Hidrogén-peroxid és nátrium transzport a tüdőben és a vesében

1 Laboratoire de Physiologie et Pharmacologie, Université Libre de Bruxelles, 1070 Bruxelles, Belgium

2 Laboratoire d'Histologie, Histopathologie et Neuroanatomie, Université Libre de Bruxelles, 1070 Bruxelles, Belgium

Absztrakt

A vese- és tüdőhámsejteket néhány jelentős H2O2-koncentrációnak teszik ki. A vizeletben elérheti a 100-at μM, míg a tüdőben lévő hámbélés folyadékban a becslések szerint mikromoláris és tíz mikromoláris tartományba esik. A hidrogén-peroxid stimuláló hatást fejt ki a hám nátriumcsatorna (ENaC) egycsatornás aktivitására. Emellett növeli a csatorna stabilitását a membránnál és lelassítja az ENaC alegységek transzkripcióját. A csatorna expressziója és aktivitása gátolható a sejt más, valószínűleg magasabb, oxidatív állapotaiban. Ez az áttekintés a H2O2 szerepét és eredetét tárgyalja a tüdőben és a vesében. Összefoglaltuk a hidrogén-peroxid koncentrációfüggő hatásait az ENaC-re és annak hatásmechanizmusait. Ez az áttekintés az oxidatív stresszt, az epitheliális nátrium transzportot, valamint a tüdő és a vese működését összekapcsoló jövőbeni vizsgálatok kilátásait is leírja.

1. Bemutatkozás

Általánosan elfogadott, hogy a legtöbb szövet sejtjei valamilyen H2O2-szintnek vannak kitéve, és lokálisan ez a szint jelentősen magas koncentrációt érhet el. Több tanulmány arról számolt be, hogy a H2O2 magas szintje (általában> 100 μAz M) citotoxikusak a tenyészetben található állati, növényi és baktériumsejtek széles körére, bár az LD50 értékek a sejttípustól, az expozíció hosszától és a sejttenyésztési körülményektől függenek [1–5]. Ezért széles körben úgy gondolják, hogy a H2O2 nagyon mérgező in vivo és gyorsan meg kell szüntetni. Paradox, hogy az acatalasemiában szenvedő betegeknél (autoszomális recesszív peroxiszomális rendellenesség, amelyet a H2O2-t semlegesítő kataláz teljes hiánya okoz) ritkán vannak egészségügyi problémák [1]. A glutation-peroxidáz, az enzim, amely a szabad hidrogén-peroxidot is vízzé redukálja, kiiktatása nem indukál különösebb fenotípust [6, 7]. Ez arra utal, hogy a hidrogén-peroxidnak a veleszületett immunitásban való részvétel mellett fontos jelző és/vagy szabályozó szerepe is lehet az élő organizmusokban [8].

A tüdő hámsejtjein keresztül történő iontranszport a fő mechanizmus, amely fenntartja a légutak és az alveoláris folyadék bélésének optimális szintjét. Ez pedig meghatározza a tüdő hatékony levegőztetését, és megkönnyíti a gázok diffúzióját az alveoláris-kapilláris falakon. A vesében a nefron különböző részein a nátrium visszaszívódása szabályozza a folyadék egyensúlyát és ezáltal a vérnyomást. Ezért az intracelluláris jelátviteli kaszkádok, amelyek az ioncsatornák által közvetített iontranszportot szabályozzák, különös figyelmet fordítanak a tüdő és a vese működésének bármilyen alapvető és klinikai vizsgálatára. A reaktív oxigénfajok [ROS] szerepét az ioncsatornák aktivitásának modulációjában nemrégiben ismerték fel. Az ioncsatornák ezen reaktív fajok általi szabályozása többféle módon történhet [9]. Az első út a csatornafehérjék kulcsfontosságú aminosavmaradékainak közvetlen oxidációja. Másodszor, a reaktív fajok megváltoztathatják más jelátviteli mechanizmusok aktivitását, amelyek másodlagosan a csatorna aktivitásában vagy a csatorna génexpressziójában változásokhoz vezetnek. Végül vannak bonyolultabb mechanizmusok, amelyek a csatornafehérjék kereskedelmében vagy forgalmában bekövetkező változások révén közvetülnek a csatornák proteazomális lebomlásának változásain keresztül [rew in [9]).

Jelen áttekintés célja elmagyarázni a H2O2 szerepét és eredetét a tüdőben és a vesében, valamint annak koncentrációfüggő hatásait a nátriumtranszportra, különösen az epitheliális nátriumcsatornára (ENaC). Ez az áttekintés az oxidatív stresszt, az epitheliális nátrium transzportot, valamint a tüdő és a vese működését összekapcsoló jövőbeni vizsgálatok kilátásait is leírja.

2. A H2O2 forrásai és becslése In Situ Koncentráció

2.1. Tüdő

A tüdő reaktív oxigénfajtái (ROS) exogén és endogén eredetűek lehetnek. Először is, a ROS jelen lehet a belélegzett levegőben, amely cigarettafüstöt, környezeti szennyező anyagokat és oxidáló gázokat tartalmaz. Alternatív megoldásként hidroperoxidokat [például H2O2], szuperoxid anionokat és hidroxil szabad gyököket generálhatnak aktivált gyulladásos sejtek [például neutrofilek, eozinofilek és alveoláris makrofágok], valamint maguk az epitheliális és endothel sejtek [10]. Ezek a sejtes ROS-k az oxigén hiányos redukciójának intermediereként képződnek a mitokondriális elektrontranszport rendszerekben, az endogén vegyületek és a xenobiotikumok mikroszomális metabolizmusával, vagy különféle enzimatikus generátorokkal, például xantin-oxidázzal. Az endoteliális, gyulladásos sejtek és pneumociták egy NADPH oxidáz-függő mechanizmus révén generálják és szabadítják fel a ROS-t, amelyet a foszfolipáz C membránreceptor-aktivációja közvetít, ami az intracelluláris kalciumszint emelkedéséhez vezet [11]. Végül vannak meggyőző adatok, amelyek arra utalnak, hogy a vékonybélben termelődő hidrogén-peroxid belép a mesenterialis nyirokba, és utat talál a tüdőbe [12].

, lehetetlen ilyen alacsony értékre extrapolálni a folyékony fázisú moláris frakciókra vonatkozó adatokat.

Az abszolút H2O2-koncentráció becslésének alternatív módja in situ meg kell mérni a peroxid-koncentrációt a bronchoalveoláris öblítőfolyadékban (BALF), és korrigálni kell az értéket egy karbamid-hígítási technikával kapott tényezővel [21]; azonban eddig egyetlen kutatócsoport sem tette meg. Ennek ellenére publikált jelentések vannak, külön adatokkal a hidrogén-peroxid koncentrációjáról a BALF-ben és az alveoláris bélésfolyadék térfogatáról. Normál emberi tüdőben az alveoláris bélésfolyadék térfogata 0,2–2,0 ml [22–26] tartományban ingadozik, míg patkányokban ez a térfogat 0,03–0,26 ml [27–29] között van. Mivel az embereknél a bronchoalveoláris mosáshoz általában használt folyadék térfogata 100 ml és patkányokban 5 ml, a várható hígítási tényező valószínűleg

100 normál tüdőben [30]. Annak tudatában, hogy a H2O2 koncentrációja a BALF-ben 0,14–0,70 μM patkányokban [31, 32] és 0,08 μM emberben [33], a tényleges hidrogén-peroxid-koncentráció a tüdőben in situ mikromoláris és tíz mikromoláris tartomány között várható. Ezek azonban csak közelítések, és további tanulmányokat indokolnak.

2.2. Vese, húgyúti és hólyag

A frissen ürített emberi vizelet jelentős mennyiségű H2O2-t tartalmazhat, néha 100-nál nagyobb koncentrációban μM [34–36]. Úgy tűnik, hogy az emberi vizeletben kimutatott H2O2 legalább részben felmerül

2.3. Vér

A tüdőben és a vesében megfigyelt hidrogén-peroxid végül megtalálhatja az utat a vérből. Néhány tanulmány a H2O2 jelentős szintjét állította (legfeljebb

35 μM) az emberi vérplazmában [39–41]. Ezeket a vizsgálatokat azonban olyan vizsgálati körülmények között végezték, amelyekben megakadályozták a H2O2 eltávolítását. Ez azt jelenti, hogy az emberi plazma folyamatosan H2O2-t termelhet. Az egyik enzim, amely ebben a folyamatban részt vesz, legalább patológiás körülmények között, a xantin-oxidáz [42]. A plazmában a H2O2 reakcióba léphet hemfehérjékkel, aszkorbáttal és protein-SH csoportokkal, és a jelenlévő kataláz nyomai lebontják, és így a normál antioxidáns mechanizmusok fenntartása mellett a H2O2 szintje nagyon alacsony, nulla közelében [43].

3. A nátriumcsatornák szabályozása hidrogén-peroxiddal

A legújabb tanulmányok azt sugallják, hogy az ENaC expresszióját és aktivitását a sejt oxidatív állapota szabályozhatja. 100 közvetlen alkalmazása μAz M H2O2 - A6 disztális nephron sejtek szabályozzák az ENaC nyitási valószínűségét és az egyenértékű transzepitheliális nátrium nyitott áramú áramot [44–47]. Ezenkívül a NADPH oxidáz NOX-4 farmakológiai gátlása az A6 sejtekben a fulvene-5 által csökkenti az ENaC aktivitását [47]. Ez azt sugallja, hogy a H2O2 NOX-4 általi tonikus előállítása támogatja az ENaC egycsatornás aktivitását. Az exogén H2O2 hasonló stimuláló hatása 250-nél μM-t Downs és munkatársai nyerték meg a tüdő hámsejtjeiben [48]. Kimutatták, hogy a magas szelektivitású és a nem szelektív ENaC-k egycsatornás aktivitása fel van szabályozva a 2-es típusú pneumocitákban [48]. A hámkupolák képződésének nem porózus hordozón végzett kísérleteinkben, amely tükrözi az ENaC aktivitását [49], a kataláz és a szuperoxid megkötő TEMPO a dexametazon által kiváltott kupola képződésének akár 80% -át is gátolta a H441 tüdőhámsejtekben, és a H2O2 submillimoláris koncentrációi önmagában átmenetileg stimulálja ezt a kupolaképződést [publikálatlan adataink].

Kimutatták, hogy egy másik reaktív oxigénfaj, az NOX-2 által termelt szuperoxid-anionok pozitívan szabályozzák az ENaC aktivitását az alveoláris sejtekben [50]. A szuperoxid-anion közvetett stimuláló hatást fejthet ki az ENaC egycsatornás aktivitására is azáltal, hogy semlegesíti az NO-t, amely csökkenti az ENaC aktivitását [51]. Ezenkívül a helyi szuperoxid-koncentrációt növelő szerek (hipoxantin-vegyületek és xantin-oxidáz keveréke) stimulálják az ENaC egycsatornás aktivitását az A6 hámsejtekben [52].

A fehérje expresszió szintjén kimutatták, hogy az exogén hidrogén-peroxid inaktiválja a tüdő ubikvitinációját α-ENaC, ezáltal növelve annak felületi expresszióját [48]. De a génexpresszió szintjén a H2O2 kontrasztos hatása van α-, β-, és γ-Az ENaC-ról beszámoltak [48, 53, 54]. Míg az alacsony dózisok 0,25 mM alatt nincsenek jelentős hatással a transzkripcióra [48], a H2O2 majdnem millimoláris koncentrációi elnyomják α-ENaC transzkripció [53, 54]. A II. Típusú pneumocitákban a ciklikus AMP és a glükokortikoid receptorok aktiválása serkentik az ENaC-k expresszióját és aktivitását, valamint a H2O2-t termelő NADPH-oxidáz DUOX1 expresszióját [15, 55], ami lehetőséget ad arra a spekulációra, hogy az egyszeri - az ENaC csatornaaktivitása a cAMP és a dexametazon által részben összefüggésben lehet a D2O2 H2O2 termelésével.

A hidrogén-peroxid fenti stimuláló hatása az ENaC-kre szemben ellentétben áll a tüdő hámsejtjein súlyos oxidatív stresszel végzett vizsgálatokban kapott jelentésekkel, amelyekben beszámoltak a nátriumtranszport csökkentéséről. A tüdő hámsejtjeinek egyrétegű vizsgálataiban a H2O2 millimoláris koncentrációja által kiváltott súlyos oxidatív stressz megváltoztatja a hámion transzport mechanizmusait a rövidzárlati áram csökkentésével (

) és egyrétegű ellenállás (

), miközben hatékonyabb a bazolaterális (szerozális) oldalról [61]. Ebben a tanulmányban az apikális H2O2 tényleges koncentrációja, amelynél 50% -kal csökkent, abszolút nem fiziológiai volt és egyenlő 4 mM-rel [61]. Beszámoltak arról is, hogy az exogén hidrogén-peroxid meghaladja a 200-at μM zavarja a glükokortikoidok által kiváltott transzkripciót α-ENaC alegység az A549, H441 és Calu-3 tüdőhámsejtekben [53, 54].

A súlyos oxidatív stressz állapotának létrehozásának másik módja a glutation-diszulfid (GSSG) jelentős koncentrációjának alkalmazása. Zhang és munkatársai beszámoltak a GSSG nanomoláris koncentrációiról egy milliliter közegben, amelyet a lízis után kaptak

HL60 sejtek [62]. 10-es cellához μm átmérőjű és körülbelül 0,5 pl sejttérfogatú, ez 104 hígítási tényezőnek felel meg, és így a nyugalmi sejtekben csak a mikromól tíz mikromoláris intracelluláris GSSG koncentrációra lehet számítani. Downs és munkatársai kimutatták, hogy közvetlen alkalmazás a 400-as tüdő hámsejtjeire μM GSSG indukálta az ENaC nyitási valószínűségének csökkenését [63]. Ez a GSSG-koncentráció legalább tízszer magasabb, mint a nyugalmi sejtekben, és egyértelműen a súlyos oxidatív stressz állapotát képviseli. A GSSG gátló hatását a glutation és az alacsony pKa-értékű ciszteinil-maradékok közötti reverzibilis diszulfidképződéssel és esetlegesen az utóbbi irreverzibilis oxidációjával magyarázták [63].

4. Távlatok és kilátások

A zöld teából és a vörös szőlőből származó étrendi polifenolok jól ismertek, mint vérnyomáscsökkentő szerek, és sok tanulmány fordított összefüggést mutat e polifenolok étrendi fogyasztása, valamint a szív- és érrendszeri betegségek csökkent előfordulása és halálozása között [75–77]. Az étrendi polifenolok által kiváltott oxidatív stressz markereinek csökkenése a magas vérnyomás különböző állatmodelljeiben mechanizmus lehet a vérnyomáscsökkentő hatásban [78, 79]. Nem zárható ki a polifenolok vérnyomáscsökkentő hatása alatt a közvetlen vesehatás, mivel például a vesében az ENaC flavonoid kvercetin általi csökkentése hozzájárul a Dahl sóérzékeny magas vérnyomás vérnyomáscsökkentő hatásához [80, 81].

Az ENaC szintén fontos szereplő, amely részt vesz a tüdő folyadék felszívódásában. Cisztás fibrózisban [CF] a funkcionális cisztás fibrózis transzmembrán szabályozó csatorna (CFTR) hiánya felfelé szabályozza az ENaC csatorna aktivitását, és tovább csökkenti a só és a víz szekrécióját a nátriumionok visszaszívásával. Másrészt a cisztás fibrózisos tüdőbetegséget krónikus légúti gyulladás és ezáltal oxidatív stressz jellemzi, amely számszerűsíthető a kilélegzett lélegző kondenzátum hidrogén-peroxidjának mérésével [17, 82]. Ekkor hihető, hogy a CF tüdőben megnövekedett H2O2 termelés hozzájárul a nátrium hiperabszorpciójához. Ez a javaslat megérdemli a két jelenség közötti kapcsolat vizsgálatát. E tekintetben bebizonyosodott, hogy a légúti gyulladás vagy a környezeti expozíció következtében kialakuló oxidáció hozzájárul a patológiás nyálkagél képződéséhez a tüdőben, és az olyan antioxidánsoknak, mint a polifenol-resveratrol és az N-acetil-cisztein, egyértelmű mucolitikus aktivitása van [83, 84]. Érdekes lenne látni a porlasztott kataláz hatását a mucociliáris clearance-re egészséges és CF alanyokban vagy állatmodellekben, bár ez veszélyeztetheti a veleszületett immunitást a tüdőben.

5. Következtetés

Az irodalom áttekintése azt sugallja, hogy a hidrogén-peroxid stimuláló hatást fejt ki az ENaC egycsatornás aktivitására és a membránnal szembeni stabilitására, miközben lehetséges gátló hatása van az ENaC alegységek transzkripciójára. A sejt súlyos oxidatív stresszének körülményei között ez a csatorna aktivitás gátolt. Az ENaC aktivitás H2O2 általi modulálása hozzájárulhat olyan patofiziológiai állapotok kialakulásához, mint a szisztémás magas vérnyomás és a CF tüdő nyálka megvastagodása, bár ezen hipotézisek alátámasztására egyelőre nincs közvetlen bizonyíték. Záró megjegyzésként a perspektívákra vonatkozóan azt javasoljuk, hogy az ENaC-kkal kapcsolatos további vizsgálatok az étrendi polifenolok hatására összpontosíthassák a csatorna aktivitását és expresszióját a tüdő és a vese hámsejtjeiben. Ezeket a vizsgálatokat e sejtek oxidatív állapotának mérésével együtt kell elvégezni, beleértve a következőket: in situ a hidrogén-peroxid-koncentrációk abszolút értékeinek mérése.

Versenyző érdekek

A szerzők kijelentik, hogy nincsenek versengő érdekeik.

Köszönetnyilvánítás

A szerzők hálásan elismerik az ULB „Fund Alphonse és Jean Forton”, „Fund Crawez” és „Fonds d’Encouragement à la Recherche” pénzügyi támogatását.