Индуцирана от глюкоза и не-глюкоза митохондриална дисфункция при диабетно бъбречно заболяване Ⅱ

3. Индуцирана от глюкоза митохондриална дисфункция при DKD

В гломерулните клетки глюкозата се поема отпреносители на глюкоза(GLUTs) чрез улеснен дифузионен транспорт. Моделът на експресия на всеки член на GLUTs е специфичен за клетката. Мезангиалните клетки експресират GLUT1 и 4, подоцитите експресират GLUT1, 4 и 8, а ендотелните клетки експресират GLUT1 [32]. Обратно, тубулните клетки реабсорбират глюкозата от гломерулния филтрат главно чрез натрий-зависими глюкозни котранспортери (SGLT). Глюкозата, реабсорбирана от тубулните клетки, се разсейва през GLUT в базолатералната плазмена мембрана и дифундира в интерстициума. Проксималните тубулни клетки могат също да произвеждат глюкоза чрез глюконеогенеза, която се увеличава вдиабет тип 2 [33]. Хипергликемията е основният патогенетичен фактор и някои междинни метаболити наглюкозен метаболизъмсъщо са били замесени в приноса къмклетъчно увреждане при DKD. В обединяващата хипотеза, предложена от Brownlee и колеги през 2000 г., се предполага, че свръхпроизводството на mtROS поради увеличения приток в OXPHOS активираензим за възстановяване на ядрена ДНКполи(ADP-рибоза) полимераза (PARP), което води до намалена активност на глицералдехид3-фосфат дехидрогеназа(GAPDH) и последващото натрупване на токсични междинни продукти наглюкозен метаболизъм [11]. Въпреки това, по-късни проучвания показват, че митохондриите са дисфункционални и че други механизми, в допълнение към простото увеличаване на субстратите, допринасят за повишена гликолиза и последващото натрупване на токсични метаболити.

НАТИСНЕТЕ ТУК, ЗА ДА ВЗЕМЕТЕ НАТУРАЛЕН ОРГАНИЧЕН ЕКСТРАКТ ОТ ЦИСТАНША С 25% ЕХИНАКОЗИД И 9% АКТЕОЗИД ЗА БЪБРЕЧНАТА ФУНКЦИЯ

Поддържаща услуга на Wecistanche-най-големият износител на cistanche в Китай:

Имейл:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/телефон:+86 15292862950

Пазарувайте за повече подробности за спецификациите:

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

3.1. Ефект на Варбург

Като цяло, раковите клетки показват повишена гликолиза и нарушено окислително фосфорилиране. Докато краткотрайното и обратимо изместване на този метаболитен процес се нарича ефект на Крабтрий, дългосрочното метаболитно препрограмиране се нарича ефект на Варбург [34].

Ефектът на Warburg е терминът, първоначално използван за описание на преминаването от OXPHOS към аеробна гликолиза (при която лактатът се произвежда като краен продукт от глюкоза) при рак [35]. Последните проучвания показват, че тази промяна се извършва и при бъбреците с диабет [9,19]. Митохондриите в диабетните тъкани са дисфункционални, както беше обсъдено по-горе. Транскриптомичният, метаболомният и метаболитният анализ на потока показват повишен глюкозен метаболизъм и намаленмитохондриална функцияв бъбречната кора на db/db мишки [9]. Метаболомичен анализ на проби от урина демонстрира значително намаление на 13 метаболита при пациенти с DKD в сравнение със здрави контроли, 12 от които са свързани с митохондриалния метаболизъм [19]. Остава да се установи дали митохондриалната дисфункция причинява преминаване към гликолиза или повишената гликолиза причинява митохондриална дисфункция [36].

Пируват киназата е ензимът, който катализира превръщането на фосфоенолпируват в пируват, последната и необратима стъпка на гликолизата. Намалената активност на пируват киназа М2 беше идентифицирана като възможен механизъм на ефекта на Warburg при DKD от Qi и колеги [37]. Те първо проведоха протеомичен анализ на гломерули, изолирани от пациенти с диабет тип 1, които не са развили DKD в продължение на повече от 50 години (защитени) и тези с хистологично потвърждение на DKD (незащитени). Установено е, че някои ензими, участващи в метаболизма на глюкозата и антиоксиданта, са повишени в защитените гломерули и по-специално експресията и активността на пируват киназа М2 (PKM2) са регулирани нагоре. В механични проучвания, използващи подоцити, третирани с високо съдържание на глюкоза, и мишки, инжектирани със STZ, беше потвърдено, че активността на PKM2 е намалена в DKD миши модел, че регулирането на PKM надолу допринася за обостряне на DKD и че фармакологичното активиране на PKM2 обръща повишаването на токсичните глюкозни метаболити и митохондриална дисфункция. По подобен начин, намаляването на активирането на пируват киназата причинява ефекта на Warburg при рак [38].

Други фактори, за които се предполага, че предизвикват ефекта на Warburg при DKD, включват натрупване на сфингомиелин и фумарат [39]. Матрично-асистирана лазерна десорбция/йонизационна масова спектрометрия (MALDI-MSI) разкри значително увеличение на съотношението ATP/AMP и на специфичен вид сфингомиелини (SM(d18:1/16:0)) в гломерулите на DKD мишки [40]. In vitro, добавянето на SM(d18:1/16:0) към мезангиалните клетки активира гликолизата. Фумаратът е идентифициран като фактор, който медиира Nox4-индуцираното увреждане при DKD [41]. Подоцит-специфичната индукция на Nox4 in vivo рекапитулира DKD-индуцирано гломерулно увреждане и метаболомният анализ демонстрира повишен фумарат, който беше обърнат с инхибиране на Nox1/Nox4. Фумаратът може да служи като стабилизатор на индуциран от хипоксия фактор (HIF), който може да причини активиране на гликолизата и потискане на OXPHOS.

3.2. Токсични метаболити от метаболизма на глюкозата

Известно е, че четири основни пътя, разклоняващи се от гликолизата, произвеждат токсични междинни метаболити: полиолният път, хексозаминовият път,напреднали крайни продукти на гликиране(AGEs) и пътя на протеин киназа С (PKC) [12] (Фигура 3). Инхибирането на всеки един от тези пътища се подобряванараняване, предизвикано от хипергликемияв предклинични модели [42–45]. За отбелязване е, че активирането на който и да е от тези пътища може да бъде незабавно обърнато с възстановяването на еугликемията.

По-специално нивата на 3-дезоксиглюкозон (3DG) и метилглиоксал (MGO), членове на реактивни карбонилни видове (RCS), които се произвеждат от разграждането на глицералдехид по пътя на AGE, се повишават с активирането на гликолизата. RCS имат силно реактивни карбонилни групи и могат да модифицират протеин и ДНК. Протеините, гликирани от RCS, водят до образуването на AGEs. Извънклетъчните AGE могат да увеличат омрежването на матриците, което води до артериално втвърдяване [46]. AGE могат също да се свързват с рецептори за AGE (RAGE) и да трансдуцират различни сигнали в клетките, включително активиране на ядрен фактор-κB (NF-κB), което води до образуване на ROS, възпаление и фиброза [47].

Фигура 3. Гликолиза и пътища на разклоняване. В среда с високо съдържание на глюкоза на DKD, гликолизата се повишава, а OXPHOS намалява, което води до натрупване на токсични метаболити, произведени в разклонените пътища на гликолизата. AGE, напреднал краен продукт на гликиране; DAG, диацилглицерол; GAPDH, глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназа; OXPHOS, окислително фосфорилиране; PKC, протеин киназа С; PKM, пируват киназа М; TCA цикъл, цикъл на трикарбоксилни киселини; UDP-GlcNAc, уридин дифосфат N-ацетилглюкозамин.

4. Неиндуцирана от глюкоза митохондриална дисфункция при DKD

Въпреки че хипергликемията е ключов фактор за развитието на DKD, други фактори, участващи в DKD, също могат да допринесат за митохондриална дисфункция. Дислипидемията и липидното претоварване са чести усложнения при DKD, а хипоксията в тубулоинтерстиума възниква независимо от причината за хронично бъбречно заболяване (CKD) [48]. Ендотелин-1 (Edn1) за първи път е идентифициран като фактор надолу по веригата на трансформиращия растежен фактор- (TGF-) в модел на фокална сегментна гломерулосклероза (FSGS) и е показано, че индуцира албуминурия чрез mtROS в гломерулни ендотелни клетки. По-късно беше установено, че същият сигнален път е регулиран нагоре при DKD [49, 50]. В този раздел обсъждаме ролите на тези фактори в развитието и прогресията на DKD при митохондриална дисфункция.

4.1. Липотоксичност

При бъбречни биопсии на пациенти с DKD се наблюдава екстензивно натрупване на липидни капчици чрез електронна микроскопия в гломерулни ендотелни клетки, подоцити и тубулни клетки в сравнение със здрави аналози [51,52]. Генетичният анализ на тези проби разкрива понижена регулация на гени, свързани с окисляването на мастни киселини (FAO), включително рецептор, активиран с пероксизомен пролифератор (PPAR), карнитин палмитоилтрансфераза 1 (CPT1), ацил-CoA оксидаза и L-FABP; повишена регулация на холестеролови рецептори, включително рецептори за липопротеини с ниска плътност (LDL), окислени LDL рецептори и ацетилирани LDL рецептори; и регулиране надолу на гени, свързани с холестерол-ефлукс, включително ATP-свързващ касетен транспортер A1 (ABCA1), ATP-свързващ касетен транспортер G1 (ABCG1) и аполипопротеин (APOE) [51]. Докато регулирането надолу на свързаните с FAO гени предполага намаляване на митохондриалния липиден метаболизъм като причина за натрупване на липиди, самото натрупване на липиди може да предизвика митохондриална дисфункция. По-рано показахме, че човешки подоцити, третирани със серума на пациенти с DKD, показват повишена експресия на тумор некрозис фактор (TNF) и че локалният, а не системният TNF причинява натрупване на свободен холестерол и увреждане чрез потискане на ABCA1 в подоцитите [53,54]. По-специално, потискането на ABCA1 индуцира натрупване на кардиолипин и пероксидация в митохондриите, сенсибилизирайки подоцитите към нараняване [55]. Свръхекспресията на ABCA1 или инхибирането на кардиолипинова пероксидация от еламипретид спаси увреждане на подоцитите при експериментална DKD.

Тубулните клетки изискват големи количества АТФ за реабсорбция на разтворено вещество и зависят от FAO, тъй като мастните киселини дават повече АТФ на грам, отколкото други енергийни източници [56]. В ранния стадий на диабета, FAO се увеличава от увеличения поток на FA и производството на ROS се приписва на FAO, особено на изтичането на електрони при флавопротеина за трансфер на електрони, който пренася електрони от ацил-CoA дехидрогенази към коензим Q [57]. Независимо от това, FAO в крайна сметка намалява при установен диабет, както е описано по-рано [51,58].

Тубулните клетки при пациенти с DKD вероятно са изложени на албумин, свързан с мастни киселини, тъй като дислипидемията и протеинурията често съпътстват захарния диабет. Докато албуминът сам по себе си може да причини увреждане на тубулните клетки при реабсорбцията си, доказано е, че свързаният с FA албумин предизвиква по-тежко тубулно увреждане [59,60]. Показано е, че цитотоксичността, причинена от FA или гликиран албумин, се медиира от поглъщането чрез протеиновия клъстер на диференциация 36/FA транслоказа (CD36/FAT) в границата на четката при хора, за разлика от обичайната реабсорбция на албумин чрез комплекс от мегалин, кубилин и безамнион [61]. В допълнение към реабсорбцията, синтезът на FA също се регулира нагоре [62,63]. FA се естерифицират от дълговерижна ацил-CoA (LC-CoA) синтетаза (ACSL), която се регулира нагоре както в db/db модели на мишки, така и в човешки DKD бъбречни проби [64,65]. LC-CoA се прехвърля в митохондриите чрез CPT1 и CPT2, за да произведе ATP чрез FAO, а неметаболизиран LC-CoA се разцепва или съхранява в липидни капчици, за да се предотврати липотоксичност. Когато буферната способност е наситена, LC-CoA служи като инхибитор на Na+/H+ обменника 1 (NHE1) и свързването на фосфатидилинозитол 4,5-бифосфат [PI(4,5)P2], за да причини апоптоза в проксималните тубулни клетки [66].

Генетичното и фармакологично усилване на FAO може да представлява нова терапевтична стратегия за лечение на пациенти с DKD. Трансгенната експресия на PCG1 и лечението с фенофибрат подобрява апоптозата на тубулните клетки чрез възстановяване на CPTs и/или ацил-CoA оксидази [58,67].

4.2. хипоксия

Известно е, че тубулоинтерстициалната хипоксия е последен общ път на прогресия на ХБН [48]. Независимо от причината за заболяването, хипоксията може да възникне поради намалено снабдяване с кислород чрез кръвния поток поради нарушена вазодилатация, загуба на васкулатура, фиброза, анемия, повишена нужда от кислород поради повишена реабсорбция на разтворено вещество и неефективно производство на АТФ поради митохондриално разединяване, кои са споделените механизми при ХБН.

Наскоро беше разкрит механизмът, чрез който острата хипоксия причинява производството на mtROS в ETC [68]. Острата хипоксия предизвиква конформационна промяна в комплекс I, което води до активиране на Na+/Ca2+ обменника във вътрешната митохондриална мембрана. Na+, импортиран в матрицата, след това взаимодейства с фосфолипидите, за да намали течливостта на мембраната, което води до неспособността на свободния убихинон да се движи между комплекс II и комплекс III. По този начин комплекс III произвежда ROS.

Хипоксията отдавна се смяташе за директен супресор на OXPHOS, тъй като кислородът е незаменим като приемник на електрони в ETC. Въпреки това, за да се забави OXPHOS рязко и директно, концентрацията на кислород трябва да бъде толкова ниска, колкото 0.3% [69]. При по-лека и продължителна хипоксия HIF1 действа като медиатор за потискане на OXPHOS и за увеличаване на гликолизата, за да се предотврати производството на ROS. HIF1 модифицира ETC комплексите и насърчава метаболитните промени от аеробна OXPHOS към анаеробна гликолиза [69]. Въпреки това, при хронична хипоксия, тези промени ограничават способността на митохондриите да произвеждат АТФ и могат да предизвикат дефицит на АТФ, което вероятно води до цитотоксичност.

4.3. Ендотелин-1 (Edn1)/Edn1 рецепторен тип A (Endra) сигнализиране

Ендотелин-1 (Edn1) първо се характеризира като сигнализираща молекула, освободена от подоцити в TGF- -индуцирана FSGS [49]. Изненадващо, Edn1 причинява mtROS, намалява резервния респираторен капацитет и причинява увреждане на mtDNA в ендотелните клетки чрез активиране на Edn1 рецептор тип A (Ednra), но това не се наблюдава в подоцитите. Този път индуцира разграждане на гликозаминогликан в ендотелния повърхностен слой, което води до загуба на фенестрация [70]. Интересно е, че активирането на EDNRA в ендотелните клетки също е необходимо за изтриване на процеса на крака на подоцитите и апоптоза [49].

Подобната роля на mtROS и EDNRA в ендотелните клетки и Edn1 също е описана в DKD [50]. Циркулиращият Edn1 е повишен при хора с диабет и мишки [50,71]. Трябва да се отбележи, че Ednra не се открива в гломерулите на здрави човешки бъбреци или DKD-резистентни C57BL/6J мишки, но присъства в тези на човешки DKD бъбреци и диабетни DBA/2J мишки. Ednra може да бъде индуциран в подоцити, третирани с високо съдържание на глюкоза, но тези подоцити не експресират Edn1, което включва други типове клетки или стимули в тази сигнална каскада [50]. По този начин, сигнализирането на Edn1 / Ednra е критично в реципрочното кръстосано взаимодействие между подоцитите и ендотелните клетки чрез митохондриална дисфункция при FSGS и DKD.

Друг вазоактивен път, системата ренин-ангиотензин-алдостерон (RAAS), също е известно, че участва в прогресията на ХБН, включително при ДБЗ. Освен вредните ефекти от повишаване на системното и интрагломерулното кръвно налягане, беше установено, че лечението с ангиотензин II влошава производството на mtROS и митохондриалната фрагментация в подоцитите както in vivo, така и in vitro, което може да бъде обърнато от митохинон, антиоксидант, насочен към митохондриите [72].

5. Изводи

Митохондриалната дисфункция играе централна роля в развитието и прогресията на DKD. По този начин, насочването към митохондриална дисфункция при DKD може да представлява нова терапевтична стратегия за пациенти с DKD. Въпреки това, както може да се научи от проучвания, изследващи благоприятния ефект от системното приложение на антиоксиданти като лечение на DKD, изглежда, че намесата в митохондриалната дисфункция трябва да бъде специфична за клетъчния тип и контекста. Друга интригуваща гледна точка са свързаните с възрастта и пола различия в митохондриалната дисфункция при DKD. Въпреки че възрастта е важен фактор, който засяга функцията на митохондриите и развитието и прогресията на DKD, не се знае много за точните механизми. По отношение на пола се наблюдава голяма разлика между мъжете и жените в митохондриите на определени тъкани, а естрогенът и евентуално тестостеронът могат да медиират бъбречната митохондриална биоенергетика [73]. Необходими са по-нататъшни изследвания, за да се изяснят точните механизми, водещи до митохондриална дисфункция при DKD, до степента, в която констатациите могат да бъдат клинично приложени към пациентите и да променят техните прогнози.

Авторски принос:Концептуализация, МИ, МЗГ и АФ; писане-изготвяне на оригинална чернова, МИ; писане-ревю и редактиране, MI, SM и AF Всички автори са прочели и са съгласни с публикуваната версия на ръкописа.

Финансиране:MI се подкрепя от фондация Manpei Suzuki Diabetes. AF и SM се подкрепят от субсидии на Националния институт по здравеопазване R01DK117599, R01DK104753 и R01CA227493. AF се поддържа и от U54DK083912, UM1DK100846, U01DK116101 и UL1TR000460 (Институт за клинични транслационни науки в Маями).

Изявление на институционалния съвет за преглед:Не е приложимо

.IДекларация за информирано съгласие:Не е приложимо.

Декларация за наличност на данни:Не е приложимо.