Agentes radioprotetores para prevenir danos celulares devido à radiação ionizante

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Tyler A. Smith1, Daniel R. Kirkpatrick2, Sean Smith2, Trevor K. Smith3, Tate Pearson4, Aparna Kailasam2, Kortney Z. Herrmann4, Johanna Schubertv2 e Devendra K. Agrawal2*

A imagiologia médica tornou-se um componente central do diagnóstico médico moderno. Nos últimos 10 anos, o aumento da utilização de exames de raios X e tomografia computadorizada (TC) levou a aumentos correspondentes na exposição do paciente aradiação ionizanteconscientizar o público sobre seus efeitos deletérios. Apesar das reduções notáveis ​​na dose de radiação associada a exames individuais, o aumento da utilização de imagens médicas é um dos principais contribuintes para a exposição à radiação e patologia associada à radiação [1, 2]. Estudos de longo prazo dos sobreviventes da bomba atômica da Segunda Guerra Mundial no Japão; ou seja, aqueles com exposição significativa à radiação, têm uma incidência aumentada de leucemia e cânceres sólidos [1]. Com base no modelo linear sem limiar, a radiação relacionada à imagem, embora certamente menos dramática do que uma explosão atômica, pode representar riscos significativos relacionados à radiação. Os riscos associados à exposição à radiação são conhecidos por serem mais pronunciados em pacientes mais jovens. Este fato é demonstrado pelo aumento da prevalência de leucemia e tumores sólidos entre os sobreviventes pediátricos da bomba atômica em comparação com aqueles que foram submetidos à mesma exposição à radiação em idade mais avançada [1]. Gilberto et ai. [2] mostraram uma relação dose-dependente entre exposição à radiação e leucemia, câncer de mama, câncer de tireoide e outros tumores sólidos. A radiação ionizante tem efeitos deletérios imediatos e mensuráveis ​​nas células, incluindo o aumento de espécies reativas de oxigênio (ROS), geração de quebras de DNA de fita simples (SSBs) e quebras de DNA de fita dupla (DSBs)

cistachepossoanti-radiação

Vários autores propuseram o uso de uma variedade de agentes para modular o dano celular associado àexposição à radiação. Postula-se, por exemplo, que antioxidantes ou compostos que elevam a glutationa podem ser capazes de reduzir os danos ao DNA, reduzindo teoricamente a carcinogênese pós-radiação [4, 5]. Embora muitos estudos tenham demonstrado benefícios potenciais para uma variedade de agentes radioprotetores, os compostos não são rotineiramente administrados aos pacientes antes ou após a imagiologia médica [6]. O objetivo desta revisão é resumir e avaliar criticamente os achados recentemente publicados na literatura que investigaram o uso de agentes radioprotetores para evitar danos celulares associados à radiação.

Radiação ionizanteé amplamente utilizado em diagnósticos médicos, terapia relacionada ao câncer e tem aplicações industriais adicionais [7]. Os riscos conhecidos associados à exposição humana à radiação ionizante incluem indução de morte celular, mutações genéticas e carcinogênese [7]. Além dos efeitos celulares diretos, a exposição à radiação também pode danificar as células através da geração de espécies reativas de oxigênio (ou seja, peróxido de hidrogênio, hidroperóxidos lipídicos, superóxido, hidróxido, hidreto e peroxinitrito). As espécies reativas de oxigênio (ROS) são formadas quando a radiação ionizante é absorvida por pequenas moléculas, principalmente água, que circundam as biomacromoléculas celulares. Essas EROs reagem com o conteúdo celular, incluindo DNA e proteínas [7].

A célula responde ao aumento das concentrações de radicais livres gerando antioxidantes naturais (incluindo superóxido dismutase, glutationa, catalase) que podem minimizar ou eliminar os danos induzidos pelos radicais livres às estruturas celulares. A glutationa peroxidase catalisa principalmente a conversão de íons hidróxido em água. A superóxido dismutase converte superóxidos em peróxido de hidrogênio, que é então convertido em oxigênio e água pela catalase. A superóxido dismutase existe em várias isoformas diferentes, cada uma delas especializada em áreas específicas da célula [8]. Quando exposta a níveis crescentes de radiação ionizante, a célula aumenta a expressão de enzimas antioxidantes [8]. Quando, no entanto, o nível de ROS supera essas defesas celulares, a célula sofrerá danos (de maneira dose-dependente) que podem levar à carcinogênese, teratogênese, necrose ou apoptose.

A administração de agentes radioprotetores tem sido proposta como uma forma de diminuirefeitos deletérios relacionados à radiação nas células. Os antioxidantes têm o potencial de atuar como sequestradores de radicais livres e, assim, reduzir alguns danos ao DNA causados ​​pela radiação ionizante [4, 7, 9, 10]. Teoricamente, essa intervenção permitiria que as defesas celulares acompanhassem os radicais livres gerados pela exposição à radiação (assumindo que o nível intracelular de antioxidantes é suficiente no momento da exposição à radiação). Os compostos radioprotetores podem suprimir a formação de radicais livres, remover radicais livres, induzir a produção natural de radioprotetores (como superóxido dismutase, glutationa peroxidase e catalase), melhorar o reparo do DNA, reduzir a resposta inflamatória pós-radiação ou até mesmo retardar a divisão celular permitindo mais tempo para células para reparar ou sofrer apoptose [10] (Tabela 1). Embora as substâncias radioprotetoras tenham se mostrado eficazes na diminuição dos efeitos colaterais da radioterapia, atualmente não existem radioprotetores usados ​​em radiologia diagnóstica.

Para resumir os candidatos existentes para radioprotetores clínicos, realizamos uma revisão da literatura usando uma pesquisa no Pubmed/MEDLINE com frases-chave, incluindo: "antioxidantes em imagens médicas", "antioxidantes em radioterapia", "antioxidanteradiação", "agentes radioprotetores", "radioterapia radioprotetora", "imagens médicas radioprotetoras" e "radioproteção". mais substâncias como potenciais agentes radioprotetores. Este artigo representa um resumo e análise crítica dos artigos selecionados que investigam radioproteção. Além disso, este artigo resume os principais achados relevantes para a seguinte questão clínica: os radioprotetores podem ser usados ​​em diagnóstico por imagem para reduzir danos no DNA?

Resultados de estudos in vitro - In vitro: linfócitos humanos

A preponderância da literatura sobre agentes radioprotetores vem do estudo de linfócitos humanos in vitro antes e após a exposição aradiação. Ocasionalmente, isso inclui a coleta de amostras de sangue de pacientes após serem submetidos a exames de imagem clínica. Normalmente, esses estudos quantificam quebras de DNA de fita dupla (DSBs) induzidas por radiação via focos -H2AX (H2AX). Por exemplo, Brand et al. [9] mostraram que vários antioxidantes, se administrados antes de expor o sangue humano à radiação, podem diminuir a incidência de DSBs em linfócitos. É importante ressaltar que a N-acetilcisteína (NAC) e a vitamina C reduziram os DSBs em 43 e 25%, respectivamente, o que foi significativamente mais do que qualquer um dos outros agentes estudados [9]. Curiosamente, apesar de agentes individuais se mostrarem promissores como radioprotetores, nenhuma das combinações testadas pelos autores mostrou um efeito aditivo quando vários agentes foram usados ​​juntos [9]. Este estudo apoia o uso de antioxidantes, particularmente análogos de NAC e vitamina C, para evitar danos ao DNA associados à radiação. Assim como Brand et al. [9], Kuefner et al. [11] realizaram um estudo investigando os efeitos de uma mistura de antioxidantes (ascorbato de cálcio, d-alfa-tocoferil succinato, carotenóides, NAC, ácido R- -lipóico, l-selenometionina) em linfócitos humanos in vitro. Kuefner et ai. [11] fizeram isso de duas maneiras: primeiro, os linfócitos in vitro foram tratados com antioxidantes e depois irradiados. Em segundo lugar, amostras de sangue foram obtidas 15, 30, 60 min, 2, 3, 5 h após a ingestão de um comprimido contendo os antioxidantes do estudo, então os linfócitos foram irradiados. Embora a administração de antioxidantes após a irradiação não tenha levado a uma redução nos DSBs, o pré-tratamento com antioxidantes causou reduções significativas nos DSBs, com uma redução de 23% após 15 minutos e uma redução de 58% se administrado 60 minutos antes da irradiação [11]. Este estudo teve valor clínico porque a exposição experimental à radiação foi comparável à recebida durante uma tomografia computadorizada. Em outro estudo, NAC e vitamina C foram administrados imediatamente antes e depois que os pacientes foram expostos a raios-X. O sangue do paciente foi então coletado e DSBs foram medidos em linfócitos. Tanto a vitamina C quanto a NAC diminuíram os DSBs, conforme medido pelo H2AX, em comparação com os controles [12]. Em cada um desses estudos, o NAC diminuiu significativamente o dano ao DNA relacionado à radiação em linfócitos humanos.

Um importante estudo de Reliene et al. [13] analisaram os efeitos do NAC em modelos humanos, murinos e de levedura. Embora este estudo tenha descoberto que o NAC reduziu os focos de H2AX (um substituto para DSBs), também observou que a sobrevivência das colônias de células permaneceu inalterada em leveduras e linfócitos humanos. Esta descoberta pode ter implicações potenciais importantes: NAC pode diminuir a incidência de danos no DNA sem interferir com a morte intencional de células cancerosas ou pré-cancerosas [13]. A capacidade dos NACs de diminuir ou evitar danos ao DNA sem proteger as células da apoptose pode aumentar seu valor clínico (em relação a outros antioxidantes).

Outros estudos se concentraram especificamente na vitamina C e seus derivados. Em um estudo de 2014, Xiao et al. [3] expuseram linfócitos humanos à radiação após serem plaqueados por 3 h com diferentes concentrações de um dos dois derivados da vitamina C: 6-O-palmitoil ascorbato (PlmtVC) ou ácido l-ascórbico (l-AA). Como agente radioprotetor, o PlmtVC superou o l-AA, mostrando que nem todos os derivados da vitamina C são igualmente eficazes como antioxidantes [3]. O PlmtVC diminuiu significativamente a peroxidação lipídica e a carbonilação de proteínas em comparação com os controles, além de elevar a glutationa endógena [3]. PlmtVC também reduziu significativamente o número total de DSBs em comparação com controles ou l-AA [3]. Enquanto alguns estudos mostraram que a vitamina C tem atividade radioprotetora, outros estudos mostraram que a vitamina C potencializadanos induzidos por radiação[14-16]. Essa dicotomia torna a vitamina C um agente controverso para uso clínico como radioprotetor. Embora a vitamina C e o NAC tenham mostrado resultados promissores, vários outros agentes foram estudados usando linfócitos humanos in vitro. Alcaraz et ai. [17] realizaram um estudo para avaliar 10 diferentes compostos antioxidantes (ácido carnósico, extrato de chá verde, apigenina, diosmina, ácido rosmarínico, ácido l-ascórbico, δ-tocoferol, rutina, amifostina, dimetilsulfóxido) como candidatos a radioprotetores contra danos cromossômicos causados por radiação ionizante (com DSMO como controle e veículo). Quando comparados aos controles irradiados, todos os compostos mostraram uma diminuição no dano ao DNA, com os maiores efeitos observados no ácido rosmarínico, ácido carnósico, δ-tocoferol (vitamina E) e apigenina [17]. Agentes menos eficazes incluíram ácido l-ascórbico, amifostina, extrato de chá verde, rutina e diosmina [17]. Esse mesmo padrão também foi observado em termos da magnitude da radioproteção fornecida por esses agentes [17].

Arivalagan et ai. [18] investigaram o carvacrol (CVC) como um potencial agente radioprotetor devido à sua segurança para consumo (é um aditivo alimentar comum), propriedades anti-inflamatórias e antioxidantes. Neste estudo, os linfócitos foram coletados de indivíduos saudáveis ​​e então tratados com DMSO ou CVC antes da radiação. Não surpreendentemente, comoradiaçãoa dose aumentou a sobrevivência das células diminuiu e o dano ao DNA aumentou nos grupos de controle [18]. Os linfócitos pré-tratados com CVC experimentaram um aumento estatisticamente significativo na dose letal de radiação que podiam tolerar em comparação com os controles. Os linfócitos tratados com CVC também mostraram uma diminuição significativa no dano ao DNA, bem como diminuição da peroxidação lipídica e apoptose [18]. O CVC parece diminuir os danos dos radicais livres de duas maneiras: como antioxidante e como eliminador de radicais livres [18]. O CVC é promissor como agente radioprotetor com poucos efeitos colaterais ou toxicidade.

Os glicosídeos fenólicos, que ocorrem naturalmente nas plantas, também demonstraram ter propriedades antioxidantes [19]. Materska et ai. [19] investigaram vários glicosídeos fenólicos: sinapoil-E-glicosídeo (sEg), quercetina-3-O-ramnosídeo-7-O-glicosídeo (q3Or7Og), quercetina-3-O-ramnosídeo ( q3Or) e luteolina-7-O-(2- apiosil)-glicosídeo (l7O2ag). Os autores usaram linfócitos humanos obtidos de doadores humanos saudáveis ​​e, em seguida, os expuseram a um dos glicosídeos fenólicos antes da irradiação com raios-X. Os pesquisadores descobriram que o q3Or mostrou o maior efeito radioprotetor, com uma redução de 50% nos danos ao DNA em comparação com os controles. É importante ressaltar que neste estudo, essas substâncias não apresentaram efeitos tóxicos contra linfócitos humanos [19]. Os glicosídeos fenólicos também foram notados como tendo excelentes atividades antirradicais [19]. Neste estudo, compostos com maiores capacidades de eliminação de radicais superóxido também demonstraram melhores efeitos radioprotetores [19]. Os efeitos radioprotetores de outros glicosídeos fenólicos, incluindo ácido quínico e clorogênico, também foram estudados em linfócitos humanos in vitro. Em um estudo, os linfócitos foram expostos a diferentes doses deRadiação de raios-Xe tratados com diferentes concentrações de ácido quínico, ácido clorogênico ou controle simulado. Este estudo descobriu que os linfócitos pré-tratados com ácido quínico e ácido clorogênico antes da irradiação tiveram diminuições significativas no dano ao DNA, conforme medido pelo índice de dano genético [20]. No caso do ácido clorogênico, no entanto, não houve mudanças significativas no índice de dano genético na faixa de dose de radiação de raios-X mais baixa [20]. O ácido quínico também diminuiu a porcentagem de células danificadas pela radiação [20]. Quantitativamente, a magnitude da proteção (com base no índice de dano genético) foi calculada em 5,99–53,57% para o ácido quínico e 4,49–48,15% para o ácido clorogênico [20]. A eficácia radioprotetora do ácido quínico e do ácido clorogênico parece ser comparável a outros fitoquímicos fenólicos como curcumina, ácido cafeico, hesperidina, baunilha e resveratrol. Os efeitos observados tanto do ácido quínico quanto do ácido clorogênico podem estar relacionados a grupos hidroxila vicinais em um resíduo aromático que pode possuir efeitos antimutagênicos, anticancerígenos e antioxidantes in vitro [20].

O ácido cinâmico é uma substância fenólica obtida a partir do óleo de canela e demonstrou ter propriedades antioxidantes. Cinkilic et ai. [21] investigaram os efeitos radioprotetores do ácido cinâmico contra a instabilidade genômica induzida por raios-X em linfócitos humanos. Eles descobriram que os linfócitos tratados com ácido cinâmico tiveram uma diminuição significativa nos DSBs de DNA (variando de 16 a 55 por cento de redução) em comparação com os controles [21]. O pré-tratamento com ácido cinâmico também reduziu o dano genético total [21]. O ácido cinâmico sozinho não aumentou DSBs ou outros danos ao DNA, sugerindo que não é genotóxico [21]. Os autores descobriram que o ácido cinâmico diminuiu o dano ao DNA induzido pela irradiação com raios-X, reduzindo o nível de ROS intracelular por meio de suas propriedades de eliminação de radicais livres [21]. Como um grupo, os glicosídeos fenólicos incluem muitos agentes que mostram potencial para diminuirdanos no DNA associados à radiação.