Mitohondrijska disfunkcija izazvana glukozom i ne-glukozom u dijabetičkoj bubrežnoj bolesti Ⅱ

3. Mitohondrijska disfunkcija izazvana glukozom u DKD

U glomerularnim ćelijama, glukoza se preuzimatransporteri glukoze(GLUT) putem olakšanog difuznog transporta. Obrazac ekspresije svakog člana GLUT-a je specifičan za ćeliju. Mesangijalne ćelije eksprimiraju GLUT1 i 4, podociti eksprimiraju GLUT1, 4 i 8, a endotelne ćelije eksprimiraju GLUT1 [32]. Nasuprot tome, tubularne ćelije reapsorbuju glukozu iz glomerularnog filtrata uglavnom preko kotransportera glukoze ovisnih o natriju (SGLT). Glukoza koju reapsorbiraju tubularne ćelije se raspršuje kroz GLUT u bazolateralnoj plazma membrani i difundira u intersticij. Proksimalne tubularne stanice također mogu proizvoditi glukozu putem glukoneogeneze, koja se povećavadijabetes tipa 2 [33]. Hiperglikemija je glavni patogenetski faktor i neki intermedijarni metabolitimetabolizam glukozetakođer su bili uključeni u doprinospovreda ćelije u DKD. U objedinjavajućoj hipotezi koju su ponudili Brownlee i kolege 2000. godine, predloženo je da prekomjerna proizvodnja mtROS-a zbog povećanog priliva u OXPHOS aktiviraenzim za popravku nuklearne DNKpoli(ADP-riboza) polimeraza (PARP), što dovodi do smanjene aktivnosti gliceraldehida3-fosfat dehidrogenaza(GAPDH) i kasniju akumulaciju toksičnih intermedijarametabolizam glukoze [11]. Međutim, kasnije studije sugerirale su da su mitohondrije nefunkcionalne i da drugi mehanizmi, osim pukog povećanja supstrata, doprinose povećanju glikolize i naknadnom nakupljanju toksičnih metabolita.

KLIKNITE OVDJE DA DOBIJETE PRIRODNI ORGANSKI EKSTRAKT CISTANCHE SA 25% EHINAKOZIDA I 9% AKTEOZIDA ZA FUNKCIJU BUBREGA

Wecistanche usluga podrške - najveći izvoznik cistanchea u Kini:

Email:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/tel:+86 15292862950

Kupite za više detalja o specifikacijama:

https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop

3.1. Warburgov efekat

Općenito, stanice raka pokazuju pojačanu glikolizu i poremećenu oksidativnu fosforilaciju. Dok se kratkoročni i reverzibilni pomak ovog metaboličkog procesa naziva Crabtree efekt, dugotrajno metaboličko reprogramiranje naziva se Warburgov efekat [34].

Warburgov efekat je termin koji se prvobitno koristio za opisivanje prijelaza sa OXPHOS na aerobnu glikolizu (u kojoj se laktat proizvodi kao konačni proizvod iz glukoze) kod raka [35]. Nedavne studije su pokazale da se ova promena dešava i kod dijabetičkih bubrega [9,19]. Mitohondrije u dijabetičkim tkivima su disfunkcionalne, kao što je gore objašnjeno. Transkriptomska, metabolomska i analiza protoka metabolita pokazala je povećan metabolizam glukoze i smanjenmitohondrijalnu funkcijuu kori bubrega db/db miševa [9]. Metabolomska analiza uzoraka urina pokazala je značajno smanjenje za 13 metabolita kod pacijenata sa DKD u poređenju sa zdravim kontrolama, od kojih je 12 bilo povezano sa metabolizmom mitohondrija [19]. Ostaje da se utvrdi da li mitohondrijska disfunkcija uzrokuje prelazak na glikolizu ili povećana glikoliza uzrokuje disfunkciju mitohondrija [36].

Piruvat kinaza je enzim koji katalizuje konverziju fosfoenolpiruvata u piruvat, posljednji i nepovratni korak glikolize. Qi i kolege su identifikovali smanjenu aktivnost piruvat kinaze M2 kao mogući mehanizam Varburgovog efekta u DKD [37]. Prvo su izvršili proteomsku analizu glomerula izolovanih od pacijenata sa dijabetesom tipa 1 koji nisu razvili DKD više od 50 godina (zaštićeni) i onih sa histološkom potvrdom DKD (nezaštićeni). Utvrđeno je da su neki enzimi uključeni u metabolizam glukoze i antioksidaciju povećani u zaštićenim glomerulima, a posebno je povećana ekspresija i aktivnost piruvat kinaze M2 (PKM2). U mehaničkim studijama koje su koristile podocite tretirane visokom glukozom i miševe ubrizgane STZ, potvrđeno je da je aktivnost PKM2 smanjena u DKD mišjem modelu, da je smanjenje PKM-a doprinijelo pogoršanju DKD i da je farmakološka aktivacija PKM2 preokrenula povišenje toksičnog metabolita glukoze. i mitohondrijalnu disfunkciju. Slično, smanjenje aktivacije piruvat kinaze uzrokuje Warburgov efekat kod raka [38].

Drugi faktori za koje se pretpostavlja da indukuju Warburgov efekat u DKD uključuju sfingomijelin i akumulaciju fumarata [39]. Snimanje masene spektrometrije uz pomoć laserske desorpcije/jonizacije (MALDI-MSI) otkrilo je značajno povećanje omjera ATP/AMP i specifične vrste sfingomijelina (SM(d18:1/16:0)) u glomerulima DKD miševa [40]. In vitro, dodavanje SM(d18:1/16:0) mezangijalnim ćelijama aktiviralo je glikolizu. Fumarat je identificiran kao faktor koji je posredovao u nox4-idukovanoj ozljedi kod DKD [41]. Podocit-specifična indukcija Nox4 in vivo rekapitulirala je DKD-indukovanu glomerularnu ozljedu, a metabolomska analiza je pokazala povećani fumarat, koji je poništen inhibicijom Nox1/Nox4. Fumarat bi mogao poslužiti kao stabilizator faktora koji izaziva hipoksiju (HIF), koji može uzrokovati aktivaciju glikolize i supresiju OXPHOS-a.

3.2. Toksični metaboliti metabolizma glukoze

Poznato je da četiri glavna puta koji se granaju od glikolize proizvode toksične intermedijarne metabolite: put poliola, put heksozamina,napredni krajnji proizvodi glikacije(AGEs) i put protein kinaze C (PKC) [12] (Slika 3). Inhibicija svakog od ovih puteva poboljšavapovreda izazvana hiperglikemijomu pretkliničkim modelima [42–45]. Značajno je da se aktivacija bilo kojeg od ovih puteva može trenutno preokrenuti obnavljanjem euglikemije.

Konkretno, nivoi 3-deoksiglukozona (3DG) i metilglioksala (MGO), članova reaktivnih karbonilnih vrsta (RCS) koji nastaju razgradnjom gliceraldehida u AGE putu, povećavaju se s aktivacijom glikolize. RCS imaju visoko reaktivne karbonilne grupe i mogu modificirati proteine ​​i DNK. Proteini glikirani RCS dovode do stvaranja AGE. Ekstracelularni AGE mogu povećati umrežavanje matrica, što dovodi do ukrućenja arterija [46]. AGE se također mogu vezati za receptore za AGE (RAGE) i prenijeti različite signale u ćelije, uključujući aktivaciju nuklearnog faktora-κB (NF-κB) što dovodi do formiranja ROS, upale i fibroze [47].

Slika 3. Glikoliza i putevi grananja. U okruženju DKD sa visokim sadržajem glukoze, glikoliza je povećana, a OXPHOS smanjen, što dovodi do akumulacije toksičnih metabolita proizvedenih u razgranatim putevima glikolize. AGE, krajnji proizvod napredne glikacije; DAG, diacilglicerol; GAPDH, gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza; OXPHOS, oksidativna fosforilacija; PKC, protein kinaza C; PKM, piruvat kinaza M; TCA ciklus, ciklus trikarboksilne kiseline; UDP-GlcNAc, uridin difosfat N-acetilglukozamin.

4. Mitohondrijska disfunkcija koja nije izazvana glukozom u DKD

Iako je hiperglikemija ključni faktor u razvoju DKD, drugi faktori uključeni u DKD također mogu doprinijeti mitohondrijalnoj disfunkciji. Dislipidemija i preopterećenje lipidima česte su komplikacije kod DKD, a hipoksija u tubulointerstijumu se javlja bez obzira na uzrok hronične bolesti bubrega (CKD) [48]. Endotelin-1 (Edn1) je prvi put identificiran kao nizvodni faktor transformirajućeg faktora rasta- (TGF-) u modelu fokalne segmentne glomeruloskleroze (FSGS) i pokazalo se da indukuje albuminuriju putem mtROS-a u glomerularnim endotelnim ćelijama. Kasnije je takođe utvrđeno da je isti signalni put povećan u DKD [49,50]. U ovom dijelu raspravljamo o ulozi ovih faktora u razvoju i napredovanju DKD u mitohondrijalnoj disfunkciji.

4.1. Lipotoksičnost

U biopsijama bubrega pacijenata sa DKD, opsežna akumulacija lipidnih kapljica uočena je elektronskom mikroskopijom u glomerularnim endotelnim ćelijama, podocitima i tubularnim ćelijama u poređenju sa zdravim kolegama [51,52]. Genetska analiza ovih uzoraka otkrila je smanjenje gena povezanih sa oksidacijom masnih kiselina (FAO), uključujući receptor aktiviran peroksizom proliferatorom (PPAR)-, karnitin palmitoiltransferazu 1 (CPT1), acil-CoA oksidazu i L-FABP; regulacija kolesterolskih receptora uključujući receptore lipoproteina niske gustine (LDL), oksidirane LDL receptore i acetilirane LDL receptore; i regulacija gena povezanih s efluksom holesterola, uključujući ATP-vezujući kasetni transporter A1 (ABCA1), ATP-vezujući kasetni transporter G1 (ABCG1) i apolipoprotein (APOE) [51]. Dok smanjena regulacija gena povezanih s FAO ukazuje na smanjenje metabolizma lipida u mitohondrijima kao uzrok akumulacije lipida, samo nakupljanje lipida može izazvati mitohondrijalnu disfunkciju. Prethodno smo pokazali da humani podociti tretirani serumom pacijenata sa DKD pokazuju povećanu ekspresiju faktora tumorske nekroze (TNF) i da lokalni, a ne sistemski TNF uzrokuje nakupljanje slobodnog holesterola i povrede putem supresije ABCA1 u podocitima [53,54]. Značajno je da supresija ABCA1 inducira akumulaciju i peroksidaciju kardiolipina u mitohondrijama, senzibilizirajući podocite na ozljede [55]. Prekomjerna ekspresija ABCA1 ili inhibicija peroksidacije kardiolipina elamipretidom spasila je povredu podocita u eksperimentalnom DKD.

Tubularne ćelije zahtijevaju velike količine ATP-a za reapsorpciju otopljene tvari i ovise o FAO-u jer masne kiseline daju više ATP-a po gramu od drugih izvora energije [56]. U ranoj fazi dijabetesa, FAO se povećava povećanim protokom FA, a proizvodnja ROS-a se pripisuje FAO, posebno curenju elektrona na flavoproteinu za prijenos elektrona koji prenosi elektrone iz acil-CoA dehidrogenaze u koenzim Q [57]. Ipak, FAO se na kraju smanjuje kod utvrđenog dijabetesa kao što je ranije opisano [51,58].

Tubularne ćelije kod pacijenata sa DKD su verovatno izložene albuminu vezanom za masne kiseline, jer dislipidemija i proteinurija često prate dijabetes melitus. Dok albumin sam po sebi može uzrokovati oštećenje tubularnih stanica prilikom njegove reapsorpcije, pokazalo se da albumin vezan za FA indukuje teža tubularna oštećenja [59,60]. Pokazalo se da je citotoksičnost uzrokovana FA ili glikiranim albuminom posredovana apsorpcijom preko proteinskog klastera diferencijacije 36/FA translokaze (CD36/FAT) u rubu četkice kod ljudi, za razliku od uobičajene reapsorpcije albumina preko kompleksa megalina, kubilini i bez amniona [61]. Osim reapsorpcije, sinteza FA je također regulirana [62,63]. FA su esterifikovane dugolančanom acil-CoA (LC-CoA) sintetazom (ACSL), koja je povećana i u mišjim db/db modelima i u uzorcima bubrega kod ljudi DKD [64,65]. LC-CoA se prenosi u mitohondrije preko CPT1 i CPT2 kako bi proizveo ATP preko FAO-a, a nemetabolizirani LC-CoA se cijepa ili skladišti u lipidnim kapljicama kako bi se spriječila lipotoksičnost. Kada je puferska sposobnost zasićena, LC-CoA služi kao inhibitor vezivanja Na+/H+ izmjenjivača 1 (NHE1) i fosfatidilinozitola 4,5-bisfosfata [PI(4,5)P2] da izazove apoptozu u proksimalnim tubulama ćelije [66].

Genetsko i farmakološko poboljšanje FAO moglo bi predstavljati novu strategiju terapijskog liječenja pacijenata sa DKD. Transgenska ekspresija PCG1 i tretman fenofibratom je poboljšao apoptozu tubularne ćelije putem restauracije CPT i/ili acil-CoA oksidaza [58,67].

4.2. Hipoksija

Poznato je da je tubulointersticijska hipoksija posljednji uobičajeni put progresije CKD [48]. Bez obzira na uzrok bolesti, hipoksija može nastati zbog smanjene opskrbe kisikom putem protoka krvi zbog poremećene vazodilatacije, gubitka vaskulature, fibroze, anemije, povećane potražnje za kisikom zbog povećane reapsorpcije otopljene tvari i neefikasne proizvodnje ATP-a zbog odvajanja mitohondrija, koji su zajednički mehanizmi u CKD.

Nedavno je otkriven mehanizam kojim akutna hipoksija uzrokuje proizvodnju mtROS u ETC-u [68]. Akutna hipoksija izaziva konformacijski pomak u Kompleksu I, što dovodi do aktivacije Na+/Ca2+ izmjenjivača u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani. Na+ uvezen u matriks zatim stupa u interakciju sa fosfolipidima kako bi smanjio fluidnost membrane, što rezultira nemogućnošću slobodnog ubikinona da se kreće između Kompleksa II i Kompleksa III. Dakle, Kompleks III proizvodi ROS.

Hipoksija se dugo smatrala direktnim supresorom OXPHOS-a jer je kiseonik neophodan kao prijemnik elektrona u ETC. Međutim, da bi se OXPHOS akutno i direktno usporio, koncentracija kiseonika mora biti samo 0,3% [69]. Kod blaže i produžene hipoksije, HIF1 djeluje kao posrednik u suzbijanju OXPHOS-a i povećanju glikolize kako bi se spriječila proizvodnja ROS-a. HIF1 modifikuje ETC komplekse i promoviše metaboličke promene sa aerobnog OXPHOS na anaerobnu glikolizu [69]. Ipak, kod kronične hipoksije, ove promjene ograničavaju sposobnost mitohondrija da proizvode ATP i mogu izazvati nedostatak ATP-a, što može dovesti do citotoksičnosti.

4.3. Signalizacija endotelina-1 (Edn1)/Edn1 receptora tipa A (Endra)

Endotelin-1 (Edn1) je prvo okarakterisan kao signalni molekul koji oslobađaju podociti u TGF- -indukovanom FSGS [49]. Iznenađujuće, Edn1 uzrokuje mtROS, smanjuje rezervni respiratorni kapacitet i uzrokuje oštećenje mtDNK u endotelnim stanicama putem aktivacije Edn1 receptora tipa A (Ednra), ali to se ne vidi u podocitima. Ovaj put inducira razgradnju glikozaminoglikana u površinskom sloju endotela, što dovodi do gubitka fenestracije [70]. Zanimljivo je da je aktivacija EDNRA u endotelnim ćelijama takođe potrebna za uklanjanje procesa stopala podocita i apoptozu [49].

Slična uloga mtROS i EDNRA u endotelnim ćelijama i Edn1 je takođe opisana u DKD [50]. Cirkulirajući Edn1 je povećan kod ljudi i miševa s dijabetesom [50,71]. Primjetno, Ednra nije bila detektirana u glomerulima zdravih ljudskih bubrega ili DKD rezistentnih miševa C57BL/6J, ali je bila prisutna u glomerulima ljudskih DKD bubrega i dijabetičkih DBA/2J miševa. Ednra bi se mogla inducirati u podocitima tretiranim visokom glukozom, ali ti podociti nisu eksprimirali Edn1, što implicira druge tipove stanica ili stimulanse u ovoj signalnoj kaskadi [50]. Dakle, Edn1/Ednra signalizacija je kritična u recipročnom preslušavanju između podocita i endotelnih ćelija preko mitohondrijalne disfunkcije u FSGS i DKD.

Poznato je da još jedan vazoaktivni put, sistem renin-angiotenzin-aldosteron (RAAS), učestvuje u napredovanju CKD, uključujući i DKD. Osim štetnih efekata povećanja sistemskog i intraglomerularnog krvnog pritiska, utvrđeno je da tretman angiotenzinom II pogoršava proizvodnju mtROS i fragmentaciju mitohondrija u podocitima, kako in vivo tako i in vitro, što se može poništiti mitohinonom, antioksidansom ciljanim na mitohondrije [72].

5. Zaključci

Mitohondrijska disfunkcija igra centralnu ulogu u razvoju i napredovanju DKD. Stoga bi ciljanje na mitohondrijalnu disfunkciju u DKD moglo predstavljati novu terapijsku strategiju za pacijente sa DKD. Međutim, kao što se može naučiti iz studija koje istražuju povoljan učinak sistemske primjene antioksidansa kao tretmana za DKD, čini se da intervencija u mitohondrijalnoj disfunkciji mora biti specifična za tip ćelije i kontekst. Druga intrigantna perspektiva su razlike u dobi i spolu u mitohondrijskoj disfunkciji kod DKD. Iako je starost važan faktor koji utječe na funkciju mitohondrija i razvoj i napredovanje DKD, ne zna se mnogo o tačnim mehanizmima. Što se tiče spola, uočena je velika razlika između muškaraca i žena u mitohondrijima određenih tkiva, a estrogen i eventualno testosteron mogu posredovati u bubrežnoj mitohondrijskoj bioenergetici [73]. Potrebna su dalja istraživanja kako bi se razjasnili tačni mehanizmi koji dovode do mitohondrijalne disfunkcije kod DKD, do te mjere da se nalazi mogu klinički primijeniti na pacijente i promijeniti njihove prognoze.

Doprinosi autora:Konceptualizacija, MI, MZG i AF; pisanje-izrada originalnog nacrta, MI; pisanje-recenzija i uređivanje, MI, SM i AF Svi autori su pročitali i pristali na objavljenu verziju rukopisa.

finansiranje:MI je podržan od strane Manpei Suzuki Diabetes Foundation. AF i SM su podržani grantovima Nacionalnog instituta za zdravlje R01DK117599, R01DK104753 i R01CA227493. AF takođe podržavaju U54DK083912, UM1DK100846, U01DK116101 i UL1TR000460 (Miami Clinical Translational Science Institute).

Izjava institucionalnog odbora za reviziju:Nije primjenjivo

.Informirana izjava o saglasnosti:Nije primjenjivo.

Izjava o dostupnosti podataka:Nije primjenjivo.