Blueberries

Cellular Effects

Blueberry polyphenols are powerful intracellular antioxidants at a low concentration (<1µg/l) in various mammalian cells (Bornsek et al., 2012). Jest prawdopodobne, że poza bezpośrednią aktywnością wymiatającą, polifenole borówki wzmacniają endogenne antyoksydanty (Bornsek i in., 2012). W neuronach zaobserwowano zwiększoną ilość glutationu i kwasu askorbinowego (Papandreou i in., 2009) oraz zwiększoną aktywność enzymów antyoksydacyjnych, takich jak katalaza i dysmutaza ponadtlenkowa (Vuong i in., 2010), jako konsekwencje ekspozycji na borówkę. Aktywność antyoksydacyjna ekstraktów z borówki wiąże się również z ograniczeniem produkcji ROS (Jeong i wsp., 2013) i w konsekwencji zmniejszeniem ich skutków, w tym peroksydacji lipidów (Papandreou i wsp., 2009). Jak wspomniano, β-amyloid jest aberracyjnym białkiem zaangażowanym w neurodegenerację. Hamowanie stresu oksydacyjnego przez polifenole z borówki przeciwdziała cytotoksycznemu działaniu β-amyloidu u myszy (Jeong i in., 2013). Ekstrakty z borówki czernicy wykazują działanie neuroprotekcyjne wobec neurotoksyczności β-amyloidu w hodowlach komórek hipokampa u szczurów, przy niższym wskaźniku utraty neuronów (Brewer i in., 2010). Toksyczność β-amyloidu wzrasta wraz z wiekiem i jest nasilona w chorobie Alzheimera. Działanie antycytotoksyczne polifenoli borówki w odpowiedzi na β-amyloid opiera się na przywróceniu prawidłowej odpowiedzi komórki na stres, co z kolei wiąże się z produkcją białek, takich jak fosforylowana kinaza regulowana zewnątrzkomórkowo (pERK) i fosforylowane białko wiążące element odpowiedzi cyklicznegoAMP (pCREB), które ulegają nadekspresji pod wpływem stymulacji β-amyloidem in vitro (Brewer i in., 2010). Ekstrakty z borówki odwracają indukowany przez β-amyloid spadek wewnątrzkomórkowego glutationu poprzez indukowanie przejściowego wzrostu ROS, co prowadzi do ostatecznego wzrostu syntezy glutationu (Brewer i in., 2010), mechanizm znany jako hormeza. Polifenole borówki przywracają dostępność ATP i aktywność synaptyczną w komórkach hipokampa, które są obniżone przez β-amyloid (Fuentealba i in., 2011). Flawonoidy z borówki mogą również modyfikować dostępność β-amyloidu na dwa sposoby. Hamują ekspresję β-sekretazy, enzymu ograniczającego tempo produkcji peptydów β-amyloidu, a dzieje się to poprzez mediowaną przez borówkę redukcję sygnalizacji czynnika jądrowego kappa B (NF-κB) (Paris et al., 2011). Polifenole borówki zwiększają usuwanie β-amyloidu przez mikroglej, hamują jego agregację w sploty neurofibrylarne (Fuentealba i in., 2011; Zhu i in., 2008), i tłumią aktywację mikrogleju u myszy, efekty pośredniczone przez tłumienie p44/42 mitogen-activated protein kinase (MAPK) sygnalizacji (Zhu et al., 2008).

Blueberry antocyjany również odgrywają kluczową rolę przeciwko neurodegeneracji w odniesieniu do stanu zapalnego. Jak wspomniano, komórki mikrogleju są aktywowane przez stres oksydacyjny poprzez uwalnianie cytokin prozapalnych i dodatkowych ROS, które wzmacniają uszkodzenia i indukują odpowiedź neuronów. Do badania neurozapalenia zastosowano kilka modeli eksperymentalnych. Lipopolisacharyd (LPS) jest silnym induktorem stanu zapalnego. Komórki mikrogleju aktywowane przez LPS i wstępnie traktowane antocyjanami z borówki zmniejszają produkcję cytokin prozapalnych, takich jak TNF-α, interleukina 1 β (IL-1β) i ROS (NO) oraz zmniejszają ekspresję enzymów zaangażowanych w zapalenie, na przykład syntetazy NO (NOS) i cyklooksygenazy (COX) (Carey et al., 2013; Lau et al., 2007). Wykazano, że dzieje się to poprzez tłumienie aktywacji NF-κB (Lau et al., 2009) i obniżenie jego poziomu (Goyarzu et al., 2004), oba spowodowane przez antocyjany borówki. (NF-κB) jest czynnikiem transkrypcyjnym zaangażowanym w syntezę różnych mediatorów stanu zapalnego. Status aktywacji komórek mikrogleju jest następnie tłumiony przez antocyjany borówki, jak wykazano przez zmniejszenie markerów aktywacji (tj. peroksiredoksyny; Miah i in., 2013). Neurony mogą odpowiadać na LPS również poprzez zwiększenie stresu oksydacyjnego i stanu zapalnego. Ekstrakty z borówki mają co najmniej trzy pozytywne efekty na neurony stymulowane przez LPS: redukcję stresu oksydacyjnego, poprawę homeostazy wapnia i zwiększenie żywotności komórek (Joseph i in., 2010b). Żywotność komórek wynika z hormezy (Joseph et al., 2010b), czasowo zwiększonej ekspresji genów aktywujących stres oksydacyjny, mającej na celu zwiększenie przeżywalności komórek. Antocyjany borówki wzmacniają również neuroprotekcję mediowaną przez białko szoku cieplnego 70 (HSP 70) w neuronach hipokampa stymulowanych przez LPS (Galli i in., 2006). Innym induktorem stanu zapalnego jest kwas kainowy; polifenole z borówki przeciwdziałają produkcji cytokin zależnych od (NF-κB) i aktywują czynniki wzrostu, takie jak insulinopodobny czynnik wzrostu 1 (IGF-1; Shukitt-Hale i in., 2008). Możliwe, że antocyjany zawarte w borówkach amerykańskich razem mają synergistyczne działanie w neuroprotekcji, ponieważ ich efekty są ważniejsze w obecności niefrakcjonowanych ekstraktów (Carey i in., 2013; Joseph i in., 2010b).

Blueberry polyphenols exert powerful neuroprotective activity against glutamatergic excitotoxicity, as shown in rat neurons; cultures exposed to glutamate and extracts from blueberry fruits and leaves showed signs of degeneration significantly lower than basal (Vyas et al., 2013).

As mentioned, aging decreases the sensitivity to several neurotransmitters. Wśród nich szczególne znaczenie ma układ cholinergiczny, ponieważ wykazuje on dużą wrażliwość na starzenie się, a jego funkcja wpływa na sprawność poznawczą. Starzenie się zmniejsza wrażliwość na acetylocholinę jako konsekwencja stresu oksydacyjnego; wywołuje funkcjonalną utratę receptorów muskarynowych w prążkowiu z receptorami resztkowymi, które z czasem stają się bardziej wrażliwe na stres oksydacyjny (Joseph i in., 2006). Ekstrakty z borówki mogą przywrócić normalną wrażliwość na acetylocholinę, poprawiając sygnalizację molekularną stresu oksydacyjnego i homeostazę wapnia u podstaw zmniejszonej odpowiedzi receptorów (Joseph et al., 2006; 2010a). Ponadto polifenole borówki wzmacniają funkcje cholinergiczne poprzez hamowanie aktywności acetylocholinoesterazy (Papandreou et al., 2009).

Inne mechanizmy poprawy zdolności poznawczych z polifenoli borówki obejmują plastyczność synaptyczną, pamięć i wzmocnienie przeżywalności komórek. Zaobserwowano, że suplementacja borówki zwiększa funkcjonalność długotrwałej potencjalizacji (LTP) u starych szczurów, przywracając poziom obserwowany u młodych szczurów; dzieje się tak dzięki zapobieganiu spadkowi siły synaptycznej, a to z kolei kompensuje zmniejszoną ekspresję receptorów glutaminianowych zaangażowanych w LTP (Coultrap i in., 2008). Suplementacja borówką zwiększa inne parametry związane z poprawą pamięci, takie jak neurogeneza hipokampa, aktywacja ERK i poziom IGF-1 (Casadesus i in., 2004). Korzystny wpływ borówki na neurogenezę hipokampa obejmuje również zmiany w homeostazie wapnia i sygnalizacji stresu związane z ekspresją genów zależnych od pCREB, kinazy białkowej C γ (PKC γ) i pMAPK (Joseph i in., 2007). Te zmiany molekularne obejmują również zwiększony poziom hipokampalnego czynnika neurotroficznego pochodzenia mózgowego (brain-derived neurotrophic factor – BDNF) i korelują z wydajnością pamięci u szczurów (Rendeiro i in., 2012). Wzrost BDNF implikuje syntezę białka wspieraną przez szlak ERK-CREB-BDNF w neuronach hipokampa (Williams i in., 2008). Neurogeneza hipokampa i związana z nią sprawność pamięci są wrażliwe na skutki stresu oksydacyjnego. Stres oksydacyjny zwiększa regulację genów związanych z apoptozą, w tym genów związanych z (NF-κB), a zmniejsza regulację genów związanych z przeżyciem komórek w hipokampie (Shukitt-Hale et al., 2012). W mózgu szczurów suplementowanych borówką amerykańską stwierdzono wzrost ekspresji genów promujących przeżycie komórek (Shukitt-Hale i in., 2012). Ponadto w hodowlach neuronów wykazano, że forma zmodyfikowanego soku z borówki zwiększa ilość enzymów chroniących przed stresem oksydacyjnym, promuje przeżycie komórek i hamuje apoptozę poprzez mechanizmy molekularne obejmujące ekspresję genów (np. MAPK dla przeżycia i ERK dla hamowania apoptozy; Vuong i in., 2010).

Mediatyzowane przez borówkę mechanizmy neuroprotekcji wykazano również w niektórych eksperymentalnych modelach patologii, na przykład w chorobie niedokrwiennej mózgu. U szczurów suplementowanych borówkami przez sześć tygodni, które przeszły udar mózgu wywołany podwiązaniem lewej tętnicy szyjnej wspólnej i następującym po nim niedotlenieniem, stwierdzono średni ubytek neuronów w lewym hipokampie wynoszący 17%; u szczurów kontrolnych w tym samym obszarze ubytek wynosił 40% (Sweeney i in., 2002). Podobnie, dieta wzbogacona w borówki przez cztery tygodnie była odpowiedzialna za znaczące zmniejszenie w porównaniu z grupą kontrolną objętości uszkodzeń niedokrwienno-reperfuzyjnych w korze mózgowej szczurów poddanych podwiązaniu prawej tętnicy środkowej mózgu oraz zmniejszenie aktywności apoptotycznej (niski poziom kaspaz; Wang i in., 2005). Inna praca (Shin i in., 2006) potwierdza te wyniki w tym samym modelu i dodaje, że antocyjany wywierają supresję apoptozy poprzez blokowanie szlaków sygnalizacyjnych kinazy c-Jun N-końcowej (JNK) i p53, ponieważ ich ekspresja była znacząco niższa zarówno w obszarach zawału, jak i penumbry niedokrwiennej. Jak wynika z dotychczasowych rozważań, możliwe jest, że neuroprotekcja borówki czernicy w neuronach niedokrwiennych polega na hamowaniu ekscytotoksyczności, stresu oksydacyjnego, zapalenia i zaburzonej homeostazy jonowej oraz apoptozy (Shin i in., 2006). Te mechanizmy neuroprotekcji mogą być wzajemnie powiązane i zintegrowane w celu zwiększenia przeżywalności komórek (patrz Tabela 2.1). Neuroprotekcyjne działanie antocyjanów z borówki wykazano również w siatkówce oka, redukując uszkodzenia wywołane światłem na poziomie strukturalnym i funkcjonalnym (Liu i in., 2012; Tremblay i in., 2013). Efekty polifenoli z borówki związane z ekspresją genów i mechanizmami antyoksydacyjnymi mogą również wyjaśniać zwiększoną długość życia zwierząt z dietą uzupełnioną borówkami (Peng i in., 2012; Wilson i in., 2006).

.