Dio 1. Heme oksigenaza 1: Odbrambeni posrednik u bolestima bubrega

Dio 1

Anne Grunenwald¹, Lubka T. Roumenina¹i Marie Frimat ^2,3,*

sažetak:Incidencabubregbolest raste, što predstavlja značajan teret za zdravstveni sistem i čini identifikaciju novih terapijskih ciljeva sve hitnijom. Sistem hem oksigenaze (HO) obavlja važnu funkciju u regulaciji oksidativnog stresa i upale i smatra se da preko ovih mehanizama igra ulogu u prevenciji nespecifičnih ozljeda nakon akutnog zatajenja bubrega ili kao rezultat kronične bolesti bubrega. Ekspresija HO-1 se snažno inducira širokim spektrom stimulusa ububreg, kao posljedica filtracijske uloge bubrega, što znači da je HO-1 izložen širokom spektru endogenih i egzogenih molekula, a pokazalo se da djeluje protektivno na različitim neuropatološkim životinjskim modelima. Zanimljivo je da se pozitivan efekat HO-1 javlja i kod bolesti u kojima dominira hemoliza i rabdomioliza, gdjebubregje ekstenzivno izložen hemu (glavnom induktoru HO-1), kao i kod bolesti koje nisu zavisne od hema kao što su hipertenzija, dijabetička nefropatija ili progresija do završnog stadijuma bubrežne bolesti. Ovo naglašava složenost funkcija HO-1, što je ilustrovano činjenicom da, uprkos obilju pretkliničkih podataka, nijedan lijek koji cilja na HO-1 do sada nije preveden u kliničku upotrebu. Cilj ovog pregleda je procijeniti trenutno znanje u vezi sa ulogom HO-1 u bubrezima i njegovom potencijalnom interesu kao nefroprotektivnom agensu. Bit će predstavljeni potencijalni terapijski otvori, posebno kroz identifikaciju kliničkih ispitivanja usmjerenih na ovaj enzim ili njegove proizvode.

Ključne riječi:hem-oksigenaza-1; hem;bubreg; hemoliza; rabdomioliza; toksičnost; ishemija-reperfuzija

Kontakt:ali.ma@wecistanche.com

Korist ekstrakta cistanche kod bolesti bubrega, kliknite ovdje da biste dobili uzorak

1. Uvod

Broj ljudi u svijetu sa hroničnimbubregbolest (CKD), akutna ozljeda bubrega (AKI) ili zahtijevaju nadomjesnu terapiju bubrega premašuju 850 miliona [1]. Predviđena incidencija je razlog za zabrinutost, a predviđa se da će CKD postati peti vodeći uzrok smrti u svijetu do 2040. godine [2]. Općenito je prihvaćeno dabubregbolesti su značajno javnozdravstveno pitanje i da je hitno potrebna potreba za multimodalnim pristupom za suzbijanje ove pretpostavljene evolucije [3]. Od ključnog značaja je identifikacija novih terapijskih ciljeva, kako za ograničavanje uticaja akutnih bubrežnih događaja, tako i za poboljšanje loših ishoda u CKD, u čitavom nizu osnovnih etiologija. Trenutno se proučava nekoliko kandidata za nefroprotekciju [4,5]. Sistem hem oksigenaze (HO) jedan je od ciljeva koji se mogu koristiti za zaštitu struktura bubrega od oštećenja uzrokovanih oksidativnim stresom, ograničavajući upalu i posljedično ubrzavajući starenje.

Tenhunen i kolege su otkrili HO 1968. godine, koji su prvi opisali njegovu sposobnost da katalizira razgradnju hema (Fe-protoporfirin IX) do slobodnog željeza, ugljičnog monoksida (CO) i biliverdina, koji se brzo pretvara u bilirubin [6]. Opisane su dvije glavne izoforme HO: inducibilna HO-1 i konstitutivna HO-2. U početku se smatrao samo sistemom za recikliranje hema iz ostarjelih crvenih krvnih zrnaca, HO je od tada pripisan niz citoprotektivnih svojstava putem njegovih metabolita i nizvodne signalizacije, proširujući njegovu definiciju od one "molekularne lopte za uništavanje" na "očaravajući" okidač ćelijski događaji, da citiram Mainesa et al. [7]

Vođen svojim potencijalnim antioksidativnim i antiinflamatornim kapacitetima, HO-1 je predmet sve većeg interesovanja zbog svoje uloge u različitim ljudskim patologijama. Među istraživanim organima, bubreg je često istican u posljednjih 30 godina, posebno kroz identifikaciju uloge HO-1 u različitim bubrežnim, metaboličkim i vaskularnim bolestima, kako akutne tako i kronične prirode [8-11 ]. HO-1 je neophodan za efikasnostbubregfunkcije, kao što je ilustrovano oštećenjem bubrega kod ljudi s nedostatkom HO-1 i brojnim studijama na životinjama (opisanim u nastavku). Thebubregafiziološke funkcije specifično utječu na regulaciju HO{0}}. Zaista, bubrežno tkivo je veoma podložno hipoksiji [12], glavnom pokretaču ekspresije HO-1, i posebno je izloženo toksičnim molekulima zbog svojih funkcija filtracije i reapsorpcije. Ova posebnost što je organ za "detoksikaciju", koji dijeli s jetrom, znači da je bubreg visoko izložen molekularnim obrascima povezanim s oštećenjem (DAMP) i medijatorima stresa. Zanimljivo, thebubregposjeduje kapacitet za sintezu albumina, alfa proteina i haptoglobina pod ishemijskim ili toksičnim ishemijskim oštećenjem, podvlačeći paralelu s jetrom [13,14]. Bubrežne ćelije, stoga, zahtijevaju strategije prilagođavanja kako bi očuvale svoje funkcije i integritet u tako oštrom okruženju. Bubreg je glavno mjesto izloženosti hemu u slučaju ekstravaskularne hemolize ili rabdomiolize, a time i za indukciju ekspresije HO-1. U ovim uslovima, prekomjerna ekspresija HO-1 se lako objašnjava potrebom da se katabolizira preopterećenje slobodnog hema. Međutim, učešće HO-1 u bolestima bubrega prevazilazi okvire bolesti povezanih s hemom, ilustrujući složenost njegovih mehanizama djelovanja koji se protežu izvan samog katabolizma hema [15].

Cilj ovog pregleda je sumirati veliku količinu eksperimentalnih i kliničkih podataka koji opisuju važnost HO-1 ububreg, ne zaboravljajući da je HO{0}} takođe značajan: konstitutivno izražen u bubrezima u homeostatskim uslovima, on je na prvoj liniji odbrane od ishemije i drugih insulta, a njegov renalni citoprotektivni efekti su dokazani u proteinima hema i ishemijom izazvan AKI [16]. Međutim, u poređenju sa literaturom o HO-1, postoji vrlo malo studija koje ispituju funkcionalni značaj HO-2 u bolestima bubrega; stoga će se ova recenzija fokusirati na HO-1. Nakon opšteg upoznavanja sa karakteristikama HO-1 u bubrezima, opisati ćemo ulogu ovog enzima u različitim populacijama bubrežnih ćelija i bolestima bubrega. S obzirom na njegovu primarnu funkciju recikliranja hema, pristupit ćemo ovim patološkim stanjima prema tome postoji li ili ne dolazi do masovnog oslobađanja slobodnog hema. Na kraju će biti predstavljene trenutne kliničke primjene, otkrivajući disparitet između obilja dostupnih eksperimentalnih podataka i relativnog nedostatka terapeutskih primjena.

2. O heme oksigenazi-1 u bubrezima

2.1. Zašto je HO-1 posebno važan za bubrege?

U proteklih nekoliko decenija, ključna uloga HO-1 sistema u patofiziologijibubregbolesti je podržano od strane nekoliko studija. Kod dva do sada prijavljena pacijenta sa nedostatkom HO{0}}, bubreg je bio među oštećenim organima. Oba pacijenta su imala hematuriju i proteinuriju.Bubregbiopsije su otkrile povećanu mezangijalnu proliferaciju i fokalno zadebljanje kapilarnih petlji svjetlosnom mikroskopijom, te odvajanje endotela u glomerularnoj kapilari elektronskom mikroskopijom [17,18]. Povrede bubrega takođe su bile prisutne u oba životinjska modela koji su bili nevažeći za HMOX1, sa nekim razlikama očiglednim između miša [19] i modela pacova [20]. Kod Hmox1-/- miševa, nedostatak funkcionalne hem oksigenaze bio je odgovoran za povećanu osjetljivost na oksidativni stres [19], smanjenu hemofagocitozu ostarjelih crvenih krvnih stanica od strane tkivnih makrofaga, povećanu hemolizu i preraspodjelu željeza iz slezene i jetre. makrofaga u hepatocite i ćelije proksimalnih tubula bubrega [21]. Slično, Hmox1-/- pacovi su pokazali anemiju, splenomegaliju i izražene intersticijalne inflamatorne ćelijske infiltrate i ožiljke od fibroze u bubrezima. Dok su glomerularne lezije bile anegdotske u modelu miša, Atsaves et al. otkrili su povećanje mezangijalnog matriksa i fokalnih i segmentnih lezija glomeruloskleroze kod Hmox1-/- pacova. Ovi morfološki nalazi bili su povezani sa povećanim sadržajem ureje u krvi, kreatininom u serumu i albuminurijom, ali zanimljivo je da nije bilo povećanja depozita gvožđa u glomerulima, tubulima ili intersticijumu [20].

Spontano oštećenje bubrega i na ljudskim i na životinjskim modelima nevažećim za HMOX sugerira da je HO-1 važan za efikasnu funkciju bubrega. Zaštitna uloga ovog enzima za bubrege je potvrđena u višestrukim modelima bubrežnog izazova u uslovima invalidacije/inhibicije ili prekomjerne ekspresije HO-1 [22]. Međutim, gore navedene histološke razlike ilustruju poteškoće transponovanja rezultata s jedne vrste na drugu. Razlike u regulaciji HO-1 između ljudi i miševa su dobro opisane, motivirajući stvaranje humanih hHO-1 BAC transgenih miševa [23]. U ovom modelu, HO-1 je prekomjerno eksprimiran i ostaje nepoznato da li ovaj viši pozadinski izraz može prikriti suptilna oštećenja tokom dugog vremenskog perioda, ili čak i sam imati štetne efekte.

Bolje razumijevanje kako HO-1 funkcionira ububreg, i kako se kontrolira njegov izraz ili funkcija, od suštinskog je značaja za naše razumijevanjebubregfiziologije i patologije, ali je (kao i uvijek) važno zapamtiti granice bilo koje studije u njenom tumačenju i prijevodu: pokušat ćemo održati ovo kritičko gledište kroz ovaj pregled.

2.2. Regulacija ekspresije HO-1 u bubrezima

HO-1 protein je sveprisutan, usidren je u membrani endoplazmatskog retikuluma, a lokaliziran je i u jezgrima mitohondrija i kaveolina, dok je HO-1 gen (HMOX1), koji kodira HO-1, se nalazi na hromozomu 22. Mnogi stimulansi mogu modulirati transkripciju HMOX1, odražavajući širok spektar motiva koji se vezuju za DNK unutar njegovog promotora i veliki broj signalnih puteva koji dovode do njegove transkripcije. Glavni regulator gena HMOX1 je nuklearni eritroidni faktor 2 (Nrf2), čija aktivacija ovisi o njegovoj interakciji s Kelchovim tipom, ECH-povezanim proteinom (Keap1). Keap–Nrf2 interakcija promoviše degradaciju Nrf2 (zdravo stanje), dok destabilizacija ovog kompleksa oslobađa Nrf2 koji se translocira u jezgro i regulira određene gene, uključujući HO-1 (stresno stanje). Postoji mnogo drugih aktivatora ili represora HO-1 koji formiraju složenu biomolekularnu mrežu (detaljno u prethodnim recenzijama [7,10]). Detalji o njima su izvan okvira ovog pregleda i ovdje ćemo se fokusirati na bubrežne specifične karakteristike ekspresije HO-1.

Ububreg, nivoi proteina HO-1 se ne mogu detektovati u homeostatskim uslovima, osim u tubulima gdje je ipak nizak [24]. Poznato je da mnoga stanja stresa pojačavaju renalnu transkripciju HO-1, uključujući oksidativni stres, toplotni šok, hipoksiju, teške metale i toksine (pregledano u Bolisetty et al. [8]). Pod ovim uslovima, ekspresija HO-1 ostaje heterogena među različitim bubrežnim odjeljcima. Bubreg se sastoji od dva glavna područja: izlaznog korteksa i medule u najdubljem dijelu. Medula sadrži većinu dužine nefrona, funkcionalnih komponenti bubrega koje filtriraju tekućinu iz krvi. Kora bubrega uključuje glomerule, one "čuperke" kapilara u kojima se plazma filtrira kroz bazalnu membranu glomerula. Filtrirana tekućina zatim teče duž izvijenog proksimalnog tubula do Henleove petlje, a zatim do uvijenog distalnog tubula i sabirnih kanala, koji se dreniraju u ureter (slika 1). Glomerularna filtracija i reapsorpcija otopljenih tvari (dvije glavne funkcije bubrega) su podržane bubrežnim protokom krvi, koji je među najvećim u tijelu, pri čemu bubrezi primaju oko 20 do 25 posto minutnog volumena. U poređenju sa korteksom, protok krvi u bubrežnu medulu je relativno nizak. Ovaj disparitet je neophodan da bi se omogućio efikasan mehanizam koncentracije urina, a takođe objašnjava i posebnu podložnost medule smanjenom protoku krvi. U uslovima stresa, HO-1 je tako izraženije u meduli nego u korteksu [25]. Njegova ekspresija je vrlo jaka u tubulima (posebno proksimalnim tubulima), ali minimalna ili odsutna u glomerulima, kao što je ilustrovano na slici 2 i kod hemolitičkih pacijenata i kod miševa kojima je ubrizgan hem. Međutim, pokazalo se da je prethodna indukcija HO-1 unutar glomerula spriječila kasniji razvoj nefrotoksičnog glomerulonefritisa na modelu štakora Lewis, ali su glavni proizvođač HO-1 u glomerulima bili infiltrirajući makrofagi, ne intrinzične glomerularne ćelije [26]. Ovaj manji kapacitet glomerula da eksprimiraju HO-1, koji je ključni citoprotektivni mehanizam, mogao bi objasniti posebnu osjetljivost glomerula na stresore u određenim patologijama [27].

Uzeti zajedno, ovi podaci pokazuju da se nivoi HO-1 obično ne mogu detektovati ububregali da je HO-1 visoko inducibilan u tubulima tokom patologija, posebno preko svog glavnog transkripcionog faktora Nrf2. Međutim, kapacitet glomerula da indukuje HO-1 je manji.

2.3. HO-1 i Nefroprotekcija

Poput HO-2, HO-1 pokreće NADPH-zavisno dodavanje molekula kiseonika u porfirinski prsten hema, čime katalizira oksidaciju hema i ekvimolarno oslobađanje biliverdina, slobodnog željeza i ugljičnog oksida (CO). Svi ovi događaji su citoprotektivni tako što uklanjaju slobodni hem, regulišu efluks gvožđa i povećavaju nivoe bilirubina i CO. Zaista, štetni efekti slobodnog hema su dobro opisani, posebno na vaskularnom mjestu putem direktne toksičnosti, ali i kroz stimulaciju proinflamatornih signalnih puteva (kao što su DAMP) i aktivaciju sistema komplementa [28]. Slično endotelnim ćelijama, takvi neželjeni efekti su prijavljeni kod drugih tipova ćelija kada su masovno izloženi hemu. To je slučaj s ljudskim skeletnim mišićnim vlaknima, u kojima izlaganje hemu izaziva kontraktilnu disfunkciju [29], i bubrežne tubularne stanice [30]. Osim toga, željezo je izrazito toksično čak i pri niskim koncentracijama. Učestvuje u Fentonovoj reakciji, proizvodeći hidroksil, i može rezultirati smrću stanice feroptozom, putem stanične smrti koju karakterizira smanjenje nivoa glutationa (GSH) ovisno o željezu i nakupljanje lipidnih hidroperoksida do smrtonosnih razina [31]. Stoga je objavljeno da je citozaštita HO-1 bila posljedica, barem djelomično, povećanog fluksa gvožđa [32], koje se nakon oslobađanja ili pohranjuje u feritinu ili izvozi iz makrofaga u plazmu za ponovno -upotreba preko transmembranskog izvoznika željeza feroportina. CO suprotstavlja vazokonstrikciju i ima moćna antioksidativna svojstva, kao i biliverdin, koji se enzimski pretvara u bilirubin putem biliverdin reduktaze [33].

Prenoseći ova svojstva na nivo bubrega, lako je razumjeti istraživački interes za iskorištavanje ovog molekula za liječenjebubregbolest. Pozitivni efekti su opisani skoro 30 godina, nakon rada Natha i saradnika, koji su izvijestili da HO{1}} daje zaštitu kod pacova modela akutnog zatajenja bubrega izazvanog glicerolom. U njihovom modelu, jedna prethodna injekcija hemoglobina brzo je izazvala HO-1 glasničku RNK i protein unutar bubrega, što je spriječilo progresiju do zatajenja bubrega [34]. Nefroprotektivni efekti HO-1 i njegovih metabolita su od tada prijavljeni u različitim modelima bubrežne bolesti [8,35]. Potencijalni značaj HO-1 u patogenezi bubrežnih bolesti je također sugeriran vezom između polimorfizama u HO-1 genu i bubrežnog ishoda. Pojedinci sa kraćim (GT)n ponavljanjima u HO-1 promotorskoj regiji imaju veću transkripcionu aktivnost, a time i više nivoe HO{11}} od pojedinaca sa dužim (GT)n ponavljanjima [36]. Zanimljivo je da su duga (GT)n ponavljanja povezana sa lošijom prognozom u nekoliko konteksta, naime, sa većim rizikom za AKI nakon kardiohirurgije ili smanjenom funkcijom bubrega nakon transplantacije bubrega [37,38]. Međutim, nema dokaza o zaštitnom efektu kratkog ponavljanja (GT)n na preživljavanje transplantata ili primaoca nakon transplantacije bubrega [39], što naglašava složenost uključenih mehanizama. Nivoi ekspresije HO-1 također mogu varirati s godinama. Bubrežna ekspresija gena HO-1 kod kontrolnih miševa C57Bl6 bila je značajno smanjena u dobi od 18 godina u poređenju sa 3 mjeseca starosti [40]. U drugoj studiji, ekspresija proteina HO-1 nije bila značajno različita na početku između miševa starih 6–8-nedjelja i 1-godišnjih miševa, ali sposobnost starijih životinja da povećaju regulaciju HO -1 kao odgovor na ishemijsko-reperfuzijske ozljede (IRI) je bio oštećen (posebno u meduli), a pokazali su lošiju funkciju bubrega u poređenju sa mladim životinjama [41]. Ovi rezultati odražavaju osjetljivost bubrega starijih ljudi na nefrotoksične agense.

Da rezimiramo, u mnogim studijama se pokazalo da preventivna ili genetska indukcija ekspresije HO-1 daje zaštitu bubrega. Smanjenje renalne ekspresije HO-1 može doprinijetibubregapreosjetljivost na određene patologije.

3. HO-1 u populaciji bubrežnih ćelija

Uporedne analize su otkrile da HO-1 nije izražen u istoj mjeri u različitim populacijama ćelijabubregza dati stimulus (slika 1). Tokom intravaskularne hemolize ili u prisustvu stresnih stimulusa koji izazivaju HO-1- ili lekova u cirkulaciji, endotelne ćelije su prve ćelije koje su izložene ovim sistemskim stresorima. Ako se stresor filtrira u glomerulima, tada su podociti izloženi i mogu biti oštećeni, kao što se vidi kod dijabetičke nefropatije. Nadalje, stresor može naići na mezangijalne ćelije koje imaju sekretornu i imunomodulatornu ulogu i proliferiraju tokom nedostatka HO{2}}. Konačno, stresor može doći do tubulnog epitela koji je najproučavaniji tip ćelije u odnosu na HO-1 (proksimalni i distalni tubuli se moraju razmatrati odvojeno u odnosu na epitel). Tubularne epitelne ćelije imaju najmoćniji kapacitet za prekomjernu ekspresiju HO-1 i trpe najteže povrede u slučaju njegovog nedostatka ili tokom intravaskularne hemolize i rabdomiolize. Ovaj odjeljak opisuje ključne funkcije glavnih tipova ćelija bubrega i specifičnu ulogu HO-1 unutar njih.

3.1. Endotelne ćelije

Endotel se sastoji od monosloja endotelnih ćelija (EC) koje ostvaruju kritične funkcije u krvnim sudovima. Prekrivaju unutrašnjost krvnih žila i obavljaju barijerne funkcije, ali služe i kao razmjensko sučelje sa susjednim tkivima, senzor za tkivni i intravaskularni stres, te kao izvor odbrambenih medijatora [42]. Kao takvi, EC je prva linija ćelija koja se susreće sa cirkulirajućim stresorima i ekspresija HO-1 je neophodna za njihov opstanak, s pacijentima s nedostatkom HO-1- i mišjim modelima koji pokazuju ekstenzivno oštećenje endotela [19,43]. Efekti za preživljavanje HO-1 u EC se javljaju u svakom organu i postoji veliki broj radova u vezi sa njegovom indukcijom raznim molekulima [44,45]. Prema svojoj lokalizaciji (u različitim organima, u sudovima ili kapilarama), struktura, specijalizacija i funkcije EK variraju. Dakle, EC iz različitih vaskularnih slojeva imaju dinamičke profile ekspresije (i prostorno i vremenski) i to može objasniti njihovu selektivnu uključenost u različite procese bolesti [42].

Ububreg, mogu se razlikovati tri glavna tipa endotela: glomerularni, peritubularni kapilarni i endotel srednje/velike žile [46], svaki sa različitim nivoima ekspresije ili funkcije HO-1. Glomerularna EC je "fenestirana" i prekrivena glikokaliksom [47] odgovornim za ograničavanje prolaza makromolekula u mokraćnu komoru [48]. Uprkos glikokaliksu, mali hidrofobni molekuli (npr. hem) mogu ući u ćelijske membrane i aktivirati proinflamatorne i protrombotičke puteve, uključujući TLR{4}} signalizaciju, čime se promovira adhezija krvnih stanica i vazo-okluzija (Schaer et al., 2013). EC peritubularne kapilare je također fenestriran i leži na tankoj stromi. Oni transportuju reapsorbovane komponente, održavajući funkciju tubularnih epitelnih ćelija [46]. Konačno, endotela i srednjih i velikih krvnih žila su susjedna, sa međusobno povezanim EC. Strukturna i funkcionalna raznolikost EC u bubrezima kao funkcija njihove lokalizacije čini ih različito osjetljivima na specifične stresore, kao što su toksični ili proinflamatorni filtrirani molekuli za glomerularni EC, hipoksija za peritubularne kapilare, ili promjene u smičnoj reakciji, sa odgovarajućim spektrom naprezanja. na takve napade [46].

Glavni faktori koji utiču na ekspresiju HO-1 u EC su hipoksija, stres smicanja, prisustvo hema i drugih cirkulirajućih stresora (amonijak [49], S-adenozil metionin [50], itd.), cirkulirajuće supstance (statini [51], resveratrol [52], itd.) ili droge. Parcijalni pritisak kiseonika opada duž peritubularne kapilare, posebno u uslovima stresa sa prekomernom potrošnjom O2. Zanimljivo je da je prijavljeno da se ekspresija HO-1 smanjuje nakon hipoksije, dok je ekspresija HO-2 očuvana u makrovaskularnoj humanoj pupčanoj veni EC (HUVEC) [53]. Međutim, ekspresija HO-1 je inducibilna u EC mikrovaskularnih peritubularnih kapilara pod različitim uslovima koji mogu izazvati hipoksiju (hem, angiotenzin II, itd.). Fiziološki stres na smicanje je glavna determinanta preživljavanja EC, kao što je prikazano in vivo kod ljudskih karotidnih aterosklerotičnih plakova [54] i karotida zeca sa smanjenim protokom krvi [55]: on također inducira ekspresiju protuupalnih faktora (in vitro in HUVEC i in vivo u aorti kunića [56]) i vazodilatatorne (in vitro i in vivo kod miševa [57]). Zanimljivo je da je ekspresija HO{16}} izazvana posmičnim stresom, in vitro u makrovaskularnom (aorta) i mikrovaskularnom (HMEC) humanom EC [58], a navedeno je da je ova ekspresija kod štakora direktno povezana sa nivoom posmičnog stresa : veća ekspresija pri visokim nivoima protoka (u arterijama), ali su potrebni drugi faktori da bi HO-1 bio eksprimiran na niskim nivoima protoka (u mikrožilama) [59]. Ovaj fenomen do sada je zabilježen samo u crijevnim žilama. Međutim, ako se ovi rezultati potvrde u drugim organima, to može objasniti smanjenu indukciju HO-1 u kapilarama kao što je glomerularni EC pod stresom [27]. EC je visoko izložen citotoksičnim produktima hemolize i endotelni odgovori na ove inzulte odražavaju heterogenost EC. Mikrovaskularni EC, a posebno glomerularni EC, manje su skloni povećanju regulacije HO-1 u poređenju sa makrovaskularnim EC, kako in vitro tako i na mišjem modelu hemolize [27]. Ovo ih čini posebno podložnim povredama zbog razlika u njihovoj regulaciji komplementa C3 i degradaciji hema u poređenju sa makrovaskularnim EC [27]. Malo se zna o kapacitetu indukcije HO-1 EC peritubularnih kapilara.

Bubrežni makrovaskularni EC ostaje slabo proučavan u pogledu ekspresije i funkcije HO-1. Najrasprostranjeniji model u proučavanju makrovaskularne EK je humana umbilikalna vena EC (HUVEC). Izloženost hemu u HUVEC-u je odgovorna za brzu transdukciju signala, mobilizaciju endotelnih Weibel Palade tijela i aktivaciju NF-kB, što im daje proinflamatorni i protrombotički fenotip [60–62]. Međutim, duža izloženost im omogućava da razviju mehanizme prilagođavanja i postanu vrlo otporni na ozljede uzrokovane oksidativnim stresom i produkte peroksidacije lipida. To uključuje indukciju feritina i HO-1 [63], iako je indukcija HO-1 u glomerularnoj EC in vitro i na mišjim modelima hemolize mnogo slabija [27,64]. Indukcija HO-1 u makrovaskularnoj EC značajno je modulirala aktivaciju komplementa [27,65], ekspresiju trombomodulina u uslovima hemolize [27] iu kontekstu septičke bolestibubregpovreda [66] i ekspresija adhezionih molekula povezanih sa EC aktivacijom [67].

Uzeti zajedno, ovi podaci ukazuju da jebubregendotel je pod jakim utjecajem toksina i stresora kao rezultat njegove funkcije filtriranja. Čini se da takvi stresori pokreću snažne mehanizme adaptacije u makrovaskularnom EC koji im omogućavaju da se odupru uvredama do određenog nivoa, uglavnom povećanjem regulacije HO-1 i povezanih gena. Iako postoji značajan nedostatak podataka u literaturi, dostupne studije sugeriraju da je, za razliku od makrovaskularnog EC, ova regulacija HO-1 manje izražena u glomerularnom mikrovaskularnom endotelu, što ga čini posebno osjetljivim na stres iz okoline.

3.2. Podociti

Podociti su hiperspecijalizirane stanice koje održavaju glomerularnu filtracijsku barijeru kroz sintezu komponenti bazalne membrane glomerula (GBM) i formiranje prorezne dijafragme pričvršćivanjem svojih stopala na glomerularne endotelne stanice [68] (Slika 1). Njihova strateška lokalizacija, omogućavajući njihovu funkciju filtriranja, čini ih posebno osjetljivim na mehanički, oksidativni i imunološki stres. Podociti imaju jedinstvene adaptivne odgovore, uključujući povećanje vimentina i desmina [69], ili antioksidativnih proteina kao što su Sirtuin1 i metalotionein. Sirtuin pojačava Nrf2, čime se pojačava ekspresija HO-1. [70,71] Zanimljivo je da se ekspresija sirtuina-1 (zajedno sa Nrf2 i HO-1) povećava izlaganjem krajnjim proizvodima napredne glikacije [71] i HO{{14} } pokazalo se da je posebno povećan u podocitima kod pacijenata sa dijabetesom [72]. Iako manje proučavana, ekspresija HO-1 je također opisana u hemolitičkim uslovima [27,73], pri čemu hem indukuje ekspresiju HO-1 na Nrf2-zavisan način u podocitima. Zanimljivo je da su miševi s nedostatkom Nrf2- spontano razvili proteinuriju sa uklanjanjem nastavka stopala, što je smanjilo ekspresiju sinaptopodina i nefrina, i apoptozu podocita [73].

Iako literatura o HO-1 u podocitima nije u izobilju, dokazi koji postoje ukazuju na zaštitnu fiziološku ulogu osovine Nrf2/HO-1 očuvanjem pedicela i inhibiranjem smrti i odvajanja podocita. U patološkim kontekstima, HO-1 je pretjerano izražen kao odbrambeni mehanizam, ali također može biti nusprodukt iscrpljenih mehanizama otpornosti koji su rezultat ogromnog stresa, u kojem kontekstu nije dovoljan da spriječi povredu podocita.

3.3. Mesangial Cells

Mesangijalne ćelije, zajedno sa mezangijalnim matriksom koji proizvode, formiraju mezangijum, potporno tkivo za glomerulus floculus. Među mezangijalnim ćelijama su imune ćelije, slične monocitima/makrofagu (5 do 15 procenata), i kontraktilne ćelije, koje su slične ćelijama glatkih mišića (85 do 95 procenata) i pružaju strukturnu podršku i kontrakciju [74,75]. Hem podstiče proliferaciju glatkih mišićnih ćelija [76] i njegov receptor TLR4 se eksprimira na mezangijalnim ćelijama [77], ali je uloga HO-1 u ovim ćelijama slabo proučavana. Pokazalo se da dušikov oksid (NO) inducira HO-1 u mezangijalnim ćelijama [78], pacijenti sa nedostatkom HO{13}} imaju blagu mezangijalnu proliferaciju [17,18,43], a HO{{17} } pokazalo se da modulira proliferaciju mezangijalnih ćelija putem regulacije p21 [79]. Potreban je dalji rad kako bi se utvrdilo da li je veliko znanje akumulirano za makrofage primjenjivo na mezangijalne ćelije nalik makrofagama.

3.4. Tubular Cells

Ako je ekspresija HO-1 opisana u tubulima prije nekog vremena, tek nedavno je njena regulacija opisana kao specifična za segment; HO-1 također igra različite uloge u različitim segmentima tubula u cilju održavanja bubrežnih funkcija [80].

3.4.1. Proksimalni tubul

Proksimalni tubuli su ćelije ububregkoji pokazuju najveći kapacitet za prekomjernu ekspresiju HO-1. Zaista, pokazalo se da su proksimalne tubularne epitelne stanice posebno osjetljive na oksidativni stres in vitro [81]. Oni se snažno oslanjaju na HO-1 za zaštitu od stresora i prilagođavanje na njih, o čemu svjedoči činjenica da je ozljeda tubula kardinalna patološka karakteristika ljudskog nedostatka HO-1 [82]. Glavna funkcija proksimalnog tubula bubrega je uzimanje vode, jona, aminokiselina i filtriranih proteina. U odsustvu oštećenja glomerula, filtrirani proteini su uglavnom veličine ispod 68 kDa. Internalizacija proteina, uključujući i one povezane s hemom, kao što su mioglobin ili hemoglobin, ali i hemopeksin, događa se preko megalinskih i tubulinskih receptora [83]. Ova funkcija reapsorpcije zahtijeva veliku količinu energije (ATP) koju obezbjeđuje mitohondrijalna beta-oksidacija [84]. Međutim, ozbiljno smanjenje ATP-a dovodi do ozljede mitohondrija, što uzrokuje daljnje iscrpljivanje zaliha energije i stvaranje reaktivnih vrsta kisika [85]. Ova visoka metabolička potražnja proizvodi stanje relativne hipoksije u bubrežnoj srži, a proksimalni tubuli su posebno osjetljivi na ishemiju/reperfuziju i višak hema [86,87]. Osetljivost na hem se takođe objašnjava konstitutivnom ekspresijom TLR4 (hem receptora) u proksimalnim tubulima [61], a ekspresija TLR4 je povećana kod renalne ishemijske-reperfuzijske povrede i septičkih povreda [77].

Dok je HO-1 izražen samo slabo ububregu normalnim uslovima, snažno se inducira u proksimalnim tubulima pod različitim oblicima stresa [88], među njima i proteinurija [80]. Interakcija između unosa proteina koji sadrže hem, osmotskog pritiska koji pokreće priliv hema, ekspresije TLR4 i povećane sinteze hema u proksimalnim tubulima može zajedno objasniti ovu specifičnu, snažnu regulaciju HO-1. Pretpostavlja se da ekspresija HO-1 u tubularnim epitelnim ćelijama više zavisi od bazolateralnog izlaganja hemu (iz peritubularnih kapilara pod hemolitičkim uslovima) nego od sadržaja intraluminalnog hema. Međutim, u uslovima hipoksije i promijenjenog polariteta bubrežne EC, prijavljeno je da pojačana regulacija HO-1 zavisi više od apikalne izloženosti hemu [89]. U tubularnim epitelnim ćelijama, regulacija HO{8}} hemaom zavisi od stabilizacije Nrf2 [90]. HO{11}} ima dvostruku ulogu u tubularnoj EC, istovremeno je antioksidativni i regulator ćelijske smrti. Zaista, HO-1 je odgovoran za regulaciju p21, inhibitora kinaze zavisne od ciklina odgovornog za zaustavljanje progresije ćelijskog ciklusa, što smanjuje apoptozu u tubularnoj EC [91,92]. Nadalje, ekspresija HO-1 smanjuje feroptozu u proksimalnim tubularnim stanicama, neapoptotički reguliranu ćelijsku smrt povezanu s akumulacijom reaktivnih vrsta kisika (ROS) koje potiču od peroksidacije lipida [93]. Konačno, pokazalo se da HO-1 inhibira autofagiju u proksimalnim tubularnim ćelijama [94].

Sve u svemu, proksimalne tubularne ćelije su masovno izložene induktorima HO-1 u patološkim kontekstima (filtracija hemoglobina, mioglobina, hemopeksin-hem kompleksa; ishemija, filtracija toksičnih proizvoda ili lijekova, itd.) i oslanjaju se na HO{2 }} za njihovu zaštitu, ali HO-1 je također marker tubularnog naprezanja i ozljede kada je njihov kapacitet za adaptaciju preopterećen.

3.4.2. Distalni tubul

Distalni tubularni EC duž medule, posebno u debelom, uzlaznom dijelu Henleove petlje (mTAL) i distalnog uvijenog tubula (DCT), sudjeluju u koncentraciji i razrjeđivanju urina i održavanju nivoa homeostatske soli i otopljene tvari. ekspresirajući različite kanale specifične za njihovu lokalizaciju i podtip ćelije. Tokom reapsorpcije vode, koncentracija toksina (posebno hema) postaje mnogo veća u distalnim segmentima nefrona. Zbog niskog parcijalnog tlaka kisika duž peritubularnih kapilara, ovi distalni tubularni EC su posebno osjetljivi na hipoksiju i više se oslanjaju na anaerobnu, glikolitičku proizvodnju ATP-a nego na proksimalne ćelije. Distalni tubuli imaju veću sposobnost preživljavanja i prilagođavanja hipoksičnom stresu [95], manje su osjetljivi na smrt stanica, posebno nakon ishemijske ozljede [96].

Distalni tubuli, poput proksimalnih tubula, samo slabo eksprimiraju HO-1 na bazalnom nivou; nakon stimulacije, međutim, njegova indukcija hemom je dovedena u pitanje [88]. (Zanimljivo je da HO-2 može biti poboljšan hemom u distalnim tubulima [97].) Međutim, uloga HO- 1 u distalnim tubulima ostaje da se u potpunosti razjasni jer je njegova ekspresija također povezana sa poboljšanim bubrežna funkcija nakon ishemije/reperfuzije u transplantaciji kadaveričnih donora [98], kao i kod CKD [99]. Ovo može biti povezano sa funkcijom regeneracije distalnih tubularnih epitelnih ćelija, ali su potrebne daljnje studije kako bi se bolje opisao odnos između HO-1 i funkcija distalnih tubularnih epitelnih ćelija.

Da zaključimo, iako nedostaju podaci o distalnim tubulima, neki dokazi sugeriraju da pojačana ekspresija HO-1 može pružiti zaštitu EC distalnih tubula.