POTENTIAL USE OF SULFORAPHANE AS A NEUROPROTECTOR

С. А. Цюмпала; К. М. Старчевская; В. И. Лущак

doi:10.11603/mcch.2410-681X.2021.i2.12048

Автор(и)

С. А. Цюмпала ПРИКАРПАТСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ВАСИЛЯ СТЕФАНИКА, ІВАНО-ФРАНКІВСЬК
К. М. Старчевская ПРИКАРПАТСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ВАСИЛЯ СТЕФАНИКА, ІВАНО-ФРАНКІВСЬК
В. И. Лущак ПРИКАРПАТСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ВАСИЛЯ СТЕФАНИКА, ІВАНО-ФРАНКІВСЬК ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ І. Я. ГОРБАЧЕВСЬКОГО МОЗ УКРАЇНИ УНІВЕРСИТЕТ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА РОЗРОБОК, ІВАНО-ФРАНКІВСЬК

DOI:

https://doi.org/10.11603/mcch.2410-681X.2021.i2.12048

Ключові слова:

нейропротектор, сульфорафан, нейрозапалення, нейродегенеративні захворювання

Анотація

Вступ. За звичайних умов інтенсивність як оксидативного стресу, так і прозапальних процесів перебуває у певних межах. Однак під час розвитку нейрозапалення і надлишкового утворення активних форм кисню гомеостаз порушується, що спричиняє розвиток хвороби Альцгеймера, хвороби Паркінсона та інших нейродегенеративних розладів. Запальні процеси, викликані активацією імунної системи, можуть призвести до нейродегенеративних порушень. Сульфорафан – це сполука з групи ізотіоціанатів, яка має потенціал для лікування нейродегенеративних розладів. Його терапевтичний вплив базується на здатності даної речовини активувати транскрипцію генів, які регулюють захисну активність клітин. Важливість робіт у цьому керунку зумовлена тим, що хвороба Альцгеймера та інші деменції займають сьоме місце серед провідних причин смерті у світі. У цій оглядовій статті обговорюються протизапальна дія сульфорафану в головному мозку та його використання як потенційного нейропротектора у лікуванні нейродегенеративних захворювань.

Мета дослідження – проаналізувати сучасні джерела літератури щодо використання сульфорафану в медичній практиці задля його потенційного застосування з метою профілактики або пом’якшення нейрозапальних процесів.

Висновки. Економічний і технологічний прогрес привів до поліпшення загальної якості життя та подовження його тривалості. Але досягнення у довголітті ставлять перед нами нові виклики. Якщо в молодому та зрілому віці організм добре підтримує гомеостаз, то в старших людей інтенсифікація оксидативних і запальних процесів може призвести до розвитку деменцій та психічних розладів. Одним із кандидатів для боротьби за ясний розум у старості є сульфорафан. У цьому огляді його розглянуто як потенційний нейропротектор. Біологічно активні добавки і препарати на основі сульфорафану здатні зменшувати запальні процеси у головному мозку та в організмі загалом, а тому їх можна застосовувати для профілактики і лікування нейродегенеративних захворювань.

Посилання

Vanduchova, A., Anzenbacher, P., & Anzenbacherova, E. (2019). Isothiocyanate from broccoli, sulforaphane, and its properties. Journal of Medicinal Food, 22 (2), 121-126. Retrieved from: https://doi.org/10.1089/jmf.2018.0024.

Halkier, B.A., & Gershenzon, J. (2006). Biology and biochemistry of glucosinolates. Annual Review of Plant Biology, 57, 303-333. Retrieved from: https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.57.032905.105228.

Juge, N., Mithen, R.F., & Traka, M. (2007). Molecular basis for chemoprevention by sulforaphane: A comprehensive review. Cellular and Molecular Life Sciences, 64 (9), 1105-1127. Retrieved from: https://doi.org/10.1007/s00018-007-6484-5.

Fischer, R., & Maier, O. (2015). Interrelation of oxidative stress and inflammation in neurodegenerative disease: role of TNF. Oxidative Medicine and Cellular Longevity, 2015, 610813. Retrieved from: https://doi.org/10.1155/2015/610813.

Song, H., Sieurin, J., Wirdefeldt, K., Pedersen, N.L., Almqvist, C., Larsson, H., Valdimarsdóttir, U.A., & Fang, F. (2020). Association of stress-related disorders with subsequent neurodegenerative diseases. JAMA Neurology, 77 (6), 700-709. Retrieved from: https://doi.org/ 10.1001/jamaneurol.2020.0117.

He, J., Zhu, G., Wang, G., & Zhang, F. (2020). Oxidative stress and neuroinflammation potentiate each other to promote progression of dopamine neurodegeneration. Oxidative Medicine and Cellular Longevity, 2020, 6137521. Retrieved from: https://doi.org/10.1155/ 2020/6137521.

Blach-Olszewska, Z., & Leszek, J. (2007). Mechanisms of over-activated innate immune system regulation in autoimmune and neurodegenerative disorders. Neuropsychiatric Disease and Treatment, 3 (3), 365-372.

Garaschuk, O., Semchyshyn, H.M., & Lushchak, V.I. (2018). Healthy brain aging: Interplay between reactive species, inflammation and energy supply. Ageing Research Reviews, 43, 26-45. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.arr.2018.02.003.

Medzhitov, R. (2008). Origin and physiological roles of inflammation. Nature, 454 (7203), 428-435. Retrieved from: https://doi.org/10.1038/nature07201.

Buendia, I., Michalska, P., Navarro, E., Gameiro, I., Egea, J., & León, R. (2016). Nrf2-ARE pathway: An emerging target against oxidative stress and neuroinflammation in neurodegenerative diseases. Pharmacology and Therapeutics, 157, 84-104. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.pharmthera.2015.11.003.

Solleiro-Villavicencio, H., & Rivas-Arancibia, S. (2018). Effect of chronic oxidative stress on neuroinflammatory response mediated by CD4+T cells in neurodegenerative diseases. Frontiers in Cellular Neuroscience, 12, 114. Retrieved from: https://doi.org/10.3389/fncel.2018.00114.

Lushchak, V.I. (2014). Free radicals, reactive oxygen species, oxidative stress and its classification. Chemico-Biological Interactions, 224 (October), 164-175. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.cbi.2014.10.016.

Dan Dunn, J., Alvarez, L.A.J., Zhang, X., & Soldati, T. (2015). Reactive oxygen species and mitochondria: A nexus of cellular homeostasis. Redox Biology, 6, 472-485. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.redox. 2015.09.005.

Banks, W.A., & Erickson, M.A. (2010). The blood-brain barrier and immune function and dysfunction. Neurobiology of Disease, 37 (1), 26-32. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.nbd.2009.07.031.

Ray, D., & Yung, R. (2018). Immune senescence, epigenetics and autoimmunity. Clinical Immunology, 196 (March), 59-63. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.clim.2018.04.002.

Lenz, K.M., & Nelson, L.H. (2018). Microglia and beyond: innate immune cells as regulators of brain development and behavioral function. Frontiers in Immunology, 9, 698. Retrieved from: https://doi.org/10.3389/fimmu.2018.00698.

Myhre, C.L., Thygesen, C., Villadsen, B., Vollerup, J., Ilkjær, L., Krohn, K.T., Grebing, M., Zhao, S., Khan, A.M., Dissing-Olesen, L., Jensen, M.S., Babcock, A. A., & Finsen, B. (2019). Microglia express insulin-like growth factor-1 in the hippocampus of aged APPswe/PS1ΔE9 transgenic mice. Frontiers in Cellular Neuroscience, 13 (July), 1-17. Retrieved from: https://doi.org/ 10.3389/fncel.2019.00308.

Parkhurst, C.N., Yang, G., Ninan, I., Savas, J.N., Yates, J.R.3rd, Lafaille, J.J., Hempstead, B.L., Littman, D.R., & Gan, W.-B. (2013). Microglia promote learning-dependent synapse formation through brain-derived neurotrophic factor. Cell, 155 (7), 1596-1609. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.11.030.

Diaz-Aparicio, I., Paris, I., Sierra-Torre, V., Plaza-Zabala, A., Rodríguez-Iglesias, N., Márquez-Ropero, M., Beccari, S., et al. (2020). Microglia actively remodel adult hippocampal neurogenesis through the phagocytosis secretome. Journal of Neuroscience, 40 (7), 1453-1482. Retrieved from: https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI. 0993-19.2019.

’t Hart, B.A., & den Dunnen, W.F. (2013). Commentary on special issue: CNS diseases and the immune system. Journal of Neuroimmune Pharmacology: The Official Journal of the Society on NeuroImmune Pharmacology, 8 (4), 757-759. Retrieved from: https://doi.org/10.1007/s11481-013-9486-0.

’t Hart, B.A., Hintzen, R.Q., & Laman, J D. (2009). Multiple sclerosis - a response-to-damage model. Trends in Molecular Medicine, 15 (6), 235-244. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.molmed.2009.04.001.

Male, D. (2014). Adaptive immune responses in the CNS. In neuroinflammation and CNS disorders (pp. 37–57). John Wiley & Sons, Ltd. Retrieved from: https://doi.org/10.1002/9781118406557.ch3.

Santín-Márquez, R., Alarcón-Aguilar, A., López-Diazguerrero, N.E., Chondrogianni, N., & Königsberg, M. (2019). Sulforaphane – role in aging and neurodegeneration. GeroScience, 41 (5), 655-670. Retrieved from: https://doi.org/10.1007/s11357-019-00061-7.

Schain, M., & Kreisl, W.C. (2017). Neuroinflammation in neurodegenerative disorders – a review. Current Neurology and Neuroscience Reports, 17 (3). Retrieved from: https://doi.org/10.1007/s11910-017-0733-2.

Houghton, C.A. (2019). Sulforaphane: Its “coming of age” as a clinically relevant nutraceutical in the prevention and treatment of chronic disease. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. Retrieved from: https://doi.org/10.1155/2019/2716870.

Lushchak, V.I. (2021). Interplay between bioenergetics and oxidative stress at normal brain aging. Aging as a result of increasing disbalance in the system oxidative stress-energy provision. Pflügers Archiv – European Journal of Physiology. Retrieved from: https://doi.org/10.1007/s00424-021-02531-4.

Brasier, A.R. (2006). The NF-kappaB regulatory network. Cardiovascular Toxicology, 6 (2), 111-130. Retrieved from: https://doi.org/10.1385/ct:6:2:111.

Gilmore, T.D. (2006). Introduction to NF-κB: Players, pathways, perspectives. Oncogene, 25 (51), 6680-6684. Retrieved from: https://doi.org/10.1038/sj.onc.1209954.

Hayden, M.S., & Ghosh, S. (2011). NF-κB in immunobiology. Cell Research, 21 (2), 223-244. Retrieved from: https://doi.org/10.1038/cr.2011.13.

Yu, L., Mohamed, A.J., Simonson, O.E., Vargas, L., Blomberg, K.E.M., Björkstrand, B., Arteaga, H.J., Nore, B.F., & Smith, C.I.E. (2008). Proteasome-dependent autoregulation of Bruton tyrosine kinase (Btk) promoter via NF-kappaB. Blood, 111 (9), 4617-4626. Retrieved from: https://doi.org/10.1182/blood-2007-10-121137.

Giridharan, S., & Srinivasan, M. (2018). Mechanisms of NF-κB p65 and strategies for therapeutic manipulation. Journal of Inflammation Research, 11, 407-419. Retrieved from: https://doi.org/10.2147/JIR.S140188.

Chen, J., & Chen, Z.J. (2013). Regulation of NF κB by ubiquitination. Current Opinion in Immunology, 25 (1), 4-12. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.coi.2012.12.005.

Bonizzi, G., & Karin, M. (2004). The two NF-kappaB activation pathways and their role in innate and adaptive immunity. Trends in Immunology, 25 (6), 280-288. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.it.2004.03.008.

Mobeen, A., & Ramachandran, S. (2020). Modeling the post-translational modifications and its effects in the NF-κB pathway. BioRxiv. Retrieved from: https://doi.org/10.1101/2020.02.13.947010.

Lipinski, M., Del Blanco, B., & Barco, A. (2019). CBP/p300 in brain development and plasticity: disentangling the KAT’s cradle. Current Opinion in Neurobiology, 59, 1-8. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.conb.2019.01.023.

Hayden, M.S., & Ghosh, S. (2008). Shared principles in NF-kappaB signaling. Cell, 132 (3), 344-362. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.cell.2008.01.020.

Basak, S., Shih, V.F.-S., & Hoffmann, A. (2008). Generation and activation of multiple dimeric transcription factors within the NF-kappaB signaling system. Molecular and Cellular Biology, 28 (10), 3139-3150. Retrieved from: https://doi.org/10.1128/MCB.01469-07.

Assar, M. El, Angulo, J., & Rodríguez-Mañas, L. (2016). Diabetes and ageing-induced vascular inflammation. Journal of Physiology, 594 (8), 2125-2146. Retrieved from: https://doi.org/10.1113/JP270841.

de Figueiredo, S., Binda, N., Nogueira-Machado, J., Vieira-Filho, S., & Caligiorne, R. (2015). The antioxidant properties of organosulfur compounds (sulforaphane). Recent Patents on Endocrine, Metabolic & Immune Drug Discovery, 9 (1), 24-39. Retrieved from: https://doi.org/10.2174/1872214809666150505164138.

Kansanen, E., Kuosmanen, S. M., Leinonen, H., & Levonenn, A.L. (2013). The Keap1-Nrf2 pathway: Mechanisms of activation and dysregulation in cancer. Redox Biology, 1 (1), 45-49. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.redox.2012.10.001.

Tonelli, C., Chio, I.I.C., & Tuveson, D.A. (2018). Transcriptional regulation by Nrf2. Antioxidants & Redox Signaling, 29 (17), 1727-1745. Retrieved from: https://doi.org/10.1089/ars.2017.7342.

Bryan, H.K., Olayanju, A., Goldring, C.E., & Park, B.K. (2013). The Nrf2 cell defence pathway: Keap1-dependent and -independent mechanisms of regulation. Biochemical Pharmacology, 85 (6), 705-717. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.bcp.2012.11.016.

Johnson, J.A., Johnson, D.A., Kraft, A.D., Calkins, M.J., Jakel, R.J., Vargas, M.R., & Chen, P.C. (2008). The Nrf2-ARE pathway: An indicator and modulator of oxidative stress in neurodegeneration. Annals of the New York Academy of Sciences, 1147, 61-69. Retrieved from: https://doi.org/10.1196/annals.1427.036.

Sun, Z., Wu, T., Zhao, F., Lau, A., Birch, C.M., & Zhang, D.D. (2011). KPNA6 (Importin {alpha}7)-mediated nuclear import of Keap1 represses the Nrf2-dependent antioxidant response. Molecular and Cellular Biology, 31 (9), 1800-1811. Retrieved from: https://doi.org/10.1128/MCB.05036-11.

Kang, M.-I., Kobayashi, A., Wakabayashi, N., Kim, S.-G., & Yamamoto, M. (2004). Scaffolding of Keap1 to the actin cytoskeleton controls the function of Nrf2 as key regulator of cytoprotective phase 2 genes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 101 (7), 2046-2051. Retrieved from: https://doi.org/10.1073/pnas.0308347100.

Kobayashi, A., Kang, M.-I., Okawa, H., Ohtsuji, M., Zenke, Y., Chiba, T., Igarashi, K., & Yamamoto, M. (2004). Oxidative stress sensor keap1 functions as an adaptor for cul3-based e3 ligase to regulate proteasomal degradation of nrf2. Molecular and Cellular Biology, 24 (16), 7130-7139. Retrieved from: https://doi.org/10.1128/mcb.24.16.7130-7139.2004.

Dinkova-Kostova, A.T., Holtzclaw, W.D., Cole, R.N., Itoh, K., Wakabayashi, N., Katoh, Y., Yamamoto, M., & Talalay, P. (2002). Direct evidence that sulfhydryl groups of Keap1 are the sensors regulating induction of phase 2 enzymes that protect against carcinogens and oxidants. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 99 (18), 11908-11913. Retrieved from: https://doi.org/10.1073/pnas.172398899.

Holland, R., Hawkins, A.E., Eggler, A.L., Mesecar, A.D., Fabris, D., & Fishbein, J.C. (2008). Prospective type 1 and type 2 disulfides of Keap1 protein. Chemical Research in Toxicology, 21 (10), 2051-2060. Retrieved from: https://doi.org/10.1021/tx800226m.

Holland, R., & Fishbein, J.C. (2010). Chemistry of the cysteine sensors in Kelch-like ECH-associated protein 1. Antioxidants & Redox Signaling, 13 (11), 1749-1761. Retrieved from: https://doi.org/10.1089/ars.2010. 3273.

Taguchi, K., Motohashi, H., & Yamamoto, M. (2011). Molecular mechanisms of the Keap1-Nrf2 pathway in stress response and cancer evolution. Genes to Cells, 16 (2), 123-140. Retrieved from: https://doi.org/10.1111/j.1365-2443.2010.01473.x.

Katsuoka, F., & Yamamoto, M. (2016). Small Maf proteins (MafF, MafG, MafK): History, structure and function. Gene, 586 (2), 197-205. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.gene.2016.03.058.

He, J., Zhu, G., Wang, G., & Zhang, F. (2020). Oxidative stress and neuroinflammation potentiate each other to promote progression of dopamine neurodegeneration. Oxidative Medicine and Cellular Longevity, 2020, 6137521. Retrieved from: https://doi.org/10.1155/ 2020/6137521.

Uddin, M.S., Mamun, A.Al, Jakaria, M., Thangapandiyan, S., Ahmad, J., Rahman, M.A., Mathew, B., Abdel-Daim, M.M., & Aleya, L. (2020). Emerging promise of sulforaphane-mediated Nrf2 signaling cascade against neurological disorders. Science of the Total Environment, 707, 135624. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.135624.

Wu, Q.J., Yang, Y., Vogtmann, E., Wang, J., Han, L.H., Li, H.L., & Xiang, Y.B. (2013). Cruciferous vegetables intake and the risk of colorectal cancer: a meta-analysis of observational studies. Annals of Oncology: Official Journal of the European Society for Medical Oncology, 24 (4), 1079-1087. Retrieved from: https://doi.org/10.1093/annonc/mds601.

Abbaoui, B., Lucas, C.R., Riedl, K.M., Clinton, S.K., & Mortazavi, A. (2018). Cruciferous vegetables, isothiocyanates, and bladder cancer prevention. Molecular Nutrition & Food Research, 62 (18), e1800079. Retrieved from: https://doi.org/10.1002/mnfr.201800079.

McNaughton, S.A., & Marks, G.C. (2003). Development of a food composition database for the estimation of dietary intakes of glucosinolates, the biologically active constituents of cruciferous vegetables. British Journal of Nutrition, 90 (3), 687-697. Retrieved from: https://doi.org/10.1079/bjn2003917.

Liang, H., Yuan, Q.P., Dong, H.R., & Liu, Y.M. (2006). Determination of sulforaphane in broccoli and cabbage by high-performance liquid chromatography. Journal of Food Composition and Analysis, 19 (5), 473-476. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.jfca. 2005.11.005.

Han, D., & Row, K.H. (2011). Separation and purification of sulforaphane from broccoli by solid phase extraction. International Journal of Molecular Sciences, 12 (3), 1854-1861. Retrieved from: https://doi.org/10.3390/ijms12031854.

Hafezian, S.M., Azizi, S.N., Biparva, P., & Bekhradnia, A. (2019). High-efficiency purification of sulforaphane from the broccoli extract by nanostructured SBA-15 silica using solid-phase extraction method. Journal of Chromatography B: Analytical Technologies in the Biomedical and Life Sciences, 1108 (December 2018), 1-10. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.jchromb.2019.01.007.

Shirai, Y., Fujita, Y., Hashimoto, R., Ohi, K., Yamamori, H., Yasuda, Y., Ishima, T., Suganuma, H., Ushida, Y., Takeda, M., & Hashimoto, K. (2015). Dietary intake of sulforaphane-rich broccoli sprout extracts during juvenile and adolescence can prevent phencyclidine-induced cognitive deficits at adulthood. PLoS ONE, 10 (6), 1-22. Retrieved from: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0127244.

Dwivedi, S., Rajasekar, N., Hanif, K., Nath, C., & Shukla, R. (2016). Sulforaphane ameliorates okadaic acid-induced memory impairment in rats by activating the Nrf2/HO-1 antioxidant pathway. Molecular Neurobiology, 53 (8), 5310-5323. Retrieved from: https://doi.org/10.1007/s12035-015-9451-4.

Sunkaria, A., Bhardwaj, S., Yadav, A., Halder, A., & Sandhir, R. (2018). Sulforaphane attenuates postnatal proteasome inhibition and improves spatial learning in adult mice. Journal of Nutritional Biochemistry, 51, 69-79. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j.jnutbio.2017. 09.016.

Shati, A.A., & Elsaid, F.G. (2019). Hepatotoxic effect of subacute vincristine administration activates necrosis and intrinsic apoptosis in rats: protective roles of broccoli and Indian mustard. Archives of Physiology and Biochemistry, 125 (1), 1-11. Retrieved from: https://doi.org/10.1080/13813455.2018.1427765.