Pyroptóza u onemocnění ledvin

Kontakt: emily.li@wecistanche.com

Yujia Wang, Yinshuang Li a Yanfang Xu1

Abstraktní

V posledních několika desetiletích byla interference apoptózy považována za klinicky irelevantní v kontextu poškození ledvin. Nedávný objev programované nekrotické buněčné smrti, včetně nekroptózy, ferroptózy a pyroptózy, obnovil naše chápání role buněčné smrti vledvinachoroba. Pyroptóza je charakterizována lytickým prozánětlivým typem buněčné smrti, který je výsledkem gasderminem indukované membránové permeabilizace prostřednictvím aktivace zánětlivých kaspáz a zánětů. Molekulární vzorce spojené s nebezpečím (DAMPs), alarminy a prozánětlivé cytokiny se uvolňují z pyroptotických buněk nekontrolovaným způsobem, což vyvolává zánět, což má za následek sekundární poranění orgánů nebo tkání. Kaspázy a proteiny související s aktivací zánětu a efektorové proteiny tvořící póry známé jako GSDMD a GSDME se podílejí na řadě akutních a chronických mikrobiálních a nemikrobiálníchledvinanemocí. Zde shrnujeme nedávné pokroky v patologických mechanismech pyroptózy vledvinachorobaa zdůraznit potenciální terapeutické strategie v budoucnosti.

Kliknutím sem se dozvíte více o způsobech léčby onemocnění ledvin

Úvod

Programovaná buněčná smrt (PCD) hraje klíčovou roli jak ve vývoji mnohobuněčných organismů, tak při udržování dospělých tkání. V ostrém kontrastu s náhodnou buněčnou smrtí (např. nekrózou), která je okamžitá, katastrofická a nekontrolovatelná, je PCD přísně regulováno, což umožňuje farmakologické a genetické modulace.1 Během několika posledních desetiletí byly identifikovány různé formy PCD, včetně nezánětlivých procesy (např. apoptóza) a vysoce zánětlivé procesy (např. pyroptóza a nekroptóza). Kromě přítomnosti nebo nepřítomnosti zánětu lze apoptózu a pyroptózu rozlišit podle morfologie. Charakteristické morfologické změny apoptózy zahrnují smršťování buněk, tvorbu puchýřů v membráně, tvorbu apoptotického těla a fragmentaci DNA, ale nezánětlivéuvolňování obsahu.2 Naopak pyroptóza se vyznačuje otokem buněk, prasknutím membrány a nekontrolovaným uvolňováním zánětlivého obsahu. Nekroptóza má společné charakteristiky s pyroptózou, včetně zjevného zánětu a ztráty integrity membrány.3

Ačkoli pyroptóza a apoptóza jsou obě závislé na kaspáze, konkrétní členové rodiny kaspáz, kterých se to týká, jsou zcela odlišné. Apoptotické kaspázy zahrnují kaspázy-8/9/10 jako iniciátor a kaspázy{4}}/6/7 jako vykonavatele,4 zatímco pyroptóza se opírá o kaspázy-1/4/5/11 v gasderminu D ( GSDMD)-zprostředkovaná pyroptóza a kaspázy-3 v gasderminu E (GSDME)-zprostředkovaná pyroptóza.5,3 Nekroptóza probíhá postupnou aktivací proteinkinázy interagující s receptorem-3 (RIPK3) a smíšené linie kinase domain-like pseudokinase (MLKL), která by mohla být inhibována kaspázou-8. To se liší od GSDM v pyroptóze, jejíž aktivace je závislá na kaspáze. Vztah mezi gender mins a MLKL za fyziologických podmínek se stal předmětem zájmu výzkumu.3 Ferroptóza je peroxidací řízený systém, který nezahrnuje kaspázy, obvykle doprovázený velkým množstvím akumulace železa a peroxidací lipidů.6 Poměrně málo je známé o interakci mezi ferroptózou a pyroptózou.

Rostoucí experimentální důkazy podporují hypotézu, že pyroptóza je významným faktorem vledvinanemocí. V tomto přehledu diskutujeme molekulární mechanismy pyroptózy, existující údaje o pyroptóze vledvinanemocía potenciální terapie.

Přehled pyroptózy

Exekutoři

Pyroptóza je definována jako závislá na gasderminu, protože její klíčový krok tvorby pórů v plazmatické membráně je prováděn instruktory, což ji zcela odlišuje od jiných typů PCD. GSDMD je prvním členem rodiny gasderminů, u kterého bylo zjištěno, že se podílí na pyroptóze.7–9 GSDMD plné délky zůstává v autoinhibovaném stavu prostřednictvím vazby C-terminální domény na N-terminální doménu. Po štěpení může N-terminální fragment GSDMD (GSDMD N) oligomerizovat za vzniku pórů (s vnitřním průměrem 12–14 nm) na plazmatické membráně,10 což narušuje permeabilní bariéru a způsobuje buněčnou lýzu. Štěpení GSDMD je zprostředkováno kanonickými nebo nekanonickými cestami zahrnujícími kaspázu{10}} nebo kaspázy{11}}/5/11 v tomto pořadí.5,11 GSDMD zprostředkovaná pyroptóza je definována jako závislá na zánětu vzhledem k tomu, že kaspázy{16}}/4 /5/11 jsou aktivovány různými záněty. Nedávné studie odhalily, že štěpení GSDMD může být také indukováno neutrofilní elastázou u stárnoucích neutrofilů12 a kaspázou{21}} v makrofázích během infekce Yersinia.13,14

Genetická mutace GSDME, dalšího člena rodiny gasderminů, byla nejprve identifikována jako příčina autozomálně dominantní nesyndromové ztráty sluchu u lidí.15 Nedávné studie odhalily roli GSDME při pyroptóze.16,17 GSDME je vysoce exprimován v různých normální tkáně; ve většině nádorových buněk je však umlčen v důsledku hypermethylace promotoru a modulace jeho exprese inhibitorem DNA metyltransferázy by zlepšila citlivost na chemoterapii.17 Na rozdíl od GSDMD se GSDME štěpí na GSDME-C a GSDME-N aktivovanou kaspázou{{6 }} a je nezávislý na tvorbě zánětu. K pyroptóze zprostředkované GSDME dochází po proudu od mitochondriální apoptotické dráhy a vysoká exprese GSDME a přetrvávající mitochondriální permeabilita by změnily způsob buněčné smrti z apoptózy na pyroptózu.18

Ostatní členové rodiny gasderminů, včetně GSDMA, GSDMB a GSDMC, sdílejí vysoce konzervované domény gasdermin-N a gasdermin-C s GSDMD a GSDME.19 GSDMB může být štěpen a aktivován granzymem A z cytotoxických lymfocytů.20 Nedávná studie ukázala který programoval smrtící ligand 1 přepínal tumor nekrotizující faktor (TNF)-indukovanou apoptózu na pyroptózu v rakovinných buňkách, a to a zprostředkované zvýšením transkripce genu GSDMC. Aktivace GMC byla indukována kaspázou-8 po léčbě TNF-a za podmínek hypoxie.21 Mechanismus, kterým by se GSDMA aktivoval, však zůstává neprozkoumaný.

Signální cesty

GSDMD-zprostředkovaná pyroptóza. Pyroptóza zprostředkovaná GSDMD je iniciována rozpoznáním molekulárních vzorců spojených s patogenem (PAMP) a molekul molekulárních vzorců spojených s poškozením (DAMP) s následnou aktivací zánětlivých buněk.22 První a nejrozsáhleji studovanou formou pyroptózy zprostředkované GSDMD je kanonická pyroptotická cesta , také známý jako cesta závislá na kaspáze{5}}. Kaspáza-1 se již dlouho podílí na buněčné smrti, která byla dříve mylně považována za apoptózu23,24 a nekroptózu.25 V roce 2001 byla forma PCD zahrnující kaspázu{11}} odlišena od apoptózy a nekroptózy svou zánětlivou reakcí a charakteristická morfologie včetně časné ztráty integrity membrány.26,27

V reakci na invazi patogenu nebo hostitelskou imunologickou výzvu receptory rozpoznávající vzory (PRR) vnímají jak PAMP, tak DAMP. V kanonické pyroptotické dráze se vyskytuje několik PRR, jako jsou nepřítomné v receptorech podobných melanomu 2 (AIM2) (ALR), receptorech podobných oligomerizační doméně vázající nukleotidy (NOD) (NLR) nebo pyrinových proteinech a můstkových adaptérech, jako je apoptóza speck-like proteins (ASC), by sestavil multiproteinovou platformu (tj. inflammasom), která rekrutuje pro-kaspázu-1 a poté vytváří aktivní kaspázu-1.28 Výjimečně se NLRC4 může vázat na členy z rodiny NLR proteinů inhibujících apoptózu (NAIP) spíše než ASC za vzniku zánětu a následné aktivace prokaspázy-1.29 Aktivovaná kaspáza-1 má aktivitu zpracování pro-IL-1b a pro-IL-18 do zralých forem,30 což dává pyroptóze prozánětlivé funkce, což ji odlišuje od apoptózy. Paralelně s procesem zánětlivých cytokinů štěpí aktivovaná kaspáza-1 GSDMD za vzniku membránových pórů22,31,32 (obrázek 1). Tvorba membránových pórů vede k narušení integrity buněčné membrány, uvolnění zánětlivého intracelulárního obsahu a případně buněčné lýze. NLRP3 je nejrozšířenější inflamasom.33 NLRP3 reaguje na širokou škálu stresu, včetně intracelulárních patogenů a extracytoplazmatických zánětlivých stimulů.34 Téma aktivace NLRP3 přitahuje velkou pozornost a výzkumníci navrhli různé mechanismy včetně oxidovaných mitochondriální DNA, generování mitochondriálních reaktivních forem kyslíku (ROS), efflux draslíku z buňky a uvolňování katepsinu po lysozomální destabilizaci.35 Přes roky intenzivního úsilí jsou přesné mechanismy aktivace NLRP3 stále předmětem diskuse. Je zajímavé, že NLRP3 může být spuštěn signalizací nekroptózy, 36–38 což naznačuje potenciální přeslech mezi nekropózou a pyroptózou. AIM2 inflammasom se chová odlišně od NLR inflamasomes, protože dokáže rozpoznat a vázat cytosolickou dsDNA, která může být uvolněna během infekce patogenem39,40 nebo vytvořena v nádorových buňkách.41,42

V nekanonické pyroptotické dráze jsou za štěpení GSDMD zodpovědné kaspázy-11 (u myší) a kaspázy-4/5 (u lidí) (obrázek 1). V roce 2011 Kayagaki et al.43 uvedli, že ztráta kaspázy-11, ale nikoli kaspázy-1, by mohla blokovat zrání a sekreci IL-1b vyvolanou gramnegativními bakteriemi, a tím chránit myši před endotoxickými šokovat. Další studie objevily, že lipopolysacharid (LPS), hlavní toxin gramnegativních bakterií, je spouštěčem nekanonických zánětlivých buněk. Složka LPS.46 aktivovaná kaspáza-11 nakonec štěpila GSDMD, aby vyvolala pyroptózu, podobnou kanonické dráze. V poslední době se ukázalo, že lidská kaspáza-4/5 má stejnou funkci jako kaspáza myší{19}}. Poelzl et al.47 uvedli, že tyrosinkináza 2, kináza spojená s cytokinovým receptorem, by mohla fungovat jako kritický upstream regulátor kaspázy-11 a umožňovala nekanonickou aktivaci zánětu během endotoxémie.

Kromě těchto kanonických a nekanonických pyroptotických drah vrhly nedávné studie nové světlo na pyroptózu zprostředkovanou GSDMD. Kambara a kol. zjistili, že z-YVAD-fmk, inhibitor kaspázy, nedokázal blokovat štěpení GSDMD vyvolané lyzátem neutrofilů, což naznačuje, že štěpení GSDMD lyzátem neutrofilů může být nezávislé na kaspáze.12 Dále identifikovali, že neutrofilní serinová proteáza ELANE byla štěpením GSDMD neutrofily. Orning et al.13 a Sarhan et al.14 učinili významný objev o nové formě štěpení GSDMD indukované kaspázou-8 v makrofázích infikovaných Yersinia. Tyto dvě skupiny prokázaly, že inhibice kinázy asociované s transformujícím růstovým faktorem (TGF)b (TAK1) během infekce Yersinia by podpořila tvorbu komplexu buněčné smrti složeného z RIPK1 a kaspázy-8 a řídila štěpení GSDMD v makrofágu. Kromě toho Demarco et al.48 odhalili podrobnosti o zapojení kaspázy-8 do štěpení GSDMD a poskytli přesvědčivé důkazy, že aktivace GSDMD závislá na kaspázách{18}} by podporovala letalitu vyvolanou TNF-a nezávislou na aktivaci zánětu.

Pyroptóza zprostředkovaná GSDME. Na rozdíl od jiných členů rodiny kaspáz je kaspáza-3, štěpič GSDME, dlouho definována jako hlavní apoptotický vykonavatel pro vnitřní i vnější cesty. Pyroptóza zprostředkovaná GSDME sdílí stejné upstream efektory s apoptózou, ve které hraje zásadní roli mitochondriální poškození (obrázek 1). Nadměrná exprese GSDME v nádorových buňkách přepíná apoptózu indukovanou chemoterapií na pyroptózu.17 Naproti tomu, když je exprese genu GSDME zrušena, makrofágy zůstávají v apoptotické fázi charakterizované membránovým blebbingem a tvorbou apoptotického těla, místo aby vstoupily do pyroptotické fáze charakterizované bobtnáním membrány a balonováním.16 Kromě vlivů exprese GSDME zjistili Xu et al.18, že přetrvávající přechod mitochondriální permeability by mohl řídit sestavení pyroptozomu Apaf-1-kaspázy-4/11, který spouští GSDME- dependentní pyroptóza, zatímco permeabilizace mitochondriální vnější membrány podněcuje tvorbu apoptozomu k indukci apoptózy. Jiní výzkumníci kontroverzně uvedli, že permeabilizace mitochondriální vnější membrány způsobená aktivací BAX/BAK49 nebo sestavou Tom20/BAX50 také indukuje pyroptózu závislou na GSDME v nádorových buňkách. Kromě toho by GSDME-N mohl permeabilizovat mitochondrie, uvolňovat cytochrom c z mitochondrií a zvyšovat aktivaci kaspázy{16}}, čímž by se vytvořila samozesilující pozitivní dopředná smyčka.51

Pyroptóza u onemocnění ledvin

V posledních letech objev pyroptotických signálních drah rozšířil naše chápání patogeneze renálních onemocnění mimo apoptózu. Pyroptóza, která se objevila jako efektorový mechanismus ve vrozených imunitních odpovědích, byla nejprve pozorována u makrofágů a dalších fagocytů.52 Bylo vynaloženo mnoho úsilí na určení distribuce a exprese mozkových buněk, zejména GSDMD a GSDME, v různých tkáních a typech buněk, které mají prokázali, že pyroptóza není omezena na fagocyty.5 Různéledvinanemocíindukované mikrobiálními a nemikrobiálními stimuly jsou obvykle charakterizovány smrtí renálních buněk a aktivovanou imunitní reakcí. Některé experimenty ukázaly, že pyroptóza se vyskytuje v rezidentních renálních buňkách a významně přispívá k rozvoji různých renálních onemocnění. Další studie objasnily, že pyroptóza v infiltrujících imunitních buňkách pocházejících z kostní dřeně, která byla spuštěna smrtí ledvinových buněk, by mohla zhoršit a udržetzraněnízledvina. Nedávný výzkum dále poukázal na roli pyroptózy a souvisejících zánětlivých signálních drah v několika typechledvinanemocívčetně akutníchledvinazranění, diabetické onemocnění ledvin, vyvolané krystalyledvinachorobaa poranění aloštěpu při transplantaci ledviny. (Tabulka 1) (Obrázek 2)

Akutní poškození ledvin (AKI)

Buněčná smrt je klíčovou patologickou událostí během vývoje AKI. Apoptóza byla dříve považována za odpovědnou za patogenezi AKI.53 Farmakologická inhibice apoptotických signálních drah však nedokázala účinně zabránit nebo zmírnit AKI. Nedávné pokroky odhalily roli pyroptózy v AKI. V roce 2018 Zhang et al.54 uvedli, že kaspázy-4/5/11 byly nutné pro odumření tubulárních epiteliálních buněk vyvolané kontrastem. Dále prokázali, že tyto zánětlivé kaspázy byly zodpovědné za štěpení GSDMD a IL-1b v poškozených tubulárních epiteliálních buňkách, což odhalilo nezbytnou roli epiteliální pyroptózy v kontrastem indukované AKI. Miao et al.55 detekovali štěpený fragment GSDMD analýzou western blot lyzátů celých ledvin v modelech AKI indukovaných cisplatinou i ischemií-reperfuzí. A knockout kaspázy-11 nebo GSDMD významně chránil myši před AKI indukovanou cisplatinou, ale tato analýza nebyla provedena v modelu ischemie-reperfuze (I/R). Autoři také pozorovali translokaci GSDMD-N na plazmatickou membránu podporovanou kaspázou-11. Konstruktivní komentář k této práci provedený Tonnusem et al.56 naznačil, že možný cíl GSDMD-N na intracelulárních membránách a další práce na subcelulární distribuci štěpeného fragmentu GSDMD bylo zapotřebí k pochopení potenciálně důležité tvorby pórů v intracelulárních membránách. organely. Další studie podpořily příspěvek pyroptózy zprostředkované GSDMD k AKI indukované cisplatinou.57 Naše předchozí studie odhalila, že pyroptóza zprostředkovaná GSDMD se synergizovala s nekroptózou zprostředkovanou RIPK3/MLKL, aby zesílila zánětlivou signalizaci a zlepšila poškození tkáně v procesu sepse.58 našli kumulativní ochranu proti sepsi vyvolané ligací slepého střeva a punkcí u myší po kombinované deleci Gsdmd a Ripk3 (nebo Mlkl). Tyto dvě formy nekrózy spolupracovaly, aby přispěly k akutnímu poškození tkáně včetně ledvin, plic, jater a střeva a systémové koagulaci na zvířecím modelu sepse. Naše studie o transplantaci kostní dřeně naznačily, že nekroptóza a pyroptóza v myeloidních i nemyeloidních buňkách významně přispěly k progresi sepse. Roste zájem o kombinované účinky různých cest buněčné smrti u jednoho patologického stavu.59–61 Další studie o koagulačních kaskádách u sepse také zdůraznila ústřední roli pyroptózy zprostředkované kaspázou{29}/GSDMD pro iniciaci diseminované intravaskulární koagulace (DIC), což poskytuje silné podpůrné důkazy pro naše zjištění.62 Inhibice TNF-a, stejně jako protein 1 skupinového boxu s vysokou mobilitou (HMGB1), by mohly vyvolat negativní kontrolu pyroptózy zprostředkované GSDMD a poskytnout ochranu účinky na AKI a akutní poškození jater způsobené sepsí, což vymezuje tuto pyroptotickou dráhu z pohledu regulace.63

Nedávná studie naší výzkumné skupiny osvětlila, jak pyroptóza zprostředkovaná GSDME podpořila rozvoj poškození ledvinových tubulů indukovaného obstrukcí ureteru a následnou fibrózou ledvin.64 Nejprve jsme zjistili zvýšenou regulaci exprese a aktivaci Casp3 a GSDME v ucpané ledvině unilaterálního ureteru. obstrukce (UUO), což naznačuje zapojení pyroptózy zprostředkované GSDME v tomto druhu poškození ledvin. Dále jsme potvrdili, že pyroptóza zprostředkovaná GSDME byla skutečně zodpovědná za AKI po UUO a následnou nefropatii s použitím myší Gsdme / a Casp3-/-. Studie transplantace kostní dřeně poukázaly na to, že GSDME zprostředkovaná pyroptóza v infiltrujících imunitních buňkách odvozených z kostní dřeně nebyla zodpovědná za patogenezi obstrukční nefropatie. Byly vytvořeny myši specifické pro renální tubulární buňky (RTC) a myši s deficitem kaspázy3-specifické pro hematopoetické buňky, aby se dále ověřilo, že pyroptóza zprostředkovaná GSDME se vyskytuje u RTC, ale nikoli v infiltrujících imunitních buňkách, což převážně přispívá k progresi poškození ledvin a fibróza vyvolaná ureterální obstrukcí. Abychom prozkoumali zánětlivé molekulární mechanismy v procesu, sledovali jsme infiltraci zánětlivých buněk a produkci prozánětlivých cytokinů v ledvinách. Výsledky ukázaly, že pyroptóza tubulárních buněk by mohla podporovat sekreci HMGB1 a nábor makrofágů a neutrofilů po UUO. Jiné studie ukázaly, že pyroptóza zprostředkovaná GSDME může přispívat k nefrotoxicitě vyvolané chemoterapií.65–66

Stojí za zmínku, že kromě pyroptózy se uvádí, že k AKI přispívají i jiné lytické buněčné smrti. Kromě společných účinků pyroptózy a nekroptózy u AKI vyvolané sepsí zmíněných výše, rostoucí množství důkazů podporuje klíčovou roli nekroptózy v AKI vyvolané určitými stimuly. Linkermann et al.67 identifikovali významnou roli nekroptózy v AKI indukovaném ischemií-reperfuzí a cisplatinou, protože RIPK3-knockout myši a aplikace inhibitoru RIPK1 kinázy nekrostatin (Nec)-1 by mohly oba zmírnit poranění ledvin. Naše výzkumná skupina prokázala, že nekroptóza je hlavním mechanismem smrti proximálních tubulárních buněk u nefrotoxické AKI indukované cisplatinou.68 Naše data ukázala, že inhibice kterékoli ze základních složek nekroptotické dráhy (RIPK1, RIPK3 nebo MLKL) buď gen. knockout nebo chemický inhibitor, by mohl snížit poškození proximálního tubulu vyvolané cisplatinou u myší. Naproti tomu nadměrná exprese RIPK1 nebo RIPK3 zesílila nekroptózu indukovanou cisplatinou in vitro. Identifikovali jsme také zásadní účinky nekroptózy v patofyziologii poranění IR a následné progresi do chronického onemocnění ledvin (CKD), během níž byla spuštěna aktivace zánětlivých buněk NLRP3.69 Zda aktivace NLRP3 nekroptózou může působit upstream od pyroptotické dráhy u AKI je zatím nejasný. Kromě toho několik studií prokázalo, že RIPK1 je významnou hnací silou aktivace NF-jB, což je účinný spouštěč pro NLRP3. U makrofágů infikovaných Yersinia vykazoval RIPK1 pozitivní kontrolu na štěpení GSDMD vyvolané kaspázou, během kterého byla inhibována nekroptóza zprostředkovaná RIPK3/MLKL. nebyl objeven v renálních buňkách. Bylo hlášeno, že ferroptóza dominuje u určitých forem AKI, včetně poškození ledvin vyvolaného cisplatinou70 a rhabdomyolýzy.71–72 Tonnus et al.73 zjistili, že dysfunkce klíčových systémů sledování ferroptózy by během AKI hypersenzibilizovala myši na tubulární nekrózu. Martin-Sanchez, D. a kol.74 studovali načasování cest buněčné smrti během vývoje AKI a zjistili, že ferroptóza a nekroptóza zprostředkovaly první a druhou vlnu buněčné smrti v AKI indukovaném kyselinou listovou (FA). Bylo prokázáno, že ferroptóza byla zodpovědná za iniciaci AKI indukované FA a nekroptóza umožnila AKI přetrvávat. ROS, produkovaný v mitochondriích během oxidativní fosforylace nebo při stresu endoplazmatického retikula (ER), řídí peroxidaci lipidů – základní proces ferroptózy – a interaguje se systémem glutathion (GSH)-glutathion peroxidáza 4 (GPX4), který účinně brání ferroptóze. Ačkoli neexistuje dostatek solidních důkazů pro podrobné spojení mezi ferroptózou a jinými PCD, poškození mitochondrií a tvorba ROS při ferroptóze poskytují potenciální vodítka pro její přeslech s nekroptózou a pyroptózou (obrázek 3).

Diabetické onemocnění ledvin (DKD) DKD je patogenetický proces řízený glukózou, který se vyskytuje v ledvinách diabetických pacientů. Klíčové faktory regulující DKD, včetně nadměrného toku glukózy, pokročilých konečných produktů glykosylace (AGE) a ROS, působí jako kritické role v procesu pyroptózy buď jako induktory zánětu nebo jako regulátory signální dráhy.75 Mezi různými záněty, které může vyvolat pyroptózu, byl NLRP3 nejintenzivněji zkoumán v DKD. Toll-like receptor (TLR)2 a TLR4, PRR upstream od aktivace NLRP3, mohou být upregulovány vysokou glukózou a diabetici se selháním ledvin vykazují významné zvýšení exprese mRNA TLR2 a TLR4 v periferní krvi.76 Stimulace TLR2 a TLR4 je nezbytný pro aktivaci NLRP3.77–78 Thioredoxin interagující protein (TXNIP) patří do thioredoxinového systému a může se vázat na thioredoxin (TRX), čímž snižuje inhibiční účinky TRX na oxidační stres.79 Bylo dobře prokázáno, že působení TXNIP je pro aktivaci NLRP3 kritické a buněčné destruktivní reakce na různé DAMP včetně pyroptózy.80–82 Diabetické ledviny vykazují zvýšenou expresi TXNIP a inhibice TXNIP zmírňuje poškození ledvin vyvolané vysokou hladinou glukózy, což staví TXNIP jako potenciální cíl pro léčbu DKD.83,84 ROS byl navržen jako společný signál pro aktivaci NLRP3 a může aktivovat NLRP3 různými cestami, mezi nimiž je nejrozsáhleji studována cesta NF-jB.85 NLRP3 inflammasom může být účinně oligomerizován do aktivní formy prostřednictvím ROS spouštěné signální dráhy NF-jB.86–88 Zdá se, že potlačení dráhy ROS/NF-jB/NLRP3 v DKD snižuje zánětlivé reakce a řídí vývoj progresivní ledviny poranění.89,90 Stres ER byl identifikován jako další spouštěč zánětu NLRP3.91,92 Hyperglykémie může vyvolat stres ER v podocytech, tubulárních epiteliálních buňkách a mezangiálních buňkách.93–95 Po aktivaci NLRP3 řídí zánětlivé reakce prostřednictvím zpracování kaspázy-1, IL-1b a IL-18, které přispívají k progresi DKD. Nedávný výzkum poskytl důkazy, že inhibice pyroptózy zprostředkované NLRP3/kaspázou{43}}zmírňuje patologické změny v diabetické ledvině, což naznačuje její terapeutický potenciál u DKD.96–98

Pyroptóza v různých renálních rezidentních buňkách přispívá k rozvoji DKD. Narušení glomerulárního endotelu mění selektivitu glomerulární perm a vyskytuje se v časném stadiu DKD. Konfokální mikroskopií byla pozorována částečná kolokalizace NLRP3 nebo štěpené kaspázy-1 s glomerulárními endoteliálními buňkami v histologických řezech diabetických lidských nebo myších ledvin.98 Další studie potvrdila poškození glomerulárních endoteliálních buněk indukované vysokou glukózou prostřednictvím pyroptózy zprostředkované GSDMD. 99 Podocyty byly považovány za „nejslabší článek“ ve vývoji DKD100 a jejich počet buněk vysoce koreluje s albuminurií u diabetických pacientů.101 Ztráta podocytů je průvodním jevem při progresi DKD a byla hlášena pyroptóza být jedním z nejdůležitějších mechanismů ztráty podocytů. Genetická delece TXNIP nebo inhibice NADPH oxidázy za účelem snížení ROS, které oba negativně kontrolují aktivaci NLRP3, významně zmírňují poškození podocytů vyvolané vysokou glukózou, což poskytuje vodítko pro roli pyroptózy při ztrátě diabetických podocytů.102 Liu et al.103 zjistili zvýšenou aktivitu kaspázy{13}} a zvýšené hladiny IL-1b a IL{15}} v podocytech vystavených vysokému obsahu glukózy a Li et al.104 detekovali štěpený GSDMD-N v podocytech poraněných vysokým obsahem glukózy, poskytuje spolehlivější důkaz pro pyroptózu v diabetickém podocytu. Stojí za zmínku, že nekanonická pyroptotická dráha také přispívá k poškození podocytů u DKD s kaspázou-11/4 zapojenou do procesu.105 Ačkoli se kdysi věřilo, že tubulární dysfunkce nastala v pozdějším stadiu DKD a vyvinula se v důsledku glomerulárního poranění se zdá, že stále více výzkumů zpochybňuje tuto hypotézu, která zjistila, že poranění tubulů lze pozorovat v časném stadiu DKD a dokonce může hrát hlavní roli.106,107 V ledvinách db/db myší a v HK -2 buněk vystavených podmínkám vysoké hladiny glukózy, bylo pozorováno, že osa ROS/TXNIP/NLRP3/IL-1b je významně upregulována a zablokování této osy by zmírnilo tubulární poškození.108 Wang et al.109 objevili že exprese TLR4/NF-jB a GSDMD-N byly zvýšeny v HK-2 buňkách v prostředí s vysokou hladinou glukózy a inhibice signalizace TLR4/NF-jB zmírnila pyroptózu tubulárních buněk zprostředkovanou kaspázou-1/GSDMD, což ukazuje, že pyroptóza indukovaná TLR4/NF-jB se účastnila t diabetické tubulární poranění. Je pozoruhodné, že pyroptóza nemusí být jedinou důležitou cestou buněčné smrti v DKD. Ferroptóza,110 nekroptóza111 a apoptóza112 byly zkoumány v mnoha případech. Jasný rozdíl a/nebo vazba mezi různými cestami buněčné smrti ve vývoji DKD však nebyly plně vymezeny.

Onemocnění ledvin vyvolané krystaly

Krystaly mohou vyvolat poškození ledvin v rozsahu od mírného/přechodného až po těžké/neopravitelné v závislosti na lokalizaci a dynamice usazování krystalů. Molekulární mechanismy ledvinových onemocnění vyvolaných krystaly zůstávají do značné míry neznámé i přes značné výzkumné úsilí. Průlomová studie odhalila, že krystaly by mohly stimulovat aktivaci NLRP3, a prokázala klíčovou roli inflamasomu při dysfunkci nebo onemocněních vyvolaných krystaly.113 Později byla osa NLRP3/kaspáza-1/IL-1b identifikovaná jako hlavní příčina rozvoje oxalátové nefropatie114 a kalciumoxalátové nefropatie,115 přesouvá ohnisko ve výzkumu krystalem indukovaného onemocnění ledvin od krystalických depozit k zánětlivým reakcím. Krystaly usazené v renálních tepnách a tubulech mohou jak aktivovat zánět NLRP3, tak vyvolat zánět závislý na IL- 1b. Krystal cholesterolu je nejčastějším viníkem renovaskulárního poškození u renovaskulárních krystalopatií. Dowell et al.116 objevili, že cholesterolové krystaly by mohly aktivovat NLRP3 inflammasom a podporovat produkci IL-1b v makrofázích, což je ústřední pro patogenezi krystalem indukované aterosklerózy. Tubulární krystalopatie, které jsou důsledkem precipitace krystalů uvnitř tubulárního lumenu, mohou podporovat jak AKI, tak chronické léze ledvin.117 Inflammasomy NLRP3 vysoce korelují s AKI a CKD způsobenými ukládáním tubulárních krystalů. Liu et al.118 detekovali zvýšenou expresi GSDMD a IL-18 exprese v tubulárních buňkách vystavených krystalům šťavelanu vápenatého prostřednictvím kvantitativních proteomických analýz na bázi kapalinové chromatografie a hmotnostní spektrometrie a pomocí kvantitativních proteomických analýz označujících hmotnostní značku a identifikovali zánětlivé biologické chování související s pyroptózou Genová ontologie a analýzy obohacení Kjótské encyklopedie genů a genomů. Další výsledky potvrdily aktivaci NLRP3 a GSDMD-dependentní pyroptózu v tubulárních epiteliálních buňkách v modelech indukovaných krystaly oxalátu vápenatého. Ding et al.119 také detekovali zvýšené hladiny proteinu NLRP3 v ledvinových homogenátech myší s nefrolitiázou indukovanou glyoxylátem a v buňkách HK-2 vystavených krystalům monohydrátu oxalátu vápenatého. Simultánně zvýšené hladiny proteinové exprese IL-1}b a GSDMD byly pozorovány v tubulárních epiteliálních buňkách izolovaných z ledvin myší léčených glyoxylátem, což podporuje názor, že tubulární buňky vystavené krystalům prodělaly GSDMD dependentní pyroptózu. Velké množství experimentů poskytlo důkazy o aktivaci NLRP3 krystaly v imunitních buňkách včetně makrofágů a dendritických buněk různými způsoby120–122, což bylo potvrzeno u krystalem indukované nefropatie.115,119 Krystaly vysrážející se v tubulech také způsobují přetrvávající stimuly, které podporují vývoj a progrese CKD. Knauf et al.114 ukázali, že osa NLRP3-IL{42}}b byla upregulována u myší s oxalátovou nefropatií, zatímco myši NLRP3-/- byly zcela chráněny před progresivním selháním ledvin vyvolaným krmením s dietou s vysokým obsahem rozpustného oxalátu. Další průlomová studie provedená Mulayem et al.115 zobrazila hlubší scénu, ve které bylo selhání ledvin v důsledku oxalátové nefropatie silně závislé na ose NLRP3/ASC/kaspáza-1/IL{48}}b. Dosud však nebyla přímá detekce štěpení GSDMD v procesu renální fibrózy spojené s krystaly. Je pozoruhodné, že další formy PCD včetně RIPK3-MLKL nekroptické dráhy123,124 a ferroptózy125 přispívají k poškození ledvin vyvolanému krystaly. Zda tyto různé buněčné smrti jsou kolaborativní nebo nezávislé, je stále předmětem zkoumání. Vliv typu krystalu a dynamiky na buněčný osud renálních buněk je také mimořádně zajímavý.

Poranění aloštěpu při transplantaci ledviny

Transplantace ledviny zůstává optimální možností pro pacienty s terminálním onemocněním ledvin (ESRD). Vzhledem k rostoucí populaci vyžadující transplantaci ledvin v posledních desetiletích byla věnována zvýšená pozornost poškození aloštěpu jak u dárců, tak u příjemců. HMGB1 by se mohl uvolňovat z buněk procházejících pyroptózou.3 Kru¨ger et al.126 zjistili, že tubuly z ledvin zemřelých, ale ne žijících dárců se barvily pozitivně na HMGB1. Dále prokázali, že HMGB1 může stimulovat prozánětlivé reakce prostřednictvím TLR4, což přispělo k zánětu štěpu a sterilnímu poranění po konzervaci chladem a transplantaci. Thierry et al.127 detekovali zvýšenou hladinu HMGB1 v moči již 30 minut po reperfuzi po transplantaci lidské ledviny a zabývali se její možnou úlohou jako vrozených imunitních mediátorů při takovém poškození. Bylo hlášeno, že zánětlivé cytokiny IL{13}}b se zvýšily u dárců orgánů, kteří zemřeli na mozku,128,129 možná svědčí o zapojení pyroptózy do procesu poškození orgánů. Výzkumníci vyvinuli intenzivní úsilí ke studiu aktivace zánětu při dysfunkci aloštěpu. Design et al.130 zjistili, že genetické varianty v genu NLRP3 ovlivňují riziko akutní rejekce po transplantaci ledviny. Wu et al.131 prokázali, že myši s deficitem TLR adaptorového proteinu MyD88 byly chráněny před akutním i chronickým odmítnutím aloštěpu a zvýšily jejich přežití po transplantaci ve srovnání s kontrolami divokého typu. Jiná studie uvádí, že nedostatek dárce MyD88 inhiboval expresi zánětlivých cytokinů a stres ER a byl spojen se zlepšenou funkcí štěpu a prodlouženým přežitím aloštěpu.132 Nedávná studie navíc odhalila, že inhibitor NLRP3 Mcc950 by mohl zmírnit tubulární poškození a zlepšit funkci aloštěpu v ledvinách. transplantační model. Po léčbě Mcc950 byla pozorována snížená aktivace kaspázy{26}} a hladiny GSDMD-N.133 Tyto výsledky poskytují vodítko pro zapojení pyroptózy do poškození aloštěpu při transplantaci ledviny.

Potenciální terapie zaměřené na pyroptózu pro onemocnění ledvin

Inhibice pyroptózy Vzhledem k důležité roli pyroptózy u vnitřních onemocnění je modulace tohoto procesu velmi znepokojivá. Potenciální cíle v pyroptotice

Mezi tyto cesty patří inflflammasomy, kaspázy, mozkomory a IL-1b (obrázek 4). Nekroinflammace spouštěná imunitními reakcemi na nekrózu včetně nekroptózy, feroptózy a pyroptózy vede k poškození tkáně. Linkermann et al.134,135 zdůraznili klinický význam cílení na nekrozánět při poškození ledvin. Určité stimuly mohou v poraněných buňkách a tkáních spustit více než jednu dráhu smrti jedné buňky, potenciál kombinovaných cílených strategií na různých drahách buněčné smrti přitahuje zvýšený zájem.

Zacílení na zánětlivé buňky NLRP3. Inflammasomy NLRP3 probíhají před pyroptózou zprostředkovanou kaspázou-1/GSDMD a bylo vyvinuto několik léků zaměřených na NLRP3 s různými inhibičními mechanismy.136 Mcc950 je silný a selektivní malomolekulární inhibitor NLRP3, jehož terapeutický potenciál byl hodnocen v několika NLRP3-asociované syndromy.137 V myším modelu krystalové nefropatie vyvolané dietami bohatými na oxalát nebo adenin Mcc950 výrazně snížil aktivaci zánětu v renálních dendritických buňkách a následné IL-1b a IL{{13} } Výroba. Tento inhibitor NLRP3 také účinně zabránil krystalem indukované renální fibróze.138 BAY 11-7082, o kterém bylo původně hlášeno, že inhibuje fosforylaci IjBa a aktivaci NF jB,139 byl identifikován jako inhibitor NLRP3 ATPázy. Juliana et al.140 objasnili, že BAY 11-7082 inhiboval aktivaci zánětu NLRP3 v makrofázích aktivovaných LPS nezávisle na jeho účinku na NF-jB a zabránil NLRP3- indukované tvorbě ASC pyroptozomů inhibicí aktivity NLRP3 ATPázy. U myší krmených dietou s vysokým obsahem tuku a fruktózy zeslabil BAY 11-7082 dietou indukované zvýšení exprese zánětu NLRP3, což vedlo k inhibici aktivace kaspázy-1 a interleukinu (IL){{33} }ba IL-18 produkci v játrech a ledvinách. Chronické podávání BAY 11-7082 významně omezilo poškození ledvin způsobené dietou zlepšením poměru albuminu ke kreatininu.141 U potkaního modelu diabetické nefropatie bylo zjištěno, že léčba BAY 11-7082 významně obnovila histologickou architekturu ledvin a normalizované hladiny zánětlivých cytokinů včetně IL- 1b, podporující renoprotektivní účinek BAY 11-7082 pro DKD.142 b-Hydroxybutyrát (BHB), produkovaný během energetické deprivace nebo nízkosacharidové diety, inhibovaly aktivaci NLRP3 a zabránily renální fifibróze vyvolané nefrokalcinózou.143 Ochranné účinky však nebyly nutně zprostředkovány intrarenálním uvolňováním IL-1, a zda BHB ovlivňuje pyroptózu, je třeba ještě objasnit. Bylo hlášeno, že další inhibitory NLRP3 včetně fluorofenidonu144 a tranilastu145 hrají renoprotektivní roli v modelu unilaterální ureterální obstrukce (UUO), zatímco molekulární mechanismus, který je základem pyroptózy, je stále nejasný.

Cílení na pyroptotické kaspázy. Inhibitory pyroptotických kaspáz jsou intenzivně zkoumány. Ac-YVAD-CMK, inhibitor kaspázy-1, může zmírnit poruchu funkce ledvin u modelu potkanů ​​AKI146 a snížit pyroptózu glomerulárních endoteliálních buněk u modelu diabetické nefropatie.99 VX-765, další kaspáza{{ 6}} inhibitor, byl dostatečný ke snížení populace prozánětlivých makrofágů v pozdější fázi UUO.147 Chu et al.148 prokázali, že oxidovaný fosfolipid 1-palmitoyl-2-arachidonový noyl-sn-glycerol{{ 13}}fosforylcholin (oxPAPC) by se mohl vázat přímo na kaspázu{14}} a kaspázu{15}}, soutěžit s vazbou LPS a následně inhibovat pyroptózu indukovanou LPS, což poskytuje nový důkaz přesné role oxPAPC v zánětlivé odpovědi . oxPAPC a jeho deriváty by mohly poskytnout nový pohled na terapie zaměřené na nekanonickou pyroptózu. Choi et al.149 uvedli, že člen rodiny B serpinů 1 (SERPINB1) omezil aktivitu kaspázy-1/4/5/11 potlačením oligomerizace a enzymatické aktivace jejich domény náboru kaspázy (CARD), což odhalilo nový mechanismus kontrolních bodů pro zánětlivé kaspázy. SERPINB1 spolupracoval s proteinem Forkhead box O1 (FoxO1) na zmírnění oxidačního stresu vyvolaného produkcí ROS v DKD.150 Terapeutický potenciál cílení tohoto kontrolního proteinu je však stále předmětem zkoumání.

Hlavní mozek cílení. Identifikace strůjců jako vykonavatelů pyroptózy vzbuzuje novou naději na cílenou terapii onemocnění spojených s pyroptózou. Hu et al.151 provedli vysoce výkonný biochemický screening a identifikovali disulfiram jako účinný inhibitor tvorby pórů GSDMD. Jiná studie ukázala, že disulfiram může zlepšit úmrtnost způsobenou GSDMD u myší sepse.152 Kromě toho disulfifiram také negativně kontroluje nekroptózu tím, že váže MLKL.153 Bezpečnostní profil disulfiramu u lidí byl dobře zaveden během šesti desetiletí a tento starý lék byl přeměněn na ledviny. nemocí je slibná. Inhibitor odvozený od GSDMD, Ac-FLTD-CMK, může inhibovat štěpení GSDMD kaspázami-1/4/5/11 přímou vazbou na katalytickou oblast těchto kaspáz, čímž potlačuje pyroptózu po proudu od kanonických i nekanonických drah .154 Studie z roku 2020 prokázala, že vápník (Ca)2 plus influx byl nezbytným předpokladem pro funkci GSDMD-N a hořčík (Mg)2 plus blokoval Ca2 plus influx inhibicí ATP-gated Ca2 plus kanálu P2X7, čímž narušil funkci GSDMD-N a inhibici LPS-indukované nekanonické pyroptózy. Tyto výsledky naznačují potenciální klinické aplikace suplementace hořčíkem při léčbě sepse.155

Cílení na IL-1. IL-1 se stal aktivním místem výzkumu pro imunomodulační strategie zaměřené na onemocnění související s zánětem. Zejména lidská IL-1b monoklonální protilátka kanakinumab byla intenzivně zkoumána. Studie CANTOS (Canakinumab Anti-Inflflammatory Thrombosis Outcomes Study) hodnotila účinnost kanakinumabu u 10 061 pacientů s předchozím infarktem myokardu a hladinou vysoce citlivého C-reaktivního proteinu 2 mg/l.156 Dílčí analýza dat CANTOS ukázala že inhibice IL-1b kanakinumabem snížila četnost závažných nežádoucích kardiovaskulárních příhod u vysoce rizikových pacientů s aterosklerózou s chronickým onemocněním ledvin, zejména u pacientů se silnou protizánětlivou odpovědí na počáteční léčbu, což ukazuje na užitečnost vývoje protizánětlivé látky v CKD.157

Synchronizovaná regulace různých PCD

V poslední době se více pozornosti věnuje přeslechům a koordinaci různých PCD u určitých onemocnění. Kolaborativní účinky pyroptózy zprostředkované GSDMD a nekroptózy zprostředkované MLKL byly odhaleny u AKI58 a zánětlivých onemocnění střev.59 Dále byl navržen nově se objevující koncept nazvaný PANoptóza k popisu společné regulace mezi pyroptózou, nekroptózou a apoptózou.158 Z-DNA. vazebný protein 1 (ZBP1), transformující růstový faktor beta-aktivovaná kináza 1 (TAK1), FS7-sdružená doména smrti s buněčným povrchovým antigenem (Fas) (FADD) a kaspáza-8 mohou spolupracovat působí jako hlavní regulátory PANoptózy při organizování mnohačetných cest buněčné smrti.159,59–61 Tonnus et al.73 vytvořili kombinovaný inhibitor s malou molekulou (Nec-1f), který současně cílí na RIPK1 a ferroptózu a prokázal své ochranné účinky AKI. Tato zjištění pokládají základ pro účinné terapeutické přístupy k zacílení mnohostranných cest buněčné smrti u onemocnění ledvin.

Závěry

Soubor důkazů naznačuje zásadní roli pyroptózy při onemocnění ledvin a odhalil řadu faktorů podílejících se na pyroptóze, jako je NLRP3, kaspáza-1, GSDMD a IL-1, které mohou být modulovány geneticky a/nebo farmakologicky pro terapeutické použití. Bylo prokázáno, že kanonická pyroptóza zprostředkovaná GSDMD hraje ústřední roli a má potenciál jako terapeutický cíl u různých onemocnění ledvin, včetně AKI, DKD, krystalem indukovaného onemocnění ledvin a poškození aloštěpu při transplantaci ledvin. Zjištění nekanonické pyroptózy zprostředkované GDSMD, která je stimulována LPS, otevřela novou cestu pro léčbu poškození orgánů vyvolaného sepsí. A nedávný objev pyroptózy zprostředkované GSDME jako klíčového regulátoru AKI a následné progrese AKI-CKD poskytuje nový pohled na management AKI a prevenci CKD. Navíc synchronizovaná regulace více cest buněčné smrti může vykazovat prospěšnější účinky na ledviny, protože určité stimuly obvykle vyvolávají více než jednu cestu smrti.

Nicméně naše chápání pyroptózy v kontextu onemocnění ledvin je stále omezené. Publikované studie o pyroptóze u onemocnění ledvin byly založeny na omezeném počtu pokusů na zvířatech a na buňkách. Reprodukce současných dat, stejně jako převod experimentálních dat do klinického prostředí, je stále vyžadován. Mechanismy vhledu do různých pyroptotických drah za různých stresových okolností a/nebo v různých typech renálních buněk, stejně jako přeslechy a souhra mezi pyroptózou a jinými formami buněčné smrti, jsou stále do značné míry neznámé. Je velmi důležité dále zkoumat pyroptotické mechanismy a také orchestraci různých PCD v renální patofyziologii, což by pomohlo využít potenciál cílených terapií pro řešení klinických dilemat a prolomení klinického úzkého hrdla u onemocnění ledvin.

Od: 'Pyroptosis in Kidney Disease' odYujia Wang, Yinshuang Li a Yanfang Xu1

---Journal of Molecular Biology