Toksyczność nerek wywołana promieniowaniem: patogeneza molekularna i komórkowa

Ryszard Klaus¹, Maksymilian Nijazi^2,3i Bärbel Lange‑Sperandio^1*

Abstrakcyjny

Nefropatia popromienna (RN) jest anerkaurazwywołane promieniowaniem jonizującym. W warunkach klinicznych w radioterapii (RT) stosuje się promieniowanie jonizujące. Stosowanie i intensywność radioterapii są ograniczone przez normalne uszkodzenia tkanek, w tym toksyczność nerek. Różne progi dlanerkatoksyczność istnieje dla różnych jednostek RT. Cechy histopatologiczne RN obejmują uszkodzenie naczyń, kłębuszków i cewkowo-śródmiąższowe. Różne patomechanizmy molekularne i komórkowe zaangażowane w RN nie są w pełni poznane. Promieniowanie jonizujące powoduje dwuniciowe pęknięcia w DNA, a następnie śmierć komórki, w tym apoptozę i martwicę komórek śródbłonka, kanalików i kłębuszków nerkowych. Szczególnie w fazie utajonej RN stres oksydacyjny i stan zapalny zostały zaproponowane jako przypuszczalne patomechanizmy, ale jak dotąd nie znaleziono jednoznacznych dowodów. Starzenie się komórek, aktywacja układu renina-angiotensyna-aldosteron i dysfunkcja naczyń mogą przyczyniać się do RN, ale dostępne są tylko ograniczone dane. W zwierzęcych modelach RN zidentyfikowano kilka szlaków sygnałowych i zbadano różne podejścia do łagodzenia RN. Przetestowano leki, które łagodzą śmierć komórek i stany zapalne lub zmniejszają stres oksydacyjny i zwłóknienie nerek. Wykazano, że blokada układu renina-angiotensyna-aldosteron, leki przeciwapoptotyczne, statyny i antyoksydanty zmniejszają nasilenie RN. Wyniki te dostarczają uzasadnienia dla opracowania nowych strategii zapobiegania lub ograniczania promieniowania wywołanegonerkatoksyczność.

Słowa kluczowe:Nefropatia popromienna, Napromienianie całego ciała, Radioterapia,Nerkowy zwłóknienie, Starzenie się komórek, uszkodzenie DNA,Nerkowy zapalenie

Kontakt: ali.ma@wecistanche.com

Kliknij, abykorzyści i skutki uboczne cistanche tubulosa dlanerka choroba

Radioterapia

Radioterapia (RT) sama lub w połączeniu z chemioterapią, zabiegiem chirurgicznym lub obiema metodami jest główną opcją leczenia litych nowotworów złośliwych. Globalnie zachorowalność na nowotwory wzrasta, ponieważ wzrasta długość życia człowieka i narażenie na czynniki ryzyka nowotworów [1]. W 2018 roku u około 18 milionów osób zdiagnozowano raka, a ponad 9 milionów osób zmarło na raka [2]. Prognozy wskazują, że nowotwór może stać się główną przyczyną zgonów w XXI wieku, a ponad 60 procent pacjentów z rakiem będzie otrzymywać RT przez cały okres leczenia [3]. RT może być stosowana jako radioterapia wiązką zewnętrzną (teleterapia). Radioterapia wewnętrzna obejmuje brachyterapię polegającą na wszczepieniu źródła promieniowania [4], radioterapię śródoperacyjną lub terapię radionuklidową, w której radionuklidy lecznicze podawane są pozajelitowo [5].

Najczęstszą formą RT jest RT z wykorzystaniem akceleratorów liniowych z wiązką zewnętrzną [6, 7]. Wraz z postępem technologicznym ostatnich lat, wprowadzono nowe techniki napromieniania, takie jak radioterapia z modulacją intensywności (IMRT) i jej rotacyjna subforma z wolumetrycznym łukiem z modulacją (VMAT) [8, 9]. Równolegle udoskonalono radioterapię sterowaną obrazem (IGRT), a najczęściej stosowanymi opcjami są obrazowanie planarne kV/MV, tomografia stożkowa, ultrasonografia, skanery powierzchniowe z obrazowaniem rentgenowskim oraz RT pod kontrolą rezonansu magnetycznego (MRgRT). ) [10–12]. A jednak terapię cząsteczkową za pomocą wiązek protonów lub ciężkich jonów można stosować w określonych wskazaniach, ponieważ ich profil dawki głębokości pozwala na strome gradienty poza cel. Procesowi temu towarzyszy poprawa wyznaczania objętości docelowej, planowanie leczenia napromienianiem odwrotnym oraz możliwość adaptacyjnego dostarczania dawki promieniowania [13, 14]. Oprócz celowanej RT szeroko stosowaną technologią jest napromienianie całego ciała (TBI). Jest to jeden ze schematów kondycjonujących przygotowujących pacjentów do przeszczepu szpiku kostnego (BMT). Rocznie na świecie jest ponad 20000 BMT [15].

Toksyczność promieniowania

W pierwszej kolejności przedstawiono ogólne zasady toksyczności radiacyjnej. Konkretne dowody na udział tych domniemanych patomechanizmów w nefropatii popromiennej zostaną omówione osobno później.

Chociaż radioterapia jest bardzo skuteczna w kontrolowaniu wzrostu guza i przedłużaniu całkowitego przeżycia, ma ona niekorzystny wpływ na zdrową tkankę w zakresie napromieniania. Selektywne dotarcie tylko do tkanki nowotworowej pozostaje jednym z głównych wyzwań w RT [16]. Toksyczność dla zdrowej tkanki ogranicza stosowane dawki RT, a tym samym prowadzi do suboptymalnej kontroli guza. Co więcej, skojarzenie z chemioterapią zwiększa toksyczność tkankową prawidłową, a tym samym prowadzi do dalszego zmniejszenia tolerowanej dawki maksymalnej [7].

Głównym celem radioterapii jest DNA. Promieniowanie jonizujące powoduje bezpośrednie uszkodzenia, niszcząc wiązania chemiczne i wybijając elektrony. Promieniowanie jonizujące powoduje również uszkodzenia pośrednie poprzez wytwarzanie reaktywnych form tlenu (ROS) [17]. Kiedy ROS przeważają nad przeciwutleniaczami, powstaje stres oksydacyjny. ROS uszkadzają makrocząsteczki komórkowe, np. lipidy, białka czy DNA [17, 18]. Pęknięcia podwójnej nici DNA (DSB) są najpoważniejszym zdarzeniem w RT [19]. Komórki wyczuwają DSB przez system zwany odpowiedzią na uszkodzenie DNA (DDR). DDR rozpoczyna się w ciągu kilku minut po napromieniowaniu i aktywuje punkty kontrolne cyklu komórkowego oraz naprawę DNA w celu osiągnięcia przeżycia. Gdy procesy naprawcze nie powiodą się, DSB ostatecznie powoduje niestabilność genomu, śmierć komórki lub starzenie się komórek [20]. Reakcja na DSB zależy od zaatakowanej tkanki i integracji DDR w zaatakowanych komórkach. W szybko rozmnażających się tkankach (takich jak docelowe komórki nowotworowe, ale także komórki krwiotwórcze i nabłonek śluzówki) nienaprawione DSB i kolejne rundy nieprawidłowej mitozy kończą się morfotypem katastrofy mitotycznej i śmierci komórki [21]. Odzwierciedla to korzyści terapeutyczne z zabijania komórek nowotworowych, ale także ostrą toksyczność kliniczną radioterapii jako konsekwencję śmierci komórek normalnej tkanki. Zwykle ma to miejsce w ciągu pierwszych dwóch tygodni. Wolno rozmnażające się tkanki (takie jak fibroblasty) reagują raczej z przedłużonym zatrzymaniem cyklu komórkowego zamiast indukcją śmierci komórki [22]. Podczas gdy ostra toksyczność popromienna charakteryzuje się ostrą śmiercią komórek, procesy zatrucia przewlekłego charakteryzują się na ogół fibrogenezą i odkładaniem się macierzy zewnątrzkomórkowej. Procesy te są najprawdopodobniej wtórne poprzez przewlekłe stany zapalne i starzenie komórkowe [23]. Stan zapalny występuje m.in. w urazach popromiennych przewodu pokarmowego [24] i płuc [25]. Reorganizacja włóknista prowadzi do degeneracji i zaniku funkcji poszczególnych narządów [26].

Funkcje nerek

Thenerkisą niezbędnymi organami regulującymi płyny, elektrolity i metabolizm kwasowo-zasadowy organizmu. Nerki wydalają metabolity odpadowe, modulują ciśnienie krwi, produkują erytropoetynę stymulującą erytropoezę i aktywują witaminę D [27]. Po urazie popromiennym,nerkadysfunkcja prowadzi do nadciśnienia, anemii i osteodystrofii. Toksyczne metabolity odpadów gromadzą się i powodują mocznicę, zaburzenia elektrolitowe, takie jak hiperkaliemia, hiperfosfatemia, hipokalcemia, a ostatecznie przewlekła niewydolność nerek [28]. Schyłkowa choroba nerek (ESRD) z utratą funkcji nerek skutkuje terapią nerkozastępczą z koniecznością dializy lub przeszczepu nerki [29].

Przebieg kliniczny nefropatii popromiennej

Przebieg kliniczny nefropatii popromiennej po raz pierwszy opisali Luxton i in. [30] (tabela 1). Poza bardzo wysokimi dawkami promieniowania powyżej 50 Gy, które są nieistotne dla ludzkiego doświadczenia, nie ma żadnych objawów ani objawów klinicznych w ciągu pierwszych 6 miesięcy po napromienianiu. Jest to tak zwany okres utajony RN. Pierwsze kliniczne uszkodzenie ujawnia się w ostrej fazie [6–18 miesięcy] po napromienianiu. Luxton i in. zaobserwowali pierwsze objawy kliniczne 6–13 (średnio 8,5) miesięcy po napromienianiu [30]. Przewlekłe uszkodzenie nerek staje się klinicznie widoczne po ponad 18 miesiącach od RT.

Ostra RN może rozpocząć się bezobjawowo. Azotemia lub białkomocz mogą być wykrywalne przed wystąpieniem objawów. W przypadku objawów, pacjenci mogą wykazywać zmęczenie, obrzęki, bóle głowy i ciężką niedokrwistość nieproporcjonalną do upośledzenia funkcji nerek [31]. Może wystąpić nawet przełom nadciśnieniowy z encefalopatią lub zastoinową niewydolnością serca [31]. Przewlekła RN (CRN) objawia się nadciśnieniem, białkomoczem i przewlekłą niewydolnością nerek [32]. Zanik nerek, który jest typowy w CRN, można mierzyć na podstawie utraty objętości nerek [33] (tab. 1). Podsumowując, CRN jest klinicznie nie do odróżnienia od przewlekłej choroby nerek (CKD) z jakiejkolwiek innej przyczyny. Można argumentować, że pogorszenie czynności nerek po RT u pacjentów z nowotworami złośliwymi jest konsekwencją chemioterapii lub wielu leków nefrotoksycznych, takich jak środki przeciwdrobnoustrojowe. Istnieją jednak dwie duże serie pacjentów z BMT bez TBI, u których nie stwierdzono przewlekłej choroby nerek [34, 35]. Ponadto CRN występuje rzadziej u pacjentów poddawanych TBI z częściową osłoną nerek [36]. Obserwacje pacjentów z RT z lat 70. wykazały, że opóźnienie CRN może wynosić nawet 8–19 lat [37]. Gdy pacjenci z CRN osiągają ESRD, przeżywalność jest znacznie gorsza niż w przypadku innych przyczyn ESRD [38].

Progi dawki i szczególne implikacje na toksyczność promieniowania nerek

The severity of the clinical features of RN depends on the kind of application (e.g. partial vs. total body irradiation, internal beam vs. external beam radiation), the applied dose, and the affected kidney volume [39, 40]. Clinical apparent kidney injury promptly after irradiation is observed only at higher doses than currently used. It has been reported in animal models using >50 Gy [41, 42]. Dawki stosowane w warunkach klinicznych w całkowitym lub częściowym napromienianiu ciała i napromienianiu wewnętrznym są znacznie niższe – jak podano poniżej – i powodują późne efekty obejmujące kłębuszki, kanaliki śródmiąższowe i naczynia nerkowe [43]. Nie ma danych dotyczących konkretnych progów radioterapii dla różnych przedziałów nerki.

In partial body irradiation, clinical studies recommend keeping the mean dose for both kidneys below 18 Gy to limit renal toxicity. 15 to 17 Gy in 2 Gy fractions were considered safe, doses of 23 Gy can cause CKD in 5% of cases, and 28 Gy cause CKD in 50% of cases [44]. In a study with 19 patients with irradiated paraaortic lymph nodes in gynecologic tumors, those with a mean dose for both kidneys of 18 Gy stayed clinically asymptomatic for 12 to >48 miesięcy obserwacji [45]. Dostępne są dane z analiz ilościowych dotyczących prawidłowego wpływu na tkankę w klinice (QUANTEC). Dane QUANTEC pokazują, że nawet u 50 procent pacjentów dochodzi do klinicznie istotnej dysfunkcji nerek, jeśli obie nerki są napromieniane średnią dawką > 18 Gy. Jeśli mniej niż 20 procent objętości nerek jest wystawione tylko na 28 Gy (V28 < 20=""><5% of="" patients="" will="" develop="" a="" clinically="" relevant="" kidney="" dysfunction="" [40].="" recently,="" in="" a="" series="" with="" 663="" patients="" published="" in="" 2020="" only="" 2%="" of="" patients="" with="" adjuvant="" radiotherapy="" for="" gastric="" cancer="" developed="" renal="" function="" impairment.="" the="" volume="" of="" the="" kidney="" receiving="" a="" dose="" of="" 20="" gy="" (v20)="" is="" predictive="" for="" renal="" function="" impairment="">

U pacjentów poddawanych TBI w ramach przygotowań do BMT nefropatia popromienna z PChN i nadciśnieniem tętniczym nadal należą do powszechnych późnych następstw. Jednak ze względu na nowsze przepływy pracy i techniki liczba ta spadła [31, 47, 48]. W serii od 1993 r. do 25 procent pacjentów rozwinęło nefropatię popromienną [31]. W metaanalizie z 2006 roku Kal i in. sugerowała, że ​​dawka biologicznie skuteczna (BED) powinna być mniejsza niż 16 Gy we frakcjach<2 gy="" [49].="" below="" this="" threshold,="" the="" clinical="" renal="" dysfunction="" is="" close="" to="" zero.="" above="" a="" bed="" of="" 21="" gy,="" the="" frequency="" of="" clinical="" renal="" dysfunction="" exceeds="" 20%.="" therefore,="" the="" authors="" suggest="" kidney="" shielding="" above="" a="" bed="" of="" 16="" gy="">

Frakcjonowanie dawek umożliwia wyższe dawki całkowite, ponieważ umożliwia naprawę uszkodzeń subletalnych, repopulację, reoksygenację i reasortację komórek w cyklu komórkowym. W obowiązujących normach promieniowanie zewnętrzne stosuje się we frakcjach 1,5–2 Gy [16]. Szacunki sugerują, że u ludzi narażenie na pojedynczą dawkę 4 Gy może prowadzić do uszkodzenia nerek [50]. Narażenie na duże dawki pojedyncze dawki nie jest już stosowane w praktyce klinicznej, ale może wystąpić w wypadkach popromiennych lub terroryzmie radiologicznym. Anno i in. Szacują, że pojedyncza dawka 7 Gy wysokodawkowego promieniowania jonizującego może przetrwać przy obecnie dostępnym optymalnym wsparciu medycznym [51]. Dekady temu 50-procentowe dawki śmiertelne w Nagasaki i Czarnobylu wynosiły odpowiednio 2-4 Gy i 5-6 Gy. Odkrycia te sugerują, że nefropatia popromienna byłaby istotnym problemem u osób, które przeżyły takie scenariusze [52].

W terapii radionuklidowej — formie RT wewnętrznej stosowanej w różnych nowotworach, w tym guzach neuroendokrynnych — nerki są szczególnie podatne na toksyczność popromienną ze względu na filtrację kłębuszkową, wchłanianie kanalikowe i retencję kanalików proksymalnych radionuklidów [5]. Po filtracji kłębuszkowej około 3 procent całkowitej aktywności jest ponownie wchłaniane i zatrzymywane przez tubulinę proksymalną, co prowadzi do przedłużonej ekspozycji nerek na promieniowanie [53]. U pacjentów leczonych radionuklidami wystąpiła ciężka nefrotoksyczność z maksymalnie 14% zdarzeniami niepożądanymi stopnia 4–5 (ESRD lub zgon) [50]. Ze względu na inny charakter zastosowania progi różnią się od zewnętrznej radioterapii. Podczas gdy promieniowanie zewnętrzne jest stosowane jednorodnie w wysokich dawkach, radionuklidy są rozprowadzane w organach niejednorodnie, a dawki są znacznie niższe, zmienne w czasie i z wykładniczym spadkiem. Dla dawek 90Y-DOTATOC i 177Lu-DOTATATE mniej niż 40 Gy było bezpieczne dla pacjentów bez żadnych czynników ryzyka, natomiast dla pacjentów z czynnikami ryzyka PChN – głównie nadciśnieniem i cukrzycą – zalecono próg 28 Gy [54]. W celu zmniejszenia wchłaniania z kanalików proksymalnych zaleca się jednoczesne podawanie dodatnio naładowanych aminokwasów, takich jak l-lizyna i l-arginina. Zmniejsza wchłanianą dawkę od 9 do 53 proc. Dostosowanie dozymetrii do indywidualnych pacjentów jest ważnym środkiem poprawiającym potencjał terapeutyczny i redukującym toksyczność nerkową.

Chociaż progi dawki i BED nerki mogą się różnić w różnych trybach radioterapii, nie należy oczekiwać, że patomechanizmy molekularne i komórkowe są różne. Szkodliwy bodziec – promieniowanie jonizujące – pozostaje zawsze taki sam. Stąd patomechanizmy omawiane są niezależnie od formularza wniosku.

Histopatologia

Ostre zmiany morfologiczne w nerkach po RT są głównie naczyniowe i kłębuszkowe. Utrata komórek śródbłonka z ekspansją podśródbłonkową jest wczesnym objawem uszkodzenia po napromienianiu. Pętle kapilarne są niedrożne i zatkane. W naczyniach włosowatych kłębuszków obecna jest zarówno zakrzepica, jak i wałeczki zwyrodniałych erytrocytów. Kolejnym powszechnym odkryciem jest mesangioliza. Mikroskopia elektronowa wykazała uszkodzenie komórek śródbłonka i podśródbłonkowe poszerzenie błony podstawnej kłębuszków [55, 56]. Zmiany przewlekłe charakteryzują się wzrostem zwłóknienia śródmiąższowego nerek i utratą masy nefronu. Późnymi cechami RN są stwardnienie tętnic międzyzrazikowych i łukowatych, zanik kanalików oraz bliznowacenie kłębuszkowe [56, 57].

Patomechanizmy toksyczności radiacyjnej

Ogólnie duże zainteresowanie wzbudzają molekularne i komórkowe patomechanizmy przewlekłej choroby nerek (PChN), ponieważ CKD dotyka ponad 700 milionów pacjentów na całym świecie [58]. Chociaż istnieje wiele etiologii PChN, wydaje się, że istnieje wspólny końcowy szlak prowadzący do stwardnienia kłębuszków nerkowych, zwłóknienia śródmiąższowego nerek i atrofii kanalików nerkowych z upośledzeniem funkcji nerek [23]. Przewlekłe zapalenie i starzenie się komórek są czynnikami napędzającymi procesy zwłóknieniowe w prawie wszystkich etiologiach PChN [59, 60].

W RN początkowym uszkodzeniem komórek nerkowych, które może rozpocząć kaskadę w kierunku PChN, jest DSB DNA poprzez promieniowanie jonizujące, albo przez bezpośrednie zdarzenia jonizacyjne w DNA, albo pośrednio za pośrednictwem produktów jonizacji wody i/lub reaktywnych form tlenu [ 61] (ryc. 1). To ostre uszkodzenie DNA może spowodować natychmiastową śmierć komórek w nerkach [62–64]. U chorych na nowotwory poddawanych RT badania profilowania transkryptomów wykazują nefrotoksyczność z podwyższoną regulacją genów martwicy nerek i apoptozy [65]. W komórkach przeżywających fazę ostrą silnie aktywowane są mechanizmy naprawy DNA [66]. Nawet jeśli komórki nie umierają z powodu ostrego uszkodzenia, źle naprawione DSB może nadal indukować śmierć komórki lub starzenie się komórek w dłuższej perspektywie [20]. Cytokiny uwalniane po śmierci komórki [67], starzenie się komórek [60] i samo promieniowanie jonizujące [7] wywołują przewlekłe stany zapalne. Wreszcie, przewlekłe stany zapalne i starzenie się komórek mogą prowadzić do zwłóknienia nerek [23].

Tak więc domniemane molekularne i komórkowe szlaki sygnałowe RN zaczynają się w zakresie uszkodzeń DNA i mechanizmów jego naprawy w nerkach. Przypuszczalnymi patomechanizmami nefropatii popromiennej są śmierć komórek, stres oksydacyjny, dysfunkcja naczyń, starzenie się komórek, stan zapalny, uwalnianie czynników profibrotycznych oraz aktywacja układu renina-angiotensyna-aldosteron (RAAS) (tab. 2). Patomechanizmy Tose i obecnie dostępne dane zostaną omówione w kolejnych akapitach.

Stres oksydacyjny

Stres oksydacyjny (OS) występuje, gdy reaktywne formy tlenu (ROS) przeważają nad przeciwutleniaczami enzymatycznymi i nieenzymatycznymi. ROS reagują z lipidami, białkami i DNA [17]. Prowadzi to do uszkodzenia i starzenia się komórek [92]. W uszkodzeniu tkanek wywołanym promieniowaniem rola OS w ostrej fazie z uszkodzeniem DNA jest dobrze poznana [17]. Ponadto OS jest ważnym patomechanizmem PChN, powikłań PChN i progresji PChN [93, 94]. W związku z tym system operacyjny może również odgrywać rolę w RN.

Jednak ważne jest, aby zrozumieć różnicę między OS generowanym natychmiast po napromienianiu a OS w okresie utajonym RN. Aby udowodnić, że OS odgrywa rolę w etiologii przewlekłej nefropatii popromiennej, OS musi być obecna w okresie utajonym. Takie dane są rzadkie i wciąż sprzeczne. Zhao i in. postawili hipotezę, że przewlekły OS jest odpowiedzialny za RN. Autorzy wykazali podwyższone utlenienie DNA w żywotnych kłębuszkach nerkowych i tubulinie u szczurów w 4–24 tygodniach po napromieniowaniu pojedynczą dawką 20 Gy [71]. Natomiast Lenarczyk i in. nie znaleźli dowodów na przewlekłe OS w okresie utajonym u szczurów, które przeszły TBI z 18,8 Gy w 6 frakcjach lub 10 Gy w pojedynczej dawce. Nie było dowodów na peroksydację lipidów lub utlenianie białek w moczu w pierwszych 42 dniach. Po 89 dniach tkanka nerkowa nie wykazała oznak utleniania DNA lub białek [74]. Podobnie analiza ekspresji genów nie wykazała istotnego wzrostu genów związanych z OS w pierwszych 49 dniach po podaniu pojedynczej dawki TBI z 10 Gy [73]. U szczurów wystąpiły objawy białkomoczu około 6 tygodni po napromienianiu, a po 26 tygodniach wystąpiła mocznica. W związku z tym badane punkty czasowe znajdowały się w fazie utajonej eksperymentalnej RN, nie wykazując dowodów na OS w okresie utajonym.

Cohen i in. nie stwierdzili złagodzenia RN dla deferypronu, genisteiny i apocyniny środka antyoksydacyjnego przy podawaniu szczurom w okresie utajonym po pojedynczej dawce 10 Gy TBI [72]. Natomiast ochronę przed OS wykazano w warunkach eksperymentalnych, gdy substancje przeciwutleniające podawano przed napromieniowaniem. Mercatepe i in. wykazali, że przeciwutleniacz N-acetylocysteina wymiatający ROS zwiększał poziom glutationu u szczurów napromieniowanych 6 Gy TBI. N-acetylocysteina łagodziła histopatologiczną RN i zmniejszała ekspresję kaspazy-3. W tym badaniu N-acetylocysteinę podawano 5 dni przed do 2 dni po TBI. Autorzy doszli do wniosku, że korzyści uzyskano poprzez zmniejszenie OS [68]. Podobne wyniki uzyskali Amiri et al. stosując statyny obniżające poziom lipidów w doświadczalnej RN. Poza wpływem na metabolizm lipidów, statyny mają działanie przeciwzapalne, przeciwapoptotyczne i przeciwutleniające [95]. Codzienne leczenie atorwastatyną 7 dni przed 2 Gy TBI zmniejszało peroksydację lipidów jako marker OS, poprawiało czynność nerek, zmniejszało ekspresję kaspazy 3- i łagodziło uszkodzenie kanalików u myszy [70]. Wykazano również działanie nefroprotekcyjne i przeciwutleniające antagonistów receptora leukotrienowego. Montelukast jest selektywnym antagonistą receptora leukotrienowego CysLT1-, który został opracowany z myślą o zaburzeniach czynności układu oddechowego. Ten lek przeciwzapalny również poprawiał OS [96]. Hormati i in. odkryli, że montelukast podany 2 tygodnie przed 3 Gy TBI u myszy był w stanie zmniejszyć OS i złagodzić RN [69].

W sumie dane dotyczące OS w nefropatii popromiennej wyraźnie wskazują, że OS odgrywa ważną rolę w uszkadzaniu DNA zaraz po napromienianiu. Ponadto zastosowanie przeciwutleniaczy przed napromieniowaniem w konsekwencji łagodzi RN. W przeciwieństwie do tego, w fazie utajonej OS nie było wykrywalne w znaczącej ilości, ani też farmakologiczne osłabienie OS nie mogło złagodzić RN. Dlatego OS nie wydaje się odgrywać żadnej roli po bardzo wczesnym momencie napromieniania. Jednak konsekwencje OS — uszkodzenie DNA, śmierć komórki i indukcja starzenia się komórek — są kluczowe w przypadku RN.

Układ renina-angiotensyna-aldosteron

Układ renina-angiotensyna-aldosteron (RAAS) składa się z enzymów i ich substratów peptydowych i obejmuje wiele narządów. RAAS jest ważnym regulatorem ciśnienia krwi i elektrolitów. Renina jest produkowana w nerkach. Rozszczepia angiotensynogen z wątroby do angiotensyny I (AT I), która jest następnie przekształcana w angiotensynę II (AT-II) przez enzym konwertujący angiotensynę (ACE), który pochodzi z płuc. Jednak wszystkie poszczególne komponenty RAAS są obecne w nerkach i nazywane są wewnątrznerkowym RAAS. Aktywacja wewnątrznerkowa układu RAAS odgrywa kluczową rolę w chorobach nerek, zwłaszcza w nadciśnieniu nerkowym [97].

Hamowanie RAAS za pomocą kaptoprylu łagodziło RN w randomizowanym kontrolowanym badaniu u pacjentów po 14 Gy TBI w 9 frakcjach z osłoną nerek, uzyskując całkowitą dawkę 9,8 Gy w ramach przygotowań do BMT. Kaptopril lub placebo podawano po wszczepieniu gospodarza i poprawiały roczny GFR i całkowite przeżycie pacjenta [76]. Hamowanie RAAS było korzystne w zwierzęcych modelach RN (pojedyncza dawka 10 Gy TBI u szczurów, podanie 177Lu-DOTATATE u myszy) [77–79]. Łagodzenie przez hamowanie układu RAAS było skuteczniejsze w doświadczeniach na zwierzętach niż u pacjentów po BMT. Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem jest to, że u pacjentów TBI nie jest jedynym czynnikiem nefrotoksycznym w procesie BMT. Chemioterapia, infekcje i leki przeciwinfekcyjne przyczyniają się do PChN po BMT, a hamowanie RAAS nie łagodzi wszystkich postaci uszkodzenia nerek.

Hamowanie układu RAAS jest również korzystne w przypadku urazów popromiennych w płucach [98] i mózgu [99]. Wyniki te pilnie nasuwają pytanie, czy RAAS odgrywa mechanistyczną rolę w RN po RT. Jak dotąd nie ma solidnych dowodów na indukcję RAAS w RN. Cohen i in. wykazali brak aktywacji RAAS- przy prawidłowej aktywności reniny, prawidłowym poziomie białka reniny i prawidłowych wartościach surowicy i wewnątrznerkowej AT-II po 17 Gy TBI w 6 frakcjach [82]. Wiązanie się z receptorem AT-II w błonie komórkowej nerki było równie widoczne u szczurów po TBI z 18,8 Gy lub 20,5 Gy podawanymi w sześciu frakcjach w ciągu 3 dni iw grupie kontrolnej [81]. Aldosteron jest obwodowym składnikiem układu RAAS zaangażowanym w różnego rodzaju uszkodzenia nerek [100]. W jednym z badań nie wykazano wzrostu aldosteronu po podaniu pojedynczej dawki 10 Gy TBI u szczurów, a spironolakton będący antagonistą aldosteronu nie złagodził RN [79]. Jednak inna grupa stwierdziła, że ​​spironolakton łagodzi RN po wewnętrznym napromieniowaniu cząstek alfa u myszy [101]. Wydaje się, że podobnie jak blokada AT II, ​​antagoniści aldosteronu mogą łagodzić RN, chociaż sam aldosteron nie jest podwyższony.

Wyraźnie korzystny efekt hamowania układu RAA bez mierzalnego wzrostu aktywności układu RAA sugeruje, że albo normalna aktywność układu RAA jest szkodliwa u osób napromienianych, albo układy przeciwne do układu RAA, takie jak tlenek azotu (NO), zmniejszają się po napromienianiu [79]. Istnieją dowody na redukcję NO w RN u szczurów po 17 Gy TBI w 6 frakcjach w ciągu 3 dni, a RN można złagodzić przez kaptopril [102]. Ogólnie, hamowanie układu RAAS stabilizuje postęp wielu chorób nerek o różnej etiologii. W jego działaniu nefroprotekcyjnym pośredniczy zmniejszenie ciśnienia śródkłębuszkowego, a co za tym idzie zmniejszenie białkomoczu, a co za tym idzie zmniejszenie uszkodzenia kanalików śródmiąższowych [103]. Podsumowując, hamowanie układu RAAS może mieć działanie ochronne, zmniejszając ciśnienie śródkłębuszkowe, zwłóknienie nerek i równoważąc redukcję NO w RN. Blokada układu RAAS jest zatem bardzo obiecującą strategią terapii RN.

Starzenie komórkowe

Starzenie się komórek (CS) to połączenie zatrzymania cyklu komórkowego, tłumienia szlaków apoptozy, wysokiej aktywności metabolicznej i fenotypu sekrecyjnego związanego ze starzeniem się (SASP). SASP obejmuje zwiększone wydzielanie IL-1, IL-6, IL-8, czynnika wzrostu tkanki łącznej, transformującego czynnika wzrostu, czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego i TNF- [104, 105]. Chociaż jest to część normalnego chronologicznego procesu starzenia, charakteryzującego się ścieraniem się telomerów, przedwczesne starzenie jest indukowane przez czynniki stresowe, takie jak promieniowanie jonizujące bezpośrednio lub pośrednio przez OS [106, 107]. W mózgu [108], sercu [109] i płucach [98] CS przyczynia się do uszkodzenia narządów wywołanego promieniowaniem. W PChN o etiologii innej niż CRN CS jest również sugerowanym patomechanizmem [60]. W eksperymentalnym RN z pojedynczą dawką 18 Gy u szczurów CS wykazano w komórkach śródbłonka kłębuszków nerkowych i podocytach szczurów, co podkreśla wpływ CS na RN. Uszkodzenie śródbłonka kłębuszków było dominujące, co skutkowało wzrostem mikroangiopatii zakrzepowej, zapadaniem się kłębuszków i zmniejszeniem liczby komórek śródbłonka w eksperymentalnej RN. Komórki nerek wykazywały podwyższone wskaźniki starzenia komórkowego (p53, p21, p16), zatrzymanie cyklu komórkowego i miały SASP ze zwiększonym wydzielaniem IL-6. Wydzielanie TNF-, IL-8 i VEGF-A nie było znacząco zwiększone. W tym doświadczalnym modelu RN stwierdzono uszkodzenie kłębuszków i upośledzenie funkcji nerek [83]. Wydaje się zatem, że w RN aktywowana jest starzenie się komórek.

Zniesławienie

Zaproponowano zapalenie jako mechanizm RN, ponieważ występuje ono w innych uszkodzeniach popromiennych, takich jak uszkodzenie popromienne przewodu pokarmowego [110] i popromienne zapalenie płuc [25]. Co więcej, mechanistyczne zapalenie łączy uszkodzenie komórek nerkowych i PChN. Martwicze komórki kanalików uwalniają wzorce molekularne związane z uszkodzeniem (DAMP) i wyzwalają wydzielanie prozapalnych cytokin i chemokin w komórkach rezydujących w tkankach i zrekrutowanych leukocytach [111]. Na przykład makrofagi wytwarzają cytokiny, takie jak TNF- i IL-6. Tese informuje – obowiązkowe odpowiedzi prowadzą do jeszcze większej śmierci komórek i napędzają błędne koło śmierci komórek i zapalenia [67], po którym następuje pogorszenie funkcji nerek i inicjacja zwłóknienia nerek [112]. Jednak jest niewiele danych na temat aktywnego stanu zapalnego w RN. Stwierdzono, że cytokiny prozapalne, takie jak TNF-, IL-1 i interferon-, są głównymi regulatorami w górę regulowanych transkryptów u myszy po przyjęciu 177Lu-Octreotate [84]. Poziomy ekspresji TNF wzrosły i korelowały z aktywnością metaboliczną wykrytą w [18F]-FDG-PET-CT u tybetańskich świnek miniaturowych po 2, 5, 8, 11 i 14 Gy pojedynczej dawki TBI [85]. Dalsze dowody na udział stanu zapalnego w RN pochodzą z obserwacji, że montelukast był w stanie złagodzić RN u myszy po podaniu pojedynczej dawki 3 Gy TBI w sposób zależny od dawki [69]. Montelukast ma działanie przeciwzapalne poprzez hamowanie aktywacji jądrowego czynnika κB i redukcję cytokin przeciwzapalnych, takich jak TNF i IL-6 [113].

W przeciwieństwie do tego, ostatnio przeprowadzono badania na makakach rezus, które wykazały, że stan zapalny odgrywa jedynie niewielką rolę lub nie odgrywa żadnej roli w RN. Van Kleef i in. badali przewlekłą RN u makaków za pomocą analizy histologicznej 6 do 8 lat po napromieniowaniu pojedynczą dawką 4,5-8,5 Gy lub dwiema frakcjami po 5 Gy. W porównaniu z grupą kontrolną w tym samym wieku nie stwierdzono istotnej różnicy w nacieku leukocytów w nerkach, a tylko nieznacznie wzrosła liczba makrofagów w korze nerkowej [57]. Jednak po tak długim czasie należy się spodziewać, że stan zapalny już ustał, a zwłóknienie przejęło. Parker i in. wystawione makaki na promieniowanie części ciała w dawce 10, 11 lub 12 Gy z 5-procentową ochroną szpiku kostnego. Naciek komórek zapalnych lub zwiększona populacja makrofagów nie były znaczącymi cechami histologicznymi około 100 dni po napromienianiu [56]. Niedawno Cohen i in. nie wykazały istotnego zapalenia komórek w nerkach 180 dni po napromieniowaniu części ciała 10 Gy u makaków z 5-procentowym lub 2,5-procentowym oszczędzaniem szpiku kostnego. Zapalenie komórkowe prawie nigdy nie przekraczało 1% obszaru miąższu nerki [87]. Stymulacja linii krwiotwórczych czynnikiem stymulującym granulocyty nie zmieniła nacieku leukocytów i nie miała ani niekorzystnego, ani korzystnego wpływu na eksperymentalną RN. W testach na napromieniowanych królikach, silny środek przeciwzapalny prednizolon niekorzystnie wpływał na przeżycie 6 tygodni i 9 miesięcy [86]. Nawet jeśli jest możliwe, że niekomórkowe zapalenie, w którym pośredniczą cytokiny, odgrywa rolę w RN, wydaje się to mało prawdopodobne, ponieważ komórki, które wywołują zapalenie, w którym pośredniczą cytokiny, nie były obecne. Obecnie brakuje całkowitego odrzucenia roli makrofagów w analizie czynnościowej RN tych populacji, ponieważ wiadomo, że makrofagi rezydujące w tkankach przyczyniają się do choroby nerek [114].

Podsumowując, aktualne dane sugerują, że zapalenie – w przeciwieństwie do innych narządów – nie jest istotnym patomechanizmem dla RN i poszukiwanie możliwości leczenia powinno koncentrować się na innych szlakach.

Dysfunkcja naczyń

Dysfunkcja śródbłonka i zmieniona hemodynamika są znanymi cechami toksyczności nerek wywołanej promieniowaniem [88]. Kwasy epoksyeikozatrienowe (EET) są wytwarzane w śródbłonku przez enzymy epoksygenazy CYP. EET pochodzą z kwasu arachidonowego i wykazano, że chronią nerki w różnych modelach patologii nerek [89, 90]. Eksperymentalne napromienianie prowadzi do zmniejszenia nerkowych poziomów epoksygenaz CYP i EET w moczu, do uszkodzenia śródbłonka i naczyń z dysfunkcją tętniczek doprowadzających i upośledzeniem odpowiedzi autoregulacyjnych w nerkach. Analogi Eet podawano szczurom codziennie od 2 dnia do 12 tygodni po podaniu pojedynczej dawki 11 Gy TBI. Funkcja tętniczek doprowadzających uległa poprawie, nadciśnienie tętnicze zostało złagodzone, a apoptoza nerek zmniejszona poprzez szlak Fas/FasL [91]. Analogi Tus, EET wydają się łagodzić RN przez mechanizmy inne niż OS i zapalenie, a zatem mogą być obiecujące dla przyszłych terapii.

Zwłóknienie

Zwłóknienie nerek to powstawanie blizn w miąższu. Jest to patologiczny sposób normalnego gojenia się ran z aktywacją i migracją miofibroblastów, odkładaniem macierzy zewnątrzkomórkowej i przebudową nerek. Zwłóknienie jest powszechną końcową drogą prowadzącą do prawie wszystkich etiologii PChN. Mechanizmy prowadzące do zwłóknienia mogą być pomocne w naprawie tkanek w ostrym urazie, jednak gdy występują uporczywie w PChN, prowadzą do niefunkcjonowania tkanki i powodują pogorszenie funkcji nerek [23]. My- fibroblasty są głównym źródłem macierzy zewnątrzkomórkowej. Kolagen I jest najczęstszym białkiem macierzy w zwłóknieniu nerek, ale występują również typy II, IV, V i XV [115]. Transformujący czynnik wzrostu beta (TGF- ) stymuluje różnicowanie miofibroblastów w zwłóknieniu nerek [116].

Inne ważne bodźce stymulujące aktywację miofibroblastów i zwłóknienie nerek to wrodzony i adaptacyjny układ odpornościowy [112]. Niewiele jest danych histologicznych i mechanistycznych dotyczących zwłóknienia w przewlekłej RN. Jednak dostępne dane potwierdzają hipotezę, że zwłóknienie jest obecne w RN. U makaków zwłóknienie nerki wystąpiło około 100 dni po 10, 11 lub 12 Gy TBI z 5-procentową ochroną szpiku kostnego. Wszystkie odkrycia dotyczyły całej nerki, w tym kory i rdzenia. W czasie sekcji, TGF- był jednakowo podwyższony w napromieniowanych nerkach i kontrolach, co było zaskakujące, biorąc pod uwagę rozległe zwłóknienie po RT. Te odkrycia sugerują niezależny od TGF- -wpływ na zwłóknienie nerek. Zwłóknienie nerek występowało głównie u zwierząt, które przeżyły najdłużej, co sugeruje, że jest to efekt długotrwały, jak wiadomo w innych postaciach uszkodzenia nerek [56]. Blokada układu RAAS za pomocą inhibitorów ACE oraz analogów EET zmniejszyła odkładanie się macierzy zewnątrzkomórkowej i włóknienie nerek i okazała się korzystna w eksperymentalnym RN.

Wniosek

Chociaż istnieją dane dotyczące patomechanizmów molekularnych i komórkowych w toksyczności nerek wywołanej promieniowaniem, są one rzadkie. Jak dotąd, dokładna sygnalizacja i patomechanizmy nie są w pełni poznane. Istnieje kilka danych dotyczących pacjentów, ale większość z nich pochodzi z modeli eksperymentalnych (głównie szczurów i zwierząt naczelnych). Schematy i dawki promieniowania jonizującego różnią się, co dodatkowo komplikuje porównywalność. W wielu aspektach RN ma cechy wspólne z ostrym uszkodzeniem nerek przekształcającym się w przewlekłą chorobę nerek. Ostrym bodźcem w RN jest promieniowanie jonizujące, a powszechnym końcowym etapem jest zwłóknienie nerek z zanikiem narządu i pogorszeniem funkcji nerek. Sugerowano, że stres oksydacyjny i stan zapalny są istotnymi patomechanizmami w fazie utajonej, ale nie ma solidnych dowodów na żaden z nich.

Układ renina-angiotensyna-aldosteron wydaje się być obiecującym kandydatem. Inhibitory RAAS łagodzą progresję RN u pacjentów iw modelach eksperymentalnych. Dysfunkcja naczyń nerkowych jest obecna w RN i może być osłabiona przez kwasy epoksyeikozatrienowe. Wykazano, że w doświadczalnym RN występuje starzenie się komórek. Ponieważ zwłóknienie jest końcowym etapem RN, blokowanie odkładania się macierzy zewnątrzkomórkowej może być obiecującym celem przyszłych terapii. Wciąż brakuje biomarkerów do diagnozowania i oceny progresji i ciężkości RN i należy je zidentyfikować. Mogą wskazywać nowe ścieżki dla przyszłych celów badawczych i terapeutycznych w RN.

Bibliografia

1. Wild CP, Espina C, Bauld L, Bonanni B, Brenner H, Brown K i in. Profilaktyka raka w Europie. Mol Oncol. 2019;13(3):528–34.

2. Bray F, Ferlay J, Soerjomataram I, Siegel RL, Torre LA, Jemal A. Globalne statystyki dotyczące raka 2018: szacunki GLOBOCAN dotyczące zachorowalności i śmiertelności na całym świecie dla 36 nowotworów w 185 krajach. CA Cancer J Clin. 2018;68(6):394–424.

3. Bristow RG, Alexander B, Baumann M, Bratman SV, Brown JM, Camphausen K i in. Łączenie precyzyjnej radioterapii z celowaniem molekularnym i środkami immunomodulującymi: wytyczne Amerykańskiego Towarzystwa Onkologii Radiacyjnej. Lancet Oncol. 2018;19(5):e240–51.

4. Cunha JAM, Flynn R, Belanger C, Callaghan C, Kim Y, Jia X i in. Przyszłe kierunki brachyterapii. Semin Radiat Oncol. 2020;30(1):94-106.

5. Erbas B, Tuncel M. Ocena czynności nerek podczas terapii radionuklidami receptora peptydowego. Nasienie Nucl Med. 2016;46(5):462-78.

6. Orth M, Lauber K, Niyazi M, Friedl AA, Li M, Maihofer C, et al. Aktualne koncepcje w radioterapii onkologicznej klinicznej. Biofizyka środowiska radiacyjnego. 2014;53(1):1–29.

7. De Ruysscher D, Niedermann G, Burnet NG, Siva S, Lee AWM, Hegi‑Johnson F. Toksyczność radioterapii. Podkłady Nat Rev Dis. 2019;5(1):13.

8. de Crevoisier R, Chauvet B, Barillot I, Lafond C, Mahe M, Delpon G. Image-guided radiotherapy. Radioter rakowy. 2016;20(Suppl):S27-35.

9. Teoh M, Clark CH, Wood K, Whitaker S, Nisbet A. Wolumetryczna terapia łukiem modulowanym: przegląd aktualnej literatury i zastosowanie kliniczne w praktyce. Fr J. Radiol. 2011;84(1007):967–96.

10. Gregoire V, Guckenberger M, Haustermans K, Lagendijk JJW, Menard C, Potter R i in. Wskazówki obrazowe w radioterapii dla lepszego leczenia raka. Mol Oncol. 2020;14(7):1470–91.

11. Corradini S, Alongi F, Andratschke N, Belka C, Boldrini L, Cellini F, et al. Poradnictwo MR w rzeczywistości klinicznej: obecne wyzwania leczenia i perspektywy na przyszłość. Radiat Oncol. 2019;14(1):92.

12. Kugele M, Mannerberg A, Norring Bekke S, Alkner S, Berg L, Mahmood F i in. Radioterapia sterowana powierzchniowo (SGRT) poprawia dokładność konfiguracji pacjenta z rakiem piersi. J Appl Clin Med Phys. 2019;20(9):61–8.

13. Langendijk JA, Lambin P, De Ruysscher D, Widder J, Bos M, Verheij M. Wybór pacjentów do radioterapii protonami w celu zmniejszenia skutków ubocznych: podejście oparte na modelu. Radiother Oncol. 2013;107(3):267–73.

14. Durante M, Orecchia R, Loefer JS. Terapia naładowanymi cząstkami w raku: zastosowania kliniczne i perspektywy na przyszłość. Nat Rev Clin Oncol. 2017;14(8):483-95.

15. Paix A, Antoni D, Waissi W, Ledoux MP, Bilger K, Fornecker L i in. Napromienianie całego ciała w schematach kondycjonujących do allogenicznego przeszczepu szpiku kostnego: przegląd. Crit Rev Oncol Hematol. 2018;123:138–48.

16. Schaue D, McBride WH. Szanse i wyzwania radioterapii w leczeniu raka. Nat Rev Clin Oncol. 2015;12(9):527-40.

17. Wei J, Wang B, Wang H, Meng L, Zhao Q, Li X i in. Uszkodzenie normalnej tkanki wywołane promieniowaniem: stres oksydacyjny i mechanizmy epigenetyczne. Oxid Med Cell Longev. 2019;2019:3010342.

18. Lord CJ, Ashworth A. Odpowiedź na uszkodzenie DNA i terapia nowotworowa. Natura. 2012;481(7381):287–94.

19. Goldstein M, Kastan MB. Odpowiedź na uszkodzenie DNA: implikacje dla odpowiedzi guza na radioterapię i chemioterapię. Annu Rev Med. 2015;66:129–43.

20. Mahamud O, So J, Chua MLK, Bristow RG. Ukierunkowana naprawa DNA w celu precyzyjnej radioterapii: równoważenie współczynnika terapeutycznego. Curr Probl Raka. 2017;41(4):265-72.