1. del: Zaščitni učinek vodikovega sulfida na ledvice (pregled)

Za več informacij. stiktina.xiang@wecistanche.com

Povzetek. Vodikov sulfid (H2S) je fiziološko pomemben prenašalec plina, ki opravlja različne biološke funkcije v telesu, podobno kot ogljikov monoksid in dušikov oksid. Cistationin- -sintaza, cistationin-y-liaza in cistein transaminaza/3-merkaptopiruvat sulfotransferaza so pomembni encimi, ki sodelujejo pri proizvodnji H2S in vivo, mitohondriji pa so primarna mesta presnove. Poročali so, da imata H in S pomembno fiziološko vlogo priledvica. Pri boleznih, kot so ishemično-reperfuzijska poškodba, nefrotoksičnost zdravil in diabetična nefropatija, ima H2S pomembno vlogo tako pri pojavu kot pri razvoju bolezni. Namen tega pregleda je bil povzeti proizvodnjo, presnovo in fiziološke funkcije H2S ter napredek v raziskavah glede njegove vloge pripoškodba ledvicin ledvična fibroza v zadnjih letih.

Kliknite tukaj, če želite izvedeti reddit cistanche tubulosa

1. Uvod

Vodikov sulfid (H2S) je sprva veljal za strupen plin; vendar se je z nadaljevanjem raziskav izkazalo, da ima pomembno vlogo v živih organizmih in je poleg ogljikovega monoksida (CO) in dušikovega oksida (NO) (1,2) postal še en pomemben prenašalec plina. Ker je bilo potrjeno, da je H2S prisoten v tkivih sesalcev, je veliko število študij pokazalo, da lahko H2S vplivaprotivnetno, antioksidativnostres in antifibrotični učinki v telesu (3,4). Prejšnje študije so potrdile, da ima H, S fiziološko in patološko vlogo prisrčno-žilnisistem, možgani in živčni sistem (5-7). Zaradi neenakomerne porazdelitve encimov, ki ustvarjajo H2S, v različnih organih in tkivih pa se koncentracija H,2S v različnih organih zelo razlikuje (8). Študija osnovnih mehanizmov H2S v fizioloških in patoloških procesih v ledvicah lahko pomaga pri sistematičnem razumevanju njegovih molekularno bioloških mehanizmov, zlasti glede njegove renoprotektivne vloge.

2. Splošne fizikalno-kemijske lastnosti H2S.

H2S je brezbarven plin, ki diši podobno kot gnila jajca; vonj H2S lahko zazna človeški vohalni sistem, ko koncentracija v zraku doseže 1/400 svoje strupene ravni (9). Kot šibka kislina H2S disociira v vodi, da doseže ravnotežje pri sobni temperaturi (25 stopinj) s pKa 6.97-7.06 in pKa 12.35-15.0. Poleg tega je H2S v vodni raztopini hlapen in njegova medsebojna pretvorba med tekočo fazo in plinasto fazo doseže ravnotežje, kot je prikazano na sliki 1; na to ravnovesje vplivajo temperatura okolja, tlak in druge topljenci v vodni raztopini (10). Poleg tega je H2S zelo lipofilen, kar mu ne omogoča le višje koncentracije v pogojih, kjer je veliko maščob, temveč mu omogoča tudi prosto prodre skozi lipidne biofilme, ne da bi se pri izvajanju svoje biološke aktivnosti zanašal na membranske kanale (11). Ker H2S in HS sobivata v raztopini, je težko jasno razlikovati med tem, kateri od njiju ima vlogo v bioloških mehanizmih in ali imata oba biološke učinke.

3. Nastajanje in metabolizem H2S

Nastajanje H2S. Sinteza H_S pri sesalcih temelji predvsem na encimskih poteh. Trije tradicionalni encimski sistemi, ki katalizirajo proizvodnjo H2S, vključujejo sinergistično delovanje cistationin- -sintaze (CBS), cistationin-y-liaze (CSE) in cistein transaminaze (CAT) z 3-merkaptopiruvatom ({{7 }}MP) sulfotransferaza (3-MST)(12,13). S piridoksal fosfatom (znanim tudi kot vitamin B6) kot kofaktorjem sta CSE in CBS odgovorna za večino proizvedenega endogenega H2S, kot je prikazano na sliki 2. CSE ali CBS katalizira L-cistein za proizvodnjo HS in L-serina , ali s CBS za proizvodnjo piruvata, NH; in H2S.CSE lahko polimerizira dva ostanka L-cisteina v L-cistin, nato pa CSE uporabi L-cistin kot substrat, da ga razgradi v tiocistein, piruvat in NH3. Nastali tiocistein reagira z drugimi tioli, da ustvari H2S z neencimsko reakcijo. Poleg tega L-cistein polimerizira z L-homocisteinom kot substratom za CSE ali CBS, da proizvede L-cistationin in H2S. L-cistationin se s CSE nadalje razgradi v L-cistein, a-ketobutirat in doseže se kroženje NH in L-cisteina (12,13). Poročali so, da je pri reakciji, pri kateri se L-cistein presnavlja v H2S preko CBS, količina H2S, ki nastane z -nadomeščanjem, 50-krat večja od -eliminacije (14). Med proizvodnjo H2S s CSE je , -odstranjevanje cisteina primarni vir HS, ki predstavlja 70 odstotkov proizvodnje H2S (15).

Za razliko od CSE in CBS 3-MST uporablja kovinski cink kot kofaktor(14). Poleg tega je treba L-cistein pretvoriti v 3-MP in L-glutaminsko kislino z reakcijo CAT z -ketoglutaratom, 3-MP pa nato razžvepla 3-MST kot neposredni substrat za proizvodnjo HS in piruvata (16,17). V peroksisomih D-aminokislinska oksidaza katalizira D-cistein namesto L-cisteina, da proizvede 3-MP, NH3 in H2O v prisotnosti vode in kisika, in nastala 3-MP se prenese v mitohondrije za 3-uporabo MST za ustvarjanje H2S(18). Vstop 3-MP v peroksidazi v mitohondrije je na splošno v obliki veziklov, kot je prikazano na sliki 2. Klinična opazovanja so pokazala, da je sinteza CSE in CBS pri bolnikih s kronično ledvično boleznijo zmanjšana, medtem ko se izražanje 3-MST in hemoragičnega homocisteina poveča (19). To je mogoče razložiti s posebnim mehanizmom delovanja, ki ga uporabljajo prej omenjeni encimi za ustvarjanje H2S. Ko je proizvodnja H2S s CBS in CSE prek poti L-homocistein/L-cistationin zmanjšana, je uporaba L-homocisteina omejena in pri bolniku se lahko pojavi hiperhomocisteinemija.

Presnova H2S. H2S v telesu presnavljajo predvsem mitohondriji (20). Sulfokinon oksidoreduktaza (SQOR) v mitohondrijih lahko uporabi H2S in ga presnovi v tiosulfat s pomočjo tiosulfat žveplotransferaze (TST) in tiol dioksigenaze (ETHEl). Med tem procesom ima reducirani glutation pomembno vlogo, tiosulfat pa se pod delovanjem tiosulfat reduktaze in sulfit oksidaze (SUOX) nadalje oksidira in končno izloči v obliki sulfata skozi ledvice, kot je prikazano na sliki 3. Vloga O, je v tem procesu nenadomestljiv (21,22). Predvsem koencim Q(CoQ) je tesno povezan z zgoraj omenjenimi encimi. Prejšnja študija je pokazala, da lahko odsotnost CoQ povzroči znižano regulacijo ravni izražanja tiokinon oksidoreduktaze, TST, ETHE1 in SUOX (23). V zgodnjih fazah pomanjkanja CoQ so ravni SQOR znatno znižane, kar vpliva na oksidacijo H2S, dodatek CoQ pa lahko reši presnovo H2S, ne da bi vplival na njegovo proizvodnjo (24). Medtem ko se aktivnost SQOR in ravni beljakovin zmanjšajo, se ravni beljakovin drugih mitohondrijskih encimov (TST, ETHEl in SUOX) v oksidacijski poti H2S povečajo v fibroblastih; vendar ni jasno, ali je zvišanje ravni več encimov začasno povečanje kompenzacije ali obratno sorazmerno z znižanjem ravni SQOR (23). Zato je pomembno raziskati učinek pomanjkanja CoQ na presnovne encime H2S, kar lahko pomaga pri proučevanju uravnavanja koncentracije H2S prek presnovnih poti H2S, da vpliva na več signalnih poti v telesu.

V normalnih fizioloških pogojih, ko proizvodnja H2S v tkivih preseže metabolizem uporabe, je potrebna druga presnovna pot, metilacija citoplazemske metiltransferaze. Do danes sta znani metiltransferazi v človeškem telesu tiopurin metiltransferaza (TPMT) in tiol metiltransferaza (TMT). TPMT selektivno metilira tiopurinske spojine, medtem ko TMT selektivno metilira substrate alifatskih merkaptanov. Z uporabo masne spektrometrije za neposredno merjenje tvorbe metil sulfida smo predhodno ocenili metilacijo H2S in dobljene kinetične krivulje; Km metilacije HS je bil 146,2 plus 29,2 μmol (25). Dokazano je bilo tudi, da lahko človeški metiltransferazi podoben protein 7B katalizira prenos metilne skupine iz S-adenozin 1-metionina na H2S in druge eksogene majhne molekule merkaptana, s čimer presnavlja H2S (25). Poleg tega H2S lahko odstranijo methemoglobin ali kovinske/nekovinske molekule, kot je oksidirani glutation (26).

4. Fiziološka vloga H2S v ledvicah

Izločevalna funkcija ledvic. Klinične študije so potrdile, da so ravni H2S v plazmi v pozitivni korelaciji s hitrostjo glomerulne filtracije pri bolnikih s kronično ledvično boleznijo (CKD). Poleg tega so poročali, da je vsebnost homocisteina v serumu pri bolnikih z napredovalo CKD (CKD3-5) pomembno višja kot pri bolnikih z zgodnjo kronično ledvično boleznijo (CKD1-2), zvišanje ravni homocisteina v serumu pa je povezano z zmanjšanim delovanjem ledvic (19). Pokazalo se je, da hiperhomocisteinemija poslabša odlaganje proteinov zunajceličnega matriksa (ECM) in uničenje koneksina ter vodi do fosforilacije endotelne NO sintaze (eNOS) v endotelijskih celicah ledvičnih žil, s čimer se zmanjša biološka uporabnost NO za induciranje vazokonstrikcije in zmanjšanje ledvični pretok krvi, kar se kaže z znižanjem ravni H2S v plazmi in hitrosti glomerularne filtracije (GFR) (27). H2S lahko poveča izločanje natrija in kalija z urinom z zaviranjem soprenašalcev Na-K-2Cl in Na- K-ATPaza. Poskusi in vivo so pokazali, da lahko intrarenalna arterijska infuzija NaHS darovalca H2S poveča ledvični pretok krvi, GFR in izločanje natrija [U(Na)x volumen] in kalija [U(K)x volumen) v urinu, in infuzija L-cisteina preko ledvične arterije za povečanje koncentracije substrata H2S bi lahko simulirala ta učinek (28). Poleg tega lahko H2S blokira odpiranje od fosfatidilinozitola 3,4,5-trifosfata odvisnih distalnih ledvičnih epitelijskih natrijevih kanalov induciran s H2O, zmanjšajo reabsorpcijo natrija v nefronih in povečajo izločanje natrija z urinom (29). Poleg tega se je pokazalo, da uporaba zaviralcev encimov CSE in CBS propargilglicina in aminooksoacetata poveča volumen urina in zmanjša osmotski tlak urina pri miši; to je povezano z zmanjšanjem izražanja akvaporina (AQP)-2 v ledvični meduli, ki ga povzroči HS. Po zdravljenju z GYY4137, donorjevim sredstvom za podaljšano sproščanje H2S, so bile ravni izražanja AQP-2 znatno povečane (30).

H2S lahko neposredno cilja na nekatere na H2S občutljive disulfidne vezi v receptorju epidermalnega rastnega faktorja (EGFR), ki lahko inducira endocitozo in inhibicijo Na-K-ATPaze v epitelijskih celicah ledvičnih tubulov z uravnavanjem poti EGFR/GAB1/PI3K/Akt, tako zmanjšanje izmenjave natrijevih in kalijevih ionov v epitelijskih celicah ledvičnih tubulov in spodbujanje izločanja natrija (31). Vendar je treba še ugotoviti, kako pot EGFR/GAB1/PI3K/Akt deluje na Na-K-ATPazo. Znano je, da ima EGFR aktivnost tirozin kinaze in člani njegove družine se lahko vežejo na različne ligande, da tvorijo homodimere ali heterodimere, kar vodi do fosforilacije specifičnih tirozinskih ostankov v znotrajceličnih domenah. V endotelijskih celicah ledvičnih žil so poročali, da zaviranje EGFR razširi ledvične žile in izboljša ledvični pretok krvi; v podocitih lahko zaviranje EGFR zmanjša poškodbe in izgubo podocitov, povzročeno z visokimi ravnmi glukoze, in zmanjša proteinurijo, medtem ko se je pokazalo, da zaviranje EGFR v epitelijskih celicah ledvičnih tubulov ublaži poškodbo ledvičnih tubulov in epitelno-mezenhimski prehod (EMT) (32). ,33). Vendar pa so študije o zaviralcih aktivnosti tirozin kinaze EGFR pokazale, da lahko zaviranje EGFR vodi tudi do poškodbe ledvičnih tubulov in elektrolitskih motenj (34). Zato so potrebne bolj poglobljene študije, zlasti v zvezi s prednostmi in slabostmi H2S pri uravnavanju aktivnosti poti EGFR.

Tako so te zgoraj omenjene prejšnje študije pokazale, da ima H2S vlogo pri presnovi vode in elektrolitov z različnimi metodami. Na splošno se domneva, da je povečana koncentracija H_S ugodna za uravnavanje izločanja elektrolitov v ledvicah, medtem ko lahko zaviranje njegove proizvodnje ohrani drenažo natrija. Zato so lahko zaviralci CBS in CSE, ki proizvajajo H2S, potencialni diuretiki.

Zaznavanje kisika. Zaznavanje O, posredovano s H2S, je bilo odkrito v različnih tkivih, ki zaznavajo O{2}}, v kardiovaskularnem in dihalnem sistemu vretenčarjev (35,36). Učinek nizvodnih signalnih dogodkov HSon je skladen z učinkom aktivacije hipoksije (37, 38). Pri normalnih ledvicah je zaradi intrarenalnega arteriovenskega kisikovega šanta ledvica v primerjavi z drugimi organi v stanju nizkega parcialnega tlaka kisika in parcialni tlak kisika v ledvični meduli je nižji kot v ledvičnem parenhimu (39,40). Zato se H2S obravnava kot senzor za kisik v ledvicah, zlasti v meduli (41). Kot senzor za kisik je H2S neločljivo povezan s svojim nastajanjem in oksidativnim presnovnim ravnovesjem. Nastajanje H2S ni odvisno od O, vendar je njegov oksidativni metabolizem v mitohondrijih odvisen od kisika, kot je navedeno zgoraj; zato lahko hipoksija vodi do povečanja koncentracije H2S, med obema pa obstaja obratno razmerje (37). Mitohondrijska oksidativna dihalna transportna veriga elektronov je primarno sredstvo za pridobivanje energije; zato je potrebno in pomembno dokazati, da H2S sodeluje pri nastajanju energije v fizioloških pogojih v ledvični meduli pri normalni hipoksiji. Kot senzor za kisik lahko H2S vpliva na pretok krvi in ​​uravnava ravnovesje kisika v srcu in pljučih. Ali H2S uravnava tudi porazdelitev oskrbe s kisikom v ledvični skorji in meduli pod fiziološkimi pogoji s tem mehanizmom ali na druge načine, je treba še ugotoviti. Raziskovanje lokacije in molekularnega mehanizma H2S kot senzorja za kisik, ki vpliva na pojav signalnih dogodkov na koncu toka, bo še dodatno obogatilo naše razumevanje H2S kot senzorja za kisik.