Radicali liberi e stress ossidativo: introduzione
I radicali liberi sono atomi, molecole o ioni con elettroni spaiati in una configurazione a guscio aperto; questi elettroni spaiati rendono le specie radicaliche altamente reattive. I ROS comprendono anione superossido (O2-•), radicale idrossile (•OH), perossido di idrogeno (H2O2) e ossigeno singoletto (1O2). Queste specie diverse si interconnettono attraverso le reazioni a cascata. Sebbene generalmente considerati sottoprodotti tossici, sono stati identificati ruoli fisiologici per molecole come l’H2O2 e l’ossido nitrico (NO•), che hanno dimostrato di svolgere ruoli importanti come molecole effettrici nei sistemi di difesa immunitaria e nella regolazione vascolare. Per questo motivo, l’eliminazione di tutti i tipi di ROS attraverso potenti terapie antiossidanti può interferire con importanti funzioni cellulari. Infatti, è stato riportato che la soppressione estrema dello stress ossidativo può promuovere la progressione dei tumori. Tuttavia, la sovrapproduzione di diversi tipi di ROS è stata associata a moltissime malattie. La maggior parte di questi effetti è stata associata al radicale idrossile •OH, uno dei ROS più reattivi, che può danneggiare indiscriminatamente componenti cellulari vitali quali lipidi, proteine e acidi nucleici, portando infine alla morte cellulare.
Ciò solleva la prospettiva di sviluppare antiossidanti selettivi che rimuovono preferenzialmente radicali tossici come •OH, ma non altri (come H2O2 o NO•). L’accumulo di ROS è generalmente controbilanciato da un sofisticato sistema di difesa antiossidante endogeno che comprende enzimi – come superossido dismutasi (SOD), catalasi e glutatione perossidasi – e non enzimi, come vitamina E, vitamina C, acido urico e bilirubina. Sebbene l’O2-• e l’H2O2 possano essere detossificati dagli enzimi antiossidanti, •OH non può essere neutralizzato in tal modo. Ciò ha enfatizzato l’importanza degli antiossidanti mirati al radicale •OH. Circa 4000 antiossidanti sono noti all’uomo, la maggior parte dei quali sono donatori di elettroni che reagiscono con ROS per formare prodotti finali innocui come l’acqua. Sebbene molti abbiano dato promettenti risultati in modelli animali di stress ossidativo, nella maggior parte dei casi gli effetti benefici osservati negli studi sugli animali non sono stati reiterati negli studi clinici. Le barriere all’utilizzo di antiossidanti esogeni includono bassa permeabilità della membrana e alta tossicità, che limitano la somministrazione a una finestra ristretta di dosaggio terapeutico. L’identificazione di un antiossidante innovativo e più efficace è, quindi, di alta priorità.
Razionale dietro H2: un antiossidante selettivo
È noto da tempo che l’idrogeno (H2) – un gas incolore, inodore e insapore – ha proprietà antiossidanti, ma il potenziale sfruttamento dell’H2 come agente terapeutico è stato esplorato solo di recente in modelli animali e in clinica. Il primo studio, di Dole et al., riportò che c’era una significativa regressione del cancro in pazienti con carcinoma a cellule squamose esposte a H2 iperbarico per 2 settimane. Nel 2001, è stato riportato che l’H2 iperbarico è benefico nel trattamento dell’infiammazione cronica del fegato associata a parassitosi e le sue proprietà terapeutiche sono state ascritte alla neutralizzazione del radicale •OH. Tuttavia, questi studi non sono stati estesi da altri ricercatori, forse in considerazione dei rischi di esplosione associati all’idrogeno. Tuttavia, è importante notare che tali rischi vengono eliminati se utilizzati in miscele di H2 / aria <4.6% (v/v). Ohsawa et al. ha studiato le proprietà antiossidanti dell’H2 molecolare e che riduce selettivamente •OH e ONOO- ma non influenza i ROS fisiologici. Studi successivi hanno confermato che gli effetti benefici dell’H2 sono proprio mediati dallo scavenging di •OH. La scoperta di Ohsawa et al. che l’inalazione del gas H2 può proteggere il cervello contro lo stress ossidativo associato a ischemia ha indotto una serie di studi in diversi modelli, esplorando il potenziale di inalazione di H2 (o ingestione orale di acqua satura di H2) per ridurre il danno ossidativo. Questi studi hanno preso di mira una vasta gamma di disturbi e sistemi di organi tra cui i sistemi nervoso, digestivo, cardiovascolare e respiratorio.
Condizioni neurologiche
In un modello di ratto del morbo di Parkinson, la 6-idrossi-dopamina (6-OHDA) induce lo stress ossidativo nei neuroni dopaminergici, portando a degenerazione della sostanza nera. Fu et al. per prima cosa ha esaminato gli effetti della somministrazione orale di acqua satura di H2 al 50% prima dell’iniezione cerebrale di 6-OHDA e ha scoperto che H2 riduceva significativamente l’entità della neurodegenerazione. Più recentemente, è stato trovato che una minore concentrazione di H2 orale (H2 5% saturo in acqua potabile) previene danni al DNA, la perossidazione lipidica e la perdita di neuroni dopaminergici in un modello di neurotossina del morbo di Parkinson. Nella malattia di Alzheimer si ritiene che la beta amiloide (Aβ), il componente principale delle placche senili, abbia un ruolo causale nello sviluppo della malattia ed eserciti i suoi effetti tossici in parte attraverso l’induzione dello stress ossidativo. La somministrazione orale di acqua satura di H2 è stata segnalata per attenuare i deficit indotti da Aβ, in un modello animale in laboratorio.
È stato anche riferito che l’H2 potrebbe migliorare il riconoscimento spaziale e la memoria, e che questo è stato accompagnato da livelli ridotti di citochine proinfiammatorie, prodotti di perossidazione lipidica e immunoreattività astrogliale. Inoltre, in un diverso modello animale (stress indotto da contenimento) è stata trovata la somministrazione di H2 per alleviare i deficit indotti dallo stress nell’apprendimento e nella memoria. Lo stress ossidativo, l’infiammazione e l’apoptosi sono anche caratteristiche centrali della perdita cellulare dopo una lesione acuta del midollo spinale. Utilizzando un modello animale, il trattamento con H2 ha portato a tassi migliori di recupero funzionale del locomotore dopo la lesione del midollo spinale; questo recupero è stato associato a riduzione dello stress ossidativo e livelli elevati di fattore neurotrofico derivato dal cervello (BNDF). Gu et al. ha riferito che il consumo giornaliero di acqua satura di H2 è stato efficace nel prevenire l’amnesia legata all’età e le menomazioni della memoria. Questo effetto è stato attribuito alla rimozione dei radicali liberi e all’aumento dell’attività dell’enzima superossido-dismutasi (SOD), con conseguente miglioramento della funzionalità dei mitocondri.
- a cura del Dr. Gianfrancesco Cormaci, PhD, specialista in Biochimica Clinica.
Pubblicazioni scientifiche
Ohsawa I et al. Nature Med 2007; 13: 688–694.
Fujita K, Seike T et al. PLoS One 2009; 4: e7247.
Gharib B et al. C R Acad Sci III 2001; 324:719-24.
Li J, Wang C et al. Brain Res 2010; 1328: 152-161.
Yokota T et al. Clin Exp Ophthalmol. 2015; 43(6):568-77.
Ohno N et al. Oxid Med Cell Longev. 2012; 353152: 2012.