Ricerca Cistanche: modulatori epigenetici farmacologici della fosfatasi alcalina nella malattia renale cronica, parte 1
Mar 12, 2022
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Mathias Haarhausa,b,c, Dean Gilhamd, Ewelina Kulikowskid, Per Magnussonb, e Kamyar Kalantar-Zadehe,f,g
Scopo della revisione
Inmalattia renale cronica, il disturbo di diversi meccanismi di regolazione metabolica provoca un invecchiamento precoce, acceleratomalattia cardiovascolaree mortalità. Gli interventi a bersaglio singolo hanno ripetutamente fallito nel migliorare la prognosi della malattia renale cronica pazienti.Epigeneticagli interventi hanno il potenziale per modulare diversi processi patogenetici contemporaneamente.Fosfatasi alcalinaè un robusto predittore di malattie cardiovascolari e mortalità per tutte le cause ed è implicato nei processi patogeni associati alle malattie cardiovascolari inmalattia renale cronica.
Recenti scoperte
Negli studi sperimentali,epigeneticomodulazione dialcalinofosfatasidimicroRNAo l'inibizione delle proteine bromodominio ed extraterminale (BET) ha mostrato risultati promettenti per il trattamento delle malattie cardiovascolari e di altre malattie metaboliche croniche. L'inibitore BETapabetaloneè attualmente in fase di valutazione per la riduzione del rischio cardiovascolare in uno studio clinico di fase III in pazienti con malattie cardiovascolari ad alto rischio, compresi i pazienti con malattia renale cronica (Identificatore ClinicTrials.gov: NCT02586155). Gli studi di fase II dimostrano unalcalinofosfatasi-potenziale di abbassamento diapabetalone, che è stato associato a un miglioramento degli esiti cardiovascolari e renali.
Riepilogo
Fosfatasi alcalinaè un predittore di malattie cardiovascolari e mortalità inmalattia renale cronica. Epigeneticamodulazione difosfatasi alcalinaha il potenziale per influenzare diversi processi patogenetici nella malattia renale cronica e quindi migliorarecardiovascolarerisultati.
Parole chiave:
funzionalità renale, fosfatasi alcalina, apabetalone, malattia renale cronica, epigenetico, microRNA, calcificazione vascolare.
introduzione
La malattia renale cronica (malattia renale cronica) è uno stato di squilibrio di diversi importanti meccanismi fisiologici regolatori, tra cui l'equilibrio minerale, l'equilibrio acido-base, l'equilibrio nutrizionale e l'equilibrio energetico, con conseguente malattia cardiovascolare accelerata (malattia cardiovascolare) e mortalità . Inoltre, malattia renale cronica è anche associato all'infiammazione cronica e assomiglia a un modello per l'invecchiamento precoce [1,2]. Nella malattia renale cronica, numerosi percorsi sono sovraregolati associati a immunità e infiammazione, stress ossidativo, disfunzione endoteliale,calcificazione vascolaree coagulazione [3]. farmacologicoepigeneticola modulazione ha il vantaggio di prendere di mira diversi processi correlati alla malattia contemporaneamente. A causa della sua espressione in molteplici tessuti e organi, che è sovraregolata in risposta a diversi stimoli patogeni,fosfatasi alcalina (alcalinofosfatasi, EC 3.1.3.1) può essere un bersaglio adatto perepigeneticomodulazione (Fig. 1).
FIGURA 1.Fosfatasi alcalinaè espresso in modo ubiquo; tuttavia, il contributo difosfatasi alcalinadai diversi tessuti a quello circolantefosfatasi alcalinal'attività può variare. In condizioni sane, le isoforme epatiche e ossee dell'isozima non specifico del tessutofosfatasi alcalinacostituiscono circa il 50 per cento ciascuno del totale circolantefosfatasi alcalinaattività. Intestinofosfatasi alcalinapuò comprendere fino al 10 per cento della circolazionefosfatasi alcalinaattività nei soggetti con gruppo sanguigno B o 0, ma inferiore al 3% nei soggetti con gruppo sanguigno A. Circolazionefosfatasi alcalinapredice esiti correlati alla malattia, ad esempio malattie cardiovascolari o mortalità, ma fino a che puntofosfatasi alcalinaderivato da specifici tessuti contribuisce alla circolazione totalealcalinofosfatasil'attività in condizioni patologiche rimane in gran parte indeterminata. Progettato da Macrovector e Brgfx-Freepik.com.
cistancePoterecurare le malattie renaliOttimizzarefunzione renale
PUNTI CHIAVE
Circolantealcalinofosfatasiè un robusto indicatore di rischio per malattie cardiovascolari e mortalità per tutte le cause nella popolazione generale e malattia renale cronica.
Fosfatasi alcalinaè espresso in modo ubiquitario ed è coinvolto in diversi processi fisiopatologici associati a complicanze cardiovascolari nella malattia renale cronica, ad esempio,calcificazione vascolare, infiammazione cronica, stress ossidativo e fibrosi.
BET inibitori emicroRNAsonoepigeneticomodulatori con il potenziale di mirare simultaneamente a diversi meccanismi patogeni sovraregolati nelle malattie croniche.
Il romanzoepigeneticomodulatoreapabetaloneprende di mira i processi patogenetici associati all'induzione dialcalinofosfatasie migliora la prognosi cardiovascolare nei pazienti ad alto rischio, compresi i pazienti con malattia renale cronica mentre si abbassa la circolazionealcalinofosfatasiattività.
Cistanchepuò migliorarefunzioni renalied evitaremalattia renale cronica.
FOSFATASI ALCALINAIN SALUTE E MALATTIA
Fosfatasi alcalinaè un enzima espresso in modo ubiquo che catalizza la rimozione idrolitica dei gruppi fosfato dai composti biochimici [4]. Nell'uomo sono noti quattro diversi isoenzimi. L'isoenzima non specifico del tessuto (TN-alcalinofosfatasi) è espresso in diversi organi, ad esempio ossa, fegato, reni, cervello, sistema cardiovascolare e leucociti, mentre gli isoenzimi tessuto-specifici sono espressi nell'intestino (I-fosfatasi alcalina), la placenta e il testicolo (cellule germinalialcalinofosfatasi) [5]. Nella maggior parte degli individui sani, circolante totalealcalinofosfatasi l'attività è composta da circa il 50 percento delle isoforme ossee di TN-alcalinofosfatasi(B-alcalinofosfatasi) e una percentuale uguale di TN- specifico del fegatoalcalinofosfatasiisoforme. Tuttavia, nei pazienti con gruppi sanguigni B e 0, I-fosfatasi alcalinapuò contribuire fino al 10 per cento della circolazionealcalinofosfatasiattività. Negli individui con gruppo sanguigno A, I-alcalinofosfatasicontribuisce per meno del 3 per cento del totalealcalinofosfatasiattività, poiché i globuli rossi del gruppo sanguigno A si legano a I-alcalino fosfatasiin circolazione.alcalinofosfatasiè un ectoenzima attaccato allo strato esterno delle membrane cellulari. Viene rilasciato in circolazione come omodimero solubile e eliminato dalla circolazione attraverso i recettori epatici dell'asialoglicoproteina dopo la desalilazione mediante neuraminidasi circolante [6–8].
FIGURA 2. Riepilogo dei meccanismi che legano la defosforilazionefosfatasi alcalinaai processi normali e fisiopatologici. LPS, lipopolisaccaridi; MMP, metalloproteinasi; OPN, osteopontina; Pi, fosfato; PL, piridossale; PLP, piridossalfosfato; PPi, pirofosfato.
TN-alcalinofosfatasiè coinvolto nella regolazione della biomineralizzazione, dell'infiammazione, dello stress ossidativo, della disfunzione endoteliale, della fibrosi e dell'ipertrofia cellulare [9&,10-12]. TN-fosfatasi alcalinadefosforila i composti della matrice extracellulare in modo abbastanza aspecifico. Funzioni biologiche note dialcalinofosfatasicomprendono l'inattivazione degli inibitori della calcificazione, la defosforilazione dei nucleotidi nella segnalazione purinergica, l'attivazione delle metalloproteinasi della matrice (MMP) e la regolazione locale del metabolismo della vitamina B6 (Fig. 2). IO-Alcalinofosfatasicontribuisce alla regolazione del microbioma intestinale, all'assorbimento dei nutrienti e alla risposta immunitaria sistemica [5].
FIGURA 3. La cromatina è composta da DNA e proteine che generano una struttura compatta fondamentale per il confezionamento e la stabilità dei cromosomi eucariotici. I componenti proteici primari sono gli istoni, attorno ai quali il DNA viene avvolto per formare un nucleosoma.Epigeneticacomporta modifiche covalenti alla cromatina che non influenzano la sequenza del DNA sottostante. Le modifiche covalenti alla cromatina influiscono sia sulla struttura della cromatina che sul reclutamento di complessi di trascrizione che, in effetti, attivano o disattivano i geni. Questi dinamiciepigeneticole modifiche vengono eseguite aggiungendo (scrittura) e rimuovendo (cancellando) le modifiche post-traduzionali, seguite dalla "lettura", che determina l'espressione genica e l'eventuale risposta fenotipica.
Fosfatasi alcalinaè presente in molte specie, compreso l'uomo, e viene abitualmente applicato come marker di malattie del fegato o turnover osseo; tuttavia, fino a tempi recenti, la sua rilevanza biologica era poco conosciuta. Simile alla scienza evolutiva dietro l'emergere della proteina C-reattiva (CRP) da un modulatore infiammatorio ad oggi un nuovo marcatore di malattie cardiovascolari, negli ultimi 2 decenni,alcalinofosfatasi, inoltre, sta emergendo con ruoli recentemente scoperti nell'omeostasi biologica [9& ]. Prove emergenti suggeriscono che circolanoalcalinofosfatasiè un forte predittore di esiti cardiovascolari avversi e mortalità per tutte le cause [9& ]. Nonostante sia un nuovo marker di rischio cardiovascolare e un potenziale bersaglio terapeutico per il rischio cardiovascolare, nessuna terapia in fase clinica mirata ad abbassare il sieroalcalinofosfatasisono disponibili fino ad oggi.
Fosfatasi alcalinae biomineralizzazione
La biomineralizzazione è regolata da una complessa interazione di promotori e inibitori della calcificazione. Nella malattia renale cronica, il disturbo di questa interazione è comune e può causare un'estesa calcificazione dei tessuti molli come la calcificazione dell'arteria mediale o la calcificazione delle placche aterosclerotiche.alcalinofosfatasiè essenziale per la mineralizzazione ossea, come dimostrato dall'ipofosfatasia, una malattia ereditaria con mutazioni con perdita di funzione delalcalinofosfatasigene che codifica per TN-alcalinofosfatasi[13]. Inoltre,alcalinofosfatasigioca un ruolo centrale nella calcificazione patologica dei tessuti molli [14,15].Alcalinofosfatasiè attivamente potenziato nelle vescicole della matrice derivate da cellule competenti per la mineralizzazione. Queste vescicole funzionano come nidi per la mineralizzazione della matrice. Il processo è simile nei tessuti fisiologicamente mineralizzanti, come ossa e dentina, e nella calcificazione patologica dei tessuti molli.Alcalinofosfatasipromuove la propagazione della mineralizzazione della matrice mediante defosforilazione di inibitori della mineralizzazione come il pirofosfato e la fosfoproteina osteopontina, e mediante la generazione di fosfato inorganico, rendendo un ambiente extracellulare più procalcificato [16-18]. Si può ipotizzare un ruolo nella regolazione di ulteriori fosfoproteine nella matrice extracellulare. La proteina Matrix Gla (MGP) è uno dei più importanti inibitori fisiologici della mineralizzazione [19]. La sua attività è determinata dalla fosforilazione post-traduzionale oltre alla carbossilazione vitamina K-dipendente [20,21]. L'effetto dell'inibizione dell'MGP da parte degli antagonisti farmacologici della vitamina K sulla propagazione della calcificazione dell'arteria mediale e dell'arteriolopatia uremica calcifica nella malattia renale cronica è noto [22,23]. Sono associati livelli circolanti inferiori della forma non fosforilata di MGPcalcificazione vascolaree mortalità nei pazienti in dialisi, indipendentemente dal suo stato di carbossilazione [24]. Tuttavia, i meccanismi di defosforilazione di MGP sono ancora sconosciuti e un ruolo peralcalinofosfatasi in questo processo si può solo ipotizzare.
Fosfatasi alcalina e fibrosi
Un nuovo meccanismo è stato suggerito per la fosfatasi alcalina nella fibrosi e nella fibro calcificazione cardiovascolare, che è una caratteristica dell'insufficienza cardiaca congestizia [25]. La sovraregolazione della fosfatasi alcalina nei miociti cardiaci porta ad un aumento della fibrosi attraverso la defosforilazione delle metalloproteinasi 2 e 9 [26]. In effetti, è stato osservato un aumento delle attività circolanti della fosfatasi alcalina in pazienti con malattia renale cronica con ipertrofia miocardica e insufficienza cardiaca congestizia [27-29]. Inoltre, la fosfatasi alcalina nel lavaggio broncoalveolare è stata identificata come un marker di fibrosi polmonare, collegando la fosfatasi alcalina ai processi fibrotici nel polmone [30].
Fosfatasi alcalina e infiammazione
Diversi meccanismi collegano la fosfatasi alcalina all'infiammazione. La fosfatasi alcalina circolante si correla bene con la PCR circolante e la fosfatasi alcalina è stata suggerita come componente della reazione epatica di fase acuta [31]. Inoltre, la fosfatasi I-alcalina circolante è potenziata in condizioni infiammatorie [32]. Tuttavia, la PCR e le citochine infiammatorie hanno un effetto inibitorio sull'attività della fosfatasi alcalina negli osteoblasti [33,34] poiché la PCR circolante era associata solo alla fosfatasi alcalina totale, non alla fosfatasi B-alcalina, in un'ampia coorte di pazienti in dialisi [35], suggerendo una fonte extra-scheletrica per l'aumento dell'attività della fosfatasi alcalina circolante durante l'infiammazione. Contrariamente all'effetto dell'infiammazione sulla fosfatasi alcalina nell'osso, i mediatori dell'infiammazione possono aumentare l'attività della fosfatasi alcalina nelle cellule muscolari lisce vascolari (VSMC) e nelle cellule staminali mesenchimali [36,37], il che è concordante con il riscontro clinico degli effetti opposti dell'infiammazione sull'osso rispetto alla mineralizzazione vascolare nella malattia renale cronica [38]. La fosfatasi alcalina modula la risposta infiammatoria cellulare attraverso la segnalazione purinergica contribuendo alla conversione enzimatica dell'adenosina trifosfato extracellulare proinfiammatorio in adenosina antinfiammatoria [39]. La fosfatasi alcalina è espressa anche dalle cellule infiammatorie nella parete vascolare e può mediare un legame tra infiammazione e calcificazione vascolare, comunemente osservata nella placca aterosclerotica e malattie della sindrome metabolica, come il diabete mellito di tipo 2 e la malattia renale cronica [40–43 ].
L'infiammazione indotta da sepsi può causare danno renale acuto e perdita della funzione renale che porta a morbilità e mortalità [44]. La fosfatasi alcalina sierica predice la mortalità correlata alle infezioni [45] ed è stata proposta come componente di un modello di previsione clinica per la batteriemia nei pazienti con malattia renale cronica allo stadio 5D [46]. La fosfatasi alcalina circolante ha il potenziale per inattivare le endotossine e altri composti proinfiammatori altamente fosforilati [31,32]. La fosfatasi alcalina intestinale disintossica il lipopolisaccaride (LPS) per ridurre le sue proprietà infiammatorie e l'interazione con i recettori Toll-like e previene l'infiammazione nel pesce zebra in risposta al microbiota intestinale [47]. Infatti la fosfatasi alcalina intestinale indotta da Resolvin E1-promuove la risoluzione dell'infiammazione attraverso la disintossicazione da LPS [48]. Questo concetto è stato messo in discussione negli studi clinici. Ad esempio, nei pazienti con danno renale acuto e sepsi, l'iniezione di fosfatasi alcalina ricombinante ha promosso una diminuzione della mortalità per tutte le cause, supportando un ruolo fisiologico della fosfatasi alcalina nel mitigare le azioni deleterie e morbose derivanti dalla sepsi [49]. Quindi, simile alla PCR, esiste un ruolo biologicamente plausibile per l'aumento dei livelli di fosfatasi alcalina in tali circostanze patologiche, che possono provocare conseguenze disadattive. La fosfatasi I-alcalina può anche esercitare un effetto protettivo contro le complicanze indotte dall'infiammazione del diabete mellito di tipo 1, come le malattie cardiovascolari o la nefropatia diabetica [50].
Fosfatasi alcalina e stress ossidativo L'aumento dello stress ossidativo è associato a esiti cardiovascolari avversi [51]. Lo stress ossidativo induce fosfatasi alcalina e calcificazione nelle cellule vascolari calcificanti [52]. L'aumento dello stress ossidativo è anche associato all'osteoporosi [53] perché la mineralizzazione è inibita negli osteoblasti [52]. La riduzione dello stress ossidativo cardiovascolare nei pazienti con malattia renale cronica mediante il trattamento dell'esercizio è associata a una riduzione della fosfatasi alcalina circolante [54]. Tuttavia, l'origine dell'aumento dell'attività della fosfatasi alcalina sierica nei pazienti con stress ossidativo deve ancora essere determinata.
La fosfatasi alcalina e la fosfatasi alcalina dell'ipertensione contribuiscono alla regolazione dell'ipertensione e del tono vascolare. L'inibizione della fosfatasi alcalina nei reni perfusi isolati e negli animali da esperimento in vivo ha ridotto la risposta della pressione sanguigna ipertensiva (BP) alla noradrenalina [55]. L'effetto è parzialmente spiegato dal ruolo della fosfatasi alcalina nella segnalazione purinergica e dall'aumento della produzione di adenosina. L'attività circolante della fosfatasi alcalina è inversamente correlata alla massima risposta vasodilatatoria all'acetilcolina, indicativa di disfunzione endoteliale [56]. Un ulteriore meccanismo che collega la fosfatasi alcalina al controllo della PA è l'associazione con la rigidità arteriosa [57], forse spiegata dalla calcificazione vascolare [58]. Si può anche ipotizzare un contributo della fosfatasi alcalina all'aumentata trasformazione fibrotica delle arterie capacitive [59].
Fosfatasi alcalina e deterioramento cognitivo
La fosfatasi alcalina circolante è associata a disturbi cognitivi [60-62]. Il deterioramento cognitivo è una grave complicanza nell'invecchiamento e nelle malattie renali croniche. Le anomalie sottostanti includono processi neurodegenerativi e alterata microcircolazione. Nella malattia di Alzheimer, la fosfatasi alcalina nel cervello e nella circolazione è inversamente correlata alla funzione cognitiva e la defosforilazione della tau è stata suggerita come un presunto meccanismo patogenetico [63]. L'aumento della fosfatasi alcalina circolante è anche associato alla malattia dei piccoli vasi cerebrali, un segno distintivo del deterioramento cognitivo vascolare [64]. la fosfatasi alcalina contribuisce alla regolazione del gamma-amino butirrato e di altri neurotrasmettitori [65]. L'associazione tra ridotta fosfatasi alcalina circolante dopo paratiroidectomia in pazienti con malattia renale cronica e miglioramento cognitivo suggerisce una possibile implicazione terapeutica per l'abbassamento della fosfatasi alcalina nel deterioramento cognitivo [66].
Fosfatasi alcalina nella malattia renale cronica
Nella malattia renale cronica, la fosfatasi alcalina circolante è comunemente usata insieme all'ormone paratiroideo per l'approssimazione del turnover osseo a causa della sua associazione con la formazione ossea [10,67]. In assenza di malattia epatica, le variazioni della fosfatasi alcalina totale derivano tipicamente dalla fosfatasi B-alcalina e possono identificare estremi di alto e basso turnover osseo [68]. Inoltre, la fosfatasi alcalina circolante è un migliore predittore di fratture incidenti nei pazienti in dialisi rispetto alla densità minerale ossea [69]. La fosfatasi alcalina circolante è anche un forte e indipendente predittore di mortalità e complicanze cardiovascolari nella malattia renale cronica [9& ]. Nelle popolazioni di malattie renali non croniche, l'associazione tra fosfatasi alcalina e infiammazione è predittiva di mortalità [35]. Al contrario, i livelli di fosfatasi B-alcalina circolante nei pazienti con malattia renale cronica avanzata sono un predittore di mortalità ancora più forte rispetto alla fosfatasi alcalina totale [70]. Ciò potrebbe essere dovuto alla sua associazione con l'estesa calcificazione vascolare che insorge nei pazienti con malattia renale cronica in dialisi [71]. Poiché tutti i meccanismi patologici discussi sopra sono sovraregolati nella malattia renale cronica [3], il contributo della fosfatasi alcalina all'aumento della mortalità correlata alla malattia renale cronica, alle complicanze cardiovascolari e alla compromissione della cognizione è presumibilmente multifattoriale.
REGOLAZIONE DELL'ESPRESSIONE DEL GENE DELLA fosfatasi alcalina L
La fosfatasi TN-alcalina umana è codificata dal gene della fosfatasi alcalina L (numero di accesso, NM_000478), che si trova sul braccio corto del cromosoma 1, 1p36.12 [72–74]. Il gene della fosfatasi alcalina L supera i 50 kb e comprende 12 esoni. Il primo esone fa parte della 50-regione non tradotta dell'mRNA della TN-fosfatasi alcalina, che consiste nell'esone 1A o 1B che risponde a promotori diversi e si traduce in due mRNA, ciascuno codificante per un polipeptide identico, ma con differenti 50 -regioni non tradotte [75]. L'espressione della fosfatasi TN-alcalina è onnipresente; tuttavia, la trascrizione delle due varianti dell'esone 1 si traduce in un'espressione specifica per cellula e specifica per tessuto. Uno di questi trascritti è chiamato osteoblasti inattivi "trascrizione della fosfatasi alcalina L ossea" comprendenti l'esone 1A, mentre l'esone 1B è guidato da un promotore separato attivo nei tessuti del fegato e del rene [75,76].
La regolazione dell'espressione della fosfatasi alcalina L è studiata al meglio nelle cellule simili agli osteoblasti. La formazione ossea da parte delle cellule del lignaggio degli osteoblasti e le azioni funzionali, ad esempio la biomineralizzazione, coinvolgono molteplici segnali di sviluppo come ormoni, fattori di crescita, citochine, ligandi del sito di integrazione senza ali (WNT) e proteine morfogenetiche ossee. Inoltre, diversi fattori di trascrizione regolano l'espressione di una varietà di geni specifici degli osteoblasti che esprimono proteine fondamentali per la biomineralizzazione, ad esempio collagene di tipo I, fosfatasi alcalina specifica per l'osso e osteocalcina [77]. Il fattore di trascrizione essenziale dell'osso 2 (Runx2) è stato identificato come il principale regolatore per la differenziazione degli osteoblasti [78]. Anche Osterix (Osx; gene Sp7), un fattore di trascrizione contenente un dito di zinco con una sequenza di legame Runx2-, è essenziale anche per la differenziazione degli osteoblasti e la mineralizzazione ossea. Osx non è espresso nei topi carenti di Runx2-, mentre l'espressione di Runx2 non è influenzata nei topi carenti di Osx [79], il che implica che Osx regola la differenziazione degli osteoblasti a valle di Runx2 [80].
Altri fattori chiave di trascrizione coinvolti nella differenziazione degli osteoblasti sono il gene homeobox Msx2 e i membri della famiglia homeobox distale (Dlx). Msx2 reprime l'espressione della fosfatasi alcalina L legandosi direttamente al suo promotore, mentre Dlx5 attiva l'espressione della fosfatasi alcalina L interferendo con l'azione di Msx2 [81]. Dlx3 è un altro potente regolatore dell'attivazione di Runx2 durante il differenziamento osteogenico [82]. È stato anche dimostrato che la sovraespressione di Dlx2 non ha effetto sull'espressione di RUNX2, DLX5 e MSX2 sull'induzione osteogenica, ma stimola l'espressione della fosfatasi alcalina L e dell'osteocalcina [83]. Pertanto, Dlx2 può sovraregolare direttamente la fosfatasi alcalina L per promuovere l'osteoblastogenesi.
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