Endogenní metabolismus fruktózy by mohl vysvětlit Warburgův efekt a ochranu inhibitorů SGLT2 u chronického onemocnění ledvin

edmund.chen@wecistanche.com

Chronický zánět nízkého stupně je základem patogeneze nepřenosných onemocnění, včetně chronickýchonemocnění ledvin(CKD). Zánět je biologicky aktivní proces doprovázený biochemickými změnami zahrnujícími energii, aminokyseliny, lipidy a nukleotidy. Nedávno byla pozorována zvýšená glykolýza u několika zánětlivých poruch, včetně několika typůnemoc ledvin. Faktory iniciující glykolýzu však zůstávají nejasné. Přidané cukry obsahující fruktózu jsou přítomny v téměř 70 procentech zpracovaných potravin a jsou zapojeny do etiologie mnoha nepřenosných onemocnění. Vledvinafruktóza je transportována do proximálních tubulů prostřednictvím několika transportérů ke zprostředkování patofyziologických procesů. Fruktóza může být generována vledvinaběhem reabsorpce glukózy (jako např. při cukrovce) a také zintrarenálníhypoxie, která se vyskytuje u CKD. Metabolismus fruktózy také poskytuje biosyntetické prekurzory zánětu změnou intracelulárního metabolického profilu z mitochondriální oxidativní fosforylace na glykolýzu navzdory dostupnosti kyslíku, což je podobné Warburgovu efektu u rakoviny. Důležité je, že kyselina močová, vedlejší produkt metabolismu fruktózy, pravděpodobně hraje klíčovou roli při podpoře glykolýzy stimulací zánětu a potlačením akonitázy v cyklu trikarboxylových kyselin. Následná akumulace glykolytických meziproduktů je spojena s produkcí biosyntetických prekurzorů, proteinů, lipidů a nukleových kyselin, aby se pokryla zvýšená energetická potřeba pro místní zánět. Zde diskutujeme o možnosti, že fruktóza a kyselina močová mohou zprostředkovat metabolický přechod na glykolýzu u CKD. Navrhujeme také, že inhibitory sodno-glukózového kotransportéru 2 (SGLT2) mohou zpomalit progresi CKD sníženímintrarenálníglukózy a následně hladiny fruktózy.

klíčová slova:fruktóza, Warburgův efekt, CKD - ​​chronické onemocnění ledvin, záněty, fibróza, ledviny

ÚVODChronickýnemoc ledvin(CKD) se v posledních desetiletích zvýšil a je hlavní příčinou morbidity a mortality. Centrální pro diabetické i nediabetické CKD jeintrarenálnízáněty a fibrózy. Zde předkládáme novou hypotézu, že fruktóza, ať už poskytovaná ve stravě nebo produkovaná endogenně, by mohla hrát klíčovou roli při způsobování onemocnění díky své schopnosti vyvolat zánět prostřednictvím Warburgova efektu. Také předpokládáme, že by to mohlo vysvětlit protektivní přínos inhibitorů kotransportérů sodíku a glukózy-2 (SGLT2). Zatímco jiní navrhli, že mohou poskytovat inhibitory SGLT2ledvinovéochranu zvrácením Warburgova efektu (1), zde navrhujeme, že endogenní metabolismus fruktózy by mohl být mediátorem Warburgova efektu v tomto rukopise a navrhujeme mechanismus, kterým by inhibitory SGLT2 mohly snížit metabolismus fruktózy vledvin.Protože fruktóza je endogenně produkována i v nediabetických podmínkách, naše hypotéza by mohla být aplikována na to, jak inhibitory SGLT2 zlepšují diabetickou i nediabetickou CKD.

FRUKTÓZA, METABOLICKÝ SYNDROM A CKDFruktóza je jednoduchý cukr přítomný v ovoci a medu a je také hlavní složkou přidaných cukrů, jako je sacharóza (disacharid fruktózy a glukózy) a kukuřičný sirup s vysokým obsahem fruktózy (HFCS, kombinace monosacharidu fruktózy a glukózy). Příjem fruktózy za poslední století raketově vzrostl v souvislosti s celkově zvýšeným příjmem přidaných cukrů. Fruktóza může být také produkována v těle aktivací aldózoreduktázy (AR) v polyolové dráze (obrázek 1). Je známo, že různé stimuly zvyšují expresi AR, včetně ischemie, hypoxie, hyperglykémie, hyperosmolality a kyseliny močové (2–5). Zatímco endogenní produkce fruktózy je obvykle nízká, přibývá důkazů, že endogenní produkce fruktózy se zvyšuje nejen u diabetu (6, 7), ale také v důsledku diety s vysokým obsahem sacharidů, slaných jídel a alkoholu běžného pro západní stravu (8–11 ).

Výzkum ukázal, že fruktóza hraje roli v mnoha nepřenosných onemocněních, včetně obezity, cukrovky, nealkoholického ztučnění jater a srdečních chorob (12, 13), a to jak akutních, tak chronických.nemoc ledvin(5, 6, 14, 15). Klasicky se to připisuje účinku fruktózy na stimulaci oxidačního stresu, endoteliální dysfunkci, stimulaci vazopresinu a tvorbu kyseliny močové (12, 13, 16).

Nedávno jsme přezkoumali důkazy, že fruktóza může také napomáhat růstu rakoviny tím, že zapne metabolický spínač upřednostňující mitochondriální dýchání před glykolýzou, což se podobá Warburgovu efektu (17, 18). Warburgův efekt se také pravděpodobně podílí na progresi nenádorových poruch, včetně plicní hypertenze, kardiovaskulárních chorob, neuronálních poruch aonemocnění ledvin(19). Zde navrhujeme, že Warburgův efekt způsobený fruktózou by mohl mít roli v chronických onemocněníchnemoc ledvin(CKD).

METABOLISMUS FRUKTÓZY A EFEKT WARBURGGlykolýza je metabolická dráha, která přeměňuje glukózu na pyruvát, který může vstoupit do cyklu trikarboxylových kyselin (TCA) v mitochondriích, kde se oxidativní fosforylací vytváří ATP. Fruktóza se liší od glukózy tím, že je jedinečně metabolizována na fruktóza 1-fosfát (Fru1P). Fru1P může být následně metabolizován, aby se spojil s glykolytickou cestou (obrázek 1). Během metabolismu fruktózy snižuje aktivace C izoformy offruktokinázy (ketohexokináza-C; KHK-C) jak fosfát, tak adenosintrifosfát (ATP) v buňce a spouští degradaci adenosinmonofosfátu (AMP) AMP deaminázou směrem k produkci kyseliny močové. . Kyselina močová je intracelulární prooxidant a je schopna potlačit akonitázu, enzym katalyzující citrát na isocitrát v cyklu TCA. V důsledku toho může fruktóza působit jako metabolický spínač, který podporuje rychlejší tvorbu energie z glykolýzy ve srovnání s energií generovanou mitochondriální respirací navzdory dostupnosti kyslíku. Podobně jako u Warburgova efektu při růstu rakoviny, aktivovaná glykolýza dodává několik meziproduktů navazujících na následné metabolické dráhy, včetně pentózofosfátové dráhy, hexosaminové dráhy a syntézy lipidů, a tyto biosyntetické prekurzory přispívají k zánětlivé reakci (17).

MECHANISMY, KTERÝMI FRUKTÓZA STIMULUJÍ ZÁNĚT LEDVINVledvinadietní fruktóza je kompletně filtrována přes glomerulus a reabsorbována v proximálních tubulárních epiteliálních buňkách prostřednictvím fruktózových transportérů exprimovaných v apikální membráně. Fruktóza je fyziologicky využívána v cytosolu jako substrát pro glukoneogenezi k udržení systémové koncentrace glukózy (18). Theledvinaje schopen endogenně produkovat fruktózu, aby se vyrovnal s několika patologickými stavy. Například ischemie, vysoká hladina glukózy a vysoká osmolarita, které jsou všechny klíčové složky CKD, stimulují aldózoreduktázu a aktivují polyolovou dráhu (obrázek 2).

Nadměrné množství fruktózy ve stravě je škodlivéledvina. Ve skutečnosti se u normálních potkanů ​​na dietě s vysokým obsahem fruktózy vyvine mírný tubulointersticiální zánět a fibróza. Exprese tubulárního epiteliálního vimentinu, ukládání kolagenu III a infifiltrace imunitních buněk byly indukovány dietní fruktózou u hlodavců (15, 20). V již existujícímporanění ledvinfruktóza urychluje progresiporanění ledvins výraznými zánětlivými změnami v glomerulech i tubulointersticiu (14). Bylo zjištěno, že kultivované proximální tubulární buňky uvolňují zánětlivé cytokiny, včetně monocytárního chemoatraktantu proteinu-1 (MCP-1) v reakci na fruktózu, což je metabolická odpověď zprostředkovaná kyselinou močovou (21).

Zánětlivá odpověď na fruktózu je indukována nejen fruktózou z potravy, ale také endogenní produkcí fruktózy v buňkách tubulárního epitelu. Ve skutečnosti studie na myších prokázaly, že diabetes nebo hypoxie způsobujíledvinovétubulárních epiteliálních buněk k uvolnění několika zánětlivých cytokinů, včetně aktivace NFkB, exprese IL6 a CCL2, z nichž všechny byly u myší s deficitem fruktokinázy otupeny (5, 6). Endoteliální buňky jsou také stimulovány k uvolňování intercelulární adhezní molekuly-1 (ICAM-1) v reakci na fruktózu (22). Pravděpodobným mechanismem je schopnost ofruktózy snižovat dostupnost oxidu dusnatého (NO) v endoteliálních buňkách, protože donoři NO zmírňují fruktózou indukovanou expresi ICAM-1. Ukázalo se, že tento účinek je způsoben odpojením endoteliální NO syntázy (eNOS) v důsledku fruktózou indukovaného oxidačního stresu (23–25). Fruktózou indukovaná tvorba kyseliny močové může být také zapojena do tohoto procesu, protože kyselina močová přímo narušuje endoteliální funkci (16, 26, 27).

CKD SPOJENÁ SE ZHORŠOVÁNÍM RENÁLNÍ HYPOXIEZa normálních fyziologických podmínek jeledvinamedulla je ve stavu nízkého kyslíku s parciálním tlakem kyslíku v rozmezí 10 až 20 mmHg, na rozdíl od tlaku v kůře, který je asi 50 mmHg (28). Fyziologická hypoxie do značné míry závisí na vysoké spotřebě kyslíkuledvinovétubulární články pro udržení transportu elektrolytu. V této oblasti je také omezen přívod kyslíku, protože cévní systém je provozován protiproudým systémem, ve kterém kyslík difunduje z arteriální do venózní vasa recta a zanechává zevní dřeň s nedostatkem kyslíku (28). Za patologických podmínek se nízká hladina kyslíku dále urychluje. Například ztráta glomerulárních kapilár při glomerulární skleróze snižuje průtok krve do distálních peritubulárních kapilár s dalším snížením dodávky kyslíku. Podobně anémie spojená s CKD může snížit dodávku kyslíku, zatímco konstrikce eferentní arteriolyintrarenálníaktivace systému renin angiotenzin aldosteron snižuje průtok krve do tubulointersticiální oblasti s podobnými účinky na dodávku kyslíku (28). Protože se pravděpodobně jedná o sdílené mechanismy v progresionemocnění ledvinhypoxie je považována za sjednocující cestu ke konečnému stádiunemoc ledvin (28, 29).

Theledvinyjsou fyziologicky vybaveny kompenzačními reakcemi na hypoxii. Ochranné systémy zahrnují aktivaci hypoxií indukovaného faktoru-1a (HIF-1a), který je schopen stimulovat expresi erytropoetinu pro zvýšení počtu erytrocytů, a indukci vaskulárního endoteliálního růstového faktoru (VEGF) pro indukci angiogeneze (30), které oba pomáhají dodávat kyslík do hypoxických periferních tkání. Tyto kompenzační reakce se však mohou změnit na škodlivé za několika patologických stavů. Zejména HIF se může stát profifibrotickým při trvalé hypoxii u CKD (31). Mechanismus se pravděpodobně podílí na schopnosti HIF upřednostňovat glykolýzu před mitochondriální respirací a vyvolat

produkce endogenní fruktózy (32, 33). Nicméně v podmínkách chronické hypoxie je pravděpodobné, že mitochondriální funkce může být progresivně snížena, takže je nutný přechod na glykolýzu.

EFEKT WARBURG SE SOUVISÍ S CKDMitochondrie byly dlouho uznávány jako místo zvýšeného oxidačního stresu u diabetu a aberantní aktivace mitochondrií by také mohla hrát klíčovou roli v diabetických komplikacích (34–36), i když stále přetrvávají určité kontroverze (37). Nedávné důkazy však ukázaly, že mitochondriální funkce je u diabetu spíše potlačena a obnova normálního mitochondriálního zdraví se zlepšuje.ledvinovékardiovaskulární a neuronální výsledky (38–42). V souladu s těmito zjištěními experimentální studie ukázaly, že glykolytické meziprodukty a enzymy jsou upregulovány vledvinakůry u diabetu 2. typu (42). Podobně byly metabolity v mitochondriálním citrátovém cyklu významně sníženy u pacientů s diabetickou nefropatií ve srovnání se zdravými kontrolami (43). Tato data naznačují, že aktivovaná glykolýza je dominantní nad mitochondriální funkcí a hraje patologickou roli u diabetické nefropatie.

Existují také důkazy, že u jiných typů CKD může dojít k posunu od oxidačního stresu ke glykolýze. Jedním z příkladů je autosomálně dominantní polycystikanemoc ledvin(ADPKD), která je způsobena mutacemi se ztrátou funkce buď v PDK1 nebo PKD2 (44). Rowe a kol. zjistili, že kultivované myší embryonální fifibroblasty (MEF) pocházející z myší Pkd-/- preferenčně využívaly vyšší množství glukózy, ale vylučovaly vyšší množství laktátu do kultivačního média než buňky z myší divokého typu (45). Kromě toho Pkd-/- MEF produkovaly vyšší obsah ATP, který byl spojen s upregulací enzymů glykolýzy a měl pouze malý účinek oligomycinu, inhibitoru mitochondriální syntézy ATP, což naznačuje, že ATP je produkován glykolýzou, ale ne mitochondriální dýchání. Stejně tak myš postrádající Pkd vledvinovétubuly, jako myší model pro ADPKD, vykazovaly aktivaci glykolýzy, zatímco blokovaly glykolýzu pomocí 2DG, analogu glukózy, podařilo se zmírnit proliferaci tubulárních buněk, což vedlo ke sníženíledvinavelikost a tvorba cyst (45, 46).

Posun ke glykolýze byl také pozorován u modelu unilaterální ureterální obstrukce a u TGF-b1-léčenýchledvinovémodel fibrózy. Konkrétně Ding a kol. zjistili, že aktivace myofifibroblastů vledvinybyl spojen se zvýšeným vychytáváním glukózy a produkcí laktátuledvinykteré by bylo možné zmírnit blokováním glykolýzy pomocí 2-deoxyglukosy. Poté se ukázalo, že to představuje metabolický přepínač závislý na TGF b1- upřednostňující glykolýzu před mitochondriální respirací. Tyto údaje naznačují, že Warburgův efekt by mohl hrát klíčovou roli v procesuledvinovéfibróza (47).

FRUKTÓZA JAKO MECHANISMUS PRO VYVOLÁNÍ EFEKTU WARBURG U CKDPozorování, že CKD je spojeno se zhoršenímintrarenálníischemie a hypoxie by mohly mít velký vliv naintrarenálnímetabolismus. Jak jsme zmínili, HIF-1a související s hypoxií stimuluje endogenní produkci fruktózy a metabolismus. Park a kol. studovali roli fruktózy u nahých krys, které mohou přežít delší dobu v hypoxických podmínkách, a zjistili, že mechanismus tolerance k hypoxii je připisován jejich schopnosti endogenně produkovat fruktózu (32). Fruktóza může být metabolizována i za podmínek s nízkým obsahem kyslíku, zatímco může poskytovat několik biosyntetických meziproduktů několika cestami, aby uspokojila požadavek na ochranu buněk (jak je diskutováno výše).

Avšak zatímco fruktóza byla pravděpodobně zamýšlena jako ochranná při ischemii, za patologických podmínek může mít fruktóza škodlivé následky. Mirtschink a kol. zjistili, že fruktokináza byla upregulována za podmínek nízkého kyslíku jako cílový gen HIF, ale přispěla k rozvoji hypertrofického srdce u myší, zatímco srdeční hypertrofie byla blokována u myší s deficitem fruktokinázy (33). Vledviny,endogenní fruktóza může být škodlivá v několika patologických stavech. Andres-Hernando a kol. ukázaly, že přechodná ischemie byla schopna indukovat endogenní fruktózu vledvinovétubulů a opět bylo zjištěno, že je škodlivý, protože blokování metabolismu fruktózy zlepšujeporanění ledvinv ischemicko-reperfuzním myším modelu (5).

Další nastavení, kde endogenní produkce fruktózy vledvinaje vysoká u diabetické nefropatie. U diabetické nefropatie není jenintrarenálníischemie a hypoxie, ale vysoký přenos glukózy v proximálních tubulech. Místní zvýšení glukózy je dalším hlavním stimulem pro produkci fruktózy. Jelikož je fruktokináza přítomna v proximálních tubulech (S1 až S3), je pravděpodobné, že endogenní produkce fruktózy je vysoká (7). Bylo zjištěno, že blokování fruktokinázy je protektivní u experimentální diabetické nefropatie (6).

Proximální tubulární buňky normálně preferují lipidy před glukózou pro produkci energie, takže glykolýza nebyla u tohoto typu buněk provozována. Bylo by to způsobeno nerovnováhou enzymatických aktivací pro glykolýzu oproti aktivacím pro glukoneogenezi (18). Protože proximální tubulární buňky jsou hlavním místem metabolismu fruktózy vledvinaprotože zde je převážně exprimována fruktokináza, je metabolismus fruktózy fyziologicky spojen s glukoneogenezí, nikoli však s glykolýzou (18). To však neplatí pro poškozené tubuly. Ve skutečnosti jsou poškozené proximální tubulární buňky často spojeny s mitochondriální alterací, což vede k metabolickému přechodu z mitochondriální oxidativní fosforylace na glykolýzu se zesílenou expresí glykolytických enzymů (48). Důležité je, že když je fruktóza metabolizována s glukózou, aktivita glukokinázy se zvýší (49–52).

MOHOU BÝT PROSPĚŠNÉ ÚČINKY INHIBITORŮ SGLT2 U DIABETICKÉHO A NEDIABETICKÉHO CKD ZPŮSOBENÉ PREVENCÍ PŘEPNUTÍ METABOLICKÉHO PŘEPÍNÁNÍ KE glykolýze?Inhibitory SGLT2 nedávno získaly pozornost klinických lékařů a výzkumníků pro jejich hlavní terapeutické přínosy, které přesahují jejich glykemickou kontrolu u nediabetiků i diabetiků.onemocnění ledvina u kardiovaskulárních komplikací spojených s CKD (53, 54). Zatímco přesné mechanismy zůstávají nejasné, nedávné studie ukázaly, že ochranné účinky mohou být způsobeny prevencí oxidace lipidů z metabolické přepínací formy na glykolýzu, protože aberantní glykolýza byla pravděpodobně spojena s transformací epiteliálních na mezenchymální buňky proximálních tubulů u diabetických pacientů. nefropatie (55, 56). Kromě toho mohou inhibitory SGLT2 snižovatintrarenálnípůsobí tak, že blokují vychytávání glukózy, a tím snižujíintrarenálníhypoxie s blokováním akumulace HIF{0}}a zabráněním snížení klotho, událostí, u kterých se očekává snížení glykolýzy (57, 58). Dalším ochranným účinkem inhibice SGLT2 je chronický posun využití paliva směrem k tukovým substrátům, aby se vyvolal významný přírůstek lipolýzy a ketogeneze (59). Zvýšení obsahu ketonů také naznačuje zvýšení oxidace b a snížení rychlosti glykolýzy (60), což může vysvětlit jak kardioprotektivní, tak nefroprotektivní účinky (61). Stimulace AMPK a sirtuinu-1 je pravděpodobně dalším mechanismem ochranného účinku inhibitorů SGLT2 (62).

Jedním z hlavních účinků inhibitorů SGLT2 je blokování absorpce glukózy do segmentů S1 a S2 proximálního tubulu, což by mělo působit na snížení množství glukózy přeměněné na fruktózu. Vzhledem k tomu, že v místě je exprimována určitá fruktokináza (15), mohlo by to představovat způsob, jak zablokovat Warburgův efekt. V souladu s tímto návrhem snižuje blokování fruktokinázy závažnost diabetické nefropatie u myší (6, 7). Již dříve jsme však navrhli, že blokování vychytávání glukózy do segmentů S1 a S2 proximálního tubulu by mohlo zvýšit množství glukózy reabsorbované segmentem S3, což by mohlo vést k dostatečné tvorbě fruktózy, takže její metabolismus fruktokinázou by mohl vést k tubulární zranění a akutníporanění ledvin(63). Celkově by se však dalo očekávat, že použití inhibitorů SGLT2 bude mít ochranný účinekledvina.

KONTROVEZNÍ ROLE GLYKOLÝZY VS. OXIDATIVNÍ METABOLISMUS PŘI AKTIVACI MAKROFÁGŮMakrofágy se podílejí na indukci fruktózyledvinovézánět (14, 15, 22). Existují dva hlavní makrofágové fenotypy: prozánětlivý (M1) fenotyp, který závisí na glykolýze, a protizánětlivý/pro-řešící (M2) fenotyp, který závisí na oxidativní fosforylaci (64, 65). Vzhledem k tomu, že makrofágy exprimují Glut5 na svém povrchu (66) a fruktóza stimuluje makrofágy k uvolňování prozánětlivých cytokinů (67, 68), může být fruktóza ideálním palivem pro makrofág M1 díky své schopnosti stimulovat glykolýzu. Ačkoli několik studií naznačuje, že mitochondriální respirační řetězec je také aktivní v zánětlivých makrofázích M1, může fungovat tak, že produkuje reaktivní formy kyslíku k zabíjení infekčních bakterií, na rozdíl od stimulace syntézy ATP (69).

Naproti tomu nedávná studie prokázala, že oxidativní metabolismus, ale ne glykolýza, hraje dominantní roli aktivace makrofágů u zánětu vyvolaného fruktózou, protože blokování oxidativní fosforylace, ale ne inhibice glykolýzy, potlačilo uvolňování prozánětlivých cytokinů (67). Klíčovým zjištěním bylo, že fruktóza stimuluje vychytávání glutaminu k aktivaci cyklu TCA, což vede k aktivaci mTORC1 pro uvolňování zánětlivých cytokinů v lidských monocytech a myších makrofázích. Zatímco metabolismus fruktózy inhibuje akonitázu, a proto potlačuje cyklus TCA, metabolismus glutaminu dodává a-ketoglutarát, který může tento krok obejít a umožnit tak oxidativní fosforylaci (70, 71).

Vzhledem k těmto skutečnostem makrofágy pravděpodobně využívají ke své aktivaci buď glykolýzu nebo oxidativní fosforylaci, a přesný mechanismus, jak makrofágy vybírají metabolické dráhy, zůstává nejasný. Potenciálním vysvětlením je, že dostupnost kyslíku je určující, protože aktivita aktivity cytochrom c oxidázy klesá, když koncentrace kyslíku klesne pod 1.0mM (72). Podobně Semba a kol. také nedávno zkoumali roli kyslíku při migraci makrofágů a ukázali, že při těžké hypoxii je dominantní glykolýza, zatímco aktivita cytochrom c oxidázy je vážně blokována (73). Aktivita cytochromu c se zase zapne s dostupností kyslíku a glykolýza je zcela nahrazena oxidativní fosforylací za aerobních podmínek.

Celkově tyto studie naznačují, že aktivace makrofágů závisí jak na glykolýze, tak na oxidativní fosforylaci, a výběr metabolických drah může částečně záviset na dostupnosti kyslíku. Je pravděpodobné, že glykolýza řídí aktivaci makrofágů M1 za hypoxických podmínek, zatímco oxidativní fosforylace se používá za aerobních podmínek (73). Tyto studie naznačují, že metabolismus fruktózy může být také ovlivněn dostupností kyslíku, takže aktivace metabolické dráhy v makrofágu může být určena jak koncentrací fruktózy, tak hladinami kyslíku.

ZÁVĚRYNaše studie naznačují, že fruktóza může hrát roli v CKD. K tomu může dojít sekundárně v důsledku nadměrného příjmu fruktózy z potravy. Může to však být také důsledek endogenní produkce fruktózy, kterou řídíintrarenálníischemie nebo zvýšený obchod s glukózou. Konečně, potlačení těchto drah může vysvětlit ochranný účinek inhibitorů SGLT2 u diabetického i nediabetického CKD.