Teil 1 Häm-Oxygenase 1: Ein Abwehrmediator bei Nierenerkrankungen

Teil 1

Anne Grünwald¹, Lubka T. Roumenina¹und Marie Frimat ^2,3,*

Abstrakt:Die Häufigkeit vonNiereKrankheit nimmt zu, stellt eine erhebliche Belastung für das Gesundheitssystem dar und macht die Identifizierung neuer therapeutischer Angriffspunkte immer dringlicher. Das Häm-Oxygenase (HO)-System erfüllt eine wichtige Funktion bei der Regulation von oxidativem Stress und Entzündungen und spielt über diese Mechanismen vermutlich eine Rolle bei der Prävention unspezifischer Verletzungen nach akutem Nierenversagen oder als Folge einer chronischen Nierenerkrankung. Die Expression von HO-1 ist stark induzierbar durch eine Vielzahl von Stimuli imNiere, infolge der Filtrationsfunktion der Niere, was bedeutet, dass HO-1 einer Vielzahl von endogenen und exogenen Molekülen ausgesetzt ist, und es hat sich in einer Vielzahl von neuropathologischen Tiermodellen als schützend erwiesen. Interessanterweise tritt die positive Wirkung von HO-1 sowohl bei Hämolyse- als auch bei Rhabdomyolyse-dominierten Erkrankungen auf, bei denen dieNierestark Häm ausgesetzt ist (einem wichtigen HO-1-Induktor) sowie bei nicht Häm-abhängigen Erkrankungen wie Bluthochdruck, diabetischer Nephropathie oder Fortschreiten einer Nierenerkrankung im Endstadium. Dies unterstreicht die Komplexität der Funktionen von HO-1, was auch durch die Tatsache veranschaulicht wird, dass trotz der Fülle an präklinischen Daten bisher kein Medikament gegen HO-1 in die klinische Anwendung überführt wurde. Das Ziel dieser Übersichtsarbeit ist es, das aktuelle Wissen über die Rolle von HO-1 in der Niere und sein potenzielles Interesse als nephroprotektives Mittel zu bewerten. Die potenziellen therapeutischen Öffnungen werden vorgestellt, insbesondere durch die Identifizierung von klinischen Studien, die auf dieses Enzym oder seine Produkte abzielen.

Schlüsselwörter:Häm-Oxygenase-1; Häm;Niere; Hämolyse; Rhabdomyolyse; Toxizität; Ischämie-Reperfusion

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1. Einleitung

Die Zahl der Menschen weltweit mit chronischerNiereKrankheit (CKD), akuter Nierenschädigung (AKI) oder einer Nierenersatztherapie liegt bei über 850 Millionen [1]. Die prognostizierte Inzidenz gibt Anlass zur Sorge, da CKD bis 2040 voraussichtlich zur fünfthäufigsten Todesursache weltweit werden wird [2]. Das wird allgemein akzeptiertNiereKrankheiten ein bedeutendes Problem der öffentlichen Gesundheit sind und dass ein multimodaler Ansatz dringend erforderlich ist, um diese vermutete Entwicklung einzudämmen [3]. Von entscheidender Bedeutung ist die Identifizierung neuer therapeutischer Angriffspunkte, sowohl um die Auswirkungen akuter Nierenereignisse zu begrenzen als auch um schlechte Ergebnisse bei CKD über das gesamte Spektrum der zugrunde liegenden Ätiologien hinweg zu verbessern. Mehrere Kandidaten für Nephroprotektion werden derzeit untersucht [4,5]. Das Häm-Oxygenase (HO)-System ist eines der Ziele, die verwendet werden könnten, um Nierenstrukturen vor Schäden durch oxidativen Stress zu schützen, Entzündungen und folglich beschleunigte Alterung zu begrenzen.

HO wurde 1968 von Tenhunen und Kollegen entdeckt, die erstmals seine Fähigkeit beschrieben, den Abbau von Häm (Fe-Protoporphyrin IX) zu freiem Eisen, Kohlenmonoxid (CO) und Biliverdin zu katalysieren, das schnell in Bilirubin umgewandelt wird [6]. Zwei Hauptisoformen von HO wurden beschrieben: induzierbares HO-1 und konstitutives HO-2. Ursprünglich nur als Recyclingsystem für Häm aus gealterten roten Blutkörperchen betrachtet, wurde HO über seine Metaboliten und nachgeschaltete Signalübertragung eine Reihe von zytoprotektiven Eigenschaften zugeschrieben, wodurch seine Definition von der einer „molekularen Abrissbirne“ zu einem „hypnotisierenden“ Auslöser von HO erweitert wurde zelluläre Ereignisse, um Maines et al. [7]

Angetrieben von seinen potenziellen antioxidativen und entzündungshemmenden Eigenschaften ist HO-1 aufgrund seiner Rolle bei verschiedenen menschlichen Pathologien Gegenstand wachsenden Interesses. Unter den untersuchten Organen wurde die Niere in den letzten 30 Jahren häufig hervorgehoben, insbesondere durch die Identifizierung einer Rolle von HO-1 bei verschiedenen Nieren-, Stoffwechsel- und Gefäßerkrankungen sowohl akuter als auch chronischer Natur [8–11 ]. HO-1 ist wesentlich für EffizienzNiereFunktion, wie durch Nierenschäden bei Menschen mit HO-1-Mangel und durch zahlreiche Tierstudien (unten beschrieben) gezeigt wird. DasNierenPhysiologische Funktionen beeinflussen spezifisch die HO-1-Regulation. Tatsächlich ist Nierengewebe sehr anfällig für Hypoxie [12], ein wichtiger Treiber der HO-1-Expression, und aufgrund seiner Filtrations- und Reabsorptionsfunktionen besonders toxischen Molekülen ausgesetzt. Diese Besonderheit, ein mit der Leber geteiltes „Entgiftungsorgan“ zu sein, bedeutet, dass die Niere in hohem Maße Schadens-assoziierten molekularen Mustern (DAMPs) und Stressmediatoren ausgesetzt ist. Interessanterweise dieNierebesitzt die Fähigkeit zur Synthese von Albumin, Alpha-Protein und Haptoglobin unter ischämischer oder toxischer ischämischer Schädigung, was die Parallele zur Leber unterstreicht [13,14]. Nierenzellen benötigen daher Anpassungsstrategien, um ihre Funktionen und Integrität in solch einer rauen Umgebung zu bewahren. Die Niere ist im Falle einer extravaskulären Hämolyse oder Rhabdomyolyse und somit auch für die Induktion der HO-1-Expression ein Hauptexpositionsort gegenüber Häm. Unter diesen Bedingungen lässt sich die HO-1-Überexpression leicht durch die Notwendigkeit erklären, die freie Häm-Überladung zu katabolisieren. Die Beteiligung von HO-1 an Nierenerkrankungen geht jedoch über den Rahmen von Häm-bedingten Erkrankungen hinaus und veranschaulicht die Komplexität seiner Wirkungsmechanismen, die über den Häm-Katabolismus allein hinausgehen [15].

Das Ziel dieser Übersicht ist es, die große Menge experimenteller und klinischer Daten zusammenzufassen, die die Bedeutung von HO-1 in derNiere, ohne zu vergessen, dass HO-2 ebenfalls von Bedeutung ist: konstitutiv in der Niere unter homöostatischen Bedingungen exprimiert, steht es in der ersten Verteidigungslinie gegen Ischämie und andere Schädigungen, und seine renalen zytoprotektiven Wirkungen wurden in Häm-Protein- und nachgewiesen Ischämie-induzierter AKI [16]. Im Vergleich zur Literatur über HO-1 gibt es jedoch nur sehr wenige Studien, die die funktionelle Bedeutung von HO-2 bei Nierenerkrankungen untersuchen; Daher konzentriert sich diese Übersicht auf HO-1. Nach einer allgemeinen Einführung in die Eigenschaften von HO-1 in der Niere werden wir die Rolle dieses Enzyms in verschiedenen Nierenzellpopulationen und bei Nierenerkrankungen beschreiben. Angesichts seiner primären Funktion, Häm zu recyceln, werden wir uns diesen pathologischen Zuständen danach nähern, ob es eine massive Freisetzung von freiem Häm gibt oder nicht. Abschließend werden aktuelle klinische Anwendungen vorgestellt, die die Diskrepanz zwischen der Fülle verfügbarer experimenteller Daten und dem relativen Mangel an therapeutischen Anwendungen aufzeigen.

2. Über Häm-Oxygenase-1 in der Niere

2.1. Warum ist HO-1 besonders wichtig für die Niere?

In den letzten Jahrzehnten wurde die Schlüsselrolle des HO-1-Systems in der Pathophysiologie vonNiereKrankheiten wurde durch mehrere Studien belegt. Bei den beiden bisher gemeldeten Patienten mit HO-1--Mangel gehörte die Niere zu den geschädigten Organen. Beide Patienten hatten Hämaturie und Proteinurie.NiereBiopsien zeigten eine erhöhte mesangiale Proliferation und fokale Verdickung der Kapillarschleifen durch Lichtmikroskopie und eine Endothelablösung in der glomerulären Kapillare durch Elektronenmikroskopie [17,18]. Nierenschäden waren auch in beiden Tiermodellen vorhanden, die für HMOX1 ungültig gemacht wurden, wobei einige Unterschiede zwischen den Maus- [19] und Rattenmodellen [20] offensichtlich waren. Bei Hmox1-/--Mäusen war der Mangel an funktioneller Hämoxygenase für eine erhöhte Anfälligkeit für oxidativen Stress [19], eine verringerte Hämophagozytose alternder roter Blutkörperchen durch Gewebemakrophagen, eine erhöhte Hämolyse und eine Umverteilung von Eisen aus Milz und Leber verantwortlich Makrophagen zu Hepatozyten und renalen proximalen Tubuluszellen [21]. In ähnlicher Weise zeigten Hmox1-/--Ratten Anämie, Splenomegalie und deutliche interstitielle Entzündungszellinfiltrate und Fibrosenarben in ihren Nieren. Während glomeruläre Läsionen im Mausmodell vereinzelt auftraten, zeigten Atsaves et al. fanden bei Hmox1-/--Ratten eine Zunahme mesangialer Matrix- und fokaler und segmentaler Glomerulosklerose-Läsionen. Diese morphologischen Befunde waren mit erhöhtem Blut-Harnstoff-Stickstoff, Serum-Kreatinin und Albuminurie verbunden, aber interessanterweise gab es keine Zunahme der Eisenablagerungen in den Glomeruli, Tubuli oder im Interstitium [20].

Spontane Nierenschäden sowohl in menschlichen als auch in Tiermodellen, die für HMOX ungültig sind, legen nahe, dass HO-1 für eine effiziente Nierenfunktion wichtig ist. Die renale Schutzfunktion dieses Enzyms wurde in mehreren Modellen der renalen Provokation bei HO-1-Invalidierung/-Hemmung oder -Überexpression bestätigt [22]. Die oben zitierten histologischen Unterschiede verdeutlichen jedoch die Schwierigkeiten bei der Übertragung der Ergebnisse von einer Spezies auf eine andere. Unterschiede in der Regulation von HO-1 zwischen Menschen und Mäusen sind gut beschrieben, was die Erzeugung von humanen hHO-1 BAC-transgenen Mäusen motiviert [23]. In diesem Modell wird HO-1 überexprimiert, und es bleibt unbekannt, ob diese höhere Hintergrundexpression subtile Schäden über lange Zeiträume verschleiern oder sogar selbst nachteilige Auswirkungen haben kann.

Ein besseres Verständnis der Funktionsweise von HO-1 in derNiere, und wie ihr Ausdruck oder ihre Funktion gesteuert wird, ist für unser Verständnis von wesentlichNierePhysiologie und Pathologie, aber es ist (wie immer) wichtig, sich an die Grenzen jeder Studie bei ihrer Interpretation und Übersetzung zu erinnern: Wir werden versuchen, diesen kritischen Standpunkt in dieser Übersicht aufrechtzuerhalten.

2.2. Regulation der HO-1-Expression in den Nieren

Das HO-1-Protein ist allgegenwärtig, da es in der Membran des endoplasmatischen Retikulums verankert ist und auch in Mitochondrienkernen und Caveolin lokalisiert ist, während das HO-1-Gen (HMOX1), das HO-1 codiert, befindet sich auf Chromosom 22. Viele Stimuli können die Transkription von HMOX1 modulieren, was das breite Spektrum an DNA-Bindungsmotiven innerhalb seines Promotors und die große Anzahl von Signalwegen widerspiegelt, die zu seiner Transkription führen. Der Hauptregulator des HMOX1-Gens ist der nukleäre Erythroidfaktor 2 (Nrf2), dessen Aktivierung von seiner Interaktion mit dem ECH-assoziierten Protein vom Kelch-Typ (Keap1) abhängt. Die Keap-Nrf2-Wechselwirkung fördert den Abbau von Nrf2 (gesunder Zustand), während die Destabilisierung dieses Komplexes Nrf2 freisetzt, das in den Zellkern wandert und bestimmte Gene hochreguliert, einschließlich HO-1 (gestresster Zustand). Es gibt viele andere Aktivatoren oder Repressoren von HO-1, die ein komplexes biomolekulares Netzwerk bilden (ausführlich in früheren Übersichten [7,10]). Einzelheiten dazu gehen über den Rahmen dieses Übersichtsartikels hinaus, und wir konzentrieren uns hier auf die nierenspezifischen Merkmale der HO-1-Expression.

In demNiere, HO-1-Proteinspiegel sind unter homöostatischen Bedingungen nicht nachweisbar, außer in den Tubuli, wo sie dennoch niedrig bleiben [24]. Es ist bekannt, dass viele Stressbedingungen die renale Transkription HO-1 hochregulieren, darunter oxidativer Stress, Hitzeschock, Hypoxie, Schwermetalle und Toxine (Übersicht in Bolisetty et al. [8]). Unter diesen Bedingungen bleibt die HO-1-Expression zwischen den verschiedenen Nierenkompartimenten heterogen. Die Niere besteht aus zwei Hauptbereichen: der Ausgangsrinde und dem Mark in der innersten Region. Die Medulla enthält den größten Teil der Länge der Nephrone, der funktionellen Komponenten der Niere, die Flüssigkeit aus dem Blut filtern. Die Nierenrinde umfasst die Glomeruli, jene „Büschel“ von Kapillaren, in denen Plasma durch die glomeruläre Basalmembran filtriert wird. Die gefilterte Flüssigkeit fließt dann entlang des gewundenen proximalen Tubulus zur Henle-Schleife und dann zu dem gewundenen distalen Tubulus und den Sammelkanälen, die in den Ureter abfließen (Abbildung 1). Die glomeruläre Filtration und Reabsorption von gelösten Stoffen (die beiden Hauptfunktionen der Niere) werden durch den renalen Blutfluss unterstützt, der zu den höchsten im Körper gehört, wobei die Nieren etwa 20 bis 25 Prozent des Herzzeitvolumens erhalten. Im Vergleich zur Rinde ist die Durchblutung des Nierenmarks relativ gering. Diese Ungleichheit ist erforderlich, um einen effektiven Mechanismus zur Konzentration des Urins zu ermöglichen, und erklärt auch die besondere Anfälligkeit des Marks für verminderten Blutfluss. Unter Stressbedingungen wird HO-1 daher stärker in der Medulla exprimiert als in der Rinde [25]. Seine Expression ist sehr stark in Tubuli (insbesondere proximalen Tubuli), aber minimal oder fehlt in Glomeruli, wie in 2 sowohl bei hämolytischen Patienten als auch bei Häm-injizierten Mäusen dargestellt. Es wurde jedoch gezeigt, dass die vorherige Induktion von HO-1 in den Glomeruli die nachfolgende Entwicklung einer nephrotoxischen Glomerulonephritis in einem Lewis-Rattenmodell verhinderte, aber der Hauptproduzent von HO-1 in den Glomeruli waren die infiltrierenden Makrophagen, nicht die intrinsischen glomerulären Zellen [26]. Diese geringere Fähigkeit der Glomeruli, HO-1 zu exprimieren, das ein wichtiger zytoprotektiver Mechanismus ist, könnte die besondere Empfindlichkeit der Glomeruli gegenüber Stressoren bei bestimmten Pathologien erklären [27].

Zusammengenommen zeigen diese Daten, dass HO-1-Spiegel in der Regel nicht nachweisbar sindNiereaber dass HO-1 in Tubuli während Pathologien hochinduzierbar ist, insbesondere über seinen Haupttranskriptionsfaktor Nrf2. Die Fähigkeit der Glomeruli, HO-1 zu induzieren, ist jedoch geringer.

2.3. HO-1 und Nephroprotektion

Wie HO-2 treibt HO-1 die NADPH-abhängige Addition eines Sauerstoffmoleküls an den Porphyrinring von Häm an und katalysiert so die Oxidation von Häm und die äquimolare Freisetzung von Biliverdin, freiem Eisen und Kohlenstoffoxid (KO). Alle diese Ereignisse wirken zytoprotektiv, indem sie freies Häm entfernen, den Eisenausfluss regulieren und die Bilirubin- und CO-Spiegel erhöhen. Tatsächlich sind die schädlichen Wirkungen von freiem Häm gut beschrieben, insbesondere an der Gefäßstelle durch direkte Toxizität, aber auch durch die Stimulierung entzündungsfördernder Signalwege (wie DAMPs) und die Aktivierung des Komplementsystems [28]. Ähnlich wie bei Endothelzellen werden solche unerwünschten Wirkungen bei anderen Zelltypen berichtet, wenn sie massiv Häm ausgesetzt sind. Dies ist der Fall bei menschlichen Skelettmuskelfasern, bei denen Häm-Exposition eine kontraktile Dysfunktion hervorruft [29], und bei renalen Tubuluszellen [30]. Außerdem ist Eisen schon in geringen Konzentrationen ausgesprochen toxisch. Es ist an der Fenton-Reaktion beteiligt, produziert Hydroxyl und kann zum Zelltod durch Ferroptose führen, einem Zelltodweg, der durch eine eisenabhängige Abnahme der Glutathion (GSH)-Spiegel und die Akkumulation von Lipidhydroperoxiden auf tödliche Niveaus gekennzeichnet ist [31]. So wurde berichtet, dass die Zytoprotektion von HO-1 zumindest teilweise auf einen erhöhten Eisenfluss zurückzuführen ist [32], der nach seiner Freisetzung entweder in Ferritin gespeichert oder von Makrophagen zur Wiederverwertung ins Plasma exportiert wird -Verwendung über den Transmembran-Eisenexporteur Ferroportin. CO wirkt der Vasokonstriktion entgegen und hat starke antioxidative Eigenschaften, ebenso wie Biliverdin, das über die Biliverdin-Reduktase enzymatisch in Bilirubin umgewandelt wird [33].

Wenn man diese Eigenschaften auf die Nierenebene überträgt, ist das Interesse der Forschung an der Nutzung dieses Moleküls für die Behandlung leicht zu verstehenNiereErkrankung. Die positiven Wirkungen werden seit fast 30 Jahren beschrieben, nach der Arbeit von Nath et al., die berichteten, dass HO-1 in einem Rattenmodell vor Glycerol-induziertem, akutem Nierenversagen Schutz verlieh. In ihrem Modell induzierte eine einzelne vorherige Injektion von Hämoglobin schnell HO-1-Messenger-RNA und -Protein in der Niere, was das Fortschreiten zum Nierenversagen verhinderte [34]. Die nephroprotektiven Wirkungen von HO-1 und seinen Metaboliten wurden seitdem in verschiedenen Modellen von Nierenerkrankungen beschrieben [8,35]. Die potenzielle Bedeutung von HO-1 bei der Pathogenese von Nierenerkrankungen wird auch durch die Verbindung zwischen Polymorphismen im HO-1-Gen und dem Nierenergebnis nahegelegt. Personen mit kürzeren (GT)n-Wiederholungen in der HO-1-Promotorregion haben eine höhere Transkriptionsaktivität und damit höhere HO-1-Spiegel als Personen mit längeren (GT)n-Wiederholungen [36]. Interessanterweise wurden lange (GT)n-Wiederholungen in mehreren Zusammenhängen mit einer schlechteren Prognose in Verbindung gebracht, nämlich einem höheren Risiko für AKI nach einer Herzoperation oder einer verminderten Nierenfunktion nach einer Nierentransplantation [37,38]. Es gibt jedoch keine Hinweise auf eine schützende Wirkung von Short Repeat (GT)n auf das Überleben von Transplantat oder Empfänger nach einer Nierentransplantation [39], was die Komplexität der beteiligten Mechanismen unterstreicht. Die Ebenen der HO-1-Expression können auch mit dem Alter variieren. Die renale Expression des Gens HO-1 bei C57Bl6-Kontrollmäusen war im Alter von 18 im Vergleich zu einem Alter von 3 Monaten signifikant verringert [40]. In einer anderen Studie war die Expression des Proteins HO-1 zu Studienbeginn zwischen 6–8- Wochen alten Mäusen und 1- Jahre alten Mäusen nicht signifikant unterschiedlich, aber die Fähigkeit der älteren Tiere, HO hochzuregulieren -1 als Reaktion auf Ischämie-Reperfusionsverletzungen (IRI) war beeinträchtigt (insbesondere in der Medulla), und sie zeigten eine schlechtere Nierenfunktion im Vergleich zu jungen Tieren [41]. Diese Ergebnisse spiegeln die renale Empfindlichkeit älterer Menschen gegenüber nephrotoxischen Mitteln wider.

Zusammenfassend wurde in vielen Studien gezeigt, dass die präventive oder genetische Induktion der HO-1-Expression einen Nierenschutz verleiht. Eine Abnahme der renalen HO-1-Expression kann dazu beitragenNierenEmpfindlichkeit gegenüber bestimmten Pathologien.

3. HO-1 in Nierenzellpopulationen

Vergleichende Analysen haben gezeigt, dass HO-1 in den unterschiedlichen Zellpopulationen der nicht im gleichen Maße exprimiert wirdNierefür einen bestimmten Stimulus (Abbildung 1). Während der intravaskulären Hämolyse oder in Gegenwart von HO-1--induzierenden Stressreizen oder Medikamenten im Kreislauf sind die Endothelzellen die ersten Zellen, die von diesen systemischen Stressoren herausgefordert werden. Wenn der Stressor in den Glomeruli gefiltert wird, werden die Podozyten freigelegt und können geschädigt werden, wie bei diabetischer Nephropathie zu sehen ist. Außerdem könnte der Stressor auf mesangiale Zellen treffen, die eine sekretorische und immunmodulatorische Rolle spielen und sich während eines HO-1-Mangels vermehren. Schließlich kann der Stressor das tubuläre Epithel erreichen, das der am besten untersuchte Zelltyp in Bezug auf HO-1 ist (die proximalen und distalen Tubuli müssen in Bezug auf das Epithel getrennt betrachtet werden). Tubuläre Epithelzellen haben die stärkste Kapazität zur Überexpression von HO-1 und erleiden die schwersten Schäden im Falle ihres Mangels oder während der intravaskulären Hämolyse und Rhabdomyolyse. Dieser Abschnitt beschreibt die Schlüsselfunktionen der wichtigsten Nierenzelltypen und die spezifische Rolle von HO-1 in ihnen.

3.1. Endothelzellen

Das Endothel besteht aus einer Monoschicht von Endothelzellen (EC), die kritische Funktionen in den Blutgefäßen erfüllen. Sie bedecken das Innere von Blutgefäßen und erfüllen Barrierefunktionen, dienen aber auch als Austauschschnittstelle zu angrenzenden Geweben, als Sensor für Gewebe- und intravaskulären Stress sowie als Quelle für Abwehrmediatoren [42]. Als solche sind EC die erste Zelllinie, die zirkulierenden Stressoren ausgesetzt ist, und die HO-1-Expression ist für ihr Überleben unerlässlich, wobei Patienten mit HO-1--Mangel und Mausmodelle umfangreiche Endothelschäden aufweisen [19,43]. Die überlebensfördernden Wirkungen von HO-1 in EC treten in jedem Organ auf und es gibt eine große Menge an Arbeiten bezüglich seiner Induktion durch verschiedene Moleküle [44,45]. Je nach Lokalisation (in verschiedenen Organen, in Gefäßen oder Kapillaren) variieren EC-Struktur, Spezialisierung und Funktionen. Somit haben EC aus verschiedenen Gefäßbetten dynamische Expressionsprofile (sowohl räumlich als auch zeitlich) und dies könnte ihre selektive Beteiligung an verschiedenen Krankheitsprozessen erklären [42].

In demNiere, können drei Haupttypen des Endothels unterschieden werden: glomeruläres, peritubulares Kapillaren- und mittelgroßes/großes Gefäßendothel [46], jedes mit unterschiedlichen Ebenen der HO-1-Expression oder -Funktion. Die glomeruläre EC ist „gefenstert“ und von einer Glykokalyx bedeckt [47], die für die Einschränkung des Makromoleküldurchgangs zur Harnkammer verantwortlich ist [48]. Trotz der Glykokalyx können kleine hydrophobe Moleküle (z. B. Häm) in Zellmembranen eindringen und entzündungsfördernde und prothrombotische Signalwege aktivieren, einschließlich TLR-4-Signalisierung, wodurch die Adhäsion von Blutzellen und der Gefäßverschluss gefördert werden (Schaer et al., 2013). Der EC der peritubulären Kapillaren ist ebenfalls gefenstert und liegt auf einem dünnen Stroma. Sie transportieren reabsorbierte Komponenten und erhalten die Funktion der tubulären Epithelzellen aufrecht [46]. Schließlich sind die Endothelien sowohl mittlerer als auch großer Gefäße zusammenhängend mit miteinander verbundenen EC. Die strukturelle und funktionelle Diversität der EC in der Niere als Funktion ihrer Lokalisation macht sie unterschiedlich empfindlich gegenüber spezifischen Stressoren, wie toxische oder proinflammatorisch filtrierte Moleküle für glomeruläre EC, Hypoxie für peritubulare Kapillaren oder Änderungen der Scherspannung, mit entsprechend spezifischen Reaktionen zu solchen Angriffen [46].

Die Hauptfaktoren, die die HO-1-Expression in EC beeinflussen, sind Hypoxie, Scherspannung, das Vorhandensein von Häm und anderen zirkulierenden Stressoren (Ammoniak [49], S-Adenosylmethionin [50] usw.), zirkulierende Substanzen (Statine [51], Resveratrol [52] usw.) oder Drogen. Der Sauerstoffpartialdruck nimmt entlang der peritubulären Kapillare ab, insbesondere unter Stressbedingungen mit übermäßigem O2-Verbrauch. Interessanterweise wurde berichtet, dass die HO-1-Expression bei Hypoxie abnimmt, während die HO-2-Expression in der makrovaskulären humanen Nabelvenen-EC (HUVEC) erhalten blieb [53]. Die HO-1-Expression ist jedoch in mikrovaskulären peritubulären Kapillarkapillaren unter verschiedenen Bedingungen induzierbar, die Hypoxie hervorrufen können (Häm, Angiotensin II usw.). Physiologischer Scherstress ist eine wichtige Determinante des EC-Überlebens, wie in vivo in humanen atherosklerotischen Plaques der Karotis [54] und Kaninchenkarotiden mit reduziertem Blutfluss gezeigt wurde [55]: Er induziert auch die Expression von entzündungshemmenden Faktoren (in vitro in HUVEC und in vivo in Kaninchenaorta [56]) und vasodilatatorische (in vitro und in vivo in Mäusen [57]). Interessanterweise wird die HO-1-Expression durch Scherstress in vitro in makrovaskulären (Aorta) und mikrovaskulären (HMEC) menschlichen EC induziert [58], und es wurde berichtet, dass diese Expression bei Ratten in direktem Zusammenhang mit dem Grad der Scherspannung steht : höhere Expression bei hohen Flussniveaus (in Arterien), erfordert aber andere Faktoren, damit HO-1 bei niedrigen Flussniveaus (in Mikrogefäßen) exprimiert wird [59]. Dieses Phänomen wurde bisher nur in Darmgefäßen beschrieben. Wenn diese Ergebnisse jedoch in anderen Organen verifiziert werden, kann dies eine verringerte HO-1-Induktion in Kapillaren wie glomeruläre EC unter Stress erklären [27]. EC ist in hohem Maße zytotoxischen Hämolyse-abgeleiteten Produkten ausgesetzt, und die endothelialen Reaktionen auf diese Angriffe spiegeln die Heterogenität von EC wider. Mikrovaskuläre EC und insbesondere glomeruläre EC sind im Vergleich zu makrovaskulären EC weniger anfällig für eine Hochregulierung von HO-1, sowohl in vitro als auch in einem Hämolyse-Mausmodell [27]. Dies macht sie besonders anfällig für Schädigungen durch Unterschiede in ihrer Komplement-C3-Regulation und Häm-Abbau im Vergleich zu makrovaskulären EC [27]. Über die HO-1-Induktionskapazität der EC der peritubulären Kapillaren ist wenig bekannt.

Die makrovaskuläre EC der Niere ist hinsichtlich der HO-1-Expression und -Funktion noch wenig untersucht. Das am weitesten verbreitete Modell bei der Untersuchung der makrovaskulären EC ist die humane Nabelvenen-EC (HUVEC). Häm-Exposition in HUVEC ist verantwortlich für eine schnelle Signaltransduktion, Mobilisierung der endothelialen Weibel-Palad-Körper und NF-kB-Aktivierung, wodurch ihnen ein pro-inflammatorischer und pro-thrombotischer Phänotyp verliehen wird [60–62]. Eine längere Exposition ermöglicht es ihnen jedoch, Anpassungsmechanismen zu entwickeln und eine hohe Resistenz gegen durch oxidativen Stress verursachte Verletzungen und Lipidperoxidationsprodukte zu entwickeln. Dazu gehört die Induktion von Ferritin und HO-1 [63], obwohl die HO-1-Induktion in der glomerulären EC in vitro und in Mausmodellen der Hämolyse viel schwächer ist [27,64]. Die HO-1-Induktion in makrovaskulärer EC modulierte insbesondere die Komplementaktivierung [27,65], die Thrombomodulin-Expression unter Hämolysebedingungen [27] und im Zusammenhang mit einer SepsisNiereVerletzung [66] und Expression von Adhäsionsmolekülen, die mit EC-Aktivierung assoziiert sind [67].

Zusammengenommen weisen diese Daten darauf hin, dass dieNiereDas Endothel wird durch seine Filterfunktion stark von Toxinen und Stressoren beeinflusst. Solche Stressoren scheinen starke Anpassungsmechanismen in makrovaskulären EC auszulösen, die es ihnen ermöglichen, Angriffen bis zu einem gewissen Grad zu widerstehen, hauptsächlich durch die Hochregulierung von HO-1 und den damit verbundenen Genen. Während es in der Literatur einen deutlichen Mangel an Daten gibt, deuten verfügbare Studien darauf hin, dass im Gegensatz zur makrovaskulären EC diese HO-1-Hochregulation im glomerulären mikrovaskulären Endothel weniger ausgeprägt ist, was es besonders empfindlich gegenüber Umweltstress macht.

3.2. Podozyten

Podozyten sind hyperspezialisierte Zellen, die die glomeruläre Filtrationsbarriere durch die Synthese von Komponenten der glomerulären Basalmembran (GBM) und die Bildung des Schlitzdiaphragmas aufrechterhalten, indem sie ihre Fußfortsätze an die glomerulären Endothelzellen anheften [68] (Abbildung 1). Ihre strategische Lokalisierung, die ihre Filtrationsfunktion ermöglicht, macht sie besonders empfindlich gegenüber mechanischem, oxidativem und immunologischem Stress. Podozyten haben einzigartige Anpassungsreaktionen, einschließlich der Hochregulierung von Vimentin und Desmin [69] oder antioxidativer Proteine ​​wie Sirtuin1 und Metallothionein. Sirtuin reguliert Nrf2 hoch und verstärkt so die HO-1-Expression. [70,71] Interessanterweise wurde berichtet, dass die Sirtuin-1-Expression (zusammen mit Nrf2 und HO-1) durch die Exposition gegenüber fortgeschrittenen Glykationsendprodukten [71] und HO{{14} } wurde in Podozyten bei Diabetespatienten spezifisch verstärkt [72]. Obwohl weniger untersucht, wurde die Expression von HO-1 auch unter hämolytischen Bedingungen beschrieben [27,73], wobei Häm die HO-1-Expression auf eine Nrf2--abhängige Weise in Podozyten induziert. Interessanterweise entwickelten Mäuse mit Nrf2--Mangel spontan eine Proteinurie mit Auslöschung des Fußfortsatzes, verringerter Synaptopodin- und Nephrin-Expression und Podozyten-Apoptose [73].

Obwohl die Literatur zu HO-1 in Podozyten nicht reichlich vorhanden ist, deuten die vorhandenen Beweise auf eine schützende physiologische Rolle der Nrf2/HO-1-Achse hin, indem sie die Stiele erhalten und den Tod und die Ablösung von Podozyten hemmen. In pathologischen Kontexten wird HO-1 als Abwehrmechanismus überexprimiert, könnte aber auch ein Nebenprodukt erschöpfter Widerstandsmechanismen sein, die durch überwältigenden Stress verursacht werden, in welchem ​​Kontext es nicht ausreicht, um Podozytenverletzungen zu verhindern.

3.3. Mesangiale Zellen

Mesangialzellen bilden zusammen mit der von ihnen produzierten Mesangialmatrix das Mesangium, ein Stützgewebe für den Glomerulus floculus. Zu den Mesangialzellen gehören Immunzellen, Monozyten-/Makrophagen-ähnliche (5 bis 15 Prozent) und kontraktile Zellen, die glatten Muskelzellen ähneln (85 bis 95 Prozent) und strukturelle Unterstützung und Kontraktion bieten [74,75]. Häm fördert die Proliferation glatter Muskelzellen [76] und sein Rezeptor TLR4 wird auf Mesangialzellen exprimiert [77], aber die Rolle von HO-1 in diesen Zellen ist kaum untersucht. Es wurde gezeigt, dass Stickoxid (NO) HO-1 in Mesangialzellen induziert [78], Patienten mit HO-1--Mangel haben eine leichte Mesangialproliferation [17,18,43] und HO{{17} } wurde gezeigt, dass es die Proliferation von Mesangialzellen über p21-Hochregulierung moduliert [79]. Weitere Arbeiten sind erforderlich, um festzustellen, ob der große Wissensschatz, der für Makrophagen angesammelt wurde, auf die makrophagenähnlichen Mesangialzellen anwendbar ist.

3.4. Tubuläre Zellen

Wenn die HO-1-Expression vor einiger Zeit in Tubuli beschrieben wurde, wurde ihre Regulation erst kürzlich als segmentspezifisch beschrieben; HO-1 spielt auch unterschiedliche Rollen in verschiedenen Segmenten des Tubulus, um die Nierenfunktionen aufrechtzuerhalten [80].

3.4.1. Proximalen Tubulus

Die proximalen Tubuli sind die Zellen in derNieredie die höchste Kapazität für die Überexpression von HO-1 aufweisen. In der Tat wurde gezeigt, dass proximale tubuläre Epithelzellen in vitro besonders empfindlich gegenüber oxidativem Stress sind [81]. Sie verlassen sich stark auf HO-1 für den Schutz vor und die Anpassung an Stressoren, wie die Tatsache zeigt, dass tubuläre Verletzungen das kardinale pathologische Merkmal beim menschlichen HO-1-Mangel sind [82]. Die Hauptfunktion des proximalen Nierentubulus ist die Aufnahme von Wasser, Ionen, Aminosäuren und gefilterten Proteinen. Ohne glomeruläre Schädigung haben gefilterte Proteine ​​meist eine Größe unter 68 kDa. Die Internalisierung von Proteinen, einschließlich Häm-assoziierten Proteinen wie Myoglobin oder Hämoglobin, aber auch Hämopexin, erfolgt über die Megalin- und Tubulin-Rezeptoren [83]. Diese Reabsorptionsfunktion erfordert eine große Menge an Energie (ATP), die durch mitochondriale Beta-Oxidation bereitgestellt wird [84]. Ein schwerer ATP-Mangel führt jedoch zu einer mitochondrialen Schädigung, was zu einer weiteren Erschöpfung der Energiespeicher und der Bildung reaktiver Sauerstoffspezies führt [85]. Dieser hohe metabolische Bedarf erzeugt einen Zustand relativer Hypoxie im Nierenmark, und die proximalen Tubuli sind besonders empfindlich gegenüber Ischämie/Reperfusion und Häm-Überschuss [86,87]. Die Empfindlichkeit gegenüber Häm wird auch durch die konstitutive Expression von TLR4 (einem Hämrezeptor) durch die proximalen Tubuli erklärt [61], und die TLR4-Expression ist bei renaler Ischämie-Reperfusionsverletzung und septischen Verletzungen erhöht [77].

Während HO-1 in der nur schwach ausgeprägt istNiereUnter normalen Bedingungen ist es in proximalen Tubuli unter verschiedenen Stressformen stark induzierbar [88], darunter Proteinurie [80]. Das Zusammenspiel zwischen der Aufnahme von Häm-enthaltenden Proteinen, dem osmotischen Druck, der den Häm-Einstrom antreibt, der TLR4-Expression und der gesteigerten Häm-Synthese in den proximalen Tubuli kann zusammen diese spezifische, starke Hochregulierung von HO-1 erklären. Es wurde vermutet, dass die HO-1-Expression in tubulären Epithelzellen mehr von der basolateralen Häm-Exposition (aus den peritubulären Kapillaren unter hämolytischen Bedingungen) als vom intraluminalen Häm-Gehalt abhängt. Unter Bedingungen von Hypoxie und veränderter Polarität der renalen EC wurde jedoch berichtet, dass die Hochregulierung von HO-1 mehr von der apikalen Häm-Exposition abhängt [89]. In tubulären Epithelzellen ist die HO-1-Hochregulierung durch Häm von der Nrf2-Stabilisierung abhängig [90]. HO-1 hat eine doppelte Rolle in der tubulären EC, indem es gleichzeitig ein Antioxidans und ein Regulator des Zelltods ist. Tatsächlich ist HO-1 für die Hochregulierung von p21 verantwortlich, einem Cyclin-abhängigen Kinase-Inhibitor, der für das Stoppen der Zellzyklusprogression verantwortlich ist, was die Apoptose in tubulären EC reduziert [91,92]. Darüber hinaus verringert die HO-1-Expression die Ferroptose in proximalen tubulären Zellen, einen nicht apoptotisch regulierten Zelltod, der mit der Akkumulation von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) verbunden ist, die aus der Lipidperoxidation stammen [93]. Schließlich wurde gezeigt, dass HO-1 die Autophagie in proximalen tubulären Zellen hemmt [94].

Insgesamt sind proximale tubuläre Zellen in pathologischen Kontexten (Filtration von Hämoglobin, Myoglobin, Hämopexin-Häm-Komplexen; Ischämie, Filtration von toxischen Produkten oder Medikamenten usw.) massiv HO-1-Induktoren ausgesetzt und auf HO{{2 }} für ihren Schutz, aber HO-1 ist auch ein Marker für tubulären Stress und Verletzungen, wenn ihre Anpassungsfähigkeit überfordert ist.

3.4.2. Distaler Tubulus

Distale tubuläre EC entlang der Medulla, insbesondere im dicken, aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife (mTAL) und im distalen gewundenen Tubulus (DCT), sind an der Konzentration und Verdünnung des Urins und der Aufrechterhaltung der homöostatischen Salz- und Gehalte an gelösten Stoffen beteiligt die verschiedene Kanäle exprimieren, die für ihre Lokalisierung und ihren Zellsubtyp spezifisch sind. Während der Wasserresorption wird die Konzentration von Toxinen (insbesondere Häm) in den distalen Nephronsegmenten viel höher. Aufgrund des niedrigen Sauerstoffpartialdrucks entlang der peritubulären Kapillaren sind diese distalen tubulären EC besonders anfällig für Hypoxie und verlassen sich mehr auf die anaerobe, glykolytische ATP-Produktion als proximale Zellen. Distale Tubuli haben eine größere Fähigkeit zu überleben und sich an hypoxischen Stress anzupassen [95] und sind weniger empfindlich gegenüber Zelltod, insbesondere nach ischämischer Verletzung [96].

Distale Tubuli, ebenso wie proximale Tubuli, exprimieren nur schwach HO-1 auf einer basalen Ebene; bei Stimulation wurde jedoch seine Induktion durch Häm in Frage gestellt [88]. (Interessanterweise kann HO-2 durch Häm in den distalen Tubuli verstärkt werden [97].) Die Rolle von HO- 1 in den distalen Tubuli muss jedoch noch vollständig aufgeklärt werden, da seine Expression ebenfalls mit einer Verbesserung in Verbindung gebracht wurde Nierenfunktion nach Ischämie/Reperfusion bei Leichenspendertransplantation [98] sowie bei CKD [99]. Dies kann mit der Regenerationsfunktion der distalen tubulären Epithelzellen zusammenhängen, aber weitere Studien sind erforderlich, um die Beziehung zwischen HO-1 und den Funktionen der distalen tubulären Epithelzellen besser zu beschreiben.

Abschließend lässt sich sagen, dass, obwohl Daten zu distalen Tubuli fehlen, einige Hinweise darauf hindeuten, dass eine verstärkte HO-1-Expression den EC der distalen Tubuli schützen könnte.