Abstract

Boala renală cronică este o problemă de sănătate publică la nivel mondial care afectează aproximativ 10% din populația adultă din SUA și este asociată cu o prevalență ridicată a bolilor cardiovasculare și costuri economice ridicate. Insuficiența renală cronică, odată stabilită, tinde să progreseze spre stadiul final al bolii renale, sugerând câteva mecanisme comune pentru a provoca în cele din urmă cicatrici și pierderea ulterioară a nefronului. Această revizuire definește termenul metaboliți reactivi ai oxigenului (ROM), sau oxidanți, și prezintă dovezile experimentale disponibile în sprijinul rolului oxidanților în boala glomerulară diabetică și nondiabetică și a rolului lor în afectarea tubulointerstițială care însoțește progresia. Se încheie prin revizuirea datelor umane limitate care oferă o dovadă a conceptului că observațiile din modelele experimentale pot fi relevante pentru bolile umane.

societatea

Boala renală cronică (CKD) este o problemă de sănătate publică la nivel mondial care afectează aproximativ 10% din populația adultă din SUA (1) și este asociată cu o prevalență ridicată a bolilor cardiovasculare (2) și costuri economice ridicate (3,4). Insuficiența renală cronică, odată stabilită, tinde să progreseze până la stadiul final al bolii renale, chiar și atunci când procesul de boală primară a fost tratat sau pare a fi inactiv. Acest lucru sugerează că modificările și adaptările la nefroni care rămân după insulta inițială provoacă în cele din urmă cicatrici și pierderi suplimentare de nefron, care au ca rezultat un rinichi în stadiul final.

Reducerea parțială a oxigenului poate și are loc în sistemele biologice, ceea ce duce la generarea intermediarilor de oxigen reactivi parțial reduși și potențial toxici (8,9). Reducerea secvențială a oxigenului de-a lungul căii univalente duce la generarea de anion superoxid, H2O2, radical hidroxil și apă (8,9).

Metabolizarea H2O2 de către mieloperoxidaza derivată din neutrofile (MPO; enzima care este responsabilă de culoarea verde a puroiului) generează produse toxice foarte reactive, inclusiv acidul hipocloros (HOCl, ingredientul activ din înălbitorul Clorox).

Cel puțin un rol funcțional pentru HOCl, cel al activității antimicrobiene, a fost bine stabilit. Diferitele produse care rezultă din sistemul clorurii MPO-H2O2, inclusiv produsele de aducție a radicalilor tirozilici, precum și rolul lor potențial în bolile renale, sunt detaliate într-o revizuire de Malle și colab. (10).

Superoxidul și H2O2 par a fi speciile primare generate; pot juca un rol în generarea de oxidanți suplimentari și mai reactivi, inclusiv radicalul hidroxil foarte reactiv (sau o specie foarte oxidantă), în care metalele precum fierul acționează ca un catalizator într-o reacție care este denumită în mod obișnuit reacție Haber-Weiss catalizată de metal (11).

Fierul are, de asemenea, un rol major în inițierea și propagarea peroxidării lipidelor, fie prin catalizarea conversiei radicalilor primari de oxigen în radicali hidroxil, fie prin formarea unui ion perferril. În plus, fierul poate cataliza direct peroxidarea lipidelor, reacția oxidativă a lipidelor polinesaturate, prin îndepărtarea atomilor de hidrogen din acizii grași polinesaturați din straturile lipidice ale membranelor organelor (11).

Deoarece fierul poate participa la formarea ROM, organismele au mare grijă în manipularea fierului, folosind proteine ​​de transport, cum ar fi transferina și proteine ​​de stocare, cum ar fi feritina și minimizând dimensiunea bazinului de fier intracelular. Disponibilitatea fierului pentru a stimula generarea de hidroxil in vivo este foarte limitată în condiții normale; această sechestrare cu fier poate fi privită ca o contribuție la apărarea antioxidantă. Deși au existat multe dezbateri cu privire la disponibilitatea ionilor metalici catalitici in vivo, este acum bine stabilit că stresul oxidant în sine poate furniza fier catalitic (11). Acești metaboliți ai oxigenului, inclusiv speciile de radicali liberi superoxid și radical hidroxil și alți metaboliți, cum ar fi H2O2 și acizii hipohaloși, sunt adesea denumiți colectiv ROM sau specii de oxigen reactiv (ROS) sau pur și simplu ca oxidanți.

Studii experimentale

Rolul oxidanților în glomerulonefrita dependentă de leucocite

Cele două modele de glomerulonefrită proliferativă care au fost bine studiate sunt modelul de anticorp anti-membrană bazală glomerulară (anti-GBM) și anti - Thy 1.1. Anticorpul anti-GBM este un model bine caracterizat al leziunii glomerulare dependente de complement și neutrofile, iar anti - Thy 1.1 este un model bine caracterizat al glomerulonefritei mezangioproliferative, care este indusă de un anticorp celular anti-mesangial. În această secțiune, examinăm dovezile pentru generarea îmbunătățită de oxidanți, capacitatea oxidanților de a provoca proteinurie și studii cu eliminatori de ROM (Tabelul 1).

Dovezi pentru rolul oxidanților în GN a dependenți de leucocite

Generarea îmbunătățită de oxidanți a fost demonstrată în glomerulonefrita indusă de anti - Thy 1.1 și anti-GBM cu tehnici citochimice (12) și în glomeruli izolați (13) sau macrofage (13,14). Mai mulți reactanți imuni, cum ar fi zimosanul tratat cu ser (un stimul al receptorului C3b), IgG agregat termic (un stimul al receptorului Fc), complexele imune, componentele complementului și anticorpul antinuclear (15) s-au dovedit a declanșa explozia oxidativă. Acest lucru sugerează că oxidanții pot fi importanți în glomerulonefrita exudativă și proliferativă.

Leucocitele pot provoca proteinurie (un semn distinctiv al bolilor glomerulare) prin deteriorarea GBM. Degradarea GBM de către neutrofilele stimulate este cauzată de activarea unei metalloenzime latente (cel mai probabil gelatinaza) de către HOCl sau un oxidant similar care este generat de sistemul de halogenuri MPO-H2O2 (16). În plus față de această observație in vitro, perfuzia de acetat de mirist de forbol (un puternic activator al leucocitelor) sau de factorul venin de cobra în artera renală a provocat proteinurie semnificativă care a fost prevenită de catalază (care distruge H2O2) și de epuizarea neutrofilelor (17-19) . Infuzia de MPO urmată de H2O2 are ca rezultat proteinurie semnificativă (20) și, 4 până la 10 zile mai târziu, dezvoltarea unei leziuni glomerulare proliferative marcate (21). Pe lângă provocarea proteinuriei, s-a demonstrat că un sistem generator de oxidanți induce o reducere a suprafeței planare a celulelor glomerulare și mezangiale și o creștere a fosforilării lanțului ușor miozinic, un marker biochimic de contracție (22), care, prin scăderea suprafața celulelor mezangiale, ar putea duce la o scădere a GFR.

Într-un model de anticorpi anti-GBM, tratamentul cu catalază proteinurie redusă semnificativ (23) și un eliminator de radicali hidroxil sau chelator de fier a atenuat semnificativ proteinuria (24). Într-un model anti-Thy 1.1, tratamentul cu acid α-lipolic antioxidant a dus la generarea redusă de oxidanți, kinază reglementată semnal extracelulară fosforilată redusă (ERK), îmbunătățire semnificativă a leziunii glomerulare măsurată histologic și expresie redusă a TGF-β1 ( 25).

Modelul animal al bolii cu modificări minime

Capacitatea celulelor glomerulare de a genera oxidanți sugerează că acestea pot fi mediatori importanți ai leziunii glomerulare în bolile glomerulare care nu au leucocite infiltrante. Un model animal de boală cu modificări minime este indus de o singură injecție intravenoasă de puromicină aminonucleozidă (PAN). În această secțiune, pe lângă dovezile anterioare (26), vom oferi sprijin suplimentar pentru rolul oxidanților în acest model. PAN îmbunătățește generarea de anion superoxid, H2O2 și radical hidroxil (27,28). Mai multe studii au arătat că eliminatorii de ROM și chelatori de fier reduc proteinuria în acest model (29-32). Fierul detectabil de bleomicină (fierul care este capabil să catalizeze reacțiile radicalilor liberi) a fost crescut semnificativ în glomeruli de la șobolani nefrotici, iar un chelator de fier a împiedicat creșterea fierului catalitic în glomeruli și a oferit protecție completă împotriva proteinuriei, sugerând un rol patogen important pentru fier catalitic glomerular în acest model (33). Baliga și colab. (34) a demonstrat recent că citocromul P450 - mai specific, citocromul P450 2B1, un izozim care este prezent în glomerul - este o sursă de fier catalitic care participă la leziunile glomerulare în acest model (35,36) (Tabelul 2).

Dovezi pentru rolul oxidanților în GN a independent de leucocite

Mai multe alte linii de dovezi susțin un rol pentru ROM în acest model. Glutation peroxidaza este o selenoenzimă care catalizează reducerea H2O2 la apă. Hrănirea șobolanilor cu o dietă cu deficit de seleniu are ca rezultat o diminuare marcată a glutation peroxidazei și este însoțită de o creștere marcată a proteinelor urinare după injectarea PAN, sugerând un rol important al glutation peroxidazei în acest model de boală glomerulară (37). În mod similar, inhibarea superoxidului dismutază mărește proteinuria indusă de PAN (38). Aceste studii nu numai că demonstrează importanța apărării antioxidante endogene, dar oferă, de asemenea, sprijin suplimentar pentru rolul ROM în aceste modele de leziune glomerulară.

Modelul animal de nefropatie membranoasă

Nefrita Heymann pasivă, indusă de o singură injecție intravenoasă de anti-Fx1A, este un model dependent de complement al bolii glomerulare care seamănă cu nefropatia membranară la om. Deși leucocitele nu au fost considerate importante din punct de vedere patogenetic în modelele animale de nefropatie membranară, există dovezi ale participării potențiale a unui sistem de clorură MPO-H2O2 la nefropatia membranară (10,39). Astfel, se pare că leucocitele sau celulele glomerulare rezidente servesc ca surse pentru oxidanți în acest model. Într-un studiu in vivo utilizând tehnici citochimice, s-a demonstrat că există o creștere a generației de H2O2 în nefrita Heymann pasivă (40) (Tabelul 2).

Administrarea eliminatorilor de radical hidroxil sau chelator de fier reduce semnificativ proteinuria, sugerând rolul radicalului hidroxil în nefrita pasivă Heymann [41] și în glomerulonefrita complexă imună indusă de γ-globulină cationizată, un alt model de nefropatie membranară Baliga și colab. (43) au arătat că hrănirea cu o dietă cu deficit de fier oferă protecție în acest model și că șobolanii care urmează o dietă cu deficit de seleniu au scăzut activitatea glutation peroxidazei și o agravare a proteinuriei (44). În plus, probucolul, un inhibitor al peroxidării lipidelor, reduce proteinuria (45).

Mecanisme oxidante în diabet

Un număr mare de dovezi indică faptul că diabetul este o stare de stres oxidativ crescut și s-a sugerat că oxidanții sunt legătura cauzală pentru căile majore care au fost implicate în complicațiile vasculare ale diabetului (46,47). Dovezile pentru rolul oxidanților în nefropatia diabetică includ următoarele: Glicemia ridicată crește producția de oxidanți în celulele glomerulare, oxidanții au efecte biologice directe relevante pentru nefropatia diabetică, iar antioxidanții reduc efectele biologice ridicate induse de glucoză (Tabelul 3).

Oxidanți în nefropatia diabetică a

În această secțiune, subliniem unele dintre evoluțiile recente, inclusiv căile care sunt responsabile pentru generarea îmbunătățită de oxidanți, relația dintre angiotensina II (AngII) și oxidanți și unele dintre mecanismele mai noi pentru nefropatia diabetică în care oxidanții joacă un rol important rol. În studiile in vitro, s-a demonstrat că nivelul ridicat de glucoză (10 până la 30 mM) are ca rezultat creșterea generării de oxidanți de către celulele mezangiale (48-50). În studiile in vivo, glomerulii care au fost izolați de la șobolanii diabetici au avut o producție crescută de superoxid și H2O2 (51,52). În plus față de efectul direct al glucozei ridicate, produsele finale avansate de glicație (AGE) se leagă de receptorii pentru AGE și inițiază producția de oxidant (46,53). Într-adevăr, s-a demonstrat că AGE crește generația intracelulară de ROM în celulele mezangiale (54).

Există potențial mai multe căi pentru generarea îmbunătățită de oxidanți. NAD (P) H oxidaza asemănătoare fagocitelor este o sursă majoră de oxidanți în multe celule nonphagocytic, inclusiv celule renale, cum ar fi celulele epiteliale tubulare și celulele mesangiale glomerulare. Aceste NAD (P) H oxidaze sunt izoforme ale neutrofil oxidazei, în care subunitățile catalitice, denumite proteine ​​Nox, corespund omologilor gp91 phox (sau Nox2), fragmentul catalitic găsit în fagocite. Studii recente sugerează rolul important al NAD (P) H oxidazei (55) și protein kinazei C (PKC) (49,50) în producția sporită de oxidanți în diabet. Nox4, care pare să aibă aceeași structură generală cu gp91 phox/Nox2, este abundent în sistemul vascular, în cortexul renal și în celulele mezangiale. Gorin și colab. (56) au arătat că expresia proteinei Nox4 este crescută în cortexul renal diabetic și că administrarea antisens a inhibat generarea de oxidant dependent de NAD (P) H în cortexul renal, glomeruli și celule mezangiale cultivate. Metabolismul mitocondrial a fost, de asemenea, sugerat ca o sursă importantă pentru generarea de oxidanți ca răspuns la un nivel ridicat de glucoză (48), similar cu cel propus în patul vascular (46,47).

Există dovezi că efectele renoprotectoare ale blocantelor receptorilor Ang II de tip 1 (ARB) și ale inhibitorilor enzimei de conversie a angiotensinei (ACEI), independent de scăderea TA, pot fi legate de efectele asupra stresului oxidant [57]. S-a demonstrat că incubația celulelor mezangiale în glucoză ridicată are ca rezultat o creștere a nivelurilor de Ang I și Ang II și o creștere a superoxidului, care este mediată prin sistemul NAD (P) H oxidază (58). Izuhara și colab. (59) au arătat că ARB, dar nu blocanții canalelor de calciu, au inhibat formarea o-tirozinei mediată de radicalii hidroxil și oxidarea catalizată a metalului de tranziție.

Oxidanții pot activa în celulele mezangiale majoritatea căilor cunoscute care au fost implicate în diabet (49), inclusiv PKC (49), protein kinaze activate de mitogen (MAPK), TGF-β1 (60) și fibronectină (60,61) . Diferenți antioxidanți din punct de vedere structural suprimă activarea PKC indusă de glucoză ridicată în celulele mesangiale de șobolan (62), celule tubulare proximale (63) și glomeruli de șobolani diabetici induși de streptozotocină (64,65). Antioxidanții previn, de asemenea, reglarea în sus a TGF-β1 (62,66) și a fibronectinei (62) și activarea factorilor de transcripție NF-κB și AP-1 în celulele mezangiale (61). Ha și colab. (61) au arătat că glucoza ridicată activează rapid NF-κB în celulele mezangiale prin PKC și oxidanți, rezultând o reglare în sus a mARN-ului proteinei-1 (MCP-1) și a expresiei proteinelor. Endotelina superioară (ET-1) din glomeruli care sunt izolați de șobolanii diabetici este atenuată în mod semnificativ de către eliminatorii ROM, precum și de un chelator de fier (51). Gorin și colab. (56) a arătat că inhibarea in vivo a Nox4 prin antisens a redus hipertrofia rinichiului întreg și glomerular, însoțită de expresia redusă a proteinei fibronectinei și a Akt/protein kinaza B și ERK1/2, două proteine ​​kinaze care sunt critice pentru creșterea celulelor și hipertrofie.

Suport suplimentar vine din studii în care antioxidanții previn hipertrofia glomerulară și renală, albuminuria, expresia glomerulară a TGF-β1 și a matricei extracelulare și activarea PKC în diabetul experimental (64,65,67–71). Reddi și colab. (72) au arătat că o dietă cu deficit de seleniu a determinat o creștere a albuminuriei, sclerozei glomerulare și a nivelului de glucoză plasmatică atât la șobolanii normali, cât și la cei diabetici; că TGF-β1 este un pro-oxidant; și că deficitul de seleniu crește stresul oxidativ prin acest factor de creștere.

Studii recente au sugerat că pierderea podocitelor este o caracteristică timpurie a nefropatiei diabetice și prezice un curs progresiv. Susztak și colab. (73) au arătat un rol important al apoptozei în această pierdere la modelele de diabet de tip 1 și tip 2 la șoareci. În studiile in vitro, nivelul ridicat de glucoză a stimulat generarea intracelulară crescută de oxidanți în care au fost implicate atât căile NAD (P) H oxidază, cât și căile mitocondriale. A existat activarea p38 MAPK și a caspazei 3. Inhibarea NAD (P) H oxidază a prevenit apoptoza și a redus depleția podocitelor, excreția de albumină urinară și expansiunea matricei mezangiale.

Kang și colab. (74) au demonstrat că glucoza ridicată induce apoptoza în celulele mezangiale printr-un mecanism dependent de oxidant. Cascada de semnalizare care este activată de stresul oxidant indus de glucoză a inclus factorul de transcripție sensibil la redox heterodimeric NF-κB, care a prezentat o reglare ascendentă a activității de legare a p65/c-Rel și a suprimat activitatea de legare a dimerului p50. Perturbările din expresia și fosforilarea familiei Bcl-2 au fost cuplate cu eliberarea citocromului c din mitocondrii și activarea caspazei. Autorii au sugerat că acesta poate fi un mecanism care explică pierderea celulelor glomerulare rezidente care se observă în nefropatia diabetică târzie. Relația dintre stresul oxidant și diferitele căi care au fost implicate în nefropatia diabetică este rezumată în Figura 1.

Relația dintre stresul oxidant și diferite căi care au fost implicate în nefropatia diabetică. Ilustrație de Josh Gramling - Gramling MedicalIllustration.