Re: 항산화 물질의 기대와 한계 2023 네이처!!

[문형철]

Nat Rev Drug Discov

. 2021 Jun 30;20(9):689–709. doi: 10.1038/s41573-021-00233-1

Targeting oxidative stress in disease: promise and limitations of antioxidant therapy

Henry Jay Forman 1,2,✉, Hongqiao Zhang 2

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PMCID: PMC8243062  PMID: 34194012

This article has been corrected. See Nat Rev Drug Discov. 2021 Jul 13;20(8):652.

Abstract

Oxidative stress is a component of many diseases, including atherosclerosis, chronic obstructive pulmonary disease, Alzheimer disease and cancer. Although numerous small molecules eval‎uated as antioxidants have exhibited therapeutic potential in preclinical studies, clinical trial results have been disappointing. A greater understanding of the mechanisms through which antioxidants act and where and when they are effective may provide a rational approach that leads to greater pharmacological success. Here, we review the relationships between oxidative stress, redox signalling and disease, the mechanisms through which oxidative stress can contribute to pathology, how antioxidant defences work, what limits their effectiveness and how antioxidant defences can be increased through physiological signalling, dietary components and potential pharmaceutical intervention.

초록

산화 스트레스는

죽상경화증, 만성 폐쇄성 폐질환, 알츠하이머병 및 암을 포함한

많은 질환의 구성 요소입니다.

항산화제로 평가된 수많은 소분자들이

전임상 연구에서 치료 가능성을 보였음에도 불구하고,

임상 시험 결과는 실망스러웠습니다.

항산화제가 작용하는 메커니즘과

그 효과의 시공간적 특성을 더 깊이 이해한다면,

더 큰 약리학적 성공으로 이어질 합리적인 접근법을 제시할 수 있을 것이다.

본 리뷰에서는

산화 스트레스, 산화환원 신호전달 및 질환 간의 관계, 산화 스트레스가 병리 발생에 기여하는 메커니즘,

항산화 방어 체계의 작동 방식, 그 효과의 한계,

그리고 생리적 신호전달, 식이 성분 및 잠재적 약물 개입을 통해

항산화 방어 체계를 강화하는 방법을 검토한다.

Subject terms: Drug discovery, Biochemistry

---

Although oxidative stress is associated with a broad range of diseases, therapeutic antioxidant approaches have so far been disappointing. Here, Forman and Zhang review the roles of oxidative stress and redox signalling in disease, assess antioxidant therapeutic strategies and highlight key limitations that have challenged their clinical application.

주제어: 신약개발, 생화학

산화 스트레스는 광범위한 질환과 연관되어 있음에도 불구하고,

치료적 항산화 접근법은 지금까지 실망스러운 결과를 보여왔다.

본고에서 Forman과 Zhang은

질병에서 산화 스트레스와 산화환원 신호전달의 역할을 검토하고,

항산화 치료 전략을 평가하며,

임상 적용에 도전해 온 주요 한계점을 강조한다.

Introduction

The term ‘oxidative stress’ was first coined by Helmut Sies1 as an imbalance between production of oxidants and antioxidant defences that may result in damage to biological systems. Since then, the field of redox biology has evolved from concepts of oxidative stress in pathology to redox signalling in physiology2–4.

Oxidative stress has been shown to participate in a wide range of diseases including atherosclerosis, chronic obstructive pulmonary disease (COPD), Alzheimer disease and cancer, which has revealed the multiple mechanisms by which oxidants contribute to cellular damage5. However, the extent to which oxidative stress participates in the pathology of diseases is quite variable, such that the effectiveness of increasing antioxidant defence may be limited in some diseases.

Oxidative stress involves the chemistry of reactions of so-called reactive species derived from oxygen and nitrogen (Box 1). Understanding which of these species cause damage to macromolecules helps to provide a rationale for improving therapeutic approaches to antioxidant defence. However, so far, the use of small molecules therapeutically has been disappointing, largely owing to overly optimistic and incorrect assumptions about how antioxidants work6. For example, scavenging of hydroxyl radical (•OH) is impractical, but preventing its formation by reducing hydrogen peroxide (H2O2) production can provide effective prevention of damage. One of the major misunderstandings in the field of oxidative stress concerns the scavenging of superoxide (O2•−) or H2O2 by small molecules, which are also ineffective inside cells. This is because the antioxidant enzymes react thousands to millions of times more rapidly with those oxidants than small molecules do and provide the predominant antioxidant defence6,7. However, in extracellular fluids where antioxidant enzymes are absent, scavenging of O2•− and H2O2 (but not •OH) is possible with mimics of superoxide dismutase (SOD) and catalase, as discussed below.

It is essential to recognize the limitations that have led to failures in clinical trials and how antioxidant defences can be effective if one is realistic about where, when and to what extent oxidative stress is part of a disease. Indeed, most antioxidant defence within cells is not provided by either exogenous or endogenous small molecules acting as scavengers, but by antioxidant enzymes using their specific substrates to reduce oxidants. Therefore, the major therapeutic opportunities lie in preventing the production of oxidants that cause direct injury to macromolecules, inhibiting downstream signalling by oxidants that results in signalling for inflammation or cell death, and increasing both antioxidant enzymes and their substrates. Currently, there are clinical trials ongoing for ebselen, a glutathione peroxidase (GPX) mimic, for Meniere disease in phase II (NCT02603081); GC4419, a SOD mimic, for squamous cell cancers in phase I (NCT01921426); and sulforaphane, an activator of the NRF2 transcription factor, for COPD in phase II (NCT01335971), among others.

This article reviews the relationships between oxidative stress, redox signalling and disease and presents an overview of the mechanisms through which oxidative stress can contribute to pathology. We focus on current understanding of the mechanisms mediating antioxidant defences and what limits their effectiveness, and highlight emerging approaches to therapeutically modulate them. Through greater understanding of the mechanisms through which oxidants act and the limitations and potential of antioxidant therapies, a rational approach can be developed that will improve therapeutic intervention.

For the purposes of this Review, we refer to oxidative stress as the situation in which oxidants non-enzymatically damage macromolecules, including proteins, nucleic acids and the lipids that compose cell membranes. This Review focuses only on factors that either prevent production of oxidants or allow their efficient removal. The principal targets are O2•−, H2O2 and lipid hydroperoxides. By eliminating these targets, production of the more reactive •OH, peroxynitrite (ONOO−) and the hypohalous acids (HOX) can be prevented. Although ONOO− production can be limited by inhibiting nitric oxide (•NO) production, because •NO is too important in maintaining normal physiology, the better approach is to limit excessive O2•− production.

서론

‘산화 스트레스’라는 용어는

헬무트 지스(Helmut Sies)1에 의해 산화제 생성량과 항산화 방어 체계 간의 불균형으로

생물학적 시스템에 손상을 초래할 수 있는 상태를 지칭하기 위해 처음 제안되었다.

이후 산화환원 생물학 분야는

병리학에서의 산화 스트레스 개념에서

생리학에서의 산화환원 신호전달2–4로 진화해왔다.

산화 스트레스는

죽상경화증, 만성폐쇄성폐질환(COPD), 알츠하이머병, 암 등

다양한 질환에 관여하는 것으로 밝혀졌으며,

이는 산화제가 세포 손상에 기여하는 다중 기전을 드러냈다5.

그러나

산화 스트레스가 질병 병리에 관여하는 정도는 매우 다양하여,

일부 질환에서는 항산화 방어를 강화하는 방법의 효과가 제한적일 수 있다.

산화 스트레스는

산소와 질소로부터 유래된 소위 반응성 종(Box 1)의 반응 화학을 포함한다.

이러한 종들 중

어떤 것이 거대분자에 손상을 유발하는지 이해하는 것은

항산화 방어에 대한 치료 접근법을 개선하는 근거를 제공하는 데 도움이 됩니다.

그러나 지금까지 소분자의 치료적 사용은

주로 항산화제의 작용 방식에 대한 지나치게 낙관적이고 잘못된 가정으로 인해

실망스러운 결과를 보였습니다6.

예를 들어,

하이드록실 라디칼(•OH)을 제거하는 것은 비실용적이지만,

과산화수소(H2O2) 생성을 줄여 그 형성을 방지하는 것은

손상을 효과적으로 예방할 수 있습니다.

산화 스트레스 분야에서 주요 오해 중 하나는

소분자에 의한 슈퍼옥사이드(O2•−) 또는 H2O2 제거와 관련되어 있으며,

이는 세포 내에서도 비효율적이다.

이는 항산화 효소가 소분자보다

해당 산화제와 수천 배에서 수백만 배 더 빠르게 반응하여

주요 항산화 방어 기능을 제공하기 때문이다6,7.

그러나

항산화 효소가 존재하지 않는 세포외액에서는,

아래에서 논의하듯이 슈퍼옥사이드 디스뮤타제(SOD)와 카탈라제의 모사체를 통해

O2•− 및 H2O2(•OH 제외)의 제거가 가능합니다.

임상 시험 실패로 이어진 한계를 인식하고,

산화 스트레스가 질병의 어느 부분에,

언제, 어느 정도까지 관여하는지에 대해 현실적으로 접근할 때

항산화 방어 체계가 어떻게 효과적일 수 있는지 이해하는 것이 중요합니다.

실제로 세포 내 대부분의 항산화 방어는

외부 또는 내부에서 유입된 소분자 제거제가 아닌,

특정 기질을 이용해 산화제를 환원시키는 항산화 효소에 의해 이루어진다.

따라서 주요 치료 기회는

거대분자에 직접 손상을 주는 산화제 생성을 차단하고,

염증 또는 세포 사멸 신호로 이어지는 산화제의 하류 신호전달을 억제하며,

항산화 효소와 그 기질을 동시에 증가시키는 데 있다.

현재 진행 중인 임상 시험으로는

메니에르병에 대한 글루타티온 과산화효소(GPX) 모방체인 에브셀렌의 2상 시험(NCT02603081);

편평세포암에 대한 SOD 모방체 GC4419의 1상 임상시험(NCT01921426);

그리고 NRF2 전사 인자 활성화제인 설포라판의 만성폐쇄성폐질환(COPD)에 대한

2상 임상시험(NCT01335971) 등이 진행 중이다.

본 논문은

산화 스트레스, 산화환원 신호전달 및 질환 간의 관계를 검토하고

산화 스트레스가 병리 발생에 기여하는 메커니즘을 개괄한다.

항산화 방어 메커니즘과

그 효과성 제한 요인에 대한 최신 이해에 초점을 맞추며,

이를 치료적으로 조절하기 위한 신흥 접근법을 강조한다.

산화제의 작용 메커니즘과

항산화 치료의 한계 및 잠재력에 대한 심층적 이해를 통해

치료적 개입을 개선할 합리적 접근법이 개발될 수 있다.

본 리뷰에서는

산화 스트레스를 산화제가 비효소적으로

단백질, 핵산 및 세포막을 구성하는 지질과 같은 거대분자를 손상시키는 상황으로 정의한다.

본 리뷰는

산화제 생성을 방지하거나 효율적으로 제거하는 요인에만 초점을 맞춘다.

주요 표적은

O2•−, H2O2 및 지질 과산화물이다.

이러한 표적을 제거함으로써 반응성이 더 높은

•OH, 퍼옥시나이트라이트(ONOO−), 그리고

하포산(HOX)의 생성을 방지할 수 있다.

ONOO− 생성은 일산화질소(•NO) 생성을 억제함으로써 제한할 수 있지만,

•NO는 정상 생리 기능 유지에 너무 중요하기 때문에,

과도한 O2•− 생성을 제한하는 것이 더 나은 접근법이다.

Box 1 Mechanisms of oxidative stress.

Both endogenous and exogenous agents cause oxidative stress276. The term reactive oxygen species (ROS) encompasses molecules derived from O2, including superoxide (O2•−), hydrogen peroxide (H2O2), hydroxyl radical (•OH), ozone and singlet oxygen. The use of ROS, as though it were a chemical entity, leads to many imprecise statements because the chemistries of these species are markedly different.

Production of O2•− by one-electron reduction of O2 is primarily through leakage of electrons from the mitochondrial respiratory chain, particularly from ubisemiquinone (QH•−)277 (reaction 1):

QH•−+O2↔Q+O2•−

and the NADPH oxidases that catalyse reaction 2 (refs232,278):

NADPH+2⁢O2→NADP++H++2O2•−

The NADPH oxidases (NOX4, DuOX1 and DuOX2) and some other flavoprotein enzymes reduce O2 to H2O2, by giving O2•− a second electron before it leaves their active sites279.

The predominant source of H2O2 is dismutation of O2•−, a fast reaction with a rate constant near 105 M−1 s−1 that is accelerated to 2 × 109 M−1 s−1 by superoxide dismutases (reaction 3):

2O2•−+2H+→H2⁡O2+O2

The rate of H2O2 production largely determines whether redox signalling, oxidative stress or no significant oxidation occurs. H2O2 is reduced enzymatically by 15 enzymes, including catalase (reaction 4):

2H2⁢O2→2H2⁢O+O2

the five peroxiredoxins that use thioredoxin (a small protein with two crucial cysteines, Trx(SH)2) or the eight glutathione peroxidases and peroxiredoxin 6 that use the tripeptide, glutathione (γ-glutamyl-cysteinyl-glycine, GSH) (reactions 5 and 6):

H2⁡O2+2Trx⁢(SH)2→TrxS2+2H2⁢O

H2⁡O2+2GSH→GSSG+2H2⁢O

where TrxS2 is thioredoxin disulfide and GSSG is glutathione disulfide.

H2O2 does not easily oxidize most molecules but it can react rapidly with transition metals such as iron to produce hydroxyl radical (reaction 7, often referred to as the Fenton reaction)280:

H2⁡O2+F⁡e2+→O⁢H−+F⁡e3++•⁢O⁢H

The hydroxyl radical is an extraordinarily strong oxidant that will rapidly oxidize whatever molecule it is next to.

One reaction responsible for oxidative stress is the lipid peroxidation chain reaction that can be initiated by •OH (reactions 8–10):

LH+•OH→L•+H2⁡O

L•+O2→LOO•

LOO•+LH→LOOH+L•

where LH is a lipid with allylic hydrogens, which are present in polyunsaturated fatty acids including arachidonic acid.

Superoxide can cause release of iron from iron–sulfur proteins, which can then catalyse reaction 7. The major way that the relatively weak oxidant O2•− contributes to oxidative stress, however, is as a precursor of H2O2 and peroxynitrite (ONOO−), which is formed in reaction 11:

O2•−+•NO→ONOO−

where •NO is nitric oxide. The danger of producing oxidative stress is not directly from the free radicals, •NO and O2•−, but from the protonated form of peroxynitrite, peroxynitrous acid (ONOOH), a non-radical. Peroxynitrous acid is a very strong oxidant that has the reactivity of the intermediates formed in its decomposition (reaction 12):

HNOO−↔+•NO2+•OH→NO3−+H+

nitrogen dioxide •NO2 and •OH. •NO2 can abstract hydrogen as does •OH or add to some molecules including the tyrosines in proteins producing nitrotyrosine that may alter function. ONOO− can also rapidly cause the release of iron from iron–sulfur proteins11, promoting •OH production from H2O2 (reaction 7).

Both •NO2 and •OH are indiscriminate in what they will oxidize, which creates the havoc called oxidative stress. Again, because of their rapid reactions, the best way this can be addressed is prevention of the formation of •NO2 and •OH.

The final oxidants we consider are the hypohalous acids (HOX) that are formed from H2O2 in reaction 13, which is catalysed by phagocytic cell myeloperoxidases:

H2⁡O2+X−+H+→HOX+H2⁢O

where X− may be Cl−, Br− or even SCN− (ref.281). They play a major role in tissue damage associated with phagocyte-mediated inflammation.

박스 1 산화 스트레스의 메커니즘.

내인성 및 외인성 인자

모두 산화 스트레스를 유발한다276.

활성산소종(ROS)이라는 용어는

O2에서 유래한 분자들을 포괄하며,

여기에는 슈퍼옥사이드(O2•−), 과산화수소(H2O2), 하이드록실 라디칼(•OH),

오존 및 일중항 산소가 포함된다.

ROS를 마치 하나의 화학적 실체인 양 사용하는 것은

이들 종의 화학적 특성이 현저히 다르기 때문에

많은 부정확한 진술로 이어진다.

O2의 1전자 환원을 통한 O2•− 생성은

주로 미토콘드리아 호흡 사슬,

특히 우비세미퀴논(QH•−)277에서의 전자 누출을 통해 이루어진다(반응 1):

QH•−+O2↔Q+O2•−

그리고 반응 2를 촉매하는 NADPH 산화효소들(참조232,278):

NADPH+2⁢O2→NADP++H++2O2•−

NADPH 산화효소(NOX4, DuOX1 및 DuOX2)와

일부 다른 플라보단백질 효소는

활성 부위를 떠나기 전에 O2•−에 두 번째 전자를 공급함으로써

O2를 H2O2로 환원시킵니다279.

H2O2의 주요 공급원은

O2•−의 이산화반응으로,

속도 상수가 약 105 M−1 s−1인 빠른 반응이며,

슈퍼옥사이드 디스뮤타아제(반응 3)에 의해 2×109 M−1 s−1로 가속됩니다:

2O2•−+2H+→H2O2+O2

H2O2 생성 속도는

산화환원 신호전달, 산화 스트레스 발생 여부 또는

유의미한 산화 반응의 유무를 크게 결정한다.

H2O2는

카탈라아제를 포함한 15종의 효소에 의해 환원된다(반응 4):

2H2O2→2H2O+O2

티오레독신(두 개의 중요한 시스테인(Trx(SH)2)을 가진 작은 단백질)을 사용하는

다섯 가지 페록시레독신 또는 글루타티온(γ-글루타밀-시스테일-글리신, GSH)이라는

삼펩타이드를 사용하는 여덟 가지 글루타티온 퍼옥시다제 및 페록시레독신 6(반응 5 및 6):

H₂O₂ + 2Trx(SH)₂ → TrxS₂ + 2H₂O

H₂O₂ + 2GSH → GSSG + 2H₂O

여기서 TrxS2는 티오레독신 디설파이드이고 GSSG는 글루타티온 디설파이드이다.

H2O2는 대부분의 분자를 쉽게 산화시키지 않지만,

철과 같은 전이 금속과 빠르게 반응하여

하이드록실 라디칼을 생성할 수 있습니다(반응 7, 흔히 펜튼 반응이라고 함)280:

H2O2 + Fe2+ → OH- + Fe3+ + •OH

하이드록실 라디칼은 극도로

강력한 산화제로, 인접한 분자를 신속히 산화시킵니다.

산화 스트레스를 유발하는 반응 중 하나는

•OH에 의해 시작될 수 있는 지질 과산화 연쇄 반응입니다(반응 8–10):

LH+•OH→L•+H₂O

L•+O2→LOO•

LOO•+LH→LOOH+L•

여기서 LH는

알리적 수소를 가진 지질로, 아라키돈산을 포함한 다불포화 지방산에 존재한다.

초산화물은 철-황 단백질로부터 철을 방출시켜 반응 7을 촉매할 수 있습니다.

그러나 상대적으로 약한 산화제인 O2•−가 산화 스트레스에 기여하는 주요 경로는

H2O2와 과산화질소(ONOO−)의 전구체로서 작용하는 것입니다. 이는 반응 11에서 생성됩니다:

O2•−+•NO→ONOO−

여기서 •NO는 일산화질소(nitric oxide)입니다.

산화 스트레스 발생의 위험은

자유 라디칼인 •NO와 O2•− 자체에서 직접적으로 오는 것이 아니라,

비라디칼인 과산화질소의 양성자화 형태인 과산화질소산(peroxynitrous acid, ONOOH)에서 비롯됩니다.

과산화질소산은

매우 강력한 산화제로,

분해 과정에서 생성되는 중간체(반응 12)의 반응성을 지닙니다:

HNOO−↔+•NO2+•OH→NO3−+H+

이산화질소 •NO2와 •OH. •NO2는

•OH와 마찬가지로 수소를 추출하거나

단백질 내 티로신 등 일부 분자에 첨가되어 기능을 변화시킬 수 있는

니트로티로신을 생성할 수 있다.

ONOO− 또한 철-황 단백질11로부터 철을 신속히 방출시켜 H2O2로부터 •OH 생성을 촉진한다 (반응 7).

•NO2와 •OH 모두 산화 대상을 가리지 않아

산화 스트레스라는

혼란을 초래합니다.

다시 말해,

이들의 빠른 반응 특성상 가장 효과적인 대처 방법은

•NO2와 •OH의 생성을 사전에 차단하는 것입니다.

마지막으로 고려할 산화제는

식세포 세포의 골수과산화효소에 의해 촉매되는 반응 13에서

H2O2로부터 생성되는 하위 할로겐산(HOX)이다:

H₂O₂ + X⁻ + H⁺ → HOX + H₂O

여기서 X⁻는 Cl⁻, Br⁻ 또는 심지어 SCN⁻일 수 있습니다(참고문헌 281).

이들은 식세포 매개 염증과 관련된 조직 손상에서 주요 역할을 합니다.

Roles of oxidative stress in disease

There are two major mechanisms through which oxidative stress contributes to disease. The first involves the production of reactive species during oxidative stress — particularly •OH, ONOO− and HOCl — that directly oxidize macromolecules, including membrane lipids, structural proteins, enzymes and nucleic acids, leading to aberrant cell function and death. The second mechanism of oxidative stress is aberrant redox signalling (Box 2). Oxidants, particularly H2O2 generated by cells upon physiological stimulation, can act as second messengers8. In oxidative stress, non-physiological production of H2O2 can cause redox signalling to go awry4. Both types of oxidative stress mechanism can occur in a single disease, such as in diabetes, where both advanced glycation products accumulate and aberrant activation of stress signalling pathways leads to diabetic complications9. Also, the increase in H2O2 production and iron release from proteins in oxidative stress by O2•− (ref.10) and ONOO− (ref.11) causes a marked elevation in the production of lipid peroxidation products including 4-hydroxy-2-nonenal (HNE), which can also cause aberrant signalling12.

Oxidative stress has been associated with a wide range of pathologies. On the basis of the contribution of oxidative stress to the aetiology of these pathologies, they have been grouped into two categories below: first, oxidative stress as the primary cause of pathology (including toxicities caused by radiation and paraquat, and in atherosclerosis); second, oxidative stress as the secondary contributor to disease progression (such as in COPD, hypertension and Alzheimer disease). However, as the role of oxidative stress in many diseases is incompletely understood, this categorization is tentative.

질병에서 산화 스트레스의 역할

산화 스트레스가 질병에 기여하는 주요 메커니즘은 두 가지이다.

첫째는

산화 스트레스 중 생성되는 반응성 종(특히 •OH, ONOO− 및 HOCl)이

막 지질, 구조 단백질, 효소 및 핵산을 포함한 거대분자를 직접 산화시켜

비정상적인 세포 기능과 사멸을 초래하는 것이다.

둘째는

산화 스트레스에 의한

비정상적인 산화환원 신호전달이다(Box 2).

산화제,

특히 생리적 자극에 의해 세포에서 생성되는 H2O2는

제2신호물질로 작용할 수 있다8.

산화 스트레스 상태에서 비생리적 H2O2 생성은

산화환원 신호전달을 혼란스럽게 할 수 있다4.

두 유형의 산화 스트레스 메커니즘은

당뇨병과 같은 단일 질환에서 동시에 발생할 수 있다.

당뇨병에서는

고급당화생성물(AGEs)이 축적되고

스트레스 신호전달 경로의 비정상적 활성화가 당뇨병 합병증을 유발한다9.

또한 산화 스트레스 시

O2•− (문헌10) 및 ONOO− (문헌11)에 의해

H2O2 생성 증가와 단백질로부터의 철 방출이 발생하면,

4-하이드록시-2-논날(HNE)을 포함한 지질 과산화 생성물의 생산이 현저히 증가하며,

이는 또한 비정상적인 신호 전달을 유발할 수 있다12.

산화 스트레스는 다양한 병리와 연관되어 있다. 이러한 병리의 발병 기전에 대한 산화 스트레스의 기여도를 바탕으로, 아래와 같이 두 범주로 분류된다:

첫째, 병리의 주요 원인으로서의 산화 스트레스(방사선 및 파라콰트에 의한 독성, 동맥경화증 포함);

둘째, 질병 진행에 이차적으로 기여하는 산화 스트레스(만성 폐쇄성 폐질환(COPD),

고혈압, 알츠하이머병 등). 그러나 많은 질환에서 산화 스트레스의 역할이 완전히 이해되지 않았기 때문에

이 분류는 잠정적이다.

Box 2 Redox signalling, homeostasis and antioxidant defences.

Redox signalling is dependent on specific interactions of signalling proteins with hydrogen peroxide (H2O2) or other electrophiles that act as second messengers. As with oxidative stress, both endogenous and exogenous sources of H2O2 or other electrophiles may be involved; however, for redox signalling to be physiological rather than pathological, regulation is essential and requires the involvement of specificity that is not part of oxidative stress. An oxidative challenge, as opposed to oxidative stress, involves the stimulation of redox signalling without any damage, a phenomenon that we have called ‘para-hormesis’101. A related term is ‘oxidative eustress’3.

Maintaining redox homeostasis is important for cell function. Despite its name, homeostasis does not imply that nothing is changing. Indeed, a balance between oxidants and reductants, including glutathione, thioredoxin and NADPH, which are the substrates for antioxidant enzymes, is essential for maintaining normal physiology101. Thus, diseases that involve oxidative stress can be due to disruption of redox homeostasis, with type 2 diabetes mellitus as one example9. Adaptive homeostasis, as defined by Kelvin Davies282, involves elevated antioxidant defences brought about by transient alteration of redox homeostasis and redox signalling. However, redox signalling may also occur under pathological conditions, as oxidative stress can stimulate the same pathways as redox signalling under physiological conditions. The difference in this context is that the signalling will be unregulated and accompanied by nonspecific damage.

The effectiveness of this antioxidant system in maintaining the homeostasis relies upon keeping the generation and removal of superoxide (O2•−), H2O2 and nitric oxide (•NO) within a range that does not allow significant production of peroxynitrite (ONOO−) and hydroxyl radical (•OH)101. It is not a perfect system as evidenced by a low rate of oxidized proteins that accumulate with age. Regardless, the ability to induce the enzymes that remove O2•− and H2O2 and damaged proteins in what Davies calls ‘adaptive homeostasis’ provides a major means of enhancing antioxidant defences that will be described elsewhere in this Review282.

박스 2 산화환원 신호전달, 항상성 및 항산화 방어.

산화환원 신호전달은

신호전달 단백질과 과산화수소(H2O2) 또는

제2메신저 역할을 하는 기타 친전자체 간의 특정 상호작용에 의존한다.

산화 스트레스와 마찬가지로,

H2O2 또는 기타 친전자체의 내인성 및 외인성 공급원이 관여할 수 있다.

그러나

산화환원 신호전달이 병리적이지 않고 생리적이기 위해서는 조절이 필수적이며,

이는 산화 스트레스의 일부가 아닌 특이성의 관여를 요구한다.

산화 스트레스와 달리 산화적 도전은

어떠한 손상 없이 산화환원 신호전달을 자극하는 현상으로,

우리는 이를 '파라호르메시스'라고 명명하였다101.

관련 용어로는 '산화적 유스트레스'가 있다3.

산화환원 항상성 유지가

세포 기능에 중요하다.

이름과 달리 항상성은

변화가 전혀 없다는 의미가 아니다.

실제로

글루타티온, 티오레독신, 항산화 효소 기질인 NADPH를 포함한

산화제와 환원제 간의 균형은

정상 생리 기능 유지에 필수적이다101.

따라서

산화 스트레스가 관련된 질환은 산화환원 항상성의 교란으로 인해 발생할 수 있으며,

제2형 당뇨병이 그 예시이다9.

켈빈 데이비스(Kelvin Davies)가 정의한 적응적 항상성(adaptive homeostasis)282은

산화환원 항상성과 산화환원 신호전달의 일시적 변화로 인해

항산화 방어 체계가 강화되는 현상을 포함한다.

그러나

산화 스트레스가 생리적 조건에서 산화환원 신호전달과 동일한 경로를 자극할 수 있듯이,

산화환원 신호전달은 병리적 조건에서도 발생할 수 있다.

이러한 맥락에서 차이점은

신호 전달이 조절되지 않고 비특이적 손상을 동반한다는 점이다.

항산화 시스템이 항상성을 유지하는 효과는

과산화수소(O2•−), H2O2 및 일산화질소(•NO)의 생성 및 제거를

과산화질산염(ONOO−)과 하이드록실 라디칼(•OH)의 상당한 생산을 허용하지 않는 범위 내에서

유지하는 데 달려 있다101.

나이가 들면서 축적되는

산화 단백질의 낮은 비율에서 알 수 있듯이

완벽한 시스템은 아닙니다.

그럼에도 불구하고,

데이비스가 '적응적 항상성'이라고 부르는 상태에서

O2•− 및 H2O2와 손상된 단백질을 제거하는 효소를 유도하는 능력은

항산화 방어력을 강화하는 주요 수단을 제공하며,

이는 본 리뷰의 다른 부분에서 설명될 것입니다282.

Oxidative stress as the primary cause of pathology

Oxidative stress can be a primary factor in toxicity and disease. However, an important caveat is that once damage begins, antioxidant therapy often fails to inhibit the progression of tissue injury as other factors become dominant in the pathology.

병리의 주요 원인으로서의 산화 스트레스

산화 스트레스는

독성과 질병의 주요 요인이 될 수 있다.

그러나 중요한 주의사항은 일단 손상이 시작되면,

병리학적으로 다른 요인들이 우세해지면서 

항산화 치료가 조직 손상의 진행을 억제하지 못하는 경우가 많다는 점이다.

Radiation-induced lung injury

Early pneumonitis followed by fibrosis frequently occur as side effects of radiotherapy for lung and oesophageal cancers13. When cells are exposed to radiation, homolytic cleavage of H2O directly generates •OH, which then oxidizes macromolecules and triggers an inflammatory response leading to infiltration of inflammatory cells into the lung (pneumonitis) and cell death. Over a longer period, aberrant redox signalling for the continuous production of cytokines causes accumulation of collagen and lung fibrosis14. In addition, higher lipid peroxidation and DNA oxidation (8-hydroxy-2′-deoxyguanosine) has been observed in lungs of radiation-induced lung injury in rats, which can persist for months after radiation exposure15.

방사선 유발 폐 손상

폐 및 식도암 방사선 치료의 부작용으로

초기 폐렴에 이어 섬유증이 빈번히 발생한다13.

세포가 방사선에 노출되면

H2O의 동해성 분해로 직접 •OH가 생성되며,

이는 고분자를 산화시키고 염증 세포의 폐 침윤(폐렴) 및 세포 사멸을 유발하는 염증 반응을 촉발한다.

장기간에 걸쳐

사이토카인의 지속적인 생산을 위한 비정상적인 산화환원 신호 전달은

콜라겐 축적과 폐 섬유화를 유발한다14.

또한, 쥐의 방사선 유발 폐 손상에서

더 높은 지질 과산화 및 DNA 산화(8-하이드록시-2′-데옥시구아노신)가 관찰되었으며,

이는 방사선 노출 후 수개월 동안 지속될 수 있다15.

Paraquat poisoning

Oxidative stress is also responsible for the toxicity of the widely used chemical herbicide, paraquat. When ingested, paraquat is actively taken up by alveolar type II cells and leads to pneumonitis and progressive lung fibrosis with poor prognosis. Paraquat also causes injury to other organs including liver and kidney. Long-term exposure to paraquat is associated with Parkinson disease16. Paraquat toxicity is initiated by the continuous redox cycling that generates O2•− (ref.17).

파라콰트 중독

산화 스트레스는 널리 사용되는

화학 제초제인 파라콰트의 독성도 유발합니다.

파라콰트는 섭취 시 폐포 II형 세포에 의해 능동적으로 흡수되어

폐렴과 예후가 불량한 진행성 폐섬유증을 초래합니다.

파라콰트는 또한 간과 신장을 포함한 다른 장기에도 손상을 줍니다.

파라콰트에 장기간 노출되면

파킨슨병과 연관성이 있다16.

파라콰트 독성은

O2•−를 생성하는 지속적인 산화환원 사이클에 의해 유발된다(참고문헌17).

Atherosclerosis

In atherosclerosis, plaque builds up in the intimal layer of arteries and over time the arteries narrow, leading to infarction and stroke. Substantial evidence indicates that oxidative stress has a crucial role in the pathogenesis of atherosclerosis. Since the first identification of lipid hydroperoxides in human atherosclerotic aorta18, many studies have shown an increase in oxidized lipids and other oxidative stress markers in the atherosclerotic lesions. For example, 20% of cholesteryl linoleate (Ch18:2) in freshly isolated human plaque was reported to be oxidized, whereas it was undetectable in normal arteries19. In addition, HNE-modified low-density lipoprotein (LDL) was found to be elevated by 50% in plasma of patients with atherosclerosis compared with healthy volunteers20. Furthermore, isoprostanes, peroxidation products of arachidonic acid, have been reported to be increased at least fivefold in human atherosclerotic lesions compared with human umbilical veins, and oxidized linoleic acid was detected only in human lesions21. Oxidative stress is responsible for the conversion of LDL cholesterol into the atherogenic form of oxidized-LDL (OxLDL), which has a crucial role in initiating and promoting the inflammatory response and recruitment of leukocytes in the lesion site, and contributes to the development of atherosclerosis through activation of smooth muscle cells and reduced •NO bioavailability22.

죽상경화증

죽상경화증에서는

동맥 내막층에 플라크가 축적되고

시간이 지남에 따라 동맥이 좁아져 심근경색과 뇌졸중을 유발합니다.

상당한 증거가 산화 스트레스가

죽상경화증 발병 기전에서 중요한 역할을 함을 시사합니다.

인간 죽상경화성 대동맥에서 지질 과산화물이 최초로 확인된 이후18, 많은 연구에서 죽상경화 병변에서 산화된 지질 및 기타 산화 스트레스 지표의 증가가 관찰되었습니다. 예를 들어, 신선하게 분리된 인간 플라크 내 콜레스테릴 리놀레이트(Ch18:2)의 20%가 산화된 것으로 보고된 반면, 정상 동맥에서는 검출되지 않았다19. 또한, HNE 변형 저밀도 지단백(LDL)은 건강한 대조군에 비해 동맥경화증 환자의 혈장에서 50% 증가한 것으로 나타났다20. 또한 아라키돈산의 과산화 생성물인 이소프로스탄은 인간 동맥경화 병변에서 인간 제대 정맥에 비해 최소 5배 증가한 것으로 보고되었으며, 산화된 리놀레산은 인간 병변에서만 검출되었습니다21.

산화 스트레스는 LDL 콜레스테롤을

동맥경화 유발 형태인 산화 LDL(OxLDL)로 전환시키는 원인이 되며,

이는 병변 부위에서 염증 반응을 유발 및 촉진하고

백혈구 집결을 유도하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

또한 평활근 세포 활성화와 •NO 생체 이용률 감소22를 통해

동맥경화증 발병에 기여합니다.

Oxidative stress as a secondary contributor to disease progression

In many diseases, oxidative stress occurs secondary to the initiation of pathology by other factors. Examples of this are the oxidative stress caused by increased production of O2•− or H2O2 from NADPH oxidases (NOXs) in the inflammatory response that follows initial tissue injury, and by xanthine oxidase in ischaemia–reperfusion. Oxidative stress can disturb various signalling pathways and affect multiple biological processes through modifying proteins, promoting inflammation, inducing apoptosis, deregulating autophagy, impairing mitochondrial function and many other mechanisms. These effects frequently accelerate pathological progression and exacerbate the symptoms of diseases, as discussed in representative examples below.

질병 진행의 이차적 기여 요인으로서의 산화 스트레스

많은 질환에서 산화 스트레스는 다른 요인에 의한 병리 발생 이후 이차적으로 발생한다. 초기 조직 손상 후 발생하는 염증 반응에서 NADPH 산화효소(NOXs)에 의한 O2•− 또는 H2O2 생산 증가로 인한 산화 스트레스와, 허혈-재관류 시 크산틴 산화효소에 의한 산화 스트레스가 그 예이다. 산화 스트레스는 단백질 변형, 염증 촉진, 세포 사멸 유도, 자가포식 조절 장애, 미토콘드리아 기능 손상 등 다양한 기전을 통해 여러 신호 전달 경로를 교란하고 다중 생물학적 과정에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 효과는 아래 대표적 사례에서 논의된 바와 같이 병리학적 진행을 가속화하고 질병 증상을 악화시키는 경우가 빈번합니다.

Chronic obstructive pulmonary disease

COPD comprises progressive and irreversible chronic bronchitis and/or emphysema. Cigarette smoking, the main cause of COPD, is an abundant source of oxidants. Oxidative stress can lead to oxidation and inhibition of α1-antitrypsin, thus reducing its ability to inhibit neutrophil elastase, a major factor in the pathogenesis of COPD23. In addition, chronic exposure to oxidants in cigarette smoke causes and promotes the inflammatory response and other pathological cascades such as cell death and fibrosis in COPD pathogenesis14. The sources of oxidants in COPD are both exogenous (for example, cigarette smoking and air pollution) and endogenous (for example, NOX, mitochondria, inducible nitric oxide synthase (iNOS) and myeloperoxidase)14. Increased levels of oxidants and lipid peroxidation products, including 8-isoprostane, have been consistently detected in exhaled breath condensate of patients with COPD compared with healthy controls24. In addition, HNE (HNE adducts) levels were found to be significantly elevated by at least 50% in airway and alveolar epithelial cells, endothelial cells and neutrophils in patients with COPD compared with healthy controls25; and the urinary level of 8-hydroxydeoxyguanosine (8-OHdG), a marker of DNA oxidation, was significantly elevated in patients with COPD26. The level of oxidative stress was inversely correlated with lung function of the patients25. Together, these results suggest that oxidative stress occurs both in the lung and systemically in patients with COPD and contributes to disease pathogenesis.

만성 폐쇄성 폐질환

COPD는 진행성 및 비가역성 만성 기관지염 및/또는 폐기종을 포함한다. COPD의 주요 원인인 담배 흡연은 산화제의 풍부한 공급원이다. 산화 스트레스는 α1-항트립신의 산화와 억제를 유발하여, COPD 발병 기전의 주요 인자인 호중구 엘라스테이스 억제 능력을 감소시킬 수 있다23. 또한 담배 연기에 포함된 산화제에 대한 만성적 노출은 COPD 병리에서 염증 반응 및 세포 사멸, 섬유화와 같은 다른 병리학적 연쇄 반응을 유발하고 촉진합니다14. COPD에서 산화제의 원천은 외인성(예: 담배 흡연 및 대기 오염)과 내인성(예: NOX, 미토콘드리아, 유도성 산화질소 합성효소(iNOS), 골수과산화효소) 모두입니다14. 건강한 대조군에 비해 COPD 환자의 호기 응축액에서 8-이소프로스탄을 포함한 산화제 및 지질 과산화 생성물의 농도 증가가 지속적으로 검출되었습니다24. 또한, COPD 환자의 기도 및 폐포 상피 세포, 내피 세포 및 호중구에서 HNE(HNE 부가물) 수치가 건강한 대조군에 비해 최소 50% 이상 유의하게 상승한 것으로 나타났습니다25. 또한, DNA 산화의 지표인 8-하이드록시데옥시구아노신(8-OHdG)의 소변 수치가 COPD 환자에서 유의하게 상승한 것으로 나타났습니다26. 산화 스트레스 수준은 환자의 폐 기능과 역상관 관계를 보였다25. 종합하면, 이러한 결과들은 COPD 환자에서 산화 스트레스가 폐 내부와 전신적으로 모두 발생하며 질병 발병 기전에 기여함을 시사한다.

Idiopathic pulmonary fibrosis

The pathology of idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is characterized by diffuse and progressive mesenchymal fibrosis and mild inflammation in the lung with unknown aetiology. Many studies have shown the presence of oxidative stress in IPF. Oxidative stress markers such as H2O2, 8-isoprostane, 8-isoprostaglandin-F2α (8-iso-PGF2α) and ethane are significantly increased in the exhaled breath condensate of patients with IPF compared with healthy individuals27. In addition, 8-isoprostane is elevated fivefold28 and oxidized proteins twofold29 in bronchoalveolar lavage fluid (BALF) of patients with IPF. HNE in lung30 and 8-isoprostane in blood31 are also significantly elevated in IPF. The glutathione (GSH) level in epithelial lining fluid and sputum of patients with IPF is fourfold lower than in healthy controls32, indicating a deficiency of this important component of antioxidant defence in IPF. H2O2 production is apparently mainly from NOX4 (ref.33) and dysfunctional mitochondria34, and GSH synthesis is downregulated by TGFβ signalling35. Mounting evidence suggests that oxidative stress plays a significant part in IPF, by promoting fibrogenesis through causing apoptosis of alveolar epithelial cells, activating myofibroblasts and inducing an inflammatory response36. Besides oxidative stress, IPF pathogenesis involves a number of processes including apoptosis, senescence, epithelial–mesenchymal transition, endothelial–mesenchymal transition, epithelial cell migration, increased production of chemokines, cytokines and growth factors, as well as mitochondrial dysfunction, endoplasmic reticulum stress, hypoxia and inflammation37. These mechanisms are interrelated, with oxidative stress representing an important component of the IPF pathogenesis.

특발성 폐섬유증

특발성 폐섬유증(IPF)의 병리학적 특징은 원인을 알 수 없는 폐 내 확산성 및 진행성 중간엽 섬유화와 경미한 염증이다. 많은 연구에서 IPF에서 산화 스트레스의 존재를 보여 주었습니다. H2O2, 8-isoprostane, 8-isoprostaglandin-F2α (8-iso-PGF2α) 및 ethane과 같은 산화 스트레스 마커는 건강한 개인에 비해 IPF 환자의 호기 호흡기 응축액에서 현저하게 증가합니다27. 또한, IPF 환자의 기관지폐포 세척액(BALF)에서는 8-이소프로스타네가 5배28, 산화 단백질이 2배29 증가합니다. 폐의 HNE30 및 혈액의 8-이소프로스탄31 또한 IPF에서 현저히 증가합니다. IPF 환자의 상피 내막액 및 가래 내 글루타티온(GSH) 수치는 건강한 대조군에 비해 4배 낮아32, IPF에서 항산화 방어의 중요한 구성 요소인 이 물질의 결핍을 시사합니다. H2O2 생성은 주로 NOX4(참고문헌33)와 기능 장애 미토콘드리아34에 의해 발생하는 것으로 보이며, GSH 합성은 TGFβ 신호전달에 의해 하향 조절된다35. 점차 증가하는 증거들은 산화 스트레스가 폐포 상피세포의 세포사멸을 유발하고, 근섬유모세포를 활성화하며, 염증 반응을 유도함으로써 섬유화를 촉진함으로써 IPF에서 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다36. 산화 스트레스 외에도 IPF 발병 기전에는 세포 사멸, 노화, 상피-중간엽 전환, 내피-중간엽 전환, 상피 세포 이동, 케모카인·사이토카인·성장 인자 생산 증가, 미토콘드리아 기능 장애, 소포체 스트레스, 저산소증 및 염증37 등 다양한 과정이 관여한다. 이러한 기전들은 상호 연관되어 있으며, 산화 스트레스는 IPF 발병 기전의 중요한 구성 요소이다.

Hypertension

Multiple risk factors such as diet, smoking, lifestyle, genetics and comorbidities contribute to hypertension. More than 90% of cases are essential hypertension with unclear cause. At the molecular level, however, oxidative stress is a common feature of this condition. Experimental studies suggest that oxidants are mainly from NOXs in hypertension38. Oxidative markers, including H2O2 (ref.39), glutathione disulfide (GSSG) to GSH ratio, malondialdehyde (a lipid peroxidation product)40 and 8-isoprostanes, are significantly increased in the plasma of patients with hypertension41. H2O2 has a role in the development and progression of hypertension, through influencing angiotensin II signalling, NO signalling and other cellular processes42. However, a causative role of oxidative stress in hypertension has not yet been established.

Type 2 diabetes mellitus

Patients with type 2 diabetes mellitus display substantial evidence of oxidative stress that results in microvascular and macrovascular complications43. Markers of oxidative stress, including OxLDL to LDL ratio44, 8-OHdG45, 8-iso-PGF2α46, protein carbonyls47 and GSH conjugation to haemoglobin48, have been reported to be significantly elevated in the plasma of patients with type 2 diabetes mellitus, as have urine 8-OHdG and 8-iso-PGF2α levels49. The increased oxidants in type 2 diabetes mellitus arise from dysfunctional mitochondria50 and NOX1 (ref.51) activated by the diabetic abnormalities of hyperglycaemia and dyslipidaemia.

고혈압

식이, 흡연, 생활습관, 유전적 요인 및 동반 질환 등 다양한 위험 요인이 고혈압에 기여한다. 90% 이상의 사례는 원인이 불분명한 본태성 고혈압이다. 그러나 분자 수준에서는 산화 스트레스가 이 질환의 공통적 특징이다. 실험 연구에 따르면 고혈압에서 산화제는 주로 산화질소 합성효소(NOX)에서 유래한다38. 고혈압 환자의 혈장에서는 과산화수소(H2O2, 참고문헌39), 글루타티온 디설파이드(GSSG) 대 글루타티온(GSH) 비율, 말론디알데하이드(지질 과산화 생성물)40 및 8-이소프로스탄 등의 산화 지표가 현저히 증가한다41. H2O2는 안지오텐신 II 신호전달, NO 신호전달 및 기타 세포 과정에 영향을 미침으로써 고혈압의 발병 및 진행에 역할을 한다42. 그러나 고혈압에서 산화 스트레스의 원인적 역할은 아직 확립되지 않았다.

제2형 당뇨병

제2형 당뇨병 환자는 미세혈관 및 대혈관 합병증을 초래하는 상당한 산화 스트레스 증거를 보인다43. 산화 스트레스 지표로는 LDL 대비 산화 LDL 비율44, 8-OHdG45, 8-iso-PGF2α46, 단백질 카르보닐47 및 헤모글로빈과의 GSH 결합체48과 같은 산화 스트레스 지표가 제2형 당뇨병 환자의 혈장에서 현저히 증가한 것으로 보고되었으며, 소변 내 8-OHdG 및 8-iso-PGF2α 수준도 마찬가지로 증가한 것으로 보고되었다49. 제2형 당뇨병에서 증가된 산화제는 기능 장애 미토콘드리아50 및 고혈당증과 이상지질혈증과 같은 당뇨병적 이상에 의해 활성화된 NOX1(참고문헌51)에서 기인한다.

Alzheimer disease

Alzheimer disease is characterized by the progressive accumulation of extracellular amyloid-β plaques and neurofibrillary tangles inside neurons. Several risk factors (age, genetics, sex, trauma and air pollution) for Alzheimer disease have been identified, but the exact cause remains unclear. However, accumulating evidence suggests that oxidative stress may have a crucial role through multiple pathways52. Many studies have demonstrated increased oxidative stress in the brain of patients with Alzheimer disease, including increased levels of F2-isoprostane-α in cerebrospinal fluid53 and frontal and temporal poles54, acrolein in amygdala and hippocampus/parahippocampal gyrus55, and HNE in ventricular fluid56, hippocampus and inferior parietal lobule57, and cortex58. Increased levels of nuclear and mitochondrial DNA oxidation were also found in frontal, parietal and temporal lobes of the brain of patients with Alzheimer disease compared with age-matched control subjects59. In addition, protein oxidation in the hippocampus60 and protein carbonyls in the cerebral cortex58 were significantly elevated in the brains of patients with Alzheimer disease. Claims have been made that Aβ(1–42)61, activated microglia62, iron accumulation63 and dysfunctional mitochondria contribute to increased oxidant production64.

알츠하이머병

알츠하이머병은 세포외 아밀로이드-β 플라크와 신경세포 내 신경섬유 엉킴의 진행성 축적이 특징이다. 알츠하이머병의 여러 위험 요인(연령, 유전적 요인, 성별, 외상, 대기 오염)이 확인되었으나 정확한 원인은 여전히 불분명하다. 그러나 축적된 증거들은 산화 스트레스가 다중 경로를 통해 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다52. 많은 연구에서 알츠하이머병 환자의 뇌에서 산화 스트레스 증가가 확인되었는데, 여기에는 뇌척수액53 및 전두엽과 측두엽 극부54에서의 F2-이소프로스탄-α 수준 증가, 편도체와 해마/해마주위회55에서의 아크롤린 증가, 뇌실액56, 해마 및 하부두정엽57, 피질58에서의 HNE 증가가 포함됩니다. 알츠하이머병 환자의 뇌에서 전두엽, 두정엽 및 측두엽에서 핵 및 미토콘드리아 DNA 산화 수준이 연령이 비슷한 대조군에 비해 증가한 것으로 나타났습니다59. 또한, 알츠하이머병 환자의 뇌에서는 해마60의 단백질 산화와 대뇌 피질58의 단백질 카르보닐이 현저히 증가했습니다. Aβ(1–42)61, 활성화된 미세아교세포62, 철분 축적63 및 기능 장애 미토콘드리아가 산화제 생산 증가에 기여한다는 주장이 제기되었습니다64.

Cancer

Through aberrantly altering signalling transduction pathways that damage DNA and exacerbate inflammation, oxidants are involved in various phases of tumorigenesis, including transformation of normal cells to tumour cells, tumour cell growth, proliferation, invasion, angiogenesis and metastasis65. Conversely, oxidative stress can also trigger apoptosis and ferroptosis, and reduce the opportunity for transformation and thereby prevent tumorigenesis65. In addition, oxidative stress is the main mechanism of action of radiation (see Radiation-induced lung injury subsection above) and many chemotherapeutic drugs66. Therefore, oxidative stress is implicated in almost all phases of cancer. Cancer cells produce more oxidants than normal cells, and therefore cancer cells are exposed to increased oxidative stress in the loci. The increased oxidants in cancer cells are mainly from mitochondria67, NOX4 (ref.68) and 5-lipoxygenase69. Oxidants in the loci may also come from normal cells in or surrounding the tumour mass, such as endothelial cells and inflammatory immune cells. The increase in oxidative markers has been observed in various types of cancer. For example, patients with non-small-cell lung cancer have been shown to exhale more H2O2 than control individuals70. In addition, increased levels of 8-OHdG71 were detected in breast cancer tissues compared with matched normal tissues, and 8-OHdG was significantly elevated in prostate cancers72 and lung cancers73.

암

산화제는 신호 전달 경로를 비정상적으로 변화시켜 DNA 손상과 염증을 악화시킴으로써 정상 세포의 종양 세포로의 변형, 종양 세포의 성장, 증식, 침습, 혈관 신생 및 전이를 포함한 종양 형성의 다양한 단계에 관여합니다65. 반대로, 산화 스트레스는 세포 사멸(아포토시스)과 철사멸(페로토시스)을 유발하여 변형 가능성을 감소시키고 종양 발생을 예방할 수도 있다65. 또한 산화 스트레스는 방사선(상기 방사선 유발 폐 손상 하위 항목 참조) 및 많은 항암제의 주요 작용 기전이다66. 따라서 산화 스트레스는 암의 거의 모든 단계에 관여한다. 암세포는 정상 세포보다 더 많은 산화제를 생성하므로, 암세포는 국소 부위에서 증가된 산화 스트레스에 노출됩니다. 암세포 내 증가된 산화제는 주로 미토콘드리아67, NOX4(참고문헌68), 5-리폭시게나제69에서 유래합니다. 국소 부위의 산화제는 종양 덩어리 내부 또는 주변의 정상 세포(예: 내피세포, 염증성 면역세포)에서도 유래할 수 있습니다. 산화 표지자의 증가는 다양한 유형의 암에서 관찰되었다. 예를 들어, 비소세포폐암 환자는 대조군 개인보다 더 많은 H2O2를 호기하는 것으로 나타났다70. 또한 유방암 조직에서는 대조군 정상 조직에 비해 8-OHdG71 수치가 증가했으며, 전립선암72 및 폐암73에서도 8-OHdG가 현저히 상승했다.

Systemic inflammatory response syndrome

Systemic inflammatory response syndrome (SIRS) is a disorder caused by an exaggerated inflammatory response in the whole body to infectious pathogens or non-infectious insults74. SIRS involves the release of oxidants and inflammatory cytokines leading to reversible or irreversible end organ dysfunction and even death. Sepsis is a SIRS caused by infection, which shares common features of inflammation and oxidative stress with SIRS caused by non-infectious insults, and is more frequently studied. Plasma F2-isoprostanes75, HNE76 and 8-OHdG77 have been reported to be significantly increased in patients with severe sepsis. In patients with acute respiratory distress syndrome from SIRS, the level of 8-iso-PGF2α is increased in exhaled breath condensate78 as is nitrotyrosine in BALF79. Oxidants in sepsis originate from several sources depending on the tissues and/or cells, and include iNOS (also known as NOS2)80, NOXs81, xanthine oxidase82 and dysfunctional mitochondria83. In addition, the levels of antioxidants such as vitamin C84, vitamin E85 and GSH86 are decreased in sepsis.

전신성 염증 반응 증후군

전신성 염증 반응 증후군(SIRS)은

감염성 병원체나 비감염성 손상에 대한

전신적 과잉 염증 반응으로 발생하는 질환이다74.

SIRS는

산화제와 염증성 사이토카인의 방출을 수반하며,

이는 가역적이거나 비가역적인 말초 장기 기능 장애 및 사망까지 초래할 수 있다.

패혈증은 감염에 의해 발생하는 SIRS로, 비감염성 손상에 의해 발생하는 SIRS와 염증 및 산화 스트레스라는 공통된 특징을 공유하며, 더 빈번하게 연구되고 있습니다. 중증 패혈증 환자에서 혈장 F2-이소프로스탄75, HNE76 및 8-OHdG77 수치가 현저히 증가한 것으로 보고되었다. SIRS로 인한 급성 호흡곤란 증후군 환자에서는 호기 호흡기 응축액에서 8-이소-PGF2α 수치가 증가하며78, 기관지폐포세척액(BALF)에서는 니트로티로신 수치가 증가한다79. 패혈증의 산화제는 조직 및/또는 세포에 따라 여러 출처에서 유래하며, iNOS(NOS2라고도 함)80, NOXs81, 크산틴 산화효소82 및 기능 장애 미토콘드리아83를 포함한다. 또한 패혈증에서는 비타민 C84, 비타민 E85 및 GSH86과 같은 항산화제의 수치가 감소한다.

Ischaemia–reperfusion injury

Although timely reperfusion is essential to avoid irreversible injury from ischaemia (interrupted blood flow), extensive damage to both the local and distant organs can occur through initiation of a systemic inflammatory response. Ischaemia–reperfusion injury (IRI) has a major role in the pathophysiological changes of several critical clinical conditions including heart attack, stroke and organ transplantation. The molecular mechanisms underlying IRI are multifactorial and involve the inflammatory response and oxidative stress. In the ischaemic phase, lack of oxygen and nutrients results in accumulation of hypoxanthine, release of calcium, activation of xanthine oxidase and induction of pro-inflammatory cytokines; and in the reperfusion phase, production of NO, ONOO−, O2•− and other oxidants is significantly increased from hypoxanthine/xanthine oxidase87, mitochondria, iNOS (NOS2) and NOXs88 in endothelial cells, infiltrated neutrophils and local tissue cells89. Markers of oxidative stress including urinary 8-iso-PGF2α are elevated in patients with acute myocardial infarction given thrombolytic therapy, when compared with both age-matched, healthy control subjects and patients with stable coronary heart disease90, and in patients with coronary angioplasty following carotid reperfusion91. A study involving 66 individuals with stroke and 132 control subjects showed that plasma and urinary F2-isoprostanes were elevated immediately and up to day 7 after onset of ischaemic stroke92. Urinary 8-OHdG was also increased after reperfusion in acute myocardial infarction93. It should be noted that most oxidative markers measured in IRI studies were systemic and few studies determined the presence of these markers in the lesion site.

허혈-재관류 손상

허혈(혈류 중단)로 인한 비가역적 손상을 피하기 위해서는 시기적절한 재관류가 필수적이지만, 전신성 염증 반응의 유발로 인해 국소 및 원격 장기에 광범위한 손상이 발생할 수 있습니다. 허혈-재관류 손상(IRI)은 심근경색, 뇌졸중, 장기 이식 등 여러 중대한 임상 상태의 병리생리학적 변화에서 주요한 역할을 합니다. IRI의 분자적 기전은 다인자적이며 염증 반응과 산화 스트레스가 관여한다. 허혈 단계에서는 산소와 영양분 부족으로 인해 하이포크산틴 축적, 칼슘 방출, 크산틴 산화효소 활성화 및 전염증성 사이토카인 유도가 발생한다. 재관류 단계에서는 NO, ONOO−, O2•− 및 기타 산화제의 생성이 현저히 증가한다. 이는 저산틴/크산틴 산화효소87, 미토콘드리아, iNOS(NOS2) 및 NOXs88에 의해 내피 세포, 침윤된 호중구 및 국소 조직 세포에서 발생한다89. 급성 심근경색 환자에게 혈전 용해 요법을 시행했을 때, 연령이 비슷한 건강한 대조군 및 안정성 관상동맥질환 환자90과 비교하여 요중 8-iso-PGF2α를 포함한 산화 스트레스 지표가 상승하며, 경동맥 재관류 후 관상동맥 풍선 확장술을 시행한 환자에서도91 상승한다. 뇌졸중 환자 66명과 대조군 132명을 대상으로 한 연구에서, 허혈성 뇌졸중 발병 직후부터 7일까지 혈장 및 요중 F2-이소프로스탄 수치가 상승한 것으로 나타났다92. 급성 심근경색 재관류 후 요중 8-OHdG도 증가했다93. IRI 연구에서 측정된 대부분의 산화 표지자는 전신적이었으며, 병변 부위에서 이러한 표지자의 존재를 확인한 연구는 거의 없었다는 점을 유의해야 한다.

Antioxidant defences and therapeutic implications

To defend against oxidative injury, organisms have evolved defences primarily dependent upon antioxidant enzymes, supply of their substrates and repair of injury. In response to oxidants and other electrophiles, these defences increase and thereby boost the capacity to detoxify oxidants and/or electrophiles and repair oxidative damage. Agents that enhance these defences are the principal strategies underlying antioxidant therapy.

Extensive studies on the induction of antioxidant enzymes have focused on the regulatory mechanisms, the implications in diseases and potential inducers with therapeutic purpose. Although several transcription factors are redox sensitive and are involved in the induction of antioxidant genes (for example, the induction of haem oxygenase 1 (HO1, encoded by HMOX1) through activator protein 1 (AP-1)94 and peroxisome proliferator-activated receptor-γ (PPARγ)95, and the induction of glutamate–cysteine ligase (GCL)96 and SOD1 (ref.97) through nuclear factor-κB (NF-κB)), the finding with the broadest effect in this area is the induction of antioxidant genes GCLC, GCLM, HMOX1, NQO1, GSTM1, GPX4, TXN and PRDX1 through NRF2 (refs98,99) (Box 3).

항산화 방어 체계와 치료적 함의

산화적 손상으로부터 방어하기 위해 생물체는 주로 항산화 효소, 그 기질 공급 및 손상 복구에 의존하는 방어 체계를 진화시켜 왔다. 산화제 및 기타 친전자체에 대한 반응으로 이러한 방어 체계는 강화되어 산화제 및/또는 친전자체를 해독하고 산화적 손상을 복구하는 능력을 증진시킨다. 이러한 방어 체계를 강화하는 물질들이 항산화 치료의 주요 전략이다.

항산화 효소 유도에 관한 광범위한 연구는 조절 기전, 질병에서의 함의, 치료 목적을 위한 잠재적 유도제에 초점을 맞춰왔다. 여러 전사 인자들이 산화 환원 민감성을 가지며 항산화 유전자 유도 과정에 관여한다(예: 활성화 단백질 1(AP-1)94 및 퍼옥시좀 증식 활성화 수용체-γ(PPARγ)95를 통한 헤모글로빈 산소화효소 1(HO1, HMOX1 유전자에 의해 암호화됨)의 유도, 핵 인자-κB(NF-κB)를 통한 글루타메이트-시스테인 리가제 (GCL)96 및 SOD1 (ref.97)의 유도)가 있지만, 이 분야에서 가장 광범위한 효과를 보이는 발견은 NRF2를 통한 항산화 유전자 GCLC, GCLM, HMOX1, NQO1, GSTM1, GPX4, TXN 및 PRDX1의 유도입니다 (refs98,99) (Box 3).

Oxidant species that present immediate danger to the structural integrity and function of cells are •OH, ONOO− and HOX. However, these oxidants react too rapidly with membrane lipids, proteins and nucleic acids to be effectively scavenged by exogenous small molecules. Unfortunately, many erroneous claims have been made for •OH scavengers. Although oxidative stress involves the generation of •OH, the proposed scavenging of these radicals in biological systems by exogenous molecules is unsound. All organic compounds react with •OH with similar rate constants approaching diffusion limitation. Thus, no compound has more •OH scavenging activity than the thousands of molecules already present in any biological system. To be 50% effective, any compound would have to be present at equal or greater concentration than all of those endogenous molecules. The only effective strategy preventing damage by •OH is prevention of its formation. Strategies that have the potential to be successful in that endeavour are prevention of the formation of O2•− and removal of O2•− and H2O2. The removal of O2•− also prevents the formation of ONOO−, and the removal of H2O2 prevents formation of •OH and HOX.

SODs and enzymes that remove H2O2 and lipid hydroperoxides form the front line of defence against oxidative stress. However, there are major differences between the extracellular fluids and within cells, which have therapeutic implications. Extracellular SOD (EC-SOD, SOD3) is generally associated with the outer membrane of cells and is not present in all extracellular fluids. SOD mimics are effective in the extracellular fluids where decreased production of the potentially hazardous ONOO− has the additional advantage of sparing •NO, which participates in vasodilation and other important physiological processes100. Although the outer surface of some cells binds to EC-SOD, the additional catalase activity of most SOD mimics also catalyses removal of H2O2, which EC-SOD cannot achieve. Intracellular defences include cytosolic SOD1 and mitochondrial matrix SOD2, which remove O2•−, while catalase in peroxisomes (and cardiac mitochondria), GPXs and peroxiredoxins (PRDXs) remove H2O2. Some of the GPXs and PRDXs also reduce lipid hydroperoxides, with two of them (PRDX6 and GPX4) being able to reduce phospholipid hydroperoxides. Within cells, scavenging of O2•− by small molecules is negligible compared with the rate of removal by endogenous SODs, which have rate constants (~2 × 109 M−1 s−1) that are millions of times higher than those of most other reactions with O2•−. The outer surface of some cells binds to EC-SOD, which also outcompetes any potential O2•− scavenger. Nonetheless, SOD mimics are useful in extracellular environments that lack significant EC-SOD. SOD produces H2O2, which would seem to be not much of a gain in terms of antioxidant defence; however, the removal of O2•− prevents formation of the more dangerous ONOO−, while simultaneously sparing physiologically important •NO. Compounds with combined SOD and catalase activities have an advantage over SOD alone.

The second line of antioxidant defence includes the synthesis of thioredoxin (TRX), GCL and glutathione synthetase responsible for the synthesis of GSH, glutathione reductase and thioredoxin reductase, which use NADPH to reduce GSSG and TrxS2. It should be noted that both first-line and second-line enzymes also have a role in physiological redox signalling and the maintenance of redox homeostasis, and that total elimination of H2O2 would adversely alter cellular function101. Scavenging of H2O2 and other hydroperoxides by small molecules is negligible compared with removal by the 15 enzymes that reduce H2O2 and lipid hydroperoxides and the two enzymes that reduce phospholipid hydroperoxides. Nonetheless, a few mimics of GPX, including ebselen (see below), have rate constants that approach those of the enzymes. In addition, ebselen may also reduce ONOO−. Although GSH is normally in the millimolar range in cells, it can be depleted during oxidative stress. Thus, compounds that increase GSH by either supplying cysteine, which is limiting for GSH synthesis, or are precursors for GSH, increase the effectiveness of endogenous GPXs or GPX mimics. Increasing synthesis of GSH by induction of GCL, the enzyme that kinetically limits GSH synthesis, also offers a therapeutic advantage. Indeed, finding agents that induce GCL through activation of the NRF2 transcription factor has been a major goal for more than two decades.

A third line of antioxidant defence is repair or removal of oxidized macromolecules. This broad area of research is not directly relevant to the present Review; however, the enzymatic systems for removal of oxidized proteins102, oxidized fatty acid removal and replacement103, and oxidized DNA removal and repair104 are induced by oxidants.

세포의 구조적 무결성과 기능에 즉각적인 위험을 초래하는 산화제 종은 •OH, ONOO− 및 HOX이다. 그러나 이러한 산화제는 막 지질, 단백질 및 핵산과 너무 빠르게 반응하여 외인성 소분자에 의해 효과적으로 제거되기 어렵다. 안타깝게도 •OH 제거제에 대해서는 많은 잘못된 주장이 제기되어 왔다. 산화 스트레스는 •OH 생성과 관련되지만, 생물학적 시스템에서 외인성 분자에 의한 이러한 라디칼 제거 제안은 타당하지 않다. 모든 유기 화합물은 확산 제한에 근접하는 유사한 속도 상수로 •OH와 반응한다. 따라서 어떤 화합물도 생물학적 시스템에 이미 존재하는 수천 개의 분자보다 더 높은 •OH 제거 활성을 가지지 못한다. 50% 효과를 내기 위해서는 어떤 화합물도 모든 내인성 분자보다 동등하거나 더 높은 농도로 존재해야 한다. •OH에 의한 손상을 방지하는 유일한 효과적인 전략은 그 생성을 차단하는 것이다. 이 목표를 달성할 가능성이 있는 전략은 O2•−의 생성을 막는 것과 O2•− 및 H2O2를 제거하는 것이다. O2•− 제거는 ONOO− 생성을 막으며, H2O2 제거는 •OH와 HOX 생성을 방지한다.

SOD와 H2O2 및 지질 과산화물을 제거하는 효소들은 산화 스트레스에 대한 방어의 최전선을 형성한다. 그러나 세포외액과 세포 내부는 치료적 함의를 지닌 주요 차이점이 존재한다. 세포외 SOD(EC-SOD, SOD3)는 일반적으로 세포 외막과 연관되어 있으며 모든 세포외액에 존재하지는 않는다. SOD 모방체는 세포외액에서 효과적이며, 잠재적으로 유해한 ONOO−의 생성 감소는 혈관 확장 및 기타 중요한 생리적 과정에 관여하는 •NO를 보존하는 추가적 이점을 가진다100. 일부 세포의 외막은 EC-SOD와 결합하지만, 대부분의 SOD 모방체는 추가적인 카탈라아제 활성을 통해 EC-SOD가 달성할 수 없는 H2O2 제거도 촉매한다. 세포 내 방어 체계에는 세포질 SOD1과 미토콘드리아 기질 SOD2가 포함되어 O2•−를 제거하는 반면, 퍼옥시좀(및 심장 미토콘드리아) 내 카탈라제, GPX 및 퍼옥시레독신(PRDX)은 H2O2를 제거합니다. 일부 GPX 및 PRDX는 지질 과산화물도 환원하며, 그중 두 가지(PRDX6 및 GPX4)는 (PRDX6 및 GPX4)는 인지질 과산화물을 환원시킬 수 있다. 세포 내에서 소분자에 의한 O2•− 제거는 내인성 SOD에 의한 제거 속도에 비해 무시할 수 있을 정도로 낮으며, 내인성 SOD의 속도 상수(~2×109 M−1 s−1)는 O2•−와 관련된 대부분의 다른 반응 속도 상수보다 수백만 배 더 높다. 일부 세포의 외막은 EC-SOD(세포외 SOD)와 결합하며, 이는 잠재적 O2•− 제거제보다 우선적으로 작용합니다. 그럼에도 불구하고, 상당한 양의 EC-SOD가 존재하지 않는 세포외 환경에서는 SOD 모사체가 유용합니다. SOD는 H2O2를 생성하는데, 이는 항산화 방어 측면에서 큰 이점이 없어 보일 수 있습니다. 그러나 O2•−의 제거는 더 위험한 ONOO−의 형성을 방지하는 동시에 생리학적으로 중요한 •NO를 보존합니다. SOD와 카탈라아제 활성을 겸비한 화합물은 SOD 단독보다 우월하다.

항산화 방어의 두 번째 단계에는 티오레독신(TRX) 합성, 글루타티온 환원효소(GSH 합성 담당), 글루타티온 합성효소, 글루타티온 환원효소 및 티오레독신 환원효소가 포함되며, 이들은 NADPH를 이용해 GSSG와 TrxS2를 환원한다. 첫 번째 방어 체계와 두 번째 방어 체계의 효소들은 생리적 산화환원 신호 전달과 산화환원 항상성 유지에도 역할을 하며, H2O2의 완전한 제거는 세포 기능을 악화시킬 수 있다는 점에 유의해야 합니다101. 소분자에 의한 H2O2 및 기타 하이드로퍼옥사이드 제거는 H2O2와 지질 하이드로퍼옥사이드를 환원하는 15가지 효소 및 인지질 하이드로퍼옥사이드를 환원하는 두 가지 효소에 의한 제거에 비해 무시할 수 있을 정도로 미미하다. 그럼에도 불구하고, 에브셀렌(아래 참조)을 포함한 몇몇 GPX 모방체는 효소들의 속도 상수에 근접하는 속도 상수를 보인다. 또한 에브셀렌은 ONOO−도 환원시킬 수 있다. GSH는 일반적으로 세포 내에서 밀리몰 농도 범위에 있지만, 산화 스트레스 시 고갈될 수 있다. 따라서 GSH 합성에 제한 요소인 시스테인을 공급하거나 GSH의 전구체인 화합물은 내인성 GPX 또는 GPX 모방체의 효과를 증가시킨다. GSH 합성의 동역학적 제한인자(kinetic limiter)인 GCL(글루타티온 S-트랜스퍼레이스)의 유도를 통한 GSH 합성 증가는 치료적 이점을 제공한다. 실제로 NRF2 전사 인자 활성화를 통해 GCL을 유도하는 약제 발굴은 20년 이상 주요 목표였다.

항산화 방어의 세 번째 경로는 산화된 거대분자의 복구 또는 제거이다. 이 광범위한 연구 분야는 본 리뷰와 직접적인 관련성은 없으나, 산화 단백질 제거102, 산화 지방산 제거 및 대체103, 산화 DNA 제거 및 복구104를 담당하는 효소 시스템은 산화제에 의해 유도된다.

Box 3 NRF2–EpRE signalling.

Nuclear factor E2-related factor (NRF2) is a member of the ‘cap‘n’collar’ family of bZIP transcription factors (CNC-bZIP). It was first identified as a transcription factor regulating the expression‎ of β-globin by Moi et al. in 1994 (ref.283), and soon after was found to be a transcription activator of NQO1 that bound to the antioxidant response element (ARE) in the promoter284. Many detailed studies established that NRF2–ARE signalling has a central role in the regulation of antioxidant gene expression‎285. ARE, the cis element of NRF2 binding, is more accurately called the electrophile response element (EpRE) as the ‘antioxidant’ inducers are electrophiles and include hydrogen peroxide (H2O2), some components of intermediary metabolism and products derived from dietary polyphenols6.

NRF2–EpRE signalling regulates the basal and inducible expression‎ of more than 200 genes that encode proteins involved in antioxidant defence, detoxification, apoptosis, DNA repair, removal of oxidized protein by the proteasome, inflammation and other processes102,286,287. The role of NRF2 in the induction of antioxidant enzymes and defence against oxidative stress has been verified in cell and non-human animal models with NRF2 knockout and/or induction. Mounting evidence suggests that deficiency of NRF2 signalling suppresses the induction of target antioxidant enzymes in response to oxidative stress, increases susceptibility to oxidative damage288 and accelerates the inflammatory response289, whereas enhancing NRF2 activity increases the expression‎ of antioxidant enzymes and the defence against oxidative stress.

The molecular mechanism and regulation of NRF2 activation in response to oxidative stress has been discussed in many recent articles. Most relevant to therapeutics is the recent review by Cuadrado et al.99. Thus, we only briefly describe the regulation of NRF2 (Fig. 3). Under basal conditions, most NRF2 protein binds to Kelch-like ECH-associated protein 1 (KEAP1) and/or β-transducin repeat-containing protein (βTrCP) and is rapidly degraded by 26S proteasome after ubiquitylation. KEAP1 is an adaptor for Cullin 3-containing ubiquitin ligase E3 complex290, and βTrCP is a substrate receptor for Cul1-based ubiquitin ligase291. In response to oxidative stimuli, KEAP1 is oxidatively modified and loses the capacity to present NRF2 for degradation. Simultaneously, oxidative inhibition of glycogen synthase kinase 3β (GSK3β)-mediated NRF2 phosphorylation at the Neh6 domain stops the interaction of NRF2 and βTrCP. NRF2 can also be activated through p62-mediated autophagic degradation of KEAP1 (ref.292). With the activation of these pathways, NRF2, both dissociated from KEAP1 and newly synthesized, escapes from degradation and is then translocated into the nucleus where it forms heterodimers with small Maf or Jun family proteins, binds to EpRE in the promoter and increases transcription of target genes. In the nucleus, NRF2 is competitively suppressed by BACH1 (ref.293). ChIP-seq assays identified a considerable overlap of BACH1 (in HEK293 cells) and NRF2 (in mouse MEF cells) target genes294. Evidence suggests that the suppressive effect of BACH1 on NRF2 signalling may be gene selective. BACH1 inactivation is required for the induction of HO1 but not for that of thioredoxin reductase 1, even though both genes are regulated by NRF2 (ref.295). In Bach1-knockout mice, fewer than 10% of the upregulated genes are NRF2 target genes244. It should be noted that NRF2 regulation is far more complicated than the simplified pathways, as nuclear factor-κB (NF-κB), PKC, p21, BRCA1, HRD1, CRIF1 and microRNAs are involved in regulating NRF2 signalling by acting on NRF2 expression‎, protein stability, activation and translocation99.

With more regulators and interaction pathways being identified, NRF2 activity is clearly regulated by a network of signalling pathways allowing it to hold important roles in multiple biological processes and response to multiple circumstances. Some puzzles remain for NRF2 regulation, including how NRF2 is transported in and out of the nucleus, and the dysregulation and ceiling effect of NRF2 induction under some pathophysiological conditions.

박스 3 NRF2–EpRE 신호전달.

핵 인자 E2 관련 인자(NRF2)는 ‘캡앤칼라(cap'n'collar)’ 계열의 bZIP 전사 인자(CNC-bZIP)의 일원입니다. 1994년 Moi 등(ref.283)에 의해 β-글로빈 발현을 조절하는 전사 인자로 처음 확인되었으며, 곧이어 프로모터 내 항산화 반응 요소(ARE)에 결합하는 NQO1의 전사 활성화 인자로 밝혀졌다284. 수많은 상세한 연구를 통해 NRF2-ARE 신호전달이 항산화 유전자 발현 조절에 핵심적인 역할을 한다는 사실이 입증되었습니다285. NRF2 결합의 cis 요소인 ARE는 ‘항산화’ 유도물질이 친전자성 물질이며 과산화수소(H2O2), 중간대사 일부 구성 요소 및 식이 폴리페놀 유래 생성물 등을 포함한다는 점에서 전기성 반응 요소(EpRE)라고 부르는 것이 더 정확합니다6.

NRF2-EpRE 신호전달은 항산화 방어, 해독, 세포사멸, DNA 복구, 프로테아좀에 의한 산화 단백질 제거, 염증 및 기타 과정에 관여하는 단백질을 암호화하는 200개 이상의 유전자의 기초 및 유도 발현을 조절한다102,286,287. NRF2의 항산화 효소 유도 및 산화 스트레스 방어 역할은 NRF2 결손 및/또는 유도 세포 및 비인간 동물 모델에서 검증되었습니다. NRF2 신호전달 결핍은 산화 스트레스에 대한 표적 항산화 효소 유도를 억제하고, 산화 손상 취약성을 증가시키며288 염증 반응을 가속화한다는 증거가 축적되고 있습니다289. 반면 NRF2 활성 증가는 항산화 효소 발현과 산화 스트레스 방어 능력을 향상시킨다.

산화 스트레스에 대한 NRF2 활성화의 분자적 메커니즘과 조절은 최근 여러 논문에서 논의되었습니다. 치료와 가장 관련성이 높은 것은 Cuadrado 등의 최근 리뷰입니다99. 따라서 우리는 NRF2의 조절(그림 3)에 대해 간략히만 설명합니다. 기초 조건에서 대부분의 NRF2 단백질은 Kelch-like ECH-associated protein 1 (KEAP1) 및/또는 β-트랜스듀신 반복 구조 단백질(βTrCP)에 결합한 상태로 유지되며, 유비퀴틴화 후 26S 프로테아좀에 의해 신속히 분해된다. KEAP1은 컬린 3을 포함하는 유비퀴틴 리가제 E3 복합체의 어댑터 단백질이며290, βTrCP는 컬린 1 기반 유비퀴틴 리가제의 기질 수용체이다291. 산화적 자극에 반응하여 KEAP1은 산화적 변형을 겪고 NRF2를 분해하기 위한 능력을 상실합니다. 동시에, 글리코겐 신타제 키나아제 3β(GSK3β)에 의한 NRF2의 Neh6 도메인 인산화가 산화적으로 억제되면 NRF2와 βTrCP의 상호작용이 중단됩니다. NRF2는 또한 p62에 의한 KEAP1의 자가포식적 분해를 통해서도 활성화될 수 있습니다(ref.292). 이러한 경로의 활성화로 KEAP1에서 해리된 NRF2와 새로 합성된 NRF2는 분해에서 벗어나 핵으로 이동하여 소형 Maf 또는 Jun 가족 단백질과 이종 이합체를 형성하고, 프로모터의 EpRE에 결합하여 표적 유전자의 전사를 증가시킵니다. 핵 내에서 NRF2는 BACH1에 의해 경쟁적으로 억제됩니다(참고 문헌 293). ChIP-seq 분석을 통해 BACH1(HEK293 세포)과 NRF2(마우스 MEF 세포)의 표적 유전자 사이에 상당한 중복이 확인되었습니다294. BACH1이 NRF2 신호 전달에 미치는 억제 효과는 유전자 선택적일 수 있다는 증거가 제시됩니다. BACH1 비활성화는 HO1 유도의 필수 조건이지만, 티오레독신 환원효소 1의 유도는 그렇지 않다. 두 유전자 모두 NRF2에 의해 조절되지만(참고문헌 295). Bach1 녹아웃 마우스에서 상향 조절된 유전자 중 NRF2 표적 유전자는 10% 미만이다(참고문헌 244). NRF2 조절은 단순화된 경로보다 훨씬 복잡하다는 점을 유의해야 한다. 핵인자-κB(NF-κB), PKC, p21, BRCA1, HRD1, CRIF1 및 마이크로RNA가 NRF2 발현, 단백질 안정성, 활성화 및 전좌에 작용하여 NRF2 신호전달을 조절하기 때문이다99.

더 많은 조절 인자와 상호작용 경로가 확인됨에 따라, NRF2 활성은 신호 전달 경로 네트워크에 의해 명확하게 조절되어 다양한 생물학적 과정과 여러 상황에 대한 반응에서 중요한 역할을 수행할 수 있습니다. NRF2 조절에는 여전히 몇 가지 의문점이 남아 있는데, 여기에는 NRF2가 핵 안팎으로 어떻게 수송되는지, 그리고 일부 병리생리학적 조건에서 NRF2 유도의 조절 장애 및 천장 효과 등이 포함됩니다.

Antioxidant therapeutic strategies

Multiple antioxidant therapeutic strategies are being explored, some of which are currently undergoing clinical trials. These include removal of O2•− before it can react with •NO to form ONOO− (reaction 11) and removal of H2O2 before it can form •OH (reaction 7) or HOX (reaction 13); increasing GSH using precursors; increasing the synthesis of antioxidant enzymes, particularly through NRF2 activation (Box 3); inhibition of NOXs (reaction 2); mitochondrial antioxidant defence; supplementing dietary antioxidants; and finally, inhibition of aberrant redox signalling (Box 2). See Box 1 for reactions.

항산화 치료 전략

여러 항산화 치료 전략이 연구되고 있으며,

그 중 일부는 현재 임상 시험을 진행 중입니다.

여기에는 O2•−가 •NO와 반응하여 ONOO−를 형성하기 전에 제거하는 것(반응 11),

H2O2가 •OH(반응 7) 또는 HOX(반응 13)를 형성하기 전에 제거하는 것;

전구체를 이용한 GSH 증가;

특히 NRF2 활성화를 통한 항산화 효소 합성 증가(박스 3);

NOX 억제(반응 2); 미토콘드리아 항산화 방어; 식이 항산화제 보충;

그리고 마지막으로 비정상적 산화환원 신호 전달 억제(박스 2) 등이 포함됩니다. 반응은 박스 1을 참조하십시오.

SOD and SOD–catalase mimics

Several antioxidant enzyme mimics have been and are currently in clinical trials (Table 1). SOD is the only enzyme that can eliminate O2•− in mammalian cells and is a key component in defence against oxidative stress and in preserving •NO. The therapeutic potential of SOD has therefore generated interest since its discovery in 1969 (ref.105), and many SOD mimetics have since been developed. These mimetics include the metalloporphyrins, Mn cyclic polyamines, nitroxides, Mn–salen complexes and fullerenes, and their chemical properties have previously been well summarized106,107.The early studies on SOD mimics primarily focused on metalloporphyrins (that is, MnTM-4-PyP5+ and FeTM-4-PyP5+)108–110, and since the establishment of the structure–activity relationship between metal-site redox ability and SOD activity in the late 1990s111, more porphyrins or porphyrin-related mimics with higher SOD activity have been developed. The protective effects of many of these compounds have been demonstrated in non-human animal studies or even clinical trials. Mimics of SOD and catalase have rate constants several orders of magnitude lower than the enzymes. Thus, when they enter cells, their contribution to cytosolic antioxidant defence is relatively minor. However, SOD and catalase mimics appear to be effective in extracellular spaces where the concentrations of antioxidant enzymes and substrates are very low or absent (Fig. 1). Some of the mimics may also be effective in the mitochondrial matrix, but they can act as pro-oxidants instead of as protectors of mitochondrial function112.

SOD 및 SOD-카탈라제 모방체

여러 항산화 효소 모사체가 임상 시험에 진입했거나 현재 진행 중이다(표 1). SOD는 포유류 세포에서 O2•−를 제거할 수 있는 유일한 효소이며, 산화 스트레스 방어와 •NO 보존의 핵심 구성 요소이다. 따라서 SOD의 치료적 잠재력은 1969년 발견 이후(참조105) 관심을 불러일으켰으며, 이후 많은 SOD 모사체가 개발되었다. 이러한 모방체에는 금속포르피린, Mn 사이클릭 폴리아민, 니트로사이드, Mn–살렌 복합체 및 풀러렌이 포함되며, 이들의 화학적 특성은 이전에 잘 정리된 바 있다106,107. SOD 모방체에 대한 초기 연구는 주로 금속포르피린(즉, MnTM-4-PyP5+ 및 FeTM-4-PyP5+)에 집중되었다108–110, 1990년대 후반 금속 부위의 산화환원 능력과 SOD 활성 간의 구조-활성 관계가 확립된 이후111, 더 높은 SOD 활성을 지닌 포르피린 또는 포르피린 관련 모방체들이 더 많이 개발되었습니다. 이들 화합물 다수의 보호 효과는 비인간 동물 연구 또는 임상 시험에서 입증되었습니다. SOD 및 카탈라제 모방체들은 해당 효소들보다 속도 상수가 몇 배나 낮습니다. 따라서 세포 내로 유입될 때 세포질 항산화 방어 체계에 기여하는 정도는 상대적으로 미미하다. 그러나 SOD 및 카탈라제 모방체는 항산화 효소와 기질 농도가 매우 낮거나 존재하지 않는 세포외 공간에서 효과적인 것으로 보인다(그림 1). 일부 모방체는 미토콘드리아 기질에서도 효과적일 수 있으나, 미토콘드리아 기능 보호제 대신 산화 촉진제 역할을 할 수 있다112.

Table 1.

Clinical status of antioxidant enzyme mimics

MimicAntioxidantIndicationsClinical trial status and refs

NAC	GSH	Paracetamol toxicity, cystic fibrosis, nephropathy and so on	Phase IV (highest; 529 trials in total)163
ALT-2074	GPX	Diabetes, coronary artery disease	NCT00491543, phase II159
Ebselen	GPX	Meniere disease, bipolar disorder	NCT02603081, phase II151,152 NCT03013400, phase II153,245,246
GC4419	SOD	Squamous cell cancers of the head and neck	NCT01921426, phase I
AEOL-10150	SOD	Non-human animal models of radiation-induced lung injury and inflammation in stroke	Preclinical247,248
EUK-8	SOD and catalase	Non-human animal models of sepsis, heart ischaemia–reperfusion, cardiomyopathy, haemorrhage and ALS	Preclinical137–141
EUK-134	SOD and catalase	Non-human animal models of ischaemia–reperfusion injury, sepsis and stroke	Preclinical142,249,143
EUK-189	SOD and catalase	Non-human animal models of radiation lung fibrosis, cognitive impairment and hyperthermia	Preclinical144–147

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ALS, amyotrophic lateral sclerosis; GPX, glutathione peroxidase; GSH, glutathione; SOD, superoxide dismutase.

표 1.

항산화 효소 모사체의 임상 현황

모사체 항산화제 적응증 임상 시험 현황 및 참고문헌

NAC GSH 파라세타몰 중독, 낭포성 섬유증, 신장병 등 4상(최고 단계; 총 529건 시험)163

ALT-2074 GPX 당뇨병, 관상동맥질환 NCT00491543, 2상159

에브셀렌(Ebselen) GPX 메니에르병, 양극성 장애

NCT02603081, 2상151,152

NCT03013400, 2상153,245,246

GC4419 SOD 두경부 편평세포암 NCT01921426, 1상

AEOL-10150 SOD 방사선 유발 폐 손상 및 뇌졸중 염증 비인간 동물 모델 전임상247,248

EUK-8 SOD 및 카탈라제 패혈증, 심장 허혈-재관류, 심근병증, 출혈 및 ALS 비인간 동물 모델 전임상137–141

EUK-134 SOD 및 카탈라제 허혈-재관류 손상, 패혈증 및 뇌졸중의 비인간 동물 모델 전임상142,249,143

EUK-189 SOD 및 카탈라제 방사선 폐섬유증, 인지 장애 및 고열의 비인간 동물 모델 전임상144–147

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ALS, 근위축성 측삭 경화증; GPX, 글루타티온 퍼옥시다제; GSH, 글루타티온; SOD, 슈퍼옥사이드 디스뮤타제.

그림 1. 세포외 공간의 반응성 물질과 SOD 또는 카탈라제 모사체 및 NOX 억제제에 의한 방어.

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세포 외부의 초산화물(O2•−) 생성은 NOX 억제제로 방지될 수 있다. 초산화물(O2•−)의 과산화수소(H2O2)로의 이분해는 초산화물 디스뮤타제(SOD) 모사체에 의해 가속화되어, 일산화질소(•NO)를 보존하는 과산화질산염(ONOO−)의 형성을 방지한다. 카탈라제 모사체는 H2O2의 환원을 촉진하여 골수과산화효소(MPO)에 의한 저염소산(HOX)의 생성과 펜튼 반응을 통한 하이드록실 라디칼(•OH)의 생성을 방지한다. 대부분의 SOD 모방체는 카탈라아제 활성을 나타내는 것으로 보입니다. 주로 세포 내 소기관 막에 존재하는 NOX4가 세포막에서도 발견되었으나, 이는 단일 세포 유형에서만 보고되었으며275 따라서 세포외 위치는 여전히 논란의 여지가 있습니다(물음표로 표시).

Fig. 1. Reactive species in the extracellular space and defences by SOD or catalase mimics and NOX inhibitors.

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Plasma membrane NADPH oxidase (NOX) production of superoxide (O2•−) outside cells may be prevented by NOX inhibitors. Dismutation of O2•− to hydrogen peroxide (H2O2) is accelerated by superoxide dismutase (SOD) mimics, preventing the formation of peroxynitrite (ONOO−), which spares nitric oxide (•NO). Reduction of H2O2 is accelerated by catalase mimics, preventing the formation of hypohalous acids (HOX) by myeloperoxidase (MPO) and hydroxyl radical (•OH) production via the Fenton reaction. Most SOD mimics appear to have catalase activity. Although NOX4, which is primarily in intracellular organelle membranes, has also been found in the plasma membrane, this has only been reported for one cell type275 and so its extracellular location remains debatable (indicated by the question mark). NOS, nitric oxide synthase.

Although being developed to remove O2•− specifically, most SOD mimics are not specific and can also reduce other reactive oxygen or nitrogen species such as ONOO−, peroxyl radical, H2O2 and CO3•− (refs113,114). In addition, some SOD mimics, such as Mn porphyrins, Mn(ii) cyclic polyamines and M40403, can act as pro-oxidants and react with thiols112, ascorbate115 and tetrahydrobiopterin116, thereby affecting redox-sensitive signalling pathways and cellular transcription117,118. Therefore, some protective effects of SOD mimics might be attributable to activities other than mimicking SOD.

SOD itself was first developed as a drug called orgotein in the late 1970s, but it has not been approved for human use119. However, several clinical trials based on the anti-inflammatory property of orgotein have been conducted. A double-blind, placebo-controlled study has demonstrated that orgotein can be used safely and effectively to ameliorate or prevent the side effects of radiation therapy in patients with bladder cancer, such as the incidence of radio-induced acute cystitis and rectitis120,121. However, in another clinical trial, orgotein showed no beneficial effect on radiation response or the acute radiation reactions, and caused side effects such as marked subcutaneous infiltration and redness at local injection site in some patients122. Currently orgotein is used as an anti-inflammatory agent in non-human animals.

The best-studied class of SOD mimics is probably the Mn porphyrins. Various Mn porphyrin compounds have been synthesized and eval‎uated for their O2•− dismutation activity114. Some of them, such as MnTM-2-pYp5+ and MnTE-2-pYp5+, showed very high SOD activity. Although whether the underlying mechanism is via SOD-like activity or another action (for example, pro-oxidant activity) remains elusive in some cases, the protective and therapeutic effects of many Mn porphyrins such as MnTE-2-pYp5+ and MnTDE-2-ImP5+ have been demonstrated in non-human animal models of diseases, including stroke123, radiation injuries124, cancers125,126, diabetes127 and cardiovascular system damage128. These preclinical results suggest the potential of Mn porphyrins in the clinical therapy of diseases in which oxidative stress plays a significant part. Currently, a phase I clinical trial of MnTDE-2-ImP5+ in patients with amyotrophic lateral sclerosis showed no toxicity at therapeutic doses129.

Another promising SOD mimetic is GC4419, a novel, highly stable Mn(ii)-containing penta-azamacrocyclic. GC4419 selectively removes superoxide anions without reacting with other oxidants130. In vitro, GC4419 significantly enhanced the toxicity of AscH− to kill cancer cells131. In addition, GC4419 has exhibited therapeutic effects in several non-human animal models of inflammation132, joint disease133 and myocardial IRI134. A recent phase I clinical trial in severe oral mucositis of oropharyngeal cancer with radiation and chemotherapy indicates that the safety of GC4419 in patients is acceptable135.

Salens, aromatic, substituted ethylenediamine metal complexes, represent an emerging class of SOD mimics. The Mn(iii)-containing salen complexes have both O2•− and H2O2 dismutation activity136. Salen compounds are not selective and can also react with other peroxides and ONOO−. The typical representative salens are EUK-8, EUK-134 and EUK-189, which have been shown to be protective in many non-human animal models of human diseases, including sepsis137, heart ischaemia–reperfusion138, cardiomyopathy139, haemorrhage140 and amyotrophic lateral sclerosis141 (EUK-8); IRI142 and stroke143 (EUK-134); radiation lung fibrosis144, cognitive impairment145, diaphragm muscle weakness in monocrotalin-induced pulmonary hypertension146 and hyperthermia147 (EUK-189). However, no human clinical trial for salens has yet been reported.

 NOS, 일산화질소 합성효소.

O2•−를 특이적으로 제거하기 위해 개발되었음에도 불구하고, 대부분의 SOD 모방체는 비특이적이며 ONOO−, 페록실 라디칼, H2O2 및 CO3•−와 같은 다른 활성 산소 또는 질소 종도 감소시킬 수 있다(참고문헌113,114). 또한, Mn 포르피린, Mn(ii) 고리형 폴리아민 및 M40403과 같은 일부 SOD 모방체는 산화 촉진제로 작용하여 티올112, 아스코르브산115 및 테트라하이드로바이오프테린116과 반응하여 산화 환원 민감 신호 전달 경로 및 세포 전사117,118에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 SOD 모방 물질의 일부 보호 효과는 SOD를 모방하는 활동 이외의 다른 활동에 기인할 수 있습니다.

SOD 자체는 1970년대 후반에 오르고테인(orgotein)이라는 약물로 처음 개발되었지만, 인간 사용에 대해서는 승인되지 않았습니다119. 그러나 오르고테인의 항염증 특성을 기반으로 한 여러 임상 시험이 수행되었습니다. 이중맹검 위약 대조 연구를 통해 오르고틴이 방사선 치료로 인한 방사선 유발 급성 방광염 및 직장염 발생률과 같은 방광암 환자의 방사선 치료 부작용을 완화하거나 예방하는 데 안전하고 효과적으로 사용될 수 있음이 입증되었다120,121. 그러나 다른 임상 시험에서는 오르고테인이 방사선 반응이나 급성 방사선 반응에 유익한 효과를 보이지 않았으며, 일부 환자에서 주사 부위의 현저한 피하 침윤 및 발적과 같은 부작용을 유발했습니다122. 현재 오르고테인은 비인간 동물에서 항염증제로 사용되고 있습니다.

가장 많이 연구된 SOD 모사체 계열은 아마도 망간 포르피린일 것이다. 다양한 망간 포르피린 화합물이 합성되어 O2•− 이온 분해 활성114 측면에서 평가되었다. 그중 일부 화합물(예: MnTM-2-pYp5+ 및 MnTE-2-pYp5+)은 매우 높은 SOD 활성을 보였다. 비록 근본적인 작용 기전이 SOD 유사 활성을 통한 것인지, 아니면 다른 작용 (예: 산화 촉진 활성)인지는 일부 사례에서 여전히 불분명하지만, MnTE-2-pYp5+ 및 MnTDE-2-ImP5+와 같은 많은 Mn 포르피린 화합물의 보호 및 치료 효과는 뇌졸중123, 방사선 손상124, 암125,126, 당뇨병127 및 심혈관계 손상128을 포함한 비인간 동물 질병 모델에서 입증되었습니다. 이러한 전임상 결과는 산화 스트레스가 중요한 역할을 하는 질환의 임상 치료에서 망간 포르피린의 잠재력을 시사한다. 현재, 근위축성 측삭 경화증 환자를 대상으로 한 MnTDE-2-ImP5+의 1상 임상 시험에서는 치료 용량에서 독성이 나타나지 않았다129.

또 다른 유망한 SOD 모방체는 GC4419로, 새로운 고안정성 Mn(ii) 함유 펜타아자마크로사이클릭 화합물이다. GC4419는 다른 산화제와 반응하지 않으면서 과산화수소 음이온을 선택적으로 제거한다130. 시험관 내 연구에서 GC4419는 암세포 사멸에 있어 아세틸코린(AscH−)의 독성을 현저히 증강시켰다131. 또한 GC4419는 염증132, 관절 질환133 및 심근 IRI134를 모델로 한 여러 비인간 동물 모델에서 치료 효과를 나타냈다. 최근 방사선 및 화학요법을 병행한 구인두암의 중증 구강 점막염에 대한 1상 임상시험 결과, GC4419의 환자 안전성은 수용 가능한 수준으로 나타났다135.

살렌(Salens)은 방향족 치환 에틸렌디아민 금속 복합체로, 새롭게 등장한 SOD 모방체 계열을 대표한다. Mn(iii)을 함유한 살렌 복합체는 O2•− 및 H2O2 이중산화 활성을 모두 가진다136. 살렌 화합물은 선택성이 없어 다른 과산화물 및 ONOO−와도 반응할 수 있다. 대표적인 살렌 화합물로는 EUK-8, EUK-134 및 EUK-189가 있으며, 이들은 패혈증137, 심장 허혈-재관류138, 심근병증139, 출혈140 및 근위축성 측삭 경화증141(EUK-8); IRI142 및 뇌졸중143(EUK-134); 방사선 폐섬유증144, 인지 장애145, 모노크로탈린 유발 폐고혈압에서의 횡격막 근육 약화146 및 고열증147(EUK-189) 등이다. 그러나 살렌에 대한 인간 임상 시험은 아직 보고된 바 없다.

Glutathione peroxidase mimics

A variety of mimics of GPXs have been developed148. Among these mimetics, the selenoorganic compound ebselen (2-phenyl-1,2-benzisoselenazol-3(2H)-one) is best known, with its broad specificity for substrates from H2O2 and smaller organic hydroperoxides to membrane-bound phospholipid and cholesterol hydroperoxides149. Ebselen may also induce phase II detoxification enzymes150. In non-human animal studies, ebselen has been shown to reduce oxidative damage150, prevent the acute loss of outer hair cells and reduce hearing loss151, and decrease inflammation152. Accordingly, several clinical trials have been conducted in diseases including Meniere disease (phase III, NCT04677972), bipolar disorder153, complete occlusion of the middle cerebral artery154, delayed neurological deficits after aneurysmal subarachnoid haemorrhage155 and acute ischaemic stroke156. In these studies, oral administration of ebselen was well tolerated, exerted therapeutic effects and displayed favourable bioavailability.

ALT-2074 (BXT-51072) is a newer analogue of ebselen, displaying increased GPX activity and potency. In vitro, ALT-2074 inhibited the inflammatory response in endothelial cells157, reduced oxidative damage and prevented neuronal death158, and in a mouse model of heart ischaemia–reperfusion it reduced infarct size159. A phase II clinical trial of ALT-2074 (NCT00491543) in diabetes and coronary artery disease has been completed but data are not yet available. Another clinical trial on psoriasis (NCT00782613) was terminated but the reasons for this remain unknown.

글루타티온 퍼옥시다제 모방체

다양한 GPX 모방 물질이 개발되었다148. 이들 모방 물질 중 셀레노유기 화합물인 에브셀렌(2-페닐-1,2-벤지소셀레나졸-3(2H)-온)이 가장 잘 알려져 있으며, H2O2 및 더 작은 유기 과산화수소부터 막 결합 인산지질 및 콜레스테롤 과산화수소에 이르기까지 광범위한 기질 특이성을 가진다149. 에브셀렌은 또한 2단계 해독 효소를 유도할 수 있다150. 비인간 동물 연구에서 에브셀렌은 산화적 손상을 감소시키고150, 외이모세포의 급성 손실을 예방하며 청력 손실을 줄이고151, 염증을 감소시키는 것으로 나타났다152. 이에 따라 메니에르병(3상, NCT04677972), 양극성 장애153, 중대뇌동맥 완전폐색154, 동맥류성 지주막하출혈 후 지연성 신경학적 결손155 및 급성 허혈성 뇌졸중156을 포함한 여러 질환에 대한 임상 시험이 수행되었습니다. 이러한 연구에서, 경구 투여된 에브셀렌은 내약성이 우수하고 치료 효과를 발휘하며 생체 이용률이 양호한 것으로 나타났습니다.

ALT-2074(BXT-51072)는 에브셀렌의 신형 유사체로, 향상된 글루타티온 과산화효소(GPX) 활성과 효능을 나타낸다. 시험관 내 연구에서 ALT-2074는 내피세포의 염증 반응을 억제했으며157, 산화적 손상을 감소시키고 신경세포 사멸을 방지했으며158, 심장 허혈-재관류 마우스 모델에서 심근경색 크기를 감소시켰다159. 당뇨병 및 관상동맥질환 대상 ALT-2074(NCT00491543)의 2상 임상시험은 완료되었으나 데이터는 아직 공개되지 않았다. 건선 대상 다른 임상시험(NCT00782613)은 중단되었으나 그 이유는 아직 알려지지 않았다.

Chelation of iron

It has long been recognized that when iron and copper are released from proteins, they can participate in •OH production, and that some chelators enhance that activity while others inhibit it160. In principle, using the inhibitory chelators would be an excellent strategy to prevent •OH production; however, as iron is essential for many biological activities, chelation therapy is generally restricted to the prevention of iron overload in patients with sickle cell disease and thalassaemia, who require frequent transfusions161.

Increasing GSH

Although most cells have a concentration of GSH in the millimolar range, GSH is often significantly decreased by oxidative stress. Thus, approaches to maintaining or replenishing GSH using GSH esters or agents that provide its precursor, cysteine, the limiting amino acid in GSH synthesis, have shown effectiveness in various diseases.

N-acetylcysteine

N-acetylcysteine (NAC) is one of the most studied antioxidant agents for therapeutic treatment (Table 1). It is water soluble and quickly absorbed primarily via the anion exchange protein on the cell membrane162. NAC in cells is deacetylated to produce cysteine. Evidence indicates that the antioxidant function of NAC is primarily mediated via replenishing GSH163. NAC can also reduce cysteine conjugates in plasma162. NAC has been used therapeutically for the treatment of many pathologies, including liver paracetamol (also known as acetaminophen) toxicity164, cystic fibrosis, where it is delivered through the airways165 and nephropathy166. In non-human animal studies and clinical trials, NAC is being investigated for prevention or treatment of many other diseases and conditions. The results from these studies are conflicting and a consensus has yet to be reached. Failure of NAC to exert a therapeutic effect may be due to oxidative stress being a secondary contributor to the disease being studied.

GSH esters

GSH itself is not effectively transported into most cells, and exogenously administered GSH is rapidly degraded in plasma167. Thus, using derivatives of GSH is a strategy for more successful delivery. Ester derivatives of GSH, including monomethyl (GSH-OMe), monoethyl (GSH-MEE), diethyl (GSH-DEE) and isopropyl esters have been synthesized and eval‎uated for the efficiency of GSH supplementation. In GSH-MEE, the carboxyl group of the glycine residue is esterified (Glu-Cys-Gly-OEt); whereas in GSH-DEE both glutamate and glycine residues are esterified (tEO-Glu-Cys-Gly-OEt). GSH esters are lipophilic, more efficiently transported across the cellular membrane and resistant to degradation by γ-glutamyl transpeptidase in plasma168. Once inside cells, GSH esters are rapidly hydrolysed by nonspecific esterases and form GSH. The transport of GSH-DEE into cells seems more efficient than that of the monoester169, and human cells can rapidly convert the diethyl ester into the monoester, which is hydrolysed into GSH.

The high efficiency of GSH esters to increase cell and/or tissue GSH has been evidenced in many studies in cell and non-human animal models170–175. Subcutaneous or intraperitoneal injection of GSH esters into animals was able to increase GSH levels in various tissues including liver170, kidney170, spleen, pancreas and heart176, but not brain177. Brain GSH levels can be increased via intracerebroventricular174 delivery of GSH-MEE177. Although oral administration could also increase tissue GSH levels, this is less effective176.

The relative efficacy of various GSH esters to increase tissue GSH remains unclear owing to limited evidence. Some cell culture-based studies suggest that GSH-DEE is more effective than GSH-MEE in increasing GSH levels169. GSH-DEE is metabolized differently in the plasma of non-human animals and humans. In mouse and rat, plasma GSH-DEE is rapidly converted into GSH-MEE by plasma α-esterase, whereas human (and many other species including hamster, guinea pig, rabbit and sheep) plasma has no α-esterase activity, meaning that GSH-DEE can be transported into tissues more efficiently than GSH-MEE169. However, no direct comparison study has been conducted on the relative efficacy of the different GSH esters in clinical settings. Although the reports above suggest that humans have apparently been treated with GSH without adverse effects, and the efficacy of GSH esters to increase GSH levels and alleviate oxidative damage in cells and non-human animals has been demonstrated, no clinical trials have been reported with any GSH ester. Figure 2 summarizes the strategies for maintaining GSH in cells.

철 킬레이트화

철과 구리가 단백질로부터 방출될 때 •OH 생성에 관여할 수 있으며, 일부 킬레이트제는 이 활성을 촉진하는 반면 다른 킬레이트제는 이를 억제한다는 사실은 오래전부터 알려져 있다160. 원칙적으로 억제성 킬레이트제를 사용하는 것은 •OH 생성을 방지하는 탁월한 전략이 될 수 있으나, 그러나 철은 많은 생물학적 활동에 필수적이므로, 철분 과부하 예방을 위한 킬레이션 요법은 일반적으로 빈번한 수혈이 필요한 겸상적혈구병 및 지중해빈혈 환자에게 제한적으로 적용됩니다161.

GSH 증가

대부분의 세포에서 GSH 농도는 밀리몰 수준이지만, 산화 스트레스에 의해 GSH는 종종 현저히 감소한다. 따라서 GSH 에스터나 GSH 합성의 제한 아미노산인 시스테인(GSH의 전구체)을 공급하는 약물을 사용하여 GSH를 유지하거나 보충하는 접근법은 다양한 질환에서 효과를 보여왔다.

N-아세틸시스테인

N-아세틸시스테인(NAC)은 치료적 목적으로 가장 많이 연구된 항산화제 중 하나이다(표 1). 수용성이며 주로 세포막의 음이온 교환 단백질을 통해 빠르게 흡수된다162. 세포 내 NAC는 탈아세틸화되어 시스테인을 생성한다. 증거에 따르면 NAC의 항산화 기능은 주로 GSH 보충을 통해 매개됩니다163. 또한 NAC는 혈장 내 시스테인 접합체를 감소시킬 수 있습니다162. NAC는 간 아세트아미노펜(파라세타몰) 독성164, 낭포성 섬유증(기도를 통해 투여됨)165, 신병증166 등 다양한 병리학적 상태의 치료에 사용되어 왔습니다. 비인간 동물 연구 및 임상 시험에서 NAC는 다른 여러 질환 및 상태의 예방 또는 치료를 위해 연구되고 있습니다. 이러한 연구 결과는 상충되며 아직 합의점에 도달하지 못했습니다. NAC가 치료 효과를 발휘하지 못하는 것은 연구 대상 질환에서 산화 스트레스가 이차적 요인일 수 있기 때문입니다.

GSH 에스터

GSH 자체는 대부분의 세포로 효과적으로 운반되지 않으며, 외인성으로 투여된 GSH는 혈장에서 빠르게 분해됩니다167. 따라서 GSH 유도체를 사용하는 것이 더 성공적인 전달을 위한 전략입니다. GSH의 에스터 유도체인 모노메틸(GSH-OMe), 모노에틸(GSH-MEE), 디에틸(GSH-DEE) 및 이소프로필 에스터가 합성되어 GSH 보충 효율성을 평가받았습니다. GSH-MEE에서는 글리신 잔기의 카르복실기가 에스테르화됩니다(글루-시스-글리-OEt); 반면 GSH-DEE에서는 글루타메이트와 글리신 잔기 모두 에스테르화됩니다(tEO-글루-시스-글리-OEt). GSH 에스테르는 친유성이며, 세포막을 더 효율적으로 통과하고 혈장 내 γ-글루타밀 트랜스펩티다아제에 의한 분해에 저항성이 있습니다168. 일단 세포 내로 들어가면, GSH 에스테르는 비특이적 에스테라아제에 의해 빠르게 가수분해되어 GSH를 형성합니다. GSH-DEE의 세포 내 수송은 모노에스테르보다 더 효율적인 것으로 보이며169, 인간 세포는 디에틸 에스테르를 모노에스테르로 빠르게 전환할 수 있으며, 이는 가수분해되어 GSH로 전환됩니다.

GSH 에스테르가 세포 및/또는 조직 내 GSH를 증가시키는 높은 효율성은 세포 및 비인간 동물 모델을 대상으로 한 다수의 연구170–175에서 입증되었습니다. 동물에 GSH 에스테르를 피하 또는 복강 내 주사했을 때 간170, 신장170, 비장, 췌장 및 심장176을 포함한 다양한 조직에서 GSH 수치가 증가했으나 뇌에서는 증가하지 않았습니다177. 뇌 GSH 수준은 GSH-MEE의 뇌실내 투여를 통해 증가시킬 수 있다174. 경구 투여도 조직 GSH 수준을 증가시킬 수 있으나, 이는 덜 효과적이다176.

조직 GSH 증가에 대한 다양한 GSH 에스테르의 상대적 효능은 제한된 증거로 인해 여전히 불분명하다. 일부 세포 배양 기반 연구는 GSH-DEE가 GSH-MEE보다 GSH 수준 증가에 더 효과적임을 시사한다169. GSH-DEE는 비인간 동물과 인간의 혈장에서 서로 다른 방식으로 대사됩니다. 쥐와 생쥐의 경우 혈장 α-에스테라아제에 의해 혈장 내 GSH-DEE가 신속하게 GSH-MEE로 전환되지만, 인간(및 햄스터, 기니피그, 토끼, 양 등 많은 다른 종)의 혈장에는 α-에스테라아제 활성이 없어 GSH-DEE가 GSH-MEE보다 조직으로 더 효율적으로 운반될 수 있습니다169. 그러나 임상 환경에서 다양한 GSH 에스테르의 상대적 효능에 대한 직접 비교 연구는 수행된 바 없습니다. 위 보고서는 인간이 GSH로 치료받았음에도 부작용이 없었음을 시사하며, GSH 에스테르가 세포 및 비인간 동물에서 GSH 수치를 증가시키고 산화적 손상을 완화하는 효능이 입증되었음에도, 어떤 GSH 에스테르에 대한 임상 시험도 보고된 바 없습니다. 그림 2는 세포 내 GSH 유지 전략을 요약합니다.

그림 2. 글루타티온 대사 및 글루타티온 증가 전략.

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글루타티온(GSH)은 글루타메이트-시스테인 리가아제(GCL)와 GSH 합성효소(GS)가 촉매하는 반응을 통해 합성되며, GCL이 속도 제한 효소이고 시스테인이 속도 제한 기질이다. 환원형 GSH와 글루타티온 디설파이드(GSSG)는 모두 다약제 내성 단백질(MRP)을 통해 세포 외부로 배출되며, 세포외 GSH는 막 결합형 γ-글루타밀 트랜스펩티다제(GGT)에 의해 시스테인일글리신과 γ-글루타밀 생성물로 순차적으로 대사되고, 디펩티다제가 시스테인일글리신을 시스테인과 글리신으로 가수분해합니다. 아미노산들은 세포로 재수송되어 글루타티온 합성에 참여한다. N-아세틸시스테인(NAC)은 에스테라아제 작용으로 탈아세틸화되어 시스테인으로 전환되며, 글루타티온 에스터(GSH-E)는 에스테라아제에 의해 직접 글루타티온으로 전환된다. γ-글루타밀시스테인(γ-glu-cys)은 글루타티온 합성의 속도 제한 단계인 글루타티온-시스테인 환원효소(GCL) 경로를 우회할 수 있다. 친전자체는 NRF2의 활성화를 유발하며, 이는 GCL의 두 서브유닛과 GS의 전사를 조절한다. 일부 수송체가 확인되었다: ASC(나트륨 의존성 알라닌-세린-시스테인 수송체); Xc−(시스틴/글루타메이트 항포터 시스템). 물음표는 GSH-E, γ-글루-시스 및 NAC에 대한 미확인 수송체/채널을 나타낸다.

NRF2 활성화제

NRF2 신호전달의 이상 조절(Box 3; Fig. 3)은 심혈관 질환178, 신경퇴행성 질환179 및 폐질환180을 포함한 많은 산화 스트레스 관련 질환과 연관되어 있습니다. 따라서 NRF2 활성화제는 항산화 능력 유도 및 병리 완화를 위한 잠재적 치료제로 간주됩니다. 특히 NRF2를 통한 항산화 효소 유도는 항산화 치료법 개발의 주요 경로입니다. 실제로 폴리페놀과 같은 소분자가 효과적일 때, 이들은 주로 NRF2 신호전달에 의해 매개되는 항산화 효소 유도를 통해 작용합니다6. NRF2 활성화제는 작용 기전에 따라 다섯 가지 범주로 분류됩니다(그림 3): Kelch-like ECH-associated protein 1(KEAP1; NRF2의 프로테아좀 분해를 조절함)의 변형. KEAP1은 센서 시스테인이 친전자체와 부가물을 형성하거나 이황화물로 산화될 때 비활성화됩니다; 글리코겐 신타제 키나아제 3β(GSK3β)–NRF2 인산화 축(Neh6 도메인–βTrCP)의 산화적 억제를 통한 β-트랜스듀신 반복 포함 단백질(βTrCP; NRF2의 분해를 위한 유비퀴틴화)과 NRF2 간 상호작용 교란; p62에 의한 KEAP1 격리; 비활성화된 KEAP1에 의한 분해를 회피하는 NRF2의 신규 합성(참고문헌 181); BACH1 번역 억제제182 및 BACH1 분해 촉진제183을 포함한 BACH1 억제제로 NRF2 억제 감소.

그림 3. NRF2 신호전달 경로 및 항산화 치료 접근법.

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(1) 전사인자 NRF2는 세포 내에서 지속적으로 합성되지만, 기초 조건에서는 핵으로의 수송이 낮은 수준을 유지한다. 이는 26S 프로테아좀에 의한 분해를 촉진하는 Kelch-like ECH-associated protein 1 (KEAP1)과의 결합을 통한 분해 때문이다. NRF2 합성을 촉진하는 것은 항산화 치료 접근법이다. (2) 친전자성 물질에 노출되면 KEAP1은 알킬화되어 NRF2 분해를 유발하는 능력을 상실한다. 비독성 친전자성 물질을 이용해 KEAP1을 알킬화하는 것은 또 다른 주요 치료 접근법이다. KEAP1에서 SH는 티올 형태를, SX는 친전자성 물질(X)과 형성된 부가물을 나타낸다. (3) 병행 경로에서 글리코겐 신타제 키나제 3β (GSK3β)는 NRF2를 인산화하며, 이는 β-트랜스듀신 반복 구조 단백질(βTrCP)과 함께 프로테아좀에 의해 분해된다. 이 과정은 GSK3β의 산화적 비활성화에 의해 억제된다. 산화제에 의한 GSK3β 억제와 Deh6 도메인에서의 NRF2 인산화는 NRF2와 βTrCP 간의 상호작용을 방해한다. GSK3β 억제는 NRF2 신호전달을 조절하는 또 다른 잠재적 치료 접근법이다. (4) 산화 유도 KEAP1 분해는 또한 p62 매개 KEAP1 격리 및 자가포식을 통해 발생하며, 이 과정은 TANK 결합 키나아제 1(TBK1)과 기계적 표적 라파마이신 복합체 1(mTORC1)을 통한 p62 인산화에 의해 시작된다. 따라서 p62는 또 다른 잠재적 치료 표적이 된다. 분해를 피한 새로 합성된 NRF2는 핵으로 이동하여 항산화 유전자 프로모터의 EpRE 서열에 결합하여 발현을 증가시킨다. NRF2 활성은 또한 단백질 키나아제 C(PKC)에 의한 NRF2 인산화269 및 p21(ref.270) 및 BRCA1(ref.271)과 같은 다른 단백질과의 상호 작용을 통해 긍정적으로 조절됩니다. (5) 핵 내에서 BACH1은 소형 Maf(sMaf) 또는 Jun 단백질과 이종 이합체를 형성하기 위해 경쟁하고 전기성 반응 요소(EpRE)272–274에 결합함으로써 NRF2 활성을 음성적으로 조절합니다. 따라서 BACH1을 억제하는 화합물은 일부 NRF2 조절 유전자의 발현을 증가시키는 대체 치료 접근법을 제공합니다. 잠재적 치료 표적이 될 수 있는 다른 NRF2 음성 조절 인자로는 HRD1, CRIF1, 프로제린 및 NRF2에 대한 마이크로RNA가 있습니다(참고문헌 99).

차, 코코아 및 브로콜리, 브로콜리 새싹, 포도씨, 강황을 포함한 많은 식이 채소와 과일의 추출물은 NRF2 신호 전달을 활성화하고 항산화 효소를 유도할 수 있습니다184,185. 이들 중 일부는 질병 치료 및/또는 예방을 위한 임상 시험 중에 있습니다. 예를 들어, 심폐기전질환(COPD), 골관절염, 관절 경직 및 당뇨병성 신병증을 포함한 다양한 질환에 대해 강황 추출물 관련 11건의 임상시험과 브로콜리 또는 브로콜리 새싹 보충제 관련 55건의 임상시험이 완료되었거나 진행 중입니다(www.clinicaltrials.gov). Yagishita 등186은 임상시험을 위한 제형, 생체이용률, 효능 및 용량을 포함하여 브로콜리/브로콜리 새싹에 관한 현재 진행 상황을 요약했습니다. 일반적으로 항산화 능력 증진을 포함한 일부 유익한 효과가 임상시험에서 관찰되었으나, 인간에서의 약력학적 작용 바이오마커 개발 및 검증에는 더 많은 노력이 필요합니다. 앞서 지적한 바와 같이, 산화 스트레스가 병리에서 부차적인 역할만 한다면 항산화 방어 능력 증가는 질병 치료나 예방에 제한적일 수 있습니다. 이러한 식이 보충제의 항산화 특성의 근본적인 메커니즘은 종종 야채와 과일에 존재하는 쿠마린과 폴리페놀에 의존하며, 이는 친전자성 퀴논으로 산화되어 KEAP1 시스테인과 부가물을 형성합니다6.

이러한 NRF2 활성화제 다수가 항산화 효소를 유도하고 산화 손상을 완화하는 효과는 비인간 동물 연구에서 확인되었으며, NRF2 활성화 및 항산화 유도 메커니즘을 기반으로 한 약물 개발에서 상당한 진전이 있었습니다. 커큐민, 설포라판, 레스베라트롤을 포함한 여러 식이 NRF2 활성화제는 일상적인 보충제로 개발되었으며, 일부 NRF2 활성화제는 질병 치료를 위한 임상 시험 단계에 있습니다187. 선별된 친전자성 NRF2 활성화제와 관련 임상 시험은 이전에 요약된 바 있다187. 이러한 NRF2 활성화제는 항염증 효과188–190 등 NRF2 활성화에 의존하지 않는 다중 기능을 가질 수 있다는 점이 주목된다. 표 2는 선별된 식이성 NRF2 활성화제의 임상 시험 총 건수를 열거하며, NRF2 활성화 및/또는 항산화 잠재력에 기반한 시험을 표시한다. 명확히 하자면, NRF2 활성화 연구가 명시되지 않은 일부 약제들도 실제로는 NRF2를 활성화할 가능성이 여전히 존재한다. 단지 해당 사항이 조사되지 않았을 뿐이다.

표 2.

임상 시험 중인 NRF2 활성화제

화합물 적응증 (NRF2에 대한 제안된 작용)a 시험 단계 임상 시험 ID

설포라판 만성 폐쇄성 폐질환 (참조197) II NCT01335971

우울 장애 II NCT04246905

제2형 당뇨병 II NCT02801448

노화 II NCT03126539

방광암, 방광 종양, 요로상피암 II NCT03517995

유방암에서의 안트라사이클린 관련 심근독성 I/II NCT03934905

자폐 스펙트럼 장애 (참조250,251) I/II NCT02561481

만성 신장 질환 NA NCT04608903

레스베라트롤 만성 신부전 (참조.252) III NCT02433925

만성 무증상 염증, 산화 환원 상태 III NCT01492114

확장성 심근병증 III NCT01914081

프리드리히 운동실조증 II NCT03933163

여포성 림프종 II NCT00455416

내피 기능 장애 I NCT02616822

기억력 I NCT01126229

만성 신장 질환, 내피 기능 장애 NA NCT03597568

낭포성 섬유증 NA NCT02690064

염증성 장 질환 NA NCT04513015

대사 증후군 NA NCT02219906

폐경 후 인슐린 저항성 NA NCT03090997

제2형 당뇨병 NA NCT01038089

케르세틴 COVID-19 IV NCT04468139

관상 동맥 질환 진행 III NCT03943459

자폐 스펙트럼 장애 II NCT01847521

만성 폐쇄성 폐질환 I/II NCT03989271

항암제 유발 구강 점막염 I/II NCT01732393

위축성 구강 편평태선, 침식성 구강 편평태선 (참조: 253) I NCT01375101

만성 C형 간염 I NCT01438320

판코니 빈혈 I NCT01720147

위식도 역류 질환, 위산 역류, 역류 I NCT02226484

커큐민 만성 정신분열증 IV NCT02298985

주요 우울증 IV NCT01750359

과민성 대장 증후군 IV NCT00779493

치주염 IV NCT04032132

치주염 IV NCT04044417

레버 유전성 시신경병증 III NCT00528151

만성 신장 질환, 제2형 당뇨병, 다형성 (참조: 254) II/III NCT03262363

인슐린 비의존성 당뇨병 II/III NCT02529969

알츠하이머병 II NCT00099710

건강한 사람 II NCT01489592

염증, 죽상경화증, 심혈관 질환 II NCT02998918

과민성 대장 증후군 II NCT01167673

다발성 경화증 II NCT01514370

자궁경부암 II NCT04294836

걸프전 증후군 I/II NCT02848417

구강 편평태선 I NCT03877679

만성 신장 질환 NA NCT03475017

만성 신장 질환, 복막 투석, 혈액 투석 NA NCT04413266

관상 동맥 질환, 산화 스트레스, 염증 NA NCT04458116

바르독솔론-메틸 (CDDO-Me, RTA402) 만성 신장 질환, 제 2 형 당뇨병, 당뇨병성 신병증 (참조255–257) II NCT00811889

만성 신부전, 제2형 당뇨병 II NCT01053936

당뇨병성 신병증 II NCT00664027

폐동맥 고혈압, 폐고혈압, 간질성 폐질환 II NCT02036970

간 질환 I/II (완료) NCT00550849

RTA-408 (오마벨록솔론) 프리드리히 운동실조증 (참조258) II NCT02255435

미토콘드리아 근병증 (참조259–261) II NCT02255422

방사선 피부염 II NCT02142959

디메틸푸마레이트 다발성 경화증 (참조262–264) 승인됨 NCT02683863

올티프라즈 폐암 예방 (참조.265) I NCT00006457

CXA-10 급성 신장 손상 (비외상성) (참조.266) I NCT02127190

안드로그래폴라이드 NA (참조.267) NA NA

우르소디올 NA (참조.268) NA NA

ALKS-8700 NA NA NA

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COPD, 만성 폐쇄성 폐질환; GERD, 위식도 역류 질환; NA, 정보 없음. aNRF2에 대한 제안된 작용을 기술한 참고문헌.

치료적 NRF2 활성화가 직면한 과제

NRF2 활성화제의 치료적 사용과 관련된 여러 우려 사항과 과제가 존재한다191,192. 첫 번째는 낮은 생물학적 유효 농도와 관련이 있는데, 대부분의 NRF2 활성화제는 친전자성이며 빠르게 대사되어 말초 장기에서의 생체 이용률이 낮을 수 있기 때문이다. 그러나 일부 증거에 따르면, 시아노에논과 같은 일부 친전자체와 친핵체(KEAP1의 시스테인 포함)의 마이클 부가물은 가역적이며193, 이는 생체 내에서 이러한 친전자체의 생체 이용률과 농도를 크게 증가시킬 수 있습니다. 이 개념은 혈액 내 반감기가 10시간인 합성 시아노에논 화합물 TBE31194에 의해 입증되었으며, 나노몰 농도에서 생체 내 NRF2 활성을 현저히 증가시켰습니다195. 이러한 공유 결합 부가물의 가역성이 다른 친전자성 물질, 특히 설포라판 및 커큐민과 같은 천연 화합물에서도 발생하는지는 아직 불분명합니다. 또한 임상 시험에서 경구용 설포라판이 항산화 인자 발현을 유도하는 효과에 대해서는 논란이 있으며, 항산화 인자 발현 증가196과 효과 없음197이 모두 보고되었다. 일반적으로 NRF2 활성화제의 효능을 추가로 평가하기 위해서는 표적 기관에서의 NRF2 및 항산화 인자 유도에 관한 더 많은 임상 시험 데이터가 필요하다.

또 다른 주요 우려 사항은 비특이적 효과의 위험성이다. NRF2 활성화 및 항산화 효소 유도와 더불어, 일부 NRF2 활성화제는 다른 신호 전달 경로에 작용하여 관련 생물학적 과정을 방해할 수 있다. 예를 들어, 설포라판은 NF-κB188 및 인플라마좀 활성화198 억제를 통해 염증 반응을 억제하고, PI3K–AKT 및 MAPK–ERK 경로199 억제를 통해 세포 주기 정지를 유발할 수 있다. 이러한 비특이적 효과 대부분은 10μM 이상의 설포라판을 사용한 체외 세포 연구에서 조사되었으며, 이는 생체 내에서 도달하기 어려운 농도이다. NRF2 독립적 효과를 이해하는 것은 유익한 효과와 치료 효과의 기전을 규명하는 데 중요하지만, 대부분의 NRF2 활성화제에서는 특히 생체 내 용량 의존성과 관련하여 충분히 연구되지 않았다.

비특이성의 또 다른 측면은 NRF2 활성화 및 항산화 유도 효과가 특정 세포나 장기에 국한되지 않아 전신적 부작용을 초래할 수 있다는 점이다. 예를 들어, 일부 증거에 따르면 NRF2 활성화는 암 발병을 예방할 수 있지만, 암 진행을 촉진할 수도 있다200–202. 세포 연구에 따르면, NRF2 활성 및 항산화 능력의 증가는 화학요법 약물에 대한 내성203–206에도 기여할 수 있으며, 이는 다른 연구자들에 의해 검토된 바 있다207–209. 현재의 증거만으로는 명확한 결론을 내리기에는 부족하며, NRF2가 발암 촉진 및 화학요법 내성 유발에 미치는 역할을 규명하기 위해서는 보다 체계적인 생체 내 연구가 필요하다. 증가된 NRF2 활성이 종양 성장 촉진 및/또는 화학요법 저항성 증가를 유발한다면, 적어도 화학요법을 받는 암 환자를 포함한 취약 대상자에게는 NRF2 활성화제의 전신 투여를 피해야 한다. 장기적인 NRF2 활성화의 다른 부작용은 덜 보고되었다. 비전전자성 약물 및 산화 스트레스가 발생하는 부위에서만 활성화를 보이는 약물의 개발을 포함한 여러 전략이 전신 부작용을 피하기 위해 제안되었다192.

NADPH 산화효소 억제

NOX는 O2•− 및 H2O2의 공급원으로서 산화환원 신호 전달과 미생물 사멸에 중요하지만, 과도한 NOX 활성화는 정상 조직 손상을 초래할 수 있습니다. NOX를 억제하는 약제는 두 가지 유형이 있습니다. 효소 활성을 억제하는 약제와 다중 단백질 복합체인 NOX2 효소의 조립을 방지하는 약제입니다. 첫 번째 유형 중 디페닐렌요오도늄(DPI)은 연구에서 흔히 사용되지만, 플라보단백질의 비특이적 억제제이자 요오드 이온 수송 억제제이기도 합니다210. 에브셀렌(ebselen), CYR5099, 아포시닌(apocynin), GKT137831 등 NOX 억제제로 알려진 여러 약제들은 비인간 동물 모델 및 임상 시험에서 유망한 결과를 보였으나, 그 효과는 NOX 억제에 기인한 것이 아니었다211. 그럼에도 불구하고, 유전자 결손을 이용한 비인간 동물 모델에서 NOX1, NOX2 및 NOX4 억제의 잠재적 가치가 입증되었으며212, 저분자량 NOX 억제제 탐색은 계속되고 있다.

NOX 복합체 조립을 억제하는 소분자 펩타이드들은 치료적 잠재력을 지닌다213. 이러한 소분자 펩타이드들은 활성 부위 억제제보다 다양한 NOX에 대해 더 특이적일 수 있으나, 아직 임상 시험 단계까지 진전된 것은 없다. 세 번째 잠재적 접근법은 NOX 복합체 구성 요소의 합성을 방해하는 것이지만, 이 역시 아직 임상 시험 단계에 이르지 못했다.

Fig. 2. Glutathione metabolism and strategies to increase glutathione.

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Glutathione (GSH) is synthesized through reactions catalysed by glutamate–cysteine ligase (GCL) and GSH synthetase (GS), with GCL as the rate-limiting enzyme and cysteine as the rate-limiting substrate. Both reduced GSH and glutathione disulfide (GSSG) are exported from cells through multidrug resistance protein (MRP), and extracellular GSH is sequentially metabolized by membrane-bound γ-glutamyl transpeptidase (GGT) into cysteinylglycine and γ-glutamyl products, and dipeptidase hydrolyses cysteinylglycine to cysteine and glycine. The amino acids are transported back into cells and participate in GSH synthesis. N-acetylcysteine (NAC) is deacetylated by esterase action into cysteine, while GSH esters (GSH-E) are directly converted by esterase into GSH. γ-Glutamylcysteine (γ-glu-cys) can bypass GCL, the rate-limiting step for GSH synthesis. Electrophiles cause the activation of NRF2, which regulates the transcription of the two subunits of GCL, and also GS. Some transporters have been identified: ASC, sodium-dependent alanine-serine-cysteine transporter; Xc−, system cystine/glutamate antiporter. Question marks denote the unidentified transporters/channels for GSH-E, γ-glu-cys and NAC.

NRF2 activators

Dysregulation of NRF2 signalling (Box 3; Fig. 3) is implicated in many oxidative stress-related diseases including cardiovascular diseases178, neurodegenerative disorders179 and pulmonary diseases180. Therefore, NRF2 activators are regarded as potential agents to induce antioxidant capacity and alleviate pathology. The induction of antioxidant enzymes, particularly through NRF2, is a major way in which antioxidant therapy is being developed. Indeed, when the small molecules such as polyphenols are effective, they act primarily through antioxidant enzyme induction mediated by NRF2 signalling6. NRF2 activators comprise five categories, according to their mechanisms of action (Fig. 3): modification of Kelch-like ECH-associated protein 1 (KEAP1; regulates proteasomal degradation of NRF2), which is inactivated when its sensor cysteines form adducts with electrophiles or when they are oxidized to disulfides; disruption of the interaction between β-transducin repeat-containing protein (βTrCP; ubiquitylates NRF2 for degradation) and NRF2, via oxidative inhibition of the axis of glycogen synthase kinase 3β (GSK3β)–NRF2 phosphorylation at the Neh6 domain–βTrCP; KEAP1 sequestration by p62; de novo synthesis of NRF2 that escapes degradation by inactivated KEAP1 (ref.181); and BACH1 inhibitors that reduce NRF2 suppression by BACH1, including agents that inhibit BACH1 translation182 and promote BACH1 degradation183.

Fig. 3. NRF2 signalling pathway and antioxidant therapeutic approaches.

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(1) Transcription factor NRF2 is constantly synthesized in cells but its transport to the nucleus remains low under basal conditions. This is due to its degradation through association with Kelch-like ECH-associated protein 1 (KEAP1), which facilitates its degradation by the 26S proteasome. Boosting NRF2 synthesis represents a therapeutic antioxidant approach. (2) Upon exposure to electrophiles, KEAP1 is alkylated and loses its ability to cause degradation of NRF2. Using non-toxic electrophiles to alkylate KEAP1 represents another major therapeutic approach. For KEAP1, SH is the thiol form and SX denotes the adduct formed with the electrophile (X). (3) In a parallel pathway glycogen synthase kinase 3β (GSK3β) phosphorylates NRF2, which with β-transducin repeat-containing protein (βTrCP) is degraded by the proteasome, a process that is inhibited by oxidative inactivation of GSK3β. The interaction of NRF2 and βTrCP is disrupted owing to oxidant-mediated inhibition of GSK3β and the phosphorylation of NRF2 at the Deh6 domain. Inhibiting GSK3β is another potential therapeutic approach to modulate NRF2 signalling. (4) Oxidation-induced KEAP1 degradation also occurs through p62-mediated sequestration of KEAP1 and autophagy, a process initiated by phosphorylation of p62 via TANK-binding kinase 1 (TBK1) and mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1). p62 therefore provides another potential therapeutic target. Newly synthesized NRF2 that escapes degradation is translocated into the nucleus where it binds to EpRE sequences in the promoters of antioxidant genes and increases their expression‎. NRF2 activity is also positively regulated through NRF2 phosphorylation by protein kinase C (PKC)269 and its interaction with other proteins such as p21 (ref.270) and BRCA1 (ref.271). (5) In the nucleus, BACH1 negatively regulates NRF2 activity by competing to form heterodimers with small Maf (sMaf) or Jun proteins and binding to the electrophile response element (EpRE)272–274. Thus, compounds that inhibit BACH1 offer an alternative therapeutic approach for increasing expression‎ of some NRF2-regulated genes. Other negative regulators of NRF2, which represent potential therapeutic targets include HRD1, CRIF1, progerin and microRNA for NRF2 (ref.99).

Extracts from tea, cocoa and many dietary vegetables and fruits including broccoli, broccoli sprouts, grape seeds and turmeric can activate NRF2 signalling and induce antioxidant enzymes184,185, and some of these are in clinical trials for disease treatment and/or prevention. For example, 11 clinical trials for turmeric extract and 55 clinical trials for broccoli or broccoli sprout supplement have been completed or are in an active phase for various conditions including COPD, osteoarthritis, joint stiffness and diabetic nephropathy (www.clinicaltrials.gov). Yagishita et al.186 summarized the current progress on broccoli/broccoli sprout including the formulation, bioavailability, efficacy and doses for clinical trials. In general, some beneficial effects, including a boost of antioxidant capacity, were observed in the clinical trials, but more effort is required to develop and validate biomarkers of pharmacodynamic action in humans. As pointed out above, an increase in antioxidant defence may be limited in disease treatment or prevention if oxidative stress has only a secondary role in the pathology. The underlying mechanism of the antioxidant properties of these dietary supplements, often the coumarins and polyphenols present in vegetables and fruits, relies upon their oxidation to electrophilic quinones that form adducts with KEAP1 cysteines6.

The effectiveness of many of these NRF2 activators in inducing antioxidant enzymes and in alleviating oxidative damage has been confirmed in non-human animal studies, and there have been significant advances in drug development based on the mechanism of NRF2 activation and antioxidant induction. Several dietary NRF2 activators, including curcumin, sulforaphane and resveratrol, have been developed as daily supplements, while some NRF2 activators are in clinical trials for disease treatment187. Selected electrophilic NRF2 activators and the related clinical trials have previously been summarized187. It is noted that these NRF2 activators may have multiple functions such as anti-inflammatory effects188–190, some of which are not dependent on NRF2 activation. Table 2 lists the total number of clinical trials of selected dietary NRF2 activators and indicates those that are based on NRF2 activation and/or antioxidant potential. For clarification, it is still possible that some of the agents for which a study of NRF2 activation is not indicated do in fact activate NRF2 even though that was not examined.

Table 2.

NRF2 activators in clinical trials

CompoundIndications (proposed action on NRF2)aTrial phaseClinical trial ID

Sulforaphane	COPD (ref.197)	II	NCT01335971
	Depressive disorder	II	NCT04246905
	Diabetes mellitus, non-insulin-dependent	II	NCT02801448
	Ageing	II	NCT03126539
	Bladder cancer, bladder tumour, urothelial carcinoma	II	NCT03517995
	Anthracycline-related cardiotoxicity in breast cancer	I/II	NCT03934905
	Autism spectrum disorder (refs250,251)	I/II	NCT02561481
	Chronic kidney disease	NA	NCT04608903
Resveratrol	Chronic renal insufficiency (ref.252)	III	NCT02433925
	Chronic subclinical inflammation, redox status	III	NCT01492114
	Dilated cardiomyopathy	III	NCT01914081
	Friedreich ataxia	II	NCT03933163
	Follicular lymphoma	II	NCT00455416
	Endothelial dysfunction	I	NCT02616822
	Memory	I	NCT01126229
	Chronic kidney diseases, endothelial dysfunction	NA	NCT03597568
	Cystic fibrosis	NA	NCT02690064
	Inflammatory bowel diseases	NA	NCT04513015
	Metabolic syndrome	NA	NCT02219906
	Postmenopausal insulin resistance	NA	NCT03090997
	Type 2 diabetes mellitus	NA	NCT01038089
Quercetin	COVID-19	IV	NCT04468139
	Coronary artery disease progression	III	NCT03943459
	Autism spectrum disorders	II	NCT01847521
	COPD	I/II	NCT03989271
	Chemotherapy-induced oral mucositis	I/II	NCT01732393
	Atrophic oral lichen planus, erosive oral lichen planus (ref.253)	I	NCT01375101
	Chronic hepatitis C	I	NCT01438320
	Fanconi anaemia	I	NCT01720147
	GERD, acid reflux, reflux	I	NCT02226484
Curcumin	Chronic schizophrenia	IV	NCT02298985
	Major depression	IV	NCT01750359
	Irritable bowel syndrome	IV	NCT00779493
	Periodontitis	IV	NCT04032132
	Periodontitis	IV	NCT04044417
	Leber hereditary optic neuropathy	III	NCT00528151
	Chronic kidney diseases, type 2 diabetes mellitus, polymorphism (ref.254)	II/III	NCT03262363
	Non-insulin dependent diabetes	II/III	NCT02529969
	Alzheimer disease	II	NCT00099710
	Healthy	II	NCT01489592
	Inflammation, atherosclerosis, cardiovascular disease	II	NCT02998918
	Irritable bowel syndrome	II	NCT01167673
	Multiple sclerosis	II	NCT01514370
	Cervical cancer	II	NCT04294836
	Gulf War syndrome	I/II	NCT02848417
	Oral lichen planus	I	NCT03877679
	Chronic kidney diseases	NA	NCT03475017
	Chronic kidney diseases, peritoneal dialysis, haemodialysis	NA	NCT04413266
	Coronary artery disease, oxidative stress, inflammation	NA	NCT04458116
Bardoxolone-methyl (CDDO-Me, RTA402)	Chronic kidney disease, type 2 diabetes mellitus, diabetic nephropathy (refs255–257)	II	NCT00811889
	Chronic renal insufficiency, type 2 diabetes mellitus	II	NCT01053936
	Diabetic nephropathy	II	NCT00664027
	Pulmonary arterial hypertension, pulmonary hypertension, interstitial lung disease	II	NCT02036970
	Liver disease	I/II (completed)	NCT00550849
RTA-408 (omaveloxolone)	Friedreich ataxia (ref.258)	II	NCT02255435
	Mitochondrial myopathies (refs259–261)	II	NCT02255422
	Radiation dermatitis	II	NCT02142959
Dimethyl fumarate	Multiple sclerosis (refs262–264)	Approved	NCT02683863
Oltipraz	Lung cancer prevention (ref.265)	I	NCT00006457
CXA-10	Acute kidney injury (nontraumatic) (ref.266)	I	NCT02127190
Andrographolide	NA (ref.267)	NA	NA
Ursodiol	NA (ref.268)	NA	NA
ALKS-8700	NA	NA	NA

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COPD, chronic obstructive pulmonary disease; GERD, gastro-oesophageal reflux disease; NA, not available. aReferences describing proposed action on NRF2.

Challenges facing therapeutic NRF2 activation

There are several concerns and challenges associated with the therapeutic use of NRF2 activators191,192. The first is related to low effective biological concentration, as most NRF2 activators are electrophilic and are metabolized quickly so that their bioavailability in distal organs may be low. However, some evidence suggests that the Michael adducts of nucleophiles (including the cysteines of KEAP1) with some electrophiles, such as cyanoenones, are reversible193 and this may significantly increase the bioavailability and concentration of these electrophiles in vivo. This concept was demonstrated by a synthesized cyanoenone compound TBE31 that had a 10-h half-life in the blood194 and markedly increased NRF2 activity in vivo at nanomolar concentrations195. It remains unclear whether this reversibility of the covalent adducts also occurs with other electrophiles, especially natural compounds such as sulforaphane and curcumin. In addition, there is controversy regarding the effectiveness of oral sulforaphane to induce antioxidant expression‎ in clinical trials, with both increased antioxidant expression‎196 and no effect197 being reported. In general, more clinical trial data on NRF2 and antioxidant induction in target organs are needed to further assess the efficacy of these NRF2 activators.

Another key concern is the risk of nonspecific effects. Besides activating NRF2 and inducing antioxidant enzymes, some NRF2 activators may act on other signalling pathways and disrupt related biological processes. For example, sulforaphane can suppress the inflammatory response through inhibition of NF-κB188 and inflammasome activation198, and cause cell cycle arrest by inhibiting the PI3K–AKT and MAPK–ERK pathways199. Most of these nonspecific effects have been investigated in in vitro cell studies with >10 μM sulforaphane, a concentration that is less likely to be reached in vivo. Understanding the NRF2-independent effects is important in elucidating the mechanism of the beneficial and therapeutic effects, although for most NRF2 activators this has not been thoroughly studied, especially with regard to their in vivo dose dependency.

Another aspect of nonspecificity is that the effect on NRF2 activation and antioxidant induction is not restricted to a specific cell or organ, and may therefore result in systemic side effects. For example, some evidence suggests that although NRF2 activation could prevent the initiation of cancer, it can, however, promote cancer development200–202. Cell studies showed that higher NRF2 activity and antioxidant capacity can also contribute to the resistance to chemotherapeutic drugs203–206, as reviewed by others207–209. Current evidence is insufficient to draw a definitive conclusion and more systemic in vivo studies are needed to elucidate the role of NRF2 in promoting carcinogenesis and causing resistance to chemotherapies. If increased NRF2 activity does promote tumour growth and/or increase chemoresistance, the systemic administration of NRF2 activators should be avoided, at least in susceptible subjects including cancer patients under chemotherapy. Other side effects of long-term NRF2 activation are less reported. Several strategies have been proposed to avoid systemic side effects, including the development of non-electrophilic drugs and drugs that only become active in loci that exhibit oxidative stress192.

NADPH oxidase inhibition

NOXs are important in redox signalling as the source of O2•− and H2O2 and in the killing of microorganisms, but excessive activation of NOXs can result in damage to normal tissue. There are two types of agent that inhibit NOXs, those that inhibit the enzymatic activity and those that prevent the assembly of the NOX2 enzyme, which is a multiprotein complex. Of the first type, diphenyleneiodonium (DPI) is commonly used in research studies but is a nonspecific inhibitor of flavoproteins as well as an inhibitor of iodide transport210. Several agents claimed to be NOX inhibitors, including ebselen, CYR5099, apocynin and GKT137831, some of which show promise in non-human animal models and clinical trials, exhibited effects that were not due to NOX inhibition211. Nonetheless, the potential value of inhibition of NOX1, NOX2 and NOX4 has been demonstrated in non-human animal models using genetic deletion212, and a search for low-molecular-weight NOX inhibitors continues.

Small peptides that inhibit the assembly of the NOX complexes have therapeutic potential213. Although these small peptides would be more specific to the different NOXs than active site inhibitors, none has advanced to clinical trials. A third potential approach is interference with the synthesis of the components of the NOX complexes; however, this too has not yet reached clinical trials.

Mitochondrial antioxidant defence

Leaks of electrons from the respiratory chain results in the production of O2•−. Although inhibiting O2•− production by either elevating uncoupling proteins or inhibiting the flow of electrons into the chain is possible, the consequences for ATP production make these approaches difficult. Yet, this strategy has been proposed for preventing hyperglycaemic damage in diabetes214. One drug, OP2113, which can be used in humans, has been proposed as a specific inhibitor of complex I O2•− production that does not interfere with ATP production215. However, this agent has not yet been investigated in clinical trials.

As discussed above, increasing SOD2 increases the production of H2O2 in mitochondria by pulling reaction 1 (QH•− + O2 ↔ Q + O2•−) (Box 1) forward by dismutation of O2•−. Thus, SOD mimics that enter mitochondria would be expected to increase the rate of production of H2O2. However, as these agents also possess catalase activity, they appear to add protection216, likely by preventing formation of OONO− and protecting iron–sulfur proteins. Ebselen can also enter mitochondria but may produce unexpected toxicity217.

The large negative inner mitochondrial membrane potential makes it possible to target antioxidants and antioxidant mimics to these organelles by attaching a lipophilic cation to them218. This is an area of research that is still under development but basically uses the same principles of antioxidant defence as described in other sections of this Review.

Dietary antioxidants

The most widely used and studied dietary antioxidants are l-ascorbic acid (vitamin C) and α-tocopherol (vitamin E). Other dietary nutrients, including selenium, riboflavin and metals, are essential cofactors for antioxidant enzymes, and their adequate supply is essential for the inducers of these enzymes to reach their most effective levels, but discussion of them here is beyond the scope of this Review. Vitamin C is a water-soluble vitamin that cannot be synthesized by the human body and must be provided as an essential dietary component. Vitamin C is required for the biosynthesis of collagen, protein and several other biological molecules219. Vitamin C is also an important antioxidant220, by providing an electron to neutralize free radicals. Vitamin E, which is lipid soluble, localizes to the plasma membrane and has roles in many biological processes. Almost 100 years after its discovery, the functions and mechanism of action of vitamin E still remain of great interest. Nonetheless, the importance of the antioxidant function of vitamin E has been demonstrated by many studies221–223, especially under conditions of oxidative stress or deficiency of other antioxidants223,224. Vitamin E reduces peroxyl radicals and forms tocopheroxyl radical, which is subsequently reduced by vitamin C. Thus, vitamin E helps to maintain the integrity of long-chain polyunsaturated fatty acids in the membranes and thereby regulates the bioactivity and signalling related to membrane lipids.

For healthy individuals, sufficient levels of vitamins C and E are provided by normal dietary intake and deficiency rarely occurs. Under some extreme conditions such as malnutrition or imbalanced nutrition and diseases225,226, however, dietary supplementation of vitamins C and E is necessary. As vitamins C and E function as antioxidants, there has been great interest in investigating their therapeutic potential. Many studies and clinical trials have found that vitamins C and E have beneficial effects in reducing various diseases, many of which likely involve oxidative stress, including cancers, cardiovascular diseases and cataracts227. But the evidence is inconsistent, as an almost equal number of studies show no significant effect. It was assumed that both vitamin C and vitamin E have low toxicity and were not believed to cause serious adverse effects at much higher intake than needed for their function as vitamins. However, several non-human animal studies showed that antioxidant supplements, including NAC, vitamin E and the soluble vitamin E analogue Trolox, promoted cancer development and metastasis, for example, lung, melanoma and intestinal tumours in mouse models228–230. The potential effect of antioxidants on cancer promotion, including the aforementioned NRF2 activators, raises significant concerns regarding the use of antioxidant supplements, and novel strategies are needed to resolve the double-edged effect of antioxidants.

Inhibition of aberrant redox signalling

In the early years of research in redox biology the emphasis was almost entirely on damage caused by oxidants. Although studies demonstrated that the addition of non-lethal doses of H2O2 or other oxidants was able to stimulate signalling pathways, it was not until the mid-1990s that NF-κB activation by endogenous generation of H2O2 was first observed231. By the late 1990s, Lambeth and coworkers232 had described the seven-member NOX family and began to implicate them in cell signalling pathways. Redox signalling is now the major focus of the field, although extensive coverage of the topic is beyond the scope of this article. Readers are referred to specific reviews in this area4,233. Nonetheless, as described earlier, H2O2 is the major second messenger in redox signalling and like other second messengers, dysregulation of its production can result in aberrant signalling233. Prevention of dysregulation is tricky because attempts to inhibit the generation of oxidants by NOX proteins or mitochondria, as described in earlier sections, may interfere with physiologically important signalling including the regulation of leukotriene and prostaglandin production, which require a low level of H2O2 or lipid hydroperoxides234.

A more successful approach may be interference with specific redox signalling that is initiated by toxic stimuli. Here, we provide one example to illustrate this approach235. Air pollution contains particles of enormously variable composition and includes silicates with iron on their surface. Activation of NF-κB signalling in macrophages by these particles could be inhibited with a SOD and/or catalase mimic, but also by interfering in the signalling pathway initiated by the iron-mediated lipid peroxidation that caused lipid raft disruption and signalling through phosphocholine-specific phospholipase C (PC-PLC) activation. An inhibitor of that enzyme, tricyclodecan-9-yl xanthate (D609), which was unsuccessfully tried as an anticancer agent, stopped particle-induced NF-κB-dependent cytokine production. D609 is an example of an agent that is not an antioxidant but inhibits oxidant-induced aberrant signalling. Interestingly, D609 interferes with the PC-PLC pathway when initiated by endotoxin236, which does not involve redox signalling. There are countless agents that have similar potential to inhibit aberrant signalling although they are not specific to redox-mediated signalling.

Challenges and limitations in targeting oxidative stress

Oxidative stress is a component of the underlying pathology of many diseases and toxicities, and the antioxidant defences and strategies that have been presented above offer some important opportunities for preventing or reducing pathology. Nonetheless, there are several limitations that challenge our ability to therapeutically apply antioxidant strategies.

Pathological role of oxidative stress

The effectiveness of antioxidant defences is limited by the extent to which oxidative stress plays a role in the pathology. When oxidative stress is a secondary contributor to disease, which is more often the case than it being the primary cause, preventing oxidative stress may not have a major impact on disease progression. Indeed, this is one of the major causes of antioxidants exerting little to no effect on pathology, even when they clearly increase antioxidant defence and decrease markers of oxidative stress. This limitation is perhaps the most significant factor that is often overlooked when considering antioxidant defences in clinical trials. The challenge here is to determine to what extent antioxidant strategies may be developed to ameliorate some symptoms if not the underlying cause of the disease. The commercialization of products containing small molecules that are chemical antioxidants but do not function as such in vivo, will ultimately fail to show significant benefit beyond what the antioxidant enzyme-inducing small molecules present in an adequate diet can achieve. This disappointment will add to the challenge of developing and gaining public acceptance of truly effective therapeutics.

Scavenging by small molecules

The negligible effect of scavenging by small molecules represents a key limitation in antioxidant defence. The claim that an antioxidant is a •OH scavenger is meaningless, as almost all molecules react with •OH at about the same rate. Thus, the only defence against •OH is to prevent its formation, and the most effective way to achieve that is H2O2 elimination. For O2•−, scavenging inside the cell is in competition with the already ubiquitous and high activity of SOD, which catalyses reaction 3 (2O2•− + 2H+ → H2O2 + O2) (Box 1), with a rate constant that is at least 105 times higher than most of the reactions of O2•− except that with •NO237. Similarly, the presence of the 15 enzymes that remove H2O2 in reactions 4–6 (2H2O2 → 2H2O + O2; H2O2 + 2Trx(SH)2 → TrxS2 + 2H2O; H2O2 + 2GSH → GSSG + 2H2O) (Box 1) would outcompete most agents that are used intracellularly. Thus, kinetic considerations essentially rule out scavenging as an effective antioxidant defence within cells6. However, outside cells, SOD and catalase mimics that have relatively high kinetic rate constants compared with non-enzymatic reactions of O2•− and H2O2 may be effective. Although not as efficient as the endogenous SOD and catalase, the rate constants for the mimics are approximately 105 times higher than those of most protein cysteines. SOD mimics can accumulate at high concentrations in the mitochondrial matrix by attachment of a lipophilic cationic group and can be effective in that microenvironment106, where it has been demonstrated that the overexpression‎ of endogenous SOD2 increases H2O2 production238. However, the long-term effects of the non-physiological increase in mitochondrial SOD activity is unknown.

Vitamin E is the one exception to the limitation of small molecule scavenging by dietary antioxidants because of its relatively rapid rate of reaction with lipid hydroperoxyl radicals as well as its concentration in membranes. Nonetheless, antioxidant therapies that appeared to work in cell culture or in non-human animal models have often failed to achieve significant effects in human trials. A primary reason for this discrepancy is the enormous difference in the ratio of exogenous agents in vitro versus in vivo6. In non-human animal models, lab chow is deficient in vitamin E and selenium239, which sets up a system in which antioxidants work by restoring redox homeostasis, thereby acting more like vitamins preventing a deficiency than like a drug. Interestingly, mito-Q, made by the attachment of a lipophilic cationic group to ubiquinone, can accumulate in mitochondria and act in a similar manner to vitamin E in that domain240. However, the long-term effects of the non-physiological increase in ubiquinone is not yet understood.

Achieving effective in vivo concentrations

Another concern is that compounds that induce antioxidant defences may not be able to reach effective concentrations in vivo, although this may be overcome with cyanoenones194. When adequate levels of NRF2 activators are supplied by good nutrition, supplemental NRF2 activators would not provide an advantage. In addition, if oxidative stress occurs in patients, NRF2 is usually already activated to a certain degree and the potential for further induction is limited. As a good diet would be expected for patients in clinical trials, and oxidative stress is frequently seen in patients, the lack of an increase in protection may be due to the existing effects of dietary NRF2 inducers and a lower potential for NRF2 activation. Perhaps the use of NRF2 activators should therefore be considered as similar to that of vitamins that are inadequate in the diet of a significant number of individuals and in patients who have difficulty consuming food.

Ageing

As we age, the ability of electrophiles to induce NRF2-dependent expression‎ of antioxidant enzymes declines241. Silencing BACH1 reverses this effect in human primary bronchial epithelial cells for some NRF2-regulated genes242, suggesting that BACH1 inhibition has potential in antioxidant therapy, particularly in older patients. However, as older people exhibit an increased risk of cancer, activating NRF2 in this group may be deleterious. Although NRF2 activation has long been associated with chemoprevention243, a downside of NRF2 activation is the protection of cancer cells against oxidative damage, which helps cancer progression200–202. However, in mice, silencing of BACH1 does not appear to increase p53-driven tumorigenesis244. It is hoped that more studies will further clarify the issue of cancer promotion associated with NRF2, and that additional means of increasing antioxidant defences will be found to benefit older people without adverse effects.

Outlook

As oxidative stress is a component of many diseases, the development of effective antioxidant therapies is an important goal. Although using small molecules has been largely disappointing, hope lies in the realization that the rationale underlying their use was based on misconceptions that can be overcome. Increased awareness of the fact that, although the goal of antioxidant defence must be to prevent the formation of •OH and ONOO− by decreasing their precursors H2O2 and O2•−, H2O2 is also essential in physiological signalling, will lead to more nuanced approaches to antioxidant defence. In addition, the limitations highlighted in this Review — including consideration of whether oxidative stress plays a primary or secondary role in the pathology, the negligible effect of scavenging by almost all small molecules, difficulty in achieving effective in vivo concentrations and the declining ability to increase NRF2 activation in ageing — must be considered to both avoid unnecessary disappointment and set obtainable goals.

There is promise in agents that scavenge O2•− and H2O2 in intracellular spaces and the mitochondrial matrix. SOD, and SOD–catalase and GPX mimics, appear to be effective, with some agents currently in clinical trials. Maintaining GSH, the substrate for GPXs, can be achieved using precursors including NAC and GSH esters. Indeed, NAC is already in human use for the treatment of some toxicities and diseases, although no clinical trials of GSH esters appear to be currently active. In addition to the mimics of antioxidant enzymes and GSH, another major strategy is increasing the synthesis of the endogenous antioxidant enzymes and de novo synthesis of GSH through NRF2 signalling in cells99. We expect that all these approaches will contribute to advancing antioxidant therapeutics and hope that this Review will encourage and inform a rational approach to that worthwhile endeavour.

Acknowledgements

The authors thank their many colleagues with whom conversations and collaborations concerning antioxidants have occurred over decades. The authors’ work in this area was supported by several past NIH grants and currently by P01 AG055367.

Glossary

Oxidative stress

Imbalance between generation of oxidants and the ability to prevent oxidative damage favouring the latter process.

Redox signalling

Signal transduction in which oxidants act as second messengers.

Antioxidant defence

Prevention or repair of oxidative damage.

Antioxidant enzymes

Strictly, enzymes that remove oxidants; broadly, enzymes that contribute to the prevention or repair of oxidative damage. The broader definition is used in this Review.

NRF2 transcription factor

Nuclear factor E2-related factor 2, which coordinates both the baseline and stress-inducible activation of a great many antioxidant enzymes.

Antioxidant therapy

Treatment with agents that enhance antioxidant defence.

Pneumonitis

Inflammation of the lungs caused by irritation of lung tissue, disease, infection, radiation therapy or allergy.

Ischaemia–reperfusion

Cessation followed by restoration of blood flow.

Autophagy

A mechanism through which unnecessary or damaged cellular components are degraded.

Author contributions

Both authors were involved in researching data, discussion of content, writing the article and reviewing/editing the manuscript before submission.

Competing interests

The authors declare no competing interests.

Footnotes

Publisher’s note

Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Change history

7/13/2021

A Correction to this paper has been published: 10.1038/s41573-021-00267-5

References

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