Митохондриально-адресованные антиоксиданты — антиоксиданты, накопление и действие которых происходит непосредственно в митохондриях. По одной из теории, митохондрии являются основными источниками активных форм кислорода в клетке. Поэтому, если удастся предотвратить окислительный стресс внутри митохондрий, активные формы кислорода не выйдут из митохондрий в цитоплазму клеток, и повреждения самой клетки не будут летальными.

Классификация Существует две главные стратегии для направления маленьких молекул антиоксидантов в митохондрии in vivo: соеднинение с липофильными катионами и вставка в направленные в митохондрии пептиды

Липофильные катионы

Липофильные катионы могут легко проходить через фосфолипидные бислои плазматической мембраны и внутренней мембраны митохондрий, так как заряд катиона эффективно распределен по большой гидрофобной поверхности, таким образом понижая энергию активации для их перемещения через мембрану. Способность этих катионов проникать через фосфолипидные слои дает возможность их аккумуляции в митохондриальном матриксе просто в ответ на большой отрицательный мембранный потенциал внутри митохондрий и не требует специфичных механизмов импорта. Уравнение Нернста показывает, что проникновение липофильных катионов внутрь митохондриального матрикса, обеспечиваемое только мембранным потенциалом, увеличивается в 10 раз на каждые 61.5 мВ. Так как потенциал митохондриальной мембраны in vivo обычно составляет около 140—160 мВ, это обеспечивает в 200—400 раз большую аккумуляцию липофильных катионов внутри митохондриального матрикса, нежели в цитоплазме. Проникновение в клетки также обеспечивается потенциалом плазматической мембраны (30-60 мВ, отрицательно заряжена изнутри), тем самым аккумуляция этих соединений внутри митохондрий in vivo относительно внеклеточного окружения может быть выше в несколько тысяч раз.

Наиболее охарактеризованным и широко используемым липофильным катионом для доставки антиоксидантов в митохондрии является катион трифенилфосфония (ТФФ), который изначально использовался для оценки мембранного потенциалаLiberman E. A. et al. Mechanism of coupling of oxidative phosphorylation and the membrane potential of mitochondria. — 1969.. С тех пор катион стали присоединять к спектру антиоксидантов для доставки в митохондрииMurphy M. P., Smith R. A. J. Targeting antioxidants to mitochondria by conjugation to lipophilic cations //Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. — 2007. — Т. 47. — С. 629—656.. Существует ряд преимуществ использования ТФФ: его проникновение в митохондрии достоверно установлено, а также относительная простота вставки функциональной группы в ходе химического синтеза, обычно замещением уходящей группы ТФФSmith R. A. et al. Targeting coenzyme Q derivatives to mitochondria //Methods in enzymology. — 2003. — Т. 382. — С. 45-67.. Широкий спектр антиоксидантов доставлялись в митохондрии с помощью соединения с ТФФ, включая витамин ESmith R. A. J. et al. Selective targeting of an antioxidant to mitochondria //European Journal of Biochemistry. — 1999. — Т. 263. — №. 3. — С. 709—716., эбселенFilipovska A. et al. Synthesis and Characterization of a Triphenylphosphonium-conjugated Peroxidase Mimetic INSIGHTS INTO THE INTERACTION OF EBSELEN WITH MITOCHONDRIA //Journal of Biological Chemistry. — 2005. — Т. 280. — №. 25. — С. 24113-24126. (селен-органический антиоксидант, действующий через глутатион и обладающий пероксидазоподобным эффектом), липоевую кислотуBrown S. E. et al. Targeting lipoic acid to mitochondria: synthesis and characterization of a triphenylphosphonium-conjugated α-lipoyl derivative //Free Radical Biology and Medicine. — 2007. — Т. 42. — №. 12. — С. 1766—1780., пластохинонSkulachev V. P. et al. An attempt to prevent senescence: a mitochondrial approach //Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Bioenergetics. — 2009. — Т. 1787. — №. 5. — С. 437—461., нитроксидыTrnka J. et al. A mitochondria-targeted nitroxide is reduced to its hydroxylamine by ubiquinol in mitochondria //Free Radical Biology and Medicine. — 2008. — Т. 44. — №. 7. — С. 1406—1419., нитроныMurphy M. P. et al. Superoxide Activates Uncoupling Proteins by Generating Carbon-centered Radicals and Initiating Lipid Peroxidation STUDIES USING A MITOCHONDRIA-TARGETED SPIN TRAP DERIVED FROM α-PHENYL-N-tert-BUTYLNITRONE //Journal of Biological Chemistry. — 2003. — Т. 278. — №. 49. — С. 48534-48545.. Наиболее охарактеризованным антиоксидантом, адресованным в митохондрии путём соединения с катионом ТФФ, является MitoQ.

MitoQ содержит убихиноновую часть, соединенную с ТФФ с помощью 10-углеродной цепиKelso G. F. et al. Selective Targeting of a Redox-active Ubiquinone to Mitochondria within Cells antioxidant and antiapoptotic properties //Journal of Biological Chemistry. — 2001. — Т. 276. — №. 7. — С. 4588-4596.. Катион ТФФ в составе MitoQ обеспечивает быстрый захват через плазматическую мембрану, обеспечиваемый потенциалом плазматической мембраны, затем его аккумуляции внутри митохондрий (описывается уравнением Нернста). Внутри митохондрий MitoQ долгое время повторно используется как активный антиоксидант убихинол за счет работы комплекса II дыхательной цепи. Так как MitoQ в основном абсорбируется внутренней мембраной митохондрий, и его соединяющая цепь дает возможность компоненту убихинола глубоко проникать внутрь мембраны, MitoQ является эффективным антиоксидантом против перекисного окисления липидов. MitoQ также проявляет защитные свойства против пероксинитритовJames A. M. et al. Interaction of the mitochondria-targeted antioxidant MitoQ with phospholipid bilayers and ubiquinone oxidoreductases //Journal of Biological Chemistry. — 2007. — Т. 282. — №. 20. — С. 14708-14718., и убихинон форма также может действовать напрямую с супероксидомMaroz A. et al. Reactivity of ubiquinone and ubiquinol with superoxide and the hydroperoxyl radical: implications for in vivo antioxidant activity //Free Radical Biology and Medicine. — 2009. — Т. 46. — №. 1. — С. 105—109.. Действуя как антиоксидант, убихинол MitoQ окисляется до убихинона, который затем быстро повторно восстанавливается комплексом II дыхательной цепи, возвращая свою антиоксидантную активность. Защитные функции MitoQ против окислительного стресса митохондрий были показаны на большом количестве клеточных моделей

Также известным антиоксидантом, соединенным с ТФФ, является SkQ, в котором вместо убихинонового производного используется производное пластохинона.

Митохондриально-адресованные пептиды

Другой альтернативный подход к направлению антиоксидантов в митохондрии — использование маленьких, положительного заряженных пептидов, называемых Szeto-Schiller (SS) — пептидамиZhao K. et al. Cell-permeable peptide antioxidants targeted to inner mitochondrial membrane inhibit mitochondrial swelling, oxidative cell death, and reperfusion injury //Journal of Biological Chemistry. — 2004. — Т. 279. — №. 33. — С. 34682-34690.. SS-пептиды содержат в себе 4 чередующихся ароматических/основных аминокислот с D-аминокислотой в первой или второй позиции, что вместе с амидированием С-конца делает пептиды устойчивыми к деградацииSzeto H. H. Cell-permeable, mitochondrial-targeted, peptide antioxidants //Drug Addiction. — Springer New York, 2008. — С. 535—546.. SS-пептиды имеют три положительных заряда при физиологических pH, и исследования с изолированными клетками показывают, что они быстро проникают через плазматическую мембрану и аккумулируются митохондриями, где они связываются с внутренней мембранойZhao K. et al. Transcellular transport of a highly polar 3+ net charge opioid tetrapeptide //Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. — 2003. — Т. 304. — №. 1. — С. 425—432.. Проникновение через клеточную мембрану зависит от концентрации и не является насыщаемым процессом, что предполагает прямое прохождение через мембрану. Пептиды с похожей структурой чередующихся ароматических и основных аминокислот также захватываются митохондриями внутри клеток, что обеспечивается влиянием потенциала митохондриальной мембраны на положительно заряженный пептидHorton K. L. et al. Mitochondria-penetrating peptides //Chemistry & biology. — 2008. — Т. 15. — №. 4. — С. 375—382.. Однако, несмотря на их положительный заряд, захват SS-пептидов митохондриями, кажется, происходит не в ответ на мембранный потенциал, и механизм, который обеспечивает селективный захват пептидов митохондриями, на данный момент не ясен. Некоторые из SS-пептидов имеют внутреннюю антиоксидантную активность; например, пептид SS-31 имеет остаток диметилтирозина, который, как считается, действует через свою фенольную часть, в то время как похожие пептиды без этого остатка не показывают свойств антиоксидантов. SS-пептиды защищают против окислительного стресса в изолированных митохондриях и в клеточных моделях заболеваний.

Поглощение митохондриально-адресованных антиоксидантов митохондриями in vivo In vitro эксперименты с двумя классами митохондриально-адресованных антиоксидантов, проиллюстрированных на примере MitoQ и SS-31, показывают, что они селективно захватываются митохондриями внутри клеток, где уменьшают окислительные повреждения. Для разработки эффективной терапии in vivo необходимо определить, действительно ли эти соединения могут длительное время доставляться в митохондрии в живых организмах.

Липофильные катионы in vivo При внутривенном введении MitoQ мышам наблюдается относительно низкая токсичность при введении в концентрации около 20 мг MitoQ/кгSmith R. A. J. et al. Delivery of bioactive molecules to mitochondria in vivo //Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2003. — Т. 100. — №. 9. — С. 5407-5412., при этом захват соединения в ткани происходит очень быстро (менее 5 минут). При длительном пероральном употреблении MitoQ мышами токсичность также не выявлена (при дозе 55-80 мг MitoQ/в день/кг)Rodriguez-Cuenca S. et al. Consequences of long-term oral administration of the mitochondria-targeted antioxidant MitoQ to wild-type mice //Free Radical Biology and Medicine. — 2010. — Т. 48. — №. 1. — С. 161—172., при этом MitoQ не изменяет физической активности мышей, но наблюдается уменьшение процента жира тела и содержание триглицеридов в печени и плазме крови. Проверялось также влияние на экспрессию генов, активность комплексов дыхательной цепи, повреждение митохондриальной ДНК и другие показателиSantos J. H. et al. Quantitative PCR-based measurement of nuclear and mitochondrial DNA damage and repair in mammalian cells //DNA Repair Protocols. — Humana Press, 2006. — С. 183—199.. В совокупности эти данные показывают, что длительное пероральное употребление MitoQ безопасно и его эффекты in vivo связаны только с антиоксидантными способностями и никакими другими факторами.

MitoQ эксретируется вместе с мочой и желчью как немодифицированный MitoQ, а также с некоторыми модификациями убихинольного кольцаQuantitation and metabolism of mitoquinone, a mitochondria-targeted antioxidant, in rat by liquid chromatography/tandem mass spectrometry.

Митохондриально-адресованные пептиды in vivo Проводились испытания на мышах при введении внутривенно, внутрибрюшинно и покожно, но не было проведено испытаний на пероральное введение соединения. SS-пептиды при внутривенной и внутрибрюшинной инъекции быстро захватываются различными тканямиAnderson E. J. et al. Mitochondrial H2O2 emission and cellular redox state link excess fat intake to insulin resistance in both rodents and humans //The Journal of clinical investigation. — 2009. — Т. 119. — №. 3. — С. 573—581., а также при внутривенном введение может проникать через гематоэнцефалический барьер. Однако, захват SS-пептидов внутрь тканей не был изучен детально, как и их метаболизм.

Исследования митохондриально-адресованных антиоксидантов на людях Только MitoQ и SkQ тестировались на людях.