Ty thể Bệnh Thận Tiểu Đường (Phần 3)

Ty Thể Mục Tiêu Và Sinh Bệnh Học Dựa Trên Các Loại Oxy Phản Ứng ROS/NS (Các Gốc Tự Do) Trong Bệnh Thận Do Tiểu Đường (phần 3)

Runa Lindblom,1,2,3,4 Gavin Higgins,1,2,4,5 Melinda Coughlan,1,2,3,6,7 và Judy B. de Haan2,7,8

3. Các gốc tự do ROS/NS ty thể trong cơ chế bệnh sinh của bệnh thận do tiểu đường

Tầm quan trọng của ty thể nguyên vẹn, hoạt động hiệu quả là bắt buộc để ngăn ngừa tổn thương thận và suy thận [33, 34]. Ty thể tham gia vào nhiều quá trình sinh học, chẳng hạn như sản xuất năng lượng, cân bằng nội môi canxi và điều hòa quá trình chết tế bào, bao gồm chết theo chương trình, chết tế bào theo chương trình và hoại tử không được kiểm soát [35]. Ty thể đóng vai trò nghịch lý trong việc thúc đẩy cân bằng nội môi tế bào thông qua ATP được tạo ra bởi quá trình phosphoryl hóa oxy hóa (OXPHOS) và bắt đầu gây chết tế bào thông qua việc giải phóng các protein gây chết tế bào không gian liên màng, chẳng hạn như cytochrom c, Smac/DIABLO, yếu tố gây chết tế bào theo chương trình (AIF), và endonuclease G (EndoG). Những hoạt động này có thể được liên kết với sự mất cân bằng trong oxy hóa khử quy định trong ma trận ty thể, một hiệp hội đóng vai trò quan trọng trong bệnh thận do tiểu đường. Dòng bằng chứng này sẽ được thảo luận thêm trong các phần tiếp theo.

OXPHOS liên quan đến việc chuyển các electron qua các phức hợp I-IV của chuỗi vận chuyển điện tử (ETC) để tạo ra điện thế màng (Δψm) cần thiết để thiết lập động lực proton thúc đẩy quá trình sản xuất ATP. Mặc dù OXPHOS rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tất cả các tế bào nhân chuẩn, nhưng điều này thể hiện rõ nhất ở các tế bào ống lượn gần và ống lượn xa phụ thuộc vào ATP để điều khiển các chất đối kháng Na+/K+ và chất vận chuyển Ca2+, tương ứng [36-38]. Tuy nhiên, sản phẩm phụ của OXPHOS là sản xuất superoxide (O2•-) xảy ra do các electron thoát ra khỏi phức hợp I và III và phản ứng với oxy phân tử. Trong ty thể nguyên vẹn, phức hợp I và vị trí Q1 của phức hợp III giải phóng O2•- về phía ma trận ty thể, trong khi vị trí Q0 của phức hợp III giải phóng O2•- về phía không gian liên màng. [39, 40]. Sự suy yếu của phức hợp I có thể dẫn đến sự gia tăng hình thành các loài phản ứng và sự phát triển của tổn thương thận tương tự như đã thấy ở bệnh thận do tiểu đường, như đã được chứng minh ở chuột bị loại bỏ Ndufs6 [41]. Ngoài ra, O2•- có thể được chuyển đổi thành ROS/NS khác, chẳng hạn như hydro peroxide (H2O2) và các gốc hydroxyl (OH•), đồng thời có thể phản ứng với oxit nitric để tạo thành peroxynitrite (ONOO-) và nitơ điôxit (•NO2-) [33]. Đối với ống lượn gần, điều này được cho là trầm trọng hơn trong điều kiện tăng đường huyết, trong đó sự gia tăng tái hấp thu glucose có thể dẫn đến tăng đường phân và OXPHOS, dẫn đến tăng stress oxy hóa [34]. Ngoài ra, methylglyoxal, một sản phẩm phụ α-dicarbonyl của quá trình đường phân, có thể tạo ra sự hình thành các sản phẩm cuối glycation tiên tiến (AGEs) làm trầm trọng thêm quá trình sản xuất ROS [42].

AGEs tích lũy trong bệnh tiểu đường. Chúng có liên quan đến sự gia tăng stress oxy hóa thông qua tín hiệu thông qua thụ thể dành cho AGEs (RAGE) [33, 43]. Nhóm của chúng tôi đã chứng minh rằng ROS/NS tế bào do RAGE gây ra thúc đẩy sản xuất O2•- của ty thể thông qua kích hoạt phức hợp I của ETC ty thể, kích hoạt sự hình thành lỗ chuyển tiếp thấm qua ty thể (mPTP) và gây chết tế bào, có thể bị suy giảm ở bệnh tiểu đường RAGE-/ – chuột [44]. Sự hình thành AGEs thông qua tích lũy methylglyoxal dẫn đến việc biến đổi các tiểu đơn vị, protein lõi 1 và cytochrom c1, của phức hợp III gây ra sản xuất O2•-, như thể hiện ở vỏ thận của chuột mắc bệnh tiểu đường [45]. Sự biểu hiện quá mức của glyoxalase I, enzyme chịu trách nhiệm giải độc methylglyoxal, đã được chứng minh là làm giảm biểu hiện của phức hợp I, II và III, đồng thời làm giảm sản xuất ROS và quá trình chết theo chương trình trong điều kiện tăng đường huyết ở tế bào trung mô của chuột [46]. Tóm lại, bằng chứng hiện có ủng hộ vai trò quan trọng của các gốc tự do ROS/NS được sản xuất dưới dạng sản phẩm phụ của ETC trong bệnh thận do tiểu đường. Thật vậy, Brownlee và đồng nghiệp đã đề xuất giả thuyết thống nhất về các biến chứng tiểu đường trong đó các gốc tự do ROS/NS do ETC tạo ra gây ra các biến chứng tiểu đường [47-49]. Suy nghĩ hiện tại đã mở rộng dựa trên những ý tưởng này để suy đoán rằng các hoạt động của các gốc tự do ROS/NS do ETC tạo ra rất có thể liên quan đến các con đường bổ sung và các enzyme sản xuất các gốc tự do ROS/NS. Những khía cạnh này được thảo luận thêm dưới đây.  

Quy định cân bằng nội môi oxi hóa khử trong môi trường bệnh nhân tiểu đường là chủ đề của hai nghiên cứu gần đây về bệnh thận do tiểu đường. Enzyme myo-inositol oxygenase (MIOX) đặc hiệu cho ống thận được xác định là chất điều chỉnh sự mất cân bằng oxy hóa khử trong ty thể trong điều kiện tăng đường huyết [50]. Những nghiên cứu này cho thấy sự gia tăng MIOX trong vỏ thận của ICR (Viện nghiên cứu ung thư) gây ra bệnh tiểu đường do streptozotocin (STZ) ở chuột đực. Hơn nữa, sự gia tăng các gốc tự do ROS và tỷ lệ chết theo chương trình liên quan đến tăng biểu hiện MIOX đãđược quan sát thấy trong dòng tế bào ống lượn gần thận, LLC-PK1 [50]. Tương tự như vậy, enzyme oxi hóa khử p66Shc, định vị trong ty thể, có liên quan đến quy định sản xuất các gốc tự do ROS/NS và quá trình chết theo chương trình khi tiếp xúc với lượng glucose tăng lên trong bệnh thận do tiểu đường [51]. Enzyme này đã được chứng minh là bị ức chế về mặt di truyền bởi protease đông máu, protein C hoạt hóa (aPC), trong tế bào podocytes ở bệnh thận do tiểu đường [51]. 

Một trọng tâm quan trọng của nghiên cứu gần đây là về NADPH oxidase trong vỏ thận ở bệnh nhân tiểu đường, đặc biệt là NOX4, như đã thảo luận ở trên. Chúng tôi và cộng sự đã chứng minh rằng NOX4 được điều chỉnh tăng trong điều kiện tăng đường huyết trong khoang ty thể của tế bào [52]. NOX4 đã được định vị trong các phần màng vỏ thận [52]. Do các isoenzym NOX cư trú bên trong tế bào và màng tế bào [53], nên có khả năng là NOX4 xuyên qua màng trong của ty thể và O2•- hoặc H2O2 được giải phóng vào khoảng gian giữa các màng (IMS) của ty thể. Ban đầu, người ta cho rằng NOX4 chỉ tạo ra H2O2 [54], nhưng nó cũng có khả năng tạo ra O2•-, như Block et al. [52].

NOX4 cũng đã được định vị trong phần ty thể của các tế bào trung mô cầu thận được biết đến là mục tiêu chính cho tổn thương oxy hóa qua trung gian glucose [23]. Trong khi NADP+/NADPH có thể đi qua màng ngoài ty thể, nó không thấm vào màng trong. NOX4 yêu cầu NADPH hoạt động. Thực tế là chức năng tạo ra O2•-NOX4 đã được xác định trong các tế bào trung mô của bệnh nhân tiểu đường cho thấy rằng đầu carboxyl của NOX4 được định vị để tiếp xúc với không gian liên màng [52]. Hơn nữa, NOX4 có thể ảnh hưởng gián tiếp đến chu trình axit citric, nằm trong ma trận ty thể, thông qua ảnh hưởng của nó đối với quá trình chuyển hóa isocitrate. Điều này bao gồm việc chuyển đổi isocitrate thành α-ketoglutarate bởi isocitrate dehydrogenase 2 (IDH2), phụ thuộc vào NADP+ [55]. Gần đây, việc sử dụng các chất chuyển hóa đã tiết lộ rằng NOX4 đóng vai trò chính trong việc điều chỉnh fumarate chuyển hóa nước tiểu của axit tricarboxylic (TCA) ở chuột Akita mắc bệnh tiểu đường bằng cách tác động lên enzyme fumarate hydratase của ty thể. Điều quan trọng là, các biện pháp can thiệp bằng chất ức chế NOX1/NOX4 đã phục hồi mức độ hydratase và fumarate fumarate và giảm albumin niệu, phì đại cầu thận và tích tụ chất nền trung mô ở những con chuột mắc bệnh tiểu đường này [56]. Tuy nhiên, rõ ràng là O2•- do NOX4 trong ty thể tạo ra không thể có mối liên hệ trực tiếp với sự thiếu hụt trong ETC hoặc tính toàn vẹn của DNA ty thể (mtDNA) được đặt trong màng trong hoặc chất nền của ty thể tương ứng, trừ khi được chuyển đổi thành các phân tử thấm qua màng chẳng hạn như H2O2 hoặc ONOO-,mà chúng tôi đã chứng minh là tăng lên ở bệnh nhân thận do tiểu đường [57].

Nếu NOX4 có bất kỳ ảnh hưởng xấu nào trong ty thể thì nó có khả năng xảy ra trong IMS. Cũng có khả năng glutathione reductase cạnh tranh với NOX4 để giành NADPH nhằm duy trì sự cân bằng của glutathione được sử dụng cho Gpx1 và Gpx4 trong ty thể để giải độc H2O2 bằng cách chuyển đổi thành H2O. Thật vậy, chất ức chế NOX apocynin đã được chứng minh là có thể khôi phục tỷ lệ glutathione/glutathione disulfide (GSH/GSSG) ở chuột Zucker bị béo phì do tiểu
đường (ZDF) [58]. Trong IMS, O2•- do NOX4 tạo ra phải được giải độc bởi SOD1. Mặt khác, nó gây tổn hại cho màng trong và ngoài của ty thể [59]. Đây sẽ là vấn đề của nghiên cứu trong tương lai để làm rõ liệu quá trình tái cấu trúc NOX4 do bệnh tiểu đường gây ra có đủ để phá vỡ màng ngoài, bắt đầu mPTP hoặc tạo ra sự hoán vị màng ngoài ty thể (MOMP) hay không, và do đó kích hoạt sự phân phối lại các protein chết của tế bào IMS. Thật vậy, người ta đã chứng minh rằng quátrình tái điều hòa NOX4 làm trung gian quá trình chết theo chương trình do TGF-β gây ra trong các tế bào podocytes, mặc dù người ta chưa điều tra xem liệu các protein chết của tế bào IMS có tham gia vào quá trình này hay không [60].

Các cuộc điều tra cũng tập trung vào sự thiếu hụt trong mạng lưới chống oxy hóa trong ty thể, bao gồm coenzym Q, SOD2 và GPx4 [34]. Hậu quả của sự mất cân bằng trong các chất tạo ROS và chất chống oxy hóa này trong vỏ thận của bệnh nhân tiểu đường là sự gia tăng các gốc tự do stress oxy hóa trong ty thể, có thể kích hoạt dòng thác chết tế bào nội tại [61]. Hình11 tóm tắt những nhân tố chính tham gia vào quá trình truyền tín hiệu oxi hóa khử trong ty thể. Trong điều kiện bệnh tiểu đường, tín hiệu oxy hóa khử này bị gián đoạn, dẫn đến tăng stress oxy hóa.

.Hình 1: Tín hiệu oxi hóa khử trong ty thể

ROS ở dạng superoxide (O2.-) có thể được tạo ra thông qua chuỗi vận chuyển điện tử (ETC) hoặc NOX4 bên trong màng trong ty thể (IMM). O2.- được giải phóng từ các phức hợp I và III của ETC vào chất nền hoặc không gian liên màng. O2.- được giải phóng từ NOX4 hoặc phức hợp III đi vào không gian liên màng nơi nó bị SOD1 phân hủy thành hydro peroxide (H2O2). O2.- trong ma trận được SOD2 chuyển thành H2O2. Ngược lại, H2O2 được giải độc thành H2O thông qua GPx1 trong không gian liên màng hoặc thông qua GPx4 trong ma trận. Sự cân bằng tinh tế này của ROS trong ty thể phụ thuộc vào chu trình Krebs (axit citric), quá trình chuyển đổi NAD(P)+ thành NAD(P)H và ngược lại. Trong điều kiện bệnh tiểu đường, tín hiệu oxy hóa khử này bị gián đoạn, dẫn đến tăng các gốc tự do stress oxy hóa.

Cuối cùng, cần đề cập rằng kết quả từ các nghiên cứu về sự xuất hiện của các gốc tự do ROS/NS ty thể trong bệnh tiểu đường và số lượng được tạo ra không nhất quán ở một mức độ nào đó. Mặc dù hiện nay người ta thường chấp nhận rằng các gốc tự do ROS/NS có nguồn gốc từ ty thể tăng lên trong bệnh tiểu đường, nhưng một số nghiên cứu đã báo cáo mức giảm tổng thể [62, 63]. Sự khác biệt có thể là do tính không đồng nhất của tế bào và các phản ứng trao đổi chất khác nhau của các tế bào trong thận [64]. Nghiên cứu thêm là cần thiết để làm rõ vấn đề này.  

Chữ viết tắt:
8-OHdG–8-hydroxy-2′-deoxyguanosine; 8-oxodG–8-oxo-7,8-dihydro-2′-deoxyguanosine; ADP – adenosine diphosphate; TUỔI – sản phẩm cuối glycation nâng cao; AIF – yếu tố gây chết rụng tế bào; aPC – protein C hoạt hóa; ATM – mất điều hòa giãn mạch đột biến; ATP – adenosine triphosphate; ATR – giãn mạch thất điều và liên quan đến Rad3; BER – sửa chữa cắt bỏ cơ sở; BMF – Bcl-2 yếu tố sửa đổi; CKD – bệnh thận mãn tính; CVD – bệnh tim mạch; DIABLO – protein liên kết IAP trực tiếp với pI thấp; EMT – quá trình chuyển đổi nội mô-trung mô; EndoG – endonuclease G; ER – mạng lưới nội chất; ERK – kinase điều hòa tín hiệu ngoại bào; ESRD – bệnh thận giai đoạn cuối; ETC – chuỗi vận chuyển điện tử; FADD – protein liên quan đến FAS với vùng chết; GPx1 – glutathione peroxidase 1; H2O2 – hydro peroxide; ICR – Viện Nghiên cứu Ung thư; IDH2 – isocitrate dehydrogenase 2; IMS – không gian liên màng; MAPK – protein kinase được kích hoạt bằng mitogen; MCP-1 – protein hóa hướng động đơn nhân 1; MIF – yếu tố ức chế di chuyển đại thực bào; MIOX – myo-inositol oxyase; MOMP – tính thấm của màng ngoài ty thể; mPTP – lỗ chân lông chuyển tiếp tính thấm của ty thể; mtDNA – DNA ty thể; MTH1 – đột biến T tương đồng 1; MUTYH – tương đồng đột biến Y; NADPH – nicotinamide adenine dinucleotide phosphate hydro; NF-κB – yếu tố hạt nhân kappa-chất tăng cường chuỗi ánh sáng của các tế bào B được kích hoạt; •NO2- – nitơ dioxit; NOX–NADPH-oxidaza; NRK – thận chuột bình thường; O2•- – superoxit; OGG1 – oxoguanine glycosylase; OH•–gốc hydroxyl; ONOO-–peroxynitrit; OPG – chất tạo xương; OXPHOS – phosphoryl hóa oxy hóa; PARP – polyme (ADP-ribose) polymerase; PKC – protein kinase C; RAGE – thụ thể cho AGEs; RAS – hệ thống renin-angiotensin; ROS/NS – các loại oxy và nitơ phản ứng; Smac – chất kích hoạt có nguồn gốc từ ty thể thứ hai của caspase; Smad2 – những bà mẹ chống lại chứng tương đồng decapentaplegic 2; SOD2 – superoxide dismutase 2; STZ – streptozotocin; TCA – axit tricacboxylic; TGF – yếu tố tăng trưởng biến đổi; TRAIL – phối tử gây chết tế bào chết liên quan đến yếu tố hoại tử khối u; VCAM-1 – phân tử kết dính tế bào mạch máu 1; ZDF – Zucker béo đái tháo đường