ROS和Mitohormesis

粒線體激效 (Mitohormesis) 與非單調劑量反應關係

研究深入探討了「粒線體激效」（Mitohormesis）這一概念，以及其與活性氧（ROS）和非單調劑量反應關係的關聯。以下是這些概念的總結與闡述：

粒線體激效 (Mitohormesis)

粒線體激效是一種醫學假說，指由粒線體呼吸作用特異性衍生的氧化應激所驅動的效應。最初作為醫學假說提出，現已在多個模型系統中獲得實驗證據支持。

核心思想是：

• 低劑量ROS的益處：雖然高水準的活性氧（ROS）普遍被認為會引起細胞損傷並加速老化，但低水準的ROS可能通過誘導適應性反應來改善系統防禦機制，從而預防或延緩許多慢性疾病，最終延長壽命。

• 運動與抗氧化劑：在人類研究中，透過添加維生素C、維生素E和/或乙醯半胱氨酸等抗氧化劑來阻斷氧化應激，不僅降低了運動對胰島素敏感性的有益效果，還會增加長期氧化損傷並損害過度勞累肌肉的癒合。這表明適度的氧化應激對於生理適應性反應是必要的。

非單調劑量反應關係 (Non-monotonic Dose-Response Relationships, NMDR)

傳統的毒理學認為，劑量越高，反應越強（單調關係）。然而，研究強調了「非單調劑量反應關係」的存在，這在粒線體激效和內分泌干擾物中尤為顯著。

一、內分泌干擾物 (2003年研究) Large effects from small exposures. I. Mechanisms for endocrine disrupting chemicals with estrogenic activity.

• 小劑量的大影響：研究指出，內分泌干擾物在廣泛的暴露水準下，特別是在非常低的劑量下，可能產生顯著的生物學效應。
• MCF-7細胞對雌二醇的增殖反應：圖1（改編自Welshons等人）展示了MCF-7細胞對雌二醇的增殖反應在廣泛的暴露水準下呈現非單調性，即在低劑量時可能達到最大反應，而在更高劑量時反應可能下降。這與傳統的劑量反應曲線不同。
• 機制：NMDR可以由多種分子機制產生，例如受體的親和力差異、受體脫敏、劑量增加引起的負反饋，或劑量依賴性代謝調節引起的多種受體誘導的相反作用。

Scientific progress understanding low dose effects of endocrine disrupting compounds.

圖1、（改編自Welshons 等人）顯示了在廣泛的暴露水準下，MCF-7細胞對雌二醇的增殖反應，從最左邊的每千瓦的部分到最右邊的百萬分之一。反應顯示為對照組中看到的增殖百分比。注意，X軸是對數的。

二、飲食攝入的激效劑量反應 (2012年研究)  NRF2 and the Phase II Response in Acute Stress Resistance Induced by Dietary Restriction

•     多相劑量反應：飲食攝入，類似於藥物、輻射和運動，顯示出多相劑量反應（圖2）。

• • 營養不良：長期營養不良導致生殖能力惡化、惡病質、免疫抑制甚至死亡。

  • 營養過剩：營養過剩導致胰島素抵抗增加、炎症和高血壓，以及糖尿病、心肺疾病和癌症的發病率和死亡率增加。

  • 飲食限制 (DR)：在營養不良和維持體重所需水平之間（明顯低於通過飼養實現的設定點）的食物攝入水平，觀察到相反的生物學效應，即對健康有益。

• NRF2激活：飲食限制（DR）和DR模擬物能夠刺激各種細胞和內分泌反應，最終導致NRF2激活和II期抗氧化和解毒基因的轉錄（圖3和圖4）。這包括抑制生長促進信號，刺激NRF2的IRES帽依賴性轉譯，以及增加脂肪酸的粒線體氧化，從而產生少量的ROS，進而激活NRF2。

圖2、 營養攝入量的激效劑量反應飲食攝入顯示多相劑量反應。

圖3、 由II相反應DR模型刺激的II相抗氧化和解毒反應，其中GSH和NADPH作為輔因子保持細胞環境減少並除去有毒的異生物和代謝物。第二階段由DR和/或DR模擬物上調的響應效應器以綠色顯示。預氧化劑和毒性分子以紅色顯示。

圖4、 DR和DR模擬物激活NRF2 減少食物攝入（DR），禁食或使用DR模擬物刺激各種細胞和內分泌反應，最終導致NRF2激活和II期抗氧化和解毒基因的轉錄。在細胞內部，通過抑制mTOR和eIF2α，抑制生長促進信號以及mRNA依賴於mRNA轉化成蛋白質，而刺激NRF2的IRES帽依賴性轉譯。脂肪酸的線粒體氧化增加，導致少量的ROS產生。該ROS和/或I期代謝的DR模擬物（異生物）能夠在KEAP1上氧化半胱氨酸殘基並隨後釋放和激活NRF2。

三、SIRT3與粒線體激效 (2013年研究) Forever young : SIRT3 a shield against mitochondrial meltdown, aging, and neurodegeneration

•     SIRT3的保護作用：SIRT3活性引起的ROS降低可能會減少DNA損傷，從而降低PARP1介導的NAD+消耗。
• 激效反應曲線：圖5展示了激效反應曲線。在激效區內，輕度或中度劑量的ROS、卡路里限制和運動可以通過調節應激反應基因（如Sirt3）的轉錄來增加抗逆性和促進細胞存活。相反，高水準的細胞應激可能導致破壞性作用，進而導致細胞死亡。

圖5、激效反應曲線 。 在激效區內，輕度或中度劑量的ROS，卡路里限制和運動可以通過調節應激反應基因如Sirt3的轉錄來增加抗逆性和促進細胞存活。 或者，高水準的細胞應激可導致導致細胞死亡的破壞性作用。 NOEL，無觀察效果水準; CR，卡路里限制;ROS，活性氧。

四、粒線體激效與壽命延長 (2014年研究) Mitohormesis: Promoting Health and Lifespan by Increased Levels of Reactive Oxygen Species (ROS)

• 非線性劑量反應：圖6闡明了粒線體激效的概念，表明ROS暴露與死亡率之間存在非線性劑量反應關係。低劑量的ROS暴露可以降低死亡率，而較高劑量的ROS則會促進死亡率。這與傳統的自由基老化理論（認為ROS和氧化應激增加與死亡率之間存在線性關係）形成對比。

圖6、粒線體激效（Mitohormesis）。雖然老化的自由基理論表明ROS和氧化應激增加之間的線性劑量反應關係，另一方面是死亡率事件（紅色曲線），但是粒線體激效的概念表明非線性劑量反應低劑量的ROS暴露降低死亡率的關係，而較高劑量的促進死亡率。

五、 NMDR評估方法 (2015年研究) Non-monotonic dose-response relationships and endocrine disruptors: a qualitative method of assessment

• 標準化工具：研究開發了一個逐步判定樹，作為分析文獻中觀察到的NMDR關係的標準化工具，旨在將這些結果用於風險評估目的。

總體而言，這些研究強調了生物系統對壓力的複雜反應，其中適度的壓力（如低劑量ROS、飲食限制、運動）可以觸發適應性機制，從而促進健康和延長壽命，而過高或過低的壓力則可能產生負面影響。這種非單調性對於理解生物學效應和制定相關策略至關重要。

抗氧化劑與Nrf2

    Nrf2 - Keap1 信號途徑是最重要的一個細胞的防禦和生存途徑。

    Nrf2可通過增加一些細胞保護基因的表達保護細胞和組織免受各種毒物和致癌物。
    正如Nrf2保護正常細胞，Nrf2也可以保護癌細胞免受化療劑和促進癌症的發展。
    在許多類型的癌症Nrf2是異常積累，其表達與患者預後不良相關聯。此外，Nrf2表達是耐藥性的過程中所誘導的。

    增加Nrf2活性的化合物被測試－－－>疾病預防（對健康者），而Nrf2抑制劑開發作為－－－>輔助治療來強化療藥物的功效（對患者）。

一、2009 Antioxidants prevent health-promoting effects of physical exercise in humans

Fig 1. Mitohormesis links physical exercise and subsequent formation of reactive oxygen species

二、2011 Ascorbic acid partly antagonizes resveratrol mediated heme oxygenase-1 but not paraoxonase-1 induction in cultured hepatocytes —Role of the redox-regulated transcription factor Nrf2

結果

    證明白藜蘆醇在培養的肝細胞中誘導抗氧化酶血紅素加氧酶-1和對氧磷酶-1。

    白藜蘆醇引起的血紅素加氧酶-1伴隨著Nrf2反式激活的增加。

    白藜蘆醇介導的Nrf2反式激活以及血紅素加氧酶-1誘導部分被1000μmol/ l抗壞血酸拮抗。

結論

    不同於血紅素加氧酶-1（其受Nrf2高度調節）對氧磷酶-1（其啟動子中表現出更少的ARE / Nrf2結合位點），白藜蘆醇的誘導不被抗壞血酸抵消。

    將白藜蘆醇添加到細胞培養基中產生相對低水平的過氧化氫，其可以是Nrf2依賴性基因表達的正激素氧化還原信號，從而驅動血紅素加氧酶-1誘導。

    然而，高濃度的抗壞血酸歧管增加細胞培養基中的過氧化氫產生，這可能是應激信號從而破壞Nrf2信號途徑。

Fig 2. Potential molecular mechanisms by which resveratrol and ascorbic acid may affect Nrf2 signalling.

三、2013 360) 転写因子Nrf2を阻害するとがん細胞は死にやすくなる

Fig 3. Keap1-Nrf2系統在抗氧化應激和有害物質的防禦機制中起重要作用。

四、2014 Unraveling the Truth About Antioxidants: Mitohormesis explains ROS-induced health benefits

https://goo.gl/vrbpJB

Fig 4. A complex molecular role for ROS in promoting health and lifespan.

五、2014 Dietary regulation of Keap1/Nrf2/ARE pathway: focus on plant-derived compounds and trace minerals

( nutrients-06-03777 )

Fig 5. 富含植物化學物質飲食增加氧化壓力抗性並防止發炎。

六、2016 Sulforaphane and Other Nutrigenomic Nrf2 Activators Can the Clinician’s Expectation Be Matched by the Reality

    與廣泛使用的植物化學添加劑如薑黃素，水飛薊素和白藜蘆醇相比，蘿蔔硫素更有效地激活Nrf2以誘導一系列細胞保護基因的表達。

    II期酶由Nrf2誘導，因此是本討論的組成部分。為了安全有效地解毒，毒素理想地經歷相對緩慢的I期反應，隨後是更快速的II期;

因此，對於最佳的細胞解毒環境，II期反應應以防止I期中間產物積累的速率。

    臨床意義是發現II期酶具有相對較長的半衰期，因此這些蛋白質的上調表達可以保留數天。

    維生素D受體（VDR）是由蘿蔔硫素誘導的Nrf2靶基因可能具有營養意義; 維生素D又可增加Nrf2的表達。

七、2016 Nrf2 suppresses macrophage inflammatory response by blocking proinflammatory cytokine transcription

證據表明，在炎症條件下，Nrf2是招募到的促炎細胞因子基因調控區在ARE無關的方式，並通過與致炎轉錄因子活性干擾不失CBP和調解員抑制其轉錄。

另一種可能是，Nrf2間接招募作用在反式形成於炎性細胞因子基因的附近的轉錄因子複合轉錄抑制抑制促炎細胞因子的基因的轉錄。

強烈支持Nrf2誘導劑的處理效果取決於，至少部分，對IL-6和IL-1誘導Nrf2介導的抑制。提高該Nrf2誘導物是適用於其他自身免疫性疾病的可能性。

Fig 6. Nrf2 による炎症性サイトカイン遺伝子の抑制

七、2017 The role of quercetin and vitamin C in Nrf2-dependent oxidative stress production in breast cancer cells

維生素C（VC）和槲皮素（Q）的細胞毒性（50％抑制濃度）分別為271.6-480.1和155.1-232.9μM。另外，用VC和Q處理乳腺癌細胞後，Nrf2 mRNA和蛋白水平的表達顯著降低（P = 0.024）。

用VC和Q處理後，MDA-MB 231細胞的核/胞質Nrf2比例降低了1.7倍，MDA-MB468細胞減少了2倍，MCF-7細胞中為1.4倍，A549細胞為1.2倍。

VC和Q的順序治療以劑量依賴的方式降低ROS的內源性產生（P = 0.027）。

    靶向Nrf2可能是誘導氧化應激的有希望的策略，這反過來又是潛在的有效的腫瘤細胞敏化方法。

    此外，Nrf2可能是化療方案中抑制的決定因素。

    用VC和Q對腫瘤細胞進行連續治療可以降低Nrf2在mRNA和蛋白水平的表達。

    因此，為了在癌症患者中獲得最佳的治療結果，需要進一步的研究來確定抗體佐劑在體內和人體中的功效和安全性，以建立其在癌症治療中的應用的循證指南。