Na wstępie warto zaznaczyć, że glikacja jest procesem odmiennym od enzymatycznych reakcji glikozylacji, które stanowią jeden z kluczowych elementów potranslacyjnej modyfikacji białek mających na celu powstanie ostatecznej biologicznie aktywnej formy tych cząsteczek. W procesie glikacji zaś, białka podlegają złożonym przemianom zwanymi reakcją Maillarda. W końcowych etapach reakcji Maillarda, w wyniku kondensacji i sieciowania, powstają w sposób nieodwracalny końcowe produkty zaawansowanej glikacji (AG – advanced glycation end products). Produkty te tworzą bardzo heterogenną grupę związków o zróżnicowanych masach cząsteczkowych. Pomimo, że powstawanie takich związków zdefiniowano i opisano już  ponad 90 lat temu, dokładna budowa większości z nich wciąż jest słabo poznana. Poziom AGE w organizmie zależny jest nie tylko od szybkości ich wytwarzania, ale również od  tempa, z jakim usuwane są z ustroju. W warunkach homeostazy podlegają one rozkładowi proteolitycznemu w lizosomach komórek, a produkty degradacji są wydzielane do krążenia i wydalane z moczem [1]. Pewna ilość AGE może być także usuwana z krążenia przez wątrobę – komórki Kupffera i śródbłonek tej tkanki [2].

Glikacja w warunkach równowagi  i w stanach jej zaburzenia

Proces glikacji może zachodzić zarówno wewnątrz komórek jak i pozakomórkowo, we wszystkich tkankach i płynach ustrojowych. Należy podkreślić, że zjawisko to dotyczy nie tylko białek, ale również DNA i lipidów [3]. Powstające w warunkach fizjologicznych AGE mają znaczenie regulacyjne. W życiu płodowym obserwuje się duże ilości glikowanych białek w komórkach macierzystych. Wykazano, że podczas różnicowania komórek są one szybko eliminowane w proteasomach. Badania sugerują,  że wysoki poziom tak zmodyfikowanych struktur pełni ważną rolę w utrzymywaniu stanu komórek niezróżnicowanych [4]. W warunkach fizjologicznych proces glikacji jest procesem powolnym, przebiega  przez całe życie i stopniowo prowadzi do starzenia organizmu [5]. Modyfikacji ulegają głównie białka o długim okresie półtrwania, takie jak kolagen, krystalina soczewki i albumina osoczowa [6]. Wiązania krzyżowe obecne w AGE prowadzą do wzrostu sztywności białek.

Z drugiej zaś strony,  nasilony proces glikacji prowadzi do powstania nadmiaru wysokospolimeryzowanych i usieciowanych białek.  Tracą one wówczas swoje biologiczne funkcje, stają się częściowo oporne na degradację proteolityczną, co znacznie utrudnia ich usuwanie z komórek i tkanek. Kumulacja takich produktów w postaci złogów powoduje także usztywnienie ścian naczyń oraz tkanek [7]. Badania naukowe wykazały postępujący wraz z wiekiem wzrost glikacji białek tkanki łącznej w ścięgnach, aorcie oraz soczewce oka. Zjawisko to ma zatem bezpośredni udział w rozwoju chorób związanych z wiekiem [1]. Dodatkowo, modyfikacja  ta osłabia także strukturę jednego z najważniejszych białek w organizmie – kolagenu. W wyniku glikacji dochodzi do pogrubienia fibryli wchodzących w skład włókien i wzrostu liczby wiązań krzyżowych pomiędzy jego cząsteczkami, co skutkuje zwiększoną sztywnością, kruchością, obniżoną rozpuszczalnością i wrażliwością na procesy naprawcze. W związku z tym usuwanie powstałych wiązań jest utrudnione, a procesy naprawcze nieefektywne. Według przeprowadzonych badań skóra diabetyków starzeje się nawet o 30% szybciej niż skóra osoby zdrowej.

Zmiany patofizjologiczne stymuluje dodatkowo stres oksydacyjny towarzyszący powstawaniu AGE. Oczywistym jest fakt, że glikacja nasila się w stanie ostrej i chronicznej glikemii [9]. Dlatego w cukrzycy znacznie wcześniej dochodzi do akumulacji AGE w krążeniu oraz w różnych tkankach i narządach. Stwierdzono odkładanie się takich produktów w skórze, płucach, nerkach, jelitach, dyskach rdzenia kręgowego, w sercu i naczyniach nie tylko u osób w starszym wieku, ale także u pacjentów cukrzycowych [10]. Obserwowany w stanie hiperglikemii wzrost poziomu produktów zaawansowanej glikacji w różnych tkankach wyraźnie korelował z rozwojem późniejszych powikłań. Najczęstszą przyczyną powikłań mikronaczyniowych we wczesnej cukrzycy jest pogrubianie błony podstawnej kapilar i hipertrofii macierzy zewnątrzkomórkowej. Stanowi to podłoże rozwoju retinopatii, nefropatii, neuropatii cukrzycowej [11], natomiast komplikacje makronaczyniowe są przyczyną choroby arterii wieńcowych, choroby naczyń obwodowych i naczyń mózgowych [12].

Glikowane białka a „pamięć metaboliczna” w cukrzycy

Licznie podejmowane próby kliniczne  wyraźnie wykazały, że wczesna i rygorystyczna kontrola glikemii znacznie redukuje i opóźnia wystąpienie późnych powikłań związanych z makro i mikroangiopatią. Kluczową rolę w tym zjawisku odgrywa utrzymanie właściwego poziomu AGE-białek. Jak wykazały badania, przewlekły brak właściwej kontroli glikemii skutkuje powstaniem stosunkowo trwałych zmian w poziomie glikacji białek strukturalnych i fukcjonalnych, a także zmiany epigenetyczne w jądrowym i mitochondrialnym DNA komórek chorych na cukrzycę [13]. Dodatkowo, prowadzone na zwierzętach cukrzycowych doświadczenia wykazały wyraźnie, że po kilkumiesięcznym okresie hiperglikemii, długotrwała normalizacja poziomu glukozy nie przywracała do normy wielu parametrów metabolicznych związanych z rozwojem powstałej angiopatii. Co istotne, pomimo powrotu do ścisłej kontroli glikemii poziomy potencjalnie szkodliwych związków takich jak AGE w mitochondriach, kolagenu w podścielisku tkankowym, kinazy białkowej C, NFκB, kaspazy 3, nadtlenków lipidów oraz rodników nitrozylowych pozostawały podwyższone, a poziom glutationu w dalszym ciągu pozostawał obniżony. Natomiast, skrócony okres niekontrolowanej hiperglikemii skutkował powrotem do normoglikemii, powodując częściowe odwrócenie powstałych zaburzeń metabolicznych [14]. Wyniki tych eksperymentów, wydają się wyraźnie  tłumaczyć  zależny od AGE-białek mechanizm powstawania powikłań naczyniowych w cukrzycy. Ponadto dane te dowodzą, że wiele zmian wywołanych glikacją ma charakter trwały i nie może być łatwo odwrócona przez późną kontrolę glikemii. Fakty te podkreślają zatem istotność jak najszybszego rozpoczynania terapii cukrzycy i prowadzenia jej w sposób rygorystyczny przez całe życie pacjenta.

Receptory RAGE

Powstawanie glikowanych agregatów białkowych niesie  ze sobą dalsze konsekwencje, ponieważ AGE mogą się wiązać z receptorami na powierzchni komórek i wpływać na procesy wewnątrzkomórkowe [15]. Badania mechanizmów wychwytu AGE przez komórki doprowadziły do odkrycia kilku typów receptorów powierzchniowych tych ligandów. Jednym z nich są receptory RAGE (ang. receptor for advanced glycation endproducts) będące wieloligandowymi  receptorami błonowym. Połączenie liganda z receptorem RAGE skutkuje aktywacją  wielu  kluczowych szlaków sygnałowych wewnątrz komórki, które związane są z różnorodnymi stanami patologicznymi. Postuluje się udział receptora RAGE i białek z nim oddziałujących w postępie wielu schorzeń, m. in.: powikłania cukrzycowe (ligand: końcowe produkty glikacji), chorobie Alzheimera (ligand: peptyd Aβ), reumatoidalnym zapaleniu stawów (białko S100A12), przerzutów nowotworowych (białko S100P). Receptory RAGE zlokalizowano na powierzchni wielu typów komórek. Ich obecność potwierdzono m.in. na fagocytach, hepatocytach, komórkach śródbłonka i mięśni gładkich ściany naczyń, a także komórkach układu nerwowego [16]. W mięśniach szkieletowych szczurów wykazano, że tempo syntezy RAGE jest regulowane zależnie od etapu rozwoju organizmu, a jego nadekspresja powoduje przyspieszenie różnicowania mioblastów [17]. Zaobserwowano także, że biosynteza RAGE i jego liganda, amfoteryny, jest nasilona w neuronach rozwijającego się ośrodkowego układu nerwowego i zanika po urodzeniu [18]. W warunkach homeostazy ekspresja RAGE w komórkach innych tkanek, w tym w neuronach, fibroblastach, komórkach mięśni gładkich oraz w makrofagach jest niewielka. Ich indukcja nasila się jednak wskutek zwiększonej aktywacji komórek wywołanej wzrostem poziomu ligandów RAGE, w warunkach stresu, w stanach zapalnych, w cukrzycy, chorobie Alzheimera [19] oraz w reumatoidalnym zapaleniu stawów [20]. U osób chorych na cukrzycę, ze względu na wspomniany wcześniej zwiększony proces glikacji, dochodzi do zwiększenia syntezy RAGE w makrofagach i monocytach przenikających z układu naczyniowego do tkanek. Wykazano także, stymulowany przez zwiększony poziom AGE, wzrost ekspresji receptorów na śródbłonku i komórkach mięśni gładkich, skutkując ciągłym pobudzaniem  komórek i nieodwracalnym  uszkodzeniem tkanek [21].

Niezbędni towarzysze RAGE – ich ligandy

Receptory RAGE są wieloligandowe, wchodzą w interakcje i tworzą kompleksy z szeroką grupą zróżnicowanych strukturalnie białek. Z analizy strukturalnej RAGE i jego ligandów wynika, że receptor nie rozpoznaje w wiązanych białkach określonej sekwencji aminokwasowej, tylko struktury trójwymiarowe, takie jak struktury b [15]. Bardzo istotnym jest fakt, że przyłączenie ligandów do receptorów RAGE  aktywuje szlak kinaz MAP (kinazy aktywowane miogenami), które uczestniczą w wielu szlakach sygnałowych komórki. Aktywację szlaku kinazy ERK1/2(p44/p42) MAP wykazano w komórkach mięśni gładkich [22], miofibroblastach, mioblastach, osteoblastach [23] i monocytach [24]. Może to prawdopodobnie wynikać z bezpośredniej reakcji receptora RAGE z kinazą ERK [25]. Badania wykazały także wpływ RAGE na aktywację kinazy p38 i JNK/SAPK w komórkach nowotworowych i  monocytach [87,94]. Receptory RAGE uczestniczą także w sygnalizacji przez aktywację rho-GTP-azy, kinazy-3-fosfoinozytolowej i Jak/STAT [26]. Dodatkowo, przez aktywację oksydazy NADPH, interakcja ligand-RAGE może indukować także powstawanie reaktywnych form tlenu [27]. Pobudzone oddziaływaniem RAGE szlaki sygnałowe skutkują aktywacją czynnika transkrypcyjnego NF-kB, który w cytoplazmie jest nieaktywny i związany z inhibitorem IkBa. Uwolniony aktywny czynnik NF-kB przemieszcza się do jądra komórki i aktywuje ekspresję genów cytokin (TNF-a, IL-1, IL-6) oraz białek adhezyjnych (VCAM-1, ICAM-1), które uczestniczą w procesach zapalnych [20]. Wykazano także, że w miejscach nadmiernego gromadzenia i akumulacji AGE w naczyniach dochodzi do wzmożonej ekspresji RAGE. Jest to  mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego  - przedłuża działanie RAGE i nasila aktywację w ten sposób pobudzonych komórek. Zjawisko takie zaobserwowano m.in.  w retinopatii cukrzycowej [28].

RAGE a choroba Alzheimera

Wśród ligandów wiązanych przez RAGE znajdują się także fibrylarne agregaty amyloidu b, monomerów amyloidu A oraz peptydów pochodzenia prionowego [29]. Monomery amyloidu b (Ab), powstają w wyniku trawienia amyloidowego białka prekursorowego (APP). W warunkach prawidłowych jest on  stale uwalniany do płynu mózgowo-rdzeniowego i płynu śródmiąższowego tkanki mózgowej. Stężenie Ab w tym środowisku jest utrzymywane na fizjologicznie niskim poziomie, dzięki usuwaniu białka amyloidowego do krwi. Cząsteczki amyloidu pokonują barierę krew–mózg wiążąc się z receptorami LRP (LDLrelated protein 1) znajdującymi się na komórkach śródbłonka naczyń kapilarnych tkanki. Z kolei występujący na śródbłonku RAGE ma udział w przenoszeniu monomerów Ab z krwi do tkanki mózgowej [30]. Zaburzenia usuwania Ab powodują jego akumulację w różnych obszarach mózgu. Powstają oligomeryczne włókna amyloidowe, agregujące w wyżej zorganizowane struktury w postaci wysokousieciowanych, nierozpuszczalnych depozytów. Wykazano, że takie zróżnicowane molekularnie postaci Ab mogą również oddziaływać z receptorami RAGE [31]. Sugeruje się, że wysokousieciowane i zagregowane pochodne Ab mogą mieć duże powinowactwo do natywnego błonowego RAGE komórek glejowych i neuronów. Utworzone kompleksy ligand-RAGE pobudzają w neuronach rozwój stresu oksydacyjnego i aktywują czynnik jądrowy NF-kB. Badania prowadzone na hodowlach komórkowych wykazały, że nawet kompleksy monomerycznego amyloidu Ab z RAGE są cytotoksyczne [32]. Dodatkowo, neurony pobudzone przez kompleks amyloid-RAGE wydzielają czynnik stymulujący kolonie makrofagów, M-CSF [33]. Wykazano, że powinowactwo zarówno do monomerów Ab, jak i do fibrylarnych oligomerów amyloidowych powstających we wczesnych etapach agregacji wykazują receptory sRAGE, występujące w postaci wolnej w osoczu.

Nasilenie nagromadzenia się w organizmie AGE oraz RAGE zaobserwowane jest przede wszystkim w stanach patologicznych spowodowanych hiperglikemią. Ze względu na to, że glikacja nie jest reakcją wymagającą obecności enzymów, nie ma ścisłych ograniczeń i zachodzi ona tak długo, jak długo dostępny jest substrat. Liczne badania pozwalające zrozumieć zarówno proces glikacji, jak i oddziaływania ligandów (będących produktem tego procesu) z receptorami, umożliwiły wyjaśnienie pewnych szlaków sygnałowych prowadzących do pobudzania komórek. Poznanie tych mechanizmów ma ogromne znaczenie w definiowaniu skutecznych czynników blokujących interakcje ligand-RAGE, a co za tym idzie w zmniejszeniu skutków toksycznego działania AGE.