Окислювальний стрес та ішемія/реперфузійне пошкодження при трансплантації нирки: фокус на фероптозі, мітофагії та нових антиоксидантах
Nov 10, 2023
Анотація:Незважаючи на те, що в ній спостерігається технічний і фармакологічний прогресмедицина трансплантації нирки, можуть виникнути деякі пацієнтигострі посттрансплантаційні ускладнення. Серед механізмів, задіяних у цих умовах,ішемія/реперфузія (I/R)травмаможе мати основну патофізіологічну роль, оскільки є однією з основних причин уповільненої функції трансплантата (DGF), повільного відновлення функції нирок із необхідністю діалізу (зазвичай протягом першого тижня після трансплантації). DGF має значний соціальний та економічний вплив, оскільки пов’язаний з тривалою госпіталізацією та розвитком важких ускладнень (включаючи гостре відторгнення). Під час травми I/R окислювальний стрес відіграє важливу роль в активації кількох шляхів, зокремафероптоз, спричинена залізом клітинна смерть, що характеризується накопиченням заліза та надмірним перекисним окисленням ліпідів, і мітофагія, селективна деградація пошкоджених мітохондрій шляхом аутофагії. Ферроптоз може сприяти пошкодженню нирок, тоді як мітофагія може відігравати захисну роль, зменшуючи вивільнення активних форм кисню з дисфункціональних мітохондрій. Глибоке розуміння обох шляхів може запропонувати можливість виявлення нових ранніх діагностичних неінвазивних біомаркерів DGF і впровадження нових клінічно застосовних фармакологічних стратегій. У цьому огляді ми узагальнюємо всі відповідні знання в цій галузі та обговорюємо поточні антиоксидантні фармакологічні стратегії, які можуть представляти в майбутньому потенційні методи лікування травми I/R.
Ключові слова: ішемія/реперфузійне пошкодження;окислювальний стрес; фероптоз;мітофагія;трансплантація нирки
НАТИСНІТЬ ТУТ, ЩОБ ОТРИМАТИ ТРАВ’ЯНИЙ ЦИСТАНШ ДЛЯ НИРОК
1. Введення
Трансплантація ниркиявляє собою найбільш економічно ефективний спосіб замісної ниркової терапії для пацієнтів з необоротною хронічною нирковою недостатністю (термінальна стадія ниркової недостатності, 5 стадія хронічної ниркової недостатності) [1]. Однак, незважаючи на постійний технічний і фармацевтичний прогрес у трансплантаційній медицині, у деяких пацієнтів на ранніх стадіях розвиваються гострі посттрансплантаційні ускладнення та відбувається повільне відновлення ниркової функції з необхідністю діалізу (зазвичай протягом першого тижня після трансплантації). Цей клінічний стан, а саме затримка функції трансплантата (DGF), має значний соціальний та економічний вплив, оскільки пов’язаний із тривалою госпіталізацією [2], поліфармакологічними підходами (особливо за наявності супутнього гострого відторгнення алотрансплантата) [3] та коротша виживаність трансплантата [4]
Ризик DGF вищий у конкретному органіпрограми трансплантації з використанням нироквід донорів без серцевих скорочень, людей похилого віку, мультиморбідних (наприклад, діабет, гіпертонія), реципієнтів з попередньою невдачею алотрансплантата та/або всіх сенсибілізованих, а також органів, пошкоджених гострим ураженням нирок і тривалою холодовою ішемією [5,6]
Зокрема, під час ішемії значне зниження надходження кисню та наступне перемикання клітин з аеробного на анаеробний метаболізм може знизити швидкість виробництва АТФ [7] і викликати накопичення лактату (що призводить до ацидозу). Як наслідок, насоси Na+/K+ АТФази, Na+/H+ і Ca2+-АТФази можуть вийти з ладу, і натрій, водень і кальцій накопичуються в цитоплазмі з подальшою гіперосмоляльністю, підвищенням транспорту води через клітинні мембрани та клітинний набряк [8].
Під час реперфузії можливе швидке збільшення кисню та нормалізація рНпідвищують цитозольний кальційконцентрація, що активує цистеїнові протеази (наприклад, кальпаїни, каспази) і запускає апоптотичний шлях. Крім того, перевантаження кальцієм стимулює відкриття перехідних пор мітохондріальної проникності (mPTP), які дозволяють вивільняти такі речовини, як цитохром С, сукцинат і мітохондріальна ДНК, які можуть індукувати загибель клітин через апоптоз і некроз і діяти як молекулярні структури, пов’язані з небезпекою/пошкодженням. (DAMP), що сприяє активації як вродженого, так і адаптивного імунітету [9–11]. Крім того, ці механізми можуть призвести до прогресуючого інтерстиціального фіброзу [12–14].
Крім того, надмірне виробництво активних форм кисню (АФК) після ішемії/реперфузії (І/Р) може бути викликане дерегуляцією багатьох ферментів, здатних зменшувати молекулярний кисень, утворюючи супероксид та/або пероксид водню, такі як НАДФН-оксидаза, синтаза оксиду азоту (NOS). ), мітохондріальний ланцюг транспортування електронів і ксантиноксидоредуктазу (XOR).
XOR є складним молібдофлавоферментом, який контролює етап обмеження швидкості катаболізму пуринів і існує у двох взаємоперетворюваних формах, ксантиндегідрогеназі (XDH) і ксантиноксидазі (XO). XDH переважно використовує NAD+ як акцептор електронів, тоді як XO використовує O2 як кінцевий акцептор електронів, таким чином демонструючи здатність генерувати ROS [15]. Цей фермент перетворює гіпоксантин у супероксид (O2-) і перекис водню (H2O2), що утворюють ксантин, які відіграють важливу роль у опосередкуванні залучення та/або активації лейкоцитів, які організовують пошкодження тканин [16].
Крім того, NADPH оксидази, мультимерні комплекси, які генерують супероксид або H2O2, що складаються з семи членів сімейства (NOX1–5, DUOX1–2) [17], беруть участь у виробництві ROS після I/R. Ферменти NOX використовують кисень як кінцеві акцептори електронів через NADPH, FAD і гемові групи. Ферменти DUOX переважно виробляють перекис водню разом із NOX-4, тоді як інші ізоферменти NOX здебільшого виробляють супероксид. NOX є конститутивно неактивними і потребують клітинної стимуляції для переміщення на мембрану та генерації АФК [16]. У I/R цей ферментативний комплекс може бути активований кількома хімічними медіаторами, які виробляються та вивільняються клітинами, такими як фактор інгібітору гіпоксії -1 (HIF-1 ) [18], фосфоліпаза A2 [19], арахідонова кислота [20], система комплементу [21], цитокіни, такі як TNF- та IL-1 з макрофагів і опасистих клітин [22].
Іншим джерелом ROS є незв’язана NOS, яка виробляє оксид азоту (NO) шляхом перетворення L-аргініну на L-цитрулін з використанням NADPH як відновлювального субстрату та тетрагідробіоптерину (BH4) як окисно-відновного кофактора. Цей фермент, в умовах гіпоксії, може бути перетворений на O2-генеруючий фермент через знижену концентрацію BH4, збільшуючи окисне пошкодження [23].
Крім того, мітохондрії, органели, які генерують більшу частину хімічної енергії, необхідної для живлення клітини, сприяють виробленню АФК через одновалентне відновлення O2, головним чином через витік електронів у комплексі I та -кетоглутаратдегідрогенази [24].
Під час ішемії зміна мітохондріальної структури, високе співвідношення NADH/NAD+ і накопичення сукцинату метаболіту циклу лимонної кислоти посилюють цей процес [25,26].
Отже, окислювальний стрес відіграє ключову роль у пошкодженні органів після I/R шляхом активації фероптозу, загибелі клітин, викликаної залізом, що характеризується накопиченням заліза, надмірною кількістю АФК і продуктів перекисного окислення ліпідів, а також мітофагією, вибірковою деградацією пошкоджених мітохондрій шляхом аутофагії.
2. Ферроптоз: роль у травмі алотрансплантата нирки I/R
Ферроптоз є формою регульованої смерті клітин, викликаної накопиченням заліза, перекисним окисленням ліпідів і подальшим розривом плазматичної мембрани [27]. В основному він характеризується: ядром без конденсації хроматину, мітохондріями зі зменшеним об’ємом і кристами, значним збільшенням клітин і розривом плазматичної мембрани [28,29].
У контексті ниркового I/R накопичення заліза через реакцію Фентона може генерувати велику кількість АФК (також збільшених супутньою мітохондріальною дисфункцією та активністю сімейства NOX), що може серйозно посилити внутрішньоклітинний окислювальний стрес і перекисне окислення ліпідів. (Фігура 1)
Рисунок 1. Схематичне зображення механізмів ферроптозу та мітофагії при ішемії/реперфузії (I/R) ниркової травми. Під час I/R декілька шляхів сприяють ферроптозу: (i) надмірне виробництво АФК НАДФН-оксидазою (NOX), синтазою оксиду азоту (NOS), ксантиноксидоредуктазою (XOR) і мітохондріями сприяє перекисному окисленню ліпідів і розриву плазматичної мембрани; (ii) зниження вмісту глутатіону (GSH) пригнічує активність глутатіонпероксидази 4 (GPX4) та її захисну дію проти мембранного перекисного окислення ліпідів; (iii) I/R може опосередковано індукувати феритинофагію, яка спричиняє деградацію внутрішньоклітинного феритину та збільшення внутрішньоклітинного пулу лабільного заліза. Мітофагія активується в I/R за допомогою як убіквітин-залежних, так і убіквітин-незалежних механізмів і, здається, відіграє захисну роль у пошкодженні I/R шляхом зменшення вивільнення активних форм кисню з дисфункціональних мітохондрій. У фізіологічних умовах PINK1 імпортується в мітохондрії, де він розщеплюється внутрішньомембранною сериновою протеазою, асоційованою з пресеніліном, асоційованою з ромбоподібними (PARL) і остаточно розкладається. Коли мітохондрії пошкоджуються і втрачають свій мембранний потенціал, PINK1 накопичується на зовнішній мембрані мітохондрій (MOM) і рекрутує Паркіна. Паркін убіквітує кілька мітохондріальних субстратів, таких як вольтаж-залежний білок аніон-селективного каналу (VDAC) і динамін-1-подібний білок (DRP1). Ці убіквітовані білки можуть рекрутувати рецептори мітофагії (такі як оптиневрин, p62), які зв’язують мітохондрії з автофагосомами через взаємодію з LC3. Це викликає аутофагічне поглинання органели, необхідної для її деградації. Убіквітин-незалежний механізм регулюється мітофагічними рецепторами, які локалізуються на MOM, наприклад BCL2 взаємодіючий білок 3 (BNIP3), BNIP3-подібний (BNIP3L/NIX) і домен FUN14, що містить 1 (FUNDC1). Ці білки сполучають мітохондрії з аутофагосомами шляхом безпосередньої взаємодії з LC3.
Два шляхи можуть викликати фероптоз: зовнішній і внутрішній шлях [27]. Зовнішній шлях ініціюється через інгібування цистин/глутаматного обмінника мембрани, а саме системи XC, яка опосередковує надходження цистину в клітини, який використовується для синтезу глутатіону (GSH) [30], кофактора, який використовується глутатіонпероксидаза 4 (GPX4) для усунення пероксидів ліпідів у клітинних мембранах. Таким чином, інгібування системи XC опосередковано знижує активність GPX4 з подальшим накопиченням летальних пероксидів ліпідів і індукцією фероптозу. Деякі агенти, такі як еластин, сульфасалазин і сорафеніб, блокуючи систему XC, здатні викликати фероптоз за допомогою цього механізму.
Внутрішній шлях в основному індукується лікарськими засобами або низькомолекулярними інгібіторами, такими як RSL3, ML162, ML210, FIN56 і FINO2, які можуть прямо чи опосередковано інгібувати активність GPX4 [31]. Крім того, молекули, що регулюють поглинання, зберігання та використання заліза (такі як феритин, трансферин і лактотрансферин), можуть впливати на ферроптоз шляхом підвищення рівня лабільного заліза (джерело вільного заліза, яке було відносно доступним для реакції Фентона) у клітині [32]. ]. Трансферин і лактотрансферин є білками, відповідальними за транспорт заліза, які, зв'язуючись зі своїми рецепторами, забезпечують імпорт Fe в цитоплазму. Феритин — це внутрішньоклітинний білок, що накопичує залізо, який може розкладатися лізосомами в процесі, що називається феритинофагією, і підвищує рівень вільного заліза, таким чином сприяючи фероптозу [33] (рис. 1).
Навпаки, ферментативні та неферментативні системи (CoQ10, вітамін Е, феростатини та ліпроксстатини) разом із системами відновлення мембран запобігають перекисному окисленню ліпідів і захищають клітини від фероптозу [34–37].
Недавні дослідження показали, що фероптоз може бути залучений до патофізіологічного шляху, пов’язаного з травмою I/R [29,38].
Су та ін. [39] продемонстрували, що паннексин 1, мембранний канал, який бере участь у регуляції вивільнення АТФ як молекула DAMP, здатна активувати апоптоз або передачу сигналів аутофагії в окислювальних умовах [40,41], може активувати фероптоз у мишачої моделі ураження нирок I/R [39]. 39]. Нокаут гена panx1 у мишей, які піддалися I/R, пов’язаний із меншим приростом креатиніну в сироватці крові та зниженням загибелі канальцевих клітин разом із зниженням перекисного окислення ліпідів порівняно з мишами дикого типу. Схоже, що цей захисний ефект опосередкований інактивацією шляху MAPK/ERK і посиленням гемоксигенази антиоксидантного гена-1 (HO-1).
Захисний ефект проти фероптозу також може здійснюватися завдяки активності аугментатора регенерації печінки (ALR), ферменту сульфгідрилоксидази, локалізованого в міжмембранному просторі мітохондрій. Цей фермент бере участь у «дисульфідній релейній системі», яка опосередковує імпорт білків у міжмембранний простір [42] і має антиапоптотичні та антиоксидантні властивості. Експресія ALR була значно збільшена у щурів з ішемічною хворобою та введення рекомбінантної людської ALR шляхом посилення проліферації клітин ниркових канальців і послаблення апоптозу канальців, ефективно зменшуючи пошкодження канальців і полегшуючи порушення функції нирок [43,44].
Захисна роль ALR у фероптозі також може бути опосередкована зниженням рівня АФК через його взаємодію з системою GSH-GPX4 [45] і шляхом сприяння очищенню пошкоджених мітохондрій (механізм, який називається мітофагією) [46].
Таким чином, активація ALR може представляти можливу майбутню профілактичну терапевтичну стратегію для I/R-індукованого пошкодження алотрансплантата.
3. Мітофагія: ще один гравець у травмі алотрансплантата нирки I/R
Пошкоджені або дисфункціональні мітохондрії шкодять клітині, виробляючи велику кількість АФК і вивільняючи проапоптотичні фактори. Таким чином, своєчасне видалення цих органел має вирішальне значення для клітинного гомеостазу та життєздатності [47].
Мітофагія — це механізм селективної деградації пошкоджених мітохондрій за допомогою аутофагії [48], який виконується убіквітин-залежним і убіквітин-незалежним шляхом. Перший регулюється PTEN-індукованим передбачуваним шляхом кінази 1 (PINK1)-Паркіна. PINK1 — це мітохондріальна серин/треонін-кіназа, а Parkin — цитозольна убіквітин-лігаза E3. У фізіологічних умовах PINK1 імпортується в мітохондрії, де він розщеплюється внутрішньомембранною сериновою протеазою, асоційованою з ромбоподібним пресеніліном (PARL), і остаточно деградує [49]. Коли мітохондрії пошкоджуються і втрачають свій мембранний потенціал, імпорт PINK1 перешкоджає, що призводить до накопичення цієї кінази на зовнішній мембрані мітохондрій (MOM). Згодом PINK1 рекрутує Parkin і активує його лігазну активність [50]. Паркін убіквітує кілька мітохондріальних субстратів, таких як мітофузин 2 (Mfn2), вольтаж-залежний білок аніон-селективного каналу (VDAC) і динамін-1-подібний білок (DRP1). Ці убіквітовані білки можуть рекрутувати рецептори мітофагії (такі як оптиневрин, p62, NBR1), які зв’язують мітохондрії з аутофагосомами через взаємодію з LC3. Це викликає аутофагічне поглинання органели, необхідної для її деградації [49,51].
Убіквітин-незалежний механізм регулюється рецепторами мітофагії, які локалізуються на MOM, наприклад BCL2 взаємодіючий білок 3 (BNIP3), BNIP3-подібний (BNIP3L/NIX) і домен FUN14, що містить 1 (FUNDC1) [52,53] . Ці білки сполучають мітохондрії з аутофагосомами шляхом безпосередньої взаємодії з LC3 [54] (рис. 1).
Мітофагія також регулюється білками, які беруть участь у механізмах злиття та поділу цих органел. Злиття призводить до формування єдиної мітохондрії з раніше незалежних структур [55], утворюючи мережі з безперервними мембранами та просвітом матриці [56]. Розщеплення утворює одну або більше дочірніх органел і, у разі зниженого потенціалу мітохондріальної мембрани, відокремлює цю органеллу для елімінації шляхом аутофагії [56].
Координація поділу/злиття та мітофагії, здається, опосередковується FUNDC1. У фізіологічних умовах цей рецептор закріплює атрофію зорового нерва 1 (OPA1), пов’язану з динаміном, до внутрішньої поверхні MOM. У відповідь на мітохондріальний стрес розбирання комплексу FUNDC1–OPA1 і залучення Drp1 сприяють поділу мітохондрій і мітофагії [57].
Цей складний і захоплюючий багатофакторний аутофагічний механізм може відігравати захисну роль в алотрансплантатах, які зазнають пошкодження I/R. Дефіцит BNIP3 або Pink1 та/або Parkin на щурячих моделях ураження нирок I/R призводив до збільшення продукції АФК, апоптозу та тубулоінтерстиціального запалення [58–61]. Такі самі ефекти були отримані при придушенні мітофагічного каскаду шляхом дії на білки, що регулюють поділ (наприклад, Drp1) або злиття (наприклад, OPA1) [62,63]. Захисний вплив мітофагії на нирки, які зазнали пошкодження I/R, спостерігали після ішемічного попереднього кондиціонування [64], короткого періоду нелетальної ішемії-реперфузії, який захищає солідний орган від подальшого розширеного пошкодження I/R [65]. Посилення регуляції мітофагії за допомогою PINK1-шляху Паркіна покращило функцію мітохондрій, мінімізувало виробництво АФК і покращило виживання клітин [64]. Усі ці знахідки свідчать про те, що мітофагія, зберігаючи якість мітохондрій і виживання трубчастих клітин, може являти собою цінний захисний механізм проти пошкодження I/R, який слід сприяти фармакологічним втручанням.
Служба підтримки Wecistanche - найбільшого експортера cistanche в Китаї:
Електронна адреса:wallence.suen@wecistanche.com
Whatsapp/Тел.:+86 15292862950
Зверніться в магазин, щоб дізнатися більше про технічні характеристики:
https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop
