Kluczowym receptorem wiążącym AGE jest RAGE – wieloligandowy członek nadrodziny immunoglobulin, ulegający ekspresji na różnych typach komórek, w tym komórkach śródbłonka, komórkach mięśni gładkich naczyń krwionośnych i komórkach odpornościowych⁵. Interakcja AGE z RAGE aktywuje wiele wewnątrzkomórkowych kaskad sygnałowych, w tym szlak oksydazy NADPH bezpośrednio generującej ROS (anion ponadtlenkowy) oraz szlaki kinaz białkowych aktywowanych mitogenami (MAPK – mitogen-activated protein kinases), takich jak kinaza regulowana sygnałem zewnątrzkomórkowym (ERK – extracellular signal-regulated kinase), kinaza N-końcowa c-Jun (JNK – c-Jun N-terminal kinase) i p38 MAPK, a także jądrowy czynnik transkrypcyjny κB (NF-κB – nuclear factor κB), i szlaki kinazy janusowej – przetwornika sygnału i aktywatora transkrypcji (JAK-STAT). Te szlaki sygnałowe z kolei regulują ekspresję cytokin prozapalnych, cząsteczek adhezyjnych, czynników wzrostu i innych mediatorów (jak: interluekina [IL]-1β, IL-6, czynnik martwicy nowotworu α [TNF-α – tumor necrosis factor α], czynnik chemotaktyczny dla monocytów typu 1 [MCP-1 – human monocyte chemoattractant protein 1], metaloproteinaza macierzy 9 [MMP-9 – matrix metalloprotease 9] i cząsteczka adhezji komórek śródbłonka [VCAM-1 – vascular cell adhesion molecule 1]), promując stres oksydacyjny, stan zapalny, migrację i proliferację komórek, apoptozę oraz dysfunkcję śródbłonka. Ostatecznie prowadzi to w warunkach hiperglikemii do uszkodzenia naczyń, chorób sercowo-naczyniowych i innych komplikacji cukrzycowych^3,5,8.

Liczne badania kliniczne potwierdzają, że produkty glikacji mają wpływ na rozwój stanu zapalnego, a związek ten jest zależny od czasu i stężenia AGE w ustroju. Dotyczy to zarówno AGE egzo-, jak i endogennych. Długotrwałe spożywanie produktów wysokoprzetworzonych, zawierających duży ładunek AGE, powoduje wzrost stężenia markerów zapalnych w surowicy, takich jak IL-6, IL-1a, cząsteczka adhezji międzykomórkowej (ICAM – intercellular adhesion molecule) i tkankowe inhibitory metaloproteaz 1 (TIMP-1 – tissue inhibitors of metalloproteinases 1), oraz prowadzi do aktywacji immunologicznej, przyczyniając się do rozwoju powikłań cukrzycowych¹. Doświadczenia in vitro również pozwalają na obserwację wymienionych mechanizmów. Przykładem jest kompleksowe badanie przeprowadzone na ludzkich komórkach keratynocytów inkubowanych z 9 różnymi AGE. Wykazało ono, że struktury oparte na 1,2-dikarbonylach (3-DG, 3-DGal, 3,4-DGE, GO i MGO) indukowały cytotoksyczność i stres oksydacyjny (mierzone za pomocą produkcji nadtlenku, nadtlenoazotynu i ponadtlenku). Ponadto różne rodzaje AGE indukowały różne rodzaje zaprogramowanej śmierci komórki. MGO powodował apoptozę zależną od kaspazy, podczas gdy 3-DGal i 3,4-DGE indukowały ścieżkę opartą na czynniku NF-κB i powodowały piroptozę¹.

Wpływ AGE na insulinę i metabolizm cukru

Glikacja może bezpośrednio modyfikować insulinę, tak aby glikowana forma nie mogła wiązać się z receptorem, a tym samym nie mogła wykazywać efektu biologicznego. Wykazano, że glikacja reszty R22 przez metyloglioksal, z utworzeniem hydroimidazolonu powoduje, że insulina przyjmuje zamkniętą i wysoce stabilną konformację, z mniejszą zawartością arkuszy β w monomerze i wyraźną utratą powinowactwa do receptora².

Innym postulowanym mechanizmem, przez który glikacja oddziałuje na rozwój insulinooporności, jest działanie jako modyfikacja epigenetyczna, wpływająca na ekspresję cytokin prozapalnych typowych dla insulinooporności⁸.

Istnieje wiele dowodów na to, że produkty glikacji lub reaktywne produkty pośrednie, takie jak MGO, zakłócają wydzielanie insuliny i działanie insuliny w modelowych liniach komórkowych. Na przykład glikowana albumina modyfikowała wychwyt glukozy stymulowany insuliną w komórkach mięśni szkieletowych in vitro. Badania na zwierzętach również wykazały, że podawanie kazeiny modyfikowanej MGO powodowało zahamowanie sygnalizacji i działania insuliny³.

Glikacja jako proces prowadzący do zwiększenia sztywności tkanek i innych zwyrodnień

Ponieważ glikacja jest procesem długotrwałym, zachodzącym w ciągu tygodni i miesięcy, dotyczy zwykle białek o długim okresie półtrwania, np. białek osłonki mielinowej, tubuliny, fibrynogenu, białek macierzy zewnątrzkomórkowej, szczególnie kolagenu i elastyny⁷. Kolagen jest jednym z głównych białek tkanki łącznej, budującej skórę, naczynia krwionośne, ścięgna, kości. Ma bardzo długi okres półtrwania (ok. 10 lat) oraz bardzo charakterystyczną budowę: potrójne helisy złożone z trzech łańcuchów α, stabilizowane obecnością reszt glicyny na co trzeciej pozycji⁹. Akumulacja wiązań krzyżowych powstałych w kolagenie na skutek glikacji ma kilka szkodliwych skutków: potrójna helisa kolagenu staje się mniej rozpuszczalna i elastyczna, co prowadzi do zwiększonej sztywności naczyń, zmniejszonej podatności tętnic na wazodylatację i zwiększonego nadciśnienia skurczowego. Glikacja kolagenu stymuluje również proliferację i migrację miofibroblastów, co przyczynia się do zwłóknienia tkanek w cukrzycy⁹.

Dotychczas w ścianie naczyniowej stwierdzono obecność następujących produktów glikacji: CML, CEL, CMA, pentozydyny i pyraliny. Silnie wzmożony proces usztywnienia tętnic obserwujemy zwłaszcza wtedy, gdy glikacja zachodzi w środowisku bogatym w pochodne karbonylowe, których powstawanie jest uwarunkowane utlenianiem białek przez rodniki hydroksylowe lub jony metali ciężkich. Prowadzi to do deaminacji reszt lizyny oraz powstania aktywnego karbonylu i allizyny, czyli kwasu 2-amino-adipaldehydowego, który jest głównym czynnikiem odpowiedzialnym za tworzenie wiązań poprzecznych w kolagenie i elastynie⁷.

Wzrost sztywności naczyń krwionośnych skutkuje różnego rodzaju chorobami sercowo-naczyniowymi, jest też elementem patomechanizmu nefropatii cukrzycowej. Glikacja uszkadzająca kolagen w błonie podstawnej kłębuszków nerkowych prowadzi do jej pogrubienia i utraty filtracyjnej funkcji nerek. Jednocześnie AGE stymulują produkcję wolnych rodników, które wywołują dodatkowe uszkodzenia oksydacyjne w nerkach, co w efekcie może skutkować przewlekłą niewydolnością nerek w zaawansowanej cukrzycy.

Poza tym, że kolagen w żyłach i tętnicach jest glikowany i przez to usztywniany, w naczyniach zachodzi jeszcze jeden proces usztywniający tkanki, pośrednio związany z glikacją – kalcyfikacja. Polega on na odkładaniu się hydroksyapatytu i innych soli wapnia w tkankach miękkich i towarzyszy miażdżycy. Udowodniono na modelu in vitro, że AGE-LDL indukował ekspresję ICAM-1, IL-6 i fosfatazy zasadowej (ALP – alkaline phosphatase), co było związane z sygnalizacją RAGE/NF-κB oraz indukowało odpowiedź zapalną i osteogenną. Wartości AGE-LDL były znacznie podwyższone u pacjentów ze zwapnieniową chorobą zastawki aortalnej (CAVD – calcific aortic valve disease)¹⁰. Wnioskuje się więc, że glikacja, szczególnie glikacja lipoprotein, skutkuje patologicznym wapnieniem naczyń.

Zmiany strukturalne wywołane przez glikację prowadzą również do zmętnienia soczewki w zaćmie³. Glikacja krystalin budujących soczewkę powoduje agregację tych białek i utratę przezroczystości soczewki. Efektem glikacji białek jest również zwiększenie produkcji ROS, które dodatkowo uszkadzają białka soczewki oraz inne struktury oka, nasilając proces powstawania katarakty^3,7.

Glikacja odgrywa również kluczową rolę w rozwoju innej choroby związanej z pogorszeniem wzroku: retinopatii cukrzycowej. W tym przypadku mechanizm jest niezależny od krystalin, tylko związany z uszkodzeniami naczyń krwionośnych siatkówki. Podobnie jak opisano dla nefropatii, glikacja kolagenu i elastyny w obrębie naczyń siatkówki powoduje ich sztywnienie i pogorszenie funkcji, prowadząc do mikroangiopatii^3,7.

Wpływ AGE na funkcjonowanie jelit i skład mikrobioty

Postuluje się, że produkty glikacji lub związki dikarbonylowe, które przechodzą do jelita grubego, prowadzą do dysbiozy jelitowej. Uznaje się, że część AGE i ich prekursorów, np. MGO, działa przeciwbakteryjnie, co może zaburzać funkcjonowanie fizjologicznej mikrobioty i faworyzować szczepy, które fizjologicznie nie miałyby warunków do namnażania³.

Mikrobiotyczny metabolizm glikowanych aminokwasów może prowadzić do powstawania nowych metabolitów w świetle jelita, których rola w ekosystemie bakteryjnym jelit jest obecnie niejasna. Kilka badań potwierdza, że mikrobiota jelitowa jest w stanie rozkładać związki glikacji takie jak CML, a także związki dikarbonylowe, np. 3-DG, GO i MGO. Co ciekawe, w niektórych badaniach wykazano, że w okrężnicy po ekspozycji na produkty Amadori zwiększa się produkcja krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFA – short chain fatty acids), zwłaszcza maślanu, co można uznać za działanie korzystne³.

Związek między glikacją białek a przewlekłym zapaleniem jelit potwierdza niedawna obserwacja na komórkach monocytów THP-1. Porównano glikowaną i nieglikowaną kazeinę pod kątem ich zdolności do wywoływania wydzielania TNF-α, który bierze udział w stanie zapalnym. Nieglikowana kazeina nie prowadziła do wydzielania TNF-α ani przed trawieniem, ani po trawieniu in vitro, natomiast glikowana kazeina powodowała wydzielanie TNF-α, które było zwiększone od 2 do 5 razy podczas trawienia in vitro³.

Glikacja a „cukrzyca typu 3”, choroby neurodegeneracyjne i neuropatia

Wykazano, że istnieje silny związek między cukrzycą a chorobami neurodegeneracyjnymi. Insulinooporność w mózgu, typowa dla choroby Alzheimera, często nazywana cukrzycą typu 3, również sprzyja gromadzeniu się AGE i przyspiesza neurodegenerację.

Mechanizmem bezpośrednim, przez który następuje rozwój patologicznych uszkodzeń mózgu, jest przede wszystkim promowanie przez glikację agregacji białek takich jak β-amyloid, tau, α-synukleina. Wykazano, że AGE mogą powstawać w układzie nerwowym, ale mogą również w warunkach hiperglikemii przenikać przez barierę krew–mózg i kumulować się w mózgu¹¹. Dodatkowo stres oksydacyjny wywołany przez AGE wpływa na funkcjonowanie mitochondriów, co prowadzi do zmniejszonej produkcji ATP i powoduje osłabienie funkcji komórek nerwowych, zwiększając ich podatność na śmierć komórkową¹¹. Poza tym sygnalizacja promująca stany zapalne, związana z RAGE i innymi receptorami, ma również miejsce w układzie nerwowym. Wynika stąd, że glikacja ma istotny związek z rozwojem chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera i choroba Parkinsona^6,7.