03. רדיקלים חופשיים - מנזקים למחלות

תפקיד נזק חימצוני ב- DNA, בהתפתחות חולי 

פגיעות חימצוניות עלולות להישאר כמוטציות בבסיסי ה-DNA, ולשנות את הקוד הגנטי. מסיבה זו קיימות מערכות כפולות כדי:

• 1. למנוע יצירת פגיעה, ובאם נזק קורה,

  2. לוודא סילוק מהיר של הפגיעה, על ידי מערכות אנזימטיות האחראיות לזה, שיש להן הרבה חפיפה של הסובסטרטים (ראה לעיל בקטע הקודם).

מוטציות ב- DNA הן שלב הכרחי בקרצינוגנזיס, ורמות מוגדלות של פגיעות חימצון ב- DNA נימצאו בגידולים רבים, המערבות נזק כזה באטיולוגיה של סרטן. 

קרצינוגנזיס וסרטן 

נימצא שלמנגנוני חימצון יש תפקיד פוטנציאלי בשלבי ההתחלה, עידוד, והפיכה לממאירות (התקדמות) של קרצינוגנזיס. היות והסיכון ללקות בסרטן גדל בחזקת 4 של הגיל, והיא קשורה בהצטברות נזק ל- DNA , נחקר הנזק החימצוני בהתפתחות הסרטן. פגיעות כגון

מוסדו כבר כסמנים לדחק חימצוני, בקישור למוטגניות הפוטנציאליות של הם בתאי יונקים, זה הוביל להנחה שיש להם פוטנציאל כסמני ביניים עד לנקודת גמר בה המחלה כבר ברורה, לדוגמא, סרטן.תמיכה בהצעה זו אנחנו מוצאים בכך שהעברות G→3TA שבאופן פוטנציאלי ניגזר מ- 

, ניצפו in vivo באונקוגן ras, וגם בגן p53 של המערכת מדכאת גידולים בסרטני ריאות וכבד. כמובן העברות GC→TA אינן יחודיות ל- 

, הואיל והתמרות CC→TT, שקרו ללא חשיפה לקרינת על סגול בגידולים פנימיים, זוהו כמוטציות שהן כחתימה של ROS. בכמה מחקרים ניסו החוקרים למסד קשר בין רמות נזק חימצוני ב- DNA, וסרטן. רמות מוגבהות של נזק מתיימרות לעלות כתוצאה של סביבה בגידול שנמוכה באנזימים נוגדי חימצון, וגבוהה ביצירת 

 . דווח שלפחות כמה שורות תאים יכולות ליצור רמות ניכרות של H2O2, ללא גירוי חיצוני, כנראה בהתחשב ברמות המוגבהות של נזק חימצוני ל- DNA, שניצפה. כתוצאה מהרמה המוגבהת של ROS, מופעלים אנזימי הטרנסקריפציה, והגנים שמקודדים להם, באופן קבוע, וזה מקושר לנזק המוגבר ב- DNA, היוצר לחץ סלקטיבי לפנוטיפוס ממאיר כפי שניראה בסרטן. למרות שמחקרים כאלה הירחיבו, את ההנחה שנזק חימצוני עלול להיות כגורם סיכון לקרצינוגנזיס, ניטען שנוכחות של 

 ב- DNA, כנראה לא נחוץ או מספיק לגרום ליצירת גידול. ישנם הרבה מצבים פתולוגיים בהם יש רמות מוגבהות של נזק חימצוני ב- DNA (בטבלא להלן), כאשר אין שכיחות מוגברת של קרצינוגנזיס. זה הביא את החוקרים להעלות את האמירות הבאות: 1. נזק חימצוני ב- DNA, עלול להיות תופעת לוואי לתהליך פתופיזיולוגי שכבר קיים, ולרמות המוגבהות אין תפקיד בקרצינוגנזיס. 2. סיבה או תוצאה ? הנוכחות כשלעצמה, של רמות מוגבהות של נזק בגידולים, אינה מצביעה על כך שהיה נזק חימצוני שהוביל לשינויים יוצרי הסרטן. יתכן שעליית הרמות קרתה כתוצאה של מאפייני גידולים, ממוסדים היטב, דהיינו, חילוף חומרים מוגבר, או תחלופה תאית. 3. למוטציות ב- DNA, שניגרמות מנזק חימצוני, הגרעינים של תאי גזע משגשגים, שלא עברו דיפרנציאציה, חייבים להיות מושפעים. היות ודוגמאות ריקמה מגידולים, ומתאים נורמליים, ייצגו תערובת הטרוגנית של תאים שעברו דיפרנציאציה, וכאלה שלא עברו דיפרנציאציה, כאשר הראשונים מהווים את הרוב. תהליכים אנליטיים נוכחיים, לא יראו את הרמות של הפגיעות ברוב תאי המטרה החשובים. 4. לא רק חייב היה ה- DNA של תאי המטרה להיות מושפע, כדי לגרום למוטציה, הנזק היה חייב להיות באיזור הקידוד של ה- DNA. לנושאים כאלה, צריך לפנות לפני שהקישור בין נזק חימצוני ל- DNA, וסרטן, הוכח. באשר לשלב ההתחלה של ההתמרה הסרטנית, הרבה מההוכחות המצביעות על כך ש- ROS משפיעה על עידוד יצירת הגידול, ניגזרו באופן בלתי ישיר: מעודדים כימיים יכולים ליצור דחק חימצוני, וונוגדי החימצון יכולים לעכב את העידוד, לכן, ה- ROS מעורבים בעידוד. יתכן שנוגדי החימצון עצמם, עשויים לאפשר התפשטות שבטית, ועידוד, יצירת גידול, על ידי הגנה על תאים שהתחילו בהתמרה הסרטנית מרעילות יתר חימצונית, ואפופטוזיס (מוות מתוכנן), שאחרת עלול להרוג אותם. לבסוף, על ידי הקישור בין דחק חימצוני ועידוד הסרטן, אסור לשכוח, שביומוליקולות שאינן DNA, יכולות גם הן לעבור מודיפיקציה על ידי חימצון, ויכול להיות להן אפקט ניכר. לכן, למרות שהתפקיד של דחק חימצוני בקרצינוגנזיס, נראה ממוסד היטב, מה ההיקף שתורם כאן הנזק החימצוני עדיין לא הוגדר היטב. למרות זאת, נראה שהנזק ל- DNA יכול להיות פחות קשור לאירועי ההתחלה מאשר לעידוד, וזה יכול להיות בגלל הפוטנציאל לריבוי של פגיעות מוטגניות שנוצרות, כתוספת לאפקטים האפיגנטיים שתוארו לעיל. 

חולאים לא סרטניים 

במוח 

בפתוגנזיס של חולאי ניוון עצבי, כגון אלצהיימר, פרקינסון והנטינגטון, מעורב דחק חימצוני, למרות שישנם דיווחים שרמות מוצרי הנזק החימצוני ל- DNA לא עלו באופן מיוחד. אולם, בחינת סתירות ברורות כאלו, גילו שהיו הבדלים בשיטות האנליטיות, ובפרוטוקולים בין המחקרים, שכל אחד מהם עלול לסכן את הקונצנזוס. הנטייה לא לפרסם תוצאות יסודיות שליליות, פירושה, שבאופן עקרוני מתוארים רק דיווחים על עליה בפגיעות. במחקרים שהראו עליה ברמות הפגיעות תומכות ההוכחות שניתקבלו מניסויי in vitro, שהידגימו שמעבירים עצביים כגון דופאמין, וסרוטונין, יכולים ליצור סוגי רדיקלים חופשיים שמזיקים ל- DNA . תפקיד הדחק החימצוני והנזק החימצוני לביומוליקולות, שאינן DNA, בפתוגנזיס של מחלות ניוון עצבי, ובפרט במחלת אלצהיימר, ניתמך על ידי כמה סקרים אחרונים של נושא זה  (Smith et al 2000), למרות, שהמובהקות הגדולה ביותר לפתוגנזה של המחלות נמצאה בחימצון ליפידים וחלבונים. 

דלקות וזיהומים 

הקשר בין דלקת ודחק חימצוני דווח רבות , במחקרים על חולאים עם דלקות, או זיהומים, שדיווחו על רמות גבוהות יותר של , כגון הפטיטיס, זיהום בנגיף הפטיטיס C, ודרמטיטיס אטופי (שנוסף עליו), במחלות כליות ואחרות, כפי שפורט בשתי הטבלאות לעיל. סוגי רדיקלים קוטלי חיידקים –•O2, ו- H2O2, שנוצרו בנזק מקיף ריקמתי מהיתפרצות נשימתית של נאוטרופילים פולשים, מאקרופגים, ואאוזינופילים, שמתחיל ריאקציות נוספות של רדיקלים, ובאופן פוטנציאלי דחק חימצוני. דלקת כרונית, ומכך דחק חימצוני ניקשרו בקשר הדוק לתהליכים פתוגניים כגון מחלות חיסון עצמי, כגון דלקת המיפרקים, ולופוס אריתמטוזוס, עם יצירת רדיקלים שגורמת לא רקלנזק בריקמת חיבור, אלא גם במודיפיקציות של ביומוליקולות, שנחשפות לסיחרור מערכתי, שאמורות להיות האנטיגן הדוחף ליצירת נוגדים עצמיים. מבחינת המנגנון, דלקת כרונית עלולה להיות מאד קשורה לקרצינוגנזיס, למרות שיש מעט הוכחות המצביעות על כך שבחולים הסובלים מממחלות דלקת כרונית, כגון לופוס אריתמטוזוס, יש שיעור יותר גבוה של לפתח סרטן. למרות זאת, נזק ל- DNA, קורה בתאים שגדלים יחד בתרבית עם פגוציטים מופעלים (Weitzman and Gordon 1990), עם DNA מחולים ב- RA, SLE, vasculitis, או במחלת Behcet, ויש להם רמות מוגבהות של 

 בלימפוציטים צריכות להיות קשורות בהתפתחות מחלות לב כליליות בטרם עת, או האם רמות הפגיעות בלימפוציטים משליכות על הרמות ברקמות המטרה (דהיינו, כלי הדם של הלב). יתכן, שאם האופי הדלקתי של טרשת העורקים, וזה שהלימפוציטים נמצאים רוב ימי חייהם ברקמות פריפריות יותר מאשר בסיחרור מערכתי, התאים עלולים להיחשף לסוגי מחמצנים הקשורים עם הדלקת. על כל פנים, בהיעדר מידע זה, המימצא האחרון מביא לספק בקשר לשימוש בלימפוציטים כריקמה פונדקאית. במודל טרשת עורקים בחיות רמות מוגדלות של 

, וחלבונים הקשורים בתיקון בתאי קצף שניגזרו ממאקרופגים (שניהם קשורים בהיפרכולסטרולמיה המושרית על ידי תזונה) נימצא שהם הופחתו במשך הפחתת ליפידים במזון (Martinet et al 2001). אותה קבוצה הראתה תוצאה דומה, בתאי אדם הקשורים ביצירת הפלאק (Martinet et al 2002). באדם, גנוטיפים חסרי GSTM1 דווחו שנימצאו בהם רמות גבוהות יותר של 

 ב- DNA מתאי שריר חלק שנידגמו מפגיעות אתרוסקלרוטיות (Izzotti et al 2001). דו"חים אלה מהווים הוכחה נוספת לנוכחות נזק ב- DNA, במחלות לב וכלי דם, אולם לא הצליח להחליט אם זה אפיפנומנלי. 

השתלה (פגיעה בגלל ischemia-reperfusion) 

בחולדות שעברו השתלת כבד, רמות ה- Tg בשתן, היו באופן ניכר גבוהות יותר. זה ניראה שככל שתפוקת ה- Tg עלתה, חיוניות השתל היתה טובה יותר. רמות מוגדלות של dTg בשתן, דווחו גם בעבר (Their et al 1999), לגבי 6 חולים לאחר השתלת כלייה, בהם החוקרים הציעו הסבר לכך, שזה ניגרם על ידי פציעה של ischemia-reperfusion, או של reoxygenation. זה ניתמך על ידי מחקרים אחרים (Loft et al 1995) שמחקרם על חזירים תיאר פגיעה חימצונית ניכרת ל- DNA, לאחר השתלה, כפי שנימצא על ידי רמות מוגדלות של 

 בשתן. פגיעה כזאת היא פקטור ניכר המשפיע על תחלואה ותמותה, לאחר ניתוחי מעקף והשתלות, שטפי דם, או הלם ספטי (מאינפקציה חיידקית), התקף לב (אינפרקט), וכשל רב- מערכתי. במשך הזמן של האיסכמיה הופך ה- xanthine dehydrogenase ל- xanthine oxidase. עם ה- reperfusion, יש התפרצות חזקה בפעילות xanthine oxidase שיותר משמעבירה אלקטרונים ל- +NAD, המעביר אותם לחמצן, גורמת ליצירת רדיקל חופשי על-חמצן (סופראוקסיד). רמות אנדוגניות של

 xanthine dehydrogenase מישתנות בין איבר לאיבר, ומכך, פגיעת ischemia-reperfusion יכולה להיות יותר רלוונטית לכמה מהרקמות, יותר מאשר לאחרות. לאוקוציטים של אדם כנראה יותר רגישים לאפקטים גנוטוקסיים של ischemia-reperfusion, ולכן מייצגים פוטנציאל לריקמה פונדקאית, שעליה ניתן ללמוד את האפקטים של ischemia-reperfusion, שהשפיעו על רקמות פחות נגישות. 

היזדקנות 

כאשר מדברים בהרחבה, תיאוריות של היזדקנות ניתן לאגד בתוך 2 קטגוריות: היזדקנות בגלל נזק מיצטבר, והיזדקנות שהיא מתוכנתת על ידי התפתחות. אולם, הנחה שנעשית מקובלת, מתוארת כתיאורית ההיזדקנות בגלל הרדיקלים החופשיים, שאימצה אלמנטים של תיאוריות קודמות. בסיס התיאוריה (Harman 1956) הוא שהיזדקנות, קורית על ידי היצטברות הדרגתית של נזק מרדיקלים לביומוליקולות. כישלון של ההגנות על ידי נוגדי החימצון לצוד את כל סוגי הרדיקלים, מתחוורת, מעליית רמות הרקע של נזק, עם התקדמות הגיל, ותיגרום להיצטברות מיתגנבת של נזק, ואובדן הדרגתי של פונקציות (Beckman and Ames, 1998). לתיאור נקודה זו, בא הדיווח על עלייה התלוייה בגיל של

  בסרום אנשים שברור שאינם חולים, בין הגילים 15 עד 91 (Rattan et al 1995). למרות שאותה מגמה לא הוכחה בתפוקת 8-OH-dG בשתן תינוקות, הגדלה הדרגתית נירשמה, במשך כל החודש הראשון לאחר הלידה, ששיקף את עקומת מהירות הגידול. למרות זאת, כמה וכמה מחקרים דיווחו על היצטברות 

, ומכך פגיעות אחרות, עם הגיל, הן in vivo והן in vitro ב- DNA בגרעין, ובמיטוכונדריות (DNA (mt. כמובן, נזק במיטוכונדריות זכה לתשומת לב רבה, כיוון שפגיעות או מוטציות ב- mtDNA, יכלו לשנות באופן דרסטי את הפונקציה של אורגנל מייצר רדיקלים, זה. 

ניתן להסביר את היצטברות הפגיעות, בחלקה, על ידי הגילוי שיכולת תיקון ה- DNA, נמצאת בקורלציה עם אורך החיים הספציפי למין הביולוגי. יתר על כן, פעילות התיקון נימצאה דועכת עם התקדמות הגיל, ומאפשרת הישארות הנזק, שלאחריו יש הגברה של השגיאות ברפליקציה, למרות שבמקרה של ה- 

, המספר הניכר של תהליכי התיקון המעורבים, עשוי מאד לפצות עבור דעיכה זו, וכך הדעיכה הקשורה בגיל עלולה רק להשפיע על רקמות המשגשגות לאט, שיש להן חילוף חומרים חמצני גבוה, כגון הכבד (Osterot et al 2001). במחקר אחר  (Hamilton et al 2001), נימצאה עליה הקשורה בגיל, של 

 , בגרעיני התאים וב- mtDNA, שניגזרו מאיברים שונים של החולדות, כולל זה שניגזר מהריקמה, היגביר את הרגישות לנזק חימצוני, יותר מאשר היקטין את פעילות התיקון. בעוד הסטטוס הנוגד חימצון ראוי בהחלט להיחשב גורם במיסוד רמות בסיסיות של נזק חימצוני, ניראה שלגיל אין השפעה על פעילות רוב האנזימים נוגדי החימצון, (כגון:

catalase, glutathione peroxidase, Mn and CuZn superoxide dismutase, כפי שסוכם (Hamilton et al 2001). באופן דומה, במחקר באדם, לא נימצאו הבדלים ברמות superoxide dismutase, glutathione peroxidase, catalase, ceruloplasmin, uric acid, bilirubin 

בין קבוצות גיל 35-39, 50-54 ו- 65-69 שנים. למרות שמחקר זה הראה הבדל ניכר בקיבולת התיקון של PBMC, אחרי אתגר של מימן פראוקסיד H2O2 שהיה ex vivo בין קבוצות הגיל 65-69, ו- 35-39  (ρ=0.013 )

 (Barnett and King 1995). המובהקות בה היצטברו הפגיעות, יכולה להתאים להנחה נוספת, תיאוריית המוטליה הסומטית, אשר אומרת שהיצטברות מוטציות ב- DNA, שלא בהכרח ניגזרת מ- ROS, מובילה לזיקנה מנוונת. אולם, יתכן שבגלל ההיזדקנות היא תהליך רב סיבות, הנזק ל– DNA, ומוטציות, ככל שיהיו חשובות, כנראה אינן אחראיות לכל השינויים הפתופיזיולוגיים שניצפו (Holliday 2000). במבט כללי, מימצאים אלה נראים עיקביים ותואמים את התצפית, ששיעור חילוף חומרים גבוה, מישתווה, לפוטנציאל לאריכות חיים מקסימלית קצרה, והיזדקנות מהירה יותר, למרות, שההוכחה הניסויית עדיין לא חד משמעית, ההנחה עבור הרדיקלים החופשיים בהיזדקנות, נישארת עדיין מאלצת להיתחשב בה. 

מחלות נוספות 

בטבלה המשתרעת על ארבעת הצילומים הבאים, מפורטים המחקרים על מצבים פתולוגיים, והיזדקנות, בהם נמדד נזק חימצוני ל- DNA:

טבלה - מחקרים על מחלות בהן נמדד נזק חימצוני ל- (DNA ( Cook et al 2003

בטבלה הנ"ל רואים את פגיעותיהם החמורות של הרדיקלים החופשיים, הגורמות למצבים פתולוגיים רבים, בהם חולאים קשים וחשוכי מרפא, שהתפתחו במערכות השונות בגוף האדם. המחלות שניזכרו בטבלא לעיל, סוכמו לפי הסוג, ולפי הגורם הסביבתי, כמפורט בטבלה הבאה (Halliwell and Gutteridge 2007):

טבלה - חולאים הניגרמים בגלל עליית ריכוזי הרדיקלים החופשיים

בטבלה הנ"ל רואים את הסיכונים הגדולים לבריאות ממזהמי סביבה נפוצים, ואת המיגוון הגדול של חולאים הניגרמים בגללם, בכל המערכות של גוף האדם.