Removal of Environmental Nanoparticles Increases Protein Synthesis and Energy Production in Healthy Humans
Front. Bioeng. Biotechnol., 14 February 2022
Sec. Biosafety and Biosecurity
Volume 10 – 2022 | https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.800011
Eduardo Antuña1,2,3
Juan Carlos Bermejo-Millo1,2,3
Enrique Caso-Onzain4,5
Enrique Caso-Peláez5,6,7
Yaiza Potes1,2,3*
Ana Coto-Montes1,2,3*
- 1Department of Morphology and Cell Biology, Faculty of Medicine, University of Oviedo, Oviedo, Spain
- 2Instituto de Investigación Sanitaria Del Principado de Asturias (ISPA), Av. Del Hospital Universitario, Oviedo, Spain
- 3Instituto de Neurociencias del Principado de Asturias (INEUROPA), University of Oviedo, Oviedo, Spain
- 4Innovación Unit, BiowAir Total Systems SL, C/Michel Faraday, Gijón, Spain
- 5Scientific CEO MyOmics SL, Gijón, Spain
- 6System and Precision Medicine, Hospital Covadonga Gijón, Gijón, Spain
- 7Biomedical Unit, BiowAir Total Systems SL, Gijón, Spain
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Fuente: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2022.800011/full
Actualmente, la actividad industrial provoca la liberación al medio ambiente de nanopartículas que tienen múltiples efectos adversos sobre la salud de la población. Existe una clara correlación entre el aumento de la contaminación del aire por partículas y el aumento de las tasas de mortalidad y morbilidad tanto en adultos como en niños, lo que demuestra los efectos tóxicos de estas partículas. Sin embargo, se desconoce el efecto de la eliminación de partículas en individuos sanos. Así, en este estudio preliminar mostramos, por primera vez, cómo los equipos de filtrado que utilizamos redujeron significativamente una gran cantidad de nanopartículas en un tiempo mínimo e indujeron una reducción del daño oxidativo en individuos sanos de ambos sexos después de 25, 50 y 100 días de exposición. Estos efectos condujeron a una mayor síntesis de proteínas y una mayor eficiencia mitocondrial, lo que resultó en un desencadenamiento muy significativo de la síntesis de ATP. Estos resultados no sólo proporcionan información sobre los efectos crónicos que las nanopartículas ambientales tienen en los individuos antes del desarrollo de patologías, sino que también demuestran un sistema capaz de revertir la toxicidad de las nanopartículas y permitir la recuperación de energía celular.
4. Discusión
El extraordinario aumento de contaminantes con los que el ser humano debe convivir a diario (especialmente en las zonas industrializadas), englobado bajo el término contaminación, presenta un ambiente tóxico que tiene un efecto multifactorial sobre la salud (Hoet et al., 2004). Este nivel de toxicidad se ha visto agravado recientemente por alteraciones en las propiedades físicas y químicas de productos aparentemente inocuos, dando lugar a un aumento de la toxicidad a nivel nanoscópico que puede provocar consecuencias nocivas para los trabajadores, el medio ambiente y la sociedad en general (Service, 2004). ; Lee et al., 2005). Esta contaminación ambiental favorece el desarrollo de enfermedades gastrointestinales (Bhavsar y Amiji, 2007), dermatitis (Monteiro-Riviere, 2021) y trastornos oculares (Järvinen et al., 1995), que pueden reducir significativamente la capacidad inmune frente a infecciones (Favarato et al. ., 2021; Katoto et al., 2021) y potenciar el desarrollo de procesos tumorales (Coleman et al., 2021; Khorrami et al., 2021; Rojas-Rueda et al., 2021). Resultados recientes han puesto de relieve el importante papel tóxico que desempeñan las partículas y nanopartículas ultrafinas en estos procesos patológicos inducidos por la contaminación del aire (Maher et al., 2020). El uso de equipos de nanofiltración es muy eficaz para reducir los procesos patológicos relacionados con la contaminación ambiental, como la silicosis o las infecciones virales (Boczkowski y Hoet, 2010; Fermo et al., 2021), mientras que se ha demostrado que la exposición a nanopartículas es un factor importante. riesgo de morbilidad y mortalidad (Nishihama et al., 2021). Sin embargo, actualmente no se conocen los efectos beneficiosos de la eliminación de dichas nanopartículas para sujetos sanos o en ausencia de patologías.
Son abundantes los estudios que muestran una relación directa entre la exposición a la contaminación del aire y un aumento de ROS (Møller et al., 2010). Estas especies altamente inestables pueden dañar todo tipo de macromoléculas biológicas en su vecindad, provocando así un alto grado de deterioro celular (Hardeland et al., 2003). En humanos, los estudios de biomonitoreo han demostrado una clara asociación entre las partículas de humo de leña o la contaminación del aire y el daño oxidativo a nivel de desoxinucleótidos y lípidos, lo que reduce significativamente tanto la calidad de vida como las perspectivas de salud futura de la población sometida a estos efectos. Diferentes nanopartículas han demostrado un efecto oxidativo sobre las membranas biológicas al aumentar la carbonilación de proteínas inducida por el daño oxidativo de estas moléculas; En algunos casos, estos efectos pueden revertirse con antioxidantes (Kamat et al., 2000). Asimismo, estudios in vitro han demostrado que, entre los efectos de las nanopartículas, una reducción de la capacidad antioxidante puede aumentar el daño inicial a las proteínas (Møller et al., 2010). Sin embargo, nuestros resultados mostraron una reducción significativa y directa dependiente del tiempo en el daño oxidativo a las proteínas en sujetos BioW tanto masculinos como femeninos. Curiosamente, la disminución del daño oxidativo proteico encontrada en las mujeres comienza a los 50 días, presentando un retraso respecto a los hombres. El retraso descrito puede deberse a la diferente susceptibilidad basada en el género a los factores estresantes, en los que las hormonas sexuales parecen desempeñar un papel crítico (Comité del Instituto de Medicina (EE. UU.) sobre las diferencias de género en la susceptibilidad a los factores ambientales, 1998; Kingston et al., 2017).
La síntesis de proteínas, que se realiza principalmente en el retículo endoplásmico, es un proceso delicado que se desacopla y obstaculiza fácilmente. Desde infecciones virales o bacterianas (Chamberlain y Anathy, 2020; Alshareef et al., 2021) hasta el desarrollo de cualquier enfermedad neurodegenerativa (Ghemrawi y Khair, 2020; Schneider et al., 2021), el estrés del retículo es una manifestación celular común de tales patologías. El estrés del retículo endoplásmico regula mTOR, que a su vez modula el crecimiento celular y la síntesis de proteínas mediante la fosforilación de p70S6K. Además, la señalización mTOR/p70S6K está estrechamente implicada en la regulación de los procesos de control de calidad celular. La inhibición de mTOR y la reducción en la producción de energía desencadena la autofagia que actúa como mecanismo de supervivencia y, en última instancia, decide si la apoptosis debe proceder o no (Duan et al., 2016; Prieto-Domínguez et al., 2017). La recuperación del control de la síntesis proteica es mucho más complicada y ha sido demostrada en pocos casos, como por ejemplo con el tratamiento con melatonina, que es un potente antioxidante cuya actividad como factor de recuperación de la actividad endoplásmica como regulador de la autofagia ha sido ampliamente demostrada. (Aouichat et al., 2021). Sin embargo, este aumento requiere energía en todos los casos.
La producción de energía, ya sea aeróbica o anaeróbica, es esencial para la supervivencia celular y no se han descrito patologías asociadas a la sobreproducción de energía. El hallazgo de niveles elevados de ATP con la exposición temporal a BioW solo puede relacionarse con un funcionamiento mitocondrial mejorado y una actividad metabólica eficiente tras la eliminación de nanopartículas ambientales (Møller et al., 2010). La reducción en la síntesis de ATP debido al daño mitocondrial en un ambiente rico en nanopartículas se conoce desde hace mucho tiempo (Ueng et al., 1997). Así, las nanopartículas pueden inducir una reducción en la eficiencia de la cadena de transporte de electrones que va acompañada de una inhibición del transportador de ADP en la mitocondria, lo que conduce a un aumento en la producción de estrés oxidativo (Hussain et al., 2005) que puede desencadenar la muerte celular mediante apoptosis (Xia et al., 2004).
Cabe destacar que en nuestro estudio no hubo variaciones significativas en la expresión de OXPHOS a pesar de que su actividad necesariamente aumentó, lo que indica un aumento en su eficacia. Esta diferencia esencial se correlaciona directamente con la producción de ATP, que aumenta significativamente con la reducción de nanopartículas ambientales. Por tanto, la reducción observada en la expresión de estos complejos es evidencia de una eficiencia mitocondrial mejorada. Muchos artículos han demostrado una disminución de la eficiencia mitocondrial en condiciones estresantes, como el envejecimiento (González-Freire et al., 2018) y las enfermedades.
Se sabe que varios agentes aumentan la producción de ATP, incluidos medicamentos que permiten la recuperación de enfermedades y tratamientos que inducen una sobreproducción de energía en individuos sanos. Así, se ha demostrado que el ejercicio físico (Vigh-Larsen et al., 2021) y diversos antioxidantes, como la melatonina y la vitamina D (Latham et al., 2021; Reiter et al., 2021), desempeñan un papel dinamizador de las mitocondrias. aumentando la producción de ATP en estos orgánulos. Hasta donde sabemos, ningún equipo de nanofiltración, excepto el utilizado en el presente estudio, ha demostrado mejorar la producción de energía celular. Una vez más, los resultados parecen imitar un efecto antioxidante a nivel celular y nos permiten concluir que la eliminación eficaz de nanopartículas conduce a una mejora de la eficacia y eficiencia celular, incluso en individuos sanos.
5. Conclusión
Nuestros resultados han demostrado, por primera vez que sepamos, que la caída de nanopartículas ambientales, inducida por el removedor BioW, provoca en personas sanas una reducción del estrés oxidativo, denotado por una reducción del daño oxidativo a las proteínas y una clara disminución de los niveles de antioxidantes. capacidad tanto en hombres como en mujeres y valorando un amplio rango de edad.
En vista de esta reducción del entorno oxidativo, la síntesis de proteínas y la capacidad mitocondrial para la producción de energía aumentan de manera dependiente del tiempo.
La optimización de la actividad de los orgánulos más susceptibles al estrés oxidativo dentro de la célula parece estar detrás de ambos efectos, lo que sugiere un papel importante de las nanopartículas ambientales en el agotamiento celular progresivo y prematuro.
Fuente:
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2022.800011/full
