Kanabidiolio įtaka kalcio jonų (Ca2+) reguliavimui mitochondrijose

Pav. šaltinis: https://mindd.org/mitochondrial-health-key-wellbeing/

Santrumpa

Mitochondrijoje kalcio jonų homeostazė vaidina esminį vaidmenį ląstelės fiziologijoje ir patofiziologijoje. Mitochondrinis Ca2+ srautas kontroliuoja energijos gamybą, keičia viduląstelinio kalcio signalų amplitudę ir jo išraišką laiko- erdvės atžvilgiu ir yra ląstelės mirties instrumentas. Vis daugėja duomenų apie tai, kad ši Ca2+  ir ROS sąveika vaidina didelį vaidmenį įvairių ligų patofiziologijoje, įskaitant neurodegeneracines ligas (Alzhaimer’io, Parkinson’o), uždegimines ligas ir vėžį. Mitochondrijų kalcio ir ROS disfunkcija susijusi su neurodegeracijių ligų patogeneze.  Nuo kalcio jonų priklausomas NOX5 (NADPH oksidazės) aktyvumas įtakoja kraujagyslių proliferaciją ir kraujagyslių formavimąsi, taip pat įvairų vėžio ląstelių proliferaciją, galimai įtakoja kepenų ligas ir koronarines širdies ligas. Mitochondrijų kalcio ir ROS homeostazės sutrikimas įtakoja TNF- alfa, kas patvirtina svarbų vaidmenį uždegiminių ligų, tokių kaip osteoartritas ir net sepsis, atveju. Be to, uždegiminiai procesai, iššaukti mitochondrijų sutrikimo, susiję su vėžio vystymusi įvariose stadijose. Daugėja įrodymų, kad mitochondriijų pakitimai yra susiję su tumoro metabolizmu, vedančiu prie padidėjusios ROS gamybos ir nenormalios kalcio apykaitos, kas lemia tumoro augimą, išgyvenamumą ir metastazavimą. Mitochondrijos mPTP poros atidarymas dėl didelio kacio kiekio susikaupimo mitochondrijoje, sąlygoja citochromo C išlaisvinimą į citozolį ir proapoptotinių kaskadų paleidimą. Vėžio ląstelės desensitizuoja  mPTP porą  kalcio jonams ir ROS ir tuo būdu padidina vėžio ląstelės atsparumą. Mitochondrija įvardijama kaip galimas vėžio gydymo taikinys. Ūmios išemijos-reperfuzijos atveju, programuotos mirties mechanizmai yra nekrozė ir apoptozė, inicijuojama mPTP poros atidarymo ir išorinės mitochondrijos membranos pralaidumo. Kanabinoidai, esantys lipofilinės natūros, lengvai pasiekia ląstelės aktyviąsias zonas ir nemažai tyrimų teigia, kanabinoidai tikslingai veikia mitochondrijas. Kanabidiolio (CBD) atliekamas Ca2+ reguliavimas pastebėtas įvairiose ląstelių rūšyse. Neuronai yra ypatingai daug energjos reikalaujanti ląstelių rūšis ir atitinkamai pasižyminti dideliu metabolizmu, dideliais Ca2+ svyravimais, todėl mitochondrijos veikla yra ypatingai svarbi. Tiesiogiai reguliuodamas mitochondrinį Ca2+ lygį CBD apsaugo nuo ląstelės mirties dėl neurotoksiškumo, kuris susijęs su membranos potencialo praradimu, ROS, ATP gamybos praradimu. CBD gebėjimas sumažinti nenormaliai aukštą Ca2+ per mitochondrijos Ca2+ srautų reguliavimą ir homeostazės atstatymas gali pasitarnauti daugelio ligų, kurioms būdingas Ca2+ disbalansas, gydymui. Ypatingai neurodegeneracinės ligos, įskaitant Hantington‘o ligą ir Friedreich‘o ataksiją yra susiję su mitichondrijos disfunkcija ir CBD pagrindu pagaminti preparatai galėtų padėti šių ligų atveju. CBD per įvairius membranų kanalus (VDAC, MCU) padidindamas mitochondrijos Ca2+ lygį gali sukelti vėžinių ląstelių mirtį.

Įžanga

Kalcis yra svarbus antrinis signalų nešiklis, atsakingas už viduląstelinių ir užląstelinių signalų perdavimo kaskadas ir vaidina pagrindinį vaidmenį ląstelės gyvenimo įvykiuose, įskaitant sekreciją, metabolizmą, genų raišką, išgyvenamumą ir mirtį. Ca2+ signalų perdavimo sistema, reguliuojant ląstelės procesus, veikia daugybe būdų- per buferių sistemą, membranų jonų siurblius ir keitiklius bei vidines Ca2+  taplyklas.  Be to, kalcio jonų signalų perdavimas  susijęs ir su kitomis sistemomis ir keliais, viena iš jų- laisvųjų radikalų (ROS) sistema ir jų elementais- superoksido anijonu, vandenilio peroksidu ir hidroksilo radikalais. Mitochondrijoje kalcio jonų homeostazė vaidina esminį vaidmenį ląstelės fiziologijoje ir patofiziologijoje. Mitochondrinis Ca2+ srautas kontroliuoja energijos gamybą, keičia viduląstelinio kalcio signalų amplitudę ir jo išraišką laiko- erdvės atžvilgiu ir yra ląstelės mirties instrumentas.

Ca2+ sąveika su ROS yra be galo svarbi ir abipusė- ROS gali reguliuoti Ca2+  signalų perdavimą ląstelėje, o Ca2+  yra reikalingas ROS gamybai. Padidėjęs Ca2+  lygis aktyvuoja ROS formuojančius fermentus ir atitinkamai ROS.  Vis daugėja duomenų apie tai, kad ši Ca2+  ir ROS sąveika vaidina didelį vaidmenį įvairių ligų patofiziologijoje, įskaitant neurodegeneracines ligas (Alzhaimerio, Parkinsono), uždegimines ligas ir vėžį. Mitochondrijų kalcio ir ROS disfunkcija susijusi su neurodegeracijių ligų patogeneze.  Nuo kalcio jonų priklausomas NOX5 (NADPH oksidazės) aktyvumas įtakoja kraujagyslių proliferaciją ir kraujagyslių formavimąsi, taip pat įvairų vėžio ląstelių proliferaciją, galimai įtakoja kepenų ligas ir koronarines širdies ligas. Mitochondrijų kalcio ir ROS homeostazės sutrikimas įtakoja TNF- alfa, kas patvirtina svarbų vaidmenį uždegiminių ligų, tokių kaip osteoartritas ir net sepsis, atveju. Be to, uždegiminiai procesai, iššaukti mitochondrijų sutrikimo, susiję su vėžio vystymusi įvariose stadijose. Daugėja įrodymų, kad mitochondriijų pakitimai yra susiję su tumoro metabolizmu, vedančiu prie padidėjusios ROS gamybos ir nenormalios kalcio apykaitos, kas lemia tumoro augimą, išgyvenamumą ir metastazavimą. Mitochondrijos mPTP poros atidarymas dėl didelio kacio kiekio susikaupimo mitochondrijoje, sąlygoja citochromo C išlaisvinimą į citozolį ir proapoptotinių kaskadų paleidimą. Vėžio ląstelės desensitizuoja  mPTP porą  kalcio jonams ir ROS ir tuo būdu padidina vėžio ląstelės atsparumą. Mitochondrija įvardijama kaip galimas vėžio gydymo taikinys. Ūmios išemijos-reperfuzijos atveju, programuotos mirties mechanizmai yra nekrozė ir apoptozė, inicijuojama mPTP poros atidarymo ir išorinės mitochondrijos membranos pralaidumo. [1]

Kanabidiolio poveikis kalcio jonų srautams

Kanabinoidai, esantys lipofilinės natūros, lengvai pasiekia ląstelės aktyviąsias zonas ir nemažai tyrimų teigia, kanabinoidai tikslingai veikia mitochondrijas. Kanabidiolio (CBD) atliekamas Ca2+ reguliavimas pastebėtas įvairiose ląstelių rūšyse. Neuronai yra ypatingai daug energjos reikalaujanti ląstelių rūšis ir atitinkamai pasižyminti dideliu metabolizmu, dideliais Ca2+ svyravimais, todėl mitochondrijos veikla yra ypatingai svarbi. Net nedidelis mitochondrijos veiklos trūkumas gali lemti žalingus nukrypimus, kurie sukelia degeneracinius procesus. Duncan Ryan ir bendraaut. tyrime „Cannabidiol Targets Mitochondria to Regulate Intracellular Ca2+ Levels“ nagrinėjama CBD įtaka mitochondrijos kalcio jonų homeostazei, kaip neuroprotekcinių savybių pagrindas. Ankstesnis šios mokslininkų grupės tyrimas parodė aiškų ryšį tarp CBD ir Ca2+ reguliavimo per viduląstelines Ca2+ talpyklas.  Šiame tyrime naudoti hipokampo neuronai, kalcio indikatoriai citozolyje (Fura-2 AM) ir mitochondrijoje (Rhod-FF). Tam, kad geriau stebėti CBD poveikį, buvo padidintas jautrumas ir viduląstelinių taplyklų Ca2+ lygis. CBD buvo taikytas hipokampo ląstelėms (HBS) su padvigubinta K+ koncentracija. Šiomis sąlygomis CBD sumažino Ca2+  lygį ir neuronuose ir glijose, todėl CBD poveikis yra abipusis ir priklauso nuo jautrumo. CBD antikonvulsiniam tyrimui buvo panaudotas 4AP, K+ kanalo blokuotojas, lemiantis į priepuolius panašius Ca2+ svyravimus. Tyrime 4AP sukėlė  pastovų citozolinio Ca2+ kilimą, kas lėmė Ca2+ svyravimus. Po to, kai buvo panaudotas CBD, svyravimai liovėsi ir neuronuose, ir glijose, todėl, kaip rodo rezultatai, CBD slopina epilepsiją per mitochondrijų Ca2+ reguliavimą. Manoma, kad CBD taip pat gali padėti ir kitų ligų atveju, kurios susiję su padidintu jautrumu. Jau ankstesnis tyrimas parodė, kad CBD įtakojami Ca2+ pokyčiai susiję su viduląstelinėmis Ca2+ talpyklomis, o ne išorinėmis. Toliau buvo nagrinėjama galimas mitochondrijų vaidmuo, kaip pagrindinis homeostazės elementas, veikiant CBD. FCCP, ATP sintazės blokatorius (ang.uncoupler) paskatino Ca2+ srautą iš mitochondrijos ir atitinkamai Ca2+ padidėjimą citozolyje, o po to panaudotas CBD sumažino Ca2+ padidėjimą citozolyje. (1 pav.)

1 pav. FCCP ir CBD poveikis mitochondriniam ir citozoliniam Ca2+ lygiui.
1 pav. FCCP ir CBD poveikis mitochondriniam ir citozoliniam Ca2+ lygiui.

Naudojant endoplazminio tinklo (ER) kalcio jonų receptorių antagonistus šiame tyrime nustatyta, kad CBD poveikis Ca2+ nėra susijęs su ER talpykla. Todėl tai patvirtina faktą, kad CBD Ca2+ reguliavimas pasiekiamas per Ca2+ mitochondrijos Ca2+ srautus, galimai per mPTP (mitchondrijos nespecifinio pralaidumo pora) arba Na+/Ca2+ keitiklį (NCX). Tolesnis tyrimas parodė, kad šiomis eksperimentinėmis sąlygomis CBD reguluodamas Ca2+ visgi daugiau veikia per NCX, o ne per mPTP.

CBD apsaugo nuo mitochondrijų toksinų

CBD mitochondrijos veikimą įrodo ląstelių mirties, sukeltos mitochondrijos toksinų, modelis. Geriausias neuroprotekcinis veikimas buvo gautas prieš FCCP toksiškumą, kuris sutrikdo membranos potencialą, sustabdo ATP gamybą ir nulemia kalcio srautą į citozolį. Membranos potencialo praradimas ir ląstelių mirtis, manoma, susijusi su mPTP formavimusi, nes jos blokatorius (CsA) apsaugojo nuo FCCP toksiškumo. Ir didesnė, ir mažesnė CBD dozės FCCP bandyme ląsteles veikė neuroprotekciškai. Geresni rezultatai pasiekti su didesne CBD doze ir preinkubacija prieš FCCP.

Kadangi CBD antioksidacinės savybės jau žinomos, jo neuroprotekcinės savybės buvo palygintos su laisvųjų radikalų neutralizatoriumi BHT. Nei didesnė, nei mažesnė BHT dozės neapsaugojo nuo FCCP toksiškumo, o CBD apsaugojo labiau nei BHT. 100 proc. apsaugos rezultatas pasiektas su didesne doze BHT (10 μm) ir CBD (1 μm). Tai rodo CBD ir antioksidacinį sinergetinį veikimą, kai pastarasis veikiau pastiprina CBD efektą, o ne veikia kaip jo signalų perdavėjas.

Buvo tiriamas CBD apsauginis efektas prieš vandenilio peroksidą. Poveikis buvo lyginamas su katalaze, vandenilio peroksido neutralizatoriumi. Čia CBD neuroprotekcinis poveikis buvo silpnas, be to, mažesnė CBD dozė geriau apsaugojo ląsteles, nei didesnė, kas sako, kad CBD antioksidacinės savybės čia nėra pagrindinės. Toliau bandymas atliktas su oligomicinu, ATP gamybos blokatoriumi. CBD skyrimas kartu su oligomicinu pagerino ląstelių gyvybingumo rodiklius. Kaip įrodymas, kad šis toksiškumo testas susijęs su mPTP, buvo panaudotas CsA, mPTP inhibitorius, kuris žymiai pagerino ląstelių apsaugą. Tačiau bendras CsA ir CBD veikimas nepagerino apsauginių rodiklių. Palyginimui, katalazė neturėjo apsauginio poveikio ląstelėms prieš oligomiciną, o tai reiškia, kad apsauginis poveikis čia daugiau susijęs ne su antioksidaciniu veikimu. (2 pav.)

2 pav. CBD apsaugo  SH-SY5Y  ir hipokampo (HIPP)  ląsteles nuo oligomicino toksiškumo.
2 pav. CBD apsaugo SH-SY5Y ir hipokampo (HIPP) ląsteles nuo oligomicino toksiškumo

Šie duomenys rodo, kad CBD tiesiogiai veikia mitochondrijas ir šis veikimas pasireiškia apsauga nuo tiesiogiai mitochondriją veikiančių toksinų. Bendrai, tyrimų rezultatai rodo, kad CBD gebėjimas sumažinti nenormaliai aukštą Ca2+ per mitochondrijos Ca2+ srautų reguliavimą gali pasitarnauti daugelio ligų, kurioms būdingas  Ca2+ disbalansas, gydymui. Ypatingai neurodegeneracinės ligos, įskaitant Hantington‘o ligą ir Friedreich‘o ataksiją yra susiję su mitichondrijos disfunkcija ir CBD pagrindu pagaminti preparatai galėtų padėti šių ligų atveju.[2].

Ca2+ srautų reguliavimas vėžio ląstelių  modeliuose

Kaip minėta anksčiau, Ca2+ srautų reguliavimas per mitochondrijos mechanizmus gali įtakoti vėžio ląstelių gyvybingumą. Olivas-Aguirre, M., Torres-López, L., Valle-Reyes, J.S.  ir bendraaut. atliko tyrimą „Cannabidiol directly targets mitochondria and disturbs calcium homeostasis in acute lymphoblastic leukemia“, kurio rezultatai rodo, kad CBD yra tinkamas kandidatas limfoblastinės leukemijos gydymui.

Tyrime CBD citotoksinis poveikis buvo išbandytas su keletu vėžio ląstelių rūšių: T-ALL (ūmios limfoblastinės leukemijos), B-ALL (B ląstelių ALL), CML (lėtinės mielogeninės leukemijos), taip pat su gimdos ir krūties vėžio ląstelėmis. Geriausi CBD rezultatai pasiekti su T-ALL ląstelėmis. CBD poveikis buvo priklausomas nuo dozės- didelės dozės sukėlė Jurkat (žmogaus T leukemijos ląstelės) ląstelių mirtį, mažesnė dozė sustabdė jų proliferaciją, tačiau maža dozė (1 1 μM) paskatino proliferaciją.

T-ALL migracija vaidina didelį vaidmenį ligos atsinaujinimui. Tyrime nustatyta, kad CBD žymiai sumažino T-ALL migraciją.

Autofagija yra katabolinis ląstelinis procesas, kuris ir fiziologinėmis ir patofiziologinėmis sąlygomis užtikrina homeostazę, pašalindamas nefunkcionales organėles. Yra žinoma, kad CBD sukelia krūties vėžio ląstelių mirtį per apoptozės ir autofagios sąveiką. CBD poveikis buvo palygintas su chlorokvino, kuris padidina autofagiją. 10 µM CBD efektyviai padidino autofagiją Jurkat ląstelėse, rezultatai buvo dar geresni derinant katu su chlorokvinu. CBD įtakota mitochondrijos Ca2+ perkrova lemia mPTP susiformavimą. Pastebėta, kad CBD padidina citozolinį Ca2+ ir vėžio, ir sveikose ląstelėse. Nustatyta, kad CBD sukeltas citozolio Ca2+ padidėjimas nesusijęs su  plazmos membranos ar užląstelinio kalciu. CBD įtakotas citozolinio Ca2+ padidėjimo šaltinis- viduląstelinė kalcio saugykla, endoplazminis tinklas. Laikoma, kad mitochondrijos Ca2+ padidėjimas yra įtakojamas citozolio Ca2+ padidėjimo. Mitochondrija veikia kaip perteklinio kalcio surinkėja. CBD sukeltą mitochondrijos Ca2+ padidėjimą įtakojo Ca2+ išleidimas iš ER, nes ER srauto užblokavimas sumažino stebėtą mitochondrijos Ca2+ padidėjimą. Tyrime taip pat parodyta, kad CBD įtakotas mitochondrijos Ca2+ padidėjimas yra susijęs su mitochondrijos VDAC (nuo el.krūvio priklausomu anijonų kanalu) ir MCU kanalu (mitochondrijos Ca2+ uniporteriu) ir tik iš dalies su Na+/Ca2+ keitikliu, NCX. Bendrai, iš šių duomenų aišku, kad CBD įtakotas Ca2+ srautas į mitochondriją per MCU sukelė staigią Ca2+ perkrovą, kuri paskatino mPTP atidarymą ir atitinkmai Ca2+ išleidimą į citozolį, kas galiausiai sukelia ląstelės mirtį. Kelete ląstelių modelių pastebėta, kad CBD gali paskatinti ląstelės mirtį per tiesioginį VDAC kanalo veikimą, įtakodamas jo praeinamumą. Ši VDAC būklė pasireiškia tuo, kad sumažinamas metabolitų transportas ir padidinamas Ca2+ pralaidumas. (3 pav.)

3 pav. CBD poveikio T-ALL ląstelėms veikimo mechanizmas.
3 pav. CBD poveikio T-ALL ląstelėms veikimo mechanizmas.

Svarbu paminėti, kad daugelis leukemijos ląstelių fenotipų VDAC raiška yra padidinta, palyginus su sveikomis ląstelėmis ir padaugėja taikant chemoterapiją. O šis padidėjimas teigiamai koreliuoja su vėžinių ląstelių mirtimi, taikant priešvėžinius preparatus. Svarbu dar ir tai, kad naiviosios T ląstelės, kurios sudaro didžiąją limfocitų dalį, buvo atsparios CBD ir išlaikė savo gebėjimą aktyvuotis reaguojant į antigenus. Sveikos aktyvuotos T ląstelės buvo jautrios CBD, tačiau vėžio pacientuose su nusilpusiu imunitetu ši populiacija maža, Tolesni tyrimai turėtų atsakyti į klausimus dėl tinkamos efektyvios CBD dozes taikymo. Turint omenyje mitochondrijos esminį vaidmenį onkogeniniame perprogramavime, CBD gali būti rimtas kandidatas įtraukimui į gydymo protokolus.[3].

Išvada

Kaip rodo minėti modeliai, CBD veikia su mitochondrijomis susijusius kalcio jonų srautus priklausomai nuo patologijos pobūdžio ir atlieka reguliacinį vaidmenį. CBD gali mažinti Ca2+ lygį, kai jis nenormaliai padidėjęs ir turėti neuroprotekcinį poveikį, o kitu atveju, vėžio ląstelėse, CBD įtakoti Ca2+ srautai gali lemti apoptotinius mechanizmus.

Šaltiniai:

  1. Calcium and ROS: A mutual interplay, Agnes Görlach, Katharina Bertram, Sona Hudecova, Olga Krizanovac;
  2. Cannabidiol Targets Mitochondria to Regulate Intracellular Ca2+ Levels, Duncan Ryan, Alison J. Drysdale, Carlos Lafourcade, Roger G. Pertwee, Bettina Plattcorresponding author;
  3. Cannabidiol directly targets mitochondria and disturbs calcium homeostasis in acute lymphoblastic leukemia; Olivas-Aguirre, M., Torres-López, L., Valle-Reyes, J.S. et al.