A component of the Nigella sativa plant as a radioprotector and antitumor drug

Full Text

Воздействие ионизирующего излучения (ИИ) является сохраняющейся угрозой от случайных или террористических ядерных событий, кроме того, широко используется в терапии онкологических заболеваний.

В последние годы повышенный интерес вызывают фитохимические компоненты некоторых медицинских растений, которые обладают рядом защитных свойств. Так, они способны активировать ряд генов, обеспечивающих клеточный гомеостаз, снижать повреждающее действие различных экзогенных факторов и в конечном итоге оказывать профилактическое и лечебное действие при ряде патологий человека. К таким растениям и их компонентам относятся листья Mentha longifolia, семена Nigella sativa, плоды Piper nigrum, луковицы Allium sativum и др. [1]. Действие экстрактов этих растений исследовалось на разных типах клеточных линий, а также на модели экспериментальных животных, для оценки их цитотоксических эффектов и с точки зрения биобезопасности.

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ РАДИОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ТИМОХИНОНА

В последнее время особое внимание было обращено на необходимость создания радиопротекторов. Это связано с возможным применением атомной бомбы в террористических актах, вероятностью аварий на АЭС, а также планированием дальних космических полетов, при которых космонавты могут подвергаться длительному радиационному воздействию. По этой причине особое значение приобретает создание препаратов, не обладающих токсичностью, к которым относятся некоторые растительные компоненты, обладающие профилактическими и терапевтическими свойствами, способные не только предотвращать или минимизировать ответ на действие радиации, но и оказывать в определенной степени терапевтическое действие. К таким препаратам относится тимохинон (ТХ) — компонент семян черного тмина (Nigella sativa), имеющий фармакологическое значение при лечении многих заболеваний, а также обладающий позитивным эффектом при радиотерапии. ТХ обладает антиоксидантными, противовоспалительными, противовирусными и противоопухолевыми свойствами [2]. ТХ успешно применялся при лечении различных заболеваний, так как обладает иммуномодулирующим, противовирусным, противодиабетическим и антигистаминным действием [3]. ТХ продемонстрировал эффективность при лечении желудочно-кишечных заболеваний, патологий мочеполовой, нервной, дыхательной и сердечно-сосудистой систем. Есть ряд исследований, в которых изучали действие ТХ при лечении COVID-19 [4, 5].

В работе M. Akyuz et al. показано, что при тотальном облучении черепа крыс в дозе 5 Гр отмечалось повышение уровня окислительного и нитрозативного стресса, связанного с увеличением активности антиоксидантных показателей (глютатионпероксидазы, глютатион-S-трасферазы, супероксиддисмутазы и др.) по сравнению с контрольной группой. Однако уровень этих параметров, измеренных у крыс при введении ТХ в концентрации 50 мг/кг/день за 30 мин до облучения и в течение 10 дней после облучения, значительно снижался. Введение ТХ предотвращало повышение уровня малонового диальдегида, вызванное воздействием ИИ. Эти результаты позволяют предположить потенциальную защитную роль ТХ в процессах, вызванных действием радиации, и подтверждают гипотезу о том, что системное введение ТХ способно уменьшать уровень оксидативного и нитрозативного повреждения в тканях облученных крыс [6].

Были изучены эффекты ТХ на изменении показателей оксидативного стресса в клетках головного мозга крыс, подвергшихся тотальному облучению головы. ТХ показал повышение активности супероксиддисмутазы за счет перехвата активных форм кислорода (АФК), образующихся при воздействии радиации [7].

Радиопротекторные свойства ТХ были продемонстрированы в системе тиолдисульфидного гомеостаза при тотальном облучении крыс. Тиол представляет собой органическое соединение, содержащее сульфгидрильную группу, играющую решающую роль в предотвращении формирования окислительного стресса в клетках. Уровни тиола исследовались при тотальном облучении крыс в дозе 6 Гр и введении ТХ (10мг/кг) за 30 мин до облучения. Было показано, что ТХ защищал крыс от оксидативного эффекта, что было определено по показателям накопления тиолдисульфида [8].

Во многих исследованиях показано, что ТХ влияет не только на ДНК-структуры, но и на митохондрии. Обнаружено, что митохондриально-направленный антиоксидант SkQThy проявляет выраженную антиоксидантную активность в митохондриях млекопитающих и дрожжей, снижая продукцию перекиси водорода в митохондриях, а также предотвращая индуцированный прооксидантами окислительный стресс и фрагментацию митохондрий в клетках дрожжей и повышая жизнеспособность клеток [9].

Из литературы известно также, что ТХ участвует в активации 5′-АМФ-активируемой протеинкиназы (АМФК) [10]. АМФК является полисубъединичным (гетеротримерным) комплексом — главным регулятором клеточного и системного энергетического гомеостаза. АМФК участвует в митохондриальном биогенезе, регулирует уровень АТФ в клетках. Показано, что ТХ способен стимулировать митофагию — “выбраковку” дисфункциональных митохондрий, генерирующих повышенные уровни АФК [11]. По-видимому, ТХ способен активировать процесс митофагии и в облученных клетках, тем самым обеспечивая клеточную защиту от окислительного стресса и, следовательно, пострадиационную выживаемость.

Одним из следующих природных радиопротекторов можно считать растение Ферулаго узколистный (Ferulago angulata (Schltdl.) Boiss.), который содержит фенольные соединения и некоторые флавоноиды с антиоксидантными свойствами. В работе M.H. Moshafi et al. авторы оценивали антиоксидантную активность этого препарата при инкубации в концентрациях 25, 50, 100 и 200 мкмоль/л с лимфоцитами человека и дальнейшим облучением в дозе 2 Гр. При концентрации препарата 200 мкмоль/л наблюдалось максимальное снижение частоты формирования микроядер (63,11%), что свидетельствовало о высокой степени радиопротекции. Интересно, что при этой концентрации препарата ингибировался окислительный стресс, что сопровождалось снижением уровня малонового диальдегида и повышением активности супероксидисмутазы [12].

Для изучения механизмов защитного действия радиопротекторов при облучении перспективным является исследование уровней экспрессии генов и их регуляторов. Нами были проведены эксперименты на мышах с введением ТХ до воздействия облучения (6 Гр). Получены предварительные данные о модифицирующем действии ТХ на экспрессию генов системы Р53 и NFkB в клетках костного, головного мозга и селезенки мышей.

ПРОТИВООПУХОЛЕВАЯ АКТИВНОСТЬ

Онкологические заболевания являются одной из главных проблем здравоохранения по всему миру и второй лидирующей причиной смертности населения. Миллионы людей умирают каждый год от разных типов рака, несмотря на усилия найти новые пути лечения и профилактики развития злокачественных новообразований [13].

Оксидативный стресс является одним из важных факторов в процессах канцерогенеза. Активные формы кислорода (АФК) вызывают оксидативный стресс и генерируют ответ на внешние и внутренние стимулы. АФК являются причиной повреждения ДНК и формирования мутаций в клетках. В ряде исследований показано, что биологические эффекты АФК зависят от их уровня в клетке. Низкий уровень АФК индуцирует антиоксидантную активность ферментов за счет высвобождения фактора Nrf2, умеренное количество АФК может вызывать повреждение ДНК и генерировать формирование опухолей, а высокая концентрация АФК способствует гибели опухолевых клеток [14].

Хотя за последние годы были достигнуты значительные успехи в лечении злокачественных новообразований, современные методы лечения, такие как хирургические вмешательства, химио- и радиотерапия являются не до конца успешными в борьбе с различными видами рака. В связи с этим изучаются возможные альтернативные методы лечения, в том числе эффективность действия природных соединений и их компонентов. Так, получены данные, подтверждающие противоопухолевые эффекты ТХ за счет его антиоксидантного потенциала на моделях in vitro и in vitro [15–17].

Тогда как большинство исследований ассоциируют противоопухолевые свойства ТХ с его антиоксидантными свойствами, получены доказательства того, что ТХ способен активировать апоптоз за счет стимуляции оксидативных повреждений в опухолевых клетках [18], так как этот природный компонент проявляет как антиоксидантные, так и прооксидантные свойства в зависимости от концентрации. При низкой концентрации ТХ демонстрирует антиоксидантные свойства, тогда как при высокой — прооксидантные [19].

Противоопухолевый эффект ТХ был показан на модели клеток рака простаты. В то время как концентрация АФК увеличивалась при инкубации клеток рака простаты с ТХ, уровень свободного глутатиона снижался. Кроме того, активность АФК, связанная с влиянием ТХ, приводила к активации апоптоза в клетках через р53-путь [20].

При инкубировании ТХ в концентрации 25 мкмоль/л с клетками рака молочной железы (линия MCF-7) отмечалась индукция процессов апоптоза, связанных с активацией Р53 [21].

При гепатоцеллюлярной карциноме показан противоопухолевый эффект ТХ, опосредованный регуляцией микроРНК miR-1–3 p. Было установлено, что низкие уровни этой микроРНК были обнаружены при различных видах рака. Повышенная экспрессия miR-1–3p в печени предотвращает пролиферацию гепатоцеллюлярных клеток [22].

К свойствам ТХ относится также подавление ангиогенеза. В проведенном S.A. Tadros et al. исследовании, согласно показателям иммуногистохимии в клетках печени крыс, получавших ТХ, отмечался повышенный уровень miR-1–3p по сравнению с контрольной группой. Биоинформатический анализ показал, что возможный сигнальный путь, с помощью которого осуществляется защитный эффект, связан с активацией металлопротеиназ (ММР2 и ММР9) и фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) в сигнальном пути ангиогенеза [23].

Как фитохимическое соединение ТХ подавлял экспрессию гена Rac1, через модуляцию активности miR-34a и Р53, а также регулировал про- и антиапоптотические гены и уменьшал фосфорилирование NF-κB и IKKα/β. Кроме того, ТХ также снижал активность ERK1/2 и PI3K, имеющих важное значение в регуляции патологических путей в клетке, приводящих к развитию рака. Авторы считают целесообразным использование ТХ в режиме питания с целью снижения рисков возникновения онкологических заболеваний [24].

Высокая биологическая активность ТХ обусловлена наличием антиоксидантных свойств, благодаря которым клетки способны защищаться от действия токсинов (таких как пестициды, тяжелые металлы и другие канцерогенные соединения). Показана модуляция действия антиоксидантных ферментов, таких как глутатионпероксидаза, глутатион-S-трасфераза, каталаза, действующих против токсичности, вызванной пищевыми продуктами, загрязненных биологическими и химическими агентами [25].

ТХ воздействует на факторы транскрипции, связанные с воспалением, такие как NF-kB и AP-1 (активатор белков), тем самым регулирует иммунные реакции. Кроме того, показано, что ТХ снижал экспрессию мРНК генов интерферонов IFN-α и IFN-β в макрофагальной линии клеток мышей RAW264.7. Это ингибирование было обусловлено подавлением транскрипционной активации регуляторного фактора интерферона (IRF-3) и TANK-связывающей киназы 1 (TBK1), ключевого фермента, ответственного за активацию IRF-3. Эти результаты свидетельствуют о том, что ТХ способен подавлять активацию перечисленных факторов, что приводит к снижению выработки IFN I типа [26].

Радиотерапия является основным методом лечения онкозаболеваний, однако данный метод ограничен резистентностью опухолевых клеток, особенно опухолевых стволовых клеток. Было показано, что ТХ является радиосенсибилизатором злокачественных клеток за счет ингибирования их выживаемости и репарации ДНК на 2D- и 3D-культурах колоректального рака линий HCT116 и HT29. Сенсибилизирующие эффекты ТХ в низкой дозе (3 мкмоль/л) в сочетании с ИИ (2 Гр) были связаны с остановкой жизненного цикла клетки в стадии G₂/M, повреждением ДНК, а также ингибированием Wnt/β катенина, NF-κB, p-mTOR и MEK/ERK-путей, в дополнение к индукции экспрессии P53 и P21 в злокачественных клетках [27].

На модели почечно-клеточной карциномы линии Caki-1 человека было показано, что в зависимости от концентрации ТХ может проявлять различные свойства. Так, низкая концентрация ТХ (до 10 мкмоль/л) может подавлять миграцию клеток путем ингибирования рецепторов простагландина Е2/EP2, тогда как высокая концентрация ТХ (25 мкмоль/л) индуцировала накопление АФК в клетках Caki-1, вызывая их массовый апоптоз (до 30% клеток через 24 ч), что было связано с увеличением экспрессии проапоптотических (р53, Bax, цитохром с, каспазы-3 и -9) и редукцией активности антиапоптотических факторов (Bcl-2 и Bcl-xl). Вместе с тем ТХ подавлял проонкогенный путь JAK2/STAT3, что приводило к снижению экспрессии Bcl-2, Bcl-xl, циклина D1, циклина D2 и сурвивина в этих клетках. При имплантации опухолевых клеток мышам отмечался ТХ-индуцированный апоптоз злокачественных клеток, что подтверждает противоопухолевые свойства этого растительного препарата. Таким образом, согласно проведенному исследованию, ТХ в высокой дозе способен ингибировать проонкогенные пути, препятствуя развитию злокачественных новообразований [28].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, ТХ может проявлять как антиоксидантные, так и прооксидантные свойства. Прооксидантная активность может способствовать противовоспалительной, антипролиферативной и антиметастатической функциям при различных типах рака (меланома, медуллобластома, рак молочной железы, лейкемия и др.).

ТХ является акцептором свободных и супероксидных радикалов. Он является многообещающим природным радиопротектором против иммуносупрессивного и окислительного действия ионизирующего излучения.

Из-за своей высокой эффективности, низкой токсичности и природных особенностей ТХ может использоваться в профилактике и лечении рака. Проведенные исследования подтверждают его положительную роль как потенциального радиопротектора, так и при лечении различных заболеваний, в том числе злокачественных.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена по теме ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна “Технология-3” (госзадание № 123011300105-3).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

About the authors

D. V. Fomina

State Research Center — Burnasyan Federal Medical Biophysical Center of Federal Medical Biological Agency

Author for correspondence.
Email: dasha_saleeva@inbox.ru
Russian Federation, Moscow

S. A. Abdullaev

State Research Center — Burnasyan Federal Medical Biophysical Center of Federal Medical Biological Agency; Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, Russian Academy of Sciences

Email: dasha_saleeva@inbox.ru
Russian Federation, Moscow; Pushchino

N. F. Raeva

State Research Center — Burnasyan Federal Medical Biophysical Center of Federal Medical Biological Agency

Email: dasha_saleeva@inbox.ru
Russian Federation, Moscow

G. D. Zasukhina

State Research Center — Burnasyan Federal Medical Biophysical Center of Federal Medical Biological Agency; Vavilov Institute of General Genetics, Russian Academy of Sciences

Email: dasha_saleeva@inbox.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

References

Supplementary files