Piroptoza kod bolesti bubrega

Kontakt: emily.li@wecistanche.com

Yujia Wang, Yinshuang Li i Yanfang Xu1

Sažetak

U posljednjih nekoliko desetljeća interferencija apoptoze smatra se klinički irelevantnom u kontekstu oštećenja bubrega. Nedavno otkriće programirane nekrotične stanične smrti, uključujući nekroptozu, feroptozu i piroptozu, osvježilo je naše razumijevanje uloge stanične smrti ububregbolest. Piroptozu karakterizira litički proupalni tip stanične smrti koja je posljedica permeabilizacije membrane izazvane gasderminom putem aktivacije upalnih kaspaza i inflamasoma. Molekularni obrasci povezani s opasnošću (DAMP), alarmini i proupalni citokini nekontrolirano se oslobađaju iz piroptotičnih stanica, što izaziva upalu, što rezultira sekundarnim ozljedama organa ili tkiva. Kaspaze i proteini povezani s aktivacijom upale i efektorski proteini koji stvaraju pore, poznati kao GSDMD i GSDME, uključeni su u niz akutnih i kroničnih mikrobnih i nemikrobnihbubregbolesti. Ovdje dajemo pregled nedavnih napredaka u patološkim mehanizmima piroptoze ububregbolesti istaknuti potencijalne terapijske strategije u budućnosti.

Kliknite ovdje da saznate više o načinima liječenja bolesti bubrega

Uvod

Programirana stanična smrt (PCD) igra ključnu ulogu u razvoju višestaničnih organizama i održavanju odraslih tkiva. Za razliku od slučajne stanične smrti (npr. nekroze) koja je trenutna, katastrofalna i nekontrolirana, PCD je strogo reguliran, što dopušta farmakološke i genetske modulacije.1 Tijekom posljednjih nekoliko desetljeća identificirani su različiti oblici PCD-a, uključujući neupalne procesi (npr. apoptoza) i visoko upalni procesi (npr. piroptoza i nekroptoza). Osim po prisutnosti ili odsutnosti upale, apoptozu i piroptozu možemo razlikovati i po morfologiji. Karakteristične morfološke promjene apoptoze uključuju skupljanje stanica, stvaranje mjehurića na membrani, stvaranje apoptotičkih tijela i fragmentaciju DNA, ali neupalnioslobađanje sadržaja.2 Nasuprot tome, piroptoza karakterizira oticanje stanica, ruptura membrane i nekontrolirano oslobađanje upalnog sadržaja. Nekroptoza ima zajedničke karakteristike s piroptozom, uključujući očitu upalu i gubitak cjelovitosti membrane.3

Iako su i piroptoza i apoptoza ovisne o kaspazi, specifični članovi obitelji kaspaza uključeni su potpuno različiti. Apoptotičke kaspaze uključuju kaspaze-8/9/10 kao inicijatore i kaspaze-3/6/7 kao izvršitelje,4 dok se piroptoza oslanja na kaspaze-1/4/5/11 u gasderminu D ( GSDMD)-posredovana piroptoza i kaspaze-3 u gasdermin E (GSDME)-posredovanoj piroptozi.5,3 Nekroptoza se odvija putem postupne aktivacije protein kinaze koja interaguje s receptorom-3 (RIPK3) i miješane loze pseudokinaza slična domeni kinaze (MLKL), koju bi mogla inhibirati kaspaza-8. To se razlikuje od GSDM-a u piroptozi, čija je aktivacija ovisna o kaspazi. Odnos između gender mins i MLKL u fiziološkim uvjetima postao je tema od interesa za istraživanje.3 Ferroptoza je sustav kontroliran peroksidacijom koji ne uključuje kaspaze, obično praćen velikom količinom nakupljanja željeza i peroksidacijom lipida.6 Vrlo malo je poznata interakcija između feroptoze i piroptoze.

Sve više eksperimentalnih dokaza podupire hipotezu da je piroptoza značajan čimbenik ububregbolesti. U ovom pregledu raspravljamo o molekularnim mehanizmima piroptoze, postojećim podacima o piroptozi ububregbolestii potencijalne terapije.

Pregled piroptoze

Izvršitelji

Piroptoza se definira kao ovisna o gasderminu jer njen ključni korak stvaranja pora u plazma membrani izvode glavni umovi, što je čini prilično različitom od drugih vrsta PCD-ova. GSDMD je prvi član obitelji gasdermin za kojeg je utvrđeno da je uključen u piroptozu.7-9 GSDMD pune duljine ostaje u autoinhibiranom stanju kroz vezanje C-terminalne domene na N-terminalnu domenu. Nakon cijepanja, N-terminalni fragment GSDMD-a (GSDMD N) može oligomerizirati i formirati pore (s unutarnjim promjerom od 12-14 nm) na plazma membrani,10 što narušava barijeru propusnosti i uzrokuje lizu stanice. Cijepanje GSDMD-a posredovano je kanonskim ili nekanonskim putovima koji uključuju kaspazu-1 odnosno kaspaze-4/5/11.5,11 Piroptoza posredovana GSDMD-om definira se kao ovisna o upali s obzirom da kaspaze-1/4 /5/11 aktiviraju različiti inflamasomi. Nedavne studije otkrile su da cijepanje GSDMD-a također može biti inducirano neutrofilnom elastazom u neutrofilima koji stare,12 i kaspazom-8 u makrofagima tijekom infekcije Yersinijom.13,14

Genetska mutacija GSDME-a, drugog člana obitelji gasdermin, prvo je identificirana kao uzrok autosomno dominantnog nesindromskog gubitka sluha kod ljudi.15 Nedavne studije otkrile su ulogu GSDME-a u piroptozi.16,17 GSDME je visoko izražen u raznim vrstama normalna tkiva; međutim, utišan je u većini tumorskih stanica zbog hipermetilacije promotora, a modulacija njegove ekspresije inhibitorom DNA metiltransferaze poboljšala bi osjetljivost na kemoterapiju.17 Za razliku od GSDMD-a, GSDME se cijepa na GSDME-C i GSDME-N aktiviranom kaspazom{{6 }} i neovisan je o formiranju inflamasoma. Piroptoza posredovana GSDME-om događa se nizvodno od puta mitohondrijske apoptoze, a visoka ekspresija GSDME-a i postojana mitohondrijska propusnost promijenili bi način stanične smrti s apoptoze na piroptozu.18

Ostali članovi obitelji gasdermin, uključujući GSDMA, GSDMB i GSDMC, dijele visoko očuvane gasdermin-N i gasdermin-C domene s GSDMD i GSDME.19 GSDMB se može cijepati i aktivirati granzimom A iz citotoksičnih limfocita.20 Nedavna studija pokazala je da je programirani ligand smrti 1 prebacio apoptozu izazvanu čimbenikom tumorske nekroze (TNF) na piroptozu u stanicama raka, a to je posredovano pojačavanjem transkripcije gena GSDMC. Aktivacija GMC-a bila je inducirana kaspazom-8 nakon tretmana TNF-a, u uvjetima hipoksije.21 Međutim, mehanizam kojim bi se GSDMA aktivirao ostaje neistražen.

Signalni putovi

Piroptoza posredovana GSDMD-om. Piroptoza posredovana GSDMD-om inicira se prepoznavanjem molekularnih uzoraka povezanih s patogenom (PAMPs) i molekularnih uzoraka povezanih s oštećenjem (DAMPs) s naknadnom aktivacijom upale.22 Prvi i najopsežnije proučavani oblik piroptoze posredovane GSDMD-om je kanonski piroptotski put , također poznat kao put ovisan o kaspazi-1. Kaspaza-1 je dugo bila uključena u staničnu smrt, koja je prethodno pogrešno smatrana apoptozom23,24 i nekroptozom.25 Godine 2001., oblik PCD-a koji uključuje kaspazu-1 razlikovao se od apoptoze i nekroptoze svojim upalnim odgovorom i karakterističnu morfologiju uključujući rani gubitak cjelovitosti membrane.26,27

Kao odgovor na invaziju patogena ili imunološki izazov domaćina, receptori za prepoznavanje uzorka (PRR) percipiraju i PAMP i/ili DAMP. U kanonskom piroptotičkom putu, nekoliko PRR-ova kao što su odsutni u receptorima sličnim melanomu 2 (AIM2) (ALR), receptorima sličnim oligomerizacijskoj domeni vezanoj za nukleotide (NOD) (NLR) ili proteinima pirina i premosnim adapterima kao što su povezani s apoptozom proteini slični mrljama (ASC), sastavili bi višeproteinsku platformu (tj. inflamasom) koja regrutira pro-kaspazu-1 i zatim stvara aktivnu kaspazu-1.28 Kao iznimka, NLRC4 se može vezati na članove obitelji NLR proteina inhibitora apoptoze (NAIPs) umjesto ASC-a da bi se formirao inflamasom, a zatim aktivirala prokaspaza-1.29 Aktivirana kaspaza-1 ima aktivnost obrade pro-IL-1b i pro-IL-18 u zrele oblike,30 što piroptozi daje proupalne funkcije, što je razlikuje od apoptoze. Paralelno s procesom upalnih citokina, aktivirana kaspaza-1 cijepa GSDMD i stvara membranske pore22,31,32 (Slika 1). Stvaranje pora na membrani dovodi do poremećaja cjelovitosti stanične membrane, oslobađanja upalnog unutarstaničnog sadržaja i konačno do lize stanice. NLRP3 je najčešće karakteriziran upalamasom.33 NLRP3 reagira na širok raspon stresa, uključujući intracelularne patogene i ekstracitoplazmatske upalne podražaje.34 Tema aktivacije NLRP3 privukla je veliku pažnju, a istraživači su predložili različite mehanizme uključujući oksidirani mitohondrijske DNA, stvaranje mitohondrijskih reaktivnih kisikovih vrsta (ROS), izljev kalija iz stanice i otpuštanje katepsina nakon lizosomske destabilizacije.35 Unatoč godinama intenzivnih napora, točni mehanizmi aktivacije NLRP3 još su predmet rasprave. Zanimljivo je da se NLRP3 može pokrenuti signalizacijom nekroptoze,36-38 što sugerira potencijalno preslušavanje između nekroptoze i piroptoze. Inflamasom AIM2 ponaša se drugačije od NLR inflamasoma budući da može prepoznati i vezati citosolnu dsDNA, koja se može osloboditi tijekom infekcije patogenom39,40 ili generirati u tumorskim stanicama.41,42

U nekanonskom piroptotičkom putu, kaspaza-11 (kod miševa) i kaspaza-4/5 (kod ljudi) odgovorne su za cijepanje GSDMD (Slika 1). Godine 2011., Kayagaki i sur.43 izvijestili su da gubitak kaspaze-11, ali ne i kaspaze-1, može blokirati sazrijevanje i izlučivanje IL-1b izazvano gram-negativnim bakterijama, štiteći tako miševe od endotoksičnog šok. Daljnje studije otkrile su da je lipopolisaharid (LPS), glavni toksin Gram-negativnih bakterija, pokretač nekanonske upale.44,45 Neovisno o PRR-ovima, sama kaspaza-11 može izravno prepoznati LPS vezanjem na lipid Komponenta LPS.46 Aktivirana kaspaza-11 u konačnici je cijepala GSDMD kako bi inducirala piroptozu, slično kanonskom putu. Nedavno je dokazano da ljudska kaspaza-4/5 ima istu funkciju kao mišja kaspaza-11. Poelzl i sur.47 izvijestili su da bi tirozin kinaza 2, kinaza povezana s citokinskim receptorom, mogla funkcionirati kao kritični uzvodni regulator kaspaze-11 i dopuštala nekanoničku aktivaciju inflamasoma tijekom endotoksemije.

Uz ove kanonske i nekanonske piroptotičke putove, nedavne studije bacile su novo svjetlo na piroptozu posredovanu GSDMD-om. Kambara i sur. otkrili da z-YVAD-fmk, inhibitor kaspaze, nije uspio blokirati cijepanje GSDMD-a izazvano neutrofilnim lizatom, sugerirajući da bi cijepanje GSDMD-a neutrofilnim lizatom moglo biti neovisno o kaspazi.12 Nadalje su identificirali da je neutrofilna serin proteaza ELANE cijepač GSDMD-a u neutrofili. Orning i sur.13 i Sarhan i sur.14 došli su do velikog otkrića novog oblika cijepanja GSDMD-a izazvanog kaspazom-8 u makrofagima zaraženim Yersinijom. Ove dvije skupine pokazale su da bi inhibicija transformirajućeg čimbenika rasta (TGF)b-povezane kinaze (TAK1) tijekom infekcije Yersinijom pospješila stvaranje kompleksa stanične smrti koji se sastoji od RIPK1 i kaspaze-8 i potaknula cijepanje GSDMD-a u makrofagu. Nadalje, Demarco i sur.48 otkrili su pojedinosti o uključenosti kaspaze-8 u cijepanje GSDMD-a i pružili uvjerljive dokaze da bi aktivacija GSDMD-a ovisna o kaspazi-8 pospješila letalnost izazvanu TNF-a neovisno o aktivaciji inflamasoma.

GSDME-posredovana piroptoza. Za razliku od drugih članova obitelji kaspaza, kaspaza-3, cijepač GSDME-a, dugo je definirana kao glavni izvršitelj apoptoze i za unutarnje i za vanjske putove. Piroptoza posredovana GSDME-om dijeli iste uzvodne efektore kao i apoptoza, u kojoj oštećenje mitohondrija igra ključnu ulogu (Slika 1). Prekomjerna ekspresija GSDME u tumorskim stanicama prebacuje apoptozu induciranu kemoterapijom na piroptozu.17 Nasuprot tome, kada se ekspresija gena GSDME ukine, makrofagi ostaju u apoptotskoj fazi koju karakteriziraju mjehurići na membrani i stvaranje apoptotičkih tijela, umjesto da uđu u piroptotičku fazu karakteriziranu bubrenjem membrane i baloniranjem.16 Osim utjecaja ekspresije GSDME, Xu i sur.18 otkrili su da trajna tranzicija mitohondrijske propusnosti može potaknuti sklapanje Apaf-1-kaspaze-4/11 piroptosoma koji pokreće GSDME- ovisna o piroptozi, dok permeabilizacija vanjske membrane mitohondrija potiče stvaranje apoptosoma koji inducira apoptozu. Kontroverzno, drugi su istraživači izvijestili da permeabilizacija vanjske membrane mitohondrija uzrokovana BAX/BAK aktivacijom49 ili sklopom Tom20/BAX50 također izaziva piroptozu ovisnu o GSDME-u u tumorskim stanicama. Štoviše, GSDME-N bi mogao permeabilizirati mitohondrije, osloboditi citokrom c iz mitohondrija i pojačati aktivaciju kaspaze-3, tvoreći samopojačavajuću pozitivnu povratnu petlju.51

Piroptoza kod bolesti bubrega

Posljednjih godina, otkriće piroptotičkih signalnih putova proširilo je naše razumijevanje patogeneze bubrežnih bolesti izvan apoptoze. Pojavljujući se kao efektorski mehanizam u urođenim imunološkim odgovorima, piroptoza je prvo primijećena u makrofagima i drugim fagocitima.52 Uloženo je mnogo napora da se utvrdi distribucija i ekspresija pokretača, posebno GSDMD i GSDME, u različitim tkivima i tipovima stanica, koji imaju pokazalo je da piroptoza nije ograničena na fagocite.5 Raznolikostbubregbolestiinducirani mikrobnim i nemikrobnim podražajima obično su karakterizirani smrću bubrežnih stanica i aktiviranim imunološkim odgovorima. Neki pokusi su pokazali da se piroptoza javlja u rezidentnim bubrežnim stanicama i daje veliki doprinos razvoju raznih bubrežnih bolesti. Daljnje studije su razjasnile da piroptoza u infiltrirajućim imunološkim stanicama koje potječu iz koštane srži, a koja je potaknuta smrću bubrežnih stanica, može pogoršati i održavatiozljedaodbubreg. Nedavna istraživanja dodatno su ukazala na ulogu piroptoze kao i povezanih upalnih signalnih putova u nekoliko vrstabubregbolestiuključujući akutnebubregozljeda, dijabetička bolest bubrega, izazvana kristalimabubregbolest, i ozljeda alografta kod transplantacije bubrega. (Tablica 1) (Slika 2)

Akutna ozljeda bubrega (AKI)

Stanična smrt ključni je patološki događaj tijekom razvoja AKI. Apoptoza se prije smatrala odgovornom za patogenezu AKI.53 Međutim, farmakološka inhibicija apoptotskih signalnih putova nije uspjela učinkovito spriječiti ili ublažiti AKI. Nedavni napredak otkrio je ulogu piroptoze u AKI. Godine 2018. Zhang i sur.54 izvijestili su da su kaspaze-4/5/11 potrebne za smrt tubularnih epitelnih stanica izazvanu kontrastom. Nadalje su pokazali da su te upalne kaspaze odgovorne za GSDMD i IL-1b cijepanje u oštećenim tubularnim epitelnim stanicama, što je otkrilo potrebnu ulogu epitelne piroptoze u AKI izazvanoj kontrastom. Miao i sur.55 otkrili su odcijepljeni fragment GSDMD-a Western blot analizom lizata cijelog bubrega u modelima AKI izazvanim cisplatinom i ishemijom-reperfuzijom. Nokaut kaspaze-11 ili GSDMD značajno je zaštitio miševe od AKI izazvane cisplatinom, ali ova analiza nije provedena u modelu ishemije-reperfuzije (I/R). Autori su također promatrali translokaciju GSDMD-N na plazma membranu koju potiče kaspaza-11. Konstruktivan komentar na ovaj rad koji su dali Tonnus et al.56 sugerirao je da je moguća meta GSDMD-N na unutarstaničnim membranama i dodatni rad na podstaničnoj distribuciji odcijepljenog fragmenta GSDMD-a potreban da bi se razumjelo potencijalno važno stvaranje pora u unutarstaničnom organele. Dodatne studije poduprle su doprinos piroptoze posredovane GSDMD-om AKI-u induciranom cisplatinom.57 Naša prethodna studija otkrila je da piroptoza posredovana GSDMD-om djeluje u sinergiji s nekroptozom posredovanom RIPK3/MLKL kako bi se pojačala upalna signalizacija i pojačalo ozljeda tkiva u procesu sepse.58 Mi pronašli su kumulativnu zaštitu protiv sepse izazvane podvezivanjem cekuma i punkcijom kod miševa nakon kombinirane delecije Gsdmd i Ripk3 (ili Mlkl). Ova dva oblika nekroze surađivala su kako bi doprinijela akutnoj ozljedi tkiva uključujući bubrege, pluća, jetru i crijeva, te sustavnoj koagulaciji u životinjskom modelu sepse. Naše studije o transplantaciji koštane srži sugeriraju da su nekroptoza i piroptoza u mijeloidnim i nemijeloidnim stanicama uvelike pridonijele progresiji sepse. Postoji sve veći interes za kombinirane učinke različitih putova stanične smrti u jednom patološkom stanju.59-61 Druga studija o kaskadama koagulacije u sepsi također je naglasila središnju ulogu piroptoze posredovane kaspazom-11/GSDMD-om za inicijaciju diseminirane intravaskularne koagulacije (DIC), pružajući čvrste dokaze za naše nalaze.62 Inhibicija TNF-a, kao i proteina kutije 1 visoke pokretljivosti skupine (HMGB1), mogla bi izvršiti negativnu kontrolu piroptoze posredovane GSDMD-om i pružiti zaštitnu učinke na AKI i akutnu ozljedu jetre uzrokovanu sepsom, ocrtavajući ovaj piroptotični put s regulatornog gledišta.63

Nedavna studija naše istraživačke skupine rasvijetlila je kako je piroptoza posredovana GSDME-om potaknula razvoj ozljede bubrežnih tubula izazvane opstrukcijom uretera i posljedičnu bubrežnu fifibrozu.64 Najprije smo pronašli pojačanu ekspresiju i aktivaciju Casp3 i GSDME u začepljenom bubregu jednostranog uretera model opstrukcije (UUO), što ukazuje na uključenost GSDME-posredovane piroptoze u ovu vrstu ozljede bubrega. Zatim smo potvrdili da je piroptoza posredovana GSDME-om doista odgovorna za AKI nakon UUO i potonje nefropatije uz upotrebu Gsdme / i Casp3-/- miševa. Studije transplantacije koštane srži ukazale su da piroptoza posredovana GSDME-om u infiltrirajućim imunološkim stanicama koje potječu iz koštane srži nije odgovorna za patogenezu opstruktivne nefropatije. Miševi s nedostatkom kaspaze specifični za bubrežne tubularne stanice (RTC) i hematopoetske stanice3-stvoreni su kako bi se dodatno potvrdilo da se piroptoza posredovana GSDME-om javlja u RTC-ovima, ali ne u infiltrirajućim imunološkim stanicama, pretežno doprinosi napredovanju ozljede bubrega i fifibroza izazvana opstrukcijom uretera. Kako bismo istražili upalne molekularne mehanizme u procesu, pratili smo infiltraciju upalnih stanica i proizvodnju proupalnih citokina u bubrezima. Rezultati su pokazali da piroptoza tubularnih stanica može potaknuti izlučivanje HMGB1 i regrutiranje makrofaga i neutrofila nakon UUO. Posebno su druge studije pokazale da piroptoza posredovana GSDME-om može doprinijeti nefrotoksičnosti izazvanoj kemoterapijom.65-66

Vrijedno je napomenuti da je zabilježeno da druge litičke stanične smrti osim piroptoze također doprinose AKI. Uz gore spomenute kolaborativne učinke piroptoze i nekroptoze u AKI izazvanoj sepsom, sve veći broj dokaza podupire ključnu ulogu nekroptoze u AKI izazvanoj određenim podražajima. Linkermann i sur.67 identificirali su značajnu ulogu nekroptoze u AKI izazvanoj ishemijom-reperfuzijom i cisplatinom, budući da RIPK3-nokautirani miševi i primjena inhibitora RIPK1 kinaze nekrostatina (Nec)-1 mogu oslabiti ozljeda bubrega. Naša istraživačka skupina pokazala je da je nekroptoza glavni mehanizam proksimalne tubularne stanične smrti kod nefrotoksičnog AKI izazvanog cisplatinom.68 Naši podaci pokazali su da inhibicija bilo koje od ključnih komponenti nekroptotičnog puta (RIPK1, RIPK3 ili MLKL) bilo genom nokaut ili kemijski inhibitor, mogao bi umanjiti oštećenje proksimalnih tubula izazvano cisplatinom kod miševa. Nasuprot tome, prekomjerna ekspresija RIPK1 ili RIPK3 pojačala je nekroptozu izazvanu cisplatinom in vitro. Također smo identificirali bitne učinke nekroptoze u patofiziologiji IR ozljede i naknadne progresije u kroničnu bubrežnu bolest (CKD), tijekom koje je pokrenuta aktivacija inflamasoma NLRP3.69 Može li aktivacija NLRP3 nekroptozom djelovati uzvodno od piroptotičkog puta u AKI još nije jasno. Osim toga, nekoliko je studija pokazalo da je RIPK1 značajan pokretač aktivacije NF-jB, učinkovitog okidača za NLRP3. U makrofagima inficiranim Yersinijom, RIPK1 je izvršio pozitivnu kontrolu za kaspazom-8-inducirano cijepanje GSDMD, tijekom kojeg je bila inhibirana nekroptoza posredovana RIPK3/MLKL.13 Međutim, RIPK1-kaspaza-8-GSDMD os nije otkriven u bubrežnim stanicama. Zabilježeno je da feroptoza dominira u određenim oblicima AKI, uključujući oštećenje bubrega izazvano cisplatinom70 i rabdomiolizu.71-72 Tonnus i sur.73 otkrili su da bi disfunkcija ključnih sustava za nadzor feroptoze hipersenzibilizirala miševe na tubularnu nekrozu tijekom AKI. Martin-Sanchez, D. et al.74 proučavali su vremenski raspored staničnog odumiranja tijekom razvoja AKI i otkrili da feroptoza i nekroptoza posreduju u prvom odnosno drugom valu stanične smrti kod AKI izazvanog folnom kiselinom (FA). Pokazalo se da je feroptoza odgovorna za iniciranje AKI izazvane FA, a nekroptoza je omogućila da AKI opstane. ROS, proizveden u mitohondrijima tijekom oksidativne fosforilacije ili nakon stresa endoplazmatskog retikuluma (ER), pokreće peroksidaciju lipida — ključni proces feroptoze — i stupa u interakciju sa sustavom glutation (GSH)-glutation peroksidaza 4 (GPX4), koji snažno sprječava feroptozu. Iako nedostaju čvrsti dokazi za detaljnu vezu između feroptoze i drugih PCD-ova, oštećenje mitohondrija i stvaranje ROS-a u feroptozi daju potencijalne naznake za njezino preslušavanje s nekroptozom i piroptozom (Slika 3).

Dijabetička bubrežna bolest (DKD) DKD je patogenetski proces potaknut glukozom koji se javlja u bubrezima dijabetičara. Ključni čimbenici koji reguliraju DKD, uključujući prekomjerni tok glukoze, napredne krajnje produkte glikozilacije (AGEs) i ROS, imaju kritične uloge u procesu piroptoze ili kao induktori upale ili regulatori signalnog puta.75 Među različitim inflamasomima koji može izazvati piroptozu, NLRP3 je bio pod najintenzivnijim istraživanjem u DKD. Toll-like receptor (TLR)2 i TLR4, PRR-ovi uzvodno od aktivacije NLRP3, mogu se regulirati visokom razinom glukoze, a pacijenti s dijabetesom i zatajenjem bubrega pokazuju značajna povećanja ekspresije mRNA TLR2 i TLR4 u perifernoj krvi.76 Stimulacija TLR2 i TLR4 je bitan za aktivaciju NLRP3.77–78 Protein koji djeluje na tioredoksin (TXNIP) pripada sustavu tioredoksina i može se vezati na tioredoksin (TRX), smanjujući inhibitorne učinke TRX-a na oksidativni stres.79 Dobro je utvrđeno da je djelovanje TXNIP kritično za aktivaciju NLRP3 i stanične destruktivne odgovore na različite DAMP-ove uključujući piroptozu.80-82 Dijabetični bubrezi pokazuju povećanu ekspresiju TXNIP-a, a inhibicija TXNIP-a smanjuje ozljedu bubrega izazvanu visokom glukozom, postavljajući TXNIP kao potencijalnu metu za liječenje DKD-a.83,84 ROS je predložen kao zajednički signal za aktivaciju NLRP3 i može aktivirati NLRP3 kroz različite putove, među kojima je put NF-jB najopsežnije proučavan.85 NLRP3 inflamasomi se mogu učinkovito oligomerizirati u svoj aktivni oblik putem signalnog puta NF-jB koji pokreće ROS.86–88 U DKD-u, suzbijanje puta ROS/NF-jB /NLRP3 čini se da smanjuje upalne odgovore i kontrolira razvoj progresivnog bubrega ozljede.89,90 ER stres identificiran je kao još jedan okidač upale NLRP3.91,92 Hiperglikemija može izazvati ER stres u podocitima, tubularnim epitelnim stanicama i mezangijskim stanicama.93-95 Nakon aktivacije, NLRP3 pokreće upalne odgovore obradom kaspaza-1, IL-1b i IL-18, koji pridonose progresiji DKD-a. Nedavna istraživanja pružila su dokaze da inhibicija piroptoze posredovane NLRP3/kaspazom-1-ublažava patološke promjene u bubrezima dijabetičara, što ukazuje na njegov terapijski potencijal u DKD-u.96-98

Piroptoza u različitim rezidentnim stanicama bubrega pridonosi razvoju DKD-a. Poremećaj glomerularnog endotela mijenja glomerularnu permeselektivnost i javlja se u ranoj fazi DKD. Konfokalnom mikroskopijom uočena je djelomična kolokalizacija NLRP3 ili cijepane kaspaze-1 s glomerularnim endotelnim stanicama u histološkim presjecima dijabetičkih ljudskih ili mišjih bubrega.98 Daljnje studije potvrdile su visoko oštećenje glomerularnih endotelnih stanica izazvano glukozom putem piroptoze posredovane GSDMD-om. 99 Podociti se smatraju "najslabijom karikom" u razvoju DKD-a,100, a broj njihovih stanica u visokoj je korelaciji s albuminurijom u bolesnika s dijabetesom.101 Gubitak podocita popratni je fenomen u napredovanju DKD-a, a piroptoza je prijavljena kod biti jedan od najvažnijih mehanizama gubitka podocita. Genetska delecija TXNIP-a ili inhibicija NADPH oksidaze za smanjenje ROS-a, pri čemu oba negativno kontroliraju aktivaciju NLRP3, značajno umanjuje oštećenje podocita izazvano visokim sadržajem glukoze, dajući trag za ulogom piroptoze u gubitku podocita kod dijabetesa.102 Liu et al.103 pronašli su povećanu aktivnost kaspaze-1 i povišene razine IL-1b i IL-18 u podocitima izloženim visokoj glukozi, a Li et al.104 otkrili su cijepani GSDMD-N u podocitima oštećenim visokim sadržajem glukoze, pružajući pouzdanije dokaze za piroptozu u dijabetičkom podocitu. Vrijedno je spomenuti da nekanonski piroptotski put također pridonosi ozljedi podocita kod DKD-a s kaspazom-11/4 uključenom u proces.105 Iako se nekada vjerovalo da se tubularna disfunkcija javlja u kasnijoj fazi DKD-a i razvija kao rezultat ozljede glomerula, čini se da sve više i više istraživanja osporavaju ovu hipotezu, koja je otkrila da se ozljeda tubula može uočiti u ranoj fazi DKD-a i čak imati pokretačku ulogu.106,107 U bubrezima db/db miševa i u HK -2 stanica izloženih uvjetima visoke razine glukoze, os ROS/TXNIP/NLRP3/IL-1b uočeno je da je značajno pojačano regulirana, a blokiranje ove osi ublažilo bi ozljedu tubula.108 Wang i sur.109 otkrili su da su ekspresije TLR4/NF-jB i GSDMD-N povećane u stanicama HK-2 pod visokim sadržajem glukoze i inhibicijom signalizacije TLR4/NF-jB ublažena je piroptoza tubularnih stanica posredovana kaspazom-1/GSDMD-om, što ukazuje da je piroptoza izazvana TLR4/NF-jB sudjelovala u t dijabetička tubularna ozljeda. Važno je napomenuti da piroptoza možda nije jedini važan put stanične smrti kod DKD-a. Ferroptoza,110 nekroptoza111 i apoptoza112 istraživane su u mnogim slučajevima. Međutim, jasna razlika i/ili veza između različitih putova stanične smrti u razvoju DKD-a nije u potpunosti razgraničena.

Bolest bubrega izazvana kristalima

Kristali mogu izazvati ozljede bubrega u rasponu od blagih/prolaznih do teških/nepopravljivih, ovisno o lokalizaciji i dinamici taloženja kristala. Molekularni mehanizmi bubrežnih bolesti izazvanih kristalima ostaju uglavnom nepoznati unatoč znatnim istraživačkim naporima. Probojna studija otkrila je da bi kristali mogli stimulirati aktivaciju NLRP3 i pokazala središnju ulogu inflamasoma u disfunkciji ili bolestima izazvanim kristalima.113 Kasnije je NLRP3/kaspaza-1/IL-1b os identificiran kao glavni uzrok razvoja oksalatne nefropatije114 i kalcij-oksalatne nefropatije,115 pomičući žarište u istraživanju bubrežne bolesti izazvane kristalima s naslaga kristala na upalne reakcije. Kristali koji se talože u bubrežnim arterijama i tubulima mogu aktivirati upalu NLRP3 i inducirati upalu ovisnu o IL- 1b. Kristali kolesterola najčešći su krivci za renovaskularna oštećenja kod renovaskularnih kristalopatija. Dowell i suradnici116 otkrili su da kristali kolesterola mogu aktivirati upalu NLRP3 i potaknuti proizvodnju IL-1b u makrofagima, što je središnje u patogenezi ateroskleroze izazvane kristalima. Tubularne kristalopatije, koje su rezultat taloženja kristala unutar tubularnog lumena, mogu potaknuti i AKI i kronične bubrežne lezije.117 NLRP3 upale su u visokoj korelaciji s AKI i CKD uzrokovanim taloženjem tubularnih kristala. Liu i suradnici118 otkrili su povećanu ekspresiju GSDMD i IL-18 ekspresije u tubularnim stanicama izloženim kristalima kalcijevog oksalata kroz kvantitativne proteomske analize tandem označavanja masovne oznake temeljene na tekućoj kromatografiji i masenoj spektrometriji i identificirali biološka ponašanja povezana s upalnom piroptozom Gene Ontology i Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes obogaćivanje analiza. Daljnji rezultati potvrdili su aktivaciju NLRP3 i piroptozu ovisnu o GSDMD-u u tubularnim epitelnim stanicama u modelima izazvanim kristalima kalcijevog oksalata. Ding i sur.119 također su otkrili povećane razine proteina NLRP3 u bubrežnim homogenatima miševa s nefrolitijazom izazvanom glioksilatom i u HK-2 stanicama izloženim kristalima kalcijevog oksalata monohidrata. Istovremeno povećane razine ekspresije proteina IL-1b i GSDMD primijećene su u tubularnim epitelnim stanicama izoliranim iz bubrega miševa tretiranih glioksilatom, podupirući ideju da su tubularne stanice izložene kristalima podvrgnute piroptozi ovisnoj o GSDMD-u. Velik broj eksperimenata pružio je dokaze za aktivaciju NLRP3 kristalima u imunološkim stanicama, uključujući makrofage i dendritične stanice na različite načine,120-122 što je potvrđeno u nefropatiji izazvanoj kristalima.115,119 Kristali koji se talože unutar tubula također uzrokuju postojane podražaje koji potiču razvoj i progresija CKD. Knauf i sur.114 pokazali su da je osovina NLRP3-IL-1b regulirana prema gore u miševa s oksalatnom nefropatijom, dok su NLRP3-/- miševi bili potpuno zaštićeni od progresivnog zatajenja bubrega izazvanog hranjenjem s prehranom s visokim udjelom topivih oksalata. Druga revolucionarna studija koju su proveli Mulay i suradnici115 prikazala je dublju scenu u kojoj je zatajenje bubrega zbog oksalatne nefropatije snažno ovisilo o osi NLRP3/ASC/kaspaza-1/IL-1b. Ipak, nije bilo izravnog otkrivanja cijepanja GSDMD-a u procesu fifibroze bubrega povezane s kristalima. Primjetno je da drugi oblici PCD-a, uključujući RIPK3-MLKL nekroptotski put123,124 i feroptozu125, doprinose oštećenju bubrega izazvanom kristalima. Još se istražuje jesu li te različite stanične smrti kolaborativne ili neovisne. Učinak vrste kristala i dinamike na staničnu sudbinu bubrežnih stanica također je od izuzetnog interesa.

Ozljeda alografta kod transplantacije bubrega

Transplantacija bubrega ostaje optimalna opcija za bolesnike sa završnom fazom bubrežne bolesti (ESRD). S obzirom na sve veću populaciju kojoj je potrebna transplantacija bubrega tijekom posljednjih desetljeća, sve veća pozornost pridaje se ozljedama alografta i kod davatelja i kod primatelja. HMGB1 bi se mogao osloboditi iz stanica koje su podvrgnute piroptozi.3 Kru¨ger i sur.126 otkrili su da su tubuli bubrega preminulog, ali ne i živog donora, pozitivno obojeni na HMGB1. Nadalje su pokazali da HMGB1 može stimulirati proupalne odgovore putem TLR4, što je pridonijelo upali presatka i sterilnoj ozljedi nakon hladnog čuvanja i transplantacije. Thierry et al.127 otkrili su povišeni HMGB1 u mokraći već 30 minuta nakon reperfuzije nakon transplantacije ljudskog bubrega i obratili su se na njegovu moguću ulogu kao urođenog imunološkog medijatora u takvoj ozljedi. Zabilježeno je povećanje upalnih citokina IL-1b kod darivatelja organa koji su bili mrtvi,128,129 što vjerojatno ukazuje na uključenost piroptoze u proces ozljede organa. Istraživači su uložili intenzivne napore kako bi proučili aktivaciju inflamasoma kod disfunkcije alografta. Design i sur.130 otkrili su da genetske varijante u genu NLRP3 utječu na rizik od akutnog odbacivanja nakon transplantacije bubrega. Wu i sur.131 pokazali su da su miševi s nedostatkom TLR adapterskog proteina MyD88 bili zaštićeni i od akutnog i od kroničnog odbacivanja alografta i povećali svoje preživljavanje nakon transplantacije u usporedbi s kontrolama divljeg tipa. Druga je studija objavila da nedostatak MyD88 kod donora inhibira ekspresiju upalnih citokina i ER stres, te je povezan s poboljšanom funkcijom presatka i produljenim preživljavanjem alografta.132 Nadalje, nedavna studija otkrila je da bi inhibitor NLRP3 Mcc950 mogao ublažiti oštećenje tubula i poboljšati funkciju alografta u bubrežnom model transplantacije. Smanjena aktivacija kaspaze-1 i razine GSDMD-N primijećene su nakon liječenja Mcc950.133 Ovi rezultati daju naznake za uključenost piroptoze u ozljedu alografta kod transplantacije bubrega.

Potencijalne terapije usmjerene na piroptozu za bubrežnu bolest

Inhibicija piroptoze S obzirom na važnu ulogu piroptoze u unutarnjim bolestima, modulacija ovog procesa je od velike brige. Potencijalni ciljevi u piroptotici

put uključuje inflamasome, kaspaze, pokretače i IL-1b (Slika 4). Nekroupala izazvana imunološkim odgovorom na nekrozu uključujući nekroptozu, feroptozu i piroptozu dovodi do ozljede tkiva. Linkermann i sur.134,135 istaknuli su klinički značaj ciljanja nekroinflamacije kod ozljede bubrega. Utvrđeni podražaji mogu pokrenuti više od jednog puta stanične smrti u ozlijeđenim stanicama i tkivima, potencijal kombiniranih ciljanih strategija na različitim putovima stanične smrti privukao je povećano zanimanje.

Ciljanje NLRP3 inflamasoma. NLRP3 infflamasomi teku uzvodno od kaspaze-1/GSDMD-posredovane piroptoze i nekoliko lijekova usmjerenih na NLRP3 razvijeno je s različitim mehanizmima inhibiranja.136 Mcc950 je snažan i selektivan malomolekularni inhibitor za NLRP3 čiji je terapeutski potencijal procijenjen u nekoliko Sindromi povezani s NLRP3-.137 U mišjem modelu kristalne nefropatije izazvane dijetama bogatim oksalatom ili adeninom, Mcc950 značajno je smanjio aktivaciju inflamasoma u bubrežnim dendritskim stanicama i naknadne IL-1b i IL{{13} } proizvodnja. Ovaj inhibitor NLRP3 također je učinkovito spriječio bubrežnu fibrozu izazvanu kristalima.138 BAY 11-7082, za koji je prvobitno objavljeno da inhibira fosforilaciju IjBa i aktivaciju NF jB,139 identificiran je kao inhibitor NLRP3 ATPaze. Juliana i suradnici140 razjasnili su da BAY 11-7082 inhibira aktivaciju inflamasoma NLRP3 u makrofagima s pripremom LPS-a neovisno o njegovom učinku na NF-jB i sprječava NLRP3- induciranu formaciju ASC piroptosoma inhibicijom aktivnosti NLRP3 ATPaze. Kod miševa hranjenih hranom s visokim udjelom masti i fruktoze, BAY 11-7082 je oslabio dijetom izazvano povećanje ekspresije upale NLRP3, što je rezultiralo inhibicijom aktivacije kaspaze-1 i interleukina (IL){{33} }b i IL-18 proizvodnja u jetri i bubrezima. Kronična primjena BAY-a 11-7082 značajno je ograničila oštećenje bubrega izazvano dijetom poboljšanjem omjera albumina i kreatinina.141 U štakorskom modelu dijabetičke nefropatije, utvrđeno je da je liječenje BAY-om 11-7082 značajno oporavilo histološku arhitekturu bubrega i normalizirane razine upalnih citokina uključujući IL- 1b, podržavajući renoprotektivni učinak BAY-a 11-7082 za DKD.142 b-hidroksibutirat (BHB), proizveden tijekom nedostatka energije ili dijete s niskim udjelom ugljikohidrata, inhibirao je aktivaciju NLRP3 i spriječio bubrežnu fifibrozu izazvanu nefrokalcinozom.143 Međutim, zaštitni učinci nisu bili nužno posredovani intrarenalnim otpuštanjem IL-1, a ostaje da se razjasni utječe li BHB na piroptozu. Za druge inhibitore NLRP3, uključujući fluoro fenidon144 i tranilast145, objavljeno je da imaju renoprotektivnu ulogu u modelu unilateralne ureteralne opstrukcije (UUO), dok je molekularni mehanizam koji leži u osnovi piroptoze još uvijek nejasan.

Ciljanje na piroptotičke kaspaze. Inhibitori piroptotičkih kaspaza su pod intenzivnim istraživanjem. Ac-YVAD-CMK, inhibitor kaspaze-1, može ublažiti oštećenje bubrežne funkcije u modelu AKI štakora146 i smanjiti piroptozu glomerularnih endotelnih stanica u modelu miša dijabetičke nefropatije.99 VX-765, još jedna kaspaza{{ 6}} inhibitor, bio je dovoljan da smanji populaciju proupalnih makrofaga u kasnijoj fazi UUO.147 Chu i sur.148 pokazali su da je oksidirani fosfolipid 1-palmitoil-2-arahidonski noil-sn-glicerol{{ 13}}fosforilkolin (oxPAPC) mogao bi se vezati izravno na kaspazu-4 i kaspazu-11, natjecati se s vezanjem LPS-a i posljedično inhibirati piroptozu izazvanu LPS-om, pružajući nove dokaze za točnu ulogu oxPAPC-a u upalnom odgovoru . oxPAPC i njegovi derivati ​​mogli bi pružiti novi uvid u terapije usmjerene na nekanoničku piroptozu. Choi i sur.149 izvijestili su da je član 1 obitelji serpina B (SERPINB1) ograničio aktivnost kaspaze-1/4/5/11 potiskivanjem njihove oligomerizacije domene regrutiranja kaspaze (CARD) i enzimatske aktivacije, otkrivajući novi mehanizam kontrolne točke za upalne kaspaze. SERPINB1 je surađivao s Forkhead box proteinom O1 (FoxO1) kako bi ublažio oksidativni stres izazvan proizvodnjom ROS-a kod DKD-a.150 Međutim, terapijski potencijal ciljanja ovog proteina kontrolne točke još je u fazi istraživanja.

Ciljni mozak. Identifikacija nalogodavaca kao izvršitelja piroptoze budi novu nadu za ciljanu terapiju bolesti povezanih s piroptozom. Hu i sur.151 izvršili su biokemijski probir visoke propusnosti i identificirali disulfiram kao učinkovit inhibitor stvaranja GSDMD pora. Druga je studija pokazala da disulfiram može poboljšati smrtnost izazvanu GSDMD-om u mišjoj sepsi.152 Osim toga, disulfifiram također negativno kontrolira nekroptozu vežući MLKL.153 Sigurnosni profil disulfirama kod ljudi dobro je utvrđen tijekom šest desetljeća i ponovnom namjenom ovog starog lijeka za bubrežne bolesti je obećavajuće. Inhibitor izveden iz GSDMD-a, Ac-FLTD-CMK, može inhibirati cijepanje GSDMD-a kaspazama -1/4/5/11 izravnim vezanjem na katalitičku regiju tih kaspaza, čime se suzbija piroptoza nizvodno od kanonskih i nekanonskih putova .154 Studija iz 2020. pokazala je da je priljev kalcija (Ca)2 plus preduvjet za funkciju GSDMD-N, a magnezij (Mg)2 plus blokirao je priljev Ca2 plus inhibicijom Ca2 plus kanala P2X7 upravljanog ATP-om, čime se ometa funkcija GSDMD-N i inhibiranje LPS-inducirane nekanonske piroptoze. Ovi rezultati sugeriraju potencijalnu kliničku primjenu dodatka magnezija za liječenje sepse.155

Ciljanje IL-1. IL-1 je postao žarište istraživanja za strategije imunomodulacije usmjerene na bolesti povezane s upalom. Konkretno, ljudsko IL-1b monoklonsko protutijelo canakinumab je pod intenzivnim istraživanjem. Studija CANTOS (Canakinumab Anti-Inflammatory Thrombosis Outcomes Study) procijenila je učinkovitost kanakinumaba u 10 061 bolesnika s prethodnim infarktom miokarda i visokoosjetljivom razinom C-reaktivnog proteina od 2 mg/L.156 Pod-analiza CANTOS podataka pokazala je da je inhibicija IL-1b s kanakinumabom smanjila stope velikih štetnih kardiovaskularnih događaja među visokorizičnim pacijentima s aterosklerozom i KBB-om, posebno među onima sa snažnim protuupalnim odgovorom na početno liječenje, što ukazuje na korisnost razvoja protuupalnih lijekova u KBB.157

Sinkronizirana regulacija različitih PCD-ova

Nedavno se više pozornosti posvećuje preslušavanju i koordinaciji različitih PCD-ova u određenim bolestima. Kolaborativni učinci piroptoze posredovane GSDMD-om i nekroptoze posredovane MLKL-om otkriveni su u AKI58 i upalnim bolestima crijeva.59 Nadalje, predložen je novonastali koncept nazvan PANoptoza za opisivanje ko-regulacije između piroptoze, nekroptoze i apoptoze.158 Z-DNA vezni protein 1 (ZBP1), beta-aktivirana kinaza 1 transformirajućeg faktora rasta (TAK1), domena smrti povezana s FS7-antigenom površine stanice (Fas) (FADD) i kaspaza-8 mogu surađivati ​​u djeluju kao glavni regulatori za PAnoptozu u orkestriranju višestrukih puteva stanične smrti.159,59-61 Tonnus et al.73 generirali su kombinirani inhibitor malih molekula (Nec-1f) koji istovremeno cilja na RIPK1 i feroptozu i dokazao svoje zaštitne učinke u AKI. Ova otkrića postavljaju temelj za učinkovite terapijske pristupe ciljanju višestranih putova stanične smrti kod bolesti bubrega.

Zaključci

Skupina dokaza ukazuje na ključnu ulogu piroptoze u bolesti bubrega i otkriva niz čimbenika uključenih u piroptozu kao što su NLRP3, kaspaza-1, GSDMD i IL-1, koji bi mogli biti genetski modulirani i/ili farmakološki za terapijsku upotrebu. Dokazano je da kanonska piroptoza posredovana GSDMD-om ima središnju ulogu i ima potencijal kao terapeutska meta u raznim bubrežnim bolestima, uključujući AKI, DKD, kristalima izazvanu bubrežnu bolest i ozljedu alografta kod transplantacije bubrega. Nalazi o nekanonskoj piroptozi posredovanoj GSDMD-om, koju stimulira LPS, otvorili su novi put za liječenje oštećenja organa izazvanih sepsom. A nedavno otkriće piroptoze posredovane GSDME-om kao ključnog regulatora AKI-a i naknadne progresije AKI-CKD pruža nove uvide u upravljanje AKI-om i prevenciju KBB-a. Osim toga, sinkronizirana regulacija višestrukih putova stanične smrti može pokazati povoljnije učinke na bubrege, budući da određeni podražaji obično induciraju više od jednog puta smrti.

Unatoč tome, naše razumijevanje piroptoze u kontekstu bolesti bubrega još uvijek je ograničeno. Objavljene studije o piroptozi kod bolesti bubrega temeljene su na ograničenom broju pokusa na životinjama i stanicama. Reprodukcija trenutačnih podataka, kao i prijevod eksperimentalnih podataka u klinička okruženja još uvijek su potrebni. Mehanizmi uvida u različite piroptotične putove pod različitim okolnostima stresa i/ili u različitim tipovima bubrežnih stanica, kao i preslušavanje i međuigra između piroptoze i drugih oblika stanične smrti, još uvijek su uglavnom nepoznati. Od velike je važnosti daljnje istraživanje piroptotičkih mehanizama kao i orkestracije različitih PCD-ova u bubrežnoj patofiziologiji, što bi pomoglo iskoristiti potencijal ciljanih terapija za rješavanje kliničkih dilema i razbijanje kliničkog uskog grla u bubrežnim bolestima.

Iz: 'Piroptoza kod bolesti bubrega' odYujia Wang, Yinshuang Li i Yanfang Xu1

---Časopis za molekularnu biologiju