Stres oksydacyjny i uraz niedokrwienny/reperfuzyjny po przeszczepieniu nerki: skupienie się na ferroptozie, mitofagii i nowych przeciwutleniaczach
Nov 10, 2023
Abstrakcyjny:Chociaż nastąpił postęp techniczny i farmakologiczny wlek na przeszczep nerki, mogą wystąpić u niektórych pacjentówostre powikłania po przeszczepieniu. Wśród mechanizmów związanych z tymi schorzeniaminiedokrwienie/reperfuzja (I/R)obrażeniamoże odgrywać główną rolę patofizjologiczną, ponieważ jest jedną z głównych przyczyn opóźnionej funkcji przeszczepu (DGF), czyli powolnego przywracania funkcji nerek z koniecznością dializy (zwykle w pierwszym tygodniu po przeszczepieniu). DGF ma istotne znaczenie społeczne i ekonomiczne, gdyż wiąże się z przedłużoną hospitalizacją i rozwojem ciężkich powikłań (w tym ostrego odrzucenia). Podczas urazu I/R stres oksydacyjny odgrywa główną rolę w aktywacji kilku szlaków, w tymferroptoza, śmierć komórek spowodowana żelazem, charakteryzująca się akumulacją żelaza i nadmierną peroksydacją lipidów, oraz mitofagia, selektywna degradacja uszkodzonych mitochondriów w wyniku autofagii. Ferroptoza może przyczyniać się do uszkodzenia nerek, podczas gdy mitofagia może pełnić rolę ochronną, zmniejszając uwalnianie reaktywnych form tlenu z dysfunkcyjnych mitochondriów. Głębokie zrozumienie obu szlaków może umożliwić identyfikację nowych, nieinwazyjnych biomarkerów DGF we wczesnej fazie diagnostycznej i wprowadzenie nowych, możliwych do zastosowania klinicznego strategii farmakologicznych. W tym przeglądzie podsumowujemy całą istotną wiedzę w tej dziedzinie i omawiamy aktualne strategie farmakologiczne przeciwutleniaczy, które mogą w przyszłości stanowić potencjalne metody leczenia urazów I/R.
Słowa kluczowe: uszkodzenie niedokrwienne/reperfuzyjne;stres oksydacyjny; ferroptoza;mitofagia;przeszczep nerki
KLIKNIJ TUTAJ, ABY POBRAĆ ZIOŁOWY CISTANCHE NA NERKI
1. Wstęp
Przeszczep nerkistanowi najbardziej opłacalną metodę leczenia nerkozastępczego u pacjentów z nieodwracalną przewlekłą niewydolnością nerek (schyłkowa choroba nerek, przewlekła choroba nerek w stadium 5) [1]. Jednak pomimo ciągłego postępu technicznego i farmaceutycznego w medycynie transplantacyjnej, u niektórych pacjentów wcześnie rozwijają się ostre powikłania po przeszczepieniu i następuje powolna powrót funkcji nerek z koniecznością dializy (zwykle w pierwszym tygodniu po przeszczepieniu). Ten stan kliniczny, a mianowicie opóźniona funkcja przeszczepu (DGF), ma istotne skutki społeczne i ekonomiczne, ponieważ wiąże się z przedłużoną hospitalizacją [2], podejściem polifarmakologicznym (szczególnie w przypadku współistniejącego ostrego odrzucenia alloprzeszczepu) [3] oraz krótsze przeżycie przeszczepu [4]
Ryzyko DGF jest wyższe w konkretnym narządzieprogramy przeszczepów z wykorzystaniem nerekod dawców bez bijącego serca, starszych, wielochorobowych (np. chorych na cukrzycę, nadciśnienie), biorców po wcześniejszym niepowodzeniu alloprzeszczepu i/lub wszystkich uczulonych oraz narządów uszkodzonych w wyniku ostrego uszkodzenia nerek i przedłużonego czasu zimnego niedokrwienia [5,6]
Szczególnie podczas niedokrwienia znaczne zmniejszenie dopływu tlenu i w konsekwencji przejście komórek z metabolizmu tlenowego na beztlenowy może zmniejszyć tempo wytwarzania ATP [7] i spowodować gromadzenie się mleczanu (prowadząc do kwasicy). W rezultacie pompy Na+/K+ ATPazy, Na+/H+ i Ca2+-ATPazy mogą przestać działać, a sód, wodór i wapń gromadzą się w cytoplazmie, co w konsekwencji powoduje hiperosmolalność, wzrost transportu wody przez błony komórkowe i obrzęk komórkowy [8].
Podczas reperfuzji może nastąpić szybki wzrost poziomu tlenu i normalizacja pHwzmacniają wapń cytozolowystężenie aktywujące proteazy cysteinowe (np. kalpainy, kaspazy) i wyzwalające szlak apoptotyczny. Co więcej, przeciążenie wapniem stymuluje otwarcie porów przejściowych przepuszczalności mitochondriów (mPTP), które umożliwiają uwalnianie substancji takich jak cytochrom C, bursztynian i mitochondrialne DNA, które mogą indukować śmierć komórek poprzez apoptozę i martwicę oraz działać jako wzorce molekularne związane z zagrożeniem/uszkodzeniem (DAMP) promujący aktywację zarówno odporności wrodzonej, jak i nabytej [9–11]. Ponadto mechanizmy te mogą skutkować postępującym zwłóknieniem śródmiąższowym [12–14].
Ponadto nadprodukcja reaktywnych form tlenu (ROS) po niedokrwieniu/reperfuzji (I/R) może być wywołana deregulacją wielu enzymów zdolnych do redukcji tlenu cząsteczkowego tworząc nadtlenek i/lub nadtlenek wodoru, takich jak oksydaza NADPH, syntaza tlenku azotu (NOS ), mitochondrialny łańcuch transportu elektronów i oksydoreduktaza ksantynowa (XOR).
XOR to złożony molibdoflawoenzym, który kontroluje ograniczający szybkość etap katabolizmu puryn i występuje w dwóch wzajemnie konwertowalnych postaciach, dehydrogenazy ksantynowej (XDH) i oksydazy ksantynowej (XO). XDH korzystnie wykorzystuje NAD+ jako akceptor elektronów, podczas gdy XO wykorzystuje O2 jako końcowy akceptor elektronów, wykazując w ten sposób zdolność do generowania ROS [15]. Enzym ten przekształca hipoksantynę w wytwarzający ksantynę nadtlenek (O2-) i nadtlenek wodoru (H2O2), które odgrywają ważną rolę w pośredniczeniu w rekrutacji i/lub aktywacji leukocytów odpowiedzialnych za uszkodzenie tkanek [16].
Dodatkowo oksydazy NADPH, multimeryczne kompleksy generujące ponadtlenek lub H2O2, składające się z siedmiu członków rodziny (NOX1–5, DUOX1–2) [17], biorą udział w wytwarzaniu ROS po I/R. Enzymy NOX wykorzystują tlen jako końcowe akceptory elektronów poprzez grupy NADPH, FAD i hem. Enzymy DUOX wytwarzają głównie nadtlenek wodoru wraz z NOX-4, podczas gdy pozostałe izoenzymy NOX w dużej mierze wytwarzają ponadtlenek. NOX są konstytutywnie nieaktywne i wymagają stymulacji komórek, aby przedostać się do błony i wytworzyć RFT [16]. W I/R ten kompleks enzymatyczny może być aktywowany przez kilka mediatorów chemicznych wytwarzanych i uwalnianych przez komórki, takich jak czynnik hamujący niedotlenienie-1 (HIF-1) [18], fosfolipaza A2 [19], kwas arachidonowy [20], układ dopełniacza [21], cytokiny takie jak TNF- i IL-1 z makrofagów i komórek tucznych [22].
Innym źródłem ROS jest niezwiązany NOS, który wytwarza tlenek azotu (NO) w wyniku konwersji L-argininy do L-cytruliny przy użyciu NADPH jako substratu redukującego i tetrahydrobiopteryny (BH4) jako kofaktora wrażliwego na redoks. Enzym ten w warunkach niedotlenienia może zostać przekształcony w enzym wytwarzający O2-ze względu na zmniejszone stężenie BH4, zwiększając uszkodzenia oksydacyjne [23].
Co więcej, mitochondria, organelle wytwarzające większość energii chemicznej potrzebnej do zasilania komórki, przyczyniają się do produkcji RFT poprzez jednowartościową redukcję O2, głównie poprzez wyciek elektronów w kompleksie I i dehydrogenazie -ketoglutaranowej [24].
Podczas niedokrwienia zmiany w strukturze mitochondriów, wysoki stosunek NADH/NAD+ i akumulacja bursztynianu, metabolitu cyklu kwasu cytrynowego, zaostrzają ten proces [25,26].
Stres oksydacyjny odgrywa zatem kluczową rolę w uszkodzeniu narządów po I/R poprzez aktywację ferroptozy, śmierci komórek spowodowanej żelazem, charakteryzującej się akumulacją żelaza, nadmiernymi ROS i produktami peroksydacji lipidów oraz mitofagią, selektywną degradacją uszkodzonych mitochondriów w wyniku autofagii
2. Ferroptoza: rola w urazie I/R alloprzeszczepu nerki
Ferroptoza jest formą regulowanej śmierci komórek spowodowanej akumulacją żelaza, peroksydacją lipidów i późniejszym pęknięciem błony komórkowej [27]. Charakteryzuje się głównie: jądrem pozbawionym kondensacji chromatyny, mitochondriami o zmniejszonej objętości i cristae, znacznym powiększeniem komórek i pęknięciem błony komórkowej [28,29].
W kontekście I/R nerek, akumulacja żelaza w wyniku reakcji Fentona może generować dużą ilość ROS (również zwiększoną w wyniku współistniejącej dysfunkcji mitochondriów i aktywności rodziny NOX), która może poważnie nasilić wewnątrzkomórkowy stres oksydacyjny i peroksydację lipidów (Rysunek 1)
Rycina 1. Schematyczne przedstawienie mechanizmów ferroptozy i mitofagii w uszkodzeniu niedokrwienno-reperfuzyjnym nerek (I/R). Podczas I/R do ferroptozy przyczynia się kilka szlaków: (i) nadprodukcja ROS przez oksydazę NADPH (NOX), syntazę tlenku azotu (NOS), oksydoreduktazę ksantynową (XOR) i mitochondria sprzyja peroksydacji lipidów i pęknięciu błony plazmatycznej; (ii) zmniejszenie zawartości glutationu (GSH) hamuje aktywność peroksydazy glutationowej 4 (GPX4) i jej działanie ochronne przed peroksydacją lipidów błonowych; (iii) I/R może pośrednio indukować ferrytynofagię, która powoduje degradację wewnątrzkomórkowej ferrytyny i wzrost wewnątrzkomórkowej labilnej puli żelaza. Mitofagia jest aktywowana w I/R zarówno poprzez mechanizmy zależne od ubikwityny, jak i niezależne od ubikwityny i wydaje się, że odgrywa rolę ochronną w uszkodzeniu I/R poprzez zmniejszenie uwalniania reaktywnych form tlenu z dysfunkcyjnych mitochondriów. W warunkach fizjologicznych PINK1 jest importowany do mitochondriów, gdzie jest rozszczepiany przez wewnątrzbłonową proteazę serynową związaną z prezeniliną związaną romboidalną (PARL) i ostatecznie ulega degradacji. Kiedy mitochondria ulegają uszkodzeniu i tracą potencjał błonowy, PINK1 gromadzi się na zewnętrznej błonie mitochondrialnej (MOM) i rekrutuje Parkina. Parkina ubikwitynuje kilka substratów mitochondrialnych, takich jak zależne od napięcia białko kanału anionselektywnego (VDAC) i białko dynaminopodobne (DRP1). Te ubikwitynowane białka mogą rekrutować receptory mitofagii (takie jak optineuryna, p62), które łączą mitochondria z au tofagosomami poprzez interakcję z LC3. Powoduje to autofagiczne pochłanianie organelli niezbędne do jej degradacji. Mechanizm niezależny od ubikwityny jest regulowany przez receptory mitofagii, które lokalizują się na MOM, takie jak białko 3 oddziałujące z BCL2 (BNIP3), białko podobne do BNIP3-(BNIP3L/NIX) i domena FUN14 zawierająca 1 (FUNDC1). Białka te łączą mitochondria z autofagosomami poprzez bezpośrednią interakcję z LC3.
Ferroptozę mogą wywołać dwie ścieżki: zewnętrzna i wewnętrzna [27]. Szlak zewnątrzpochodny inicjowany jest poprzez hamowanie wymiennika cystyna/glutaminian w błonie, a mianowicie układu XC, który pośredniczy w wejściu cystyny do komórek, która jest wykorzystywana do syntezy glutationu (GSH) [30], kofaktora wykorzystywanego przez peroksydaza glutationowa 4 (GPX4) w celu eliminacji nadtlenków lipidów w błonach komórkowych. Dlatego hamowanie układu XC pośrednio zmniejsza aktywność GPX4, co w konsekwencji prowadzi do akumulacji śmiertelnych nadtlenków lipidów i indukcji ferroptozy. Kilka środków, takich jak elastyna, sulfasalazyna i sorafenib, blokując układ XC, jest w stanie wywołać ferroptozę poprzez ten mechanizm.
Szlak wewnętrzny jest indukowany głównie przez leki lub inhibitory małocząsteczkowe, takie jak RSL3, ML162, ML210, FIN56 i FINO2, które mogą bezpośrednio lub pośrednio hamować aktywność GPX4 [31]. Ponadto cząsteczki regulujące pobieranie, magazynowanie i wykorzystanie żelaza (takie jak ferrytyna, transferyna i laktotransferyna) mogą wpływać na ferroptozę poprzez zwiększanie poziomu labilnego żelaza (źródła wolnego żelaza, które było stosunkowo dostępne dla reakcji Fentona) w komórce [32 ] Transferyna i laktotransferyna to białka odpowiedzialne za transport żelaza, które wiążąc się ze swoimi receptorami pośredniczą w imporcie Fe do cytoplazmy. Ferrytyna jest wewnątrzkomórkowym białkiem magazynującym żelazo, które może być rozkładane przez lizosomy w procesie zwanym ferrytynofagią i zwiększa poziom wolnego żelaza, sprzyjając w ten sposób ferroptozie [33] (ryc. 1).
Przeciwnie, układy enzymatyczne i nieenzymatyczne (CoQ10, witamina E, ferrostatyny i liprokstatyny) wraz z systemami naprawy błon zapobiegają peroksydacji lipidów i chronią komórki przed ferroptozą [34–37].
Ostatnie badania wykazały, że ferroptoza może być zaangażowana w szlak patofizjologiczny związany z uszkodzeniem I/R [29,38].
Su i in. [39] wykazali, że panneksyna 1, kanał błonowy zaangażowany w regulację uwalniania ATP jako cząsteczki DAMP zdolnej do aktywacji sygnalizacji apoptozy lub autofagii w warunkach oksydacyjnych [40,41], może aktywować ferroptozę w mysim modelu uszkodzenia I/R nerek [39] 39]. Nokaut genu panx1 u myszy poddanych I/R jest powiązany z niższym wzrostem kreatyniny w surowicy i zmniejszoną śmiercią komórek kanalikowych wraz ze zmniejszoną peroksydacją lipidów w porównaniu z myszami typu dzikiego. Wydaje się, że w tym działaniu ochronnym pośredniczy inaktywacja szlaku MAPK/ERK i zwiększenie ekspresji genu antyoksydacyjnego oksygenazy hemowej-1 (HO-1).
Ochronne działanie przeciw ferroptozie może mieć także działanie Augmentera Regeneracji Wątroby (ALR), enzymu oksydazy sulfhydrylowej zlokalizowanego w przestrzeni międzybłonowej mitochondriów. Enzym ten uczestniczy w „układzie przekaźnika dwusiarczkowego”, który pośredniczy w imporcie białek do przestrzeni międzybłonowej [42] i ma właściwości przeciwapoptotyczne i przeciwutleniające. Ekspresja ALR była znacząco zwiększona u niedokrwiennych szczurów po podaniu rekombinowanego ludzkiego ALR poprzez zwiększenie proliferacji komórek kanalików nerkowych i osłabienie apoptozy komórek kanalików, skutecznie zmniejszając uszkodzenie kanalików i łagodząc upośledzenie czynności nerek [43,44].
Ochronna rola ALR w ferroptozie może również wynikać z obniżenia poziomu ROS poprzez jego interakcję z systemem GSH-GPX4 [45] i promowanie usuwania uszkodzonych mitochondriów (mechanizm zwany mitofagią) [46].
Dlatego aktywacja ALR może stanowić możliwą przyszłą strategię terapeutyczną zapobiegania uszkodzeniom alloprzeszczepu indukowanym I/R.
3. Mitofagia: kolejny zawodnik po kontuzji I/R alloprzeszczepu nerki
Uszkodzone lub dysfunkcyjne mitochondria uszkadzają komórkę, wytwarzając dużą ilość ROS i uwalniając czynniki proapoptotyczne. Zatem terminowe usunięcie tych organelli ma kluczowe znaczenie dla homeostazy i żywotności komórek [47].
Mitofagia to mechanizm selektywnej degradacji uszkodzonych mitochondriów poprzez autofagię [48], która jest realizowana na szlaku zależnym od ubikwityny i niezależnym od ubikwityny. Ta pierwsza jest regulowana przez indukowany przez PTEN przypuszczalny szlak kinazy 1 (PINK1)-Parkina. PINK1 to mitochondrialna kinaza serynowo-treoninowa, a Parkin to cytozolowa ligaza ubikwityny E3. W warunkach fizjologicznych PINK1 jest importowany do mitochondriów, gdzie jest rozszczepiany przez wewnątrzbłonową proteazę serynową związaną z prezeniliną związaną z romboidalną (PARL) i ostatecznie ulega degradacji [49]. Kiedy mitochondria ulegają uszkodzeniu i tracą potencjał błonowy, import PINK1 jest utrudniony, co prowadzi do akumulacji tej kinazy na zewnętrznej błonie mitochondrialnej (MOM). Następnie PINK1 rekrutuje Parkina i aktywuje jego aktywność ligazy [50]. Parkina ubikwitynuje kilka substratów mitochondrialnych, takich jak mitofuzyna 2 (Mfn2), zależne od napięcia białko kanału anionselektywnego (VDAC) i białko podobne do dynaminy (DRP1). Te ubikwitynowane białka mogą rekrutować receptory mitofagii (takie jak optineuryna, p62, NBR1), które łączą mitochondria z autofagosomami poprzez interakcję z LC3. Powoduje to autofagiczne pochłanianie organelli niezbędne do jej degradacji [49,51].
Mechanizm niezależny od ubikwityny jest regulowany przez receptory mitofagii, które lokalizują się na MOM, takie jak białko 3 oddziałujące z BCL2 (BNIP3), białko podobne do BNIP3-(BNIP3L/NIX) i domena FUN14 zawierająca 1 (FUNDC1) [52,53] . Białka te łączą mitochondria z autofagosomami poprzez bezpośrednią interakcję z LC3 [54] (ryc. 1).
Mitofagia jest również regulowana przez białka, które uczestniczą w mechanizmach fuzji i rozszczepienia tych organelli. Fuzja powoduje powstanie pojedynczego mitochondrium z wcześniej niezależnych struktur [55], tworząc sieci z ciągłymi błonami i światłem macierzy [56]. Rozszczepienie wytwarza jedną lub więcej organelli potomnych, a w przypadku zmniejszonego potencjału błony mitochondrialnej segreguje te organelle w celu eliminacji na drodze autofagii [56].
Wydaje się, że w koordynacji rozszczepienia/fuzji i mitofagii pośredniczy FUNDC1. W warunkach fizjologicznych receptor ten zakotwicza związany z dynaminą zanik optyczny 1 GTPaz (OPA1) w kierunku wewnętrznej powierzchni MOM. W odpowiedzi na stres mitochondrialny demontaż kompleksu FUNDC1–OPA1 i rekrutacja Drp1 sprzyjają rozszczepieniu mitochondriów i mitofagii [57].
Ten złożony i fascynujący wieloczynnikowy mechanizm autofagiczny może odgrywać rolę ochronną w alloprzeszczepach ulegających uszkodzeniu I/R. Niedobór BNIP3 lub Pink1 i/lub Parkiny w szczurzych modelach uszkodzenia nerek I/R spowodował wzrost wytwarzania ROS, apoptozę i zapalenie cewkowo-śródmiąższowe [58–61]. Te same efekty uzyskano poprzez supresję kaskady mitofagicznej poprzez oddziaływanie na białka regulujące rozszczepienie (np. Drp1) lub fuzję (np. OPA1) [62,63]. Ochronny wpływ mitofagii na nerkę ulegającą uszkodzeniu I/R zaobserwowano po niedokrwiennym kondycjonowaniu wstępnym [64], krótkim okresie nieśmiertelnego niedokrwienia-reperfuzji, który chroni narząd lity przed późniejszym przedłużonym uszkodzeniem I/R [65]. Zwiększenie poziomu mitofagii poprzez szlak PINK1-Parkina poprawiło funkcję mitochondriów, zminimalizowało wytwarzanie ROS i zwiększyło przeżycie komórek [64]. Wszystkie te odkrycia sugerują, że mitofagia, zachowująca jakość mitochondriów i przeżycie komórek kanalikowych, może stanowić cenny mechanizm ochronny przed uszkodzeniem I/R, który powinien być promowany przez interwencje farmakologiczne.
Wsparcie dla Wecistanche – największego eksportera Cistanche w Chinach:
E-mail:wallence.suen@wecistanche.com
Whatsapp/tel:+86 15292862950
Kup więcej szczegółów specyfikacji:
https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop
