Tlenek azotu (NO) jest wolnym rodnikiem produkowanym przez enzymy tlenku azotu (NOS) z aminokwasu L-argininy. NO przenika przez błony komórkowe i reguluje wiele procesów fizjologicznych – przede wszystkim rozkurcz naczyń krwionośnych, co poprawia ukrwienie tkanek i obniża ciśnienie, ale także uczestniczy w komunikacji neuronalnej i modulacji odpowiedzi immunologicznej. Z jednej strony uchodzi zatem za czynnik prozdrowotny, np. wspiera przepływ krwi przez naczynia wieńcowe, zapobiega agregacji płytek, wspomaga pamięć i funkcje poznawcze, a nawet wykazuje działanie przeciwbakteryjne w układzie odpornościowym, z drugiej – ma też oblicze destrukcyjne, tj. w nadmiarze lub niekorzystnych okolicznościach może reagować z innymi wolnymi rodnikami, tworząc wysoce reaktywne związki uszkadzające komórki. Ta dwoista natura NO sprawia, że wpływ azotu na starzenie się jest tematem złożonym i niezwykle fascynującym od wielu lat.

Według najnowszych badań jony azotanowe (NO3-) – związki będące źródłem tlenku azotu w organizmie – mogą wpływać na tempo starzenia się i długość życia. Głośnym echem odbiły się prace Tomasa Liubertasa i współpracowników, które wykazały, że podawanie azotanów może wydłużać życie organizmów modelowych. W eksperymentach na muszkach owocówkach niskie dawki azotanu potasu (1-2%) znacząco wydłużały żywotność owadów. Również badania na myszach wykazały, że wielomiesięczna suplementacja azotanów nie skracała życia gryzoni ani nie wywoływała u nich większej częstości nowotworów, wręcz przeciwnie – myszy otrzymujące azotany wykazywały zmniejszenie wstępowania patologicznych zmian w narządach, co sugeruje spowolnienie procesów starzenia się tkanek. Te obiecujące wyniki rozbudziły nadzieje, że związki na bazie azotu mogą stać się narzędziem w walce zarówno z samym procesem starzenia się organizmu, jak i wieloma chorobami. Warto jednak przyjrzeć się mechanizmom stojącym za tym zjawiskiem i porównać je z klasyczną teorią stresu oksydacyjnego.

Mechanizmy biologiczne działania azotanów i tlenku azotu w kontekście starzenia się

Aby zrozumieć wpływ azotu na starzenie się, należy rozważyć, jak azotany i tlenek azotu działają w organizmie. Azotany dostają się do naszego ciała głównie z pożywieniem – wyjątkowo bogate w te związki chemiczne są zielone warzywa liściaste (np. sałata, szpinak) oraz buraki. Po spożyciu ulegają one redukcji do azotynów (NO2-) m.in. dzięki bakteriom w jamie ustnej. Następnie azotyny konwertowane są do tlenku azotu w układzie krążenia i tkankach. Ten alternatywny szlak (tzw. szlak azotan – azotyn – NO) pozwala organizmowi produkować NO niezależnie od klasycznej syntezy z L-argininy przez enzymy NOS. Ma to szczególne znaczenie w warunkach niedotlenienia – azotyny stają się wtedy źródłem NO i powodują rozszerzenie naczyń tam, gdzie brakuje tlenu. Dzięki temu dieta bogata w azotany może poprawiać ukrwienie obszarów narażonych na niedotlenienie wraz z wiekiem, potencjalnie chroniąc je przed uszkodzeniem. 

NO wytwarzany na drodze endogennej (przez enzymy NOS) również odgrywa kluczową rolę w starzeniu się układu sercowo-naczyniowego. Niestety wraz z wiekiem dostępność biologiczna tlenku azotu spada – komórki śródbłonka produkują go mniej, a dodatkowo powstający NO jest szybciej dezaktywowany przez rosnący stres oksydacyjny. Należy w tym miejscu dodać, że wystąpienie stresu oksydacyjnego jest dla nas w tych czasach nieuchronne. Możemy oczywiście zapobiegać jego rozwojowi poprzez regularny sen, brak używek, zdrową dietę, sport czy też obniżenie poziomu czynników stresogennych, jednak nie jest to w pełni niemożliwe. Tlenek azotu działa także na poziomie komórkowym jako cząsteczka „sygnałowa”. Aktywuje on szlak cGMP w komórkach, który reguluje m.in. pracę mitochondriów. Badania sugerują, że NO może pomagać w utrzymaniu prawidłowej pracy mitochondriów (tzw. „elektrowni” komórkowych), co opóźnia spadek wydolności komórek w starzejącym się organizmie. Co więcej, NO pośrednio wpływa na aktywność enzymów antyoksydacyjnych. W kontrolowanych dawkach może działać jak łagodny stresor pobudzający układ odpornościowy.

Niestety jednak nadmiar tlenku azotu lub jego produkcja w nieodpowiednim miejscu mogą przynieść odwrotny skutek. NO sam w sobie jest wolnym rodnikiem, choć dość nietypowym – w umiarkowanych ilościach nie uszkadza bezpośrednio DNA, tak jak rodnik hydroksylowy, ale jego zgubny potencjał ujawnia się w reakcji z innymi cząsteczkami. Gdy NO napotka wolny rodnik nadtlenkowy, który powstaje wraz z występowaniem stresu oksydacyjnego, reaguje z nim błyskawicznie, tworząc nadtlenoazotyn (ONOO-). Nadtlenoazotyn to już wysoce reaktywny utleniacz nitrujący, który atakuje praktycznie wszystkie typy molekuł w komórce. Jego aktywność może prowadzić m.in. do utleniania lipidów, uszkadzając tym samym struktury błon komórkowych, a także modyfikowania białek poprzez nitrowanie reszt tyrozynowych (tworzenie 3-nitrotyrozyny) lub S-nitrozylację grup tiolowych cysteiny. Takie zmiany strukturalne białek zaburzają ich funkcje, prowadząc do fałdowania białek, dysfunkcji mitochondrialnej i aktywacji szlaków apoptotycznych. DNA również może ucierpieć – nadtlenoazotyn uszkadza zasady azotowe i powoduje pęknięcia nici. W ten sposób stres nitrozacyjny wywołany nadmiarem NO zaczyna przypominać stres oksydacyjny – komórki doświadczają uszkodzeń kumulujących się z czasem, co sprzyja starzeniu się i rozwojowi chorób degeneracyjnych. Warto zatem podkreślić, że efekt NO na komórki jest nierozerwalnie związany z jego stężeniem oraz produkcją. Udokumentowano także, iż wysokie stężenia NO wytwarzane przez mikroglej sprzyjają apoptozie neuronów i uszkodzeniom neurodegeneracyjnym, co można zaobserwować np. w chorobie Alzheimera.

Starzenie oksydacyjne a „starzenie azotowe”

Procesy starzenia oksydacyjnego i ewentualnego „starzenia azotowego” są ze sobą ściśle powiązane, jednk warto omówić ich cechy charakterystyczne. Stres oksydacyjny odnosi się do zaburzenia równowagi między produkcją reaktywnych form tlenu a zdolnością organizmu do ich unieszkodliwiania. Główne źródła RFT to: mitochondria (uboczny efekt oddychania komórkowego), enzymy oksydacyjne (jak oksydaza NADPH) czy reakcje zapalne. Z wiekiem mechanizmy antyoksydacyjne słabną, przez co RFT gromadzą się i uszkadzają komórki. Wiele chorób wieku starczego – od miażdżycy, przez zaćmę, po choroby neurodegeneracyjne – jest powiązanych z kumulacją rodników. Organizm broni się, wytwarzając enzymy (dysmutazę ponadtlenkową, katalazę, peroksydazę glutationową) i nieenzymatyczne antyoksydanty (witaminy C, E, glutation), jednak z czasem obrona ta bywa niewystarczająca.

Stres nitrozacyjny (związany z RFA) przebiega analogicznie, choć dotyczy reaktywnych form azotu. Głównym sprawcą szkód jest wspomniany nadtlenoazotyn oraz pochodne reaktywne związki azotowe, takie jak dwutlenek azotu (NO2) czy rodnik nitrozylowy. One również mogą prowadzić do uszkodzeń białek, lipidów i DNA, przy czym charakterystycznym „śladem” działania RFA jest obecność nitrotyrozyny w białkach, co bywa wykorzystywane jako wskaźnik nasilenia stresu nitrozacyjnego w tkankach. W chorobach neurodegeneracyjnych stwierdza się podwyższony poziom tych modyfikacji, co sugeruje udział reaktywnych form azotu w śmierci neuronów. Można więc powiedzieć, że „starzenie azotowe” objawia się bardzo podobnie do oksydacyjnego – komórki ulegają uszkodzeniom na skutek nadmiaru wysoko reaktywnych cząstek – z tą różnicą, że inicjatorem jest dysfunkcyjny metabolizm azotu. W praktyce trudno jest jednak oddzielić wpływ stresu oksydacyjnego i nitrozacyjnego, ponieważ często występują one jednocześnie i wzajemnie się napędzają. Gdy rośnie ilość RFT, zwiększa się prawdopodobieństwo zajścia reakcji z NO i tworzenia RFA. Z kolei uszkodzenia wywołane nadtlenoazotynem mogą osłabiać mitochondria i nasilać obecność rodników tlenowych. W związku z tym współczesne teorie dotyczące starzenia się rozszerzają klasyczną hipotezę wolnorodnikową, uwzględniając zarówno komponent oksydacyjny, jak i nitrozacyjny.

Co ciekawe, istnieją również pozytywne aspekty stresu nitrozacyjnego. Odpowiedni poziom NO może łagodzić skutki stresu oksydacyjnego. NO, reagując z nadmiarem wolnych rodników tlenowych, neutralizuje je (choć kosztem powstania nadtlenoazotynu). Ponadto rozszerzenie naczyń przez NO ułatwia dostarczenie tlenu do organizmu, a także składników odżywczych do tkanek, co zmniejsza ryzyko niedotlenienia prowadzącego do generowania RFT. Badania wskazują, że podniesienie poziomu NO (czy to poprzez dietę, czy wysiłek fizyczny) może ograniczać powstawanie uszkodzeń oksydacyjnych w mięśniach podczas pracy – lepsze ukrwienie sprawia, że mięśnie są efektywniej dotlenione i produkują mniej szkodliwych utleniaczy. W ten sposób NO działa jak bufor antyoksydacyjny pośrednio chroniący komórki przed stresem oksydacyjnym.

Krytyczne spojrzenie na aktualne badania

Mimo rosnącej liczby badań nad rolą azotu w starzeniu się organizmu, naukowcy podchodzą do tematu z ostrożnym optymizmem. Jak to zazwyczaj bywa, obszar badań pełen jest niuansów i potencjalnych pułapek. W przeszłości wiele obiecujących teorii antystarzeniowych nie spełniło pokładanych w nich nadziei w badaniach klinicznych, dlatego teraz środowisko naukowe stara się zachować zdrowy sceptycyzm. 

Po pierwsze, większość wyraźnych efektów odmładzających wywoływanych przez azotany i tlenki azotu zaobserwowano jak dotąd w modelach zwierzęcych lub in vitro. Wydłużenie życia muszek czy poprawa stanu zdrowia myszy to ważne dowody na poparcie tej teorii, jednak nie gwarantują one podobnych rezultatów u ludzi. W przeglądzie najnowszych prac stwierdzono, że dowody są niewystarczające, by jednoznacznie zalecać zwiększenie spożycia azotanów w celu poprawy sprawności u osób starszych. Ponadto rola tlenku azotu zmienia się zależnie od stanu naszego organizmu, a więc jego zdrowia. Przykładowo, w układzie sercowo-naczyniowym tlenki azotu występujące w dużej ilości chronią organizm przed miażdżycą i zawałem, ale już w układzie nerwowym nadmiar NO może przyspieszać patologiczne zmiany. W mózgach pacjentów z chorobą Alzheimera znaleziono podwyższone poziomy RFA i korelację między zwiększoną produkcją NO a nasileniem deficytów poznawczych. Sugeruje się wręcz, że nadmierna aktywacja szlaku NO może sprzyjać demencji, chociaż zależność ta jest złożona i wciąż dyskutowana. Co ciekawe, inne badania nie potwierdziły prostego związku między stężeniem NO we krwi a funkcjami poznawczymi, co pokazuje jak wiele czynników może wpływać na wyniki.

Kolejnym problemem są nie do końca poznane mechanizmy działania związków azotowych na poziomie molekularnym. Nie mamy obecnie bowiem dokładnych informacji na temat mechanizmów przyspieszających starzenie się organizmu, zwłaszcza z udziałem tych związków. Stres oksydacyjny, tak samo jak stres nitrozacyjny, jest przedmiotem wielu badań już od dziesiątek lat i wciąż fascynuje naukowców na całym świecie, nie mówiąc już o samym zapobieganiu procesowi starzenia się m.in. dzięki zastosowaniu antyoksydantów.

Azot w przyszłości gerontologii i medycyny regeneracyjnej

Interdyscyplinarne podejście do starzenia się, uwzględniające zarówno aspekty „tlenowe”, jak i „azotowe”, może w nadchodzących latach znacząco wpłynąć na kierunki rozwoju gerontologii i medycyny regeneracyjnej. Jeśli dalsze badania potwierdzą, że utrzymanie odpowiedniego poziomu NO oraz kontrola stresu nitrozacyjnego przekładają się na wolniejsze starzenie się, będziemy świadkami włączenia tych odkryć do praktyki klinicznej i naszej codzienności.

W medycynie regeneracyjnej rola NO również jest obiecująca. Tlenek azotu sprzyja angiogenezie, czyli tworzeniu nowych naczyń krwionośnych z już istniejących – a dobre unaczynienie to warunek skutecznej regeneracji tkanek. Trwają także prace nad biomateriałami i rusztowaniami do hodowli tkankowych, które uwalniają NO, poprawiając w ten sposób ukrwienie tworzącej się tkanki i przyspieszając gojenie. Jeśli zrozumiemy dokładniej, jak NO wpływa na mikrośrodowisko komórek macierzystych i procesy naprawcze, być może będziemy w stanie zwiększyć efektywność terapii regeneracyjnych u osób starszych, u których naturalna zdolność do regeneracji jest obniżona. Wizja ta zakłada chociażby wykorzystanie prekursorów NO w inżynierii tkankowej – np. implanty wydzielające kontrolowane ilości NO, by stymulować miejscowo regenerację naczyń i zapobiegać martwicy komórek.