חוסר תפקוד מיטוכונדריאלי המושרה על ידי גלוקוז ולא גלוקוז במחלת כליות סוכרתית Ⅱ

3. תפקוד מיטוכונדריאלי המושרה על ידי גלוקוז ב-DKD

בתאים גלומרולריים, גלוקוז נקלט על ידימעבירי גלוקוז(GLUTs) באמצעות הובלת דיפוזיה קלה. דפוס הביטוי של כל חבר ב-GLUTs הוא ספציפי לתא. תאים מזנגיאליים מבטאים GLUT1 ו-4, פודוציטים מבטאים GLUT1, 4 ו-8 ותאי אנדותל מבטאים GLUT1 [32]. לעומת זאת, תאים צינוריים סופגים מחדש גלוקוז מהתסנין הגלומרולרי בעיקר באמצעות קוטרנספורטרים תלויי נתרן (SGLT). גלוקוז הנספג מחדש על ידי תאים צינוריים מתפזר על פני GLUTs בממברנת הפלזמה הבסיסית ומתפזר לתוך האינטרסטיטיום. תאים צינוריים פרוקסימליים יכולים גם לייצר גלוקוז באמצעות גלוקונאוגנזה, המוגברתסכרת סוג 2 [33]. היפרגליקמיה היא הגורם הפתוגני העיקרי וכמה מטבוליטים ביניים שלמטבוליזם של גלוקוזהיו מעורבים גם בתרומהפגיעה בתאים ב-DKD. בהשערה המאחדת שהציעו בראונלי ועמיתיו בשנת 2000, הוצע כי ייצור היתר של mtROS עקב זרימה מוגברת ל-OXPHOS הפעיל אתאנזים לתיקון DNA גרעיניפולי(ADP-ribose) פולימראז (PARP), המוביל לירידה בפעילות של גליצרלדהיד3-phosphate dehydrogenase(GAPDH) והצטברות לאחר מכן של תוצרי ביניים רעילים שלמטבוליזם של גלוקוז [11]. עם זאת, מחקרים מאוחרים יותר העלו שהמיטוכונדריה אינן מתפקדות וכי מנגנונים אחרים, בנוסף לעלייה במצעים בלבד, תורמים להגברת הגליקוליזה ולהצטברות של מטבוליטים רעילים.

לחץ כאן כדי לקבל תמצית CISTANCHE אורגנית טבעית עם 25% אכינאקוסיד ו-9% אקטוזיד לתפקוד הכליה

השירות התומך של Wecistanche - יצואנית ה-cistanche הגדולה בסין:

דוא"ל:wallence.suen@wecistanche.com

ווטסאפ/טלפון:+86 15292862950

קנה לפרטי מפרטים נוספים:

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

3.1. אפקט ורבורג

באופן כללי, תאי סרטן מציגים גליקוליזה משופרת ופגיעה בזרחן חמצוני. בעוד שהשינוי הקצר וההפיך של תהליך מטבולי זה נקרא אפקט Crabtree, התכנות המטבולי לטווח ארוך נקרא אפקט ורבורג [34].

אפקט ורבורג הוא המונח ששימש במקור לתיאור מעבר מ-OXPHOS לגליקוליזה אירובית (שבה לקטאט מיוצר כתוצר סופי מגלוקוז) בסרטן [35]. מחקרים עדכניים הוכיחו ששינוי זה מתרחש גם בכליות סוכרתיות [9,19]. המיטוכונדריה ברקמות הסוכרתיות אינן מתפקדות, כפי שנדון לעיל. ניתוח שטף תעתיק, מטבולומי ומטבוליטים הראה עלייה בחילוף החומרים של גלוקוז וירידהתפקוד מיטוכונדריאליבקליפת הכליה של עכברי db/db [9]. ניתוח מטבולומי של דגימות שתן הדגים ירידות משמעותיות של 13 מטבוליטים בחולים עם DKD בהשוואה לביקורות בריאים, 12 מהם היו קשורים למטבוליזם מיטוכונדריאלי [19]. האם תפקוד לקוי של המיטוכונדריה גורם למעבר לגליקוליזה או אם הגליקוליזה מוגברת גורמת להפרעה בתפקוד המיטוכונדריאלי עדיין לא ברור [36].

Pyruvate kinase הוא האנזים המזרז את ההמרה של phosphoenolpyruvate לפירובט, השלב האחרון והבלתי הפיך של הגליקוליזה. ירידה בפעילות pyruvate kinase M2 זוהתה כמנגנון אפשרי של אפקט Warburg ב-DKD על ידי Qi ועמיתיו [37]. הם ערכו תחילה ניתוח פרוטאומי של גלומרולי שבודדו מחולים עם סוכרת מסוג 1 שלא פיתחו DKD במשך יותר מ-50 שנה (מוגן) ואלה עם אישור היסטולוגי של DKD (לא מוגן). חלק מהאנזימים המעורבים בחילוף החומרים של גלוקוז ובנוגד חמצון נמצאו מוגברים בגלומרולי מוגנים, ובפרט, הביטוי והפעילות של פירובאט קינאז M2 (PKM2) הווסרו. במחקרים מכניסטיים באמצעות פודוקיטים שטופלו בגלוקוז גבוה ועכברים שהוזרקו STZ, אושר שפעילות PKM2 ירדה במודל העכבר DKD, שהורדת ויסות PKM תרמה להחמרת DKD ושהפעלה תרופתית של PKM2 הפכה את העלייה במטבוליטים של גלוקוז רעילים. ואי תפקוד מיטוכונדריאלי. באופן דומה, ירידה בהפעלת פירובאט קינאז גורמת לאפקט ורבורג בסרטן [38].

גורמים אחרים הנחשבים לגרום להשפעה של Warburg ב-DKD כוללים ספינגומילין והצטברות פומראט [39]. הדמיית ספקטרומטריית מסה בסיוע מטריקס (MALDI-MSI) גילתה עליות משמעותיות של יחס ATP/AMP ושל זן ספינגומיאלין ספציפי (SM(d18:1/16:0)) בגלומרולי של עכברי DKD [40]. במבחנה, הוספה של SM(d18:1/16:0) לתאי מזנגיה הפעילה גליקוליזה. Fumarate זוהה כגורם שתווך Nox4-שגרם לפציעה ב-DKD [41]. אינדוקציה ספציפית ל-Podocyte של Nox4 in vivo החזירה פגיעה גלומרולרית הנגרמת על ידי DKD, וניתוח מטבולומי הוכיח עלייה בפומאראט, שהתהפך עם עיכוב Nox1/Nox4. Fumarate יכול לשמש כמייצב של גורם היפוקסיה (HIF), שעלול לגרום להפעלת הגליקוליזה ודיכוי OXPHOS.

3.2. מטבוליטים רעילים של מטבוליזם של גלוקוז

ידוע כי ארבעה מסלולים עיקריים המסתעפים מגליקוליזה מייצרים מטבוליטים ביניים רעילים: מסלול הפוליול, מסלול ההקסוזאמין,תוצרי קצה של גליקציה מתקדמיםמסלול (AGEs), ומסלול חלבון קינאז C (PKC) [12] (איור 3). עיכוב של כל אחד מהמסלולים הללו משתפרפגיעה הנגרמת על ידי היפרגליקמיהבמודלים פרה-קליניים [42-45]. יש לציין כי ניתן להפוך את ההפעלה של כל אחד מהמסלולים הללו באופן מיידי עם שחזור האוגליקמיה.

בפרט, רמות של 3-deoxyglucosone (3DG) ו-methylglyoxal (MGO), חברים במינים קרבוניליים תגובתיים (RCS) המיוצרים על ידי הפירוק של גליצרלדהיד במסלול ה-AGE, גדלות עם הפעלת הגליקוליזה. ל-RCS יש קבוצות קרבוניל ריאקטיביות מאוד ויכולות לשנות חלבון ו-DNA. חלבונים מסוכררים על ידי RCS מובילים להיווצרות AGEs. AGEs חוץ-תאיים יכולים להגביר את ההצטלבות של מטריצות, מה שמוביל להתקשות עורקים [46]. AGEs יכולים גם להיקשר לקולטנים ל-AGE (RAGE) ולהעביר אותות שונים לתאים, כולל הפעלה של גורם גרעיני-κB (NF-κB) המוביל להיווצרות ROS, דלקת ופיברוזיס [47].

איור 3. גליקוליזה ומסלולי הסתעפות. בסביבה עתירת הגלוקוז של DKD, הגליקוליזה מוגברת ו-OXPHOS מופחת, מה שמוביל להצטברות של מטבוליטים רעילים המיוצרים במסלולים המסועפים של הגליקוליזה. AGE, מוצר סופי של גליקציה מתקדמת; DAG, דיאצילגליצרול; GAPDH, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase; OXPHOS, זרחון חמצוני; PKC, חלבון קינאז C; PKM, פירובאט קינאז M; מחזור TCA, מחזור חומצה טריקרבוקסילית; UDP-GlcNAc, uridine diphosphate N-acetylglucosamine.

4. תפקוד מיטוכונדריאלי ללא גלוקוז ב-DKD

למרות שהיפרגליקמיה היא גורם מפתח בהתפתחות DKD, גורמים אחרים המעורבים ב-DKD יכולים גם הם לתרום לתפקוד לקוי של המיטוכונדריה. דיסליפידמיה ועומס שומנים הוא סיבוך שכיח ב-DKD, והיפוקסיה ב-tubulointerstium מתרחשת ללא קשר לגורם למחלת כליות כרונית (CKD) [48]. אנדותלין -1 (Edn1) זוהה לראשונה כגורם במורד הזרם של גורם גדילה מתמר- (TGF-) במודל של גלומרולוסקלרוזיס מוקדית (FSGS) והוכח כמעורר אלבומינוריה באמצעות mtROS בתאי אנדותל גלומרולריים. מאוחר יותר, אותו מסלול איתות נמצא גם מווסת ב-DKD [49,50]. בחלק זה, אנו דנים בתפקידים של גורמים אלה בהתפתחות והתקדמות של DKD בתפקוד לקוי של המיטוכונדריה.

4.1. ליפוטוקסיות

בביופסיות כליה של חולים עם DKD, נצפתה הצטברות נרחבת של טיפות שומנים במיקרוסקופ אלקטרוני בתאי אנדותל גלומרולריים, פודוציטים ותאי צינוריות בהשוואה לעמיתים בריאים [51,52]. ניתוח גנטי של דגימות אלו גילה ירידה בוויסות של גנים הקשורים לחמצון חומצות שומן (FAO) כולל קולטן מופעל על ידי פרוקסיזום (PPAR)-, קרניטין פלמיטוילטרנספראז 1 (CPT1), אוקסידאז אציל-CoA ו-L-FABP; וויסות עלייה של קולטני כולסטרול כולל קולטני ליפופרוטאין בצפיפות נמוכה (LDL), קולטני LDL מחומצנים וקולטני LDL אצטיל; ויסות מטה של ​​גנים הקשורים ל-Flow-cholesterol, כולל ATP-binder cassette transporter A1 (ABCA1), ATP-binder cassette transporter G1 (ABCG1), ו-apolipoprotein (APOE) [51]. בעוד שהוויסות הפחת של גנים הקשורים ל-FAO מצביע על ירידה בחילוף החומרים של שומנים במיטוכונדריה כגורם להצטברות שומנים, הצטברות שומנים בעצמה יכולה לגרום להפרעה בתפקוד המיטוכונדריאלי. הראינו בעבר שפודוציטים אנושיים שטופלו בסרום של חולים עם DKD מראים ביטוי מוגבר של גורם נמק גידול (TNF) וכי TNF מקומי ולא סיסטמי גורם להצטברות ולפגיעה של כולסטרול חופשי באמצעות דיכוי ABCA1 בפודוציטים [53,54]. יש לציין, דיכוי ABCA1 גרר הצטברות וקרדיוליפינים וחמצן במיטוכונדריה, גורם לרגישות לפודוציטים לפציעה [55]. ביטוי יתר של ABCA1 או עיכוב של חמצון קרדיוליפין על ידי פגיעה בפודוציטים של אלאמיפרטיד ב-DKD ניסיוני.

תאים צינוריים דורשים כמויות גדולות של ATP לספיגה מחדש של מומסים ותלויים ב-FAO מכיוון שחומצות שומן מניבות יותר ATP לגרם ממקורות אנרגיה אחרים [56]. בשלב מוקדם של סוכרת, FAO מוגבר על ידי שטף FA מוגבר, וייצור ROS מיוחס ל-FAO, במיוחד לדליפת אלקטרונים בפלבופרוטאין העברת אלקטרונים המעביר אלקטרונים מ-acyl-CoA dehydrogenases לקואנזים Q [57]. עם זאת, FAO יורד בסופו של דבר בסוכרת מבוססת כפי שתואר קודם לכן [51,58].

תאים צינוריים בחולים עם DKD חשופים ככל הנראה לאלבומין הקשור לחומצות שומן מאחר שדיסליפידמיה ופרוטאינוריה מתלווים לרוב לסוכרת. בעוד שהאלבומין עצמו יכול לגרום לנזק לתאים צינוריים בספיגתו מחדש, הוכח כי אלבומין הקשור ל-FA גורם לנזק צינורי חמור יותר [59,60]. ציטוטוקסיות הנגרמת על ידי FA או אלבומין מסוכרר הוכחה כמתווכת על ידי ספיגה דרך אשכול החלבון של דיפרנציאציה 36/FA טרנסלוקאז (CD36/FAT) בגבול המברשת בבני אדם, בניגוד לספיגה חוזרת של אלבו מין דרך קומפלקס של מגלין, קובילין וחסר מי שפיר [61]. בנוסף לספיגה מחדש, הסינתזה של FA מווסתת גם [62,63]. FAs מאושרים על ידי סינתטאז של acyl-CoA (LC-CoA) ארוכות שרשרת (ACSL), אשר מווסתת הן בדגמי db/db של עכברים והן בדגימות כליות DKD אנושיות [64,65]. LC-CoA מועבר למיטוכונדריה באמצעות CPT1 ו-CPT2 כדי לייצר ATP באמצעות FAO ו-LC-CoA לא מבוקע או מאוחסן בטיפות שומנים כדי למנוע רעילות שומנים. כאשר יכולת החציצה רוויה, LC-CoA משמש כמעכב של מחליף Na+/H+ 1 (NHE1) ו-phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate [PI(4,5)P2] הקישור כדי לגרום לאפופטוזיס בצינורית פרוקסימלית תאים [66].

שיפור גנטי ותרופתי של FAO יכול לייצג אסטרטגיית טיפול טיפולית חדשה עבור חולים עם DKD. ביטוי טרנסגני של PCG1 וטיפול ב- fenofibrate שיפר אפופטוזיס של תאים צינוריים באמצעות שחזור של CPTs ו/או acyl-CoA oxidases [58,67].

4.2. היפוקסיה

ידוע כי היפוקסיה טובולית-בין-מערכתית היא מסלול נפוץ אחרון להתקדמות CKD [48]. ללא קשר לגורם המחלה, היפוקסיה יכולה להתרחש עקב ירידה באספקת החמצן דרך זרימת הדם בגלל הפרעה בהרחבת כלי הדם, אובדן כלי דם, פיברוזיס, אנמיה, ביקוש מוגבר לחמצן עקב ספיגה מחדש של מומסים, וייצור ATP לא יעיל בגלל ניתוק מיטוכונדריאלי, שהם המנגנונים המשותפים ב-CKD.

לאחרונה נחשף המנגנון שבו היפוקסיה חריפה גורמת לייצור mtROS ב-ETC [68]. היפוקסיה חריפה מעוררת שינוי קונפורמטיבי במתחם I, המוביל להפעלה של מחליף Na+/Ca2+ בממברנה המיטוכונדריאלית הפנימית. Na+ מיובא לתוך המטריצה ​​לאחר מכן מקיים אינטראקציה עם פוספוליפידים כדי להפחית את נזילות הממברנה, וכתוצאה מכך חוסר היכולת של יוביקינון חופשי לנוע בין קומפלקס II לקומפלקס III. לפיכך, קומפלקס III מייצר ROS.

היפוקסיה נחשבה זמן רב למדכא ישיר של OXPHOS מכיוון שחמצן חיוני כמקלט אלקטרונים ב-ETC. עם זאת, כדי להאט את OXPHOS בצורה חריפה וישירה, ריכוז החמצן צריך להיות נמוך כמו 0.3% [69]. בהיפוקסיה קלה וממושכת יותר, HIF1 פועל כמתווך לדיכוי OXPHOS ולהגברת הגליקוליזה על מנת למנוע ייצור ROS. HIF1 משנה מתחמי ETC ומקדם שינויים מטבוליים מ-OXPHOS אירובי לגליקוליזה אנאירובית [69]. עם זאת, בהיפוקסיה כרונית, שינויים אלה מגבילים את היכולת המיטוכונדריאלית לייצר ATP ויכולים לגרום למחסור ב-ATP, שעלול להוביל לציטוטוקסיות.

4.3. איתות אנדותלין-1 (Edn1)/Edn1 סוג A (אנדרה)

אנדותלין-1 (Edn1) אופיינה לראשונה כמולקולת איתות המשתחררת על ידי פודוציטים ב-FSGS המושרה על ידי TGF- - [49]. באופן מפתיע, Edn1 גורם ל-mtROS, מקטין את יכולת הנשימה הרזרבה וגורם לנזק ל-mtDNA בתאי האנדותל באמצעות הפעלה של קולטן Edn1 מסוג A (Ednra), אבל זה לא נראה בפודוציטים. מסלול זה גורם לפירוק של גליקוזאמינוגליקן בשכבת פני השטח של האנדותל, מה שמוביל לאובדן הפנסטרציה [70]. מעניין לציין שהפעלת EDNRA בתאי אנדותל נדרשת גם למחיקה של תהליך כף הרגל של פודוציטים ואפופטוזיס [49].

התפקיד הדומה של mtROS ו-EDNRA בתאי אנדותל ו-Edn1 מתואר גם ב-DKD [50]. מחזור ה-Edn1 גדל בבני אדם ועכברים חולי סוכרת [50,71]. יש לציין כי Ednra לא ניתן לזיהוי בגלומרולי של כליות אנושיות בריאות או עכברי C57BL/6J עמידים ל-DKD, אלא היה קיים באלו של כליות DKD אנושיות ועכברי DBA/2J סוכרתיים. ניתן היה לגרום ל-Ednra בפודוציטים שטופלו בגלוקוז גבוה, אך פודוציטים אלו לא ביטאו את Edn1, מה שמרמז על סוגי תאים או גירויים אחרים במפל האיתות הזה [50]. לפיכך, איתות Edn1/Ednra הוא קריטי בדיבור הדדי בין פודוציטים ותאי אנדותל באמצעות תפקוד לקוי של המיטוכונדריה ב-FSGS ו-DKD.

מסלול כלי דם נוסף, מערכת רנין-אנגיוטנסין-אלדוסטרון (RAAS), ידוע גם כמשתתף בהתקדמות CKD, כולל ב-DKD. מלבד ההשפעות המזיקות של עלייה בלחץ הדם הסיסטמי והאינטרגלומרולרי, נמצא כי טיפול באנגיוטנסין II מחמיר את ייצור mtROS ואת פיצול המיטוכונדריאלי בפודוציטים הן in vivo והן במבחנה, אשר ניתן להיפוך על ידי מיטוקווינון, נוגד חמצון ממוקד למיטוכונדריה [72].

5. מסקנות

תפקוד לקוי של המיטוכונדריאלי ממלא תפקיד מרכזי בהתפתחות והתקדמות של DKD. לפיכך, התמקדות בתפקוד לקוי של המיטוכונדריה ב-DKD יכולה לייצג אסטרטגיה טיפולית חדשה עבור חולים עם DKD. עם זאת, כפי שניתן ללמוד ממחקרים שחקרו את ההשפעה המיטיבה של מתן נוגדי חמצון מערכתיים כטיפול ב-DKD, נראה שהתערבות בתפקוד לקוי של המיטוכונדריה צריכה להיות ספציפית לסוג התא ולהקשר. פרספקטיבה מסקרנת נוספת היא הבדלים הקשורים לגיל ולמין בתפקוד לקוי של המיטוכונדריה ב-DKD. למרות שגיל הוא גורם חשוב המשפיע על תפקוד המיטוכונדריה ועל התפתחות והתקדמות DKD, לא הרבה ידוע על המנגנונים המדויקים. במונחים של מין, הבדל רב נצפה בין זכרים ונקבות במיטוכונדריה של רקמות מסוימות, ואסטרוגן ואולי טסטוסטרון יכולים לתווך ביו-אנרגטי מיטוכונדריאלי כלייתי.73]. יש צורך במחקרים נוספים כדי להבהיר את המנגנונים המדויקים המובילים לתפקוד לקוי של המיטוכונדריה ב-DKD, במידה שניתן ליישם את הממצאים קלינית על מטופלים ולשנות את הפרוגנוזיות שלהם.

תרומות מחבר:המשגה, MI, MZG ו-AF; כתיבה-מקורי טיוטה הכנה, MI; כתיבה-סקירה ועריכה, MI, SM ו-AF כל המחברים קראו והסכימו לגרסה שפורסמה של כתב היד.

מימון:MI נתמך על ידי קרן Manpei Suzuki Diabetes. AF ו-SM נתמכים על ידי מענקים של המכון הלאומי לבריאות R01DK117599, R01DK104753 ו-R01CA227493. AF נתמך גם על ידי U54DK083912, UM1DK100846, U01DK116101 ו-UL1TR000460 (מכון מיאמי למדעי התרגום הקליני).

הצהרת ועדת הביקורת המוסדית:לא ישים

.Iהצהרת הסכמה מפורשת:לא ישים.

הצהרת זמינות נתונים:לא ישים.