Żywność funkcjonalna jako ważny element wspomagający proces autofagii

Autofagia, czyli autofagocytoza odgrywa kluczowe znaczenie dla zachowania zdrowia i zapobiegania chorobom. Termin ten pochodzi z języka greckiego (autos – sam, phagein – jeść) i w dosłownym  tłumaczeniu oznacza „samozjadanie się”.

W wielkim uproszczeniu, autofagia to proces, w którym komórki nieustannie rozkładają własne zbędne elementy, by ułatwiać wzrost nowych komórek i utrzymywać homeostazę. Za odkrycia dotyczące mechanizmów tego procesu Yoshinori Ōsumi, japoński biolog komórkowy związany z Tokyo Institute of Technology, otrzymał w 2016 roku Nagrodę Nobla. 

Prawidłowo przebiegający mechanizm autofagii może zapobiegać występowaniu, opóźniać postęp i zmniejszać nasilenie niektórych przewlekłych chorób. Stanowi to podstawowe uzasadnienie dla badań i rozwoju żywności funkcjonalnej związanej z autofagią.

Czym jest autofagia?

Autofagia jest ewolucyjnie konserwatywnym procesem, wspólnym dla wszystkich komórek organizmów eukariotycznych. Upraszczając, polega ona na przetwarzaniu przez komórkę zbędnych, obumarłych lub uszkodzonych elementów jej struktury na czynniki pierwsze, wykorzystywane później do produkcji nowych organelli, a także energii magazynowanej w formie związku – ATP. Inaczej rzecz ujmując – jest to wewnątrzkomórkowy system degradacji wielkocząsteczkowych składników cytoplazmy, szczególnie białek o długim okresie półtrwania oraz całych organelli.

Proces autofagii indukowany jest w większości komórek. Jest on mechanizmem adaptacyjnym do warunków stresowych, zapewniającym dopływ substancji odżywczych niezbędnych do podtrzymania najważniejszych procesów życiowych, kosztem mniej ważnych w danej chwili składników komórki. Pozwala na zachowanie homeostazy wewnątrzkomórkowej, uczestnicząc w usuwaniu zbędnych lub uszkodzonych organelli. Bierze ponadto udział w procesach swoistych tkankowo (np. dojrzewanie erytrocytów) i chroni organizm przed namnożeniem wielu bakterii i wirusów.

W pierwszym etapie przeznaczone do rozkładu fragmenty komórek, niepełnowartościowe białka, wirusy, bakterie czy grzyby, zamykane są w pęcherzykach z podwójną błoną w celu wytworzenia autofagosomów. Następnie wiążą się z lizosomami (gdzie znajdują się enzymy, umożliwiające trawienie białek), by utworzyć autolizosomy i osiągnąć degradację uszkodzonej lub dysfunkcyjnej zawartości komórek. Proces ten zachodzi zarówno w zdrowych, jak i chorych komórkach, jednakże ulega stopniowemu pogorszeniu lub dysfunkcji w miarę starzenia się organizmu lub rozwoju niektórych chorób przewlekłych i chorób cywilizacyjnych.

Regulacyjna rola autofagii w chorobach przewlekłych

Wiele chorób przewlekłych jest skorelowanych z zaburzeniami procesów metabolicznych. Częstą zmianą patofizjologiczną obserwowaną w trakcie rozwoju tego typu chorób jest gromadzenie szkodliwych treści, takich jak reaktywne formy tlenu (ROS), uszkodzone organelle, agregaty białka, kropelki lipidów i starzejące się komórki. Dlatego poprawienie i wzmożenie procesu autofagii może być pomocne w celu eliminacji czynników szkodliwych powstających w przebiegu chorób takich jak cukrzyca, otyłość, choroby układu sercowo-naczyniowego czy neurodegeneracyjne.

Cukrzyca charakteryzuje się hiperglikemią wynikającą z niedoboru insuliny,  insulinooporności lub obydwu tych czynników. Udowodniono, że autofagia działa jako ważny środek ochronny przed stresem oksydacyjnym w tkankach docelowych dla insuliny, takich jak wątroba, tkanka tłuszczowa i mięśnie szkieletowe. Otyłość natomiast jest skorelowana z nagromadzonymi kroplami lipidów, agregatami białek i uszkodzonymi mitochondriami. Wśród otyłych pacjentów nadmierne odżywianie może hamować autofagię. Zapalenie i stres oksydacyjny, związane z otyłością, mogą aktywować autofagię, co stanowi istotny mechanizm obrony komórkowej przed tymże stresem.

Zaburzona autofagia może przyczyniać się do rozwoju miażdżycy. Upośledzenie tego procesu obserwuje się w kardiomiopatiach. Autofagia może być indukowana w przebiegu niektórych chorób sercowo-naczyniowych, takich jak przerost mięśnia sercowego, niewydolność serca lub choroba niedokrwienna serca. Uraz niedokrwienny po zawale mięśnia sercowego, charakteryzujący się nagromadzeniem wolnych rodników, uszkodzeniem mitochondriów i nieprawidłową czynnością sercowo-naczyniową także może aktywować autofagię.

Najnowsze badania wykazały, że indukowanie autofagii zapobiega przerostowi serca i poprawia czynność układu sercowo-naczyniowego. Może skutkować także złagodzeniem objawów patologicznych występujących w chorobach neurodegeneracyjnych: chorobie Alzheimera, Huntingtona i Parkinsona.

Rola żywności funkcjonalnej i jej składników aktywnych w regulacji procesu autofagii

Wiele eksperymentów wykazało, że żywność funkcjonalna związana ze szlakami autofagialnymi może prowadzić do zapobiegania i leczenia chorób przewlekłych, ale mechanizmy molekularne leżące u podstaw tych aktywności nie są do końca poznane.

Rosnąca świadomość społeczeństwa w kwestii roli żywności funkcjonalnej w promocji zdrowia oraz w zapobieganiu i leczeniu chorób przewlekłych (takich jak cukrzyca, otyłość, metaboliczne choroby sercowo-naczyniowe i choroby neurodegeneracyjne), wiąże się z coraz większymi oczekiwaniami stawianymi tego typu produktom. Dlatego odpowiednia zawartość składników bioaktywnych w żywności funkcjonalnej i korzystne dla zdrowia efekty jakie niesie ze sobą jej spożywanie, zyskały ogromne zainteresowanie badaczy i technologów żywności.

Związki bioaktywne są uważane za najbardziej znaczące składniki żywności funkcjonalnej. Regulując autofagię, odgrywają bardzo ważną rolę w zapobieganiu i leczeniu chorób przewlekłych m.in. poprzez modulowanie odpowiedzi na stres oksydacyjny i hamowanie apoptozy, wywierając działanie antyoksydacyjne, przeciwzapalne, wzmacniające odporność, hipolipidemiczne, regulujące glikemię, cytoprotekcyjne i neuroprotekcyjne.

Wśród składników biologicznie czynnych, wpływających pozytywnie na proces autofagii można wymienić: resweratrol, 3‑galusan epigallokatechiny, kwercetynę, dihydromyricetynę, kurkuminę oraz trehalozę.

Resweratrol to polifenol występujący w dwóch postaciach: naturalnej (trans-resweratrol) i powstającej w procesie fermentacji skórek z winogron (cis-resweratrol). Najbogatszym źródłem trans-resweratrolu są czarne odmiany winogrona, a zwłaszcza ich skórki. W świeżych skórkach tych winogron występuje 50-100 mg resweratrolu na 1 gram. Związek ten występuje ponadto w owocach jagodowych (np. morwa, żurawina, borówka czernica, borówka amerykańska, czarna porzeczka, truskawki, maliny), jabłkach, pomidorach, orzechach czy kakao.

Resweratrol powstaje także w procesie fermentacji skórek z winogron, dlatego jest obecny w winie. Najwięcej tego związku można znaleźć w winie czerwonym (średnia zawartość ok. 1,9 mg/dm³). Wielu uczonych jest zdania, że resweratrol jest odpowiedzialny za wyjątkową w Europie Zachodniej średnią długość życia Francuzów, mimo ich niezbyt zdrowej, zbyt tłustej diety i picia dużej ilości alkoholu, a zwłaszcza wina.

Udowodniono przeciwzapalne, cytoprotekcyjne i neuroprotekcyjne działanie resweratrolu. Wykazano, że wchłanianie resweratrolu ma miejsce w jelicie cienkim. Następnie przekształcany jest w hepatocytach przy udziale cytochromu P450, w wyniku tej reakcji otrzymywane są dwa główne metabolity: 3,3’,4’,5-tetrahydroksy-stilben i tetrahydroksystilben.

Resweratrol wywiera również pozytywny wpływ na cukrzycę i jest szeroko badany w modelach zwierzęcych i populacji chorych na cukrzycę. Podczas badań nad otyłością prowadzonych na modelach zwierzęcych udowodniono, że resweratrol tłumi reakcję zapalną, poprawia wrażliwość na insulinę i zmniejsza odkładanie lipidów, tym samym hamując utlenianie lipoprotein o niskiej gęstości (LDL) i agregację płytek krwi. Co więcej, może aktywować autofagię poprzez regulację niektórych szlaków sygnałowych, znacznie zmniejszając poprzez to poziom reaktywnych wolnych rodników w komórkach.

Coraz większym zainteresowaniem cieszy się dziś 3-galusan epigallokatechiny, który obecny jest w zielonej herbacie, winogronach, ziarnach kawy, jabłkach czy owocach cytrusowych. Większość badań wykazuje, że wpływa on na wzrost stężenia enzymów antyoksydacyjnych w komórkach, w których systemy naprawcze mają mniejszą wydajność i nie nadążają za neutralizacją wolnych rodników. Związek ten wpływa również na inhibicję enzymów prooksydacyjnych, takich jak lipooksygenazy, syntetazy tlenku azotu czy cyklooksygenazy. Wykazuje działanie hamujące w stosunku do oksydazy ksantynowej, która generuje podczas swojego prawidłowego fizjologicznego działania spore ilości związków działających niszcząco na DNA i białka. Jako bioaktywny polifenol, 3-galusan epigallokatechiny może łagodzić postęp chorób metabolicznych poprzez aktywację autofagii, zmniejszając w ten sposób akumulację lipidów w naczyniowych komórkach śródbłonka.

Kwercetyna, najbardziej rozpowszechniona w świecie roślin spośród wszystkich flawonoidów, jest obecna w różnych częściach roślin: w liściach, kwiatach, owocach, nasionach, korzeniach oraz w produktach pochodzenia roślinnego, takich jak herbata, soki owocowe, wino czy miód. Doskonałym źródłem kwercetyny są: cebula, brokuły, szpinak, papryka, kapusta, jabłka, pomarańcze, czarna porzeczka, żurawina oraz zioła (skrzyp, rumianek, dziurawiec). Flawonoid ten zapobiega powstawaniu miażdżycy i żylaków, hamuje aktywność niektórych wirusów, ma właściwości  przeciwzapalne, neuroprotekcyjne, antyoksydacyjne i przeciwnowotworowe.

Kolejny flawonoid – dihydromyricetyna (DHM), składnik bioaktywny wyizolowany z herbaty Rattan oraz z winnika (Ampelopsis grossedentata), jest szeroko badany ze względu na jego właściwości takie jak: poprawa wrażliwości komórek docelowych na insulinę oraz działanie neuroochronne, przeciwzapalne i przeciwutleniające.

Kurkumina, główny składnik terapeutyczny kurkumy, znana jest z działania przeciwzapalnego i przeciwutleniającego. Ma także właściwości hipolipidemiczne, ochronne na układ sercowo-naczyniowy i neuroprotekcyjne. Może ponadto regulować działanie enzymów chroniących nasz organizm przed wolnymi rodnikami: dysmutazą ponadtlenkową, katalazą i glutationem. Działa również ochronnie na mitochondria i aktywuje apoptozę w komórkach. Kurkumina może nasilać autofagię w celu ochrony ludzkich komórek śródbłonka przed uszkodzeniem spowodowanym stresem oksydacyjnym.

Trehaloza, naturalny disacharyd, jest powszechnie wytwarzany u zwierząt innych niż ssaki, takich jak grzyby, drożdże i podobne organizmy. Pomaga zachować integralność komórek, zapobiegając denaturacji białka. Ponieważ trehaloza jest bezpieczna w wysokich stężeniach, upatruje się w niej wysoki potencjał w leczeniu szeregu chorób przewlekłych.

Inne czynniki aktywujące autofagię

Nasiloną autofagię obserwujemy w sytuacjach ograniczenia kalorycznego, szczególnie w momentach głodzenia organizmu. Stąd tak skuteczne w regeneracji organizmu są okresowe programy dietetyczne ograniczające podaż kalorii, oraz białek i tłuszczy. Proces ten nasila się także przy intensywnym regularnym wysiłku fizycznym.

Udowodniono, że przeprowadzanie okresowych diet warzywno – owocowych, które silnie aktywują procesy recyklingu komórkowego, działa wspomagająco w terapii nadciśnienia tętniczego, w cukrzycy typu II, insulinooporności, chorobie wieńcowej, stanach zapalnych stawów, zaburzeniach odporności, chorobie Parkinsona, sarkoidozie i łuszczycy. Taką dietę należy koniecznie przeprowadzać jednak pod kontrolą lekarza.

dr hab. n farm. Anna Oniszczuk

mgr farm. Kamila Kasprzak

Katedra Chemii

Uniwersytet Medyczny w Lublinie

Piśmiennictwo:

1. Donejko M., Niczyporuk M., Galicka E., Przylipiak A. (2013). Właściwości antynowotworowe galusanu epigallokatechiny zawartego w zielonej herbacie, Postepy Hig. Med. Dosw., 67, 26-34.

2. Klionsky D.J. (2005). The molecular machinery of autophagy: unanswered questions. J. Cell Sci., 118, 7–18.

3. Maycotte P., Thorburm A. (2011). Autophagy and cancer therapy. Cancer Biol. Ther., 11, 127–137.

4. Polewska J. (2012). Autofagia – mechanizm molekularny, apoptoza i nowotwory. Postepy Hig. Med. Dosw., 66, 921-936.

5. Tanida I. (2011). Autophagy basics. Microbiol. Immunol., 55: 1–11.

6. Xie J., Liang J., Chen N. (2019). Autophagy-associated signal pathways of functional foods for chronic diseases. Food Science and Human Wellness, 8, 25-33.

7. Yang Y.P., Liang Z.Q., Gu Z.L., Qin Z.H.(2005). Molecular mechanism and regulation of autophagy. Acta Pharmacol. Sin., 26, 1421–1434.