Časť 1 Hemoxygenáza 1: Obranný mediátor pri ochoreniach obličiek

Časť 1

Anne Grunenwaldovej¹, Ľubka T. Roumenina¹a Marie Frimat ^2,3,*

Abstrakt:VýskytobličkyChoroba stúpa, čo predstavuje značnú záťaž pre systém zdravotnej starostlivosti a identifikácia nových terapeutických cieľov je čoraz naliehavejšia. Systém hemoxygenázy (HO) plní dôležitú funkciu pri regulácii oxidačného stresu a zápalu a prostredníctvom týchto mechanizmov sa predpokladá, že hrá úlohu pri prevencii nešpecifických poranení po akútnom zlyhaní obličiek alebo v dôsledku chronického ochorenia obličiek. Expresia HO-1 je silne indukovateľná širokou škálou stimulov vobličkyv dôsledku filtračnej úlohy obličiek, čo znamená, že HO-1 je vystavená širokému spektru endogénnych a exogénnych molekúl a ukázalo sa, že má ochranný účinok na rôznych neuropatologických zvieracích modeloch. Je zaujímavé, že pozitívny účinok HO-1 sa vyskytuje pri ochoreniach s prevahou hemolýzy aj rabdomyolýzy, kdeobličkyje vo veľkej miere vystavený hému (hlavný induktor HO{0}}), ako aj pri ochoreniach, ktoré nie sú závislé od hemu, ako je hypertenzia, diabetická nefropatia alebo progresia do konečného štádia ochorenia obličiek. To poukazuje na zložitosť funkcií HO-1, čo je tiež ilustrované skutočnosťou, že napriek množstvu predklinických údajov sa doteraz žiadny liek zameraný na HO-1 nepremenil na klinické použitie. Cieľom tohto prehľadu je posúdiť súčasné poznatky týkajúce sa úlohy HO-1 v obličkách a jej potenciálneho záujmu ako nefroprotekčného činidla. Budú prezentované potenciálne terapeutické možnosti, najmä prostredníctvom identifikácie klinických skúšok zameraných na tento enzým alebo jeho produkty.

Kľúčové slová:heme-oxygenáza-1; heme;obličky; hemolýza; rabdomyolýza; toxicita; ischémia-reperfúzia

Kontakt:{0}}

Prínos extraktu Cistanche pri ochorení obličiek, kliknite sem a získajte vzorku

1. Úvod

Počet ľudí na celom svete s chronickouobličkyochorenie (CKD), akútne poškodenie obličiek (AKI) alebo vyžadujúce renálnu substitučnú terapiu presahuje 850 miliónov [1]. Predpokladaný výskyt je dôvodom na obavy, pričom sa predpokladá, že CKD sa do roku 2040 stane piatou najčastejšou príčinou smrti na svete [2]. Všeobecne sa uznáva, žeobličkyChoroby sú významným problémom verejného zdravia a že potreba multimodálneho prístupu na obmedzenie tohto predpokladaného vývoja je naliehavo potrebná [3]. Kľúčový význam má identifikácia nových terapeutických cieľov, aby sa obmedzil vplyv akútnych renálnych príhod a aby sa zlepšili zlé výsledky pri CKD v celom rozsahu základných etiológií. V súčasnosti sa skúma niekoľko kandidátov na nefroprotekciu [4,5]. Systém hemoxygenázy (HO) je jedným z cieľov, ktoré by mohli byť použité na ochranu obličkových štruktúr pred poškodením spôsobeným oxidačným stresom, obmedzujúc zápal a následne zrýchlené starnutie.

HO objavil v roku 1968 Tenhunen a kolegovia, ktorí prvýkrát opísali jeho schopnosť katalyzovať rozklad hému (Fe-protoporfyrín IX) na voľné železo, oxid uhoľnatý (CO) a biliverdín, ktorý sa rýchlo mení na bilirubín [6]. Boli opísané dve hlavné izoformy HO: indukovateľná HO-1 a konštitutívna HO-2. H202, ktorý sa pôvodne považoval iba za systém recyklácie hemu zo starých červených krviniek, sa odvtedy pripísal rad cytoprotektívnych vlastností prostredníctvom svojich metabolitov a signalizácie po prúde, čím sa jeho definícia rozšírila z definície „molekulárnej ničiacej gule“ na „hypnotizujúci“ spúšťač bunkové udalosti, aby som citoval Mainesa a kol. [7]

Poháňaný svojimi potenciálnymi antioxidačnými a protizápalovými schopnosťami je HO-1 predmetom rastúceho záujmu pre svoju úlohu v rôznych ľudských patológiách. Spomedzi skúmaných orgánov bola za posledných 30 rokov často zdôrazňovaná oblička, najmä prostredníctvom identifikácie úlohy HO-1 pri rôznych obličkových, metabolických a vaskulárnych ochoreniach akútnej aj chronickej povahy [8–11 ]. HO-1 je nevyhnutná pre efektívnosťobličkyfunkcie, ako to ilustruje poškodenie obličiek u ľudí s nedostatkom HO-1 a početné štúdie na zvieratách (popísané nižšie). Theobličiekfyziologické funkcie špecificky ovplyvňujú reguláciu HO-1. Renálne tkanivo je skutočne veľmi náchylné na hypoxiu [12], ktorá je hlavnou hnacou silou expresie HO-1, a je obzvlášť vystavené toxickým molekulám z dôvodu jeho filtračných a reabsorpčných funkcií. Táto zvláštnosť „detoxikačného“ orgánu spoločného s pečeňou znamená, že obličky sú vysoko vystavené molekulárnym vzorcom spojeným s poškodením (DAMP) a mediátorom stresu. Zaujímavé je, žeobličkymá schopnosť syntézy albumínu, alfa proteínu a haptoglobínu pri ischemickom alebo toxickom ischemickom poškodení, čo podčiarkuje paralelu s pečeňou [13,14]. Renálne bunky preto vyžadujú adaptačné stratégie na zachovanie ich funkcií a integrity v takom drsnom prostredí. Oblička je hlavným miestom expozície hemu v prípade extravaskulárnej hemolýzy alebo rabdomyolýzy, a teda aj pri indukcii expresie HO-1. Za týchto podmienok sa nadmerná expresia HO-1 ľahko vysvetľuje potrebou katabolizovať preťaženie voľného hemu. Účasť HO-1 na ochoreniach obličiek však presahuje rámec ochorení súvisiacich s hemom, čo ilustruje zložitosť jeho mechanizmov účinku, ktoré presahujú samotný katabolizmus hemu [15].

Cieľom tohto prehľadu je zhrnúť veľké množstvo experimentálnych a klinických údajov popisujúcich dôležitosť HO-1 vobličkybez toho, aby sme zabúdali, že HO-2 je tiež významný: konštitutívne exprimovaný v obličkách za homeostatických podmienok je v prvej línii obrany proti ischémii a iným inzultom a jeho renálne cytoprotektívne účinky boli preukázané v hemových proteínoch a ischémiou indukovaná AKI [16]. V porovnaní s literatúrou o HO-1 však existuje len veľmi málo štúdií, ktoré skúmajú funkčný význam HO-2 pri ochoreniach obličiek; preto sa táto recenzia zameria na HO-1. Po všeobecnom úvode do charakteristík HO-1 v obličkách opíšeme úlohu tohto enzýmu v rôznych populáciách obličkových buniek a pri ochoreniach obličiek. Vzhľadom na jeho primárnu funkciu recyklácie hému budeme k týmto patologickým stavom pristupovať podľa toho, či dochádza alebo nedochádza k masívnemu uvoľňovaniu voľného hému. Nakoniec budú prezentované súčasné klinické aplikácie, ktoré odhalia nepomer medzi množstvom dostupných experimentálnych údajov a relatívnym nedostatkom terapeutických aplikácií.

2. O hemoxygenáze-1 v obličkách

2.1. Prečo je HO-1 obzvlášť dôležitá pre obličky?

Počas niekoľkých posledných desaťročí bola kľúčová úloha systému HO-1 v patofyziológiiobličkychoroby podporili viaceré štúdie. U dvoch pacientov s deficitom HO{0}}, ktorí boli doteraz hlásení, bola oblička medzi poškodenými orgánmi. Obaja pacienti mali hematúriu a proteinúriu.Obličkybiopsie odhalili zvýšenú mezangiálnu proliferáciu a fokálne zhrubnutie kapilárnych slučiek svetelnou mikroskopiou a odlúčenie endotelu v glomerulárnej kapiláre elektrónovou mikroskopiou [17,18]. Poranenia obličiek boli tiež prítomné v oboch zvieracích modeloch znehodnotených pre HMOX1, s určitými rozdielmi zjavnými medzi myšou [19] a potkaním modelom [20]. U myší Hmox1-/- bol nedostatok funkčnej hemoxygenázy zodpovedný za zvýšenú náchylnosť na oxidačný stres [19], zníženú hemofagocytózu starnúcich červených krviniek tkanivovými makrofágmi, zvýšenú hemolýzu a redistribúciu železa zo sleziny a pečene makrofágov na hepatocyty a bunky proximálneho tubulu obličiek [21]. Podobne potkany Hmox1-/- vykazovali anémiu, splenomegáliu a výrazné infiltráty intersticiálnych zápalových buniek a fibrózne jazvy v obličkách. Zatiaľ čo glomerulárne lézie boli na myšom modeli neoficiálne, Atsaves et al. zistili zvýšenie mezangiálnej matrice a fokálnych a segmentálnych lézií glomerulosklerózy u potkanov Hmox{11}}/-. Tieto morfologické nálezy súviseli so zvýšeným dusíkom močoviny v krvi, sérovým kreatinínom a albuminúriou, ale zaujímavé je, že nedošlo k zvýšeniu depozitov železa v glomerulách, tubuloch alebo interstíciu [20].

Spontánne poškodenie obličiek na ľudských aj zvieracích modeloch neplatné pre HMOX naznačuje, že HO-1 je dôležitá pre účinnú funkciu obličiek. Renálna ochranná úloha tohto enzýmu bola potvrdená vo viacerých modeloch renálnej stimulácie pri stavoch invalidizácie/inhibície alebo nadmernej expresie HO-1 [22]. Histologické rozdiely uvedené vyššie však ilustrujú ťažkosti pri transponovaní výsledkov z jedného druhu na druhý. Rozdiely v regulácii HO-1 medzi ľuďmi a myšami sú dobre opísané, čo motivuje generovanie ľudských transgénnych myší hHO{4}} BAC [23]. V tomto modeli je HO-1 nadmerne exprimovaný a zostáva neznáme, či táto vyššia expresia na pozadí môže zakryť jemné poškodenie počas dlhých časových období alebo dokonca môže mať nepriaznivé účinky.

Lepšie pochopenie toho, ako HO-1 funguje vobličkya spôsob, akým je riadený jeho prejav alebo funkcia, je pre naše pochopenie nevyhnutnéobličkyfyziológiu a patológiu, ale je (ako vždy) dôležité pamätať na limity každej štúdie pri jej interpretácii a preklade: pokúsime sa zachovať tento kritický názor v tomto prehľade.

2.2. Regulácia expresie HO-1 v obličkách

Proteín HO-1 je všadeprítomný, je ukotvený v membráne endoplazmatického retikula a lokalizovaný aj v mitochondriálnych jadrách a kaveolíne, zatiaľ čo gén HO-1 (HMOX1), ktorý kóduje HO-1, sa nachádza na chromozóme 22. Mnoho stimulov môže modulovať transkripciu HMOX1, čo odráža široké spektrum motívov viažucich DNA v rámci jeho promótora a veľký počet signálnych dráh, ktoré vedú k jeho transkripcii. Hlavným regulátorom génu HMOX1 je jadrový erytroidný faktor 2 (Nrf2), ktorého aktivácia závisí od jeho interakcie s proteínom Kelchovho typu, asociovaným s ECH (Keap1). Interakcia Keap-Nrf2 podporuje degradáciu Nrf2 (zdravý stav), zatiaľ čo destabilizácia tohto komplexu uvoľňuje Nrf2, ktorý sa translokuje do jadra a upreguluje určité gény vrátane HO-1 (stresový stav). Existuje mnoho ďalších aktivátorov alebo represorov HO-1, ktoré tvoria komplexnú biomolekulárnu sieť (podrobne opísané v predchádzajúcich recenziách [7,10]). Podrobnosti o nich presahujú rámec tohto prehľadu a tu sa zameriame na renálne špecifické črty expresie HO{21}}.

VobličkyHladiny proteínu HO-1 sú za homeostatických podmienok nedetekovateľné, s výnimkou tubulov, kde však zostávajú nízke [24]. Je známe, že mnohé stresové stavy zvyšujú reguláciu renálnej transkripcie HO-1, vrátane oxidačného stresu, tepelného šoku, hypoxie, ťažkých kovov a toxínov (prehľad v Bolisetty et al. [8]). Za týchto podmienok zostáva expresia HO-1 heterogénna medzi rôznymi obličkovými kompartmentmi. Oblička pozostáva z dvoch hlavných oblastí: výstupná kôra a dreň v najvnútornejšej oblasti. Dreň obsahuje väčšinu dĺžky nefrónov, funkčných zložiek obličiek, ktoré filtrujú tekutinu z krvi. Kôra obličiek zahŕňa glomeruly, tie "zhluky" kapilár, kde sa plazma filtruje cez glomerulárnu bazálnu membránu. Prefiltrovaná tekutina potom prúdi pozdĺž stočeného proximálneho tubulu do Henleho slučky a potom do stočeného distálneho tubulu a zberných kanálikov, ktoré odtekajú do močovodu (obrázok 1). Glomerulárna filtrácia a reabsorpcia rozpustených látok (dve hlavné funkcie obličiek) sú podporované prietokom krvi obličkami, ktorý patrí medzi najvyššie v tele, pričom obličky dostávajú asi 20 až 25 percent srdcového výdaja. V porovnaní s kôrou je prietok krvi do obličkovej drene relatívne nízky. Tento rozdiel je potrebný na umožnenie účinného mechanizmu koncentrácie moču a tiež vysvetľuje zvláštnu náchylnosť drene na znížený prietok krvi. V stresových podmienkach je teda HO-1 viac exprimovaný v dreni ako v kôre [25]. Jeho expresia je veľmi silná v tubuloch (najmä proximálnych tubuloch), ale minimálna alebo chýba v glomeruloch, ako je znázornené na obrázku 2 u hemolytických pacientov aj u myší s injekciou hemu. Ukázalo sa však, že predchádzajúca indukcia HO-1 v glomerulách zabránila následnému rozvoju nefrotoxickej glomerulonefritídy na modeli potkanov Lewis, ale hlavným producentom HO-1 v glomeruloch boli infiltrujúce makrofágy, nie vnútorné glomerulárne bunky [26]. Táto nižšia kapacita glomerulov exprimovať HO-1, čo je kľúčový cytoprotektívny mechanizmus, by mohla vysvetliť osobitnú citlivosť glomerulov na stresory pri určitých patológiách [27].

Celkovo tieto údaje ukazujú, že hladiny HO-1 sú bežne nezistiteľné vobličkyale že HO-1 je vysoko indukovateľná v tubuloch počas patologických stavov, najmä prostredníctvom svojho hlavného transkripčného faktora Nrf2. Schopnosť glomerulov indukovať HO-1 je však nižšia.

2.3. HO-1 a nefroprotekcia

Podobne ako HO-2, HO-1 riadi NADPH závislé pridávanie molekuly kyslíka do porfyrínového kruhu hemu, čím katalyzuje oxidáciu hemu a ekvimolárne uvoľňovanie biliverdínu, voľného železa a oxidu uhlíka (CO). Všetky tieto udalosti sú cytoprotektívne tým, že odstraňujú voľný hem, regulujú odtok železa a zvyšujú hladiny bilirubínu a CO. Škodlivé účinky voľného hemu sú skutočne dobre opísané, najmä na vaskulárnom mieste prostredníctvom priamej toxicity, ale aj prostredníctvom stimulácie prozápalových signálnych dráh (ako sú DAMP) a aktivácie komplementového systému [28]. Podobne ako pri endotelových bunkách sú takéto nepriaznivé účinky hlásené aj pri iných typoch buniek, keď sú masívne vystavené hému. To je prípad ľudských vlákien kostrového svalstva, v ktorých expozícia hemu vyvoláva kontraktilnú dysfunkciu [29], a renálnych tubulárnych buniek [30]. Okrem toho je železo výrazne toxické aj v nízkych koncentráciách. Zúčastňuje sa Fentonovej reakcie, produkuje hydroxyl, a môže viesť k bunkovej smrti feroptózou, dráhou bunkovej smrti charakterizovanou znížením hladín glutatiónu (GSH) závislým od železa a akumuláciou hydroperoxidov lipidov na letálne hladiny [31]. Uvádza sa teda, že cytoprotekcia HO-1 bola spôsobená, aspoň čiastočne, zvýšeným tokom železa [32], ktoré sa po uvoľnení buď ukladá vo feritíne, alebo sa exportuje z makrofágov do plazmy na opätovné použitie. -použitie prostredníctvom transmembránového exportéra železa ferroportínu. CO pôsobí proti vazokonstrikcii a má silné antioxidačné vlastnosti, rovnako ako biliverdin, ktorý sa enzymaticky premieňa na bilirubín prostredníctvom biliverdín reduktázy [33].

Transponovaním týchto vlastností na renálnu úroveň je ľahké pochopiť výskumný záujem o využitie tejto molekuly na liečbuobličkychoroba. Pozitívne účinky boli opísané takmer 30 rokov po práci Natha a kol., ktorí uviedli, že HO-1 poskytuje ochranu na potkanom modeli akútneho zlyhania obličiek vyvolaného glycerolom. V ich modeli jediná predchádzajúca injekcia hemoglobínu rýchlo vyvolala mediátorovú RNA a proteín HO-1 v obličkách, čo zabránilo progresii do zlyhania obličiek [34]. Nefroprotektívne účinky HO-1 a jej metabolitov boli odvtedy hlásené na rôznych modeloch renálneho ochorenia [8,35]. Potenciálny význam HO-1 v patogenéze ochorení obličiek naznačuje aj súvislosť medzi polymorfizmami v géne HO-1 a výsledkom obličiek. Jedinci s kratšími (GT)n opakovaniami v oblasti promótora HO-1 majú vyššiu transkripčnú aktivitu, a teda aj vyššie hladiny HO{11}} ako jedinci s dlhšími opakovaniami (GT)n [36]. Je zaujímavé, že dlhé (GT)n repetície boli spojené s horšou prognózou v niekoľkých kontextoch, konkrétne s vyšším rizikom AKI po srdcovej operácii alebo zníženou funkciou obličiek po transplantácii obličky [37,38]. Neexistujú však dôkazy o ochrannom účinku krátkeho opakovania (GT)n na prežitie štepu alebo príjemcu po transplantácii obličky [39], čo zdôrazňuje zložitosť príslušných mechanizmov. Úrovne expresie HO-1 sa môžu meniť aj s vekom. Renálna expresia génu HO-1 u kontrolných myší C57Bl6 bola signifikantne znížená vo veku 18 rokov v porovnaní s 3 mesiacmi veku [40]. V inej štúdii sa expresia proteínu HO-1 na začiatku významne nelíšila medzi 6–8-týždňovými myšami a 1-ročnými myšami, ale schopnosť starších zvierat upregulovať HO -1 v reakcii na ischemicko-reperfúzne poranenia (IRI) bola narušená (najmä v dreni) a vykazovali horšiu funkciu obličiek v porovnaní s mladými zvieratami [41]. Tieto výsledky odrážajú renálnu citlivosť starších ľudí na nefrotoxické látky.

Aby sme to zhrnuli, v mnohých štúdiách sa preukázalo, že preventívna alebo genetická indukcia expresie HO-1 poskytuje ochranu obličiek. Zníženie renálnej expresie HO-1 môže prispieť kobličiekcitlivosť na určité patológie.

3. HO-1 v populáciách obličkových buniek

Porovnávacie analýzy odhalili, že HO-1 nie je exprimovaný v rovnakej miere v odlišných bunkových populáciáchobličkypre daný stimul (obrázok 1). Počas intravaskulárnej hemolýzy alebo v prítomnosti HO-1- indukujúcich stresové stimuly alebo lieky v obehu sú endotelové bunky prvými bunkami, ktoré sú vystavené týmto systémovým stresorom. Ak je stresor filtrovaný v glomerulách, potom sú podocyty obnažené a môžu byť poškodené, ako je vidieť pri diabetickej nefropatii. Okrem toho by sa stresor mohol stretnúť s mezangiálnymi bunkami, ktoré majú sekrečnú a imunomodulačnú úlohu a proliferujú počas nedostatku HO-1. Nakoniec, stresor môže dosiahnuť tubulárny epitel, ktorý je najviac študovaným typom buniek vo vzťahu k HO-1 (proximálne a distálne tubuly sa musia posudzovať oddelene vzhľadom na epitel). Tubulárne epitelové bunky majú najsilnejšiu schopnosť nadmerne exprimovať HO-1 a trpia najvážnejším poškodením v prípade jeho nedostatku alebo počas intravaskulárnej hemolýzy a rabdomyolýzy. Táto časť popisuje kľúčové funkcie hlavných typov obličkových buniek a špecifickú úlohu HO-1 v nich.

3.1. Endotelové bunky

Endotel sa skladá z monovrstvy endotelových buniek (EC), ktoré vykonávajú kritické funkcie v krvných cievach. Pokrývajú vnútro krvných ciev a plnia bariérové ​​funkcie, ale slúžia aj ako výmenné rozhranie so susednými tkanivami, senzor pre tkanivový a intravaskulárny stres a ako zdroj obranných mediátorov [42]. EC sú prvou líniou buniek, ktoré sa stretávajú s cirkulujúcimi stresormi a expresia HO-1 je nevyhnutná pre ich prežitie, pričom pacienti s deficitom HO-1-a myšie modely vykazujú rozsiahle poškodenie endotelu [19,43]. Účinky HO-1 na prežitie v EC sa vyskytujú v každom orgáne a existuje veľké množstvo prác týkajúcich sa jej indukcie rôznymi molekulami [44,45]. Podľa jeho lokalizácie (v rôznych orgánoch, v cievach alebo kapilárach) sa štruktúra EC, špecializácia a funkcie líšia. EC z rôznych vaskulárnych lôžok teda majú dynamické expresné profily (priestorovo aj časovo), čo by mohlo vysvetliť ich selektívne zapojenie do rôznych chorobných procesov [42].

Vobličkymožno rozlíšiť tri hlavné typy endotelu: glomerulárny, peritubulárny kapilárny a endotel strednej/veľkej cievy [46], pričom každý z nich má rôzne úrovne expresie alebo funkcie HO-1. Glomerulárna EC je „fenestrovaná“ a pokrytá glykokalyxou [47] zodpovednou za obmedzenie prechodu makromolekúl do močovej komory [48]. Napriek glykokalyxe môžu malé hydrofóbne molekuly (napr. hem) vstúpiť do bunkových membrán a aktivovať prozápalové a protrombotické dráhy vrátane signalizácie TLR-4, čím podporujú adhéziu krvných buniek a vazooklúziu (Schaer et al., 2013). EC peritubulárnych kapilár je tiež fenestrovaný a leží na tenkej stróme. Transportujú reabsorbované zložky a udržujú funkciu tubulárnych epitelových buniek [46]. Nakoniec, endotel stredných aj veľkých ciev je súvislý, so vzájomne prepojenými EC. Štrukturálna a funkčná diverzita EC v obličkách ako funkcia ich lokalizácie ich robí rozdielne citlivými na špecifické stresory, ako sú toxické alebo prozápalové filtrované molekuly pre glomerulárnu EC, hypoxia pre peritubulárne kapiláry alebo zmeny v šmykovom napätí so zodpovedajúcimi špecifickými odpoveďami. k takýmto útokom [46].

Hlavnými faktormi ovplyvňujúcimi expresiu HO-1 v EC sú hypoxia, šmykové napätie, prítomnosť hemu a iných cirkulujúcich stresorov (amoniak [49], S-adenosylmetionín [50] atď.), cirkulujúce látky (statíny [51], resveratrol [52] atď.) alebo lieky. Parciálny tlak kyslíka klesá pozdĺž peritubulárnej kapiláry, najmä v stresových podmienkach s nadmernou spotrebou O2. Je zaujímavé, že sa uvádza, že expresia HO-1 klesá pri hypoxii, zatiaľ čo expresia HO-2 bola zachovaná v makrovaskulárnej EC umbilikálnej žily (HUVEC) [53]. Expresia HO-1 je však indukovateľná v EC mikrovaskulárnych peritubulárnych kapilár za rôznych podmienok, ktoré môžu vyvolať hypoxiu (hém, angiotenzín II atď.). Fyziologický šmykový stres je hlavným determinantom prežitia EC, ako sa ukázalo in vivo v ľudských karotických aterosklerotických plakoch [54] a králičích karotidách so zníženým prietokom krvi [55]: indukuje tiež expresiu protizápalových faktorov (in vitro v HUVEC a in vivo v králičej aorte [56] a vazodilatačné (in vitro a in vivo u myší [57]). Zaujímavé je, že expresia HO-1 je indukovaná šmykovým stresom in vitro v makrovaskulárnom (aorta) a mikrovaskulárnom (HMEC) humánnom EC [58] a u potkanov sa uvádza, že táto expresia priamo súvisí s úrovňou šmykového stresu : vyššia expresia pri vysokých hladinách prietoku (v artériách), ale vyžaduje iné faktory, aby sa HO-1 exprimovala pri nízkych hladinách prietoku (v mikrocievach) [59]. Tento jav bol doteraz zaznamenaný len v črevných cievach. Ak sa však tieto výsledky overia v iných orgánoch, môže to vysvetľovať zníženú indukciu H20{20}} v kapilárach, ako je glomerulárna EC pri strese [27]. EC je vysoko vystavená produktom odvodeným od cytotoxickej hemolýzy a endotelové reakcie na tieto urážky odrážajú heterogenitu EC. Mikrovaskulárne EC, a najmä glomerulárne EC, sú menej náchylné na upreguláciu HO-1 v porovnaní s makrovaskulárnymi EC, a to in vitro aj na myšom modeli hemolýzy [27]. To ich robí obzvlášť náchylnými na poškodenie v dôsledku rozdielov v regulácii ich komplementu C3 a degradácii hemu v porovnaní s makrovaskulárnou EC [27]. Málo je známe o indukčnej kapacite HO-1 v EC peritubulárnych kapilár.

Renálna makrovaskulárna EC zostáva nedostatočne študovaná, pokiaľ ide o expresiu a funkciu HO-1. Najpoužívanejším modelom pri štúdiu makrovaskulárnej EC je EC z ľudskej pupočnej žily (HUVEC). Expozícia hemu v HUVEC je zodpovedná za rýchlu signálnu transdukciu, mobilizáciu endotelových teliesok Weibel Palade a aktiváciu NF-kB, čím im dáva prozápalový a protrombotický fenotyp [60–62]. Dlhšia expozícia im však umožňuje vyvinúť adaptačné mechanizmy a stať sa vysoko odolnými voči zraneniam sprostredkovaným oxidačným stresom a produktom peroxidácie lipidov. Patrí medzi ne indukcia feritínu a HO-1 [63], hoci indukcia HO-1 v glomerulárnom EC in vitro a na myšacích modeloch hemolýzy je oveľa slabšia [27,64]. Indukcia HO-1 v makrovaskulárnych EC výrazne modulovala aktiváciu komplementu [27,65], expresiu trombomodulínu pri hemolýze [27] a v kontexte septickýchobličkyporanenia [66] a expresia adhéznych molekúl spojených s aktiváciou EC [67].

Celkovo tieto údaje naznačujú, žeobličkyendotel je silne ovplyvnený toxínmi a stresormi v dôsledku jeho filtračnej funkcie. Zdá sa, že takéto stresory spúšťajú silné adaptačné mechanizmy v makrovaskulárnych EC, ktoré im umožňujú odolávať urážkam na určitej úrovni, najmä prostredníctvom zvýšenej regulácie HO-1 a súvisiacich génov. Zatiaľ čo v literatúre je značný nedostatok údajov, dostupné štúdie naznačujú, že na rozdiel od makrovaskulárneho EC je táto zvýšená regulácia HO-1 menej výrazná v glomerulárnom mikrovaskulárnom endoteli, čo ho robí obzvlášť citlivým na environmentálny stres.

3.2. Podocyty

Podocyty sú hyperšpecializované bunky, ktoré udržujú glomerulárnu filtračnú bariéru prostredníctvom syntézy komponentov glomerulárnej bazálnej membrány (GBM) a vytváraním štrbinovej bránice pripojením svojich výbežkov na nohách ku glomerulárnym endotelovým bunkám [68] (obrázok 1). Ich strategická lokalizácia, ktorá umožňuje ich filtračnú funkciu, ich robí obzvlášť citlivými na mechanický, oxidačný a imunologický stres. Podocyty majú jedinečné adaptívne reakcie vrátane zvýšenej regulácie vimentínu a desmínu [69] alebo antioxidačných proteínov, ako sú Sirtuin1 a metalotioneín. Sirtuín upreguluje Nrf2, čím zvyšuje expresiu HO-1. [70,71] Je zaujímavé, že expresia sirtuínu-1 (spolu s Nrf2 a HO-1) bola hlásená ako zvýšená expozíciou konečným produktom pokročilej glykácie [71] a HO{{14} } sa ukázalo byť špecificky zvýšené v podocytoch u pacientov s diabetom [72]. Aj keď je expresia HO-1 menej študovaná, bola opísaná aj v hemolytických podmienkach [27,73], pričom hem indukuje expresiu HO-1 v podocytoch spôsobom závislým od Nrf{20}}. Je zaujímavé, že u myší s deficitom Nrf{21}} sa spontánne vyvinula proteinúria s vymazaním výbežku chodidla, čo znížilo expresiu synaptopodínu a nefrínu a apoptózu podocytov [73].

Hoci literatúra o HO-1 v podocytoch nie je bohatá, existujú dôkazy, ktoré naznačujú ochrannú fyziologickú úlohu osi Nrf2/HO-1 tým, že zachováva pedicely a inhibuje smrť a oddeľovanie podocytov. V patologických súvislostiach je HO-1 nadmerne exprimovaný ako obranný mechanizmus, ale môže byť tiež vedľajším produktom vyčerpaných mechanizmov rezistencie vyplývajúcich z ohromujúceho stresu, v tomto kontexte je nedostatočné na prevenciu poškodenia podocytov.

3.3. Mesangiálne bunky

Mesangiálne bunky spolu s mezangiálnou matricou, ktorú produkujú, tvoria mezangium, podporné tkanivo pre glomerulus floculus. Medzi mezangiálnymi bunkami sú imunitné bunky, monocytom/makrofágom podobné (5 až 15 percent) a kontraktilné bunky, ktoré sú podobné bunkám hladkého svalstva (85 až 95 percent) a poskytujú štrukturálnu podporu a kontrakciu [74,75]. Hem podporuje proliferáciu buniek hladkého svalstva [76] a jeho receptor TLR4 je exprimovaný na mezangiálnych bunkách [77], ale úloha HO-1 v týchto bunkách je nedostatočne študovaná. Ukázalo sa, že oxid dusnatý (NO) indukuje HO-1 v mezangiálnych bunkách [78], pacienti s deficitom HO-1-majú miernu mezangiálnu proliferáciu [17,18,43] a HO{{17} } sa ukázalo, že moduluje proliferáciu mezangiálnych buniek prostredníctvom upregulácie p21 [79]. Je potrebná ďalšia práca, aby sa zistilo, či je veľké množstvo poznatkov nahromadených pre makrofágy použiteľné pre mezangiálne bunky podobné makrofágom.

3.4. Tubulárne bunky

Ak bola expresia HO-1 opísaná v tubuloch pred nejakým časom, len nedávno bola jej regulácia opísaná ako segmentovo špecifická; HO-1 tiež hrá odlišné úlohy v rôznych segmentoch tubulu, aby sa zachovali renálne funkcie [80].

3.4.1. Proximálny tubul

Proximálne tubuly sú bunky vobličkyktoré vykazujú najvyššiu kapacitu pre nadmernú expresiu HO-1. Ukázalo sa, že proximálne tubulárne epiteliálne bunky sú obzvlášť citlivé na oxidačný stres in vitro [81]. Silne sa spoliehajú na HO-1 pri ochrane pred stresormi a adaptácii na ne, čo dokazuje skutočnosť, že tubulárne poškodenie je hlavným patologickým znakom ľudského nedostatku HO-1 [82]. Hlavnou funkciou proximálneho tubulu obličiek je príjem vody, iónov, aminokyselín a filtrovaných bielkovín. Pri absencii glomerulárneho poškodenia majú filtrované proteíny väčšinou veľkosť pod 68 kDa. Internalizácia proteínov, vrátane tých, ktoré sú spojené s hemom, ako je myoglobín alebo hemoglobín, ale aj hemopexín, prebieha prostredníctvom megalínových a tubulínových receptorov [83]. Táto funkcia reabsorpcie vyžaduje veľké množstvo energie (ATP), ktorú poskytuje mitochondriálna beta-oxidácia [84]. Závažná deplécia ATP však vedie k poškodeniu mitochondrií, čo spôsobuje ďalšie vyčerpanie energetických zásob a tvorbu reaktívnych foriem kyslíka [85]. Táto vysoká metabolická náročnosť spôsobuje stav relatívnej hypoxie v dreni obličiek a proximálne tubuly sú obzvlášť citlivé na ischémiu/reperfúziu a nadbytok hemu [86,87]. Citlivosť na hem sa vysvetľuje aj konštitutívnou expresiou TLR4 (heme receptor) proximálnymi tubulmi [61] a expresia TLR4 je zvýšená pri renálnom ischemicko-reperfúznom poškodení a septickom poškodení [77].

Zatiaľ čo HO-1 je vyjadrená len slabo vobličkyza normálnych podmienok je silne indukovateľný v proximálnych tubuloch pri rôznych formách stresu [88], medzi nimi proteinúria [80]. Vzájomné pôsobenie medzi vychytávaním proteínov obsahujúcich hem, osmotickým tlakom riadiacim prílev hemu, expresiou TLR4 a zvýšenou syntézou hemu v proximálnych tubuloch môže spoločne vysvetliť túto špecifickú silnú reguláciu H20 -1. Predpokladá sa, že expresia HO-1 v tubulárnych epitelových bunkách závisí viac od bazolaterálnej expozície hému (z peritubulárnych kapilár za hemolytických podmienok) ako od obsahu intraluminálneho hému. V podmienkach hypoxie a zmenenej polarity renálnej EC sa však uvádza, že zvýšená regulácia HO-1 závisí viac od apikálnej expozície hému [89]. V tubulárnych epitelových bunkách je zvýšená regulácia HO-1 hemom závislá od stabilizácie Nrf2 [90]. HO-1 má v tubulárnom EC dvojitú úlohu, pričom je súčasne antioxidantom a regulátorom bunkovej smrti. HO-1 je skutočne zodpovedná za upreguláciu p21, inhibítora cyklín-dependentnej kinázy zodpovedného za zastavenie progresie bunkového cyklu, ktorý znižuje apoptózu v tubulárnom EC [91,92]. Okrem toho expresia HO-1 znižuje ferroptózu v proximálnych tubulárnych bunkách, neapoptoticky regulovanú bunkovú smrť spojenú s akumuláciou reaktívnych foriem kyslíka (ROS) odvodených od peroxidácie lipidov [93]. Nakoniec sa ukázalo, že HO-1 inhibuje autofágiu v proximálnych tubulárnych bunkách [94].

Celkovo sú proximálne tubulárne bunky masívne vystavené HO-1 induktorom v patologických súvislostiach (filtrácia hemoglobínu, myoglobínu, hemopexín-hemových komplexov; ischémia, filtrácia toxických produktov alebo liekov atď.) a spoliehajú sa na HO{{2 }} na ich ochranu, ale HO-1 je tiež znakom tubulárneho napätia a poranenia, keď je ich schopnosť adaptácie preťažená.

3.4.2. Distálny tubul

Distálne tubulárne EC pozdĺž drene, najmä v hrubej, vzostupnej vetve Henleho slučky (mTAL) a distálnom stočenom tubule (DCT), sa podieľajú na koncentrácii a riedení moču a udržiavaní hladín homeostatických solí a rozpustených látok. exprimujúce rôzne kanály špecifické pre ich lokalizáciu a bunkový podtyp. Počas reabsorpcie vody sa koncentrácia toxínov (najmä hemu) stáva oveľa vyššia v distálnych segmentoch nefrónu. Kvôli nízkemu parciálnemu tlaku kyslíka pozdĺž peritubulárnych kapilár sú tieto distálne tubulárne EC obzvlášť citlivé na hypoxiu a viac sa spoliehajú na anaeróbnu, glykolytickú produkciu ATP ako proximálne bunky. Distálne tubuly majú väčšiu schopnosť prežiť a prispôsobiť sa hypoxickému stresu [95], sú menej citlivé na bunkovú smrť, najmä po ischemickom poškodení [96].

Distálne tubuly, podobne ako proximálne tubuly, iba slabo exprimujú HO-1 na bazálnej úrovni; pri stimulácii je však jeho indukcia hémom spochybnená [88]. (Zaujímavé je, že HO-2 môže byť zosilnený hemom v distálnych tubuloch [97].) Úloha HO- 1 v distálnych tubuloch však ešte nie je úplne objasnená, pretože jeho expresia bola tiež spojená so zlepšeným renálnej funkcie po ischémii/reperfúzii pri transplantácii darcu od kadaveróznych darcov [98], ako aj pri CKD [99]. To môže súvisieť s regeneračnou funkciou distálnych tubulárnych epiteliálnych buniek, ale na lepšie opísanie vzťahu medzi HO-1 a funkciami distálnych tubulárnych epitelových buniek sú potrebné ďalšie štúdie.

Na záver, hoci údaje týkajúce sa distálnych tubulov chýbajú, niektoré dôkazy naznačujú, že zvýšená expresia HO-1 by mohla poskytnúť ochranu EC distálnych tubulov.