Η ακτινοθεραπεία αποτελεί μέρος της θεραπείας πολλών αιματολογικών κακοηθών νοσημάτων επηρεάζοντας τον αριθμό και την λειτουργικότητα των προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων CD34+ Το DNA των κυττάρων αποτελεί το βασικότερο και ίσως καλύτερα μελετημένο μόριο-στόχο της ακτινοβολίας. Ο μηχανισμός που προκαλεί βλάβη στο DNA είναι άμεσος αλλά και έμμεσος. Η άμεση επίδραση και βλάβη της ακτινοβολίας στο DNA αφορά στην απευθείας δράση της στο μόριο του DNA που είναι δυνατόν να οδηγήσει σε αντικατάσταση ή απώλειας μιας βάσης, αλλαγές στην τεταρτοταγή δομή του DNA και κατά συνέπεια στις αλληλεπιδράσεις του με άλλα μόρια του κυττάρου (cross links), σπασίματα της διπλής έλικας DSB (Double Strand Breaks) ή της μίας μόνο εκ των δύο αλυσίδων SSB (Single Strand Breaks), σημειακές μεταλλάξεις ή απώλεια τμήματος των χρωμοσωμάτων. Ο έμμεσος μηχανισμός δράσης της ακτινοβολίας στο DNA αφορά την δημιουργία ελευθέρων ριζών από την αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με τα μόρια του νερού, ενδοκυττάρια και εξωκυττάρια από τη μία αλλά και από την απευθείας βλάβη του μιτοχονδρίου που αποτελεί κύρια ενδοκυττάρια πηγή ελευθέρων ριζών. Οι παραγόμενες ελεύθερες ρίζες με τη σειρά τους προκαλούν απευθείας βλάβη στο μόριο του DNA, με αποτέλεσμα την πυροδότηση ενός φαυλού κύκλου ενδοκυττάριας παραγωγής ελευθέρων ριζών και πρόκλησης βλαβών στο μόριο του DNA. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη της δράσης χαμηλών και υψηλότερων δόσεων ακτινοβολίας (1, 2 και 5Gy) σε προγονικά αιμοποιητικά κύτταρα CD34+ προερχόμενα από αίμα ομφαλίου λώρου φυσιολογικών νεογνών, και ο πιθανός προστατευτικός μηχανισμός που ενεργοποιείται από την παρουσία του ινσουλινικού αυξητικού παράγοντα IGF-1. Η προκαλούμενη από την ακτινοβολία ενδοκυττάρια παραγωγή ενεργών μορφών οξυγόνου μελετήθηκε παρουσία ή απουσία του IGF-1, 30 λεπτά και 24 ώρες μετά την ακτινοβόληση με χρήση κυτταρομετρίας ροής. Η έκφραση του αντιοξειδωτικού ενζύμου MnSOD εκτιμήθηκε ποσοτικά με την τεχνική της ανοσοαποτύπωσης και ποιοτικά μέσω ανοσοφθορισμού. Η προκαλούμενη από την ακτινοβολία απόπτωση και η δράση του υπό μελέτη αυξητικού παράγοντα εκτιμήθηκε με τις ακόλουθες τεχνικές: • Διπλή χρώση των κυττάρων με Αννεξίνη και Ιωδιούχο προπίδιο και ανάλυση με κυτταρομετρία ροής • Ανάλυση DNA σε γέλη αγαρόζης • Εκτίμηση σε επίπεδο mRNA και πρωτεΐνης του λόγου των μορίων BCL-2 και BAX • Εκτίμηση της έκφρασης του μορίου κασπάση -9, με τη μέθοδο του ανοσοφθορισμού Εκτιμήθηκε επίσης ο πολλαπλασιασμός και η κλωνογόνος ικανότητα των προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων. Η ενδοκυττάρια παραγωγή της ρίζας του υπεροξειδίου παρουσίασε αύξηση 30 λεπτά και 24 ώρες μετά την ακτινοβόληση, και η παρουσία του IGF-1 ανέτρεψε το φαινόμενο αυτό, μειώνοντας και επιστρέφοντας τα ενδοκυττάρια επίπεδα του ανιόντος του υπεροξειδίου στα επίπεδα του δείγματος ελέγχου. Αμέσως μετά την ακτινοβόληση των κυττάρων τα ενδοκυττάρια επίπεδα του υπεροξειδίου του υδρογόνου ανευρέθηκαν υψηλά σε σύγκριση με τα αυθόρμητα ενδογενή επίπεδα μη ακτινοβολημένων κυττάρων για όλες τις δόσεις ακτινοβολίας, όμως στον όψιμο χρόνο μελέτης, των 24 ωρών, παρέμειναν σχεδόν σταθερά, παρουσιάζοντας τάση μείωσης, χωρίς όμως να σημειώνονται στατιστικά σημαντικές διαφορές. Είκοσι τέσσερεις ώρες μετά την ακτινοβόληση τα επίπεδα του αντιοξειδωτικού ενζύμου MnSOD αυξήθηκαν, και η παρουσία του IGF-1 οδήγησε σε περαιτέρω αύξηση της έκφρασης του. Ο IGF-1 ανέστειλε την ενεργοποίηση του μιτοχονδριακού μηχανισμού απόπτωσης ρυθμίζοντας σε μοριακό και κυτταρικό επίπεδο την έκφραση των BCL-2, ΒΑΧ και του λόγου BCL-2/BAX, και μειώνοντας την έκφραση του προαποπτωτικού μορίου κασπάση-9. Θετική ήταν και η δράση του IGF-1 στον πολλαπλασιασμό και στην ικανότητα αποδοτικής αιμοποίησης των προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων, ενισχύοντας την ικανότητα πολλαπλασιασμού των ακτινοβολημένων κυττάρων αλλά και την κλωνογόνο ικανότητα τους ως προς τον σχηματισμό BFU-e και CFU-GM αποικιών. Συνοψίζοντας, μπορούμε να υποστηρίξουμε ότι ο IGF-1 συμμετέχει στη διατήρηση της οξειδοαναγωγικής ομοιόστασης του ενδοκυττάριου περιβάλλοντος των προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων μειώνοντας τα ενδοκυττάρια επίπεδα των παραγόμενων ενεργών μορφών οξυγόνου. Μέσω θετικής ρύθμισης του αντιοξειδωτικού μηχανισμού MNSOD και συμμετέχοντας προστατευτικά στο μιτοχονδριακό καταρράκτη της απόπτωσης οδηγεί σε προστασία των ακτινοβολημένων αιμοποιητικών κυττάρων επιτρέποντας τους να διατηρήσουν την λειτουργικότητα τους και την ικανότητα αιμοποίησης. / Radiation exerts direct as well as indirect effects on DNA through the generation of reactive oxygen species (ROS). Irradiated hematopoietic progenitor cells (HPCs) experience DNA strand breaks, favoring genetic instability, due to ROS generation. Our aim was to study the effect of a range of radiation doses in HPCs and the possible protective mechanisms activated by insulin-like growth factor-1 (IGF-1). ROS generation was evaluated, in the presence or absence of IGF-1 in liquid cultures of human HPCs-CD34+ irradiated with 1-, 2- and 5-Gy X-rays, using a flow cytometry assay. Manganese superoxide dismutase (MnSOD) expression was studied by western blot analysis and visualized by an immunofluorescence assay. Apoptosis was estimated using the following assays: Annexin-V assay, DNA degradation assay, BCL-2/BAX mRNA and protein levels and caspase-9 protein immunofluorescence visualization. Viability and clonogenic potential were studied in irradiated HPCs. The generation of superoxide anion radicals at an early and a late time point was increased. This linear increase was reversed by the IGF-1 presence, restoring O.- generation at the levels of the innate production as manifested in control non irradiated samples. The hydrogen peroxide generation was increased at early time point but at late time point was stable. IGF-1 presence further enhanced the radiation-induced increase of MnSOD at 24 h post irradiation. IGF 1 inhibited the mitochondria- mediated pathway of apoptosis by regulating the m-RNA and protein expression of BAX, BCL-2 and the BCL-2/BAX ratio and by decreasing caspase-9 protein expression. IGF-1 presence in culture media of irradiated cells restored the clonogenic capacity and the viability of HPCs as well. In conclusion, our data support that IGF-1 anticipates oxidative microenvironment of HPCs by reducing the oxidative stress in intracellular environment due to a range of doses of radiation. IGF-1 succeeds to eliminate free radicals by favoring scavenger’s mechanisms and by regulating elements responsible for the mitochondrial pathway of apoptosis, allowing the sustained clonogenic capacity of hematopoietic progenitor cells.

Η ηπατική εγκεφαλοπάθεια είναι ένα σύνθετο νευροψυχιατρικό σύνδρομο το οποίο εκδηλώνεται κυρίως σε συνθήκες ηπατικής κίρρωσης. Διάφορες παθολογικές και τοξικές καταστάσεις μπορεί να επηρεάσουν την ηπατική λειτουργία σε τέτοια βαθμό ώστε να προκληθεί ηπατική εγκεφαλοπάθεια. Το οξειδωτικό στρές έχει ενεπλακεί σε διάφορες μελέτες στην παθογένεση της ηπατικής εγκεφαλοπάθειας. Επιπλέον, η ανάπτυξη αυξημένου οξειδωτικού στρές υπό την επίδραση αποφρακτικού ικτέρου έχει μετρηθεί σε διάφορα όργανα πειραματοζώων, συμπεριλαμβανομένου και του εγκεφάλου. Ο σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν να ανιχνεύσει της αλλαγές στις αποφρακτικές συνδέσεις των τριχοειδικών αγγείων του εγκεφάλου που συσχετίζονται με την οκκλουδίνη. Για να το επιτύχουμε αυτό χρησιμοποιήσαμε ένα μοντέλο απολίνωσης του κοινού χοληδόχου πόρου (BDL) σε πειραματόζωα (αρουραίους). Στο πείραμα 1 η έκφραση της οκκλουδίνης εκτιμήθηκε μέσω της μεθόδου ποσοτικοποίησης κατά Westernblot. Σε αυτό το πείραμα χρησιμοποιήθηκαν πέντε (BDL) και πέντε ψευδώς χειρουργηθέντα πειραματόζωα (sham). Τα πειραματόζωα θανατώθηκαν δέκα ημέρες μετα το χειρουργείο. Στην κατά Westernblot ποσοτικοποίηση παρατηρήθηκε μεγάλη μείωση της ποσότητας της οκκλουδίνης στα BDL πειραματόζωα σε σχέση με τα sham. Στο πείραμα 2 χρησιμοποιήθηκαν εννέα BDL και εννέα sham πειραματόζωα. Τρία πειραματόζωα από τις δύο παραπάνω ομάδες θανατώθηκαν την πρώτη, την πέμπτη και τη δέκατη μετεγχειρητική ημέρα. Τα επίπεδα οκκουδίνης σε αυτά τα πειραματόζωα συσχετιστήκαν με τις τιμές τηςinvivo μέτρησης των ελευθέρων ριζών οξυγόνο. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν ότι η τιμή της οκκλουδίνης στα BDL ζώα ήταν σημαντικά μειωμένη σε σχέση με τα sham όλες τις χρονικές στιγμές που έγιναν οι μετρήσεις, ενώ οι χαμηλότερες τιμές καταγράφηκαν στα πειραματόζωα που παρέμειναν υπό αποφρακτικό ίκτερο για δέκα ημέρες. Επιπλέον καταδείχθη ότι η χρονικά συσχετιζόμενη μείωση των επιπέδων της οκκλουδίνης στα ενδοθηλιακά κύτταρα του εγκεφάλου συσχετίζεται με τα αυξανόμενα επίπεδα ελευθέρων ριζών οξυγόνου της ημέρες μετά το χειρουργείο, φανερώνοντας τη σχέση μεταξύ αυτών των δύο φαινομένων. Συμπερασματικά, η παρούσα μελέτη πρώτη παραθέτει στοιχεία που προτείνουν την εμπλοκή της οκκλουδίνης στην παθοφυσιολογία της ηπατικής εγκεφαλοπάθειας σε συνθήκες εξωηπατικής χολόστασης. Αυτό γίνεται μέσω της μείωσης των επιπέδων τις οκκλουδίνης στις αποφρακτικές συνδέσεις των ενδοθηλιακών κυττάρων του εγκεφάλου υπο την επίδραση του χολοστατικού ικτέρου, η οποία οδηγεί σε άρση του αιματο-εγκεφαλικού φραγμού. / Hepatic encephalopathy in a complicate neuro-psychiatric syndrome which is common under hepatic cirrhosis. Various pathological and toxic lesions can deteriorate liver function in such way, so hepatic encephalopathy can be inflicted. Oxidative stress is involved in pathogenesis of hepatic encephalopathy in several protocols. Moreover the development of increased oxidative stress in the context of obstructive cholestasis has been proven in various rats' organs including the brain. The present study aimed to detect alterations of tight junction-associated occludin in rat brain capillaries. To accomplish that we have used a rats bile duct ligation experimental model (BDL). In experiment 1, occludin expression was evaluated by Western blot analysis. In this experiment were used five BDL and five sham rats. The experimental animals were sacrificed ten days after the operation. Western blot analysis revealed significant decrease of occlidins amount in BDL rats compared to the sham rats. In experiment 2, nine BDL and nine sham animals were used. Three animals from each group were sacrificed during the first, fifth and tenth post-operate day. The results of occludin level to these animals were associated with the in vivo superoxide radical production. The results indicated that occludin level in BDL animals, as opposed to sham-operated, was significantly reduced at every time point studied, being lowest in the rats remaining on BDL condition for 10 days. Moreover, it was demonstrated that the time-dependent reduction of occludin level in the brain endothelial was significantly correlated with the time dependent increase of brain superoxide radical level, implying a relationship between these two abnormalities. In conclusion, the evidence presented herein suggests for first time the implication of occludin in pathophysiology of hepatic encephalopathy under extra-hepatic cholestasis. This phenomenon occur due to the reduce of occludin level to cerebral endothelial cells’ tight junctions under cholestatic jaundice, which drives to lift of brain-blood barrier.

Ο αιματο-εγκεφαλικός φραγμός (ΑΕΦ) παίζει έναν καθοριστικό ρόλο στην ομοιόσταση του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος. Οι στενοσύνδεσμοι (TJ) των ενδοθηλιακών κυττάρων των εγκεφαλικών τριχοειδών συνεισφέρουν σημαντικά στη λειτουργία του ΑΕΦ περιορίζοντας την παρακυτταρική διάχυση. Η οκλουδίνη, μια διαμεμβρανική πρωτεΐνη, αποτελεί μείζον συστατικό των TJ και παίζει σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση της λειτουργίας τους. Το οξειδωτικό στρες αποτελεί κοινό χαρακτηριστικό πολλών νευροεκφυλιστικών και νευροφλεγμονωδών παθήσεων και η δυσλειτουργία των TJ με τη συνοδό διαταραχή του ΑΕΦ, συνδέονται με αυτό. Το αυξημένο οξειδωτικό φορτίο στα πλαίσια της αποφρακτικής χολόστασης έχει αποδειχθεί σε διάφορα όργανα αρουραίων μεταξύ των οποίων και ο εγκέφαλος. Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκε ένα πειραματικό μοντέλο αρουραίων με απολίνωση του χοληδόχου πόρου (BDL), για να εξεταστεί η επίδραση της χολόστασης στην εντόπιση της οκλουδίνης στο ενδοθήλιο εγκεφαλικών τριχοειδών με τη χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Αρσενικοί αρουραίοι Wistar χωρίστηκαν τυχαίως σε δύο ομάδες. Ομάδα Ι ψευδώς χειρουργημένοι αρουραίοι και ομάδα ΙΙ αρουραίοι που υπεβλήθησαν σε απολίνωση χοληδόχου πόρου (BDL) και οι δύο την ίδια ημέρα 0. Την 10η μετεγχειρητική ημέρα, όλα τα επιζήσαντα ζώα θυσιάστηκαν δια αποκεφαλισμού. Μετά από κατάλληλη προετοιμασία για σήμανση με ανοσοχρυσό της οκλουδίνης, δείγματα από το μετωπιαίο λοβό, το μεσεγκέφαλο και την παρεγκεφαλίδα από κάθε ομάδα παρατηρήθηκαν με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για διαφορές στην εντόπιση της οκλουδίνης σε σχέση με τη διενδοθηλιακή σχισμή. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν μετακίνηση της οκλουδίνης μακριά από την περιοχή των στενοσυνδέσμων του τριχοειδικού ενδοθηλίου. Σημαντική αύξηση της απόστασης της οκλουδίνης από τη διενδοθηλιακή σχισμή παρατηρήθηκε στο μεσεγκέφαλο και στην παρεγκεφαλίδα και όχι στο μετωπιαίο λοβό, σε σχέση με την ομάδα ελέγχου (control). Τα συγκεκριμένα αποτελέσματα υπαινίσσονται μια εκλεκτική ως προς την περιοχή αποδιοργάνωση της οκλουδίνης σε απάντηση στην ηπατική δυσλειτουργία και ένα σημάδι δυσλειτουργίας των TJ με λογικό συνεπακόλουθο τη δυσλειτουργία και του ΑΕΦ. Προκαταρκτικά δεδομένα της χρήσης αντιοξειδωτικών παραγόντων, όπως η αλλοπουρινόλη, αφήνουν να διαφανεί ένας προστατευτικός ρόλος όσον αφορά τη μετατόπιση της οκλουδίνης σε BDL αρουραίους. Εν συντομία, η παρούσα πειραματική μελέτη παρουσιάζει την επίδραση του οξειδωτικού στρες, στην εντόπιση της πρωτεΐνης των στενοσυνδέσμων οκλουδίνη στο ενδοθήλιο των εγκεφαλικών τριχοειδών αγγείων σε αρουραίους με απολίνωση χοληδόχου πόρου. Για τη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές ανοσοσήμανσης συνδυαζόμενες με ηλεκτρονική μικροσκοπία και παρουσιάστηκαν δεδομένα εκλεκτικής ως προς την περιοχή εγκεφαλικής δυσλειτουργίας στην ηπατική πάθηση με δυνητική συσχέτιση με τις κλινικές εκδηλώσεις της ηπατικής εγκεφαλοπάθειας. / The blood–brain barrier (BBB) plays a critical role in central nervous system homeostasis. Interendothelial tight junction (TJ) protein complexes of the brain microvasculature have a major contribution to the BBB function by limiting paracellular diffusion Occludin, a transmembrane protein, is a major component of the TJ which plays a significant role in its regulation. Oxidative stress is a major underlying cause of neurodegenerative and neuroinflammatory disorders while TJ dysfunction leading to BBB disruption is associated with it. The development of increased oxidative stress in the context of obstructive cholestasis has been proven in various rats' organs including the brain. The present study used a rat model with bile duct ligation, to examine the effect of cholestasis, to the localization of occludin in brain capillary endothelium by means of electronic microscopy. Male Wistar rats were randomly divided into Group I, rats subjected to sham operation, and Group II, rats subjected to bile duct ligation (BDL) on day 0 and on post-operative day 10 all surviving animals were sacrificed by instant decapitation. After specific treatment for immunogold labeling of occludin, samples from frontal cortex, midbrain and cerebellum from each group were observed for differences in occludin location in relation to the interendothelial cleft. The results demonstrated a dislocation of occludin away from the tight junction sites of brain endothelial cells. A significant increase of the occludin-interendothelial cleft distance was demonstrated in the midbrain and the cerebellum samples but not in the frontal cortex, compared to the control group samples. These findings imply a brain region selective derangement of occludin in response to liver disease and a sign of TJ impairment and thus, a speculated BBB dysfunction. Preliminary data of use of antioxidant agents, as allopurinol, imply a protective effect concerning the dislocation of occludin in BDL rats. In brief, this experimental study demonstrates the effect of oxidative stress, in the location of TJ protein occludin in brain capillary endothelium of BDL rats. The study used immunolabeling techniques combined with electron microscopy and presented data of region-specific brain abnormalities in liver disease with potential correlation with clinical manifestations of hepatic encephalopathy.

Η ηπατική εγκεφαλοπάθεια είναι ένα πολύπλοκο νευροψυχιατρικό σύνδρομο που έχει συσχετισθεί με οξείες και χρόνιες ηπατοπάθειες. Τα τελευταία χρόνια συσσωρεύονται πληροφορίες που εμπλέκουν το οξειδωτικό στρες (φορτίο) ως παράγοντα-κλειδί στην παθογένεση της ηπατικής εγκεφαλοπάθειας σε μελέτες που χρησιμοποιούν ως μετρούμενους δείκτες την υπεροξείδωση λιπιδίων και το οξειδοαναγωγικό ζεύγος της γλουταθειόνης (GSH/GSSG). Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο πειραματικού αποφρακτικού ίκτερου με απολίνωση του χοληδόχου πόρου. Αρσενικοί αρουραίοι χωρίστηκαν σε ομάδες ελέγχου, ψευδώς χειρουργημένων, και σε ομάδες απολίνωσης χοληδόχου πόρου που είτε θυσιάστηκαν την 5η ημέρα, είτε τη 10η ημέρα, ή τους χορηγήθηκαν αντιοξειδωτικοί παράγοντες (NAC, ALP, Vit-E). Στη συνέχεια, μελετήθηκε η θειολική οξειδοαναγωγική κατάσταση στον εγκέφαλο των αρουραίων, και μάλιστα ανά περιοχές (εγκεφαλικός φλοιός, στέλεχος, παρεγκεφαλίδα), καθώς και η επίδραση των επιλεγμένων αντιοξειδωτικών παραγόντων σε αυτήν. Χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά μια πιο αντιπροσωπευτική εκτίμηση του οξειδωτικού στρες, καθώς ποσοτικοποιήθηκαν συγκεκριμένοι δείκτες υψηλού (GSSG, NPSSR, NPSSC, PSSR, PSSC, PSSP, υπεροξείδια λιπιδίων) και χαμηλού (GSH, CSH, PSH) οξειδωτικού στρες. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν αύξηση των πρώτων και μείωση των τελευταίων σε όλες τις εγκεφαλικές περιοχές καταδεικνύοντας έτσι την παρουσία αυξημένου οξειδωτικού φορτίου στον αποφρακτικό ίκτερο. Το σημαντικότερο αποτέλεσμα αυτής της μελέτης είναι ότι κατέδειξε πρώιμα σημεία οξειδωτικού στρες στον εγκέφαλο ήδη από την 5η ημέρα μετά την απολίνωση του χοληδόχου πόρου. Οι μεταβολές των βιοχημικών δεικτών, και αυτό αφορά σε όλους τους δείκτες και σε όλες τις εγκεφαλικές περιοχές, αρχίζουν να φαίνονται από την 5η ημέρα και γίνονται στατιστικά σημαντικές τη 10η ημέρα από την απολίνωση του χοληδόχου πόρου. Διαπιστώσαμε επιπλέον ότι η GSH είχε περίπου διπλάσιες τιμές στον εγκεφαλικό φλοιό από ό, τι στο στέλεχος και την παρεγκεφαλίδα, και ότι στο στέλεχος παρατηρήθηκε μια δραματική αύξηση των επιπέδων των NPSSR τη 10η ημέρα μετά την απολίνωση του χοληδόχου πόρου, τα οποία όμως παρέμειναν χαμηλά στις άλλες δύο περιοχές. Καθώς είναι γνωστό πως το οξειδωτικό στρες έχει ενοχοποιηθεί στην παθογένεση διαφόρων νευροεκφυλιστικών παθήσεων στον άνθρωπο, τα ευρήματα αυτά θα μπορούσαν να συσχετισθούν με διαφορές στη φυσιολογία και τη βιοχημεία των περιοχών αυτών και ενδεχομένως να σχετίζονται με τον τρόπο που το οξειδωτικό στρες εκφράζεται στην παθοφυσιολογία και άλλων νοσολογικών καταστάσεων όπως η πλάγια αμυοτροφική σκλήρυνση, η νόσος Parkinson, και η νόσος Alzheimer. Έχει ενδιαφέρον το γεγονός ότι τα βασικά γάγγλια και οι πυρήνες του στελέχους είναι θέσεις εκλεκτικής βλάβης στην εγκεφαλοπάθεια από χολερυθρίνη στο νεογνικό ίκτερο. Στη δεύτερη πειραματική φάση, στους ικτερικούς αρουραίους χορηγήσαμε αντιοξειδωτικούς παράγοντες, που έχουν επανειλημμένα μελετηθεί τόσο in vitro όσο και σε ζωικά μοντέλα, σε μια προσπάθεια να αναστρέψουμε τις διαταραχές που είχαν παρατηρηθεί. Ένα πρώτο εύρημα ήταν η ευεργετική δράση στην υπεροξείδωση των λιπιδίων, που ποσοτικοποιήθηκε με τον υπολογισμό της MDA, στις ομάδες και των τριών αντιοξειδωτών αλλά κυρίως στις ALP και Vit-E. Και στις τρεις ομάδες που έλαβαν αντιοξειδωτικά, αντίθετα με την ομάδα απολίνωσης χοληδόχου πόρου, δεν παρατηρήθηκε εξάντληση του συνολικού κυτταρικού περιεχόμενου γλουταθειόνης. Επιπλέον, και στις τρεις ομάδες αντιοξειδωτικών δεν παρατηρήθηκε αύξηση των NPSSR στο εγκεφαλικό στέλεχος, γεγονός που υποδηλώνει ότι η συσσώρευση των μη-πρωτεϊνικών δισουλφιδίων στο στέλεχος εμποδίστηκε από τους αντιοξειδωτικούς παράγοντες. Η ανισορροπία των πρωτεϊνικών θειολών, όπως αυτή φάνηκε από τη μείωση της PSH και την αύξηση του PSSP, αναστράφηκε σημαντικά μόνο στην ομάδα NAC στην οποία η PSH αυξήθηκε στα φυσιολογικά επίπεδα. Εν συντομία, η παρούσα μελέτη είναι η πρώτη που καταδεικνύει με σαφήνεια το οξειδωτικό στρες στον εγκέφαλο στο μοντέλο του αποφρακτικού ίκτερου και μάλιστα αρκετά πρώιμα. Χρησιμοποιεί μια συστοιχία βιοχημικών δεικτών που περιγράφουν την θειολική αναγωγική κατάσταση και την υπεροξείδωση των λιπιδίων και μελετά τις ευεργετικές επιδράσεις γνωστών αντιοξειδωτικών παραγόντων στον πειραματικό αποφρακτικό ίκτερο. Τα αποτελέσματά της θα μπορούσαν να προσφέρουν κάποια βοήθεια στην κατανόηση ορισμένων μηχανισμών της ηπατικής εγκεφαλοπάθειας στους ανθρώπους. Μελλοντικές έρευνες θα απαντήσουν ερωτήματα σχετικά με τα γενεσιουργά αίτια του οξειδωτικού στρες, την ίδια την παρουσία των ελευθέρων ριζών και την παθοφυσιολογία του φαινομένου. / Hepatic encephalopathy is a complex neuropsychiatric syndrome that has been associated with acute and chronic liver diseases. Accumulated evidence over the last several years has implicated oxidative stress a key factor in the pathogenesis of hepatic encephalopathy. These studies utilize measurements of lipid peroxidation products and glutathione (GSH) and its oxidized disulfide GSSG. A model of experimental obstructive jaundice after ligation of the biliary duct has been used in the present study. Male Wistar rats were divided into control, sham operated and bile duct ligated groups that were sacrificed either on the 5th or the 10th day, or they have been treated with antioxidant agents (NAC, ALP, Vit-E). Subsequently, the thiol redox state of various areas (cortex, midbrain and cerebellum) of the rat brain and the effect of selected antioxidants were studied. For the first time specific markers of high oxidative stress (GSSG, NPSSR, NPSSC, PSSR, PSSC, PSSP, lipid peroxides) and low oxidative stress (GSH, CSH, PSH) were quantified providing a more detailed assessment of the phenomenon. Our results show increase in the first and decrease in the latter group of markers in all studied brain areas, therefore demonstrating high oxidative stress in the obstructive jaundice. The major impact of the present study is the demonstration of early signs of oxidative stress in the brain. Using this battery of biochemical markers, deviations from control and sham animals occurred as early as 5 days following bile duct ligation; by the 10th day the majority of these changes became statistically significant. It was also observed that GSH values in cerebral cortex were twice as high as those in midbrain and cerebellum and a dramatic increase in the levels of NPSSR on the 10th day after bile duct ligation in midbrain that was not observed in the other brain areas. These findings could be attributed to specificities of metabolic or biochemical status of neurons and astrocytes and alterations of blood-brain barrier permeability in different brain areas and probably should be taken into account in further studies, since, as we know, oxidative stress has been implicated in the pathogenesis of many human diseases like Parkinson’s , Alzheimer’s and Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). It is of interest that basal ganglia and brainstem nuclei are, as well, the sites of selective damage in bilirubin encephalopathy in jaundiced neonates. Jaundiced rats were treated with agents that have frequently been used in vitro and in vivo for their antioxidant effects, in an effort to reverse the observed alterations in redox state. In the treated groups, there was no decrease in the total cell glutathione content unlike the bile duct ligated rats. There was also no significant difference in the levels of lipid peroxidation as compared with control and sham groups. The imbalance of protein thiols demonstrated by the decrease of PSH and the increase of PSSP was considerably reversed only in the NAC group. In all treated groups, no NPSSR increase was found suggesting that the antioxidant agents suppressed the accumulation of non-protein disulfides in the midbrain. In brief, this experimental study demonstrates the oxidative profile of the brain associated with obstructive jaundice at an early and later stage. A battery of biochemical markers that define the thiol redox state is utilized and the beneficial effects of known antioxidants are examined. The evidence presented supports the concept that oxidative stress is neither a uniform matter affecting brain in a general way nor that any antioxidant agent could prevent damage by enhancing equally well different defence system. It is also likely that oxidative stress is one of the important mechanisms of jaundice-induced encephalopathy. Further studies could provide with more evidence on the pathogenetic mechanisms and generative causes of the oxidative stress in obstructive jaundice.

Ο Σακχαρώδης Διαβήτης (ΣΔ) είναι μια μεταβολική διαταραχή, που χαρακτηρίζεται από χρόνια υπεργλυκαιμία ως αποτέλεσμα διαταραχής στην έκκριση της ινσουλίνης ή τη δράση της ή και στα δύο αυτά χαρακτηριστικά. Οι μακροπρόθεσμες επιπτώσεις της χρόνιας υπεργλυκαιμίας στον ΣΔ διακρίνονται σε μικροαγγειακές και μακροαγγειακές επιπλοκές. Η μικροαγγειακή νόσος οδηγεί σε αμφιβληστροειδοπάθεια, νεφρική ανεπάρκεια και νευροπάθεια, ενώ η σχετιζόμενη με τον ΣΔ μακροαγγειακή νόσος προκαλεί αυξημένο κίνδυνο για έμφραγμα μυοκαρδίου, αγγειακά εγκεφαλικά επεισόδια και ακρωτηριασμούς των άκρων. Έχει βρεθεί ότι η υπεργλυκαιμία είναι η κύρια αιτία της μικροαγγειακής νόσου, ενώ στην παθογένεια της μακροαγγειακής νόσου συμμετέχει η υπεργλυκαιμία, αλλά και η αντίσταση στην ινσουλίνη. Ο σύνδεσμος ανάμεσα στην χρόνια υπεργλυκαιμία και την αγγειακή βλάβη έχει αποδοθεί σε τέσσερα ανεξάρτητα βιοχημικά μονοπάτια: 1. Αυξημένη δραστηριότητα του μονοπατιού της πολυόλης 2. Συσσώρευση τελικών προϊόντων προχωρημένης γλυκοζυλίωσης (Advanced Glycation Endproducts: AGEs) 3. Ενεργοποίηση της πρωτεϊνικής κινάσης C (PKC) και 4. Αυξημένη δραστηριότητα του μονοπατιού της εξοζαμίνης. Αυτά τα φαινομενικά μη σχετιζόμενα μεταξύ τους μοριακά μονοπάτια έχουν έναν υποκείμενο κοινό μηχανισμό : την υπερπαραγωγή ριζών υπεροξειδίου από τη μιτοχονδριακή αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Οι μιτοχονδριακές ελεύθερες ρίζες οξυγόνου, μέσω ενεργοποίησης της πολυμεράσης της πολυ-ADP-ριβόζης, μερικώς αναστέλλουν το γλυκολυτικό ένζυμο αφυδρογονάση της 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης, με αποτέλεσμα τη συσσώρευση των γλυκολυτικών ενδιάμεσων προϊόντων, όπως της 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης και της 6-φωσφορικής φρουκτόζης, που αποτελούν υποστρώματα για τα τέσσερα παραπάνω βιοχημικά μονοπάτια. Το αποτέλεσμα της αντίστασης στην ινσουλίνη, όσον αφορά τις μακροαγγειακές επιπλοκές, είναι η αυξημένη ροή των ελεύθερων λιπαρών οξέων από τα λιποκύτταρα προς τα αρτηριακά ενδοθηλιακά κύτταρα. Η αυξημένη οξείδωση των ελεύθερων λιπαρών οξέων στα μιτοχόνδρια και η μιτοχονδριακή υπερπαραγωγή ελευθέρων ριζών οξυγόνου οδηγούν στην ενίσχυση των τεσσάρων μοριακών μονοπατιών με τον ίδιο ακριβώς μηχανισμό που έχει περιγραφεί παραπάνω για την υπεργλυκαιμία. Στην αντίσταση στην ινσουλίνη έχει παρατηρηθεί, επίσης, η μερική αναστολή του μονοπατιού της κινάσης της 3-φωσφατιδυλινοσιτόλης, που τελικά προάγει την ενίσχυση των αθηρογόνων και την καταστολή των αντι-αθηρογόνων ιδιοτήτων της ινσουλίνης. Ο κύριος στόχος αυτής της βιβλιογραφικής εργασίας είναι η περιγραφή των μονοπατιών που οδηγούν στη δημιουργία των, επαγόμενων από την υπεργλυκαιμία αλλά και την αντίσταση στην ινσουλίνη, διαβητικών αγγειακών επιπλοκών, καθώς και του κοινού μηχανισμού (παραγωγής ελευθέρων ριζών οξυγόνου) που βρίσκεται πίσω από αυτά τα μονοπάτια, παρέχοντας πλέον μια καινούρια βάση για μελλοντική έρευνα και ανακάλυψη φαρμάκων, προληπτικών και θεραπευτικών της διαβητικής αγγειοπάθειας. / Diabetes Mellitus is a metabolic disorder characterized by chronic hyperglycemia, due to decreased secretion of insulin and/ or decreased tissue sensitivity to insulin. The sequelae of chronic hyperglycemia in diabetes of all phenotypes are divided into microvascular and macrovascular complications. Microvascular disease causes blindness, renal failure, and neuropathy, and diabetes-accelerated macrovascular disease causes excessive risk for myocardial infarction, stroke, and lower limb amputation. Strict glycemic control has been shown to reduce both microvascular and macrovascular complications of diabetes. However, in contrast to diabetic microvascular disease, it is believed that hyperglycemia is not the major determinant of diabetic macrovascular disease : a large part of cardiovascular disease risk is due to insulin resistance. The link between chronic hyperglycemia and vascular damage has been established by four independent biochemical abnormalities : increased polyol pathway flux, increased formation of Advanced Glycation End-products (AGEs), activation of Protein Kinase C (PKC), and increased hexosamine pathway flux. These seemingly unrelated pathways have an underlying common denominator : overproduction of superoxide by the mitochondrial electron transport chain. Mitochondrial reactive oxygen species (ROS) partially inhibit the glycolytic enzymes glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, which diverts increased substrate flux from glycolysis to pathways of glucose overutilization. As for insulin resistance, it causes increased free fatty acid flux from adipocytes into endothelial cells and increased free fatty acid oxidation in macrovascular endothelial cells, resulting in mitochondrial overproduction of ROS by exactly the same mechanism described above about hyperglycemia. Furthermore, metabolic insulin resistance is characterized by pathway-specific impairment in phosphatidylinositol 3-kinase-dependent signaling, which also causes endothelial dysfunction. Preliminary experimental evidence in vivo suggests that these mechanisms leading to diabetic microvascular and macrovascular complications offer a novel basis for research and drug development, targeting to prevention and treatment of angiopathy in Diabetes Mellitus.

Πρόσφατες μελέτες παρέχουν ενδείξεις για τη συμμετοχή του οξειδωτικού στρες στην ανάπτυξη καρδιαγγειακών νοσημάτων. Το οξειδωτικό στρες έχει συσχετιστεί ισχυρά με τον κυτταρικό θάνατο και διαδικασίες καρδιακής αναδόμησης, που αποτελούν χαρακτηριστικά της καρδιακής ανεπάρκειας. Μύες χωρίς δεσμίνη, σημαντική πρωτεΐνη των μυϊκών ενδιαμέσων ινιδίων, αναπτύσσουν διατατική μυοκαρδιοπάθεια και καρδιακή ανεπάρκεια, η οποία χαρακτηρίζεται από μιτοχονδριακές ανωμαλίες και κυτταρικό θάνατο μαζί με εκτεταμένες εναποθέσεις ασβεστίου και ίνωση, προσφέροντας έτσι ένα πολύ καλό μοντέλο καρδιακής ανεπάρκειας.Διάφορες κυτταρικές και βιοχημικές αλλοιώσεις στην καρδιά των μυών αυτών υποδηλώνουν έντονα ότι το οξειδωτικό στρες είναι ένας σημαντικός μηχανισμός που συμβάλλει στην παθογένεση αυτού του φαινότυπου. Οι ανωμαλίες στη μιτοχονδριακή δομή και λειτουργία, οι οποίες χαρακτηρίζουν το φαινότυπο του μυός χωρίς δεσμίνη, προσφέρουν τις πιο σημαντικές ενδείξεις για την ύπαρξη οξειδωτικού στρες, καθώς η αναπνευστική αλυσίδα είναι η πιο σημαντική πηγή δραστικών Ενώσεων Οξυγόνου (ΔΕΟ ή Reactive Oxygen Species - ROS) στα μυοκαρδιοκύτταρα. Προκειμένου να διασαφηνιστεί η ύπαρξη οξειδωτικού στρες στο μυοκάρδιο απουσία δεσμίνης και συνεπώς η συμμετοχή του στην εξέλιξη του μυοεκφυλισμού, επιχειρήθηκαν τόσο in vitro, όσο και in vivo προσεγγίσεις. Η ύπαρξη οξειδωτικής καταπόνησης διερευνήθηκε σε πρωτογενείς καλλιέργειες ενήλικων μυοκαρδιοκυττάρων. Επιχειρήθηκε η ενίσχυση του αντιοξειδωτικού αμυντικού συστήματος, έτσι ώστε να αποτιμηθεί, τόσο η συμβολή του οξειδωτικού στρες στο μυοεκφυλισμό, όσο και η πιθανή θεραπευτική δράση των αντιοξειδωτικών στρατηγικών. Προκειμένου να αποτιμηθούν τα επίπεδα ενδοκυτταρικής οξειδωτικής καταπόνησης αναπτύχθηκε νέα μέθοδος απομόνωσης ενήλικων μυοκαρδιοκυττάρων από μυ. Επειδή τα μιτοχόνδρια αποτελούν το κύριο στόχο των παρατηρούμενων αλλοιώσεων, επιχειρήθηκε πρώτα ο προσδιορισμός των γενικών αλλαγών που παρατηρούνται στο μιτοχονδριακό πρωτέωμα. Πράγματι, οι παρατηρούμενες αλλαγές στα επίπεδα πρωτεϊνικής έκφρασης ενίσχυσαν την αρχική υπόθεση. Στη συνέχεια εκτιμήθηκαν τα ενδοκυτταρικά επίπεδα ROS σε καλλιέργειες ενήλικων 8 μυοκαρδιοκυττάρων χρησιμοποιώντας φθορίζοντες ιχνηθέτες. Ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι υπάρχουν αυξημένα επίπεδα ROS στα μυοκαρδιοκύτταρα απουσία δεσμίνης. Επιπλέον, διερευνήθηκε το μιτοχονδριακό μεμβρανικό δυναμικό, το οποίο είναι ενδεικτικό της σωστής μιτοχονδριακής λειτουργίας, χρησιμοποιώντας ειδικό φθορίζοντα ιχνηθέτη. Διαπιστώθηκε ότι υπάρχουν σημαντικές αλλοιώσεις σε αρκετά μυοκαρδιοκύτταρα απουσία δεσμίνης. Με σκοπό (1) να επιβεβαιωθεί η ύπαρξη οξειδωτικού στρες in vivo, (2) να αποτιμηθεί η συμβολή του στο φαινότυπο του μυός χωρίς δεσμίνη και (3) να εκτιμηθεί η θεραπευτική δυνατότητα της προστασίας έναντί του, το αντιοξειδωτικό αμυντικό σύστημα ενισχύθηκε in vivo, χρησιμοποιώντας το μυ χωρίς δεσμίνη ως μοντέλο καρδιακής ανεπάρκειας. Για το σκοπό αυτό δημιουργήθηκαν διαγονιδιακοί μύες που υπερεκφράζουν στο μυοκάρδιο τα αντιοξειδωτικά ένζυμα καταλάση και υπεροξειδική δυσμουτάση (MnSOD). Η καταλάση αποτοξινώνει τα κύτταρα από το H2O2 μετατρέποντας το σε νερό και οξυγόνο. Η μυοκαρδιακή υπερέκφραση καταλάσης μελετήθηκε σε υπόβαθρο απουσίας δεσμίνης. Το επίπεδο υπερέκφρασης αποτιμήθηκε σε επίπεδο τόσο πρωτεϊνικό, όσο και ενζυμικής ενεργότητας. Ο καρδιοπροστατευτικός ρόλος της καταλάσης αποτιμήθηκε ως συνιστώσα των επιπέδων ινωδών αλλοιώσεων, της υπερδομής και της καρδιακής συστολικής λειτουργίας. Η υπερέκφραση καταλάσης στο μυοκάρδιο μυών χωρίς δεσμίνη οδηγεί σε σημαντική μείωση των ενδοκυτταρικών επιπέδων ROS και της έκτασης ινωδών αλλοιώσεων, μειώνει το μυοεκφυλισμό και βελτιώνει την καρδιακή συστολική λειτουργία. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώνουν τη συμβολή του οξειδωτικού στρες και ειδικά του H2O2 στην ανάπτυξη μυοκαρδιοπάθειας και καρδιακής ανεπάρκειας στο μυ χωρίς δεσμίνη και υπογραμμίζουν τη θεραπευτική δυνατότητα της υπερέκφρασης καταλάσης. Η MnSOD εντοπίζεται στη μιτοχονδριακή μήτρα και μετατρέπει το υπεροξειδικό ανιόν σε υπεροξείδιο του υδρογόνου. Η καρδιακή υπερέκφραση MnSOD μελετήθηκε σε υπόβαθρο απουσίας δεσμίνης. Υπερέκφραση της MnSOD μόνο σε ενδιάμεσα επίπεδα οδηγεί σε μείωση των επιπέδων του υπεροξειδικού ανιόντος και των ινωδών αλλοιώσεων στο μυοκάρδιο απουσία δεσμίνης. Επιπλέον, παρατηρήθηκε βελτίωση της μυοκαρδιακής υπερδομής, καθώς και μέτρια βελτίωση της καρδιακής συστολικής λειτουργίας. Η υποβολή μυών χωρίς δεσμίνη που υπερεκφράζουν MnSOD σε υποχρεωτική άσκηση είχε ως αποτέλεσμα το θάνατο. Αυτή η κατάληξη δεν παρατηρήθηκε όταν στο μυοκάρδιο χωρίς δεσμίνη 9 υπερεκφράζονταν τόσο η καταλάση, όσο και η MnSOD. Αυτό το αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι το H2O2 είναι σημαντικός διαμεσολαβητής της παρατηρούμενης θνησιμότητας. Είναι ενδιαφέρον ότι η MnSOD έχει «μεικτή» συμβολή στην αποτοξίνωση από ΕΜΟ, καθώς διασπά μία δραστική ένωση δημιουργώντας ταυτόχρονα μία άλλη. Είναι συνεπώς πολύ σημαντικό η υπερέκφραση αυτού του αντιοξειδωτικού ενζύμου να πραγματοποιείται με επίγνωση των επιβλαβών συνέπειών του. Συνολικά, τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται εδώ επιβεβαιώνουν τη συμβολή της οξειδωτικής καταπόνησης στην ανάπτυξη κληρονομικής μυοκαρδιοπάθειας και καρδιακής ανεπάρκειας, καθώς και τη θεραπευτική ικανότητα των διαφορετικών αντιοξειδωτικών στρατηγικών και του συνδυασμού τους. / Recent studies support the contribution of oxidative stress in the development of cardiovascular diseases. Oxidative stress has been strongly linked to cell death and cardiac remodeling processes, all hallmarks of heart failure. Mice null for desmin, which is the major muscle specific intermediate filament protein, develop dilated cardiomyopathy and heart failure characterized by mitochondrial defects and cardiomyocyte death accompanied by extensive calcification and fibrosis, thus providing a very good model for heart failure. Several cellular and biochemical alterations in the hearts of these mice strongly suggested that oxidative stress is one of the mechanisms contributing to the pathogenesis of the phenotype. The defects in mitochondrial structure and function, hallmarks of the desmin null mouse phenotype, provide the most important indications for the existence of oxidative stress, as the respiratory chain is the most important source of reactive oxygen species (ROS) in cardiomyocytes. In order to delineate the existence of oxidative stress in the desmin null myocardium and therefore its participation in the development of the myocardial degeneration we sought both in vitro and in vivo approaches. The existence of oxidative stress was addressed in primary adult cardiomyocytes. The reinforcement of the antioxidant defense system was pursued, in order to assess the contribution of oxidative stress in the myocardial degeneration, as well as the therapeutic potential of antioxidant strategies. To assess intracellular oxidative stress a new method for the isolation of adult mouse cardiomyocytes was developed. Since mitochondria were the target of pathology, we wanted to first determine global changes in the mitochondrial proteome. The observed changes in protein levels reinforced the original hypothesis. Intracellular reactive oxygen species were measured using fluorescent probes in adult cardiomyocyte cultures. Analysis of the above data showed that there are increased levels of ROS in desmin null cardiomyocytes. Furthermore, the mitochondrial membrane potential, which is indicative of proper mitochondrial function, was investigated using a fluorescent probe. It was found altered in a subset of the desmin null cardiomyocytes. In order to (1) verify the existence of oxidative stress in vivo, (2) assess its contribution to the phenotype of desmin null mice and (3) evaluate the therapeutic 5 potential of protecting against it, the antioxidant defense system was fortified in vivo using the desmin null mouse as a heart failure model. Towards this goal transgenic mice overexpressing the antioxidant genes catalase and manganese superoxide dismutase (MnSOD) were created. Catalase detoxifies the cells from hydrogen peroxide by converting it to water and oxygen. Cardiac specific overexpression of catalase was brought to a desmin null background. The level of overexpression was assessed by measuring protein levels and enzyme activity. The cardioprotective effect of catalase was assessed in terms of fibrotic lesion extent, ultrastructure and cardiac systolic function. Overexpression of catalase in the heart of desmin null mice leads to marked decrease in intracellular ROS levels and significant decrease in fibrotic areas, ameliorates the myocardial degeneration and improves cardiac function. These data support the contribution of oxidative stress and in particular of the ROS hydrogen peroxide in the development of cardiomyopathy and heart failure in the desmin null mouse and underscore the therapeutic potential of catalase overexpression. MnSOD in localized in the mitochondrial matrix and converts superoxide anion to hydrogen peroxide. Cardiac specific overexpression of MnSOD was studied in a desmin null background. Overexpression of MnSOD only at moderate levels leads to a significant reduction of fibrotic lesion in the desmin null myocardium. Furthermore, an improvement of the myocardial ultrastructure was observed, as well as a moderate improvement of cardiac systolic function. These data suggest that another ROS, superoxide anion, contributes to the development of cardiomyopathy and heart failure in the desmin null mouse and that MnSOD, when overexpressed at moderate levels, offers cardioprotective effect. When the mice overexpressing MnSOD in the desmin null myocardium were challenged to exercise an absolute reduction of survival was observed. This defect was completely reversed when desmin null mice overexpressed both MnSOD and catalase. This suggests that hydrogen peroxide is an important mediator of the observed lethality. It is of note that MnSOD retains a contradictory antioxidant role, both breaking down and creating a specific ROS. It is therefore of paramount importance that this antioxidant enzyme is employed with caution and awareness of its deleterious effects. Overall, the data presented here demonstrate the contribution of oxidative stress in the development of inherited cardiomyopathy and heart failure, as well as the therapeutic potential of different antioxidant strategies, and their combination.

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής εστιάζεται στη διερεύνηση της λειτουργίας και της δομής του ευκαρυωτικού ριβοσώματος. Συγκεκριμένα, ερευνά την επίδραση ορισμένων συστατικών του ριβοσωματικού RNA (rRNA) της μεγάλης και της μικρής υπομονάδας του ριβοσώματος αλλά και ορισμένων εξωριβοσωματικών συστατικών επί της πιστής αποκωδικοποίησης της γενετικής πληροφορίας, επί της ικανότητας κατάλυσης του σχηματισμού πεπτιδικού δεσμού, αλλά και επί της μετατόπισης του πεπτιδυλο-tRNA από την Α στην Ρ ριβοσωματική περιοχή. Τέλος, διερευνήθηκε για πρώτη φορά σε ευκαρυωτικά κύτταρα, η πιθανότητα συσχέτισης της πιστότητας με την οποία επιτελούν τα κύτταρα τη μετάφραση με την οξειδωτική τους κατάσταση. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε περιλαμβάνει α) τον προσδιορισμό της συχνότητας λάθους (E.F) in vitro, η οποία αποτελεί μέτρο της πιστότητας της μετάφρασης, β) τον προσδιορισμό της ταχύτητας κατάλυσης του σχηματισμού πεπτιδικού δεσμού που αποτελεί μέτρο της ενεργότητας της ριβοσωματικής πεπτιδυλοτρανσφεράσης και γ) την εξάρτηση του σταδίου μετατόπισης από την συγκέντρωση των διαλυτών πρωτεϊνικών παραγόντων και του κυκλοεξιμιδίου. Επιπλέον, διερευνήθηκε η επίδραση ορισμένων αντιβιοτικών, κυρίως της παρομομυκίνης και του κυκλοεξιμιδίου, in vivo και in vitro. Επίσης, προσδιορίστηκε η ικανότητα συγκρότησης των ριβοσωματικών υπομονάδων, των ακέραιων ριβοσωμάτων και των πολυσωμάτων. Τέλος, προσδιορίστηκαν χαρακτηριστικοί δείκτες της οξειδωτικής κατάστασης του κυττάρου. Παρά το γεγονός ότι συστατικά του rRNA είναι κυρίως υπεύθυνα για τη ριβοσωματική λειτουργία, τα αποτελέσματα της πρώτης ενότητας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η πιστότητα της μετάφρασης, η καταλυτική ενεργότητα αλλά και το στάδιο μετατόπισης της μετάφρασης καθορίζονται ως ένα βαθμό και από εξωριβοσωματικά συστατικά όπως είναι η φωσφατάση σερίνης/θρεονίνης SAL6 και το προϊόν του γονιδίου ASU9. Τα συμπεράσματα της δεύτερης θεματικής ενότητας δίνουν έμφαση στην συνεχή ενδοεπικοινωνία που υφίσταται μεταξύ των δυο ριβοσωματικών υπομονάδων. Πράγματι, ορισμένες μεταλλάξεις στο rRNA της μικρής υπομονάδας του ριβοσώματος επηρεάζουν εκτός από την κύρια λειτουργία αυτής, δηλαδή την αποκωδικοποίηση, και την ταχύτητα σχηματισμού πεπτιδικών δεσμών. Αντίστροφα, ορισμένες μεταλλάξεις στο rRNA της μεγάλης υπομονάδας του ριβοσώματος επηρεάζουν εκτός από την κύρια ενεργότητα αυτής, δηλαδή την ενεργότητα πεπτιδυλοτρανσφεράσης, και την πιστότητα της αποκωδικοποίησης. Ορισμένες εξ αυτών των μεταλλάξεων επηρεάζουν επίσης και το στάδιο της μετατόπισης. Στην τρίτη ενότητα αποδεικνύουμε ότι οι επιρρεπείς σε λάθη μεταλλάξεις παρουσιάζουν χαμηλότερο οξειδωτικό στρες ενώ οι υπερακριβείς μεταλλάξεις παρουσιάζουν υψηλότερο οξειδωτικό στρες. Μια ελκυστική ερμηνεία των αποτελεσμάτων είναι ότι όσο πιο υπερακριβές είναι ένα κύτταρο κατά τη μετάφραση τόσο περισσότερο είναι το ποσό της ενέργειας που πρέπει να καταναλώσει ώστε να εξασφαλίσει την αποφυγή λαθών κατά τη πρωτεϊνοσύνθεση, ελαττώνοντας κατά αυτό τον τρόπο το ποσό ενέργειας με το οποίο θα αντιμετωπίζονταν οι ελεύθερες ρίζες. / The aim of the present diatribe focuses on the function and the structure of the eukaryotic ribosome. Specifically, the influence of several ribosomal RNA (rRNA) residues from the small and the large ribosomal subunit as well as the influence of several extra-ribosomal elements on the accurate decoding of the genetic information, on the catalysis of peptide bond formation and on the translocation of peptidyl-tRNA from the A to the P ribosomal site, is investigated. In the last part, the possible correlation between translational fidelity and the cell’s oxidative status is determined for the first time in eukaryotic cells. The methodology that was applied includes a) the error frequency (E.F) determination that measures translational fidelity, b) the determination of the catalytic rate constant for peptide bond formation that reflects the ribosomal peptidyltransferase activity and c) the dependence of the translocation step on soluble protein factors concentration and on cycloheximide concentration. Moreover, we studied the effects of the antibiotics paromomycin and cycloheximide in vivo and in vitro. The assembly of ribosomal subunits, of ribosomes and of polysomes was also investigated. Finally, typical markers of the cell’s oxidative status were determined. Despite the fact that rRNA residues are mainly responsible for ribosomal function, the results from the first part of the thesis lead to the conclusion that the translational fidelity, the catalytic activity and the translocation step of translation are determined up to a certain level by extra-ribosomal elements such as the serine/threonine phosphatase SAL6 as well as the ASU9 gene product. The conclusions drawn from the second part of the diatribe point to the constant intercommunication between the two ribosomal subunits. Indeed, several mutations in the small ribosomal subunit rRNA not only affect its major function, i.e. the decoding process, but they also affect the rate of peptide bond formation. Reversely, several mutations in the large ribosomal subunit rRNA not only affect its major activity, i.e. the peptidyltransferase activity, but they also affect the accuracy of decoding. Some of these mutations influence also the translocation step of protein synthesis. In the third part, we prove that error-prone mutations display lower oxidative stress whereas the hyperaccurate mutations display higher oxidative stress. An attractive interpretation of these results is that a cell might spend more energy in order to achieve hyperaccuracy during translation thus reducing the amount of energy left in order to combat free radicals.

Η νόσος Parkinson είναι μία νόσος νευροεκφυλιστικής φύσεως, η οποία αναπτύσσεται προοδευτικά και χαρακτηρίζεται κλινικά από κινητική δυσλειτουργία. Τα αίτια της νόσου μέχρι σήμερα είναι άγνωστα. Η εκφύλιση της ντοπαμινεργικής μελαινοραβδωτής οδού στη νόσο Parkinson οδηγεί σε επακόλουθη ελάττωση του νευροδιαβιβιστή ντοπαμίνη στο ραβδωτό σώμα και σε διαταραχή της ισορροπίας της λειτουργίας του κυκλώματος των βασικών γαγγλίων, γεγονός που έχει ως συνέπεια την εμφάνιση των κινητικών συμπτωμάτων της νόσου. Ο μυς weaver αποτελεί ένα εξαιρετικό πειραματικό μοντέλο για τη διαλεύκανση των μηχανισμών που ευθύνονται για την προοδευτική εκφύλιση των ντοπαμινεργικών νευρώνων, η οποία λαμβάνει χώρα ενδογενώς και προοδευτικά. Στην παρούσα διατριβή εξετάστηκε ο πιθανός ρόλος του οξειδωτικού στρες και της απόπτωσης στη νευροεκφύλιση των μυών weaver. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκαν οι εγκεφαλικές περιοχές που εμπλέκονται άμεσα ή έμμεσα στη μελαινοραβδωτή νευροεκφύλιση καθώς και η παρεγκεφαλίδα. Επίσης, στις παραπάνω περιοχές, μελετήθηκε η έκφραση των αποπτωτικών/αντι-αποπτωτικών γονιδίων της οικογένειας bcl-2 καθώς και η έκφραση των προστατευτικών θερμοεπαγόμενων γονιδίων, Hsp27 και Hsp70. Οι παραπάνω μελέτες έγιναν σε φυσιολογικούς και weaver μύες 21 ημερών επειδή στο στάδιο αυτό η εκφύλιση των ντοπαμινεργικών νευρώνων έχει φτάσει στο 42% και οι ντοπαμινεργικοί δενδρίτες είναι ήδη μειωμένοι κατά 76%. Τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα της διατριβής συνοψίζονται στα παρακάτω: Οι weaver μύες παρουσίασαν σημαντική αύξηση του οξειδωτικό στρες στη παρεγκεφαλίδα και στο μεσεγκέφαλο που είναι οι εγκεφαλικές περιοχές στις οποίες συμβαίνει νευροεκφύλιση. Τα αποτελέσματα αυτά υποδηλώνουν ότι το οξειδωτικό στρες πιθανόν να συμμετέχει στη νευροεκφύλιση των περιοχών αυτών. Επίσης η παρεγκεφαλίδα και ο μεσεγκέφαλος εμφάνισαν υψηλά επίπεδα κατακερματισμένου DNA. Σημαντικά επίπεδα κατακερματισμένου DNA εμφάνισαν και άλλες περιοχές του εγκεφάλου που εξετάστηκαν. Τα αποτελέσματα αυτά υποδηλώνουν ότι η απόπτωση πιθανόν να συμμετέχει στη νευροεκφύλιση των περιοχών αυτών. Τόσο τα επίπεδα έκφρασης του αντιαποπτωτικού γονιδίου bcl2 όσο και τα επίπεδα έκφρασης των προστατευτικών και αντιαποπωτικών γονιδίων Hsp27 και Hsp70, βρέθηκαν αυξημένα στη παρεγκεφαλίδα των Weaver μυών υποδηλώνοντας ότι τα κύτταρα της παρεγκεφαλίδας επιστρατεύουν αμυντικούς μηχανισμούς έναντι του οξειδωτικού στρες και της απόπτωσης. / The Parkinson disease is a neurodegeneration disease that develops progressively and it is clinically characterized by motor disturbances. The degeneration of nigrostriatal dopaminergic innervations in Parkinson disease leads to subsequent decrease of dopamine neurotransmitter in corpus striatum and to disturbance of operational equilibrium of basal ganglia circuit. The result of this is the motor symptoms that the disease appears. The weaver mouse constitutes an excellent Parkinson model for understanding the mechanisms which are responsible for the progressive degeneration of the dopaminergic neurons. The roles of oxidative stress and apoptosis in the neurodegeneration of weaver mice were investigated. The brain regions that are involved directly or indirectly in nigrostriatal dopaminergic innervations as well as cerebellum were examined. In addition, the expression of the apoptotic/antiapoptotic genes of bcl-2 family as well as the expression of the protective heat shock protein genes, Hsp27 and Hsp70. were examined in the above brain regions. The results and conclusions of this work are summarized bellow: The weaver mice showed significant increase of the oxidative stress in cerebellum and midbrain which are the major regions where neurodigeneration takes place. These results suggest that oxidative stress is probably involved in the neurodigeneration of these regions. All brain regions of weaver mice examined showed significant increases in fragmented DNA with the higher fragmentation taking place in the cerebellum and in midbrain. These results suggest that apoptosis is may involved in the neurodegeneration of all these regions. The expression levels of the antiapoptotic gene bcl-2 as well as the expression of the protective heat shock protein genes, Hsp27 and Hsp70, were found to increase in the cerebellum of the weaver mice suggesting that the cerebellum cells recruit defense mechanisms against oxidative stress and apoptosis.

Θεωρητικό υπόβαθρο: Το οξειδωτικό στρες (ΟΣ) ορίζεται ως το παθολογικό αποτέλεσμα που προκύπτει από τη διαταραχή της ισορροπίας των κυτταρικών συγκεντρώσεων των οξειδωτικών, δραστικών ενώσεων και των αντιοξειδωτικών μορίων. Εκτός από τη βλάβη που υπόκεινται οι πρωτεΐνες και τα λιπίδια, το ΟΣ μπορεί επίσης να προκαλέσει μεταλλάξεις και επιγενετικές μεταβολές καταστρέφοντας τόσο το DNA όσο και τις πρωτεΐνες που τροποποιούν τη χρωματίνη. Παρ' όλα αυτά, στα θυρεοειδικά θυλακικά κύτταρα παράγονται σε καθημερινή βάση υψηλές ποσότητες υπεροξειδίου του υδρογόνου (H2O2), οξειδωτικής ουσίας απαραίτητης για την πραγματοποίηση της θυρεοειδικής ορμονογένεσης. Δεδομένου ότι ένα ελάχιστο ποσό οξειδωτικού φορτίου αποτελεί προϋπόθεση αφ’ενός για τη φυσιολογική λειτουργία των θυλακικών κυττάρων και αφ’ετέρου για την ανάπτυξη του θυρεοειδούς αδένα, πρόσφατα αποδείχτηκε ότι ο θυρεοειδής αδένας παρουσιάζει αυξημένη αμυντική ανταπόκριση έναντι του ΟΣ. Ωστόσο, οι ακριβείς μηχανισμοί με τους οποίους τα θυλακικά κύτταρα αντιλαμβάνονται και απαντούν στο ΟΣ παραμένουν ασαφείς. Ο NFE2-related factor 2 (Nrf2), ο οποίος κωδικοποιείται από το γονίδιο NFE2L2, είναι ένας μεταγραφικός παράγοντας ο οποίος απαντά σε σήματα κυτταρικού στρες και ανταποκρίνεται επιδρώντας στη μεταγραφή γονιδίων σε διάφορους τύπους ιστών. Σε βασικές συνθήκες, ο Nrf2 οδηγείται σε πρωτεασωματική αποικοδόμηση μέσω του κυτταροπλασματικού του αναστολέα, Keap1, ενώ σε συνθήκες ΟΣ, η αποικοδόμηση του Nrf2 δεν είναι δυνατή και ο Nrf2 εισέρχεται στον πυρήνα ώστε να ενεργοποιήσει τη μεταγραφή αντιοξειδωτικών γονιδίων όπως του γονιδίου Nqo1. Καθώς η οξειδοαναγωγική ομοιοστασία κατέχει κεντρικό ρόλο στην φυσιολογία του θυρεοειδούς αδένα και ο Nrf2 πρόσφατα χαρακτηρίσθηκε ως μεσολαβητής στην αντίσταση θυρεοειδικών καρκινικών κυτταρικών σειρών σε πρωτεασωμικούς αναστολείς, το αντιοξειδωτικό μονοπάτι Nrf2 μπορεί να θεωρηθεί ως εξαιρετικός υποψήφιος της διαμεσολάβησης της απόκρισης του θυρεοειδούς αδένα στο ΟΣ. Παρ 'όλα αυτά, ο ρόλος του μονοπατιού Nrf2 στον ανθρώπινο θυρεοειδικό καρκίνο παραμένει άγνωστος. Στόχος: Στόχοι της παρούσας μελέτης ήταν η εκτίμηση της δραστηριότητας του μονοπατιού Νrf2 στο διαφοροποιημένο καρκίνωμα του θυρεοειδούς αδένα και η διερεύνηση σωματικών μεταλλάξεων των γονιδίων NFE2L2 και Keap1. Yλικά και Μέθοδοι Ασθενείς: Στη μελέτη συμμετείχαν 90 περιστατικά εκ των οποίων τα 42 αφορούσαν θηλώδη καρκινώματα (papillary thyroid carcinomas, PTCs), τα 6 θυλακιώδη καρκινώματα (follicular thyroid carcinomas, FTCs) και τα υπόλοιπα 42 καλοήθεις όγκους (24 αδενώματα και 18 οζώδης υπερπλασία). Κυτταρικές σειρές: Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης χρησιμοποιήθηκαν κυτταρικές σειρές PTC (K1, TPC-1, XTC-1), κυτταρική σειρά φτωχά διαφοροποιημένου PTC (T243), κυτταρικές σειρές αδιαφοροποίητου καρκινώματος (C643, 8505C, Hth74) και τέλος κυτταρικές σειρές αναπλαστικού καρκινώματος (T235 , T241, T238). Μέθοδοι: Αναδρομική ανοσοϊστοχημική ανάλυση δειγμάτων PTC και FTC, παρακείμενου φυσιολογικού ιστού και καλοηθών βλαβών. Ανάλυση αλληλουχίας DNA των κυτταρικών σειρών και PTC δειγμάτων. Κύριες μετρήσεις και υπολογισμοί: Αξιολογήθηκε η ένταση της ανοσοαντίδρασης των δειγμάτων των ιστών σε αντισώματα για τα Nrf2, Nqo1, Keap1 και 4-HNE. Μελετήθηκε η αλληλουχία του εξονίου 2 του γονιδίου NFE2L2 καθώς και του γονιδίου Keap1. Αποτελέσματα: O μεταγραφικός παράγοντας Nrf2 καθώς και ο στόχος του, η πρωτεΐνη Nqo1 ήταν μη ανιχνεύσιμα σε φυσιολογικό ιστό θυρεοειδούς αδένα. Τα επίπεδά τους ήταν σημαντικά υψηλότερα στα PTC δείγματα από ό,τι στα δείγματα καλοηθών βλαβών. Η έκφραση του Keap1 εμφάνισε διακύμανση στα δείγματα PTC με τα επίπεδά του να μην εμφανίζουν συσχέτιση με τα αντίστοιχα του Nrf2, ενάντια στη θεωρία πως τα μειωμένα επίπεδα του Κeap1 συνιστούν μηχανισμό ενεργοποίησης του Nrf2. Ο δείκτης ΟΣ, 4-HNE βρέθηκε αυξημένος στη πλειοψηφία των δειγμάτων PTC σε σχέση με το φυσιολογικό ιστό αναδεικνύοντας την ύπαρξη αυξημένου ΟΣ στο PTC. Επιπλέον, όσον αφορά τα δείγματα FTC, ο μεταγραφικός παράγοντας Nrf2 και η πρωτεΐνη Nqo1 ήταν ανιχνεύσιμα σε όλα τα δείγματα, ενώ τα επίπεδα του 4-ΗΝΕ ήταν αυξημένα. Όσον αφορά την ανάλυση αλληλουχίας DNA στις καρκινικές σειρές και σε 11 δείγματα PTC με υψηλή έκφραση Nrf2, καμία μετάλλαξη δεν ανευρέθηκε στο εξόνιο 2 του γονιδίου NFE2L2 και στο γονίδιο Keap1. Συμπεράσματα: Τα αποτελέσματα της μελέτης μας σε συνδυασμό με περαιτέρω μελέτες από το εργαστήριο Ενδοκρινολογίας και Ανατομικής του Πανεπιστημίου Πατρών καθώς και από το BC κέντρο έρευνας καρκίνου (Vancouver, Canada) αποδεικνύουν ότι το μονοπάτι Nrf2 ενεργοποιείται σε PTC και κατέχει ρυθμιστικό ρόλο στην αντιοξειδωτική απόκριση και τη βιωσιμότητα των θυρεοειδικών καρκινικών κυττάρων. Συνεπώς, αναδεικνύεται το Nrf2 μονοπάτι ως νέο “σήμα κατατεθέν” του PTC. Παρά το γεγονός ότι δεν ήταν δυνατή η πραγματοποίηση στατιστικών συσχετίσεων στη μελέτη του FTC λόγω του περιορισμένου αριθμού δειγμάτων, το μονοπάτι Nrf2 φαίνεται να ενεργοποιείται επίσης στο FTC. Η σταθερή ενεργοποίηση του Nrf2 στο PTC και ενδεχομένως στο FTC δίνει το έναυσμα για περαιτέρω διερεύνηση του μονοπατιού αυτού σε όλα τα είδη θυρεοειδικού καρκίνου καθώς και της πιθανής διαγνωστικής, προγνωστικής, και/ή θεραπευτικής χρησιμότητας του μονοπατιού στο διαφοροποιημένο καρκίνο του θυρεοειδούς αδένα. / Scientific background: Oxidative stress (ΟS) is experienced by cells when pro-oxidant and electrophilic reactive species overwhelm the cell’s antioxidant and detoxification proteins. In addition to causing protein and lipid damage, oxidative stress can cause mutations and epigenetic perturbation by damaging DNA and proteins that modify chromatin. Nevertheless, in thyrocytes a daily basis high amounts of the oxidant hydrogen hyperoxide (H2O2) was generated due to the fact that H2O2 is a reactive oxygen species required for thyroid hormonogenesis. A minimal oxidative load is a prerequisite for normal thyroid cell function and development and it was recently shown that the thyroid has increased capacity for defending itself against OS. However, precise mechanisms by which thyrocytes sense and respond to OS remain obscure. NFE2-related factor 2 (Nrf2), encoded by NFE2L2 gene, is a transcription factor that integrates cellular stress signals and responds by directing transcriptional program in various tissues. In basal conditions, Nrf2 is targeted for proteasomal degradation by its cytoplasmic inhibitor, Kelch-like ECH-associated protein 1 (Keap1), while in oxidative stress Nrf2 degradation is abolished and Nrf2 accumulates in the nucleus where it transactivates protective genes such as NAD(P)H dehydrogonase quinone 1 (Nqo1). As redox homeostasis plays a principal role in thyroid gland’s physiology, and Nrf2 has recently been characterised as mediator of thyroid cancer cell lines’ resistance to proteasome inhibitors, the Nrf2 antioxidant pathway seems to be an excellent candidate for mediating the antioxidant response of the thyroid gland. Nevertheless, the activity status of the Nrf2 pathway in human thyroid cancer remains unknown. Objective: The aims of this study were to assess the activity status of the Nrf2 pathway in differentiated thyroid carcinoma and investigate somatic mutations in NFE2L2 and Keap1 genes. Μethods and Materials Patients: The study included 90 individual samples; 42 papillarz thyroid carcinomas (PTCs), 6 follicular thyroid carcinomas (FTCs) and 42 benign lesions (24 adenomas and 18 nodular hyperplasias). Cell lines: Ten thyroid cell lines are used for this study: The PTC cell lines, K1, TPC-1 and XTC-1; the poorly differentiated PTC cell line, T243; the undifferentiated carcinoma cell lines, C643, 8505C and Hth74; and the anaplastic carcinoma cell lines, T235, T241 and T238. Methods: We conducted retrospective immunohistochemical analyses of PTC and FTC specimens, adjacent normal tissue, and benign lesions; DNA sequencing in cell lines and PTC samples. Main Outcome Measures: We assessed the abundance of Nrf2, Nqo1, Keap1, and 4HNE; and the sequence of NFE2L2 gene’s exon 2 and of KEAP1 gene. Results: Nrf2 and its target Nqo1 were undetectable in normal tissue; their levels were significantly higher in PTC than in benign lesions. The Nrf2 inhibitor, Keap1 was variably abundant in PTC, and its levels did not correlate with Nrf2, arguing against decreased levels as the mechanism for Nrf2 activation. The oxidized lipid 4HNE was more abundant in PTC than normal tissue indicating oxidative stress. In addition, as far as FTC samples are concerned, Nrf2 and Nqo1 were detectable in all samples as well as the levels of 4-HNE were significantly high. No mutations were detectable in exon 2 of NFE2L2 gene and in Keap1 gene. Conclusions: Our study’s results supported by further studies in laboratories of Endocrinology and Anatomy at University of Patras and BC Cancer Research Center (Vancouver, Canada) demonstrate that the Nrf2 pathway is commonly activated in PTC and that it regulates antioxidant responses and viability of cancer cells. Thus, Nrf2 is highlighted as a new hallmark of PTC. Although, statistic correlations were not possible in FTC samples’ study because of small sample size, the Nrf2 pathway seems to be also activated in FTC. The high activity of Nrf2 in PTC and possibly in FTC warrants further exploration of this pathway’s potential diagnostic, prognostic, and/or therapeutic utility in differentiated thyroid carcinoma.

Στόχος: Η νόσος του Alzheimer (ΝΑ) είναι η πιο κοινή μορφή άνοιας, η παθολογία της οποίας χαρακτηρίζεται εν μέρει από την εναπόθεση ινιδίων που σχηματίζονται από την αμυλοειδική πρωτεΐνη β (Αβ), τα οποία οδηγούν στην καταστροφή των χολινεργικών νευρώνων, πρωτίστως στον εγκεφαλικό φλοιό και τον ιππόκαμπο. Η εκτεταμένη αυτή απώλεια των νευρώνων είναι προοδευτική και έχει ως αποτέλεσμα την καταστροφή γνωστικών εγκεφαλικών λειτουργιών και τη δημιουργία σοβαρότατης, μη αναστρέψιμης άνοιας. Η Αβ-επαγόμενη τοξικότητα συνοδεύεται από ποικίλα γεγονότα, συμπεριλαμβανομένου του οξειδωτικού στρες (O.S) το οποίο χαρακτηρίζεται από αύξηση των επιπέδων των ενεργά αντιδρώντων ειδών οξυγόνου (ROS) όπως το Η2Ο2. Έρευνες αναφέρουν ότι οι τοξικοεπαγόμενες κυτταρικές βλάβες, συνεισφέρουν σημαντικά στην νευροτοξικότητα και την παθολογία της ΝΑ. Με τα πρόσφατα δεδομένα να υποδηλώνουν άμεση συσχέτιση της ΝΑ με την εναπόθεση της Αβ, το οξειδωτικό στρες και την απώλεια της χολινεργικής διαβίβασης, το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας έχει στραφεί, είτε στην ενίσχυση της αντιοξειδωτικής άμυνας του οργανισμού, είτε στη ρύθμιση του μεταβολισμού της αμυλοειδικής προ-πρωτεΐνης ΑΡΡ προς το μη-αμυλοειδογενές μονοπάτι καθώς επίσης και προς την ενίσχυση των μνημονικών διεργασιών. Τα φυσικά προϊόντα αποτελούν πηγή χρήσιμων φαρμακευτικών σκευασμάτων (π.χ. η γαλανταμίνη είναι ένα από τα εγκεκριμένα φαρμακευτικά σκευάσματα για τη ΝΑ) τα συστατικά των οποίων αποτελούν έναυσμα για το σχεδιασμό αποτελεσματικότερων φαρμάκων, σε σχέση κυρίως με τις ανεπιθύμητες δράσεις. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον μεταξύ των φυτών για τον ελλαδικό χώρο έχει το φυτό Crocus sativus L., το οποίο καλλιεργείται στο χωριό Κρόκος της Κοζάνης για τους κόκκινους στύλους του, οι οποίοι χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη διατροφή ως άρτυμα (κρόκος ή σαφρόν). Ο κρόκος, πέραν των ιδιοτήτων του ως καρύκευμα, αποτελεί ένα φυτικό σκεύασμα με σημαντικές ιατρικές ιδιότητες, το οποίο έχει χρησιμοποιηθεί κατά κόρον στην παραδοσιακή ιατρική. Οι στύλοι του κρόκου περιέχουν ασυνήθιστα υδρόφιλα καροτενοειδή, τις κροκίνες, οι οποίες είναι γλυκοζίτες της κροκετίνης. Σκοπός της συγκεκριμένης διατριβής ήταν η μελέτη των νευροπροστατευτικών μηχανισμών των συστατικών των στύλων του φυτού Crocus sativus και άλλων ενδημικών ειδών Crocus με έμφαση στη νόσο του Alzheimer. To εκχύλισμα των στύλων του C. sativus (CSE) και τα συστατικά του, καθώς και άλλα ενδημικά είδη Crocus χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση: (α) των αντιοξειδωτικών τους ιδιοτήτων και της επίδρασης τους στη συσσωμάτωσης της Αβ, τόσο in vitro, όσο και σε κυτταρικές καλλιέργειες (SH-SY5Y, HEK293, CHOAPP770) και (β) των μνημονικών διεργασιών, της οξειδωτικής κατάστασης του εγκεφάλου και της ενεργότητας της ακετυλοχολινεστεράσης (AChE) ενήλικων και γηραιών αρσενικών Balb-c μυών μετά από ενδοπεριτοναϊκή χορήγηση CSE (7-ημερών) (30 & 60 mg/Kg βάρος σώματος) (n = 9/ομάδα). Μεθοδολογία: Οι αντιοξειδωτικές ιδιότητες του εκχυλίσματος των στύλων προσδιορίστηκαν με εκτίμηση της ισοδύναμης με το Trolox ικανότητας να δεσμεύει ελεύθερες ρίζες (TEAC) και της ικανότητας αναγωγής του σιδήρου (FRAP), ενώ η επίδραση των φυτικών εκχυλισμάτων στη συσσωμάτωση ινιδίων της Αβ μελετήθηκε με ηλεκτροφόρηση σε πηκτή πολυακρυλαμιδίου παρουσία δωδεκυλοθειικού νατρίου (SDS-PAGE), τη μέθοδο της θειοφλαβίνης Τ και της δέσμευσης σε DNA. Η επίδραση των φυτικών εκχυλισμάτων στο μεταβολισμό της ΑΡΡ πραγματοποιήθηκε τόσο στα κυτταρικά πρωτεϊνικά εκχυλίσματα, όσο και στο θρεπτικό μέσο μετασχηματισμένων CHO κυττάρων (CHOAPP770), με ανάλυση κατά Western και με ανοσοκατακρήμνιση, ενώ οι επιπτώσεις του H2O2-επαγόμενου οξειδωτικού στρες, προσδιορίστηκαν με μέτρηση της κυτταρικής ζωτικότητας (ΜΤΤ assay), των επιπέδων ελευθέρων ριζών (DCF-DH2 assay) και της ενεργότητας της κασπάσης-3. Η αξιολόγηση της συμπεριφοράς των πειραματοζώων, πραγματοποιήθηκε με το τεστ παθητικής αποφυγής. Η μελέτη της αντιοξειδωτικής/αντι-αποπτωτικής δράσης των φυτικών εκχυλισμάτων σε ενήλικες και γηραιούς μύες πραγματοποιήθηκε σε ολικό εγκεφαλικό ομογενοποίημα και εκτιμήθηκε υπολογίζοντας την ικανότητα αναγωγής του σιδήρου (FRAP), των συγκεντρώσεων του ασκορβικού οξέος, της γλουταθειόνης, της μηλονικής διαλδεϋδης και της κασπάσης-3. Η μελέτη της πιθανής ανασταλτικής δράσης των εκχυλισμάτων στην ενεργότητα της AChE μελετήθηκε με τη μέθοδο του Ellman, ενώ ο τύπος αναστολής, προσδιορίστηκε με κινητικές μελέτες. Αποτελέσματα: Τα αποτελέσματα μας έδειξαν ότι, in vitro, τα εκχυλίσματα των στύλων των ειδών Crocus παρουσίασαν υψηλότερη αντιοξειδωτική ικανότητα από αυτή της τομάτας και του καρότου, καθώς και σημαντική δοσο- και χρονο-εξαρτώμενη ανασταλτική επίδραση στη δημιουργία ινιδίων της Αβ. Η trans-κροκίνη-4, ο διγεντιοβιοζυλ-εστέρας της κροκετίνης, το κύριο καροτενοειδές συστατικό του εκχυλίσματος των στύλων, προκάλεσε αναστολή της συσσωμάτωσης της Αβ ακόμη και σε χαμηλότερες συγκεντρώσεις από αυτή της διμεθυλοκροκετίνης (ένα συνθετικό ανάλογο της κροκετίνης το οποίο δεν φέρει σάκχαρα στα άκρα του), υποδηλώνοντας έτσι ότι η δράση των καροτενοειδών ενισχύεται από την παρουσία των σακχάρων. Εν συγκρίσει με τον C. sativus, ο C. boryi και ο C. niveus παρουσίασαν πολύ πιο ισχυρή αντιαμυλοειδική δράση, γεγονός που πιθανότατα να οφείλεται στη διαφορετική σύσταση τους. Στις κυτταρικές καλλιέργειες, τα αποτελέσματα ελέγχου του μεταβολισμού της ΑΡΡ με ανοσοαποτύπωση κατά Western, έδειξαν ότι μόνον το ολικό εκχύλισμα των στύλων του C. sativus, καθώς και η σαφρανάλη, μια εκ των επιμέρους συστατικών του, αύξησε τα επίπεδα έκκρισης των αμυλοειδικών (sAPPβ) και μη-αμυλοειδικών (sAPPα) μορφών της ΑΡΡ, στο θρεπτικό μέσο καλλιέργειας των CHOAPP770 κυττάρων. Η trans-κροκίνη-4 αύξησε τα επίπεδα έκκρισης των sAPPβ, γεγονός που υποδηλώνει την πιθανή εμπλοκή των μονάδων σακχάρων στη διαδικασία της αμυλοειδογένεσης. Δεν παρατηρήθηκε καμία μεταβολή στα επίπεδα έκφρασης της ολικής πρωτεΐνης (holoAPP), γεγονός που υποδηλώνει ότι η αύξηση των sAPPα/β στο θρεπτικό μέσο μπορεί να οφείλεται στη μετατόπιση της ισορροπίας του μεταβολισμού της ΑΡΡ προς το μονοπάτι της α- ή της β-εκκριτάσης. Επιπροσθέτως, ανοσοκατακρήμνιση της Αβ έδειξε ότι παρουσία των φυτικών εκχυλισμάτων, καμία μεταβολή δεν παρατηρήθηκε ούτε και στην αμυλοειδογένεση, στο σχηματισμό δηλαδή συσσωμάτων της Αβ, μεγάλου μοριακού βάρους, παρά την τάση προς αύξηση του p3 υπολείμματος. Η αύξηση που παρατηρήθηκε στην παραγωγή των διμερών δομών της Αβ παρουσία των συστατικών του C. sativus, εν συγκρίσει με τα ολικά εκχυλίσματα των στύλων των ειδών Crocus, υποδηλώνει ότι τα καροτενοειδή εμπλέκονται κατά κάποιον τρόπο στην διαδικασία της αμυλοειδογένεσης, ενισχύοντας τη δημιουργία και σταθερότητα των διμερών. Επώαση των κυττάρων με H2O2 οδήγησε σε μείωση της κυτταρικής ζωτικότητας, η οποία συνοδεύτηκε και από αύξηση των επιπέδων των ROS και ενεργοποίηση της κασπάσης-3. Τα ανωτέρω, αντιστράφηκαν πλήρως, ύστερα από επώαση των SH-SY5Y κυττάρων με εκχυλίσματα από τα τρία είδη Crocus, με τον C. sativus να είναι αποτελεσματικότερος όλων, ενώ εξίσου αποτελεσματικά ήταν και τα επιμέρους συστατικά του C. sativus, με το βαθμό αποτελεσματικότητας να διαμορφώνεται ως εξής: CRT≥Σαφρανάλης ακόμη και στις υψηλές συγκεντρώσεις Η2Ο2. Στην HEK293 κυτταρική σειρά, η συγχορήγηση της CRT και της σαφρανάλης με διαβαθμιζόμενες συγκεντρώσεις Η2Ο2, οδήγησε σε προστασία έναντι του Η2Ο2-επαγόμενου οξειδωτικού στρες και της παραγωγής ROS, εν αντιθέσει με το ολικό εκχύλισμα κρόκου, το οποίο δεν επέδειξε προστατευτική δράση. Τα αποτελέσματα αυτά υποδηλώνουν ότι τα επιμέρους συστατικά του C. sativus προστάτευσαν έναντι της κυτταροτοξικότητας του H2O2 σε όλα τα κυτταρικά συστήματα, μέσω μείωσης του οξειδωτικού φορτίου και της παραγωγής ROS. Αντιθέτως, επώαση των υπό μελέτη φυτοχημικών σε κυτταρικό σύστημα επιβαρυμένο με Αβ (μετασχηματισμένη CHO κυτταρική σειρά) προκάλεσε επιμέρους επιδείνωση της Η2Ο2-επαγόμενης τοξικότητας. Παρόλα αυτά, η χορήγηση κρόκου οδήγησε σε αύξηση των κυτταρικών επιπέδων της GSH, ενώ εξίσου σημαντική ήταν και η μείωση που παρατηρήθηκε στα επίπεδα της MDA, με το βαθμό αποτελεσματικότητας να διαμορφώνεται ως εξής: C. boryi=C. niveus=CRT≥Σαφρανάλης. Τα αποτελέσματα της χορήγησης CSE σε μύες έδειξαν στατιστικώς σημαντική βελτίωση στη μνήμη/μάθηση των ενηλίκων και γηραιών μυών. Παρατηρήθηκαν επίσης μειωμένα επίπεδα υπεροξείδωσης λιπιδίων και κασπάσης-3, αύξηση της συγκέντρωσης της ανηγμένης γλουταθειόνης και του ασκορβικού οξέος στον εγκέφαλο των μυών που τους χορηγήθηκε CSE. Επιπλέον, η δραστικότητα της διαλυτής σε άλας και σε απορρυπαντικό μορφής της AChE μειώθηκε στατιστικώς σημαντικά στους ενήλικες μύες μετά από χορήγηση CSE, σε αντίθεση με τους αντίστοιχους γηραιούς, όπου δεν παρατηρήθηκε καμία αλλαγή. Επιπροσθέτως, in vitro ανάλυση της ενεργότητας της AChE, έδειξε ότι παρουσία των απομονωθέντων κροκινών και της σαφρανάλης, παρατηρήθηκε δοσοεξαρτώμενη αναστολή της ενεργότητας του εν λόγω ενζύμου (μη-συναγωνιστική αναστολή) –όμοια με αυτή της γαλανταμίνης- εν αντιθέσει με το ολικό εκχύλισμα των στύλων των ειδών Crocus το οποίο δεν ήταν και τόσο δραστικό. Αυτός ο τύπος αναστολής υποδηλώνει ότι το σημείο πρόσδεσης τους βρίσκεται στο αλλοστερικό τμήμα του ενζύμου της AChE, το οποίο κατέχει, πιθανότατα, κύριο ρόλο και στη διέγερση της εναπόθεσης ινιδίων της Αβ. Συμπεράσματα: Η έλλειψη αποτελεσματικής θεραπείας έναντι της ΝΑ, κάνει τη χρήση φυτικών σκευασμάτων, πολλαπλών στόχων και με ισχυρές νευροπροστατευτικές ιδιότητες, να θεωρείται ως μια πολλά υποσχόμενη θεραπεία, η οποία θα είναι αποτελεσματική έναντι των μηχανισμών που υπόκεινται των νευροεκφυλιστικών ασθενειών, π.χ. του οξειδωτικού στρες, της συσσωμάτωσης των πρωτεϊνών, των συμπεριφορικών και μνημονικών αλλαγών κ.ά. Τα αποτελέσματα μας συγκλίνουν προς αυτή την κατεύθυνση, καθότι υποδηλώνουν την πιθανή χρήση των συστατικών των στύλων του C. sativus στην αναστολή της αμυλοειδογένεσης και της εναπόθεσης της Αβ στον ανθρώπινο εγκέφαλο, ενώ καταδεικνύουν, για πρώτη φορά, ότι η ευεργετική για τη μνήμη δράση που παρατηρήθηκε ύστερα από χορήγηση κρόκου στους ενήλικους και γηραιούς μύες, συσχετίζεται πιθανότατα με την υψηλή αντιοξειδωτική ικανότητα του εγκεφάλου και εν μέρει, την αναστολή της ενεργότητας της AChE (για την περίπτωση των ενηλίκων μυών). Παρόλα αυτά όμως, καμία αλλαγή δεν παρατηρήθηκε στα επίπεδα της AChE των γηραιών μυών, που είχαν λάβει εκχύλισμα κρόκου, παρά την ενίσχυση των αντιοξειδωτικών συστημάτων του οργανισμού, γεγονός που ενισχύει τη σπουδαιότητα της ενσωμάτωσης μιας υγιεινούς διατροφής για τη λειτουργία του εγκεφάλου, από την πρώιμη ενηλικίωση. Το γεγονός, όμως, ότι οι στύλοι του C. sativus αποτελούν μέρος της διατροφής μας ως άρτυμα (κρόκος, σαφράνι ή ζαφορά) μεγεθύνει την αξία αυτών των πειραματικών ευρημάτων αφού θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν άμεσα. Η ταυτοποίηση των κροκινών ως ένα από τα κύρια δραστικά φυτοχημικά θα μπορούσε να αξιοποιηθεί στην ανάπτυξη νέων θεραπευτικών μέσων για τη νόσο του Alzheimer. Όμως, επιπρόσθετες μελέτες απαιτούνται προκειμένου να διερευνήσουμε την αποτελεσματικότητα αυτού του φυτικού εκχυλίσματος και των συστατικών του ως αντιαμυλοειδικά σκευάσματα. / Objective: Alzheimer’s disease (AD) is characterized pathologically by the deposition of amyloid-β (Aβ) peptide aggregates and neurofibrillary tangles, which lead to destruction of cholinergic neurons in the cerebral cortex and the hippocampus. That loss is progressive and results in profound memory disturbances and irreversible impairment of cognitive function. Aβ-induced toxicity is accompanied by a variegated combination of events, including oxidative stress (O.S) which is characterized by an increase in the levels of reactive oxygen species (ROS), such as H2O2. Research indicates that cellular insults resulting from free radicals may be a major contributor to the neurotoxicity and pathology of AD. With recent findings suggesting links between AD, deposition of Aβ, O.S. and loss of cholinergic transmission, much attention has been devoted currently, either to antioxidant research or regulation of the amyloid precursor protein (APP) metabolism towards the non-amyloidogenic pathway, as well as to memory enhancing agents. Natural products are still a source of useful drugs (i.e. galanthamine, one of the approved therapies of AD) and of lead compounds for the design of more effective compounds with less side-effects. Of particular interest among the plants that grow in Greece, acquires the plant Crocus sativus, which is cultivated in Kozani, Greece, for its red-coloured styles, which are used as a spice (saffron). Saffron has been used for medicinal purposes for millennia. Its styles are a source of unusual polar carotenoids (crocins), i.e. mono- and di-glycosides of crocetin. The aim of the present study was to examine the possible neuroprotective mechnisms of Crocus sativus’ and other endemic Crocus species’ styles constituents, in relation to AD. In the present study, the Crocus sativus styles extract (CSE) and its constituents and other endemic Crocus species have been used to evaluate: (a) the antioxidant properties and effect on Aβ-aggregation both in vitro and in various cell culture systems (SHSY5Y, HEK293, CHOAPP770) and (b) learning and memory, brain oxidative status and acetylcholinesterase activity (AChE) of adult and aged, male Balb-c mice, after CSE intraperitoneal (7-days) administration (30 & 60 mg/kg body weight) (n= 9/group). Methodology: The in vitro antioxidant properties of the tested phytochemicals were determined by measuring the ferric-reducing antioxidant power (FRAP) and Trolox-equivalent antioxidant capacity (TEAC), while its effects on Aß-aggregation and fibrillogenesis were studied by SDS-PAGE, thioflavine T (ThT)-based fluorescence assay and DNA-shift binding assay. The effects of plant extracts on the regulation of APP processing in stably transfected CHO cells (CHOAPP770) was examined by Immunoprecipitation (IP)/Western blot. Measurements of cell viability and scavenging of ROS production after co-treatment with Η2Ο2 and various concentrations of plant extracts were performed by 3,(4,5-dimethylthiazol-2-yl)2,5-diphenyl-tetrazolium bromide (MTT), 2',7'-dichlorofluorescein (DCF) assays and determination of caspase-3 activity. Evaluation of rodent learning and memory was done by a double trial, step-through test. Mice were sacrificed on day 7 and the effects on the oxidant status and AChE of whole brain homogenates was studied by determination of FRAP, ascorbic acid concentration (colorimetric), malondialdehyde and glutathione levels (fluorometric) and by the Ellman’s reagent. Caspase-3 activity (colorimetric) was also determined. Results: In our in vitro study, the water:methanol (50:50, v/v) extracts of Crocus species were shown to possess good antioxidant properties, higher than those of tomatoes and carrots and inhibit Aß fibrillogenesis in a concentration and time-dependent manner. The main carotenoid constituent, transcrocin- 4 (TC4), the di-gentibiosyl ester of crocetin, inhibited Aß fibrillogenesis at lower concentrations than dimethylcrocetin (DMCRT, a synthetic analogue of crocetin, lacking its sugar components), revealing that the action of the carotenoid is enhanced by the presence of the sugars. In the cell culture system, results showed that CSE and safranal treatment significantly enhanced both the release of amyloidogenic/and non-amyloidogenic soluble forms of sAPPα and sAPPβ into the conditioned media of CHOAPP770 cells. Τrans-crocin-4 resulted in an increase in sAPPβ, indicating the possible implication of sugan units in the process of amyloidogenesis. No difference was observed in full-length APP indicating that the increase of sAPPα/β in the media may be related to a shift in the balance of APP metabolism towards the α- or β-secretase pathway, rather than due to an increase in the expression levels of cellular APP. In addition, immunochemical labelling of Aβ revealed a trend towards p3 production in the cell culture media treated with the tested compounds. Plant extracts had no effect on production of higher molecular mass Aβ species. The increase in Aβ dimmers observed in the presence of C. sativus constituents, in contrast to the crude Crocus styles extracts, was ascribed to the implication of carotenoids in the amyloidogenic process, resulting in the formation and stability of dimmers. Hence, any attenuation of Aβ fibrillogenesis that may have been observed was not because of an overall inhibition of Aβ production. Treatment of cells with H2O2 caused the loss of cell viability, which was associated with the elevation of ROS level and the activation of caspase-3. These phenotypes induced by H2O2, were totally reversed by the tested phytochemicals in the SH-SY5Y cell line, with C. sativus being the most effective. Its carotenoid constituents were equally effective, with CRT≥safranal, even at higher H2O2 concentrations. In HEK293 cell line, co-treatment of the cells with varying concentrations of H2O2, along with CRT and safranal, resulted in reduced H2O2–induced cytotoxicity and ROS production, in contrast to the crude extract of C. sativus, which was less effective. Based on these observations, it seems that in both cell lines tested, the carotenoid constituents of C. sativus reduced the H2O2-induced oxidative damage, probably by reducing oxidative stress and ROS production. In contrast, only moderate effects were observed in stably transfected CHO cells, where co-treatment of the cells with H2O2 and the tested phytochemicals resulted in additional cytotoxicity. However, incubation of this cell line with C. sativus resulted in an increase in GSH levels, followed by a decrease in the MDA values, with C. boryi & C. niveus being equally effective and more effective than CRT and safranal. Results in mice, showed that only the CSE (60 mg/kg)-treated adult and aged mice exhibited a significant improvement in learning and memory. CSE administration resulted also in reduced lipid peroxidation products, in higher total brain antioxidant activity and reduced caspase-3 activity of both adult and aged mice. Furthermore, AChE activity was significantly decreased in CSE-treated adult mice; while no alterations were observed in CSE-treated aged mice. Interestingly, analysis of the in vitro potency of pure crocin constituents for AChE inhibition revealed a dose-dependent inhibitory profile, in the order of CRT≥Safranal>DMCRT, which mimicked that of galanthamine. This suggests that these compounds bind to different loci of the aromatic gorge of AChE, which might be at (or satisfactory close to) the subsites of the aromatic gorge, which seems to play an important role in accelerating Aβ plaque deposition. Conclusions: The lack of an effective treatment against AD, along with our inability to alter the genetic pool, makes the use of plant extracts with potent multi-targets and neuroprotective actions, as ideal candidates against the underlying mechanisms that characterize neurodegenerative diseases, like oxidative stress, protein misfolding, behavioral/cognitive alterations etc. Our finding also point towards such direction by indicating the possible use of C. sativus styles constituents for inhibition of aggregation and deposition of Aβ in the human brain. They also showed, for the first time, that the significant cognitive enhancement observed after CSE administration in adult & aged mice is closely related to higher brain antioxidant properties and inhibition of AChE (in the case of adult mice). However, no alterations were observed in the brain AChE levels of aged mice stressing the importance of healthy diet and early nutritional intervention on brain function from adulthood to senescence, as it may prove to be a valuable asset in “quenching the fires” of oxidative stress in aging and perhaps in neurodegenerative diseases. The fact though that saffron, as a spice, is part of our nutrition provides additional value to our experimental results, which could be of immediate use. The identification of crocins as one of the most effective contained phytochemicals could, in the long term, be used as new therapeutic means against AD. However, additional studies are required in order to dealinate further the effectiveness of the current plant extract as a potent “anti-amyloidogenic drug.