примеры влияния факторов роста, цитокинов или других лигандов, на выработку АФК. Молекулярные детали повышения окислительного стресса не совсем ясны (8). Однако активность фермента, синтезирующего оксид азота II (NO-синтаза) напрямую зависит от количества цитокинов в крови, индукцию NO-синтазы (одного из элементов антиоксидантной системы) вызываюет например фактор некроза опухоли. (2) То есть в организме в ответ на окислительный стресс сначала выделяется большое количество цитокинов, которые вызывают активацию антиоксидантной системы, в результате окислительный стресс снижается.

Литературные данные о влиянии окислительного стресса на клеточные культуры Т-лимфоцитов различные.

Так например, на клетках человеческих лимфоцитов было показано, что различные виды окислительного стресса влияют на продукцию интерлейкина -2. Лимфоциты человека коротко обрабатывали пероксидом водорода (для моделирования острого окислительного стресса), преинкубировали с моноаминооксидазой в течении двух дней, а так же подвергали радиационному облучению (для образования собственных внутриклеточных свободных радикалов  радикалов). В результате было показано, что в результате как острого, так и хронического окислительного стресса, активированныелимфоциты, замедляли активно синтезировать интерлейкин-2. Супрессия синтеза интерлейкина-2 зависил от силы окислительного стресса, при наиболее высоких нагрузках на клетку, синтез интерлейкина-2 максимально снижался, вследствие нарушений в белок-синтезирующем аппарате клетки.(9)

На культивируемых активированных человеческих лимфоцитах было показано, что окислительный стресс значительно снижает способность Т-лимфоцитов реагировать, на сигналы от макрофагов. То есть клетки культуры Т-лимфоцитов, которые подвергались окислительному стрессу, при взаимодействии с активированными макрофагами показывали меньший иммунный отклик, чем контрольные клетки, которые не подвергались окислительному стрессу. В клетках подвергшихся окислительному стрессу проявлялось снижение синтеза мРНКколоние-стимулирующего фактора и снижалась антиген-презентируюзая функция. (10)

Так же на культуре клеток человеческих лимфоцитов было показано, что нейтрофилы подвергшиеся окислительному стрессу, вызывают гипореактивность Т-лифоцитов. При этом было показано, что активные формы кислорода действуя непосредственно на Т-лимфоциты вызывают гибель клеток посредством апоптоза. В то время как совместное культивирование нейтрофилов подвергшихся окислительному стрессу и Т-лимфоцитов, не приводит к гибели Т-лимфоцитов, а только вызывает состояние гипореактивности. В ходе исследований было показано, что механизм гипореактивности Т-лимфоцитов после окислительного стресса кроется в нарушении мобилизации ионов кальция, а так же сниженной активации каспазы-3. Оба эти процесса необходимы для правильной реакции Т-лимфоцита на различные цитокины. (11)

Еще одно исследование на культуре клеток Т-лимфоцитов показало, что индуцированный перекисью водорода окислительный стресс вызывало двукратное снижение количества лимфоцитов, секретирующих Th1 цитокины IFN-гамма и IL-2, а также хемокин IL-8 и TNF альфа цитокинов. Тем не менее, количество клеток, секретирующих TH2 цитокины IL-4 и IL-5 в группе, получавшей пероксид водорода, не изменилась. Данные показывают, что окислительный стресс может повлиять на баланс TH1-TH2 секреции цитокинов, который, в свою очередь, может лежать в основе различных патологических состояний. За счет изменения количества клеток, секретирующих IFN-гамма, IL-2, IL-4, IL-5, IL-8 и ФНО-альфа изменяется и количество продуцируемых цитокинов. (12)

С другой стороны имеются сведения о том, что транскрипция интерлейкина-2 сильно увеличена в Т-клетоках под воздействием 50 мкМ перекиси водорода в комбинации с анти-CD28 лигандами, но этого явления не происходит без данных антител. Это указывает на то что окислительно-восстановительный эффект может усилить стимулирующее действие сигнала от рецептора антигена, но не может заменить сигнал с костимулирующего рецептора CD28. Таким образом перекись водорода в воспалительной среде, уменьшает инициирующие пороги рецептор-зависимых каскадов сигнала.  (13).

Резюмируя все выше сказанное, можно сказать, что изучение влияния окислительного стресса на количество цитокинов в культурах клеток интересно и актуально по нескольким причинам. Во-первыхвлияние окислительного стресса на жизнедеятельность организма в целом крайне велико и молекулярные процессы этого влияния так до конца не изучены. Во вторых уровень цитокинов может быть диагностическим критерием степени окислительного стресса которому подвергаются клетки и организм в целом. Ну и в третьих существует большое количество исследований, посвященных влиянию окислительного стресса на уровень цитокинов, однако однозначного ответа на этот вопрос нет, одни исследования говорят о увеличении продукции цитокинов, тогда как другие говорят об ее снижении.

Благодарность:

В завершении статьи, хочу выразить благодарность министру высшего образования и науки Ирака за все поощрения и поддержку во время степендиальной программы в России.

Acknowledgement:

At the end of the article, I want to thank the Ministry of Higher Education and Scientific Research in Iraq for all the encouragement and support during scholarship program in Russia.

Литература

1. Кулинский В.И., Колесниченко Л.С. //Успехи соврем. Биологии 1990. Т110, вып 1 (4). С20-33
2. WulfDröge//FreeRadicals in the Physiological Control of Cell Function. Physiological ReviewsPublished 1 January 2002Vol. 82no. 47-95DOI: 10.1152/physrev.00018.2001
3. J., FormanH.J., SevanianA.//Free Radical Biol. Med.1996. Vol. 22, №1/2, Р. 269-285
4. SennikovSV, Injelevskaya TV, Krysov SV, Silkov AN, Kovinev IB, Dyachkova NJ, Zenkov AN, Loseva MI, Kozlov VA.//Production of hemo- and immunoregulatory cytokines by erythroblast antigen+ and glycophorin A+ cells from human bone marrow.  BMC Cell Biol. 2004 Oct 18;5(1):39.
5. Pereda J1, Sabater L, Aparisi L, Escobar J, Sandoval J, Viña J, López-Rodas G, Sastre J// Interaction between cytokines and oxidative stress in acute pancreatitis. Curr Med Chem. 2006;13(23):2775-87.
6. Chang-Yu Chena, Yeou-LihHuangb, Te-HsienLinb//Association Between Oxidative Stress and Cytokine Production in Nickel-Treated Rats. Archives of Biochemistry and Biophysics.Volume 356, Issue 2, 15 August 1998, P.127–132
7. Ibrahim HM1, El-Elaimy IA, SaadEldien HM, Badr BM, Rabah DM, Badr G.//Blocking type I interferon signaling rescues lymphocytes from oxidative stress, exhaustion, and apoptosis in a streptozotocin-induced mouse model of type I diabetes. Oxid Med Cell Longev. 2013;2013:148725. doi: 10.1155/2013/148725. Epub 2013 Mar 7.
8. Bae YS, Kang SW, Seo MS, Baines IC, Tekle E, Chock PB, Rhee SG// Epidermal growth factor (EGF)-induced generation of hydrogen peroxide. (1997) J BiolChem 272:217–221.
9. Flescher, H.Tripoli, K Salnikow, F.J. Burns//Oxidative stress suppress transcription factor activities in stimulated lymphocytes. Clin. Exp. Immunol 1998; 112:242-247
10. Marina D. Kraaija, Nigel D. L. Savageb, Sandra W. van der Kooija, Karin Koekkoeka, Jun Wangc, J. Merlijn van den Bergd, Tom H. M. Ottenhoffb, Taco W, Kuijpersd, RikardHolmdahle, Cees van Kootena,1, and Kyra A. Geldermana// Induction of regulatory T cells by macrophages is dependent on production of reactive oxygen species. PNAS | October 12, 2010 | vol. 107 | no. 41 | 17689
11. SasoCemerski, Alain Cantagrel, Joost P. M. van Meerwijk, Paola Romagnoli//Reactive Oxygen Species Differentially Affect T Cell Receptor-signaling Pathways. The Journal of Biological Chemistry, May 31, 2002 277, 19585-19593.
12. Hehner SP, Breitkreutz R, Shubinsky G, Unsoeld H, Schulze-Osthoff K, Schmitz ML, Dröge W// Enhancement of T cell receptor signaling by a mild oxidative shift in the intracellular thiol pool. JImmunol1(2000)65:4319–4328
13. Jodi Hagen, Jeffrey P. Houchins, Alexander E. Kalyuzhny// ELISpot Assay as a Tool to Study Oxidative Stress in Peripheral Blood Mononuclear Cells. Methods in Molecular Biology Volume 682, 2011, pp 207-215