Do oksidacijskog stresa može doći zbog prekomjerne proizvodnje ROS-a i/ili oslabljenog antioksidacijskog odgovora. Manji poremećaji u ravnoteži često izazivaju homeostatske prilagodbe, štoviše snaže mogućnosti obrane od oksidacijskog stresa putem procesa prilagodbe – hormeze, dok intenzivniji i kronični oblici oksidacijskog stresa mogu dovesti do nepovratnih oštećenja stanica i njihove smrti. Oksidacijski stres igra ključnu ulogu u patofiziologiji ozljeda i upale te poremećaja vezanih uz stres i starenje. Posebno se ističe značaj oksidacijskog stresa u bolestima kardiovaskularnog sustava te u autoimunim poremećajima, ali i u degenerativnim procesima i zloćudnim tumorima. Oksidacijski stres doprinosi i oštećenju vida i drugih osjetila te u metaboličkim poremećajima, uključujući i metabolički sindrom. (4, 5)

Kao što i sam naziv govori, ROS uključuju spojeve koji sadrže kisik, a mogu biti slobodni radikali, kao što je hidroksilni radikal (OH^•) ili pak reaktivne molekule koje nisu radikali, kao što su vodikov peroksid (H₂O₂) i ozon (O₃). Prisutnost upale u organizmu često je izvor povećanoga endogenog stvaranja ROS-a, kao što je to i nepravilna prehrana, ali i svako stresno stanje, pa i pojačana tjelesna aktivnost. Oko 90% ROS-a u stanici nastaje u mitohondrijima, a potencijalnu opasnost za stanicu predstavlja nekontrolirano „curenje“ 1 – 2% ovako nastaloga superoksidnog aniona (O₂^–), pa se enzim superoksid dismutaza (SOD) O₂^– pretvara u H₂O₂. (6–9) Premda nije slobodni radikal, jer nema nesparenih elektrona u omotaču, H₂O₂ je relativno stabilna ROS molekula koja može relativno lako prolaziti kroz stanične membrane koje pri tome često budu oštećene. (10) Iz H₂O₂ u nazočnosti željeza dolazi do stvaranja OH^., najreaktivnijeg i najštetnijeg kisikovog radikala, što mogu spriječiti tvari koje stabiliziraju željezo i enzim katalaza koja razgrađuje H₂O₂ u vodu i kisik. (11, 12)

U konačnici oksidacijski stres može oštetiti pojedine organe te dovodi do sustavnih poremećaja, šoka pa i smrti cijelog organizma. Stoga se organizam od štetnih učinaka ROS-a brani putem antioksidacijskih mehanizama zaštite koji se dijele na enzimatske i neenzimatske, a prema mjestu izvora na endogene i egzogene (Figure 1). Endogene antioksidanse proizvodi sam organizam, dok se egzogeni unose putem prehrane, a oba sustava su bitna u neutralizaciji ROS-a.

Unatoč važnim pozitivnim učincima antioksidansa, njihov pretjeran unos, osobito u obliku dodataka prehrani, može imati negativne posljedice za organizam. Zato se preporučuje unos antioksidansa primarno putem uravnotežene prehrane bogate voćem i povrćem, bez umjetnih dodataka prehrani.

Stanični „lipidom“ (sveukupni sastav lipida) vrlo je dinamičan zbog stalnog utjecaja različitih fizioloških i patoloških čimbenika. (13) Višestruko nezasićene masne kiseline (PUFA, od engl. polyunsaturated fatty acids) koje su sastavni dio bioloških membrana bitne su za funkcioniranje membrane i posebno osjetljive na visoke razine ROS-a. Lančana reakcija lipidne peroksidacije odvija se u tri faze: inicijacija, propagacija i terminacija (Figure 2). Pri tome treba imati na umu da će inicijacija lipidne peroksidacije nastati tek u slučaju nedostatka antioksidansa topivih u masti (prvenstveno vitamina E). S tim povezano, pojam terminacija podrazumijeva prekid procesa lipidne peroksidacije zbog djelovanja antioksidansa, a ako ne dođe do terminacije/prekida lipidi će biti potpuno razgrađeni, uglavnom u toksične produkte lipidne peroksidacije.

Vrsta konačnog produkta lipidne peroksidacije ovisit će o vrsti oksidirane PUFA-e. (14) Među konačnim produktima lipidne peroksidacije omega-6 su medicinski posebno važni reaktivni aldehidi, poput malondialdehida (MDA), 4-hidroksinonenala (HNE ili 4-HNE) i akroleina. (15–18) Reaktivni aldehidi u visokim koncentracijama oštećuju stanične proteine i DNA, poput ROS-a. Upravo zato antioksidansi, poput vitamina E, imaju vrlo značajnu ulogu u zaštiti stanice od oštećenja uzrokovanih oksidacijskim stresom i lipidnom peroksidacijom. (19) Reaktivni aldehidi su manje reaktivni od ROS-a, zato mogu putovati kroz membrane, daleko od mjesta nastanka, te inicirati ponovno oksidacijski stres i lipidnu peroksidaciju.

Jedan od produkata lipidne peroksidacije koji je najviše istraživan zbog svojih bioaktivnih svojstava jest HNE. S obzirom na njegovu visoku reaktivnost HNE može ulaziti u interakcije s različitim makromolekulama te tako utjecati na brojne stanične funkcije i signalne puteve. (20–22) Stoga HNE može regulirati ekspresiju gena ili se pak vezati na proteine i DNA, čime uzrokuje njihovo oštećenje i/ili poremećaj funkcije. Zbog tih osobina HNE je poput ROS-a uključen u patogenezu mnogih bolesti, uključujući aterosklerozu, neurodegenerativne i tumorske bolesti. (5, 15, 16) Produkti lipidne peroksidacije mogu se određivati u tjelesnim tekućinama i smatraju se pouzdanim biljezima oksidacijskog stresa te se ponekad koriste kao dodatni predikcijski biljezi za razne bolesti. (23–25)

Ishemijsko-reperfuzijska ozljeda najčešći je oblik potencijalno patološkoga oksidacijskog stresa, posebice u slučaju infarkta miokarda i cerebrovaskularnog inzulta, te uzrokuje upalnu reakciju koja propagira oštećenje tkiva oksidacijskim stresom. Smanjena opskrba krvlju, ishemija, uglavnom je uzrokovana vazokonstrikcijom (26, 27), upalom (28), aterosklerozom (29) ili blokadom protoka ugrušcima u trombozi i emboliji. (30) Normalizacija protoka krvi kroz zahvaćeno područje, reperfuzija, uz poboljšanje opskrbe kisikom dovodi i do ishemijsko-reperfuzijske ozljede, (31) koja se najčešće opisuje u srcu, (32) mozgu (33) i plućima (34), premda i drugi organi također mogu biti zahvaćeni. Ponovljeni napadi ishemije i reperfuzije također dovode do stvaranja rana i neuspjeha zacjeljivanja kroničnih rana kao što su dekubitusi i dijabetički ulkusi stopala. (35) Ishemijsko-reperfuzijska ozljeda također igra važnu ulogu u oštećenju organa prilikom transplantacije i operativnih zahvata. (36, 37) Da bi se smanjio njen učinak može se koristiti otopine antioksidanasa te ishemijsko prekondicioniranje koje se sastoji od kratkih perioda ishemije i reperfuzije. (38–40) Tako dolazi do aktivacije endogenih protektivnih staničnih mehanizama, a tretirana tkiva postaju otpornija na kasniju ishemijsko-reperfuzijsku ozljedu mehanizmom hormeze prema načelu „što ne ubije ojača“. (41, 42) U ishemijsko-reperfuzijskoj ozljedi dolazi i do lipidne peroksidacije, a krajnji produkti lipidne peroksidacije poput HNE (17) uzrokuju staničnu smrt. (43–45) U ishemijsko-reperfuzijskoj ozljedi također sudjeluju i reaktivni oblici dušika, koji mogu imati zaštitnu ulogu u početnoj fazi ishemije zbog vazodilatacijskog učinka dušikovog oksida na krvne žile, dok je njegova daljnja proizvodnja štetna. (46)

Proizvodnja ROS-a tijekom reperfuzije oštećuje i aktivira endotelne stanice krvnih žila, pa se upalne stanice vežu se za endotelne stanice i aktiviraju. (36, 37) Aktivirane upalne stanice proizvode upalne citokine i ROS, a također sadrže fagocitnu mijeloperoksidazu, koja katalizira stvaranje hipoklorne kiseline te ROS-a i dušikovih radikala. (10, 47) U upalnoj reakciji također dolazi i do lipidne peroksidacije, što povećava propusnost kapilara i arteriola te dolazi do izlaska tekućine iz krvi u tkiva.

Osim lokalnih učinaka, djelovanje ishemijsko-reperfuzijske ozljede može se očitovati i na razini cijelog organizma. Takva su oštećenja česta prilikom transplantacije organa i sepse. U slučaju sekundarnog oštećenja crijeva dolazi do poremećaja propusnosti stijenke crijeva, zbog čega dolazi i do translokacije bakterija i prolaska endotoksina u krv, što može uzrokovati sepsu, (48, 49) a važan medijator povećane propusnosti crijevne barijere jest i HNE. (50)

Upala uključuje imunološki sustav obrane od patogena, ali i olakšavanje popravka oštećenja tkiva. (51, 52) Fagociti, prvenstveno neutrofilni leukociti i makrofazi, nastoje uništiti patogene ili oštećene stanice, a tijekom fagocitoze kontinuirano stvaraju ROS kroz snažan oksidacijski metabolizam, tzv. oksidacijski „prasak“. Danas je poznato i da ROS nastale putem oksidacijskog „praska“ uzrokuju nespecifičnu lizu stanica (53) te imaju važnu ulogu u progresiji, ali i u regresiji tumora. (51, 54–59) Najnovija istraživanja također upućuju na važnu ulogu oksidacijskog „praska“ neutrofilnih leukocita u regeneraciji rana. Naime, neutrofilni leukociti putem ROS-a usmjeravaju monocite/makrofage prema proregeneracijskom fenotipu koji je neophodan za regeneraciju. (60) Međutim, neučinkovita kronična upala može pogodovati razvoju raznih bolesti kao što su reumatoidni artritis, autoimune bolesti i metabolički poremećaji. Česta posljedica kroničnoga oksidacijskog stresa jest i povećana koncentracija oksidiranih lipida u cirkulaciji te oksidacija LDL-a (od engl. low-density lipoprotein). Oksidirani LDL također se smatra jednim od pokretača upale u krvnim žilama, stoga ateroskleroza uključuje dugotrajnu lipidnu peroksidaciju i upalu u stijenkama krvnih žila gdje se taloži oksidirani LDL. (23)

Kardiovaskularne bolesti su najvažniji uzrok morbiditeta i mortaliteta u razvijenim zemljama, a u osnovi su multifaktorijalne bolesti. Vodeći čimbenici rizika dijele se na urođene, kao što su dob, spol i genetski čimbenici, i promjenjive koji su značajniji jer se na njih promjenom ponašanja i navika može utjecati. Kao vodeći čimbenici rizika ističu se povišene razine kolesterola i drugih lipida, hipertenzija, pušenje, pridružene metaboličke bolesti kao dijabetes, pretilost te sjedilački način života, uz isticanje sve važnije uloge oksidacijskog stresa kao okidača ili dodatnog kofaktora u nastanku bolesti iz ove skupine. Oksidacijski stres ima važnu ulogu u nastanku ateroskleroze, koja se prema suvremenoj hipotezi „odgovora na ozljedu“ definira kao kronični upalni odgovor i cijeljenje arterijske stijenke koji nastaju kao odgovor na oštećenja endotela. Smatra se da aterosklerotski plak nastaje uslijed interakcije LDL-a i njegovih oksidiranih oblika koji sadrže HNE-proteinske konjugate (Figure 3) te upalnih stanica s endotelnim i glatkomišićnim stanicama u stijenkama arterija. Ovaj oblik upalnog zbivanja rezultira ozljedom endotela, što dovodi do aktivacije makrofaga i stvaranja ROS-a, što pak dovodi do akumulacije lipida u pjenušavim makrofazima. Radi se o procesu koji u koegzistenciji s prethodno spomenutim čimbenicima rizika dovodi do procesa koji započinje već u ranim tridesetim godinama života, međutim bez kliničkih simptoma, da bi do kliničke manifestacije ateroskleroze i bolesti kojima je ona u podlozi došlo desetljećima kasnije. Niz studija je dokazao ulogu oksidacijskog stresa u nastanku ateroskleroze, hipertenzije, ishemične bolesti srca i kardiomiopatija. (61, 62)

Oksidacijski stres se povezuje s nastankom niza neuroloških bolesti, od ishemijskih preko upalnih do metaboličkih i degenerativnih, od čega se izdvaja utjecaj na razvoj Parkinsonove i Alzheimerove bolesti, multiple skleroze, amiotrofične lateralne skleroze (ALS) i depresije. Peroksidacija lipida u staničnim membranama neurona dovodi do stvaranja HNE-a, pa se visoke koncentracije HNE-a mogu naći u tkivu mozga i u likvoru osoba oboljelih od Alzheimerove bolesti, a također i u kralježničkoj moždini oboljelih od ALS-a. Njegov značaj se nalazi i u činjenici da se prisutnost HNE-a može dokazati u središnjem živčanom sustavu oboljelih od Alzheimerove bolesti, ALS-a i Parkinsonove bolesti. (16) Tako se u mozgu oboljelih od Alzheimerove bolesti stvara β-amiloid, oligopeptidni spoj konjugiran HNE-om, koji se također nalazi u mozgu, što se može dokazati imunohistokemijski (Figure 4), a smatra se uzrokom neurodegenerativnih promjena. (63)

Karcinogeneza je višefazni proces koji uključuje inicijaciju, promociju i progresiju stanica prema malignom fenotipu. Oksidacijski stres igra ključnu ulogu u svakoj od ovih faza. Oksidacijski stres sve se više prepoznaje kao ključni čimbenik u onkogenezi, a njegova uloga u različitim vrstama zloćudnih tumora predmet je intenzivnih istraživanja. Iako pospješuju rast i razvoj tumora, visoke razine ROS-a ujedno imaju i citotoksično djelovanje. (64) Tumorske stanice su osjetljivije od normalnih stanica na toksično djelovanje ROS-a i HNE-a, te nastoje izbjeći lipidnu peroksidaciju, a normalne stanice nastoje pojačano stvarati HNE radi obrane od tumorske invazije. Pri tome treba imati na umu i da su različiti oblici onkološke terapije vezani upravo uz citotoksično djelovanje ROS-a i produkata lipidne peroksidacije, a oksidacijski stres se javlja i tijekom kirurških zahvata, posebice putem ishemijsko-reperfuzijske ozljede. (65, 66) Usprkos tomu, oksidacijski stres se doživljava prvenstveno kao bitan čimbenik karcinogeneze. U raku pluća oksidacijski stres je često izazvan vanjskim čimbenicima poput cigaretnog dima i zagađenja zraka koji uzrokuju lipidnu peroksidaciju, što doprinosi mutacijama koje vode do zloćudne promjene, ali i omogućava povećanu invazivnost i kapacitet za širenje tumora. Ekspresija HNE-a je povišena u raku pluća, a povezana je s veličinom tumora te ima potencijal u praćenju odgovora na terapiju (Figure 5). Zanimljivo je da biljezi lipidne peroksidacije kod metastaza u plućima pokazuju višu ekspresiju u okolnom netumorskom tkivu nego što je to slučaj kod primarnog karcinoma pluća, što može predstavljati mehanizam obrane protiv metastatskog karcinoma. (67)

Oksidacijski stres ima važnu ulogu i u nastanku raka dojke koji je jedan od najčešćih zloćudnih tumora žena, budući da ROS izazivaju oštećenje DNA, što može rezultirati mutacijama u onkogenu HER2 i inaktivaciji tumor-supresorskih gena. Ekspresija biljega oksidacijskog stresa u karcinomu dojke je kompleksna; pokazano je da je ekspresija 8-hidroksideoksiguanozina (8-OHdG) i HNE-a prisutna već u netumorskim proliferativnim promjenama poput uobičajene duktalne hiperplazije, no razvojem invazivnog karcinoma ekspresija 8-OHdG se smanjuje (što se pokušava objasniti indukcijom popravka DNA), dok ekspresija HNE-a raste. (68) Rak debelog crijeva također pokazuje značajnu povezanost s oksidacijskim stresom. Kao i u slučaju drugih tumora, ROS mogu izazvati oštećenje DNA, što doprinosi aktivaciji onkogena i inaktivaciji tumor-supresorskih gena. Tumorske stanice raka debelog crijeva mogu izbjeći regulaciju rasta posredovanu lipidnom peroksidacijom, dok višestruko nezasićene masne kiseline i željezo iz hemoglobina mogu poticati kolorektalnu karcinogenezu. (69, 70)

Kao i kod ovih zloćudnih tumora, postoji povezanost lipidne peroksidacije s drugim zloćudnim tumorima, premda je riječ o vrlo različitim vrstama tumora. Tako nazočnost akroleina u kombinaciji s ostalim prognostičkim čimbenicima poput stadija bolesti ili pozitivnih rubova vrlo pouzdano može predvidjeti biokemijski relaps bolesti. (71) Na temelju istraživanja uzoraka plazme, čini se da HNE ima ulogu u modifikaciji metabolizma nezasićenih masnih kiselina u pacijenata s karcinomom prostate, s posljedičnom promjenom metaboloma iako se HNE u tkivu karcinoma prostate rijetko nalazi i to uglavnom u stromalnim stanicama. (72) Nadalje, u glijalnih tumora središnjega živčanog sustava pokazano je da ekspresija HNE-a raste s gradusom tumora, pa je tako snažnija i difuznija u glioblastomu i anaplastičnom astrocitomu negoli u difuznom astrocitomu, (73, 74) što je slično i kod tumora ependimalnog podrijetla, uz napomenu da i tkivo mozga pojačano stvara HNE u blizini tumora. (75) U slučaju stanica osteosarkoma pokazano je pak da HNE inhibira proliferaciju i potiče apoptozu u učinku razmjernom koncentraciji i stupnju diferencijacije tumorskih stanica, što je najvjerojatnije povezano s učinkom na metabolizam masnih kiselina i redoks signalizaciju. (76–78) Kod karcinoma jetre, HNE ima ulogu u inicijaciji tumorskog rasta kao i u kontroli apoptoze, pogotovo ako normalne jetrene stanice povećano stvaraju HNE. (79, 80) Naposlijetku, u karcinomu orofarinksa zabilježena je naglašena ekspresija HNE-a u dobro diferenciranog i umjereno diferenciranog pločastog karcinoma, u odnosu na normalno tkivo, no s porastom gradusa karcinoma u slabo diferenciranim tumorima ekspresija HNE-a naglo pada uz istodoban rast u okolnom netumorskom tkivu (fenomen sličan onomu opisanom u plućnim metastazama karcinoma kolona, u tkivu mozga uz glioblastom i u jetri). (81)

Oksidacijski stres i lipidna peroksidacija imaju važan utjecaj na ljudsko zdravlje. Dokazano je u nizu istraživanja kako su upravo ROS važna karika u započinjanju i progresiji niza bolesti, od kojih ističemo s jedne strane kardiovaskularne, upalne i neurodegenerativne bolesti, a na drugoj strani zloćudne tumore kao iznimno važne zbog njihove visoke incidencije, prevalencije, morbiditeta i mortaliteta.

Značaj oksidacijskog stresa ogleda se u činjenici da se dio spojeva koji pritom nastaju, poput završnog produkta lipidne peroksidacije HNE-a, mogu izolirati iz ljudskih stanica, tkiva te tjelesnih tekućina, što predstavlja potencijalno važan dijagnostički, ali i terapijski aspekt istraživanja bolesti vezanih uz starenje i stres.