Implicazione dei composti bioattivi chelanti il ​​ferro dietetici nei meccanismi molecolari dell'invecchiamento cellulare indotto da stress ossidativo Parte 2

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3.2. Senescenza cellulare

La senescenza cellulare è uno degli indicatori comuni dell'invecchiamento dell'organismo. La caratteristica più importante di questo fondamentale processo cellulare è l'arresto permanente del ciclo cellulare, che è accompagnato dall'accumulo intracellulare di macromolecole danneggiate, nonché da un fenotipo secretorio e da un metabolismo alterato [55,56]. Nelle cellule dei mammiferi sono stati riconosciuti due tipi di senescenza cellulare; questi sono indicati come "senescenza replicativa" e "senescenza cellulare indotta da stress"[56]. Il primo normalmente si verifica dopo un certo numero di divisioni in diversi tipi di cellule. È stato descritto diversi decenni fa in fibroblasti umani in coltura [57]. Questo fenomeno è stato successivamente attribuito all'attrito dei telomeri, il graduale accorciamento delle estremità lineari dei cromosomi ad ogni replicazione del DNA [58]. D'altra parte, la senescenza cellulare indotta dallo stress è ampiamente indipendente dalla lunghezza dei telomeri e rappresenta una risposta acuta a numerosi fattori di stress tra cui stress ossidativo, stress genotossico, deterioramento mitocondriale, ipossia, deprivazione di nutrienti e attivazione aberrante degli oncogeni |56,{ {8}}. È interessante notare che lo stress ossidativo è un denominatore comune per tutti questi casi perché potrebbe essere coinvolto in tutti i segnali di stress sopra menzionati [62-65].

La senescenza cellulare è indubbiamente legata all'invecchiamento dell'organismo [55,56].benefici del cynomorium,Tuttavia, le cellule senescenti non vengono rilevate esclusivamente nei tessuti che invecchiano; possono essere rilevati in qualsiasi fase della vita e possono svolgere ruoli benefici in un ampio spettro di processi fisiologici e patologici umani tra cui l'embriogenesi, la guarigione delle ferite e la soppressione del tumore [56,61]. Tuttavia, il costante accumulo di cellule senescenti con l'età ha effetti dannosi ed è stato collegato a malattie e morbilità legate all'invecchiamento [56,59,{5}}].

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Per quanto riguarda la loro morfologia, le cellule senescenti mostrano segni comuni tra cui corpi cellulari ingrossati, appiattiti e di forma irregolare; una composizione alterata della membrana plasmatica; una perdita di condensazione nucleare; e un aumento del contenuto lisosomiale di beta-galattosidasi associata alla senescenza (SA- -gal)J70,71]. Manifestano anche drammatiche alterazioni nel loro profilo secretorio, esibendo un'aumentata espressione e secrezione di citochine e chemochine pro-infiammatorie, fattori di crescita, componenti della matrice extracellulare (metalloproteinasi di matrice, serina proteasi) e ROS [59]. Tutti questi cambiamenti sono anche accompagnati dal progressivo accumulo intracellulare di un "materiale di scarto" biologico non degradabile che viene convenzionalmente chiamato "lipofuscina" o "ceroide" o anche "pigmento dell'età"[72-74].

Le sezioni successive descrivono gli aspetti meccanicistici della formazione della lipofuscina e propongono possibili mezzi per ostacolarne o prevenirne l'accumulo.

3.3. Formazione e accumulo di lipofuscina in cellule senescenti

Il pigmento oggi noto come "lipofuscina" fu scoperto e segnalato nel 1842 dall'istologo olandese Hannover [75]. Il termine lipofuscina fu inizialmente usato da Borst nelle sue lezioni, ma fu pubblicato per la prima volta da Hueck nel 1912 [76,77]. Il nome deriva dal greco lipo (che significa grasso) e dal latino fuscus (che significa scuro o scuro). La formazione e l'accumulo di lipofuscina sono cambiamenti caratteristici con manifestazione universale nelle cellule senescenti[78-80] e sono più profondi nelle cellule postmitotiche a vita lunga, come neuroni, cardiomiociti, cellule muscolari scheletriche e cellule dell'epitelio pigmentato retinico (RPE). 74,81]. Queste cellule continuano a vivere normalmente per lungo tempo dopo la cessazione della loro proliferazione, ma accumulano quantità gradualmente crescenti di lipofuscina che non possono essere degradate o esocitate.

Cistanche può antietà

Utilizzando varie tecniche per rilevare le cellule senescenti, è stato osservato che il tasso di accumulo di lipofuscina in tipi simili di cellule postmitotiche di organismi diversi è inversamente correlato alla loro durata di vita [82]. In particolare, il tasso era rapido nelle specie a vita breve e lento in quelle a vita lunga, indicando che l'accumulo di lipofuscina molto probabilmente ha effetti dannosi sulle funzioni cellulari ed è collegato all'accorciamento della durata della vita di un organismo [80,83,84] . Nonostante l'importanza significativa di questa correlazione, gli esatti meccanismi biochimici alla base dell'accumulo di lipofuscina, così come le sue ripercussioni sulle funzioni cellulari, rimangono poco conosciuti.

La lipofuscina è stata trovata principalmente all'interno dei lisosomi ma anche in quantità minori nel citosol delle cellule invecchiate [85,86]. Presenta un ampio spettro di autofluorescenza con un colore giallo-brunastro [80,87], ma la sua struttura e composizione rimangono scarsamente definite. Sebbene la sua composizione vari nei diversi tipi cellulari, è stato dimostrato che è composta principalmente da proteine ​​e lipidi ossidati (come trigliceridi, acidi grassi liberi, colesterolo e lipoproteine) e un piccolo numero di carboidrati e frammenti nucleotidici collegati tra loro da legami covalenti di vario tipo [84].giacinto del desertoL'attaccamento del ferro sulla sua superficie rappresenta anche una caratteristica comune della lipofuscina [88,89].

Sebbene gli effetti finali dell'accumulo di lipofuscina sulle funzioni cellulari rimangano poco chiari, è stato dimostrato che può inibire le attività dei sistemi di degradazione delle proteine ​​​​proteasomiali e lisosomiali. Inoltre, ci sono prove sperimentali che dimostrano che può catalizzare l'ulteriore formazione di radicali liberi reattivi attraverso ioni ferro redox-attivi (ferro labile) attaccati alla sua superficie [89].

3.4.Lipofuscina come materiale sovra-ossidato nelle cellule esposte a stress ossidativo

Poiché la lipofuscina comprende un aggregato altamente ossidato composto principalmente da proteine ​​e lipidi reticolati in modo covalente |90], è ragionevole postulare che il ferro labile, in grado di catalizzare la generazione di radicali liberi estremamente reattivi, sia coinvolto nelle vie della sua formazione [91]. L'evidenza derivata principalmente da sistemi sperimentali ha dimostrato che l'esposizione delle cellule a livelli aumentati di stress ossidativo porta invariabilmente allo sviluppo di un forte fenotipo senescente attraverso diversi tipi cellulari, con l'accelerazione parallela della formazione intracellulare e l'accumulo di materiali simili alla lipofuscina [87,89,92,93]. Le fasi successive distinte che portano alla formazione della lipofuscina sono illustrate nella Figura 2.

Come discusso in precedenza, la presenza di ferro labile è necessaria per la generazione di ROS altamente reattivi (grado HO e RO*), che sono responsabili dell'ossidazione e dell'eccessiva ossidazione delle macromolecole cellulari (Figura 2A, B). Inoltre, le macromolecole modificate ossidativamente possono inibire la degradazione delle proteine ​​e i sistemi di riparazione cellulare, facilitando così cicli inutili di aumento dei tassi di ossidazione (Figura 2C). Il graduale accumulo di componenti cellulari sovra-ossidati e non degradabili nelle cellule porta alla formazione di lipofuscina (Figura 2D), che si propone di contribuire al processo di invecchiamento cellulare (Figura 2E).

Figura 2. Rappresentazione schematica dei passaggi sequenziali che portano alla formazione di lipofuscina e contribuiscono all'invecchiamento cellulare. Si noti che Fe2 plus è necessario per la generazione di ROS altamente reattivi (HO e RO), che sono responsabili dell'ossidazione e dell'eccessiva ossidazione delle macromolecole cellulari (A, B). Macromolecole sovra-ossidate possono inibire i sistemi di riparazione cellulare (in particolare il proteasoma 20S), facilitando così cicli inutili di tassi di ossidazione progressivamente crescenti (C). I componenti cellulari ossidativamente modificati e non degradabili vengono gradualmente accumulati nelle cellule come aggregati covalenti interconnessi sotto forma di lipofuscina (D), un fatto che si propone di influenzare il processo di invecchiamento cellulare (E). Le punte delle frecce e le punte piatte indicano rispettivamente l'induzione e l'inibizione dei processi.metodo di estrazione dei flavonoidi pdfÈ interessante notare che Marzabadi et al.[94] osservato che l'accumulo di lipofuscina è stato prevenuto nelle cellule impoverite di ferro mediante l'uso del farmaco chelante il ferro desferrioxamina, indicando che la formazione di lipofuscina richiede radicali liberi altamente reattivi come il grado HO e il grado RO (Figura 2). Ovviamente, questi radicali reattivi possono avviare reazioni a catena che portano a prodotti di degradazione della perossidazione lipidica, che provocano la formazione della reticolazione non degradabile e non specifica dei componenti cellulari.

Presi insieme, i risultati di cui sopra indicano che l'equilibrio sensibile tra il livello di perossido intracellulare e il ferro labile disponibile determina l'innesco di una varietà di effetti tossici che culminano con l'accumulo di lipofuscina, nonché l'induzione della senescenza cellulare e la morte cellulare per apoptosi o necrosi [29,95].

L'induzione della senescenza cellulare da parte dei perossidi può essere ottenuta anche attraverso diversi percorsi. Ad esempio, i tassi intermedi di cellule H, O, possono indurre direttamente l'attivazione di MAP chinasi specifiche e la trasduzione di segnali di senescenza, che innescano l'attivazione dell'asse p16INK4aINK4A e provocano l'induzione della senescenza cellulare [64,65,92 ,96]. D'altra parte, concentrazioni più elevate di HO, come nel caso delle aree fortemente infiammate che attirano i fagociti attivati, possono indurre un'ossidazione diretta catalizzata dal ferro sul DNA che successivamente innescano vie di segnalazione della senescenza. In entrambi i casi, la formazione parallela e l'accumulo di macromolecole cellulari modificate ossidativamente rappresentano evidenti conseguenze. Va notato, tuttavia, che la questione se l'accumulo di lipofuscina rappresenti un fattore causale per la senescenza cellulare o ne sia una conseguenza rimane una questione centrale ma non conclusa.

3.5. Omeostasi intracellulare del ferro e formazione di lipofuscina

Come discusso in precedenza, il ferro è un elemento essenziale per le cellule e gli organismi viventi perché partecipa a diverse reazioni biochimiche che supportano funzioni di base come il trasporto di ossigeno, la respirazione cellulare e la sintesi e la riparazione del DNA. Tuttavia, il ferro può anche essere coinvolto in reazioni che portano alla generazione di radicali liberi dannosi, noti come reazioni di tipo Fenton. Per ridurre al minimo la tossicità del ferro, i mammiferi hanno sviluppato meccanismi sofisticati che ne regolano la disponibilità35,37I. Nonostante ciò, è sempre presente una piccola e finemente regolata porzione di ferro redox-attivo solitamente indicato come "ferro labile", che presumibilmente rappresenta l'effettivo movimento del ferro tra i diversi compartimenti cellulari [6,38]. Pertanto, il ferro labile rappresenta un parametro cellulare dinamico in grado di rispondere a una varietà di stimoli modificandone il livello, con l'obiettivo di bilanciare la prevenzione del danno cellulare e la domanda cellulare di garanzia.

In condizioni di concentrazioni temporaneamente elevate di perossidi (chiamate convenzionalmente stress ossidativo), il ferro labile può mediare i seguenti eventi: (a) l'inizio e la propagazione di reazioni a catena di perossidazione lipidica, (b) l'ossidazione e la reticolazione delle proteine, (c) il induzione di danni al DNA come rotture a singolo e doppio filamento e (d) l'attivazione di una varietà di complesse vie di segnalazione redox[10,29,43]. Tutti questi effetti catalizzati dal ferro possono portare a una senescenza cellulare accompagnata dalla formazione e dall'accumulo di lipofuscina.

Vale la pena sottolineare qui che abbiamo già dimostrato in una serie di pubblicazioni la prevenzione del danno al DNA indotto da H2O2- e dell'apoptosi in cellule con livelli ridotti di ferro labile utilizzando una varietà di agenti chelanti del ferro [11] ,29,42,43,97]. In queste indagini, abbiamo utilizzato un sistema sperimentale basato su colture cellulari in vitro in cui diversi tipi di cellule umane sono stati esposti a stress ossidativo sotto forma di H e O e il danno nel DNA nucleare è stato stimato quantitativamente utilizzando il test della cometa, un metodo sensibile che rileva la formazione di rotture a filamento singolo del DNA nelle singole cellule. È interessante notare che la pre-incubazione di cellule con una serie di noti potenti antiossidanti come acido ascorbico, o-tocoferolo, Trolox, N-acetilcisteina e acido o-lipoico prima dell'esposizione a H, O, non offriva alcuna protezione [7 ]. Poiché la capacità di questi agenti di combattere i radicali liberi è stata stabilita in numerosi studi in vitro, i suddetti risultati negativi sono stati attribuiti all'incapacità di questi agenti di eliminare efficacemente i radicali liberi reattivi generati all'interno delle cellule.

Un parametro importante della reticolazione catalizzata dal ferro può essere la facilitazione del legame covalente dei componenti cellulari solubili ossidati alle membrane biologiche. Un tale evento dovrebbe ostacolare l'esocitosi dei materiali attaccati alla membrana, portando al suo accumulo intracellulare permanente. È ragionevole ipotizzare che le membrane lisosomiali dovrebbero essere obiettivi primari in questo caso a causa della loro vicinanza al luogo di formazione della lipofuscina. Infatti, la lipofuscina è stata spesso rilevata all'interno di cellule abbracciate da segmenti di membrana lisosomiale [98].

Data l'importanza del ferro labile disponibile per la formazione e l'accumulo di lipofuscina, la regolazione della sua omeostasi intracellulare sembra essere della massima importanza per quanto riguarda il processo di invecchiamento. L'apprezzamento della disponibilità di ferro labile come fattore chiave che determina l'ossidazione e l'eccessiva ossidazione dei componenti cellulari e l'accumulo di lipofuscina nelle cellule può aprire la strada allo sviluppo di nuove strategie, volte a interferire e modulare l'orologio biologico del processo d'invecchiamento.

3.6. Inattivazione dei sistemi di riparazione da parte di componenti cellulari sovraossidati

Le strategie cellulari per la riparazione di diversi componenti cellulari ossidati variano ampiamente, a seconda della natura dei componenti particolari. Ad esempio, i nucleotidi del DNA ossidato vengono rimossi e sostituiti da quelli normali attraverso un processo chiamato "riparazione per escissione del nucleotide, mentre le proteine ​​ossidate vengono degradate a singoli amminoacidi che possono quindi essere riutilizzati per la nuova sintesi proteica.

Esistono diversi sistemi di degradazione delle proteine: nelle cellule sono presenti enzimi lisosomiali; nel citosol sono presenti proteasomi e calpaine; nella matrice mitocondriale sono presenti le proteasi Lon (proteasi ATP-dipendenti); e nella membrana mitocondriale sono presenti le proteasi tripla A [78,{3}}]. Inoltre, oltre alle proteine ​​modificate ossidativamente, i lisosomi possono anche assorbire e degradare organelli anche gravemente danneggiati come i mitocondri o parte del citoplasma in processi chiamati autofagia mediata da chaperon, macro-autofagia e micro-autofagia [82,101].

Nonostante il fatto che la maggior parte delle biomolecole e degli organelli modificati ossidativamente possano essere riparati o degradati in modo efficiente dalle cellule, è stato osservato che alcuni di essi si accumulano con l'età, suggerendo l'inadeguatezza intrinseca dei meccanismi di turnover cellulare.flavonoidiÈ stato dimostrato che i componenti cellulari già ossidati possono subire ulteriori modificazioni ossidative, portando alla formazione di prodotti che i sistemi di degradazione cellulare non sono in grado di affrontare [34,84]. L'accumulo di tali conglomerati non degradabili può, a sua volta, ostacolare la funzionalità dei sistemi di degrado, aggravandone gli effetti e portando ad un circolo vizioso, come schematicamente illustrato nella Figura 2.

In caso di condizioni di stress ossidativo aumentato e di lunga durata, la capacità di riparazione delle cellule in generale e la capacità di degradazione delle proteine, in particolare, possono raggiungere livelli di saturazione, portando così alla presenza persistente di componenti ossidati. Questa situazione aumenta la probabilità dell'ulteriore ossidazione di componenti già ossidati e la formazione di ulteriori e più profonde modificazioni ossidative, comprese le formazioni di legami covalenti intra e intermolecolari. La complessità complessiva delle strutture chimiche formate supera la capacità di degradazione dei sistemi proteolitici cellulari (in particolare il proteasoma 20S), portando al graduale accumulo di materiali "spazzatura" sovra-ossidati e non degradabili all'interno delle cellule, principalmente nei lisosomi [82,102].

Nel complesso, l'accumulo di materiali sovra-ossidati all'interno delle cellule aumenta la probabilità di un'ulteriore ossidazione dei componenti cellulari già ossidati nel tempo, facilitando così l'inizio di un circolo vizioso di ossidazione, sovraossidazione e accumulo; tutti questi alla fine portano al progressivo deterioramento delle funzioni cellulari, come è evidente nell'invecchiamento e nella senescenza.

3.7. I lisosomi come i principali siti di formazione della lipofuscina

Come risultato della normale degradazione autofagica, il compartimento lisosomiale è extra ricco di ferro labile poiché molte macromolecole e organelli autofagocitati contengono ferro. La presenza combinata di ferro redox-attivo e basso pH nei lisosomi facilita la formazione di radicali estremamente reattivi da perossidi relativamente non reattivi attraverso la reazione di Fenton. Pertanto, questo organello è estremamente sensibile al lieve stress ossidativo che le cellule sperimentano naturalmente durante la fluttuazione transitoria dello stato stazionario H, O intracellulare. Gli H2O generati inducono istantaneamente ossidazioni a catena di componenti lisosomiali, come proteine ​​e lipidi di membrana, portando alla formazione di materiali simili alla lipofuscina che infatti hanno dimostrato di essere accumulati nei lisosomi.

In caso di condizioni di stress ossidativo intenso e di lunga durata, la presenza simultanea di H2O2 e ferro labile induce un'ulteriore ossidazione in aggiunta a biomolecole già ossidate da autofagocitate, portando a prodotti sovra-ossidati che sono reticolati con legami covalenti multipli .utilizza l'esperidinaQuesto materiale, oltre ad essere resistente alla degradazione, può inibire i sistemi di riparazione cellulare, come è stato dimostrato nei proteasomi [85,102]. Questa proposta è fortemente supportata dall'osservazione che la combinazione dello stress ossidativo con l'inibizione delle proteasi lisosomiali ha ritardato la degradazione delle macromolecole autofagocitate e ha fornito più tempo per la loro ossidazione, accelerando drasticamente la formazione di lipofuscina nelle cellule in coltura [7]. La stessa lipofuscina può provenire da diversi tipi di materiale auto o eterofagocitato. In molte cellule, specialmente in quelle altamente aerobiche come miociti cardiaci e neuroni, i mitocondri autofagocitati costituiscono la maggior parte del materiale non degradabile intra-lisosomiale. Una forte evidenza dell'origine mitocondriale di una parte significativa del corpo della lipofuscina rappresenta l'osservazione che abbondanti subunità di ATP sintasi sono presenti nelle cellule caricate con lipofuscina [103]. Tuttavia, nelle cellule scavenger professionali con fagocitosi attiva come i macrofagi, le cellule microgliali e le cellule epiteliali del pigmento retinico, può essere derivata anche una parte sostanziale del loro contenuto di lipofuscina.

3.8. Rilevazione di cellule senescenti

Il riconoscimento delle cellule senescenti è una questione critica data la crescente evidenza del ruolo della senescenza nelle patologie umane [56,104]. Inoltre, il campo in rapida espansione della chemioterapia richiede il rilevamento preciso delle cellule senescenti [105]. Vari marcatori che rilevano i sensori di senescenza cellulare sono presentati nella Tabella 1. Recenti scoperte hanno indicato l'implicazione della senescenza in COVID-19, giustificando l'applicazione di chemioterapici per il trattamento o la prevenzione dei pazienti con COVID-19 [106.

L'accumulo di lipofuscina di nuova formazione può essere rilevato e quantificato utilizzando la microscopia elettronica, confocale e a fluorescenza, nonché la citometria a flusso [108,109]. Inoltre, la lipofuscina può essere rilevata sulla base della sua autofluorescenza in combinazione con numerose tecniche istochimiche e citochimiche [68,87,110,111]. In particolare, GL13, un analogo chimico biotinilato Sudan Black-B(SBB) disponibile in commercio come "SenTraGorTM", interagisce con la lipofuscina e consente l'identificazione accurata delle cellule senescenti in vitro ed ex vivo applicando un metodo di rilevamento mediato da anticorpi [ 56.107.110]. Impiegando questo test, è anche possibile la determinazione quantitativa dei livelli di lipofuscina solubile o estratta in surnatanti di colture cellulari, fluidi corporei e omogenati di tessuto [112]. La sequenza di eventi che portano all'accumulo di lipofuscina durante la senescenza e la sua interazione con la lipofuscina è schematicamente presentata nella Figura 3A. Le immagini rappresentative delle cellule Li-Fraumeni-p21WAF1/Cip1 Tet-OFF e ON (senescenti), colorate con SenlraGor, sono presentate nella Figura 3B. Un forte segnale citoplasmatico marrone è evidente nelle cellule senescenti (immagine a destra), mentre nessuna cellula indotta è negativa (immagine a sinistra).

Lo sviluppo di applicazioni teranostiche basate sulla nanotecnologia potrebbe consentire il targeting accurato delle cellule senescenti [113-115]. La mappatura delle cellule senescenti in vivo rimane una grande sfida. In questo contesto, il nuovo composto GL13 potrebbe essere arricchito dall'incorporazione di punti quantici o altri nano-carrier appropriati e uno scafo idrofilo per incapsulare l'intero sistema, rendendo GL13 un candidato promettente per l'imaging molecolare in vivo [114].

Figura 3. (A) SenTraGorTM reagisce in modo specifico contro la lipofuscina, il sottoprodotto non degradabile della senescenza cellulare, consentendo l'identificazione accurata delle cellule senescenti in vitro ed ex vivo applicando un metodo di rilevamento mediato da anticorpi. (B) colorazione SenTraGor su Li-Fraumeni-p21WAF1/Cip1 Tet-OFF (immagine a sinistra) e celle ON (immagine a destra); ingrandimento originale: × 200. 4. Composti bioattivi dietetici e stress ossidativo

Numerosi studi epidemiologici condotti principalmente nella seconda metà del secolo scorso hanno messo in correlazione la dieta mediterranea tradizionale (la dieta prevalente sulle sponde settentrionali del bacino del Mediterraneo) con una minore incidenza di alcune malattie croniche e un ridotto rischio di morbilità e mortalità [{{0 }}]. Pertanto, sono stati condotti intensi sforzi di ricerca per identificare agenti della dieta mediterranea in grado di prevenire o attenuare gli effetti deleteri dello stress ossidativo e di delineare il loro meccanismo d'azione molecolare.

4.1. Composti bioattivi dietetici: antiossidanti di scavenging dei radicali liberi o chelanti del ferro deboli?

La dieta mediterranea tradizionale è caratterizzata da un elevato consumo di olio d'oliva e di alimenti vegetali come frutta, verdura, cereali non raffinati e legumi; consumo moderato di pesce, latticini e vino; e basso consumo di prodotti a base di carne [119]. I suoi benefici per la salute sono stati spesso attribuiti alle elevate quantità di antiossidanti di tipo scavenger di radicali liberi, largamente presenti negli alimenti tipici di questa dieta. Si presumeva generalmente che tali scavenger di radicali liberi potessero interagire e neutralizzare i radicali liberi, combattendo così l'ossidazione nel corpo e di conseguenza ritardando o addirittura prevenendo l'incidenza di varie malattie croniche, incluso il processo di invecchiamento [120-123].

Tuttavia, i risultati dei più grandi studi clinici sull'integrazione di antiossidanti condotti finora non sono riusciti a mostrare una protezione sostanziale contro lo sviluppo di malattie croniche [124-137]. Inoltre, sono state sollevate preoccupazioni sulla sicurezza dell'integrazione ad alte dosi di antiossidanti perché in alcuni casi sono stati osservati collegamenti con rischi per la salute [138,139]. Questo fallimento può essere spiegato dal fatto che i radicali liberi come il grado HO e il grado RO sono estremamente reattivi, attaccano e ossidano istantaneamente e in modo non specifico ogni gruppo chimico presente in prossimità della loro generazione[140]. Pertanto, quando viene generato all'interno delle cellule, è praticamente impossibile per qualsiasi scavenger di radicali liberi di derivazione esterna neutralizzarle. Va qui sottolineato che l'unica possibilità per proteggere i costituenti cellulari dall'ossidazione e dai danni in condizioni di stress ossidativo è prevenire la generazione di tali radicali liberi altamente reattivi. Un'altra possibile strategia per evitare l'ossidazione di macromolecole biologiche critiche come il DNA e le proteine ​​in tali circostanze potrebbe essere quella di manipolare la posizione della loro formazione utilizzando agenti chelanti del ferro. Come discusso di seguito, la dieta in generale e la dieta mediterranea, in particolare, contengono una pletora di chelanti del ferro così deboli (Figura 4) che, quando sono in grado di passare attraverso la membrana cellulare, possono staccare il ferro labile debolmente legato da importanti macromolecole, proteggendoli così dall'ossidazione indesiderata indipendentemente dal fatto che inibiscano o meno la reazione di Fenton

Figura 4. La presentazione schematica indica che gli alimenti di origine vegetale della dieta mediterranea contengono quantità crescenti di composti leganti il ​​ferro in grado di chelare il ferro labile intracellulare e prevenire la generazione di radicali liberi altamente reattivi che sono responsabili dell'ossidazione non regolata dei costituenti cellulari. I cibi tipici della dieta mediterranea contengono numerosi composti, tra cui alcoli fenolici, acidi fenolici e flavonoidi, che sono stati ripetutamente proposti per agire come antiossidanti scavenging dei radicali liberi. Un certo numero di tali composti è stato esaminato dal nostro gruppo di ricerca e abbiamo osservato una forte relazione tra la capacità protettiva di ciascun composto e la sua capacità di chelare il ferro labile intracellulare, ma non con la loro capacità di eliminare i radicali liberi in vitro [8,9, 12]. Un'ulteriore proprietà necessaria di questi composti, necessari per esercitare la loro capacità di protezione, era la loro capacità di raggiungere l'interno della cellula per diffusione o qualsiasi altro tipo di trasporto attraverso la membrana plasmatica [11,42,141]. Sulla base di queste osservazioni, abbiamo proposto che i composti bioattivi presenti ubiquitariamente nella dieta mediterranea offrano i loro effetti citoprotettivi staccando il ferro labile intracellulare dai costituenti cellulari critici, diminuendo così la loro ossidazione indesiderata.

4.2.Gli agenti chelanti del ferro dietetici prevengono la formazione di lipofuscina?

Sulla base delle suddette considerazioni, è lecito ipotizzare che gli agenti ferrochelanti bioattivi presenti nella dieta mediterranea possano rappresentare fattori chiave che sono responsabili della prevenzione della formazione della lipofuscina e, di conseguenza, del processo di invecchiamento in generale. Per quanto ne sappiamo, gli sforzi sistematici volti a testare sperimentalmente questa importante ipotesi non sono stati ancora eseguiti.

Un gran numero di molecole ferrochelanti con differenti strutture chimiche e caratteristiche sono contenute in una tipica dieta mediterranea. Ad esempio, abbiamo studiato a fondo estratti vegetali contenenti numerosi polifenoli e abbiamo stabilito che i composti fenolici con un gruppo orto-diidrossilico sono protettivi contro lo stress ossidativo, mentre quelli privi di un ossidrile o che lo hanno in una posizione meta o para sono del tutto inefficaci [8,{5}}]. Queste osservazioni hanno sollevato l'ulteriore questione se gli agenti ferrochelanti contenuti negli alimenti siano in grado di penetrare diverse barriere per raggiungere l'interno delle cellule bersaglio. In questo caso, i particolari agenti dietetici possono essere considerati "antiossidanti indiretti" perché prevengono la generazione di radicali liberi reattivi piuttosto che disintossicarli dopo la loro produzione intracellulare.

In alcuni casi, gli ioni ferro labili intracellulari possono essere coordinati in modo incompleto con gli agenti derivati ​​dalla dieta a causa del loro basso assorbimento e della notevole diluizione nel corpo, consentendo così l'impegno del ferro nelle reazioni redox. Tuttavia, gli stessi agenti di solito possiedono una doppia funzione perché possono comprendere nella stessa molecola sia proprietà di legame del ferro che di scavenging dei radicali liberi. Pertanto, i chelanti del ferro derivati ​​dalla dieta possono funzionare in un duplice modo: mitigando il danno cellulare indotto dallo stress ossidativo rimuovendo il ferro labile debolmente legato dalle macromolecole cellulari vulnerabili e inattivandolo completamente o mediante il coordinamento incompleto del ferro, che si traduce nella sua rimozione da la sua posizione originaria ma gli permette di rimanere redox-attivo e in grado di ossidare i corrispondenti chelanti del ferro derivati ​​dalla dieta.

5. Conclusioni

Uno dei concetti più importanti nell'area dell'invecchiamento oggi è la cosiddetta "teoria dell'invecchiamento dei radicali liberi". Secondo questa teoria, l'invecchiamento dell'organismo è causato da un danno ossidativo cumulativo inflitto da radicali liberi altamente reattivi che sorgono principalmente come conseguenza del metabolismo aerobico. La continua generazione di tali radicali estremamente reattivi provoca la graduale formazione e accumulo di aggregati non riparabili di costituenti cellulari danneggiati. Questo materiale chimicamente indefinito, che consiste principalmente di proteine ​​e lipidi ed esercita una fluorescenza giallo-marrone, è noto come "lipofuscina", ceroide" o "pigmento dell'età" ed è considerato un segno distintivo dell'invecchiamento cellulare.

La lipofuscina si forma principalmente attraverso modificazioni ossidative incontrollate e non specifiche delle macromolecole cellulari. Le cellule sono dotate di sfaccettati sistemi di difesa per sorvegliare e riparare le macromolecole ossidate. Tuttavia, quando l'intenso stress ossidativo persiste per lunghi periodi di tempo, si traduce invariabilmente nella generazione di radicali liberi altamente reattivi e nell'eccessiva ossidazione di materiali già ossidati, creando così prodotti che non possono essere riparati, degradati o addirittura esocitosi dai relativi sistemi cellulari. Inoltre, è stato dimostrato che i materiali sovra-ossidati possono indurre una graduale inattivazione dei sistemi di protezione e riparazione cellulare, alimentando così inutili cicli di aumento dei tassi di accumulo di lipofuscina.

Poiché i radicali liberi altamente reattivi possono essere generati nei processi di ossidazione catalizzati dal ferro (reazione di Fenton), la disponibilità di ferro labile rappresenta una precondizione necessaria per la formazione e l'accumulo di lipofuscina all'interno delle cellule. Sulla base di queste considerazioni, è plausibile ipotizzare che la regolazione fine dell'omeostasi del ferro cellulare nella distribuzione generale e labile del ferro, in particolare, possa rappresentare un modo finora non apprezzato per ritardare la formazione della lipofuscina intracellulare e il conseguente invecchiamento cellulare (senescenza). Abbiamo precedentemente dimostrato che un certo numero di fitonutrienti ferrochelanti contenuti nella dieta di tipo mediterraneo sono in grado di penetrare nelle membrane biologiche e raggiungere l'interno delle cellule [8,9,11,12]. Questi agenti chelano il ferro labile intracellulare (non necessariamente ad alta affinità) e determinano così la sua distribuzione e, di conseguenza, le sedi dell'ossidazione indotta dallo stress ossidativo. Secondo il meccanismo proposto, i fitochimici derivati ​​dalla dieta devono combinare nella loro struttura le seguenti caratteristiche per poter proteggere le cellule in condizioni di stress ossidativo: devono essere in grado (a) di penetrare nelle membrane cellulari; (b) di chelare le cellule ferro labile; e (c) nel caso di un'interazione del ferro legato con i perossidi (l'occupazione incompleta dei suoi siti di coordinazione), per eliminare il radicale reattivo formato.

Riassumendo le conclusioni della precedente presentazione, si possono fare le seguenti affermazioni: (a) il ferro labile rappresenta il principale agente responsabile della produzione di radicali liberi altamente reattivi in ​​grado di ossidare costituenti cellulari in condizioni di stress ossidativo,(b )i componenti cellulari ossidati e soprattutto sovra-ossidati comprendono il corpo principale di lipofuscina che si forma e si accumula all'interno delle cellule in queste condizioni, (c) l'esaurimento del ferro labile intracellulare da parte di agenti chelanti del ferro impedisce l'ossidazione dei componenti cellulari, e( d) la nostra dieta e soprattutto quella di tipo mediterraneo contengono una pletora di composti in grado di modulare la distribuzione intracellulare del ferro.

Considerando insieme le considerazioni di cui sopra, è lecito attendersi che l'identificazione di composti nutritivi bioattivi con le proprietà assegnate possa consentire il loro utilizzo come strumenti farmacologici per concrete azioni protettive in condizioni di aumentato stress ossidativo in cellule, tessuti e interi organismi. Questa proposta potrebbe aprire nuove strade per lo sviluppo di strategie volte a rallentare i tassi di comparsa e sviluppo delle malattie legate all'età.

Questo articolo è estratto da Antioxidants 2021, 10, 491. https://doi.org/10.3390/antiox10030491 https://www.mdpi.com/journal/antioxidants