Renální metabolismus a hypertenze

edmund.chen@wecistanche.com

Hypertenze je celosvětově předním rizikovým faktorem pro zátěž nemocí. Theledviny, které mají vysokou specifickou rychlost metabolismu, hrají zásadní roli v dlouhodobé regulaci arteriálního krevního tlaku. V tomto přehledu diskutujeme o vznikající roliledvinovémetabolismus při rozvoji hypertenze.Renálnímetabolismus energie a substrátu se vyznačuje několika důležitými a v některých případech jedinečnými vlastnostmi. Nedávné pokroky naznačují, že změnyledvinovémetabolismus může být výsledkem genetických abnormalit nebo sloužit zpočátku jako fyziologická reakce na stresory prostředí k podpoře tubulárního transportu, což může v konečném důsledku ovlivnit regulační dráhy a vést k nepříznivým buněčným a patofyziologickým důsledkům, které přispívají k rozvoji hypertenze. Hypertenze je i nadále celosvětově předním rizikovým faktorem zátěže nemocí, a to navzdory dostupnosti několika preventivních a terapeutických přístupů. Hypertenze podstatně zvyšuje riziko mrtvice, srdečních chorob, chronickýchnemoc ledvina kognitivní pokles23. Většina pacientů s hypertenzí musí užívat antihypertenzní léky nepřetržitě, protože léčba není k dispozici. Miliony pacientů zůstávají hypertenzní, přestože užívají tři nebo více antihypertenzních léků4. K rozvoji hypertenze může přispívat řada genetických, epigenetických faktorů, faktorů životního stylu a životního prostředí. Pochopení fyziologických a molekulárních mechanismů, které jsou základem regulace krevního tlaku, a využití tohoto mechanistického porozumění u podskupin hypertoniků pro přesnou prevenci a léčbu jsou důležitými výzvami v lékařském a biomedicínském výzkumu3.

klíčová slova:funkce ledvin; poškození ledvin; ledviny; nemoc ledvin; ledvinové

CISTANCHE ZLEPŠÍ ONEMOCNĚNÍ LEDVIN/RENÁL

Srdeční výdej a celkový periferní vaskulární odpor určují systémový krevní tlak. Několik orgánů a tkání, včetně ledvin, rezistentních arteriol, centrálního nervového systému a imunitního systému, přispívá k regulaci krevního tlaku regulací srdečního výdeje nebo vaskulárního odporu. Ledviny mohou regulovat objem tělesných tekutin a vaskulární odpor přímou změnou renálního tubulárního transportu tekutiny a sodíku nebo nepřímo změnouledvinovéhemodynamika nebo endokrinní faktory,5. Téměř všechny identifikované kauzální geny pro mendelovské formy abnormalit lidského krevního tlaku zahrnujífunkce ledvin78 a většina přítomných běžně používaných zvířecích modelů hypertenzeledvinaabnormality 9.Kromě základních funkcí zásobování a údržby je intermediární metabolismus stále více uznáván pro svou regulační roli, ve které metabolické dráhy a meziprodukty ovlivňují genovou expresi, signální transdukci a další regulační dráhy v buňce10. Změny v intermediárním metabolismu byly spojeny s rozvojem různých stavů, včetně rakoviny a srdečních chorob12. V ledvinách hraje intermediární metabolismus a související buněčné funkce, jako je mitochondriální funkce, zásadní roli při rozvoji akutníporanění ledvina chronické onemocnění ledvin3,I Většina energie vyrobené vledvinyse používá k podpoře renálního tubulárního transportu5, který je nezbytný pro dlouhodobou regulaci krevního tlaku. Změny vledvinovémetabolismus energie a substrátu může ovlivnit tubulární transport změnou dostupnosti adenosintrifosfátu (ATP) a hladin dalších metabolických meziproduktů s regulační funkcí. Renální energie a metabolismus substrátu proto mohou být důležité pro regulaci krevního tlaku a rozvoj hypertenze. Navíc metabolismus energie a substrátu může poskytnout nové intervenční cíle pro prevenci nebo léčbu hypertenze. V tomto přehledu poskytujeme stručný přehled renálního metabolismu a jeho spojení s tubulárním transportem, shrnujeme studie na lidských a zvířecích modelech, které zkoumalyledvinovéenergie a metabolismus substrátů při regulaci krevního tlaku a hypertenze a nastíní výzvy a příležitosti v této vzrušující oblasti výzkumu.

Renální metabolismusStruktura a funkceledvinyjsou vysoce rozčleněné. Primární funkční jednotkaledvinyje nefron. Průměrný počet nefronů v lidské ledvině je ~ 1 milion. Každý nefron se skládá z glomerulu a Bowmanova pouzdra připojeného sériově k proximálnímu tubulu, Henleově kličce a distálnímu stočenému tubulu a několik nefronů odtéká do společného sběrného kanálku. Jako palivo v ledvinách lze použít různé substráty. Hlavní biochemické dráhy relevantní pro metabolismus renálního substrátu jsou shrnuty na Obr. 1A. Některé z metabolických drah znázorněných na obr. IA jsou cíli schválených nebo zkoušených léků. Nápadné příklady těchto léků a cest, na které se zaměřují, jsou znázorněny na obr. 1B. Renální metabolismus se vyznačuje několika důležitými a v některých případech jedinečnými rysy. Předchozí recenze důkladně popsaly složitý vztah mezi nimiledvinovémetabolismus a tubulární transport6-19. Následující část zdůrazňuje významné body a nedávné studie v této oblasti, které jsou zvláště důležité pro pochopení úlohy renálního metabolismu u hypertenze:

Za prvé, ledviny mají vysokou rychlost metabolismu. Rychlost metabolismu u člověkaledvinyhas been estimated to be >400 kcal/kg tissue/day, which is the same as the heart, twice as high as the liver and the brain, and much higher than other organs20. Second, >80 procent kyslíku spotřebovaného ledvinami se používá k podpoře aktivního transportního mechanismu, především Na plus/K plus -ATPázy umístěné na bazolaterální membráně tubulárních buněk15. Na plus /K plus -ATPáza generuje elektrochemické gradienty, které přímo nebo nepřímo řídí většinu zbývajících transportních aktivit v tubulu. Za třetí, průtok krve a okysličení tkání se mezi nimi podstatně lišíledvinaregionech. Kůra ledvin přijímá průtok krve, který převyšuje její metabolické potřeby, ale je nezbytný pro hromadnou filtraci v glomerulech, která je nezbytná pro odstranění metabolických odpadů celého těla2!. Parciální tlak kyslíku (PO2) je ~ 50 mmHg v kůře ledvin. Tkáňový PO postupně klesá do ledvinné dřeně a dosahuje 10-15 mmHg ve vnitřní dřeni ledvin19. Za čtvrté, látky používané jako palivo pro energii se mohou mezi sebou lišitledvinya další orgány. Například odběry vzorků arteriální-venózní krve a experimenty se sledováním izotopů u prasat ukazují, že cirkulující citrát přispívá k cyklu trikarboxylových kyselin (TCA) nejvýrazněji v ledvinách a v rozsahu, který je podobný glutaminu a laktátu22.

Metabolismus a fyziologie segmentu nefronůKaždý segment nefronů má odlišné fyziologické charakteristiky a využití substrátu a aktivity metabolických drah se mezi segmenty nefronů podstatně liší a jsou obecně v souladu s dostupností kyslíku (obr. 1C). V oblastech, kde je PO vysoký, využívají nefrony primárně oxidativní fosforylaci k produkci ATP, zatímco segmenty, kde je PO, nízký, spoléhají hlavně na glykolýzu. Současné chápání nefronového segmentového metabolismu je však založeno hlavně na studiích, které měřily specifické využití substrátu, produkci ATP a množství nebo aktivity malého počtu metabolických enzymů v segmentech nefronů izolovaných z krys, myší a jiných zvířecích modelů{{{101} 1}},23. Při extrapolaci těchto zjištění na segmentální metabolismus nefronů in vivo je třeba být opatrný, protože metabolismus je vysoce dynamický a závisí na buněčném prostředí a anatomickém kontextu.

CISTANCHE ZLEPŠÍ FUNKCI LEDVIN/RENÁL

Proximální tubuly reabsorbují -65 procenta filtrovaného NaCl a vody a téměř všechnu filtrovanou glukózu a aminokyseliny21. Část této reabsorpce může probíhat pasivně přes paracelulární prostor. Aktivita Na plus/K plus -ATPázy na jednotku délky segmentu tubulu a mitochondriální hustota a množství enzymů v proximálním tubulu je nižší nebo podobné silnému vzestupnému rameni Henleovy kličky a distálního stočeného tubulu, ale vyšší než ostatní segmenty nefronu23. Volné mastné kyseliny se zdají být významným zdrojem energie pro proximální tubuly (obr. 1C). Mezi další látky, které může proximální tubul používat jako palivo, patří glutamin, laktát a ketolátky7-19,23. Proximální tubul má významné glukoneogenetické schopnosti7-19,23. Glukoneogeneze může soutěžit s Na plus /K plus -ATPázou o ATP v proximálním tubulu.

Silná vzestupná větev Henleovy smyčky reabsorbuje 20-25 procent přefiltrovaného NaCl, aniž by reabsorbovala vodu21. Glukóza může být primárním zdrojem energie v tlustých vzestupných končetinách, i když mohou přispívat také laktát, mastné kyseliny a ketolátky. Glykolytické schopnosti jsou přítomny v tlusté ascendentní končetině a následných nefronových segmentech a do značné míry chybí v proximálním tubulu7-1923. Tenké sestupné a vzestupné končetiny Henleovy kličky nemají významný aktivní transport21. Distální stočený tubulus a sběrný kanálek ​​reabsorbují 5-10 procent filtrovaného sodíku a jsou posledními segmenty, které mohou řídit vylučování sodíku a průtok moči2l. Využití substrátu v kortikálním sběrném kanálku je kvalitativně podobné silné ascendentní končetině17-19,23. Zdá se, že význam glukózy jako hlavního zdroje energie roste a význam mastných kyselin klesá, jak sběrný kanál postupuje do oblasti vnitřní dřeně ledvin. Komplexní analýzy transkriptomů a proteomů poskytly globální pohledy na množství mRNA a proteinů metabolických enzymů v oblastech ledvin a segmentech nefronů24-27, které jsou obecně v souladu s výsledky předchozích cílených analýz aktivity enzymů, množství proteinů nebo využití substrátu.

Role renálního metabolismu u hypertenzeRenální metabolismus u lidské hypertenze. Hladiny okysličení tkání jsou určeny dodávkou a spotřebou kyslíku a mohou odrážet metabolické aktivity tkání. Spotřeba kyslíku je dána aerobním metabolismem, který je v ledvinách z velké části určován tubulární transportní aktivitou. Přísun kyslíku do oblastí ledvinové tkáně je určen průtokem krve. Úrovně okysličení ledvinových regionálních tkání u lidí lze měřit zobrazením magnetickou rezonancí závislou na úrovni okysličení krve (BOLD-MRI)28. Analýza BOLD-MRI u 10 normotenzních subjektů a osmi neléčených pacientů s hypertenzí ukázala, že dieta s nízkým obsahem soli zvyšuje hladiny okysličení ledvinové dřeňové tkáně v obou skupinách ve srovnání s dietou s vysokým obsahem soli2. V normotenzní skupině byla renální medulární oxygenace korelována pozitivně s proximální tubulární reabsorpcí sodíku a negativně s distální reabsorpcí sodíku. V jiné studii zkoumající pacienty s hypertenzí byly hladiny okysličení ledvinové medulární tkáně významně nižší ve skupině 20 Afroameričanů ve srovnání s 29 Američany evropského původu30. Furosemid, který inhibuje

reabsorpce sodíku v tlusté vzestupné končetině zvýšila okysličení medulární tkáně na podobnou úroveň u obou skupin, což naznačuje, že tlustá vzestupná končetina u Afroameričanů může mít větší reabsorpční aktivity a spotřebovávat více kyslíku0. Úroveň citlivosti na sůl nebyla u jedinců zkoumaných v této předchozí studii známa, avšak krevní tlak u Afroameričanů je pravděpodobnější, že bude citlivý na sůl ve srovnání s Američany evropského původu31.

Studie Dietary Approaches to Stop Hypertension (DASH)-Sodium zkoumala účinek přibližně 30 dnů příjmu 50 100 nebo 150 mmol sodíku na krevní tlak pomocí randomizovaných. design křížové studie-2. Studie prokázala, že vyšší příjem sodíku významně zvýšil krevní tlak. Cílená metabolomická analýza identifikovala významnou inverzní korelaci mezi hladinami kyseliny -aminoisobáselné (BAIBA), metabolitu thyminu a valinu v moči, a systolickým krevním tlakem u podskupiny subjektů s DASH-Sodium s nízkým nebo vysokým příjmem sodíku3. Dříve bylo hlášeno, že BAIBA je nepřímo korelována s kardiometabolickými rizikovými faktory v kohortě Framingham Heart Study4. Pozitivní korelace byly identifikovány pro cystein, citrulin, homocystein a lysin se systolickým krevním tlakem a cystin s diastolickým krevním tlakem u účastníků DASH-Sodium33. Hladiny několika metabolitů v moči včetně fumarátu, meziproduktu cyklu TCA, se zdály být schopny klasifikovat účastníky jako citlivé na sůl nebo necitlivé na sůl33.

Při absenci změny glomerulární filtrace nebo tubulární reabsorpce a sekrece metabolitu by disociace změn hladin metabolitu v moči a plazmě naznačovala, že došlo ke změně intrarenální syntézy nebo katabolismu metabolitu. Renální manipulace s metabolitem, včetně intrarenálního metabolismu, může také ovlivnit plazmatické hladiny metabolitu. Několik studií identifikovalo metabolity v séru nebo plazmě, které souvisejí s krevním tlakem nebo hypertenzí nebo predikují výskyt hypertenze35-37. Tyto metabolity zahrnují aminokyseliny, jako je glycin a serin, laktát, fosfolipidy a mastné kyseliny. Úloha ledvin při určování cirkulujících hladin těchto metabolitů a účinek těchto metabolitů na renální funkci zbývá prozkoumat.

CISTANCHE ZLEPŠÍ SELHÁNÍ LEDVIN/RENÁL

Genetické faktory spojené s intermediárním metabolismem a hypertenzí. Bylo prokázáno, že několik variací sekvence DNA, které ovlivňují intermediární metabolismus nebo mitochondriální funkci, přispívá k rozvoji hypertenze nebo je spojeno s krevním tlakem u lidí. Homoplazmatická mutace nahrazující uridin cytidinem okamžitě 5 do mitochondriálního antikodonu tRNAle způsobuje shluk mateřských onemocnění, včetně hypertenze38. Mitochondriální tRNA jsou nutné pro translaci proteinů, včetně několika složek elektronového transportního řetězce, kódovaného mitochondriálním genomem. Jiné mutace v mitochondriálních tRNA také údajně způsobují mateřsky dědičnou hypertenzi a tyto mutace snižují efektivitu využití mitochondriálního kyslíku39.

Genome-wide association studies involving as many as 1 million humans have identified >1000 genomic loci that are significantly associated with blood pressure4041. The >26,000 jednonukleotidové polymorfismy (SNP) v těchto lokusech zahrnují nesynonymní a potenciálně poškozující SNP v 63 genech42. Celkem je známo, že 12 z 63 genů se podílí na intermediárním metabolismu nebo mitochondriální funkci (Tabulka 1). Většina SNP spojených s krevním tlakem je v nekódujících oblastech genomu a může ovlivnit krevní tlak ovlivněním genové exprese. Expresní kvantitativní znakový lokus (eQTL) je varianta sekvence DNA, pro kterou jedinci mající různé alely varianty vykazují různé úrovně exprese genu v jedné nebo více tkáních42. Několik stovek SNP souvisejících s krevním tlakem jsou eQTL v ledvinových regionálních tkáních nebo tkáních indukovaných v projektu Genotype-Tissue Expression Project pro 50 genů, o kterých je známo, že ovlivňují fyziologii regulace krevního tlaku. Celkem je známo, že 23 z těchto 50 genů se účastní intermediárního metabolismu nebo mitochondriální funkce (tabulka 2).

Zbývá prozkoumat specifickou roli ledvin při zprostředkování účinku těchto variací sekvencí mitochondriální nebo jaderné DNA a souvisejících metabolických enzymů na krevní tlak. Hypertenze není indikací k renální biopsii a hypertenze se často vyskytuje společně s jinými chorobnými stavy, což ztěžuje studium úlohy renálních molekulárních nebo metabolických změn při rozvoji lidské hypertenze. Mikročipová analýza genové exprese nicméně ukazuje podstatnou downregulaci katabolismu a syntézy aminokyselin a oxidaci mastných kyselin v ledvinách biopsií pacientů s hypertenzní nefrosklerózou ve srovnání se zdravými kontrolami, což je spojeno s nižším vylučováním některých aminokyselin močí43. Tyto výše uvedené analýzy provedené u lidských subjektů ukazují, že hypertenze nebo citlivost na sůl krevního tlaku je spojena se změnami v okysličení ledvinové regionální tkáně a metabolismu energie a substrátu, zejména metabolismu aminokyselin. Energie a metabolismus substrátů mohou přispívat k účinku vzácných a běžných genetických variant na krevní tlak u lidí.

Renální metabolismus na zvířecích modelech hypertenze.Zvířecí modely jsou pro výzkum hypertenze zásadní, protože není možné adekvátně modelovat regulaci krevního tlaku žádným experimentálním systémem in vitro44. Renální metabolismus byl studován na několika zvířecích modelech hypertenze, zejména na Dahlově krysách citlivých na sůl (SS) a spontánně hypertenzních krysách (SHR). Krysa SS je nejrozšířenějším genetickým modelem lidské hypertenze citlivé na sůl31. Potkani SS vykazují rychlé a progresivní zvýšení krevního tlaku během dnů po vystavení dietě s vysokým obsahem soli. Ledviny, včetně ledvinové dřeně, hrají zásadní roli ve vývoji hypertenze vyvolané solí u SS potkanů45,6. SHR vykazují postupné a spontánní zvýšení krevního tlaku s věkem.

Metabolické dráhy jsou významnými nálezy globálních agnostických analýz ledvin ze zvířecích modelů hypertenze, podobně jako nálezy z biopsií lidských ledvin s hypertenzní nefrosklerózou. Analýza RNA-seq vnější dřeně ledvin identifikovala devět cest, které byly změněny mezi SS potkany na dietě obsahující 0,4 procenta soli a po sedmi dnech na stejné dietě obsahující 4 procenta soli4. Sedm z devíti drah se podílelo na metabolismu aminokyselin a další byla signalizace receptoru aktivovaného peroxisomovým proliferátorem (PPAR), což je silný regulátor buněčného metabolismu. Další analýza RNA-seq vnější dřeně ledvin srovnávající potkany SS na dietě s 0,4% solí a po 14 dnech na dietě se 4% soli identifikovala osm drah, které zahrnovaly signalizaci PPAR, a pět drah zapojených do metabolismu aminokyselin47 .

Metabolismus kyslíku a mitochondriální bioenergetika.Renální hypoxie se může objevit u hypertenze a přispět k rozvoji hypertenzního poškození ledvin8. Zda změny v metabolismu kyslíku v ledvinách přispívají k rozvoji hypertenze, je méně jasné. Renální metabolismus kyslíku je u SHR9,50 změněn. Renální vnitřní medulární průtok krve je snížen u prehypertenzního SHR51. PO2 je významně nižší ve zevních kortikálních proximálních a distálních stočených tubulech, ale ne v eferentních arteriolách SHR ve srovnání s normotenzními potkany Wistar Kyoto (WKY)52. Ledviny SHR vykazují prudké snížení účinnosti využití kyslíku s výrazně vyšší spotřebou kyslíku na jednotku tubulární reabsorpce sodíku-2. Oxid dusnatý (NO) může snižovat spotřebu kyslíku inhibicí několika mitochondriálních enzymů, včetně akonitázy, komplexů elektronových transportních řetězců I a II a cytochromoxidázy53. Stimulátory endogenní produkce NO snižují spotřebu kyslíku v kortikální ledvině výrazněji u WKY než u SHR5. Tento rozdíl mezi SHR a WKY by mohl být eliminován superoxidovým scavengerem tempolem. Bazální spotřeba kyslíku, rychlost spotřeby kyslíku spojená se syntézou ATP a maximální a rezervní dýchání jsou vyšší u buněk renálního proximálního tubulu v primární kultuře z SHR55. Léčba dichloracetátem, inhibitorem pyruvátdehydrogenázy kinázy, zvyšuje aktivitu pyruvátdehydrogenázy a systolický krevní tlak u 3-4 týdnů starých potkanů ​​SHR a WKY55.

SS rats exhibit elevated reabsorption activities in the tubular loop that includes the thick ascending limb, which may contribute to the impaired pressure natriuresis in SS rats56,57 High-salt diet decreases cell surface Na+-K+-2Cl- cotransporter (NKCC2)expression and furosemide-sensitive oxygen consumption, an index of NKCC2-sensitive sodium reabsorption, in the thick ascending limb of salt-resistant (SR)rats but not in SS rats58, Renal medullary blood flow is decreased in SS rats within a few days after the start of a high-salt diet59,60. Mitochondrial alterations have been reported in the kidneys of SS rats （Fig. 2）. Longer mitochondria （>2 μm）, což může naznačovat zdravější mitochondrie, představuje významně menší část mitochondrií v medulárních tlustých vzestupných končetinách Henleovy kličky, ale větší část v proximálních tubulech u potkanů ​​SS ve srovnání s konsomickými potkany SS.13BN necitlivými na sůl a Sprague-Dawley (SD)krysy6l. K těmto změnám dochází před rozvojem podstatné hypertenze a zjevného poškození ledvin. Míra spotřeby kyslíku u neporušených dřeňových tlustých vzestupných končetinových buněk a respirace mitochondrií ve stavu 3 izolovaných z vnější dřeně ledvin je nižší u potkanů ​​SS než u potkanů ​​SS.13BN krmených 8% NaCl dietou po dobu 7 dnů62. Proteomická analýza mitochondrií izolovaných z medulárních tlustých vzestupných končetin identifikovala několik proteinů jako rozdílně exprimovaných mezi dvěma kmeny potkanů2, obsahy ATP v mitochondriích izolovaných z kůry ledvin nebo dřeně jsou

podobné mezi potkany SS a SS.13BN na dietě 0,4 procenta soli, zatímco potenciál mitochondriální membrány a rychlost produkce ATP jsou u potkanů ​​SS nižší63. Léčba dietou se 4 procenty NaCl po dobu 7 nebo 21 dnů vedla k nižším poměrům ATP/ADP, GTP/GDP a NADH/NAD plus v glomerulech, ale ne v kortikální tkáni krys SS4. Tyto studie naznačují, že u modelů hypertenze může dojít ke strukturálním a funkčním změnám v mitochondriích v ledvinách. Změny renálního metabolismu kyslíku nebo mitochondriální bioenergetiky mohou vést ke změnám v úrovni substrátových metabolických zprostředkovatelů, které následně ovlivňují regulaci krevního tlaku, jak je diskutováno v dalších částech tohoto článku. Změny renálního metabolismu kyslíku a mitochondriální bioenergetiky mohou také vést ke změnám v produkci reaktivních forem kyslíku (ROS) (obr. 2). Nadměrný ROS, zejména superoxid a peroxid vodíku, je přítomen v ledvinách zvířecích modelů hypertenze a může přispívat k rozvoji hypertenze prostřednictvím několika mechanismů, jako je snížení biologické dostupnosti NO6,65, NADP(H)oxidáza je upregulována a enzymy vychytávající ROS superoxiddismutáza a kataláza jsou downregulovány v ledvinách potkanů ​​SS na dietě s vysokým obsahem soli{12}}. V mitochondriích mohou „úniky“ elektronů z elektronového transportního řetězce vést k jednoelektronové redukci O2 a tvorbě superoxidu69-71. Mitochondriální ROS může přispívat k rozvoji hypertenze a antioxidanty cílené na mitochondrie mohou zmírňovat hypertenzi72-76. Uncoupling proteins (UCP) umožňuje únik protonů zpět přes vnitřní mitochondriální membránu bez tvorby ATP a může snížit využití kyslíku pro produkci ATP a zvýšit spotřeba kyslíku. Myši nulové pro redox-senzitivní chaperon DJ-1 vykazují hypertenzi a zvýšenou regulaci renální exprese UCP2. Knockdown UCP2 renální subkapsulární infuzí siRNA zmírňuje hypertenzi a zvyšuje hladiny metabolitu NO v séru u těchto myší77. Zbývá prozkoumat, jak mohou změny v renálním metabolismu kyslíku a mitochondriální bioenergetice u hypertenzních zvířecích modelů změnit mitochondriální produkci ROS.

Cyklus TCA.Proteomická analýza renální kůry a dřeně identifikovala fumarázu jako jeden z proteinů, který vykazoval nejpodstatnější rozdíly v expresi mezi SS a SS.13BN potkany26. Fumaráza přeměňuje fumarát na L-malát v cyklu TCA. Gen, který kóduje fumarázu, Fh, obsahuje nukleotidový rozdíl mezi alelou SS a alelou BN, který vede k přítomnosti lysinu na pozici aminokyseliny 481 u potkanů ​​SS a kyseliny glutamové u potkanů ​​BN a SS-13BN78. Navzdory zjevnému kompenzačnímu zvýšení abundance fumarázy u potkanů ​​SS je celková aktivita fumarázy v ledvinách významně nižší u potkanů ​​SS ve srovnání s potkany SS.13BN78,79. Transgenní nadměrná exprese fumarázy u potkanů ​​SS zeslabuje hypertenzí vyvolanou solí80. Knockdown renální fumarázy u SD potkanů ​​pomocí siRNA dodávané přímo do renálního medulárního intersticia zhoršuje hypertenzi vyvolanou solí80. Intravenózní infuze prekurzoru fumarátu u krys SS.13BN vede k přebytku fumarátu v ledvinové dřeni srovnatelnému s přebytkem pozorovaným u krys SS a významně zhoršuje hypertenzi indukovanou solí u krys SS.13BN78. Renální medulární H2O2 přispívá k rozvoji hypertenze vyvolané solí u SS potkanů81. Fumarát zvyšuje hladiny H2O2 v ledvinové dřeni in vivo a kultivovaných lidských renálních epiteliálních buňkách in vitro, jehož mechanismus zůstává nejasný78,82. ROS odvozený od NADPH oxidázy může downregulovat fumarázu a zvýšit fumarát v myších glomerulech83, což potenciálně tvoří začarovaný kruh mezi fumarátem a ROS.

L-malát je konvertován na oxaloacetát malátdehydrogenázou. Oxalacetát může být kombinován s acetyl-CoA za vzniku citrátu v cyklu TCA, ale může být také převeden na aspartát prostřednictvím aspartát transaminázy. Aspartát může být kombinován s citrulinem pomocí argininosukcinátsyntázy za vzniku argininosukcinátu, který je převeden na L-arginin a fumarát pomocí argininosukcinátlyázy. L-arginin je substrátem pro NO syntázu (NOS) pro tvorbu NO a citrulinu. Renální NO chrání před rozvojem hypertenze svým vazodilatačním účinkem a také přímou inhibicí reabsorpce sodíku v několika segmentech nefronů84,85. L-arginin podávaný systémově nebo přímo do renálního intersticia podstatně zmírňuje hypertenzi u SS potkanů86,87. Hladiny aspartátu, citrulinu, L-argininu a NO jsou sníženy v ledvinách potkanů ​​SS ve srovnání s potkany SS.13BN79. Perorální suplementace L-malátem nebo aspartátem u SS potkanů ​​ruší redukci těchto metabolitů v ledvinách a zmírňuje hypertenzi vyvolanou solí79. Heterozygotní mutace v Nos3, která vede k haploinsuficienci eNOS, zhoršuje hypertenzi a poškození ledvin u potkanů ​​SS. Transgenní nadměrná exprese fumarázy u těchto potkanů ​​zvyšuje NO a poměr L-arginin/citrulin ve vnější dřeni ledvin a odstraňuje hypertenzi a poškození ledvin, které lze přičíst heterozygotní mutaci Nos388. Kromě toho perorální suplementace malátem zmírňuje zvýšení hladiny H2O2 a peroxidaci lipidů v ledvinové dřeni krys SS82. Tato zjištění naznačují, že fumarázová insuficience u potkanů ​​SS může přispívat k predispozici k rozvoji hypertenze citlivé na sůl snížením NO a zvýšením H2O2 v ledvinách (obr. 2). U lidí nebo zvířat necitlivých na sůl může strava s vysokým obsahem soli vyvolat adaptivní reakce v renálním metabolismu, které brání rozvoji hypertenze. Preexistující defekty u jedinců citlivých na sůl, jako je insuficience fumarázy, mohou bránit takovým adaptivním reakcím na vysoký příjem soli, což vede k rozvoji hypertenze.

Další složky cyklu TCA v ledvinách se mohou také podílet na regulaci krevního tlaku. Intravenózní injekce sukcinátu potkanům a myším indukuje hypertenzi prostřednictvím aktivace systému renin-angiotenzin a tato odpověď je odstraněna u myší s deficitem GPR91-9. Aktivace sukcinátového receptoru GPR91 by mohla vyvolat uvolňování reninu z buněk macula densa v distálním stočeném tubulu91. Cirkulující sukcinát je spojen se zvýšením krevního tlaku u SHR92. Zvýšení sukcinátu v plazmě, ale ne v ledvinové dřeni krys SS, ve srovnání s krysami SS,13BN78,93 Na rozvoji hypertenze u krys SS se podílí methylace DNA a demetyace v dřeni ledvin,95.Demetylace DNA je katalyzována deseti -jedenáct translokázy vyžaduje a-ketoglutarát. Cirkulující citrát může být významným zdrojem energie v ledvinách21. Přes tyto pokroky je třeba prozkoumat přesnou úlohu těchto meziproduktů cyklu TCA v ledvinách při rozvoji hypertenze. Metabolismus sacharidů. Proximální tubul má normálně nízkou, pokud vůbec nějakou, glykolytickou aktivitu2325. Buňky proximálních tubulů v primární kultuře z SHR však vykazovaly vyšší rychlost extracelulární acidifikace než buňky z WKY potkanů, což naznačuje zvýšenou glykolytickou aktivitu a kapacitu v SHRa5. Hladiny laktátu v renálním kortikálním homogenátu jsou mírně vyšší u SHR než u WKY5. Některé metabolity a enzymy v glykolýzových a pentózofosfátových drahách katabolismu glukózy, včetně 3-fosfoglycerátu, 6-fosfoglukonátu a ribulóza-5-fosfátu, jsou zvýšeny v ledvinách krmených potkanů ​​SS dieta s vysokým obsahem soli (obr. 2) 2 procenta 6. Pentozofosfátová dráha produkuje NADPH z NADP. Poměr NADPH/NADP je vyšší u SS potkanů ​​krmených stravou s vysokým obsahem soli6. NADPH je limitujícím faktorem pro aktivitu NADPH oxidázy, která produkuje superoxid, a 6-fosfoglukonátdehydrogenáza může přímo interagovat s komplexem NADPH oxidázy97-9.

Methylglyoxal (MG) může být produkován jako vedlejší produkt glykolýzy. MG mohl reagovat s lysinovými, argininovými a cwsteinovými zbytky proteinů za vzniku nevratných konečných produktů pokročilé glykacel{{0}}. Plazmatické a renální hladiny MG a renální hladiny MG-indukovaných konečných produktů pokročilé glykace byly vyšší v SHR než WKY krysy101.MG zvyšuje krevní tlak a zhoršuje poškození ledvin a oxidační stres u SS krys na dietě s 1% NaCl a tyto účinky byly zmírněny blokátorem receptoru angiotenzinu II candesartanem102. Vysoké plazmatické hladiny inzulínu mohou přispívat k hypertenzi stimulací renální tubulární reabsorpce sodíku103104. Potkani SS vykazují známky inzulínové rezistence105. Není jasné, zda tato inzulinová rezistence přispívá k retenci sodíku nebo hypertenzi u SS potkanů. Hladiny glukózy v plazmě nalačno a hladiny inzulínu v plazmě, hladiny mRNA renálního inzulínového receptoru a parametry vazby inzulínu jsou u potkanů ​​SS a SR krmených potravou s nízkým nebo vysokým obsahem soli podobné105,106. Pozoruhodné je, že mechanismy, které jsou základem inzulínové rezistence u SS potkanů, se nezdály zahrnovat kanonickou inzulínovou signalizaci.

Metabolismus aminokyselin. Systémové změny hladin aminokyselin jsou spojeny s hypertenzí a homeostázou tekutin a sodíku. Nižší plazmatické hladiny velkého počtu aminokyselin byly pozorovány u skupiny mladých hypertoniků ve srovnání s kontrolou6. Kombinovaná léčba dietou s vysokým obsahem soli a pitím fyziologického roztoku u myší způsobuje rozsáhlé změny v metabolismu energie a substrátu v játrech a kosterním svalu, včetně katabolismu aminokyselin ve svalu. Potkani SS vykazují významné změny v hladinách aminokyselin v plazmě a v kosterním svalstvu metabolismus aminokyselin ve srovnání s potkany SS.13BN nebo v reakci na dietu s vysokým obsahem soli, zejména metabolismus glycinu, serinu a threonu a metabolismus alnin, 3partátů a glutamátu9109. Hladina metabolitu v séru, zahrnující několik aminokyselin a cyklus TCA intermediti,byly hlášeny cirkdiánním yriatignům Shgwy, které mohou být dfkrentní mezi SHR a WKY krysami-10.

Renální metabolismus všech aminokyselin může přispívat k rozvoji hyperkenze ovlivněním Hood preureure reulatory mechanismů Vztah těchto aminokyselin s renálním energetickým metabolismem je do značné míry unckar aminopomocí, s výjimkou glutaminu, nejsou noarmálně klíčovým zdrojem energie v ledviny Je však možné, že aminokyseliny jsou používány jako palivo v ledvinách, když se objeví renální metabolické abnormality. Antihypertenzní účinek L-argininu, pravděpodobně prostřednictvím zvýšení produkce NO, je dobře zaveden u zvířat. Produkce NO a endoteliální exprese NOS jsou u SHR sníženy ve srovnání s WKY'Ill-ll3. Perinatální doplněk stravy s Largininem a antioxidanty snižuje krevní tlak u SHRl14. L-arginin však nemusí zmírňovat hypertenzi u SHR87,15 Renální kevel largininu a NO jsou nižší u potkana SS79. Aktivita NOS ve zevní dřeni ledvin je nižší u potkanů ​​SS kempovaných s potkany SS13N po šesti týdnech diety s vysokým obsahem soli. Aktivity neuronových NOS jsou u SS rts nižší než u potkanů ​​SR po srsti s vysokou hladinou dicl6.Largininu, podávaný renální medulární intersiciální infuzí*6, intravenózní infuzí17,1,intraperitaneálními injekcemi37 nebo perorální aplikací37I3i3, zvyšuje gReratbn NO a částečně zmírňuje hypertenzi u SS rt.

Renální L-arginin může pocházet z endosózní syntézy v ledvinách a cirkulujícího Largininu. Cirkulující L-arginin pochází hlavně z intestinální absorpce L-argininu odvozeného z bílkovin a volného L-argininu v potravě. Systerická cirkulace účinně díky vysoké aktivitě df hepatální arginázy2212. Nižší kóta renálního Largininu u potkanů ​​SS může být částečně důsledkem nedostatečnosti fumarázy a následného snížení regenerace L-argininu z citrulinu a aspartátu dříve, jako dixkus v tomto článku (Fi 2). Transpart L-argininu, který může být komplementárně inhibován L-lysinem, se zdá být součástí renální kortikální vsokonstrikce vyvolané angiotensinem Ⅱ u SD potkanů ​​a biodostupnosti renálního NO. 业blity v SHRI24 Citrulin a aspartát jsou substráty endogenní syntézy L-argininu v kilney. Citrulin je neesenciální aminokyselina, která se získává hlavně při odbourávání glutaminu ve střevech. Játra nevychytávají citrulin23-2, ale ledviny mohou přijímat draculující citrulin a přeměňovat jej na L-arginin. Argininaucdinát syntáza je enzym omezující rychlost v citruin-NO gdk.ad je cmescn a aktivita může být indukována citrulinem-2.Citrulin zlepšuje renální hladinu NO a zmírňuje hypertenzi u potkanů ​​SS a SHR71213, Metabolismus glycinu, glutamát a cystein se mohou podílet na vývoji hypertenze ovlivňováním homeostázy glutatinu (GSH, důležité antioxidační činidlo a glutathion disulid (GSSG) (obr. 2). Syntéza GSH je obnovena avalitou cystenu a GSH/ Inhibice krmení GSSG131.Cystein, který se získává se svým stabilním analogem N-acetyl Gytein, má antihypertenzní účinky u lidí a zvířecích modelů a může přímo nebo prostřednictvím storsg formy GSH snižovat oxidační stres132. Hladina glycinu a glutamátu v ledvinové míse jsou srovnatelné s glukózou s SS1sEN 2. Poměr GSH/GSSG je nižší v ledvinách, zejména v ledvinové míše, u SS rt ve srovnání s Ss13EN2. e kkneys SS rts onahigh-ah de (9 procent

Ledviny ovlivňují tělesný lusk další aminokyseliny související s gyseinem, taurinu, regulací tubulární reabsorpce taurinu3. Taurin způsobuje hypertenzi u lidí au několika zvířat, včetně SSrats a SHR34-B7. Taurin snižuje akatiye stres a zvyšuje kaikrein v ledvinách. Cateddaminy, včetně doparinu, narepinefrinu a epinefrinu, hrají významnou roli v regulaci renální hemodynamiky, renálním tubulárním transportu a krevním tlaku Ctchol. doly jsou metabolické produkty aminokyseliny tyrosinu. Renální proximální tubuly a případně i distální nefron mohou vázat tyroinový produkt 3A-dihydroxyfenylalanin a přeměňovat jej na dopamin13.

Hladiny BAIBA v moči, anonproteinové aminokyseliny produkované katabdi metabolismem thyminu nebo větvené aminokyselinové linie, jsou ve vzájemné korelaci se systolickým krevním tlakem u lidí na nízkém a hish-gdium intke a5, o kterém se hovořilo dříve v thiartilc卫命. BAIBA sgnificnth zmírňuje slt-indukovanou hypetenzi u SS potkanů33. Alnin-gyaxyt amino-transferáza-2 (AGXT2) je jedním z anzymů účastnících se metabolismu BAIBA AGXT2 als může zničit asymetrický dimethylarginin, endogenní inhibitor NOS AGXT2 knockout myši vykazují zvýšený asymetrický dimethylrginin a snížený NO a rozvinout hypertenzi35 . Léčba SS potkanů ​​dietou s vysokým obsahem alkoholu snižuje u glamneralfu valin a další rozvětvený dhain amino acil leuin.

Množství a obsah bílkovin ve stravě ovlivňují vývoj hypertenze47]4Qul. zbývá prozkoumat, zda změny v renálním metabdismu, včetně metabolismu aminokyselin, přispívají k účinku dictary proteinu a rozvoji hypertenze. Lipidní mekboismus. Obezita může přispívat k rozvoji hypertenze aktivací sympatetického nervového systému a systému renin-angjotensin-adosteron 2. Obezita je spojena s abnormalitami v bioenergetice v několika argnových systémech a s oxidací mastných kyselin. mjor palivo pro ledviny, se podílí na rozvoji poškození ledvin. Role renálního bhioenergetického metabolismu lipidů při rozvoji hypertenze je však velmi nejasná. Bkoodův tlak, obsah triglyceridů v ranální tkáni a kapky lipidů v tubulárních buňkách jsou větší u potkanů ​​Otsuka Long-Evans Tdkushima Fatty než Long-Evans Tokushima Otula rt. Léčba blokátorem clciových kanálů, benidipinem a receptorem angiotensinu typu 1 Hoder, lasartan, snižuje krevní tlak, snižuje akumulaci ipid v ledvinách a zvyšuje expresi karnitin palmitoyltranserázy-]43. U myší s Alportovým syndromem se rozvine hypertenze a dochází k akumulaci cholkstrolu , dynamin{12}} a upregulace receptoru LDL a nefunkční mitchondra v renálním tubulu4. Oscopontie gne dcktion snižuje renální expresi dynaminu-3 a LDL reeptoe a snižuje krevní tlak u myší s Alpartovým syndromem44.

Vysoká hladina slt způsobila pokles hladiny ketolátek -hydroxybuyrátu v séru u hladovějících Ss potkanů. Nutriční suplanentace -hydroxybutyrátového prekuryoru,1.3-butandid, tienete rcnální zánět a hypertenze u potkanů ​​SS M5, Bylo navrženo, že kardiovaskulární a renální přínos kotransportéru wodiulucow 2 (SGLT2inhbaory mohou být inhibitory posunu b. v kardiálním a renálním metabolismu paliva z ft a oxidace glukózy na keton bolie.Nevím, jaké počasí amy sch shft souvisí s účinkem inhibice SGLT na snížení krevního tlaku. Neenergetický mdabolismus lipidů v ledvinách produkuje několik metabolitů, které hrají významné role v regulaci krevního tlaku prostřednictvím svých účinků na renální hemodyniamii a tubulární transport.'Tyto metabolity zahrnují cytochrom P450 metabolity arachidonových kyselin 20-kyselinu hydroxyeikosatetraenovou a kyseliny epoxyeikosatrienové, metabolity cyklooxygenázy a oxan prostaglandin E A2 a metabolity lipoxygenázy leukotrieny, hydroxyeikosatetraenové kyseliny a lipoxiny. Některé z těchto metabolitů při rozvoji hypertenze byly přezkoumány jinde147–149.

Shrnutí a perspektivySouhrnně lze říci, že nedávné studie vedly k několika klíčovým pokrokům v našem chápání role renální energie a metabolismu substrátu při rozvoji hypertenze (obr. 3). Za prvé, několik vzácných a běžných genetických variant, které ovlivňují krevní tlak u lidí, to může dělat ovlivněním metabolismu energie nebo substrátu. Za druhé, hypertenze nebo citlivost na sůl krevního tlaku je spojena se změnami v okysličení ledvinové tkáně a metabolismu substrátu, zejména metabolismu aminokyselin, jak u lidí, tak u dobře zavedených zvířecích modelů. Za třetí, renální energie a metabolismus substrátu mohou ovlivnit rozvoj hypertenze prostřednictvím řady mechanismů, z nichž některé jsou neočekávané. Například enzymy nebo zprostředkovatelé cyklu TCA mohou ovlivnit hypertenzi změnou hladiny aminokyselin, NO nebo ROS nebo vazby na sirotčí receptory78,7989.Renální energie a metabolismus substrátu jsou úzce svázány s renální hemodynamikou a tubulárním transportem. Změny v renálním tubulárním transportu nebo hemodynamice mohou změnit energetické nároky nebo dodávku kyslíku, což vede ke změnám v renálním energetickém metabolismu. Objevující se důkazy uvedené v tomto článku naznačují, že může nastat i opak (obr. 3). To znamená, že změny renální energie a metabolismu substrátu mohou ovlivnit renální tubulární transport a hemodynamiku, a tím regulaci krevního tlaku a rozvoj hypertenze. Tyto změny renální energie a metabolismu substrátu mohou být důsledkem inherentních abnormalit, včetně genetických defektů, pokusů ledvin reagovat na environmentální stresory, jako je vysoký příjem soli, nebo kombinace vnitřních a vnějších faktorů. Změny renální energie a metabolismu substrátu mohou uspokojit potřebu energie, ale narušují regulační mechanismy, jako jsou hladiny NO a redoxní rovnováha, což má za následek dysregulaci renálního tubulárního transportu a hemodynamiky a rozvoj hypertenze. Je zajímavou možností, že renální energie a metabolismus substrátu mohou ovlivňovat krevní tlak prostřednictvím mechanismů, které nejsou závislé pouze na bioenergetice.

Důkladné prozkoumání regulačního modelu znázorněného na obr. 3 vyžaduje soustředěné úsilí fyziologů, biochemiků, genetiků a počítačových biologů a přístup medicíny molekulárních systémů94,150,151. V budoucnu bude nanejvýš důležité lépe porozumět in vivo metabolickým profilům a dynamice v ledvinách a segmentech nefronů zvířat a lidí a zkoumání genetických a environmentálních faktorů, které vedou k rozvoji hypertenze jejich ovlivněním. metabolické procesy mohou pomoci identifikovat jakékoli prohypertenzní regulační dysfunkce, které jsou výsledkem takových metabolických abnormalit. Nakonec bude důležité prozkoumat, zda cílení na tyto metabolické abnormality může představovat výhodný terapeutický přístup pro určité podskupiny pacientů s hypertenzí. Nedávné studie začaly vrhat světlo na tyto otázky, ale studium úlohy renální energie a metabolismu substrátu při rozvoji hypertenze zůstává do značné míry otevřeným polem. Několik zajímavých oblastí výzkumu poskytuje další příležitosti ke zkoumání role renální energie a metabolismu substrátu při hypertenzi (obr. 3). Obezita, diabetes a další systémové metabolické poruchy úzce souvisejí s hypertenzí. Nové způsoby léčby diabetu, jako jsou inhibitory SGLT2, mají významné účinky na snížení krevního tlaku52. Bylo také prokázáno, že změny střevní mikroflóry ovlivňují krevní tlak53. Bylo by zajímavé pochopit, jak široké metabolické poruchy u pacientů se systémovými metabolickými poruchami nebo změněnou střevní mikroflórou mohou zahrnovat renální energii a metabolismus substrátu a zda může renální metabolické zapojení hrát roli ve vývoji a progresi hypertenze u těchto onemocnění. pacientů.