plik

424

www.postepybiochemii.pl

Karol Urbański
Michał Nowak
Tomasz J. Guzik



Małopolski Ośrodek Medycyny Translacyjnej,

Katedra i Klinika Chorób Wewnętrznych i Me-

dycyny Wsi, Uniwersytet Jagielloński, Colle-

gium Medicum



Katedra i Klinika Chorób Wewnętrznych

i Medycyny Wsi, Uniwersytet Jagielloński

Collegium Medicum, ul. Skarbowa 1, Kraków;

tel.: (12) 63 30 003, faks: (12) 63 10 440, e-mail:

t.guzik@uj.edu.pl

Artykuł otrzymano 9 października 2013 r.

Artykuł zaakceptowano 23 października

2013 r.

Słowa kluczowe: stres oksydacyjny, reaktyw-

ne formy tlenu, śródbłonek naczyń krwiono-

śnych

Wykaz skrótów: BH2 — dihydrobiopteryna;

BH4 — tetrahydrobiopteryna; COX — cyklo-

oksygenaza; EC-SOD — zewnątrzkomórkowa

dysmutaza ponadtlenkowa; EDHF — śród-

błonkowy czynnik hiperpolaryzujący; NOS

— syntaza tlenku azotu; NOX — oksydaza

NADPH; PVAT — okołonaczyniowa tkanka

tłuszczowa; RNS — reaktywne formy azotu;

ROS — reaktywne formy tlenu; TNF — czyn-

nik martwicy nowotworów

Podziękowania: Badania zespołu związane z

tematyką pracy są finansowane przez Naro-

dowe Centrum Nauki. Dr K. Urbański reali-

zuje Diamentowy Grant Ministerstwa Nauki i

Szkolnictwa Wyższego.

Wpływ stresu oksydacyjnego na funkcjonowanie naczyń krwionośnych

STRESZCZENIE

trzymanie prawidłowej homeostazy naczyń krwionośnych jest ściśle związane z regu-

lacją produkcji reaktywnych form tlenu i azotu w ścianie naczynia krwionośnego. Do

kluczowych cząsteczek w tym procesie należą między innymi tlenek azotu (NO), anionorod-

nik ponadtlenkowy (O

•−

), nadtlenek wodoru (H

) i ich pochodne. Podczas gdy produkcja

tych czynników jest obserwowana zarówno w zdrowiu i chorobie, zachwianie równowagi

pomiędzy wytwarzaniem czynników naczynioochronnych i naczyniouszkadzających uczest-

niczy w patogenezie schorzeń sercowo-naczyniowych i jest określane mianem stresu oksy-

dacyjnego. Stres oksydacyjny powoduje i nasila stan zapalny, proliferację i migrację komó-

rek mięśniówki gładkiej, może regulować apoptozę jak i funkcję komórek ściany naczynia

stając się przyczyną między innymi dysfunkcji śródbłonka, medii oraz przydanki. W ten

sposób stres oksydacyjny staje się przyczyną chorób takich jak miażdżyca czy nadciśnienie

tętnicze, a w konsekwencji doprowadza do upośledzenia funkcjonowania wielu narządów.

Za główne źródło wolnych rodników tlenowych w ścianie naczyń, lecz także w innych narzą-

dach i tkankach, uważana jest obecnie rodzina oksydaz NADPH, na którą składa się siedem

poznanych i dość dokładnie scharakteryzowanych izoform (NOX1, NOX2, NOX3, NOX4,

NOX5, DUOX1 oraz DUOX2), o podobnej budowie lecz niejednokrotnie rozbieżnym działa-

niu i lokalizacji komórkowej. Obok szkodliwych działań coraz więcej wiemy o pozytywnym

wpływie reaktywnych form tlenu i azotu. Pełnią one wiele funkcji regulujących ekspresję

redoks-wrażliwych genów, a przez to warunkują prawidłowe funkcjonowanie komórek i

naczyń. Najdokładniej pod tym względem poznana została izoforma NOX4. Utrzymanie od-

powiedniej homeostazy zależy więc nie tylko od możliwości usuwania wolnych rodników

tlenowych, lecz przede wszystkim od utrzymania ich produkcji na właściwym poziomie.

WPROWADZENIE

W organizmie ludzkim stale dochodzi do wytwarzania reaktywnych form

tlenu (ROS) i azotu (RNS). Powstają one w szeregu procesów fizjologicznych,

w szczególności w związku z transportem elektronów w mitochondriach, i peł-

nią istotne funkcje regulatorowe w organizmie. Wpływają na przekaźnictwo

sygnału w komórkach, proliferację, różnicowanie oraz apoptozę komórek [1].

Aktywność oksydaz komórkowych oraz ilość i stężenie produkowanych przez

nie wolnych rodników nie jest stała i zależy od działania na komórki czynników

środowiskowych, a także od zmienności genetycznej. Podobnie zmienna jest

ekspresja i aktywność układów antyoksydacyjnych w komórkach. Sytuacja w

której pod wypływem endo- lub egzogennych czynników dochodzi do przewa-

gi procesów prooksydacyjnych nad antyoksydacyjnymi jest określana mianem

stresu oksydacyjnego. Sytuacja ta doprowadza np. do nadmiernej peroksydacji

lipidów i tym samym niszczenia błon komórkowych, czy też do zmian w DNA,

wywołujących mutacje i nowotworzenie [2]. Podczas, gdy początkowo stres

oksydacyjny definiowano na poziomie całego organizmu, w ostatnich latach

zwrócono uwagę, iż do zaburzeń równowagi oksydacyjno-antyoksydacyjnej,

które mają istotne konsekwencje dla homeostazy, może dochodzić na poziomie

pojedynczych komórek, a nawet przestrzeni subkomórkowych, bez modyfika-

cji całkowitego stanu redoks organizmu czy komórki. Rewolucjonizuje to na-

sze rozumienie stresu oksydacyjnego, ale też stwarza trudność w klinicznych

pomiarach tak zwanego „stresu oksydacyjnego” np. poprzez pomiar stężenia

wybranych produktów oksydacji we krwi czy moczu pacjentów [3,4].

Wyniki prowadzonych ostatnio badań wskazują na znaczącą rolę stresu

oksydacyjnego w ścianie naczyniowej w patofizjologii chorób sercowo-naczy-

niowych, takich jak miażdżyca i nadciśnienie tętnicze. Jest on ściśle związany z

toczącym się w objętych procesem chorobowym naczyniach stanem zapalnym.

Dotyczy każdej warstwy naczynia, począwszy od kluczowego dla prawidłowej

funkcji naczyń śródbłonka, poprzez komórki mięśniówki gładkiej, które w na-

czyniach krwionośnych są ilościowo szczególnie obfitym źródłem oksydantów,

aż po tkanki otaczające naczynie jak tkanka tłuszczowa okołonaczyniowa. Rze-

czywiście w stanach patologii naczyń krwionośnych dochodzi do zwiększonej

syntezy i dysfunkcji szeregu układów enzymatycznych produkujących wolne

Postępy Biochemii 59 (4) 2013

425

rodniki tlenowe. Skupiając się jednak na roli reaktywnych

form tlenu w patologii, często zapominamy, że ich fizjolo-

giczny poziom jest równie istotny dla utrzymania prawidło-

wego funkcjonowania tkanek i narządów.

STRES OKSYDACYJNY I JEGO ŹRÓDŁA

Do reaktywnych form tlenu i azotu zaliczamy między

innymi: H

(nadtlenek wodoru), NO (tlenek azotu), O

•−

(anionorodnik ponadtlenkowy), ONOO

–

(nadtlenoazotyn),

HOCl (kwas podchlorawy), HO• (rodnik wodorotlenowy).

W komórce istnieje wiele układów enzymatycznych uczest-

niczących w produkcji reaktywnych form tlenu, między in-

nymi: oksydazy NADPH, mitochondrialny szlak transportu

elektronów, cytochrom P450, oksydaza ksantynowa, czy też

dysfunkcyjna (tzw. rozprzęgnięta; ang. uncoupled) syntaza

tlenku azotu (NOS).

Oksydazy NADPH są ważną rodziną enzymów, wytwa-

rzającą ROS w niemal każdej komórce organizmu, zarów-

no w sytuacjach fizjologicznych jak i w szeregu patologii

naczyniowych. Opisano dotychczas siedem jej izoform,

spośród których w naczyniach krwionośnych stwierdza

się NOX1, NOX2, NOX4 oraz NOX5. Ich synteza i aktyw-

ność jest zwiększona między innymi w sytuacjach patolo-

gicznej angiogenezy, nadciśnienie tętniczego, choroby nie-

dokrwiennej serca czy też w mikro- i makroangiopatii cu-

krzycowej [5]. Anionorodnik ponadtlenkowy jest jednym z

podstawowych produktów wytwarzanych przez oksydazy

NADPH. Wykazuje on znaczną zdolność modyfikacji białek

oraz nukleotydów w komórce, co wpływa na szereg funkcji

komórki, a także może zwiększyć wytwarzanie pozostałych

ROS, jako produktów przemiany O

•−

[6].

jest cząsteczką znacznie bardziej stabilną niż O

•−

dzięki czemu odgrywa kluczową rolę w przekaźnictwie sy-

gnału, zarówno wewnątrz- jak i międzykomórkowo. Szereg

czynników transkrypcyjnych wykazuje wrażliwość na stan

redoks i jest regulowanych między innymi poprzez działa-

nie H

. Wśród nich jednym z najważniejszych jest NF-κB,

niezwykle istotny regulator procesu zapalnego oraz odpor-

ności swoistej (Ryc. 1) [7]. HOCl powstaje przede wszyst-

kim w fagocytach przy udziale mieloperoksydazy. Ma on

silne właściwości utleniające głównie białka, ale także DNA

i tłuszcze [8]. Podczas, gdy wstępne badania koncentro-

wały się na roli O

•−

oraz H

w patologii naczyniowej, w

ostatnich latach coraz wyraźniej rozumiemy, iż zwiększona

aktywność mieloperoksydazy jest ważnym wykładnikiem

ryzyka sercowo-naczyniowego.

Jednym z pierwszych mechanizmów, w stosunku do któ-

rych rola wolnych rodników tlenowych została zidentyfiko-

wana, jest wybuch tlenowy w komórkach fagocytujących.

Jest to jeden z podstawowych mechanizmów nieswoistej

odpowiedzi immunologicznej. Wybuch tlenowy stano-

wi pierwszą linię obrony przed czynnikami infekcyjnymi.

To właśnie w związku z wybuchem tlenowym została w

komórkach fagocytarnych scharakteryzowana oksydaza

NADPH, teraz znana jako NOX2.

Jest to szczególna grupa enzymów, ponieważ ich jedyną

poznaną dotąd funkcją jest produkcja wolnych rodników,

głównie O

•−

. Wykształcenie takiego systemu, ewolucyjnie

najpewniej w celu zabijania bakterii w nieswoistych reak-

cjach odpornościowych, jest jednak bronią obosieczną, gdyż

pełni istotną funkcję ochronną, ale niekontrolowana pro-

dukcja nadmiaru ROS niesie za sobą szereg zagrożeń. Dla-

tego tak ważnym elementem regulacji stresu oksydacyjnego

są endogenne systemy antyoksydacyjne. Endogennymi en-

zymami przeciwutleniającymi są np. dysmutaza ponadtlen-

kowa, katalaza, peroksydaza glutationowa czy cerulopla-

zmina. Nieenzymatycznymi elementami antyoksydacyjny-

mi są białka wiążące metale jak albumina czy haptoglobina

oraz tak zwane endogenne zmiatacze wolnych rodników,

jak np. glutation, ubikwinon czy kwas moczowy [9].

STRES OKSYDACYJNY A NACZYNIA KRWIONOŚNE

Naczynia krwionośne składają się z trzech warstw. Bło-

na wewnętrzna, intima, jest zbudowana z pojedynczej war-

stwy komórek śródbłonka. Warstwę środkową, określaną

mianem media, stanowią ułożone okrężnie mięśnie gładkie

odpowiedzialne za reakcje naczynioruchowe. Zewnętrzna

warstwa to przydanka zbudowana głównie z tkanki łącz-

nej. Reaktywne formy tlenu mogą być produkowane w

każdej z tych warstw wpływając na ich funkcjonowanie.

Co więcej, także tkanka tłuszczowa znajdująca się w bezpo-

średniej bliskości warstwy zewnętrznej, mimo że nie stano-

wi per se ściany naczynia, może wywierać znaczny wpływ

na czynność naczyń, będąc źródłem szeregu substancji

wazoaktywnych, a także stresu oksydacyjnego [3].

ŚRÓDBŁONEK

Prawidłowa funkcja naczyń zależy w głównej mierze od

komórek śródbłonka naczyniowego. Prawidłowo funkcjo-

nujący śródbłonek odgrywa rolę w zachowaniu odpowied-

niego napięcia ściany naczynia, wydziela substancje anty-

agregacyjne, reguluje angiogenezę oraz działanie układu

immunologicznego i reakcje zapalne w ścianie naczyniowej

[10]. Zaburzenie tych ochronnych funkcji określa się mia-

nem dysfunkcji śródbłonka. Termin ten został wprowadzo-

ny w połowie lat osiemdziesiątych [11], gdy zaobserwo-

wano kluczową rolę śródbłonka naczyniowego w regulacji

funkcji naczyń krwionośnych. Pierwsza obserwacja do-

tyczyła faktu iż do rozkurczu naczynia w odpowiedzi na

acetylocholinę niezbędna jest nienaruszona warstwa komó-

Rycina 1. Aktywacja NF-κB przez ROS wywołuje wzrost tempa syntezy chemo-

kin, cytokin oraz cząsteczek adhezyjnych, aktywując śródbłonek oraz adhezję

komórek zapalnych.

426

www.postepybiochemii.pl

rek śródbłonka. Podczas gdy dysfunkcja rozkurczowa jest

do dziś uważana za podstawową manifestację dysfunkcji

śródbłonka, ze względu na wielokierunkową rolę komórek

śródbłonkowych upośledzenie ich funkcji może się wyrażać

na wielu innych płaszczyznach, jak np. profil wydzielanych

cytokin, synteza cząsteczek adhezyjnych, rekrutacja ko-

mórek zapalnych, czy zdolność antyagregacyjna. W wielu

tych mechanizmach bierze udział tlenek azotu (NO), dla-

tego głównym narzędziem do pomiaru funkcji śródbłonka

pozostaje właśnie ocena jego biodostępności. Możemy ją

określać nieinwazyjnie oceniając rozkurcz zależny od prze-

pływu krwi (FMD, ang. Flow Mediated Dilation) za pomocą

ultrasonografii lub inwazyjnie obserwując rozkurcz naczyń

po dotętniczym (np. dowieńcowym) podaniu substancji na-

czyniorozkurczowych jak acetylocholina [12]. Funkcję śród-

błonka można wreszcie określić ex vivo na wyizolowanych

krążkach naczyniowych dodając acetylocholinę i oceniając

rozkurcz naczynia. Podczas gdy ta ostatnia technika jest kli-

nicznie mało użyteczna, jej rola w doświadczalnym badaniu

mechanizmów dysfunkcji naczyniowej jest nieoceniona.

Choć dysfunkcja rozkurczowa śródbłonka może być

spowodowana wieloma mechanizmami wywołującymi

zmniejszoną produkcję substancji naczynioochronnych,

zaobserwowano, iż wspólnym mianownikiem stanów cho-

robowych związanych z dysfunkcją śródbłonka jest stres

oksydacyjny [13]. Centralną rolę w tym procesie odgrywa-

ją z kolei oksydazy NADPH, których nasilona aktywacja i

ekspresja nie tylko powoduje zaburzenia biodostępności

NO, ale wyzwala następnie uwalnianie wolnych rodni-

ków z innych źródeł enzymatycznych, powodując dys-

funkcję oksydazy ksantynowej, syntazy tlenku azotu czy

dysfunkcję oksydaz mitochondrialnych [14]. Podstawo-

wym mechanizmem w jakim reaktywne formy tlenu mogą

upośledzać biodostępność tlenku azotu jest bezpośrednia

reakcja anionorodnika ponadtlenkowego (O

•−

) z NO [15].

Zmniejsza się stężenie NO i powstaje wysoce reaktywny

nadtlenoazotyn (ONOO

–

). Poza tym bezpośrednim działa-

niem hamowane są trzy główne szlaki odpowiedzialne za

rozkurcz naczyń: produkcja NO, produkcja prostacykliny,

aktywność EDHF (ang. Endothelium Derived Hyperpolarizing

Factor, śródbłonkowy czynnik hiperpolaryzujący, jak dotąd

niezidentyfikowany czynnik naczyniorozkurczający). Co

więcej, O

•−

oraz ONOO

hamują cyklazę guanylową, głów-

ny enzym aktywowany przez NO w mięśniówce gładkiej i

prowadzący do rozkurczu naczynia [16].

Rodnik ONOO

wpływa na produkcję NO rozprzęgając

śródbłonkową syntazę tlenku azotu (eNOS) poprzez dwa

mechanizmy: i) utleniając kompleksy cynku wchodzące

w skład enzymu, oraz ii) utleniając ważny kofaktor jakim

jest tetrahydrobiopteryna (BH4) do dihydrobiopteryny

(BH2) [16]. Rozprzęgnięta synteza tlenku azotu nie produ-

kuje NO i przyczynia się do zwiększenia stresu oksydacyj-

nego uwalniając O

•−

. Dzieje się tak, ponieważ monomer

eNOS, powstający w wyniku braku BH4 (BH4 warunkuje

dimeryzację enzymu) nie jest w stanie dokonać skuteczne-

go przeniesienia elektronów na L-Argininę i przekazuje je

bezpośrednio na tlen cząsteczkowy. Ponadto ONOO

ha-

muje syntazę prostacykliny przyczyniając się do obniżenia

produkcji kolejnego naczyniorozkurczającego czynnika.

ONOO

–

może również regulować syntezę i aktywność dys-

mutaz ponadtlenkowych (a w szczególności zewnątrzko-

mórkowej EC-SOD) katalizujących rozkład anionorodnika

ponadtlenkowego [13]. Interesujący jest również wpływ

ROS na szlak związany z EDHF. Długotrwała ekspozycja

na O

•−

powoduje zmniejszenie aktywności kanałów pota-

sowych odpowiedzialnych za rozkurcz naczyń zależny od

szlaku EDHF. O

•−

wpływa na funkcję kanałów SKCa i IKCa

zależnych od wapnia, znajdujących się w komórkach śród-

błonka. Potencjał hiperpolaryzujący rozprzestrzenia się na

komórki mięśniówki gładkiej poprzez międzykomórkowe

połączenia szczelinowe (ang. gap junctions). Stres oksyda-

cyjny wpływa również na zmniejszenie ilości tych połączeń

co skutkuje upośledzonym rozkurczem [13]. Co ciekawe,

rola ROS w regulacji rozkurczu naczyniowego jest jeszcze

bardziej złożona, gdyż jak zaobserwowano, jednym z kan-

dydatów na EDHF jest H

. Jest to jeden z przykładów na

potencjalne kompensacyjne działanie ROS, w którym H

mediuje rozkurcz w celu utrzymania prawidłowej funkcji

wazomotorycznej w sytuacji niedoboru NO i PGI2.

Podczas, gdy stres oksydacyjny upośledza rozkurcz na-

czyń, może również pośredniczyć w ich patologicznej od-

powiedzi skurczowej. O

•−

działając na komórki mięśniówki

gładkiej bezpośrednio wywołuje aktywację aparatu skur-

czowego. Poza tym skurcz jest również mediowany poprzez

zwiększenie wrażliwości szlaków przekaźnictwa sygnałów

wewnątrzkomórkowych prowadzących do uwalniania jo-

nów wapnia w komórkach mięśni gładkich [17] oraz przez

zwiększenie aktywności cyklooksygenazy 1 (COX1) i pro-

dukcję przez nią czynników naczynioskurczowych [18].

Poza wpływem na reakcje naczynioruchowe reaktywne

formy tlenu uszkadzają białka, lipidy i DNA oraz aktywują

geny odpowiedzialne za angiogenezę, proliferację komó-

rek i stan zapalny [4]. ROS utleniając cząsteczki LDL mogą

zwiększać ich immunogenność (choć aspekt ten jest obecnie

szeroko dyskutowany i poddawany w wątpliwość), a także

sprzyjać ich wnikaniu przez dysfunkcyjny śródbłonek do

ściany naczynia, a następnie wychwytywaniu ich przez ma-

krofagi i tworzeniu komórek piankowatych. Uważa się, że

reaktywne formy tlenu wpływają na ekspresję genów bez-

pośrednio, poprzez tworzenie mostków dwusiarczkowych

w łańcuchach DNA lub pośrednio, hamując fosfatazy tyro-

zynowe i przesuwając równowagę w kierunku kinaz tyro-

zynowych. Prowadzi to do fosforylacji, a zarazem aktywa-

cji kolejnych enzymów szlaków przekaźnictwa sygnału w

komórkach [19]. Aktywowany jest również czynnik trans-

krypcyjny NF-κB [4], co prowadzi do nasilania produkcji

cytokin takich jak interleukina 6 (IL-6), chemokin (MCP-1,

ang. monocyte chemoatractant peptide 1), cząsteczek adhezyj-

nych takich jak E-selektyna, ICAM-1 (ang. intercellular adhe-

sion molecule-1), VCAM-1 (ang. vascular cell adhesion molecu-

le-1) oraz aktywacji komórek śródbłonka i adhezji komórek

zapalnych takich jak monocyty i limfocyty [20].

Cechą komórek śródbłonka jest ich zdolność do tworze-

nia nowych naczyń, czyli angiogenezy. Ma ona miejsce za-

równo fizjologicznie, w embriogenezie i podczas regeneracji

tkanek, jak i w stanach patologicznych takich jak cukrzyca,

powstawanie blaszki miażdżycowej i procesy nowotwo-

rzenia. Reaktywne formy tlenu odgrywają znaczącą rolę w

angiogenezie zachodzącej w czasie wzrostu guza nowotwo-

Postępy Biochemii 59 (4) 2013

427

rowego, a antyoksydanty ją hamują. Wpływ ten zachodzi

poprzez różne mechanizmy. H

produkowany przez

NOX-1 powoduje wzrost produkcji śródbłonkowego czyn-

nika wzrostu (vascular endothelial growth factor, VEGF)

i jego receptora w guzie nowotworowym [21]. Natomiast

brak NOX2 skutkuje upośledzoną angiogenezą w trakcie

hipoksji, częściowo przez zmniejszoną rekrutację komórek

progenitorowych ze szpiku kostnego [22]. Okazuje się, że w

innych warunkach możliwa jest reakcja całkiem odwrotna.

Nadmiar ROS może prowadzić do upośledzonej angioge-

nezy zależnej od angiotensyny II w odpowiedzi na niedo-

krwienie. Jej wpływ na tworzenie nowych naczyń zależy

więc od poziomu nasilenia stresu oksydacyjnego. Nadmiar

ROS upośledza angiogenezę, natomiast przy niskiej pro-

dukcji ROS tworzenie krążenia obocznego jest możliwe [23].

Pokazuje to złożoność procesów zależnych od stresu oksy-

dacyjnego oraz zwracam uwagę, że wpływ ten może być

wielokierunkowy. Celem stojącym przed nauką powinno

być takie poznanie tych mechanizmów, aby możliwa była

ich odpowiednia korekcja i przestawienie na właściwy tor.

KOMÓRKI MIĘŚNIÓWKI GŁADKIEJ

W warunkach normy głównym zadaniem komórek mię-

śniówki gładkiej jest utrzymanie prawidłowego napięcia

ściany naczynia, co warunkuje prawidłową regulację prze-

pływu krwi. Jednak patologicznie zaktywowane komórki

mięśniówki gładkiej zyskują zdolność do proliferacji, mi-

gracji i produkcji białek macierzy pozakomórkowej [24].

Procesy te mają kluczowe znaczenie dla propagacji rozwoju

dysfunkcji naczyniowej i powstawania blaszki miażdżyco-

wej. Stres oksydacyjny odgrywa kluczową rolę w przeroście

mięśniówki gładkiej stymulując proliferację i migrację tych

komórek. Dzieje się tak zarówno na skutek bezpośredniego

działania anionorodnika ponadtlenkowego oraz poprzez

brak tlenku azotu posiadającego istotne własności antypro-

liferacyjne. Zjawisko to leży u podstaw dostosowania się

do zmieniających się warunków hemodynamicznych przez

naczynia w formie tzw. remodelingu, czemu towarzyszą

zmiany grubości ściany i światła naczynia. Możemy wy-

różnić przerost koncentryczny, w którym zwęża się światło

naczynia, media ulega pogrubieniu, a całkowity przekrój

naczynia nie ulega zmianie. Zmiany takie zachodzą np. w

trakcie formowania stabilnej blaszki miażdżycowej. Dru-

gim typem jest przerost ekscentryczny. Zwiększeniu ulega

całkowity przekrój naczynia, rozmiar komórek i dochodzi

do akumulacji białek macierzy pozakomórkowej. Zmiany

takie towarzyszą nadciśnieniu. Uważa się, że reaktywne

formy tlenu pochodzące z oksydaz NADPH odgrywają

ważną rolę zarówno w pierwszym, jak i drugim typie re-

modelingu. Podkreśla się tu udział głównie izoform NOX1

i NOX2 [25].

Podczas przebudowy ściany naczynia dochodzi do de-

gradacji i reorganizacji białek macierzy zewnątrzkomórko-

wej. Głównymi enzymami odpowiedzialnymi za ten proces

są metaloproteinazy (MMP). Ich nadmierna aktywność pro-

wadzi też do przebudowy blaszki miażdżycowej sprzyjając

jej pęknięciu, co leży u podstaw roli stresu oksydacyjnego

w regulacji stabilności blaszki miażdżycowej. Metaloprote-

inazy są aktywowane przez reaktywne formy tlenu pocho-

dzące z oksydaz NADPH w odpowiedzi na takie czynniki

jak angiotensyna II [26], czy mechaniczne zmiany napięcia

naczyń [27].

Procesy leżące u podstaw przemiany fenotypu komórek

są złożone, jednak mają w tym swój udział również reak-

tywne formy tlenu. Kluczową rolę odgrywa w komórkach

mięśniówki gładkiej oksydaza NOX1. To ona jest aktywo-

wana przez większość czynników pronadciśnieniowych

oraz promiażdżycowych. Zahamowanie produkcji ROS

przez NOX1 hamuje proliferację mięśniówki gładkiej pod-

dawanej działaniu angiotensyny II, natomiast zwiększona

aktywność NOX1 prowadzi do jej rozrostu i tworzenia neo-

intimy, predysponującego do rozwoju blaszki miażdżyco-

wej [28]. Mechanizmy molekularne prowadzące do takiej

przemiany komórek pod wpływem stresu oksydacyjnego

są jedynie częściowo poznane i obejmują aktywację szla-

ków sygnałowych związanych z czynnikami wzrostu m.in.

przez hamowanie fosfataz tyrozynowych oraz utlenianie

białek przez H

Migracja mięśni gładkich jest fizjologicznym procesem

zachodzącym podczas rozwoju układu naczyniowego jak i

w odpowiedzi na uszkodzenie tkanek. Zachodzi ona jednak

również w blaszce miażdżycowej. Komórki mięśni gładkich

przechodzą z warstwy środkowej naczynia do przestrze-

ni podśródbłonkowej i powodują jej pogrubienie. Mimo,

że wpływ ROS na zmiany zachodzące w naczyniu skupiał

znaczną uwagę badaczy, to stosunkowo niewiele wiado-

mo o udziale reaktywnych form tlenu w migracji mięśni

gładkich naczyń. Pierwsza praca na ten temat ukazała się

w 1995 roku, w której pokazano, że H

jest niezbędny do

migracji komórek mięśniówki gładkiej naczyń w odpowie-

dzi na PDGF (czynnik wzrostu pochodzący z płytek krwi)

[29]. Następnie okazało się, że wymagana jest również do

tego procesu izoforma NOX1 oksydazy NADPH. Dalsze

badania pokazały, że migracja komórek także w odpowie-

dzi na inne czynniki takie jak VEGF, FGF (czynnik wzrostu

fibroblastów) jest zależna od ROS. Natomiast katalaza, czy

apocynina (inhibitor oksydazy NADPH) hamują tą odpo-

wiedź. Warto dodać, że oprócz NOX1, również NOX4 od-

grywa rolę w migracji zależnej od IGF-1 (insulinopodobny

czynnik wzrostu) [30]. Jest to o tyle istotne, że NOX4 może

niekiedy wykazywać działanie przeciwstawne do NOX1 i

NOX2 i ochronne w stosunku do naczyń.

PRZYDANKA

Znaczenie przydanki i procesów w niej zachodzących dla

regulacji funkcji naczyń krwionośnych jest w znacznej mie-

rze niedoceniane. Jednakże, już w 1915 roku zauważono gro-

madzenie się komórek zapalnych w przydance wokół zmie-

nionych miażdżycowo naczyń [31]. Obecnie wiemy, że nie

stanowi ona jedynie mechanicznej podpory naczyń, ale ma

znaczny wpływ na ich funkcjonowanie. Jest rezerwuarem

komórek zapalnych, takich jak makrofagi, limfocyty i ko-

mórki dendrytyczne, a produkowane w niej reaktywne for-

my tlenu mogą docierać do śródbłonka i medii, zaburzając

biodostępność tlenku azotu i upośledzając funkcję naczyń.

Przydanka pośredniczy także w komunikacji naczynia z

tkankami otaczającymi jak tkanka tłuszczowa [32]. W przy-

dance zlokalizowanych jest bardzo wiele różnych typów

komórek, między innymi fibroblasty, makrofagi, limfocyty,

428

www.postepybiochemii.pl

komórki dendrytyczne, czy komórki śródbłonka tworzące

vasa vasorum (naczynia odżywiające ścianę naczyń). Mają w

niej również swoje zakończenia włókna nerwowe. Jesteśmy

dopiero na początku drogi do poznania ich wzajemnych za-

leżności.

Przydanka, podobnie jak pozostałe warstwy ściany na-

czynia, jest istotnym źródłem reaktywnych form tlenu, któ-

re są produkowane przede wszystkim przez fibroblasty, jak

również przez komórki układu immunologicznego. Komór-

ki zapalne oprócz produkcji wolnych rodników wydzielają

liczne cytokiny modulujące funkcje zarówno ich samych jak

i innych komórek. Cytokiny mają także znaczny wpływ na

produkcję wolnych rodników regulując aktywność kluczo-

wych enzymów je produkujących, jak oksydaza NADPH

[33]. W przydance jest też produkowany sam NO. Pocho-

dzi on, między innymi, z zakończeń włókien nerwowych. Z

drugiej strony, obecne są także włókna adrenergiczne uwal-

niające czynniki naczynioskurczowe. Bliskość okołonaczy-

niowej tkanki tłuszczowej, (PVAT, ang. perivascular adipose

tissue) prowadzi do nieustannego oddziaływania pomiędzy

PVAT, a przydanką, zarówno w odniesieniu do regulacji

stresu oksydacyjnego jak i kontroli rozwoju reakcji zapal-

nych w ścianie naczyń.

Okołonaczyniowa tkanka tłuszczowa jest bardzo czynna

metabolicznie i produkuje szereg substancji o działaniu za-

równo ochronnym jak i prozapalnym. Jest ona często fizycz-

nie powiązana z przydanką i odgrywa znaczny wpływ na

naczynia. Poza obecnością wyżej wymienionych komórek

i nerwów jest ona źródłem adipokin, czyli cytokin produ-

kowanych w tkance tłuszczowej [34]. Niektóre z nich mają

pozytywny wpływ na funkcje naczyń, jak adiponektyna, a

inne negatywny, jak leptyna. Uważa się, że przydanka jest

głównym źródłem O

•−

produkowanego w ścianie naczy-

nia [35]. Powstaje przy tym pytanie, czy produkowany w

przydance O

•−

, który jest bardzo niestabilny i może dyfun-

dować jedynie na odległość kilku mikrometrów jest w sta-

nie oddziaływać z NO pochodzenia śródbłonkowego. NO

charakteryzuje jednak duża zdolność do dyfuzji i zachodzi

ona szybciej niż zdąży on zareagować z cyklazą guanylo-

wą. Wobec tego uwalniany w śródbłonku NO dyfundując

w poprzek ściany naczynia może być unieczynniony przez

powstający w przydance O

•−

. Innymi mechanizmami dzia-

łania naczynioskurczowego ROS pochodzenia przydan-

kowego jest oddziaływanie bezpośrednie na mięśniówkę

gładką przez aktywację kinaz MAP lub pośrednie, przez

pobudzanie jej i innych komórek do uwalniania substancji

wazokonstrykcyjnych, jak białka szoku cieplnego czy pro-

staglandyna H2 [32].

Stres oksydacyjny reguluje funkcjonowanie komórek

układu immunologicznego. Jest to istotne, gdyż zarówno

przydanka jak i PVAT są miejscem infiltracji komórek zapal-

nych, które np. w mysim modelu miażdżycy przyjmują po-

stać trzeciorzędowych, zorganizowanych struktur układu

odpornościowego obejmujących obecność tak limfocytów T

jak i limfocytów B. Mogą one być dodatkowo rekrutowane

i aktywowane poprzez zmieniony pod wpływem ROS, im-

munogenny śródbłonek. Takie zapalne milieu ma kluczowe

znaczenie w początkowych stadiach rozwoju miażdżycy

[36] i nadciśnienia tętniczego [37]. Mówi się także o kon-

cepcji „out-in” regulacji funkcji naczyń. Wedle niej również

substancje produkowane na zewnątrz naczyń oddziaływają

na ich czynność. Mimo, że dokładny mechanizm do tego

prowadzący nie jest znany, coraz więcej danych wskazu-

je na znaczącą rolę stresu oksydacyjnego. Aktywuje on,

podobnie jak w śródbłonku, syntezę cytokin, chemokin i

czynników adhezyjnych, potęgując stan zapalny. Wydzie-

lane substancje powodują naciek komórek zapalnych i ich

aktywację. Te z kolei, uwalniając mediatory zapalne, jak

TNF-alfa, zwiększają aktywność oksydaz NADPH zamyka-

jąc błędne koło [38]. Ostatnie badania wskazują na znaczną

rolę izoform NOX2, NOX4 oraz NOX5 w tym procesie [39].

Produkcja ROS w okołonaczyniowej tkance tłuszczowej

jest zwiększona między innymi pod wpływem wysokiego

poziomu glukozy lub otyłości [3]. W przypadku otyłości

może to wynikać ze zwiększonego stężenia kwasów tłusz-

czowych w adipocytach, powodującego wzrost aktywno-

ści NOX, jak również ze zwiększenia objętości adipocytów

oraz całej tkanki tłuszczowej. Prowadzi to do uszkodzenia

komórek oraz do hipoksji. W odpowiedzi na to zwiększa

się produkcja ROS, cytokin prozapalnych i naciek zapalny.

Ostatnio pokazano, że produkcja adiponektyny w PVAT

jest indukowana przez zwiększoną produkcję O

•−

w na-

czyniu. Następnie wykazując efekt parakrynny na zasadzie

sprzężenia zwrotnego ujemnego adiponektyna powoduje

zmniejszenie aktywności oksydazy NADPH oraz utrzymu-

je eNOS w stanie sprzęgniętym, czyli zdolnym do produkcji

NO [40].

KLINICZNE ZNACZENIE STRESU OKSYDACYJNEGO

Mechanizmy omówione powyżej wskazują na potencjal-

nie istotne znaczenie stresu oksydacyjnego w regulacji funk-

cji naczyń krwionośnych. Ważnym problemem jest obecnie

określenie, jakie praktyczne znaczenie mają te mechanizmy

dla rozwoju dysfunkcji narządów, szybszego postępu cho-

rób, czy zwiększenia śmiertelności. Poziom stresu oksyda-

cyjnego jest podwyższony u pacjentów z miażdżycą, nadci-

śnieniem, cukrzycą, stanem przedrzucawkowym, otyłością,

jak i praktycznie z wszystkimi pozostałymi schorzeniami

układu sercowo-naczyniowego [41]. Produkcja wolnych

rodników tlenowych koreluje zarówno z upośledzoną funk-

cją śródbłonka, jak i z liczbą czynników ryzyka miażdżycy

[42]. Stres oksydacyjny może być również efektem ubocz-

nym niektórych działań terapeutycznych, jak angioplastyka

naczyń wieńcowych [6]. Zabiegi takie, mimo oczywistych

korzyści, prowadzą także do zwiększonej produkcji ROS i

następnie do restenozy lub zakrzepicy, a zapobieganie nad-

produkcji ROS w trakcie tych procedur może stanowić cenne

narzędzie w zapobieganiu restenozie. Kliniczne znaczenie

stresu oksydacyjnego nie ogranicza się jednak do schorzeń

układu sercowo-naczyniowego i obejmuje również zespół

Parkinsona, chorobę Alzheimera, gdzie wykazano korelację

pomiędzy wzrostem produkcji białka Aβ, a działaniem pro-

oksydantów [43]. Podobnie wziewne alergeny mają wpływ

na zwiększoną produkcję wolnych rodników w drogach

oddechowych, pośrednicząc w rozwoju schorzeń takich jak

astma oskrzelowa [44]. ROS wykazują znaczenie klinicz-

ne w nadciśnieniu płucnym, retinopatii cukrzycowej [45],

uszkadzaniu komórek beta w cukrzycy [46,47] i w zapale-

niu trzustki [48]. Oksydaza NADPH odgrywa także kluczo-

Postępy Biochemii 59 (4) 2013

429

wą rolę w nerkach (NOX4 nazwano nawet Renox), gdzie na

skutek działania wolnych rodników dochodzi do wzmożo-

nej fibrogenezy, tym samym włóknienia nerek z postępem

ich przewlekłej choroby [49].

FIZJOLOGICZNA ROLA STRESU OKSYDACYJNEGO

Reaktywne formy tlenu i azotu są produkowane w naczy-

niach krwionośnych również w warunkach fizjologicznych

i są niezbędne do ich prawidłowego funkcjonowania, choć

wiedza o ich znaczeniu fizjologicznym jest uboższa, niż zro-

zumienie roli w patologii. Podstawowa produkcja ROS, po-

przez aktywację czynnika transkrypcyjnego Nrf2 prowadzi

do syntezy czynników antyoksydacyjnych w naczyniach

krwionośnych, co ma na celu zachowanie odpowiedniej ho-

meostazy [50]. W prawidłowych warunkach przepływ krwi

w naczyniach ma charakter laminarny, w odróżnieniu od

przepływu turbulentnego w miejscach różnych przeszkód

lub zwężeń. Taki laminarny przepływ indukuje produkcję

w komórkach śródbłonka homologu oksydaz NADPH —

NOX4. Jest to szczególny typ oksydazy NADPH, ponieważ

produkuje on głównie H

oraz charakteryzuje się kon-

stytucjonalną aktywnością [51]. Nadtlenek wodoru może

wykazywać działania naczyniorozkurczające, powodować

obniżenie ciśnienia, a u myszy z nadprodukcją NOX4 obser-

wowano poprawę funkcji naczyń zależną od H

Uważa się, że poziom ROS w warunkach fizjologicznych,

poprzez wpływ na czynnik HIF-1alfa i VEGF, służy jako de-

tektor poziomu tlenu [50]. Interesujące, że hipoksja, prowa-

dzi do wzrostu mitochondrialnej produkcji ROS. W bada-

niach nad komórkami pozbawionymi HIF-1alfa pokazano,

że utrzymująca się hipoksja prowadzi do ciągłej wzmożonej

produkcji ROS i śmierci komórki. Komórki z zachowanym

HIF-1alfa, mimo ciągłej hipoksji nie wykazywały wzmo-

żonej produkcji ROS. Wskazuje to na obecność pewnych

mechanizmów ochronnych, zwrotnie obniżających poziom

ROS [52]. Produkcja ROS wzrasta również w trakcie wy-

siłku fizycznego. Mimo to dobrze wiemy o pozytywnym

wpływie wysiłku fizycznego na stan zdrowia, a wzrost

produkcji ROS w tej sytuacji klinicznej może stanowić część

mechanizmu regulującego te obserwacje [53].

PRZECIWUTLENIACZE — TERAŹNIEJSZOŚĆ

I PRZYSZŁOŚĆ PREWENCJI I LECZENIA

W związku z rolą stresu oksydacyjnego w szeregu pato-

logii naczyniowych, przeciwutleniacze takie jak witamina

E, które mają za zadanie ochronę przed szkodliwym dzia-

łaniem reaktywnych form tlenu [54], mogą stanowić bardzo

cenne narzędzie terapeutyczne w schorzeniach układu ser-

cowo-naczyniowego. Mimo to w wielu randomizowanych

badaniach klinicznych wykazano, iż mimo kilkuletniego

stosowania witaminy E nie obserwuje się istotnego staty-

stycznie zmniejszenia ryzyka incydentów sercowo-naczy-

niowych, a przy stosowaniu większych dawek może nawet

wystąpić wzrost śmiertelności [55]. Udowodniono jednak,

iż u osób szczególnie narażonych na wzrost stresu oksy-

dacyjnego (jak podgrupa chorych z cukrzycą o genotypie

Hb2.2 dla białka haptoglobiny) wiążącego się ze zwiększo-

nym ryzykiem incydentu sercowo-naczyniowego, zasto-

sowanie witaminy E znamiennie zmniejsza ryzyko takich

incydentów [47]. Sukcesów terapeutycznych nie uzyskano

jednak w ogólnej populacji także przy stosowaniu innych

antyoksydantów, takich jak witamina A, witamina C, beta-

-karoten, selen czy cynk, wykazując podobnie jak w przy-

padku witaminy E możliwy wzrost zdarzeń zakończonych

zgonem w grupie stosującej lek w porównaniu do grupy nie

przyjmującej go [56].

Szereg leków wykazujących korzystne działanie na układ

sercowo naczyniowy i redukcję występowania incydentów

sercowo-naczyniowych wykazuje własności hamujące stres

oksydacyjny. Należą do nich leki obniżające poziom chole-

sterolu statyny (inhibitory HMG-CoA reduktazy), inhibito-

ry konwertazy angiotensyny (ACEi) oraz blokery receptora

angiotensyny (ARB) [57,58]. Dlatego też bardzo intensyw-

nie poszukuje się innych form leczenia pozwalających na

ingerencję w te subtelne mechanizmy, polegających np. na

hamowaniu różnych izoform oksydazy NADPH oraz przy-

wracaniu prawidłowej funkcji syntazy tlenku azotu czy

oksydaz mitochondrialnych [4].

PODSUMOWANIE

Stres oksydacyjny leży u podstaw wielu stanów patolo-

gicznych związanych z dysfunkcją naczyń krwionośnych.

Mimo znacznego postępu w badaniach w tym zakresie

nasza wiedza jest nadal niewystarczająca do skutecznego

zapobiegania patologicznym następstwom stresu oksyda-

cyjnego. Jest to związane z ogromną złożonością procesów

jego powstawania, regulacji i elementów na które oddzia-

łuje. Jak się okazuje wytwarzanie wolnych rodników tleno-

wych jest też niezbędne do prawidłowego funkcjonowania

komórek, tkanek i organizmu jako całości. Dlatego hamo-

wanie stresu oksydacyjnego musi zapewniać utrzymanie

tych fizjologicznych funkcji. Niewątpliwie potrzebne są dal-

sze badania nad mechanizmami regulowanymi przez ROS

i RNS. Zrozumienie ich szczegółowego działania być może

pozwoli nam na ingerencję niwelującą szkodliwe działanie

wolnych rodników, zachowując ich fizjologiczne działanie.

PIŚMIENNICTWO

1. De Marchi E, Baldassari F, Bononi A, Wieckowski MR, Pinton P (2013)

Oxidative stress in cardiovascular diseases and obesity: role of p66Shc

and protein kinase C. Oxid Med Cell Longev 2013: 564961

2. Wu D, Yotnda P (2011) Production and detection of reactive oxygen

species (ROS) in cancers. J Vis Exp 57: E3357

3. Filip M, Maciag J, Nosalski R, Korbut R, Guzik TJ (2012) Endothelial

dysfunction related to oxidative stress and inflammation in perivascu-

lar adipose tissue. Postepy Biochem 58: 186-194

4. Schramm A, Matusik P, Osmenda G, Guzik TJ (2012) Targeting

NADPH oxidases in vascular pharmacology. Vascul Pharmacol 56:

216-231

5. Wilkinson-Berka JL, Rana I, Armani R, Agrotis A (2013) Reactive oxy-

gen species, Nox and angiotensin II in angiogenesis: implications for

retinopathy. Clin Sci (Lond) 124: 597-615

6. Juni RP, Duckers HJ, Vanhoutte PM, Virmani R, Moens AL (2013) Oxi-

dative stress and pathological changes after coronary artery interven-

tions. J Am Coll Cardiol 61: 1471-1481

7. Oliveira-Marques V, Marinho HS, Cyrne L, Antunes F (2009) Role of

hydrogen peroxide in NF-kappaB activation: from inducer to modula-

tor. Antioxid Redox Signal 11: 2223-2243

8. Hawkins CL, Pattison DI, Davies MJ (2003) Hypochlorite-induced oxi-

dation of amino acids, peptides and proteins. Amino Acids 25: 259-274

430

www.postepybiochemii.pl

9. Awadallah S (2013) Protein antioxidants in thalassemia. Adv Clin

Chem 60: 85-128

10. Félétou M (2011) Multiple Functions of the Endothelial Cells, W:

Félétou M The Endothelium. Morgan & Claypool Life Sciences, San

Rafael (CA), str. 3-18

11. Furchgott RF, Zawadzki JV (1980) The obligatory role of endothelial

cells in the relaxation of arterial smooth muscle by acetylcholine. Na-

ture 288: 373-376

12. Deanfield J, Donald A, Ferri C, Giannattasio C, Halcox J, Halligan S,

Lerman A, Mancia G, Oliver JJ, Pessina AC, Rizzoni D, Rossi GP, Sa-

lvetti A, Schiffrin EL, Taddei S, Webb DJ; Working Group on Endothe-

lin and Endothelial Factors of the European Society of Hypertension

(2005) Endothelial function and dysfunction. Part I: Methodological

issues for assessment in the different vascular beds: a statement by the

Working Group on Endothelin and Endothelial Factors of the Europe-

an Society of Hypertension. J Hypertens 23: 7-17

13. Félétou M, Vanhoutte PM (2006) Endothelial dysfunction: a multiface-

ted disorder (The Wiggers Award Lecture). Am J Physiol Heart Circ

Physiol 291: H985-H1002

14. Landmesser U, Dikalov S, Price SR, McCann L, Fukai T, Holland SM,

Mitch WE, Harrison DG (2003) Oxidation of tetrahydrobiopterin leads

to uncoupling of endothelial cell nitric oxide synthase in hypertension.

J Clin Invest 111: 1201-1209

15. Gryglewski RJ, Palmer RM, Moncada S (1986) Superoxide anion is

involved in the breakdown of endothelium-derived vascular relaxing

factor. Nature 320: 454-456

16. Münzel T, Daiber A, Ullrich V, Mülsch A (2005) Vascular consequen-

ces of endothelial nitric oxide synthase uncoupling for the activity and

expression of the soluble guanylyl cyclase and the cGMP-dependent

protein kinase. Arterioscler Thromb Vasc Biol 25: 1551-1557

17. Wang YX, Zheng YM (2010) ROS-dependent signaling mechanisms

for hypoxic Ca

responses in pulmonary artery myocytes. Antioxid

Redox Signal 12: 611-623

18. Vanhoutte PM, Feletou M, Taddei S (2005) Endothelium-dependent

contractions in hypertension. Br J Pharmacol 144: 449-458

19. Kregel KC, Zhang HJ (2007) An integrated view of oxidative stress in

aging: basic mechanisms, functional effects, and pathological conside-

rations. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 292: R18-R36

20. Ghosh S, Karin M (2002) Missing pieces in the NF-kappaB puzzle. Cell

109 Suppl: S81-96

21. Arbiser JL, Petros J, Klafter R, Govindajaran B, McLaughlin ER, Brown

LF, Cohen C, Moses M, Kilroy S, Arnold RS, Lambeth JD (2002) Reac-

tive oxygen generated by Nox1 triggers the angiogenic switch. Proc

Natl Acad Sci USA 99: 715-720

22. Urao N, Inomata H, Razvi M, Kim HW, Wary K, McKinney R, Fukai

T, Ushio-Fukai M (2008) Role of nox2-based NADPH oxidase in bone

marrow and progenitor cell function involved in neovascularization

induced by hindlimb ischemia. Circ Res 103: 212-220

23. Reed R, Kolz C, Potter B, Rocic P (2008) The mechanistic basis for the

disparate effects of angiotensin II on coronary collateral growth. Arte-

rioscler Thromb Vasc Biol 28: 61-67

24. Owens GK, Kumar MS, Wamhoff BR (2004) Molecular regulation of

vascular smooth muscle cell differentiation in development and dise-

ase. Physiol Rev 84: 767-801

25. Liu J, Yang F, Yang XP, Jankowski M, Pagano PJ (2003) NAD(P)H

oxidase mediates angiotensin II-induced vascular macrophage infil-

tration and medial hypertrophy. Arterioscler Thromb Vasc Biol 23:

776-782

26. Browatzki M, Larsen D, Pfeiffer CA, Gehrke SG, Schmidt J, Kranzho-

fer A, Katus HA, Kranzhofer R (2005) Angiotensin II stimulates matrix

metalloproteinase secretion in human vascular smooth muscle cells

via nuclear factor-kappaB and activator protein 1 in a redox-sensitive

manner. J Vasc Res 42: 415-423

27. Grote K, Flach I, Luchtefeld M, Akin E, Holland SM, Drexler H, Schief-

fer B (2003) Mechanical stretch enhances mRNA expression and pro-

enzyme release of matrix metalloproteinase-2 (MMP-2) via NAD(P)H

oxidase-derived reactive oxygen species. Circ Res 92: E80-E86

28. Amanso AM, Griendling KK (2012) Differential roles of NADPH oxi-

dases in vascular physiology and pathophysiology. Front Biosci (Scho-

ol Edi) 4: 1044-1064

29. Sundaresan M, Yu ZX, Ferrans VJ, Irani K, Finkel T (1995) Require-

ment for generation of H2O2 for platelet-derived growth factor signal

transduction. Science 270: 296-299

30. San Martín A, Griendling KK (2010) Redox control of vascular smooth

muscle migration. Antioxid Redox Signal 12: 625-640

31. Allbutt C (1915) Diseases of the Arteries Including Angina Pectoris.

Macmillan and Co, London

32. Rey FE, Pagano PJ (2002) The reactive adventitia: fibroblast oxidase in

vascular function. Arterioscler Thromb Vasc Biol 22: 1962-19671

33. Muller G, Morawietz H (2009) Nitric oxide, NAD(P)H oxidase, and

atherosclerosis. Antioxid Redox Signal 11: 1711-1731

34. Guzik TJ, Mangalat D, Korbut R (2006) Adipocytokines - novel link

between inflammation and vascular function? J Physiol Pharmacol 57:

505-528

35. Csányi G, Taylor WR, Pagano PJ (2009) NOX and inflammation in the

vascular adventitia. Free Radic Biol Med 47: 1254-1266

36. Koltsova EK, Garcia Z, Chodaczek G, Landau M, McArdle S, Scott SR,

von Vietinghoff S, Galkina E, Miller YI, Acton ST, Ley K (2012) Dyna-

mic T cell-APC interactions sustain chronic inflammation in atherosc-

lerosis. J Clin Invest 122: 3114-3126

37. Guzik TJ, Hoch NE, Brown KA, McCann LA, Rahman A, Dikalov S,

Goronzy J, Weyand C, Harrison DG (2007) Role of the T cell in the

genesis of angiotensin II induced hypertension and vascular dysfunc-

tion. J Exp Med 204: 2449-2460

38. Guzik TJ, Korbut R, Adamek-Guzik T (2003) Nitric oxide and super-

oxide in inflammation and immune regulation. J Physiol Pharmacol

54: 469-487

39. Rius C, Piqueras L, González-Navarro H, Albertos F, Company C,

López-Ginés C, Ludwig A, Blanes JI, Morcillo EJ, Sanz MJ (2013) Ar-

terial and venous endothelia display differential functional fractalkine

(CX3CL1) expression by angiotensin-II. Arterioscler Thromb Vasc Biol

33: 96-104

40. Margaritis M, Antonopoulos AS, Digby J, Lee R, Reilly S, Coutinho P,

Shirodaria C, Sayeed R, Petrou M, De Silva R, Jalilzadeh S, Demosthe-

nous M, Bakogiannis C, Tousoulis D, Stefanadis C, Choudhury RP,

Casadei B, Channon KM, Antoniades C (2013) Interactions between

vascular wall and perivascular adipose tissue reveal novel roles for

adiponectin in the regulation of endothelial nitric oxide synthase func-

tion in human vessels. Circulation 127: 2209-2221

41. Griendling KK, Fitzgerald GA (2003) Oxidative stress and cardiovas-

cular injury: Part II: animal and human studies. Circulation 108: 2034-

2040

42. Guzik TJ, West NE, Black E, McDonald D, Ratnatunga C, Pillai R,

Channon KM (2000) Vascular superoxide production by NAD(P)H

oxidase: association with endothelial dysfunction and clinical risk fac-

tors. Circ Res 86: E85-90

43. Gao HM, Zhou H, Hong JS (2012) NADPH oxidases: novel therapeu-

tic targets for neurodegenerative diseases. Trends Pharmacol Sci 33:

295-303

44. Zuo L, Otenbaker NP, Rose BA, Salisbury KS (2013) Molecular mech-

anisms of reactive oxygen species-related pulmonary inflammation

and asthma. Mol Immunol 56: 57-63

45. Alekseev IB, Kochergin SA, Vorob’eva IV, Mikhaleva LG (2013) On

some pathogenic features of diabetic retinopathy in type II diabetes

mellitus and the role of antioxidants and Ginkgo biloba. Vestn Oftalmol

129: 89-93

46. Wang M, Crager M, Pugazhenthi S (2012) Modulation of apoptosis

pathways by oxidative stress and autophagy in β cells. Exp Diabetes

Res 2012: 647914

47. Goldenstein H, Levy NS, Lipener YT, Levy AP (2013) Patient selec-

tion and vitamin E treatment in diabetes mellitus. Exp Rev Cardiovasc

Ther 11: 319-326

Postępy Biochemii 59 (4) 2013

431

Oxidative stress and vascular function

Karol Urbanski, Michal Nowak, Tomasz J. Guzik



Department of Internal and Agricultural Medicine, Jagiellonian University, Collegium Medicum, 1 Skarbowa St., Krakow, Poland



e-mail: t.guzik@uj.edu.pl

Key words: oxidative stress, reactive oxygen species, vascular endothelium

ABSTRACT

The maintenance of blood vessel homeostasis is closely associated with Reactive Oxygen and Nitrogen Species (ROS and RNS) production

in the blood vessel wall. The main molecules taking part in this process are nitric oxide (NO), superoxide anion (O

•−

), hydrogen peroxide

) and their derivatives. The production of these factors occurs in health and disease, however the increased ROS release is often referred

to as oxidative stress. While initially oxidative stress was considered systemically, recent data indicate that it occurs locally in subcellular

spaces and may be a result of dysfunction of individual enzyme systems. Oxidative stress induces inflammation, proliferation and migration

of vascular smooth muscle cells, may regulate apoptosis and the function of the cells of vascular wall, finally leading to dysfunction of endo-

thelium, media and adventitia, leading to cardiovascular diseases such as atherosclerosis, hypertension or heart failure. It is believed that a

family of NADPH oxidases is the main source of ROS in the vessel wall, but also in other organs and tissues. It consists of seven known and

quite precisely characterized homologues (NOX1, NOX2, NOX3, NOX4, NOX5, DUOX1 and DUOX2) which often have very distinct activity

and cellular localization and function. Besides harmful actions, we are beginning to understand the protective effects of ROS and RNS. They

have many functions regulating redox-sensitive gene expression and influencing a proper function of cells and vessels. NOX4 has been par-

ticularly well characterized in this respect. Thus, the maintenance of the right homeostasis depends not only on ROS removing capabilities,

but especially on preserving the adequate level of ROS production.

48. Masamune A, Watanabe T, Kikuta K, Satoh K, Shimosegawa T (2008)

NADPH oxidase plays a crucial role in the activation of pancreatic

stellate cells. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 294: G99-G108

49. Nie J, Hou FF (2012) Role of reactive oxygen species in the renal fibro-

sis. Chin Med J 125: 2598-2602

50. Gao L, Mann GE (2009) Vascular NAD(P)H oxidase activation in di-

abetes: a double-edged sword in redox signalling. Cardiovasc Res 82:

9-20

51. Morawietz H (2011) Endothelial NADPH oxidases: friends or foes?

Basic Res Cardiol 106: 521-525

52. Sena LA, Chandel NS (2012) Physiological roles of mitochondrial reac-

tive oxygen species. Mol Cell 48: 158-167

53. Radak Z, Zhao Z, Koltai E, Ohno H, Atalay M (2013) Oxygen con-

sumption and usage during physical exercise: the balance between ox-

idative stress and ROS-dependent adaptive signaling. Antioxid Redox

Signal 18: 1208-1246

54. Wahlqvist ML (2013) Antioxidant relevance to human health. Asia Pac

J Clin Nutr 22: 171-176

55. Miller ER, Pastor-Barriuso R, Dalal D, Riemersma RA, Appel LJ, Gual-

lar E (2005) Meta-analysis: high-dosage vitamin E supplementation

may increase all-cause mortality. Ann Intern Med 142: 37-46

56. Bjelakovic G, Nikolova D, Gluud LL, Simonetti RG, Gluud C (2012)

Antioxidant supplements for prevention of mortality in healthy par-

ticipants and patients with various diseases. Cochrane Database Syst

Rev 3: CD007176

57. Lin CP, Lin FY, Huang PH, Chen YL, Chen WC, Chen HY, Huang YC,

Liao WL, Huang HC, Liu PL, Chen YH (2013) Endothelial progeni-

tor cell dysfunction in cardiovascular diseases: role of reactive oxygen

species and inflammation. Biomed Res Int 2013: 845037

58. Guzik TJ, Harrison DG (2006) Vascular NADPH oxidases as drug tar-

gets for novel antioxidant strategies. Drug Discov Today 11: 524-533