Оксиданти при хронічній хворобі нирок

Анотація

Хронічна хвороба нирок є світовою проблемою охорони здоров'я, яка зачіпає приблизно 10% дорослого населення США і пов'язана з високим рівнем поширеності серцево-судинних захворювань та високими економічними витратами. Хронічна ниркова недостатність, встановлена, як правило, переростає в термінальну стадію захворювання нирок, що передбачає деякі загальні механізми, що в кінцевому підсумку спричиняють утворення рубців та подальшу втрату нефрону. Цей огляд визначає термін реактивні метаболіти кисню (ПЗ) або окислювачі та представляє наявні експериментальні докази на підтримку ролі оксидантів у діабетичній та недіабетичній гломерулярній хворобі та їх ролі в пошкодженні тубулоінтерстиціального супроводу. На завершення він переглядає обмежені людські дані, які надають певний доказ концепції того, що спостереження на експериментальних моделях можуть мати значення для захворювання людини.

Хронічна хвороба нирок (ХХН) - це проблема світового здоров’я у всьому світі, яка зачіпає приблизно 10% дорослого населення США (1) і пов’язана з високим рівнем поширеності серцево-судинних захворювань (2) та високими економічними витратами (3,4). Хронічна ниркова недостатність, встановлена, як правило, переростає в термінальну стадію захворювання нирок, навіть коли процес первинного захворювання лікувався або здається неактивним. Це свідчить про те, що зміни та пристосування в нефронах, які залишаються після початкової образи, в кінцевому підсумку спричиняють утворення рубців та подальшу втрату нефрону, що призводить до кінцевої стадії нирок.

Часткове відновлення кисню може і відбувається в біологічних системах, що призводить до утворення частково відновлених та потенційно токсичних реактивних проміжних сполук кисню (8,9). Послідовне відновлення кисню по одновалентному шляху призводить до утворення супероксидного аніона, H2O2, гідроксильного радикала та води (8,9).

Метаболізм H2O2 за допомогою мієлопероксидази, отриманої нейтрофілами (MPO; фермент, який відповідає за зелений колір гною), утворює високореактивні токсичні продукти, включаючи хлоридну кислоту (HOCl, активний інгредієнт відбілювача Clorox).

Принаймні одна функціональна роль HOCl, антимікробна активність, добре встановлена. Різні продукти, отримані в результаті дії системи MPO-H2O2-хлорид, включаючи продукти аддукції тирозилових радикалів, а також їх потенційну роль у захворюваннях нирок детально описані в огляді Malle et al. (10).

Супероксид і H2O2, здається, є основними видами; вони можуть відігравати роль в утворенні додаткових і більш реакційноздатних окисників, включаючи високореактивний гідроксильний радикал (або споріднені високоокислювальні види), в якому метали, такі як залізо, виступають каталізатором у реакції, яку зазвичай називають металізована реакція Габера-Вейса (11).

Залізо також відіграє важливу роль у ініціюванні та розповсюдженні перекисного окислення ліпідів, або каталізуючи перетворення первинних радикалів кисню в гідроксильні радикали, або утворюючи перферрильний іон. Крім того, залізо може каталізувати безпосередньо перекисне окислення ліпідів, окислювальну реакцію поліненасичених ліпідів, видаляючи атоми водню з поліненасичених жирних кислот у ліпідних бішарах мембран органел (11).

Оскільки залізо може брати участь у формуванні ПЗП, організми дуже обережно поводяться із залізом, використовуючи транспортні білки, такі як трансферин, та білки, що зберігаються, такі як феритин, і мінімізуючи розмір внутрішньоклітинного пулу заліза. Наявність заліза для стимулювання утворення гідроксилу in vivo дуже обмежена в звичайних умовах; це захоплення заліза може розглядатися як внесок у антиоксидантний захист. Незважаючи на те, що було багато суперечок щодо наявності каталітичних іонів металів in vivo, зараз добре встановлено, що сам оксидантний стрес може забезпечити каталітичне залізо (11). Ці метаболіти кисню, включаючи супероксид і гідроксильний радикал вільнорадикальних видів, та інші метаболіти, такі як H2O2 та гіпогалову кислоту, часто позначаються спільно як ПЗМ або активні форми кисню (АФК) або просто як окислювачі.

Експериментальні дослідження

Роль оксидантів у лейкоцитозалежному гломерулонефриті

Дві моделі проліферативного гломерулонефриту, які були добре вивчені, - це модель антитіл проти клубочкової базальної мембрани (анти-GBM) та анти-Thy 1.1. Анти-GBM-антитіло - це добре охарактеризована модель комплемент- та нейтрофільно-залежного пошкодження клубочка, а anti-Thy 1.1 - добре охарактеризована модель мезангіопроліферативного гломерулонефриту, який індукується анти-мезангіальними клітинними антитілами. У цьому розділі ми розглядаємо дані щодо посиленого утворення окисників, здатності оксидантів викликати протеїнурію та дослідження з поглиначами ПЗУ (Таблиця 1).

Докази ролі окисників у лейкоцитозалежному GN a

Посилене вироблення окисників було продемонстровано в гломерулонефриті, спричиненому анти-Thy 1.1 та анти-GBM, цитохімічними методами (12) та в ізольованих клубочках (13) або макрофагах (13,14). Деякі імунні реактиви, такі як оброблений сироваткою крові зимозан (стимул рецептора C3b), агрегований теплом IgG (стимул рецептора Fc), імунні комплекси, компоненти комплементу та антинуклеарні антитіла (15), як показано, викликають окислювальний сплеск. Це свідчить про те, що оксиданти можуть бути важливими при ексудативному та проліферативному гломерулонефриті.

Лейкоцити можуть спричиняти протеїнурію (ознаку хвороб клубочків), пошкоджуючи GBM. Деградація GBM стимульованими нейтрофілами спричинена активацією прихованого металоферменту (найімовірніше желатинази) HOCl або подібним окисником, який утворюється галогенідною системою MPO-H2O2 (16). На додаток до цього спостереження in vitro, вливання форболу міристат ацетату (потужного активатора лейкоцитів) або фактора отрути кобри в нирковій артерії викликало значну протеїнурію, яка запобігалася каталазою (яка руйнує H2O2) та виснаженням нейтрофілів (17–19) . Вливання MPO з подальшим вмістом H2O2 призводить до значної протеїнурії (20), а через 4-10 днів розвивається помітне проліферативне ураження клубочків (21). На додаток до того, що викликає протеїнурію, було показано, що система, що генерує окислювач, індукує зменшення площини поверхні клубочків та мезангіальних клітин та збільшення фосфорилювання легких ланцюгів міозину, біохімічного маркера скорочення (22), який, зменшуючись площа поверхні мезангіальних клітин може призвести до зменшення ШКФ.

У моделі антитіл проти GBM лікування каталазою помітно знижує протеїнурію (23) та поглинач гідроксильних радикалів або хелатор заліза значно послаблює протеїнурію (24). У моделі anti-Thy 1.1 лікування антиоксидантною α-ліполовою кислотою призвело до зменшення вироблення окисників, зменшення фосфорильованої позаклітинної регульованої сигналом кінази (ERK), значного поліпшення ураження клубочків, виміряного гістологічно, та зниження експресії TGF-β1 ( 25).

Тваринна модель захворювання із мінімальними змінами

Здатність клітин клубочків утворювати окислювачі свідчить про те, що вони можуть бути важливими медіаторами пошкодження клубочків при захворюваннях клубочків, у яких відсутні лейкоцити, що проникають. Тваринна модель захворювання із мінімальними змінами індукується одноразовою внутрішньовенною ін’єкцією пуроміцину амінонуклеозиду (PAN). У цьому розділі, на додаток до попередніх доказів (26), ми надамо додаткову підтримку ролі окисників у цій моделі. ПАН посилює вироблення супероксидних аніонів, H2O2 та гідроксильних радикалів (27,28). Кілька досліджень показали, що поглиначі хелаторів ПЗП та заліза зменшують протеїнурію в цій моделі (29–32). Блеоміцин-виявлене залізо (залізо, здатне каталізувати вільнорадикальні реакції) помітно підвищувалось у клубочках у нефротичних щурів, а хелатор заліза запобігав збільшенню каталітичного заліза в клубочках і забезпечував повний захист від протеїнурії, що свідчить про важливу патогенну роль для гломерулярне каталітичне залізо в цій моделі (33). Баліга та ін. (34) нещодавно продемонстрували, що цитохром P450 - більш конкретний, цитохром P450 2B1, ізофермент, який присутній у клубочку - є джерелом каталітичного заліза, яке бере участь у пошкодженні клубочків у цій моделі (35,36) (Таблиця 2).

Докази ролі окисників у лейкоцитонезалежному GN a

Декілька інших рядків доказів підтверджують роль ROM в цій моделі. Глутатіонпероксидаза - це селенофермент, який каталізує відновлення H2O2 до води. Годування щурів дієтою з дефіцитом селену призводить до помітного зменшення глутатіонпероксидази та супроводжується помітним збільшенням білка в сечі після ін’єкції ПАН, що свідчить про важливу роль глутатіонпероксидази в цій моделі захворювання клубочків (37). Подібним чином інгібування супероксиддисмутази збільшує ПН-індуковану протеїнурію (38). Ці дослідження не тільки демонструють важливість ендогенного антиоксидантного захисту, але також надають додаткову підтримку ролі ПЗУ у цих моделях пошкодження клубочків.

Тваринна модель перетинчастої нефропатії

Пасивний нефрит Геймана, викликаний одноразовим внутрішньовенним введенням анти-Fx1A, є залежною від комплементу моделлю захворювання клубочків, що нагадує мембранозну нефропатію у людей. Хоча лейкоцити не вважались важливими патогенетично на моделях тварин з мембранною нефропатією, є дані про потенційну участь системи MPO-H2O2-хлорид у мембранній нефропатії (10,39). Таким чином, виявляється, що лейкоцити або резидентні клубочкові клітини служать джерелами окислювачів у цій моделі. У дослідженні in vivo із застосуванням цитохімічних методів було показано, що спостерігається підвищена генерація H2O2 при пасивному нефриті Геймана (40) (Таблиця 2).

Введення поглиначів гідроксильного радикала або хелатора заліза помітно знижує протеїнурію, що свідчить про роль гідроксильного радикалу в пасивному нефриті Геймана (41) та в катіонізованому γ-глобуліном індукованому імунному комплексі гломерулонефриті, іншої моделі мембранної нефропатії (42). Баліга та ін. (43) показали, що годування залізодефіцитною дієтою забезпечує захист у цій моделі, і що щури, які перебувають на селенодефіцитній дієті, знижують активність глутатіонпероксидази та погіршують протеїнурію (44). Крім того, пробукол, інгібітор перекисного окислення ліпідів, зменшує протеїнурію (45).

Механізми окиснення при діабеті

Велика кількість доказів вказує на те, що діабет є станом підвищеного окисного стресу, і припускають, що окислювачі є причинною ланкою для основних шляхів, які були причетні до судинних ускладнень діабету (46,47). Докази ролі окисників у діабетичній нефропатії включають наступне: Високий рівень глюкози збільшує вироблення окисників у клітинах клубочків, окислювачі мають прямі біологічні ефекти, які мають відношення до діабетичної нефропатії, а антиоксиданти зменшують високі біологічні ефекти, спричинені глюкозою (табл.

Окислювачі при діабетичній нефропатії a

У цьому розділі ми наголошуємо на деяких останніх подіях, включаючи шляхи, що відповідають за посилене утворення окисників, взаємозв'язок між ангіотензином II (AngII) та окислювачами, а також деякі новіші механізми діабетичної нефропатії, при яких окислювачі відіграють важливу роль роль. У дослідженнях in vitro було показано, що високий вміст глюкози (від 10 до 30 мМ) призводить до збільшення вироблення окисників мезангіальними клітинами (48–50). У дослідженнях in vivo клубочки, виділені від діабетичних щурів, збільшили вироблення супероксиду та H2O2 (51,52). На додаток до прямого ефекту високого вмісту глюкози, вдосконалені кінцеві продукти глікірування (AGE) зв'язуються з рецепторами AGE та ініціюють вироблення окисників (46,53). Дійсно, було показано, що AGE збільшує внутрішньоклітинну генерацію ПЗУ в мезангіальних клітинах (54).

Існує кілька шляхів для посиленого утворення окисників. Фагоцитоподібна NAD (P) H-оксидаза є основним джерелом окислювачів у багатьох нефагоцитарних клітинах, включаючи ниркові клітини, такі як канальцеві епітеліальні клітини та клубочкові мезангіальні клітини. Ці NAD (P) H-оксидази є ізоформами нейтрофільної оксидази, в яких каталітичні субодиниці, що називаються білками Nox, відповідають гомологам gp91 phox (або Nox2), каталітичної частини, що міститься у фагоцитах. Недавні дослідження показують важливу роль NAD (P) H-оксидази (55) та протеїнкінази C (PKC) (49,50) у посиленому виробництві окисників при діабеті. Nox4, який, схоже, має однакову загальну структуру з gp91 phox/Nox2, багатий в судинній системі, корі нирки та мезангіальних клітинах. Горін та ін. (56) показали, що експресія білка Nox4 збільшується в діабеті в корі нирок і що введення антисмислу пригнічує генерування NAD (P) H-залежного окислювача в корі нирок, клубочках та культивованих мезангіальних клітинах. Мітохондріальний метаболізм також пропонується як важливе джерело для утворення окисників у відповідь на високий рівень глюкози (48), подібний до того, що пропонується в судинному руслі (46,47).

Існують докази того, що ренопротективні ефекти блокаторів рецепторів Ang II типу 1 (ARB) та інгібіторів ангіотензинперетворюючого ферменту (ACEI), незалежно від зниження АТ, можуть бути пов’язані з ефектом на оксидантний стрес (57). Було показано, що інкубація мезангіальних клітин з високим вмістом глюкози призводить до збільшення рівня Ang I та Ang II та збільшення супероксиду, який опосередковується через систему NAD (P) H оксидази (58). Ізухара та ін. (59) показали, що АРБ, але не блокатори кальцієвих каналів, інгібують опосередковане гідроксильними радикалами утворення о-тирозину та окислення, каталізоване перехідними металами.

Окислювачі можуть активувати в мезангіальних клітинах більшість відомих шляхів, які були залучені до діабету (49), включаючи ПКС (49), мітоген-активовані протеїнкінази (MAPK), TGF-β1 (60) та фібронектин (60,61) . Структурно різні антиоксиданти пригнічують високу індуковану глюкозою активацію ПКК у клітинах мезангіальних клітин щурів (62), проксимальних канальцевих клітинах (63) та клубочках стрептозотоцинових діабетичних щурів (64,65). Антиоксиданти також запобігають підвищенню регуляції TGF-β1 (62,66) та фібронектину (62) та активації факторів транскрипції NF-κB та AP-1 у мезангіальних клітинах (61). Ха та ін. (61) показали, що високий вміст глюкози швидко активує NF-κB у клітинах мезангіальних клітин через PKC та окислювачі, що призводить до підвищення регуляції мРНК моноцитарного хемоаттрактанта білка-1 (MCP-1) та експресії білка. Вищий ендотелін (ЕТ-1) у клубочках, які виділені від діабетичних щурів, помітно ослаблюється поглиначами ПЗУ, а також хелатором заліза (51). Горін та ін. (56) показали, що in vivo інгібування Nox4 антисмисловою зниженою гіпертрофією цілої нирки та клубочків супроводжується зниженою експресією білка фібронектину та Akt/протеїнкінази B та ERK1/2, двох протеїнкіназ, які є критично важливими для клітинного росту та гіпертрофії.

Додаткову підтримку отримують дослідження, в яких антиоксиданти запобігають гіперметрії клубочків та нирок, альбумінурії, гломерулярній експресії TGF-β1 та позаклітинного матриксу та активації PKC при експериментальному діабеті (64,65,67–71). Редді та ін. (72) показали, що дієта з дефіцитом селену спричиняє збільшення рівня альбумінурії, склерозу клубочків та рівня глюкози в плазмі як у нормальних, так і у діабетичних щурів; що TGF-β1 є прооксидантом; і що дефіцит селену збільшує окислювальний стрес завдяки цьому фактору росту.

Недавні дослідження показали, що втрата подоцитів є ранньою ознакою діабетичної нефропатії та передбачає прогресуючий перебіг. Сустак та ін. (73) показали важливу роль апоптозу у цій втраті на моделях діабету 1 та 2 типу у мишей. У дослідженнях in vitro високий рівень глюкози стимулював посилене внутрішньоклітинне утворення окисників, в якому брали участь як NAD (P) H-оксидаза, так і мітохондріальні шляхи. Була активація p38 MAPK та каспази 3. Інгібування NAD (P) H-оксидази запобігало апоптозу та зменшувало виснаження подоцитів, екскрецію альбуміну з сечею та розширення мезангіального матриксу.

Кан та ін. (74) продемонстрували, що високий вміст глюкози індукує апоптоз у клітинах мезангії за допомогою механізму, залежного від оксидантів. Сигнальний каскад, який активується індукованим глюкозою оксидантним стресом, включав гетеродимерний окислювально-відновно-відновний фактор транскрипції NF-κB, який проявляв підвищену активність зв'язування p65/c-Rel та пригнічував активність зв'язування димеру p50. Порушення експресії та фосфорилювання сімейства Bcl-2 були поєднані з вивільненням цитохрому c з мітохондрій та активацією каспази. Автори припустили, що це може бути механізм, який пояснює втрату резидентних клубочкових клітин, що спостерігається при пізній діабетичній нефропатії. Взаємозв'язок між оксидантним стресом та різними шляхами, пов'язаними з діабетичною нефропатією, узагальнено на рисунку 1.

Взаємозв'язок між оксидантним стресом та різними шляхами, пов'язаними з діабетичною нефропатією. Ілюстрація Джоша Грамлінга - Gramling MedicalIllustration.