Parte prima I ruoli dell'idrogeno solforato nella fisiologia renale e negli stati patologici

Astratto

L'idrogeno solforato (H2S), un trasmettitore di segnalazione gassoso endogeno, è stato riconosciuto per i suoi effetti fisiologici. In questa recensione, miriamo a riassumere e discutere gli studi esistenti sui ruoli dell'H2S nelle funzioni renali e nella malattia renale, nonché i meccanismi sottostanti. L'H2S è prodotto principalmente da quattro percorsi e i reni sono i principali organi produttori di H2S. Precedenti studi hanno dimostrato che l'H2S può avere un impatto su più vie di segnalazione attraverso la solfidratazione. Nella fisiologia renale, H2S promuove l'escrezione renale, regola il rilascio di renina e aumenta la produzione di ATP come sensore per l'ossigeno. H2S è anche coinvolto nello sviluppo di malattie renali. L'H2S è stato implicato nell'ischemia/riperfusione renale e nella malattia renale indotta da cisplatino e sepsi. Nelle malattie renali croniche, in particolare la nefropatia diabetica, la nefropatia ipertensiva e la malattia renale ostruttiva, l'H2S attenua la progressione della malattia regolando lo stress ossidativo, l'infiammazione e il sistema renina-angiotensina-aldosterone. Nonostante l'accumulo di prove da studi sperimentali che suggeriscono i ruoli potenziali dei donatori di H2S nel trattamento della malattia renale, questi risultati necessitano di un'ulteriore traduzione clinica. Pertanto, l'ampliamento della comprensione dell'H2S può non solo promuovere la nostra ulteriore comprensione della fisiologia renale, ma anche gettare le basi per trasformare l'H2S in un bersaglio per specifiche malattie renali.

Parole chiave

Idrogeno solforato; solfidratazione; fisiologia renale; danno renale acuto; malattia renale cronica.

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introduzione

Acido solfidrico (H₂S) è un gas tossico, incolore, con un odore di uova marce. Esiste in natura e può essere trovato nel gas naturale, nelle emissioni vulcaniche e nel petrolio [1]. Nel 1989, Warenycia e Goodwin [2] dimostrarono per primi che il corpo umano contiene H₂S, che esiste principalmente nel cervello, e ha indicato che il tronco encefalico è più sensibile all'H₂S rispetto ad altre parti del cervello. La funzione fisiologica di H₂S solo di recente è stato gradualmente riconosciuto. Elevate concentrazioni di H₂S può portare alla completa inibizione della respirazione cellulare, alla depolarizzazione del potenziale della membrana mitocondriale e alla generazione di superossido [3]. Bassi livelli di H₂S può regolare i meccanismi omeostatici come il controllo della pressione sanguigna (BP) e l'apoptosi e partecipare a meccanismi patologici tra cui lo stress ossidativo (OS) e l'infiammazione [4,5]. Nei reni, H₂S è attivamente coinvolto nella regolazione renale e H₂I disturbi della produzione di S sono coinvolti nell'insorgenza e nello sviluppo di molte malattie renali [6]. Sebbene esogeno H₂S ha dimostrato di svolgere un ruolo chiave nell'alleviare vari modelli animali di danno renale, il suo meccanismo molecolare specifico è sconosciuto.

In questa recensione, descriviamo prima H₂Generazione S e funzioni. Successivamente, introduciamo il ruolo di H₂S in fisiologia renale. Parliamo inoltre di H₂S come fattore correlato nell'insorgenza e nella progressione della malattia renale e rivela alcuni meccanismi. Infine, riassumiamo l'applicazione di H₂S donatori e inibitori nel lavoro preclinico e valutare logicamente il potenziale terapeutico di H₂S nelle malattie renali.

Cistanche tubulosa

H₂Generazione S e funzioni

Sebbene originariamente visto solo come un gas tossico, H₂S è ora riconosciuto come una molecola di segnalazione gassosa che è in qualche modo simile all'ossido nitrico (NO) e al monossido di carbonio (CO) [7]. A differenza di NO e CO, H₂S è acido, il che gli consente di dissolversi in acqua. Inoltre, poiché H₂S è altamente lipofilo, può diffondersi liberamente alle membrane cellulari di tutti i tipi di cellule [8]. Gli enzimi responsabili della generazione di H₂S includono cistationina-b-sintasi (CBS), cistationina-c-liasi (CSE) e 3-mercaptopiruvato sulfurtransferasi mitocondriale (3-MST) [9]. CBS e CSE producono entrambi H2S endogeno nel citosol, mentre 3-MST produce H2S endogeno nei mitocondri [4,10]. L'H2S endogeno viene prodotto in quattro modi principali. Nel primo meccanismo, L-omocisteina e serina producono L-cistationina sotto l'azione della CBS; la L-cistationina viene quindi trasformata in L-cisteina dal CSE. Infine, l'H2S si forma in un processo mediato da CBS e CSE nel citoplasma [6]. Nel secondo meccanismo, il CSE reagisce con la L-omocisteina per produrre H2S, α-chetobutirrato e L-omolantionina [4]. Nel terzo meccanismo, la cisteina aminotransferasi converte la L-cisteina in 3-mercapto piruvato (3-MP), che viene poi utilizzato dal 3-MST per la produzione di H2S nei mitocondri [11]. Nel meccanismo finale, la D-amminoacido ossidasi media la trasformazione della D-cisteina in 3-MP e l'H2S viene successivamente prodotto sotto l'azione del 3-MST. Vale la pena notare che 3-MP deve essere importato nei mitocondri per il passaggio successivo. Nei reni, il substrato principale per la produzione di H2S è la D-cisteina e l'H2S della D-cisteina è molto più abbondante di quello della L-cisteina [12] (Figura 1).

Figura 1. Sintesi endogena di H2S mediante quattro vie. (A) CSE catalizza la reazione di L-omocisteina per indurre la produzione di H2S. (B) La CBS reagisce con la L-omocisteina, aumentando la generazione di L-cistationina, che viene poi convertita in L-cisteina tramite CSE, che produce ulteriormente H2S. (C) L-cisteina viene convertita in 3MP da CAT e 3-MST catalizza la reazione di 3MP per indurre la generazione di H2S nei mitocondri. (D) DAO reagisce con D-cisteina per generare 3MP, che poi entra nei mitocondri e funge da substrato per la produzione di H2S. CBS (cistationina b-sintetasi); CSE (cistationina c-liasi); CAT (cisteina aminotransferasi); 3MP (3-mercapto piruvato); DAO (D-amminoacido ossidasi); 3–MST (3–mercapto piruvato sulfurtransferasi).

In che modo l'H2S svolge funzioni biologiche? Recenti studi hanno fornito risposte. H2S può regolare diverse vie di segnalazione che influenzano il metabolismo cellulare. L'H2S è coinvolto nella trasmissione del segnale attraverso vie di segnalazione tramite solfidratazione, durante la quale reagisce con i residui di cisteina di varie proteine ​​bersaglio per formare legami persolfuro. La reattività della solfidratazione è determinata dalle costanti di dissociazione acida dei residui di cisteina [13]. Mustafà et al. [14] hanno scoperto che circa il 10-25% delle proteine ​​epatiche può essere attivato dalla S-solfidratazione, come l'actina, la tubulina e la gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi. La S-solfidratazione è essenziale per le funzioni delle proteine ​​epatiche; ad esempio, migliora l'attività della gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi e la polimerizzazione dell'actina. L'H2S è un fattore iperpolarizzante derivato dall'endotelio che può portare all'iperpolarizzazione e alla vasodilatazione delle cellule muscolari lisce e dell'endotelio vascolare. Questa vasodilatazione si ottiene principalmente tramite l'attivazione dei canali del potassio ATP-sensibili, intermedi e a piccola conduttanza, e il passaggio più critico per l'attivazione del canale è la S-solfidratazione [15]. L'H2S partecipa alle reazioni infiammatorie come molecola messaggera e gli effetti a valle della solfidratazione influenzano il fattore nucleare jB (NF-jB). NF-jB svolge un ruolo chiave nella risposta infiammatoria nelle cellule. Nil Kantha et al. [5] hanno scoperto che il fattore di necrosi tumorale–a (TNF–a) può stimolare la trascrizione di CSE per generare H2S. H2S solfidrati Cys38 di p65, migliorando il suo legame con la proteina ribosomiale coattivatrice S3, regolando così le funzioni nucleari di NF-jB. Nei topi carenti di CSE, p65 non può essere autoidratato, con conseguente diminuzione dell'attività del gene bersaglio NF-jB. La proteina tirosina fosfatasi-1B si trova sulla faccia citoplasmatica del reticolo endoplasmatico (ER) ed è stata implicata nella segnalazione dello stress ER. La solfidratazione indotta da H2S della proteina tirosina fosfatasi-1B partecipa alla risposta allo stress ER [16]. P66Shc è un attivatore a monte della segnalazione redox mitocondriale. In risposta all'OS, p66Shc viene attivato attraverso la fosforilazione mediata dalla protein chinasi C-bII a Ser36. Xi et al. [17] hanno scoperto che l'H2S sottoregola la fosforilazione di p66Shc attraverso la solfidratazione del residuo di Cys59, riducendo così la produzione mitocondriale di specie reattive dell'ossigeno (ROS) e ottenendo effetti antiossidanti. Il fattore 2 correlato al fattore nucleare-eritroide 2 (Nrf2) è un regolatore principale della risposta antiossidante. Normalmente, Nrf2 è ubiquitinato e rapidamente degradato dal proteasoma sotto l'azione della proteina 1 associata a ECH simile a Kelch (Keap1). È stato riportato che il solfuro di sodio (NaHS) è S-sulfidril Keap1 a Cys151 e promuove la traslocazione nucleare di Nrf2 [18].

Supplemento cistanche

Produzione di H2S nei reni e suo ruolo nella fisiologia renale

1. Produzione di H2S nei reni

Alcuni studi hanno scoperto che i tre enzimi che producono H2S endogeno sono altamente espressi in alcuni tessuti, come i reni [19]. CBS, CSE e 3-MST possono essere rilevati nei tubuli prossimali renali. Il CSE è anche espresso principalmente nei glomeruli renali, nelle arterie interstiziali e interlobulari [19,20]. In condizioni normali, la proteina CSE è espressa al massimo livello nei reni, raggiungendo livelli 20 volte superiori a quelli della CBS. Nei tessuti renali dei ratti Sprague-Dawley sono presenti tutti e tre gli enzimi produttori di H2S e l'mRNA CSE è espresso più abbondantemente dell'mRNA 3MST e CBS [4]. Pertanto, CSE svolge un ruolo di primo piano nella produzione di H2S [21,22]. CBS e CSE producono sinergicamente H2S, e questi due enzimi possono aumentare congiuntamente la produzione di H2S endogeno nei reni [23].

Tre percorsi tradizionali di sintesi dell'H2S (che coinvolgono CSE, CBS e 3-MST accoppiati con cisteina aminotransferasi) sono stati identificati nei reni, come descritto nella sezione "Generazione e funzioni dell'H2S". Pertanto, ci siamo concentrati su un quarto percorso di generazione di H2S, vale a dire il percorso DAO/3-MST [24]. In questo percorso, la D-cisteina viene trasformata in 3-MP dal DAO localizzato nel perossisoma. A causa degli scambi di metaboliti tra perossisomi e mitocondri, 3-MP viene importato nei mitocondri e catalizzato in H2S da 3-MST [24] (Figura 1). Shibuya et al. hanno mostrato che il lisato renale può produrre 60 volte più H2S quando si usa la D-cisteina come substrato rispetto a quando si usa la L-cisteina [12]. La scoperta dell'esclusivo percorso DAO/3-MST nei reni e nel cervello può implicare un ruolo significativo della generazione di H2S mediata da 3-MST in questi organi. Vale la pena esplorare ulteriormente questa possibilità.

2. H2S nella fisiologia renale

2.1. Effetto di H2S sulla funzione escretoria renale

H2S svolge un ruolo importante nell'escrezione renale. Xiao et al. hanno scoperto che sia CBS che CSE possono produrre H2S nel rene e che quando uno degli enzimi è inibito, l'espressione dell'altro aumenta per compensare. Hanno anche scoperto che nei ratti Sprague-Dawley anestetizzati, l'infusione di NaHS nell'arteria renale può aumentare il flusso sanguigno renale e la velocità di filtrazione glomerulare (GFR). A causa dell'aumento della velocità di filtrazione, quegli autori hanno ipotizzato che il ruolo dell'H2S nella vasodilatazione dei vasi sanguigni fosse maggiore nelle arteriole preglomerulari rispetto alle arteriole postglomerulari. L'H2S può anche inibire il cotrasportatore Na–K–2Cl nel tratto ascendente dell'ansa di Henle e l'enzima Na–K ATPasi, aumentando potenzialmente l'escrezione di sodio e potassio dalle urine. Pertanto, l'H2S partecipa sia all'azione vascolare che a quella tubulare nei reni [23].

Pillole di cistanche

2.2. H2S come sensore di ossigeno

L'H2S può agire come un sensore di ossigeno (O2) per ripristinare l'equilibrio di O2, un fenomeno che è stato confermato in vari tessuti sensibili all'O2, come il corpo carotideo, la midollare surrenale e altri tessuti chemorecettivi, così come nella muscolatura liscia nell'apparato sistemico e vasi respiratori e vie aeree [25]. Il metabolismo dell'H2S dipende fortemente dalla concentrazione di O2 [25]. In condizioni fisiologiche, la pO2 è ridotta nella midollare renale e l'ossidazione dell'H2S è correlata negativamente con la pO2 nei mitocondri, quindi l'attività dell'H2S nella midollare è probabilmente superiore a quella nella corteccia renale [4]. L'H2S, che si accumula in quantità maggiori nella midollare renale in condizioni di ipossia, può ripristinare l'apporto di O2 aumentando il flusso sanguigno midollare [26]. Inoltre, gli studi hanno dimostrato che in condizioni di ossigeno sufficiente, i livelli di CBS e CSE nei mitocondri sono bassi. Una volta che si verifica l'ipossia, le concentrazioni di CBS e CSE aumentano, il che aumenta la produzione di H2S [27,28]. L'H2S funge da donatore di elettroni e aumenta la produzione di ATP [27]. L'ipossia è il fattore di rischio più importante per la patogenesi e la progressione di molte malattie renali. La carenza endogena di H2S può ulteriormente contribuire alla compromissione dell'ossigenazione midollare e aggravare l'insorgenza e lo sviluppo della malattia renale [26]. Tuttavia, il meccanismo specifico rimane poco chiaro e necessita di ulteriori studi.

2.3. H2S modula il rilascio di renina

H2S attenua la segnalazione patologica del sistema renina-angiotensina-aldosterone (RAAS) per preservare la funzione renale. Il RAAS è un sistema di regolazione umorale composto da ormoni e corrispondenti enzimi che regola l'escrezione di acqua e sodio. Il rilascio di renina dalle cellule iuxtaglomerulari determina l'insorgenza e lo sviluppo dell'ipertensione nefrovascolare, una procedura regolata dall'adenosina monofosfato ciclico 30-50 (cAMP) intracellulare. È stato riportato che l'H2S sottoregola il cAMP inibendo l'attività dell'adenilato ciclasi, regolando così il rilascio di renina e controllando la pressione arteriosa [29,30]. Nelle colture primarie delle cellule renali ricche di renina, NaHS riduce significativamente i livelli di cAMP intracellulare e riduce l'attività della renina. In un modello di ratto Dahl di ipertensione indotta da alti livelli di sale, è stato riscontrato che il trattamento con H2S inibisce l'attivazione del sistema RAAS nei reni e regola la pressione arteriosa [31]. L'H2S regola anche la pressione arteriosa tramite un enzima di conversione dell'angiotensina, che appartiene al sistema RAAS. Nelle cellule endoteliali umane, l'H2S può interferire direttamente con lo zinco nel centro attivo dell'enzima di conversione dell'angiotensina [32].

Cistanche standardizzate

In breve, H2S svolge un ruolo chiave nella fisiologia renale; tuttavia, sono necessari ulteriori studi per stabilire i meccanismi specifici coinvolti.

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Jianan Feng, Xiangxue Lu, Han Li e Shixiang Wang

Dipartimento di Nefrologia, Beijing Chao-Yang Hospital, Capital Medical University, Pechino, Cina