Toxicita obličiek vyvolaná žiarením: molekulárna a bunková patogenéza

Richard Klaus¹, Maximilián Nijazi^2,3a Bärbel Lange-Sperandio^1*

Abstraktné

Radiačná nefropatia (RN) je aobličkyzranenievyvolané ionizujúcim žiarením. V klinickom prostredí sa ionizujúce žiarenie používa v rádioterapii (RT). Použitie a intenzita rádioterapie sú limitované poškodením normálneho tkaniva vrátane toxicity obličiek. Rôzne prahové hodnoty preobličkytoxicita existuje pre rôzne entity RT. Histopatologické znaky RN zahŕňajú vaskulárne, glomerulárne a tubulointersticiálne poškodenie. Rôzne molekulárne a bunkové patomechanizmy zahrnuté v RN nie sú úplne pochopené. Ionizujúce žiarenie spôsobuje dvojvláknové zlomy v DNA, po ktorých nasleduje bunková smrť vrátane apoptózy a nekrózy renálnych endotelových, tubulárnych a glomerulárnych buniek. Najmä v latentnej fáze RN oxidačného stresu a zápalu boli navrhnuté ako domnelé patomechanizmy, ale doteraz sa nenašli žiadne jasné dôkazy. Bunková senescencia, aktivácia systému renín-angiotenzín-aldosterón a vaskulárna dysfunkcia môžu prispieť k RN, ale k dispozícii sú len obmedzené údaje. Na zvieracích modeloch RN bolo identifikovaných niekoľko signálnych dráh a skúmali sa rôzne prístupy na zmiernenie RN. Testovali sa lieky, ktoré zmierňujú bunkovú smrť a zápal alebo znižujú oxidačný stres a renálnu fibrózu. Ukázalo sa, že blokáda renín-angiotenzín-aldosterónového systému, antiapoptotické lieky, statíny a antioxidanty znižujú závažnosť RN. Tieto výsledky poskytujú zdôvodnenie pre vývoj nových stratégií na prevenciu alebo zníženie radiácieobličkytoxicita.

Kľúčové slová:Radiačná nefropatia, Celkové ožiarenie tela, Rádioterapia,Renálna fibróza, starnutie buniek, poškodenie DNA,Renálna zápal

Kontakt: ali.ma@wecistanche.com

Kliknite nacistanche tubulosa výhody a vedľajšie účinky preobličky choroba

Liečenie ožiarením

Radiačná terapia (RT) samotná alebo v kombinácii s chemoterapiou, chirurgickým zákrokom alebo oboma je hlavnou možnosťou liečby solídnych malignít. V celosvetovom meradle výskyt rakoviny stúpa, pretože sa zvyšuje dĺžka života a vystavenie sa rizikovým faktorom rakoviny [1]. V roku 2018 bola diagnostikovaná rakovina približne 18 miliónom ľudí a viac ako 9 miliónov ľudí na rakovinu zomrelo [2]. Predpovede uzatvárajú, že rakovina sa môže stať hlavnou príčinou smrti v 21. storočí a viac ako 60 percent pacientov s rakovinou bude dostávať RT počas celého ich terapeutického režimu [3]. RT sa môže podávať ako externá rádioterapia (teleterapia). Interná rádioterapia zahŕňa brachyterapiu, kde sa implantuje zdroj žiarenia [4], intraoperačnú rádioterapiu alebo rádionuklidovú terapiu, kde sa terapeutické rádionuklidy podávajú parenterálne [5].

Externá lúčová RT s použitím lineárnych urýchľovačov je najbežnejšou formou RT [6, 7]. S technologickým pokrokom posledných rokov boli zavedené nové radiačné techniky, ako je rádioterapia s modulovanou intenzitou (IMRT) a jej rotačná subforma volumetric modulated arc therapy (VMAT) [8, 9]. Súbežne s tým sa zlepšila aj obrazom riadená rádioterapia (IGRT) a najčastejšie používané možnosti sú kV/MV planárne zobrazovanie, kužeľové CT, ultrazvuk, povrchové skenery s röntgenovým zobrazovaním a magnetickou rezonanciou riadená RT (MRgRT ) [10 – 12]. A predsa, časticová terapia s protónovými alebo ťažkými iónovými lúčmi môže byť použitá v špecifických indikáciách, pretože ich profil hĺbky dávky umožňuje strmé gradienty za cieľom. Tento proces bol sprevádzaný zlepšeným vymedzením cieľového objemu, inverzným plánovaním radiačnej liečby a možnosťou adaptívneho dodávania dávky žiarenia [13, 14]. Okrem cielenej RT je široko používaná technológia celkové ožarovanie tela (TBI). Je to jeden z prípravných režimov na prípravu pacientov na transplantáciu kostnej drene (BMT). Ročne je na svete viac ako 20{14}} BMT [15].

Radiačná toxicita

Najprv sú uvedené všeobecné princípy radiačnej toxicity. Špecifické dôkazy o príspevku týchto predpokladaných patomechanizmov pri radiačnej nefropatii budú diskutované samostatne neskôr.

Hoci je radiačná terapia veľmi účinná na kontrolu rastu nádoru a predĺženie celkového prežívania, má nepriaznivé účinky na zdravé tkanivo v oblasti ožarovania. Selektívne zasiahnutie iba rakovinového tkaniva zostáva jednou z hlavných výziev v RT [16]. Toxicita pre zdravé tkanivo obmedzuje aplikované dávky RT a vedie tak k suboptimálnej kontrole nádoru. Okrem toho kombinácia s chemoterapiou zvyšuje toxicitu pre normálne tkanivo, a preto vedie k ešte ďalšiemu zníženiu tolerovateľnej maximálnej dávky [7].

Hlavným cieľom rádioterapie je DNA. Ionizujúce žiarenie spôsobuje priame poškodenie ničením chemických väzieb a vyraďovaním elektrónov. Ionizujúce žiarenie spôsobuje nepriame poškodenie aj tvorbou reaktívnych foriem kyslíka (ROS) [17]. Keď ROS prevážia antioxidanty, vzniká oxidačný stres. ROS poškodzuje bunkové makromolekuly, napr. lipidy, proteíny alebo DNA [17, 18]. DNA dvojvláknové zlomy (DSB) sú najzávažnejšou udalosťou RT [19]. Bunky snímajú DSB systémom nazývaným reakcia na poškodenie DNA (DDR). DDR sa spustí v priebehu niekoľkých minút po ožiarení a aktivuje kontrolné body bunkového cyklu a opravu DNA, aby sa dosiahlo prežitie. Keď sú reparačné procesy neúspešné, DSB nakoniec spôsobí genómovú nestabilitu, bunkovú smrť alebo bunkovú senescenciu [20]. Reakcia na DSB závisí od postihnutého tkaniva a integrácie DDR v postihnutých bunkách. V rýchlo sa reprodukujúcich tkanivách (ako sú cielené nádorové bunky, ale aj hematopoetické bunky a slizničný epitel) neopravená DSB a následné kolá aberantnej mitózy kulminujú v morfotype mitotickej katastrofy a bunkovej smrti [21]. To odráža terapeutický prínos so zabíjaním nádorových buniek, ale aj akútnu klinickú toxicitu rádioterapie ako dôsledok odumierania normálnych tkanivových buniek. K tomu zvyčajne dôjde v priebehu prvých dvoch týždňov. Pomaly sa reprodukujúce tkanivá (ako sú fibroblasty) reagujú skôr s predĺženým zastavením bunkového cyklu namiesto indukcie bunkovej smrti [22]. Zatiaľ čo akútnu radiačnú toxicitu charakterizuje akútna bunková smrť, procesy chronickej toxicity sú vo všeobecnosti charakterizované fibrogenézou a ukladaním extracelulárnej matrice. Tieto procesy sú s najväčšou pravdepodobnosťou sekundárne v dôsledku chronického zápalu a starnutia buniek [23]. Zápal je prítomný napríklad pri radiačných poraneniach gastrointestinálneho traktu [24] a pľúc [25]. Fibrotická reorganizácia vedie k degenerácii a poklesu funkcie špecifického orgánu [26].

Funkcie obličiek

Theobličkysú základnými orgánmi na reguláciu tekutín, elektrolytov a acidobázického metabolizmu v organizme. Obličky vylučujú odpadové metabolity, modulujú krvný tlak, produkujú erytropoetín na stimuláciu erytropoézy a aktiváciu vitamínu D [27]. Po radiačnom poškodení,obličkydysfunkcia vedie k hypertenzii, anémii a osteodystrofii. Toxické odpadové metabolity sa hromadia a spôsobujú urémiu, poruchy elektrolytov, ako je hyperkaliémia, hyperfosfatémia, hypokalciémia a nakoniec chronické zlyhanie obličiek [28]. End-stage renal dis-ease (ESRD) so stratou funkcie obličiek vedie k renálnej substitučnej terapii s potrebou dialýzy alebo transplantácie obličky [29].

Klinický priebeh radiačnej nefropatie

Klinický priebeh radiačnej nefropatie prvýkrát opísali Luxton et al. [30] (tabuľka 1). Okrem veľmi vysokých dávok žiarenia nad 50 Gy, ktoré nie sú relevantné pre ľudské skúsenosti, sa prvých 6 mesiacov po ožiarení nevyskytujú žiadne symptómy ani klinické príznaky. Tis je takzvané latentné obdobie RN. Prvé klinické poškodenie sa prejavuje v akútnej fáze [6–18 mesiacov] po ožiarení. Luxton a kol. pozorovali prvé klinické príznaky 6 až 13 (priemer 8,5) mesiacov po ožiarení [30]. Chronické poškodenie obličiek sa klinicky prejaví viac ako 18 mesiacov po RT.

Akútna RN môže začať bez príznakov. Azotémia alebo proteinúria môžu byť detekované skôr, ako sa objavia symptómy. Ak sú symptomatické, pacienti sa môžu prejaviť únavou, edémom, bolesťami hlavy a ťažkou anémiou, ktorá je neúmerná poškodeniu funkcie obličiek [31]. Môže sa objaviť aj hypertenzná kríza s encefalopatiou alebo kongestívnym srdcovým zlyhaním [31]. Chronická RN (CRN) sa prejavuje hypertenziou, proteinúriou a chronickým renálnym zlyhaním [32]. Atrofiu obličiek, ktorá je typická pre CRN, možno merať stratou objemu obličiek [33] (tabuľka 1). Na záver, CRN je klinicky nerozoznateľné od chronického ochorenia obličiek (CKD) akejkoľvek inej príčiny. Dalo by sa tvrdiť, že pokles funkcie obličiek po RT u pacientov s malignitami je dôsledkom chemoterapie alebo viacerých nefrotoxických liekov, ako sú antimikrobiálne látky. Existujú však dve veľké série pacientov s BMT bez TBI, kde nebolo zaznamenané žiadne chronické ochorenie obličiek [34, 35]. Okrem toho je CRN menej častá u pacientov podstupujúcich TBI s čiastočným tienením obličiek [36]. Pozorovania pacientov s RT zo 70. rokov ukázali, že latencia CRN môže byť až 8–19 rokov [37]. Keď pacienti s CRN dosiahnu ESRD, prežívanie je oveľa horšie ako pri iných príčinách ESRD [38].

Dávkové prahy a špeciálne dôsledky pre radiačnú toxicitu obličiek

The severity of the clinical features of RN depends on the kind of application (e.g. partial vs. total body irradiation, internal beam vs. external beam radiation), the applied dose, and the affected kidney volume [39, 40]. Clinical apparent kidney injury promptly after irradiation is observed only at higher doses than currently used. It has been reported in animal models using >50 Gy [41, 42]. Dávky používané v klinickom prostredí pri celkovom alebo čiastočnom ožiarení tela a vnútornom ožarovaní sú oveľa nižšie – ako je špecifikované nižšie – a spôsobujú neskoré účinky zahŕňajúce glomeruly, tubulointerstitium a renálnu vaskulatúru [43]. Neexistujú žiadne údaje o špecifických prahoch radiačnej terapie pre rôzne oddelenia obličiek.

In partial body irradiation, clinical studies recommend keeping the mean dose for both kidneys below 18 Gy to limit renal toxicity. 15 to 17 Gy in 2 Gy fractions were considered safe, doses of 23 Gy can cause CKD in 5% of cases, and 28 Gy cause CKD in 50% of cases [44]. In a study with 19 patients with irradiated paraaortic lymph nodes in gynecologic tumors, those with a mean dose for both kidneys of 18 Gy stayed clinically asymptomatic for 12 to >48 mesiacov pozorovania [45]. Existujú údaje z Kvantitatívnej analýzy účinkov na normálne tkanivo na klinike (QUANTEC). Údaje QUANTEC ukazujú, že až u 50 percent pacientov sa rozvinie klinicky relevantná dysfunkcia obličiek, ak sú obe obličky ožiarené priemernou dávkou > 18 Gy. Ak je menej ako 20 percent objemu obličiek vystavených iba 28 Gy (V28 < 20=""><5% of="" patients="" will="" develop="" a="" clinically="" relevant="" kidney="" dysfunction="" [40].="" recently,="" in="" a="" series="" with="" 663="" patients="" published="" in="" 2020="" only="" 2%="" of="" patients="" with="" adjuvant="" radiotherapy="" for="" gastric="" cancer="" developed="" renal="" function="" impairment.="" the="" volume="" of="" the="" kidney="" receiving="" a="" dose="" of="" 20="" gy="" (v20)="" is="" predictive="" for="" renal="" function="" impairment="">

U pacientov podstupujúcich TBI v rámci prípravy na BMT patrí radiačná nefropatia s CKD a arteriálna hypertenzia stále k častým neskorým následkom. Avšak v dôsledku novších pracovných postupov a techník sa počet znížil [31, 47, 48]. V sérii z roku 1993 sa až u 25 percent pacientov vyvinula radiačná nefropatia [31]. V metaanalýze v roku 2006 Kal a kol. navrhol, aby biologicky účinná dávka (BED) bola menšia ako 16 Gy vo frakciách<2 gy="" [49].="" below="" this="" threshold,="" the="" clinical="" renal="" dysfunction="" is="" close="" to="" zero.="" above="" a="" bed="" of="" 21="" gy,="" the="" frequency="" of="" clinical="" renal="" dysfunction="" exceeds="" 20%.="" therefore,="" the="" authors="" suggest="" kidney="" shielding="" above="" a="" bed="" of="" 16="" gy="">

Frakcionácia dávok umožňuje vyššie celkové dávky, pretože umožňuje opravu subletálneho poškodenia, repopuláciu, reoxygenáciu a preskupenie buniek v bunkovom cykle. V súčasných štandardoch sa externé žiarenie aplikuje vo frakciách 1,5–2 Gy [16]. Odhady naznačujú, že u ľudí vystavených jednorazovej dávke 4 Gy môže viesť k poškodeniu obličiek [50]. Vystavenie vysokým jednorazovým dávkam sa už v klinickej praxi nepoužíva, ale môže sa vyskytnúť pri radiačných nehodách alebo rádiologickom terorizme. Anno a spol. odhadol, že 7 Gy jednotlivú dávku vysokodávkovaného ionizujúceho žiarenia možno prežiť pri aktuálne dostupnej optimálnej lekárskej podpore [51]. Pred niekoľkými desaťročiami boli 50-percentné smrteľné dávky v Nagasaki a Černobyle 2–4 Gy a 5–6 Gy. Tieto zistenia naznačujú, že radiačná nefropatia by bola relevantným problémom u tých, ktorí prežili takéto scenáre [52].

Pri rádionuklidovej terapii – forme internej RT používanej pri rôznych rakovinách vrátane neuroendokrinných nádorov – sú obličky obzvlášť citlivé na radiačnú toxicitu z dôvodu glomerulárnej filtrácie, tubulárnej absorpcie a retencie proximálnych tubulov rádionuklidov [5]. Po glomerulárnej filtrácii sú približne 3 percentá celkovej aktivity reabsorbované a zadržané proximálnym tubulínom, čo vedie k predĺženej radiačnej záťaži obličiek [53]. U pacientov liečených rádionuklidmi sa vyskytla ťažká nefrotoxicita s až 14 percentami nežiaducich účinkov 4. – 5. stupňa (ESRD alebo smrť) [50]. Vzhľadom na odlišný charakter aplikácie sa prahové hodnoty líšia od externej radiačnej terapie. Zatiaľ čo externé žiarenie je homogénne aplikované pri vysokých dávkových príkonoch, rádionuklidy sú heterogénne distribuované cez orgán a dávkové príkony sú oveľa nižšie, menia sa v čase a s exponenciálnym poklesom. V prípade dávok 90Y-DOTATOC a 177Lu-DOTATATE bolo menej ako 40 Gy bezpečných pre pacientov bez akýchkoľvek rizikových faktorov, zatiaľ čo pre pacientov s rizikovými faktormi pre CKD – najmä hypertenziu a diabetes – sa odporúčala hranica 28 Gy [54]. Na zníženie proximálnej tubulárnej absorpcie sa odporúča súbežná infúzia kladne nabitých aminokyselín, ako je l-lyzín a l-arginín. Znižuje absorbovanú dávku v rozmedzí od 9 do 53 percent. Prispôsobenie dozimetrie jednotlivým pacientom je dôležitým opatrením na zlepšenie terapeutického potenciálu a zníženie renálnej toxicity.

Hoci prahové hodnoty dávok a BED obličiek sa môžu medzi rôznymi spôsobmi radiačnej terapie líšiť, nemožno očakávať, že molekulárne a bunkové patomechanizmy budú odlišné. Poškodzujúci stimul – ionizujúce žiarenie – zostáva vždy rovnaký. Preto sa o patomechanizmoch diskutuje bez ohľadu na formu žiadosti.

Histopatológia

Akútne morfologické zmeny v obličkách po RT sú hlavne vaskulárne a glomerulárne. Strata endotelových buniek so subendoteliálnou expanziou je skorým znakom poškodenia ožiarením. Kapilárne slučky sú upchaté a preplnené. V glomerulárnych kapilárach je prítomná trombóza aj odliatky degenerovaných erytrocytov. Mezangiolýza je ďalším bežným nálezom. Elektrónová mikroskopia ukazuje poškodenie endotelových buniek a subendoteliálne rozšírenie glomerulárnej bazálnej membrány [55, 56]. Chronické zmeny sú charakterizované nárastom renálnej intersticiálnej fibrózy a stratou hmoty nefrónov. Skleróza interlobulárnych a oblúkových artérií, tubulárna atrofia a glomerulárne zjazvenie sú neskorými znakmi RN [56, 57].

Patomechanizmy radiačnej toxicity

Molekulárne a bunkové patomechanizmy chronickej obličkovej choroby (CKD) sú vo všeobecnosti veľmi zaujímavé, pretože CKD postihuje viac ako 700 miliónov pacientov na celom svete [58]. Hoci existuje mnoho etiológií pre CKD, zdá sa, že existuje spoločná konečná cesta s glomerulosklerózou, renálnou intersticiálnou fibrózou a tubulárnou atrofiou s poruchou funkcie obličiek [23]. Chronický zápal a starnutie buniek sú hnacími faktormi fibrotických procesov takmer vo všetkých etiológiách CKD [59, 60].

Pri RN je počiatočné poškodenie obličkových buniek, ktoré môže spustiť kaskádu smerom k CKD, DSB DNA prostredníctvom ionizujúceho žiarenia, buď priamymi ionizačnými udalosťami v DNA, alebo nepriamo prostredníctvom produktov ionizácie vody a/alebo reaktívnych foriem kyslíka. 61] (obr. 1). Toto akútne poškodenie DNA môže spôsobiť okamžitú bunkovú smrť v obličkách [62–64]. U pacientov s rakovinou podstupujúcich RT štúdie profilovania transkriptómu ukazujú nefrotoxicitu s upreguláciou génov pre renálnu nekrózu a apoptózu [65]. V bunkách prežívajúcich akútnu fázu sú mechanizmy opravy DNA vysoko aktivované [66]. Aj keď bunky neumierajú na akútne poškodenie, nesprávne opravený DSB môže z dlhodobého hľadiska stále vyvolať bunkovú smrť alebo bunkovú starnutie [20]. Cytokíny uvoľnené po bunkovej smrti [67], starnutí buniek [60] a samotné ionizujúce žiarenie [7] spúšťajú chronický zápal. Napokon, chronický zápal a starnutie buniek môžu viesť k renálnej fibróze [23].

Predpokladané molekulárne a bunkové signálne dráhy RN teda začínajú v spektre poškodenia DNA a jej opravných mechanizmov v obličkách. Bunková smrť, oxidačný stres, vaskulárna dysfunkcia, starnutie buniek, zápal, uvoľňovanie profibrotických činidiel a aktivácia renín-angiotenzín-aldosterónového systému (RAAS) sú predpokladanými patomechanizmami pri radiačnej nefropatii (tabuľka 2). Patomechanizmy Tose a aktuálne dostupné údaje budú diskutované v nasledujúcich odsekoch.

Oxidačný stres

Oxidačný stres (OS) je prítomný, keď reaktívne formy kyslíka (ROS) prevažujú nad enzymatickými a neenzymatickými antioxidantmi. ROS reagujú s lipidmi, proteínmi a DNA [17]. Tis vedie k poškodeniu buniek a starnutiu [92]. Pri radiačnom poškodení tkaniva je úloha OS v akútnej fáze s poškodením DNA dobre preukázaná [17]. Okrem toho je OS dôležitým patomechanizmom pri CKD, komplikáciách CKD a progresii CKD [93, 94]. OS teda môže hrať úlohu aj v RN.

Je však dôležité pochopiť rozdiel medzi OS generovaným okamžite po ožiarení a OS v latentnom období RN. Aby sa dokázalo, že OS hrá úlohu v etiológii chronickej radiačnej nefropatie, OS musí byť prítomný v latentnom období. Takéto údaje sú zriedkavé a stále protichodné. Zhao a kol. predpokladali, že za RN je zodpovedný chronický OS. Autori preukázali upregulovanú oxidáciu DNA vo životaschopných glomeruloch a tubulíne u potkanov 4 až 24 týždňov po ožiarení jednou dávkou 20 Gy [71]. Naproti tomu Lenarczyk a kol. nenašli žiadne dôkazy o chronickom OS v latentnom období u potkanov, ktorí podstúpili TBI buď s 18,8 Gy v 6 frakciách, alebo s 10 Gy v jednej dávke. Počas prvých 42 dní sa nezistila peroxidácia lipidov alebo oxidácia proteínov v moči. Po 89 dňoch obličkové tkanivo nevykazovalo dôkaz oxidácie DNA alebo proteínu [74]. Podobne analýza génovej expresie neodhalila žiadne relevantné zvýšenie génov súvisiacich s OS počas prvých 49 dní po jednodávkovom TBI s 10 Gy [73]. Potkany sa stali symptomatickými s proteinúriou približne 6 týždňov po ožiarení a uremická morbidita sa objavila po 26 týždňoch. Skúmané časové body boli teda v latentnej fáze experimentálnej RN, čo nepreukázalo žiadny dôkaz OS v latentnom období.

Cohen a kol. nezistili žiadne zmiernenie RN pre antioxidačné činidlo deferiprón, genisteín a apocynín, keď sa podávali v latentnom období po 10 Gy jednodávkovej TBI u potkanov [72]. Naproti tomu ochrana proti OS bola preukázaná v experimentálnych podmienkach, keď boli antioxidačné látky podávané pred ožiarením. Mercatepe a kol. ukázali, že antioxidačný N-acetylcysteín zachytávajúci ROS zvýšil hladiny glutatiónu u potkanov ožiarených 6 Gy TBI. N-acetylcysteín zmiernil histopatologickú RN a znížil expresiu kaspázy{10}}. V tejto štúdii sa N-acetylcysteín podával 5 dní predtým až 2 dni po TBI. Autori dospeli k záveru, že výhody sa dosiahli znížením OS [68]. Podobné výsledky prišli od Amiriho a kol. pomocou statínov znižujúcich lipidy v experimentálnej RN. Okrem účinkov na metabolizmus lipidov majú statíny protizápalové, antiapoptotické a antioxidačné účinky [95]. Denná liečba atorvastatínom 7 dní pred 2 Gy TBI znížila peroxidáciu lipidov ako marker OS, zlepšila funkciu obličiek, znížila expresiu kaspázy 3-a zlepšila tubulárne poškodenie u myší [70]. Nefroprotektívne a antioxidačné účinky boli preukázané aj u antagonistov leukotriénových receptorov. Montelukast je selektívny antagonista leukotriénového CysLT1-receptora, ktorý bol vyvinutý na respiračnú dysfunkciu. Protizápalové liečivo tiež zlepšilo OS [96]. Hormati a kol. zistili, že montelukast podávaný 2 týždne pred 3 Gy TBI u myší bol schopný znížiť OS a zmierniť RN [69].

Celkovo údaje o OS pri radiačnej nefropatii ukazujú jasný dôkaz, že OS hrá dôležitú úlohu pri poškodení DNA ihneď po ožiarení. Okrem toho aplikácia antioxidantov pred ožiarením následne zmierňuje RN. Na rozdiel od toho, v latentnej fáze OS nebolo detegovateľné vo významnom množstve, ani nemohlo farmakologické zoslabenie OS zmierniť RN. Zdá sa teda, že OS nehrá rolu po veľmi skorom momente ožiarenia. Dôsledky OS – poškodenie DNA, bunková smrť a indukcia bunkovej starnutia – sú však pri RN kľúčové.

Systém renín-angiotenzín-aldosterón

Systém renín-angiotenzín-aldosterón (RAAS) pozostáva z enzýmov a ich peptidových substrátov a zahŕňa viaceré orgány. RAAS je dôležitý regulátor krvného tlaku a elektrolytov. Renín sa tvorí v obličkách. Štiepe angiotenzinogén z pečene na angiotenzín I (AT I), ktorý sa potom konvertuje na angiotenzín II (AT-II) enzýmom konvertujúcim angiotenzín (ACE), ktorý pochádza z pľúc. Všetky jednotlivé zložky RAAS sú však prítomné v obličkách a nazývajú sa intrarenálny RAAS. Intrarenálna aktivácia RAAS hrá rozhodujúcu úlohu pri ochoreniach obličiek, najmä pri renálnej hypertenzii [97].

Inhibícia RAAS s kaptoprilom zmiernila RN v randomizovanej kontrolovanej štúdii u pacientov po 14 Gy TBI v 9 frakciách s tienením obličiek, čo poskytlo celkovú dávku 9, 8 Gy pri príprave na BMT. Kaptopril alebo placebo sa podávali po prihojení hostiteľa a zlepšili 1-ročnú GFR a celkové prežívanie pacientov [76]. Inhibícia RAAS bola prospešná na zvieracích modeloch RN (jednorazová dávka 10 Gy TBI u potkanov, aplikácia 177Lu-DOTATATE u myší) [77–79]. Zmiernenie inhibíciou RAAS bolo účinnejšie v experimentoch na zvieratách ako u pacientov po BMT. Najpravdepodobnejším vysvetlením je, že u pacientov nie je TBI jedinou nefrotoxickou látkou v procese BMT. Chemoterapia, infekcia a antiinfekčné lieky prispievajú k CKD po BMT a inhibícia RAAS nezmierňuje všetky formy poškodenia obličiek.

Inhibícia RAAS je prospešná aj pri radiačných poraneniach v pľúcach [98] a mozgu [99]. Tieto zistenia naliehavo vyvolávajú otázku, či RAAS hrá mechanistickú úlohu v RN po RT. Doteraz neexistujú žiadne spoľahlivé dôkazy o indukcii RAAS v RN. Cohen a kol. nevykazovali vôbec žiadnu aktiváciu RAAS s normálnou aktivitou renínu, normálnymi hladinami renínového proteínu a normálnymi hodnotami sérového a intrarenálneho AT-II po 17 Gy TBI v 6 frakciách [82]. Väzba na AT-II receptor membrány obličkových buniek bola rovnako pozorovaná u potkanov po TBI s 18,8 Gy alebo 20,5 Gy podávanými v šiestich frakciách počas 3 dní a kontrolnej skupine [81]. Aldosterón je periférna zložka systému RAAS zapojená do rôznych typov renálnych poranení [100]. V jednej štúdii sa nepreukázalo žiadne zvýšenie aldosterónu po 10 Gy jednorazovej dávke TBI u potkanov a antagonista aldosterónu spironolaktón nezmiernil RN [79]. Iná skupina však zistila, že spironolaktón zmierňuje RN po internom ožiarení alfa-časticami u myší [101]. Zdá sa, že rovnako ako AT II-blokáda môžu antagonisty aldosterónu zmierniť RN, hoci samotný aldosterón nie je upregulovaný.

Jednoznačne priaznivý účinok inhibície RAAS bez merateľného zvýšenia aktivity RAAS naznačuje, že buď normálna aktivita RAAS je škodlivá u ožiarených subjektov, alebo systémy odporujúce RAAS, ako je oxid dusnatý (NO), po ožiarení klesajú [79]. Existujú dôkazy o redukcii NO v RN u potkanov po 17 Gy TBI v 6 frakciách počas 3 dní a RN by mohla byť zmiernená kaptoprilom [102]. Vo všeobecnosti inhibícia RAAS stabilizuje progresiu mnohých ochorení obličiek rôznych etiológií. Jeho nefroprotektívny účinok je sprostredkovaný znížením intraglomerulárneho tlaku a tým zníženou proteinúriou s následne menším tubulointersticiálnym poškodením [103]. Záverom možno povedať, že inhibícia RAAS môže mať ochranný účinok znížením intraglomerulárneho tlaku, renálnej fibrózy a vyvážením zníženia NO v RN. Blokáda RAAS je preto veľmi sľubnou stratégiou liečby RN.

Bunková starnutie

Bunková senescencia (CS) je kombináciou zastavenia bunkového cyklu, potlačenia apoptotických dráh, vysokej metabolickej aktivity a sekrečného fenotypu spojeného so starnutím (SASP). SASP zahŕňa zvýšenú sekréciu IL-1, IL{2}}, IL-8, rastového faktora spojivového tkaniva, transformujúceho rastového faktora, vaskulárneho endotelového rastového faktora a TNF- [104, 105]. Zatiaľ čo je súčasťou normálneho chronologického procesu starnutia, charakterizovaného opotrebovaním telomér, predčasné starnutie je vyvolané stresovými faktormi, ako je ionizujúce žiarenie priamo alebo nepriamo OS [106, 107]. V mozgu [108], srdci [109] a pľúcach [98] CS prispieva k poškodeniu orgánov vyvolanému žiarením. Pri CKD inej etiológie ako CRN je CS tiež navrhovaným patomechanizmom [60]. V experimentálnej RN s jednorazovou dávkou 18 Gy u potkanov sa CS preukázal v glomerulárnych endotelových bunkách a v podocytoch potkanov, čo podčiarkuje vplyv CS na RN. Poškodenie glomerulárneho endotelu bolo dominantné, čo viedlo k zvýšeniu trombotickej mikroangiopatie, kolapsu glomerulov a zníženiu počtu endotelových buniek v experimentálnej RN. Renálne bunky vykazovali upregulované markery bunkovej starnutia (p53, p21, p16), zastavenie bunkového cyklu a mali SASP so zvýšenou sekréciou IL-6. Sekrécia TNF-, IL-8 a VEGF-A nebola významne zvýšená. V tomto experimentálnom modeli RN sa zistilo glomerulárne poškodenie a poškodenie funkcie obličiek [83]. Zdá sa teda, že bunková starnutie je aktivovaná v RN.

Infammácia

Infammácia bola navrhnutá ako mechanizmus pre RN, pretože je prítomná pri iných radiačných poškodeniach, ako je gastrointestinálne radiačné poškodenie [110] a radiačná pneumonitída [25]. Okrem toho mechanické zápaly spájajú poškodenie obličkových buniek a CKD. Nekrotické tubulárne bunky uvoľňujú molekulárne vzory spojené s poškodením (DAMP) a spúšťajú sekréciu prozápalových cytokínov a chemokínov v bunkách rezidentných v tkanive a regrutovaných leukocytoch [111]. Makrofágy napríklad produkujú cytokíny, ako sú TNF- a IL-6. Povinné odpovede vedú k ešte väčšej bunkovej smrti a podporujú začarovaný kruh bunkovej smrti a zápalu [67], po ktorom nasleduje pokles funkcie obličiek a iniciácia renálnej fibrózy [112]. Existuje však len málo údajov o aktívnom zápale v RN. Zistilo sa, že prozápalové cytokíny, ako napríklad TNF-, IL-1 a interferón- sú primárnymi upstream regulátormi upregulovaných transkriptov u myší po podaní 177Lu-oktreotátu [84]. Hladiny expresie TNF sa zvýšili a korelovali s metabolickou aktivitou zistenou v [18F]-FDG-PET-CT u tibetských mini ošípaných po 2, 5, 8, 11 a 14 Gy jednodávkovej TBI [85]. Ďalší dôkaz o účasti zápalu na RN pochádza z pozorovania, že montelukast bol schopný zmierniť RN u myší po 3 Gy jednodávkovej TBI v závislosti od dávky [69]. Montelukast má protizápalové účinky prostredníctvom inhibície aktivácie jadrového faktora-κB a redukcie protizápalových cytokínov, ako sú TNF- a IL-6 [113].

Na rozdiel od toho existujú nedávne štúdie vykonané na makakoch rhesus, ktoré dokazujú, že zápal hrá pri RN iba malú alebo žiadnu úlohu. Van Kleef a kol. vyšetrovali chronickú RN u makakov histologickou analýzou 6 až 8 rokov po jednorazovom ožiarení 4,5–8,5 Gy alebo dvoch frakcií 5 Gy. V porovnaní s vekovo zodpovedajúcimi kontrolami nebol signifikantný rozdiel v infiltrácii leukocytmi v obličkách a len mierne zvýšený počet makrofágov bol prítomný v obličkovej kôre [57]. Po tak dlhej dobe sa však dá očakávať, že zápal už ustal a fibróza sa presadila. Parker a kol. vystavili makaky čiastočnému ožiareniu tela pri 10, 11 alebo 12 Gy s 5-percentnou ochranou kostnej drene. Infiltrácia zápalových buniek alebo zvýšená populácia makrofágov neboli žiadne výrazné histologické znaky približne 100 dní po ožiarení [56]. Veľmi nedávno Cohen a kol. nevykazovali žiadne relevantné bunkové zápaly v obličkách 180 dní po 10 Gy čiastočnom ožiarení tela u makakov buď s 5 percentami šetrenia kostnej drene alebo 2,5 percentami šetrenia kostnej drene. Bunkový zápal takmer nikdy nepresiahol 1 percento plochy renálneho parenchýmu [87]. Stimulácia hematopoetických línií faktorom stimulujúcim granulocyty nezmenila infiltráciu leukocytov a nemala ani nepriaznivé, ani priaznivé účinky v experimentálnej RN. Pri testovaní na ožiarených králikoch silný protizápalový prostriedok prednizolón nepriaznivo ovplyvnil 6 týždňov a 9 mesiacov prežitia [86]. Aj keď by bolo možné, že v RN hrá úlohu nebunkové, ale cytokínmi sprostredkované zápaly, zdá sa to nepravdepodobné, pretože bunky, ktoré vykonávajú cytokínmi sprostredkovaný zápal, neboli prítomné. Úplné odmietnutie úlohy makrofágov vo funkčnej analýze RN týchto populácií v súčasnosti chýba, pretože je známe, že makrofágy rezidentné v tkanive prispievajú k ochoreniu obličiek [114].

Súhrnne povedané, súčasné údaje naznačujú, že zápal – na rozdiel od iných orgánov – nie je významným patomechanizmom pre RN a hľadanie možností liečby by sa malo sústrediť na iné cesty.

Cievna dysfunkcia

Endoteliálna dysfunkcia a zmenená hemodynamika sú známe znaky radiačne indukovanej toxicity obličiek [88]. Epoxyeikosatriénové kyseliny (EET) sú produkované v endoteli enzýmami CYP epoxygenázy. EET pochádzajú z kyseliny arachidónovej a ukázalo sa, že chránia obličky v rôznych modeloch renálnych patológií [89, 90]. Experimentálne ožarovanie vedie k zníženiu renálnych CYP epoxygenáz a hladiny EET v moči, k poškodeniu endotelu a ciev s aferentnou arteriolárnou dysfunkciou a poruchou autoregulačných reakcií v obličkách. Analógy Eet sa podávali denne od 2. dňa do 12. týždňa potkanom po jednorazovej dávke 11 Gy TBI. Aferentná arteriolárna funkcia sa zlepšila, hypertenzia sa zmiernila a renálna apoptóza sa znížila prostredníctvom dráhy Fas/FasL [91]. Zdá sa, že analógy EET zmierňujú RN inými mechanizmami ako OS a zápal, a preto môžu byť sľubné pre budúce terapie.

Fibróza

Renálna fibróza je tvorba jaziev v parenchýme. Je to patologický spôsob normálneho hojenia rán s aktiváciou a migráciou myofibroblastov, ukladaním extracelulárnej matrice a remodeláciou obličiek. Fibróza je bežnou konečnou cestou pre takmer všetky etiológie CKD. Mechanizmy vedúce k fibróze môžu byť nápomocné pri reparácii tkaniva pri akútnom poškodení, avšak ak sa vyskytujú trvalo pri CKD, vedú k afunkčnému tkanivu a spôsobujú pokles funkcie obličiek [23]. My-fibroblasty sú hlavným zdrojom extracelulárnej matrice. Kolagén I je najbežnejším matricovým proteínom pri renálnej fibróze, ale nachádzajú sa aj typy II, IV, V a XV [115]. Transformujúci rastový faktor beta (TGF- ) stimuluje diferenciáciu myofibroblastov pri renálnej fibróze [116].

Ďalšími dôležitými stimulmi pre aktiváciu myofibroblastov a renálnu fibrózu sú vrodený a adaptívny imunitný systém [112]. Existuje len málo histologických a mechanistických údajov o fibróze pri chronickej RN. Dostupné údaje však podporujú hypotézu, že v RN je prítomná fibróza. U makakov sa renálna fibróza prejavila približne 100 dní po 10, 11 alebo 12 Gy TBI s 5-percentnou ochranou kostnej drene. Všetky nálezy sa vyskytli globálne v celej obličke vrátane kôry a drene. V čase nekropsie bol TGF- rovnako zvýšený v ožiarených obličkách a kontrolách, čo bolo prekvapujúce vzhľadom na rozsiahlu fibrózu po RT. Tieto zistenia naznačujú TGF- -nezávislý účinok na renálnu fibrózu. Renálna fibróza bola väčšinou prítomná u zvierat, ktoré prežili najdlhšie, čo naznačuje, že ide o dlhodobý účinok, ako je známe pri iných formách poškodenia obličiek [56]. Blokáda RAAS s použitím ACE inhibítorov, ako aj analógov EET znížila ukladanie extracelulárnej matrice a renálnu fibrózu a ukázala sa ako prospešná pri experimentálnej RN.

Záver

Hoci existujú údaje o molekulárnych a bunkových patomechanizmoch toxicity obličiek vyvolanej žiarením, sú zriedkavé. K dnešnému dňu nie sú úplne pochopené presné signalizácie a patomechanizmy. Existuje niekoľko údajov o pacientoch, ale väčšina z nich pochádza z experimentálnych modelov (väčšinou potkanov a primátov (okrem človeka). Aplikačné schémy a dávky ionizujúceho žiarenia sa líšia, čo ešte viac komplikuje porovnateľnosť. V mnohých aspektoch má RN spoločné črty s akútnym poškodením obličiek transformujúcim sa na chronické ochorenie obličiek. Akútnym stimulom pri RN je ionizujúce žiarenie a bežným konečným štádiom je renálna fibróza s atrofiou orgánov a poklesom funkcie obličiek. Oxidačný stres a zápal boli navrhnuté ako relevantné patomechanizmy v latentnej fáze, ale neexistujú žiadne spoľahlivé dôkazy o žiadnom z nich.

Systém renín-angiotenzín-aldosterón sa zdá byť sľubným kandidátom. RAAS-inhibítory zmierňujú progresiu RN u pacientov a v experimentálnych modeloch. Renálna vaskulárna dysfunkcia je prítomná v RN a môže byť oslabená epoxyeikosatriénovými kyselinami. Ukázalo sa, že bunková starnutie je prítomná v experimentálnej RN. Pretože fibróza je konečným štádiom RN, blokovanie ukladania extracelulárnej matrice môže byť sľubnými cieľmi pre budúce terapie. Biomarkery na diagnostiku a hodnotenie progresie a závažnosti RN stále chýbajú a je potrebné ich identifikovať. Môžu naznačovať nové cesty pre budúci výskum a terapeutické ciele v RN.

Referencie

1. Wild CP, Espina C, Bauld L, Bonanni B, Brenner H, Brown K, et al. Prevencia rakoviny v Európe. Mol Oncol. 2019;13(3):528–34.

2. Bray F, Ferlay J, Soerjomataram I, Siegel RL, Torre LA, Jemal A. Globálna štatistika rakoviny 2018: GLOBOCAN odhady incidencie a mortality na celom svete pre 36 druhov rakoviny v 185 krajinách. CA Cancer J Clin. 2018;68(6):394–424.

3. Bristow RG, Alexander B, Baumann M, Bratman SV, Brown JM, Camphausen K a kol. Kombinácia presnej rádioterapie s molekulárnym zacielením a imunomodulačnými činidlami: usmernenie Americkej spoločnosti pre radiačnú onkológiu. Lancet Oncol. 2018;19(5):e240–51.

4. Cunha JAM, Flynn R, Belanger C, Callaghan C, Kim Y, Jia X a kol. Budúce smery brachyterapie. Semin Radiat Oncol. 2020;30(1):94–106.

5. Erbas B, Tuncel M. Hodnotenie funkcie obličiek počas rádionuklidovej terapie peptidových receptorov. Semin Nucl Med. 2016;46(5):462–78.

6. Orth M, Lauber K, Niyazi M, Friedl AA, Li M, Maihofer C, a kol. Súčasné koncepcie v klinickej radiačnej onkológii. Radiat Environ Biophys. 2014;53(1):1–29.

7. De Ruysscher D, Niedermann G, Burnet NG, Siva S, Lee AWM, Hegi‑ Johnson F. Rádioterapeutická toxicita. Nat Rev Dis Primers. 2019; 5 (1): 13.

8. de Crevoisier R, Chauvet B, Barillot I, Lafond C, Mahe M, Delpon G. Rádioterapia riadená obrazom. Rakovina Radiother. 2016;20(Suppl):S27‑35.

9. Teoh M, Clark CH, Wood K, Whitaker S, Nisbet A. Volumetric modulated arc therapy: prehľad súčasnej literatúry a klinické využitie v praxi. Br J Radiol. 2011;84(1007):967–96.

10. Gregoire V, Guckenberger M, Haustermans K, Lagendijk JJW, Menard C, Potter R, et al. Obrazové poradenstvo v radiačnej terapii na lepšie vyliečenie rakoviny. Mol Oncol. 2020;14(7):1470–91.

11. Corradini S, Alongi F, Andratschke N, Belka C, Boldrini L, Cellini F, et al. Vedenie MR v klinickej realite: súčasné výzvy v oblasti liečby a budúce perspektívy. Radiat Oncol. 2019;14(1):92.

12. Kugele M, Mannerberg A, Norring Bekke S, Alkner S, Berg L, Mahmood F a kol. Povrchovo riadená rádioterapia (SGRT) zlepšuje presnosť nastavenia pacientky s rakovinou prsníka. J Appl Clin Med Phys. 2019;20(9):61–8.

13. Langendijk JA, Lambin P, De Ruysscher D, Widder J, Bos M, Verheij M. Výber pacientov na rádioterapiu protónmi zameranú na zníženie vedľajších účinkov: prístup založený na modeli. Radiother Oncol. 2013;107(3):267–73.

14. Durante M, Orecchia R, Loefer JS. Terapia nabitými časticami pri rakovine: klinické využitie a budúce perspektívy. Nat Rev Clin Oncol. 2017;14(8):483–95.

15. Paix A, Antoni D, Waissi W, Ledoux MP, Bilger K, Fornecker L a kol. Celkové ožiarenie tela v režimoch kondicionovania alogénnej transplantácie kostnej drene: prehľad. Crit Rev Oncol Hematol. 2018;123:138–48.

16. Schaue D, McBride WH. Príležitosti a výzvy rádioterapie pri liečbe rakoviny. Nat Rev Clin Oncol. 2015;12(9):527–40.

17. Wei J, Wang B, Wang H, Meng L, Zhao Q, Li X a kol. Poškodenie normálneho tkaniva spôsobené žiarením: oxidačný stres a epigenetické mechanizmy. Oxid Med Cell Longev. 2019;2019:3010342.

18. Lord CJ, Ashworth A. Reakcia na poškodenie DNA a terapia rakoviny. Príroda. 2012;481(7381):287–94.

19. Goldstein M, Kastan MB. Reakcia na poškodenie DNA: dôsledky pre reakcie nádoru na ožarovanie a chemoterapiu. Annu Rev Med. 2015;66:129–43.

20. Mahamud O, So J, Chua MLK, Bristow RG. Zameranie na opravu DNA pre presnú rádioterapiu: vyváženie terapeutického pomeru. Curr Probl Cancer. 2017;41(4):265–72.