腎移植における酸化ストレスと虚血/再灌流障害: フェロトーシス、マイトファジー、および新しい抗酸化物質に焦点を当てる
Nov 10, 2023
抽象的な：技術的、薬理学的な進歩はあったものの、腎臓移植薬、一部の患者は経験するかもしれません急性移植後合併症。 これらの状態に関与するメカニズムの中で、虚血/再灌流 (I/R)けが移植片機能遅延（DGF）、つまり透析を必要とする腎機能の回復が遅い（通常は移植後の最初の週）の主な原因の1つであるため、主要な病態生理学的役割を果たしている可能性があります。 DGF は長期の入院や重度の合併症（急性拒絶反応を含む）の発症に関連しているため、社会的および経済的に重大な影響を及ぼします。 I/R損傷中、酸化ストレスは以下を含むいくつかの経路の活性化に主要な役割を果たします。フェロトーシス鉄の蓄積と過剰な脂質過酸化を特徴とする鉄による細胞死、およびオートファジーによる損傷したミトコンドリアの選択的分解であるマイトファジー。 フェロトーシスは腎損傷の一因となる可能性がありますが、マイトファジーは機能不全に陥ったミトコンドリアからの活性酸素種の放出を減らすことで保護的な役割を果たす可能性があります。 両方の経路を深く理解することで、DGF の新しい早期診断用非侵襲性バイオマーカーを同定し、臨床的に採用可能な新しい薬理学的戦略を導入する可能性が得られる可能性があります。 この総説では、この分野のすべての関連知識を要約し、将来、I/R損傷の潜在的な治療法となる可能性のある現在の抗酸化薬理学的戦略について議論します。
キーワード: 虚血/再灌流損傷。酸化ストレス; フェロトーシス;マイトファジー;腎臓移植
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1. はじめに
腎臓移植これは、不可逆的な慢性腎不全（末期腎疾患、ステージ 5 の慢性腎臓病）患者に対する腎代替療法の最も費用対効果の高い方法です [1]。 しかし、移植医療における技術的および薬学的進歩が継続しているにもかかわらず、一部の患者は早期に急性移植後合併症を発症し、透析が必要となる腎機能の回復が遅い（通常は移植後最初の週）。 この臨床症状、すなわち移植片機能遅延 (DGF) は、長期入院 [2]、多剤併用アプローチ (特に急性同種移植片拒絶反応の併発下) [3]、および移植片生着の短縮 [4]
特定の臓器ではDGFのリスクが高くなります腎臓を使った移植プログラム心臓が拍動していない、高齢者、多疾患（糖尿病、高血圧など）のドナー、過去に同種移植が失敗したレシピエントおよび/または全身が感作されているレシピエント、および急性腎損傷および長期の冷虚血時間によって臓器が損傷されたレシピエントからのもの [5、6]
特に、虚血中は酸素供給が大幅に減少し、その結果として細胞が好気性代謝から嫌気性代謝に切り替わるため、ATP 生成速度が低下し [7]、乳酸塩の蓄積（アシドーシスを引き起こす）を引き起こす可能性があります。 その結果、Na+/K+ ATPase、Na+/H+ および Ca2+-ATPase ポンプが機能不全に陥る可能性があり、ナトリウム、水素、カルシウムが細胞質に蓄積し、その結果として高浸透圧となり、細胞膜を横切る水の輸送が増加します。細胞の腫れ[8]。
再灌流中、酸素が急速に増加し、pH が正常化する可能性があります。サイトゾルカルシウムを強化するシステインプロテアーゼ（カルパイン、カスパーゼなど）を活性化し、アポトーシス経路を引き起こす濃度。 さらに、カルシウムの過負荷は、ミトコンドリア透過性遷移細孔（mPTP）の開口を刺激し、シトクロムC、コハク酸塩、ミトコンドリアDNAなどの物質の放出を可能にします。これらの物質は、アポトーシスや壊死を介して細胞死を誘導し、危険/損傷に関連する分子パターンとして機能します。 (DAMP) 自然免疫と適応免疫の両方の活性化を促進します [9-11]。 さらに、これらのメカニズムは進行性の間質性線維症を引き起こす可能性があります [12-14]。
さらに、虚血/再灌流（I/R）後の活性酸素種（ROS）の過剰産生は、NADPHオキシダーゼ、一酸化窒素シンターゼ（NOS）などの分子状酸素形成スーパーオキシドおよび/または過酸化水素を減少させることができる多くの酵素の調節解除によって誘発される可能性があります。 )、ミトコンドリア電子伝達鎖、およびキサンチン酸化還元酵素 (XOR)。
XOR は、プリン異化の律速段階を制御する複合モリブドフラボ酵素であり、キサンチン デヒドロゲナーゼ (XDH) とキサンチン オキシダーゼ (XO) という 2 つの相互変換可能な形態で存在します。 XDH は電子受容体として NAD+ を使用することが好ましく、XO は末端電子受容体として O2 を使用するため、ROS を生成する能力を示します [15]。 この酵素は、ヒポキサンチンをキサンチンに変換し、スーパーオキシド (O2 -) と過酸化水素 (H2O2) を生成します。これらは、組織損傷を調整する白血球の補充および/または活性化を仲介する際に重要な役割を果たします [16]。
さらに、スーパーオキシドまたは H2O2 を生成する多量体複合体である NADPH オキシダーゼは、7 つのファミリー メンバー (NOX1 ～ 5、DUOX1 ～ 2) [17] で構成され、I/R 後の ROS の生成に関与しています。 NOX 酵素は、NADPH、FAD、ヘム基を介して酸素を最終電子受容体として使用します。 DUOX 酵素は主に NOX-4 とともに過酸化水素を生成しますが、残りの NOX アイソザイムは主にスーパーオキシドを生成します。 NOX は本質的に不活性であり、膜に移行して ROS を生成するには細胞刺激が必要です [16]。 I/Rでは、この酵素複合体は、低酸素阻害因子-1 (HIF-1) [18]、ホスホリパーゼA2 [19]、アラキドン酸 [20]、補体系 [21]、マクロファージやマスト細胞由来の TNF- や IL-1 などのサイトカイン [22]。
ROS のもう 1 つの供給源は、NADPH を還元基質として、テトラヒドロビオプテリン (BH4) を酸化還元感受性補因子として使用し、L-アルギニンを L-シトルリンに変換することによって一酸化窒素 (NO) を生成する非共役 NOS です。 この酵素は、低酸素条件下では、BH4 濃度の低下により O2- 生成酵素に変換され、酸化損傷が増加する可能性があります [23]。
さらに、細胞に動力を供給するために必要な化学エネルギーの大部分を生成する細胞小器官であるミトコンドリアは、主に複合体 I および -ケトグルタル酸デヒドロゲナーゼでの電子の漏洩による O2 の一価還元を通じて ROS 生成に寄与します [24]。
虚血中、ミトコンドリア構造の変化、高い NADH/NAD+ 比、およびクエン酸回路代謝産物コハク酸塩の蓄積により、このプロセスが悪化します [25,26]。
したがって、酸化ストレスは、鉄の蓄積、過剰なROS、脂質過酸化生成物を特徴とする鉄による細胞死であるフェロトーシスと、オートファジーによる損傷したミトコンドリアの選択的分解であるマイトファジーを活性化することにより、I/R後の臓器損傷において重要な役割を果たしている。
2. フェロトーシス：腎臓同種移植片 I/R 損傷における役割
フェロトーシスは、鉄の蓄積、脂質の過酸化、およびそれに続く細胞膜の破裂によって引き起こされる、制御された細胞死の一形態である[27]。 これは主に、クロマチン凝縮を欠く核、体積とクリステの減少したミトコンドリア、顕著な細胞肥大、細胞膜の破裂によって特徴付けられます[28,29]。
腎臓の I/R の状況では、フェントン反応を介した鉄の蓄積により、細胞内の酸化ストレスと脂質過酸化が大幅に強化される可能性のある大量の ROS (付随するミトコンドリア機能不全および NOX ファミリー活性によっても増加します) が生成される可能性があります。 （図1）
図 1. 腎虚血/再灌流 (I/R) 損傷におけるフェロトーシスとマイトファジーのメカニズムの概略図。 I/R 中に、いくつかの経路がフェロトーシスに寄与します。(i) NADPH オキシダーゼ (NOX)、一酸化窒素シンターゼ (NOS)、キサンチン酸化還元酵素 (XOR)、およびミトコンドリアによる ROS の過剰産生は、脂質の過酸化と原形質膜の破裂を促進します。 (ii) グルタチオン (GSH) 含有量の減少により、グルタチオン ペルオキシダーゼ 4 (GPX4) 活性と膜脂質過酸化に対するその保護作用が阻害されます。 (iii) I/R は、細胞内フェリチンの分解と細胞内の不安定な鉄プールの増加を引き起こすフェリチノファジーを間接的に誘導することができます。 マイトファジーは、ユビキチン依存性およびユビキチン非依存性の両方のメカニズムを通じて I/R で活性化され、機能不全のミトコンドリアからの活性酸素種の放出を減らすことによって I/R 損傷において保護的な役割を果たしていると考えられます。 生理学的条件下では、PINK1 はミトコンドリアに取り込まれ、そこで膜内セリンプロテアーゼ プレセニリン関連菱形様 (PARL) によって切断され、最終的に分解されます。 ミトコンドリアが損傷して膜電位を失うと、PINK1 がミトコンドリア外膜 (MOM) に蓄積し、パーキンを補充します。 Parkin は、電位依存性陰イオン選択的チャネルタンパク質 (VDAC) やダイナミン様タンパク質 (DRP1) などのいくつかのミトコンドリア基質をユビキチン化します。 これらのユビキチン化タンパク質は、LC3との相互作用を通じてミトコンドリアをオートファゴソームに結び付けるマイトファジー受容体（オプチニューリン、p62など）を動員することができます。 これにより、分解に必要な細胞小器官のオートファジーによる飲み込みが引き起こされます。 ユビキチン非依存性機構は、BCL2相互作用タンパク質3（BNIP3）、BNIP3-様（BNIP3L/NIX）、FUN14ドメイン含有1（FUNDC1）など、MOM上に局在するマイトファジー受容体によって制御されています。 これらのタンパク質は、LC3 と直接相互作用することにより、ミトコンドリアとオートファゴソームの橋渡しをします。
外因性経路と内因性経路という 2 つの経路がフェロトーシスを引き起こす可能性があります [27]。 外因性経路は、膜のシスチン/グルタミン酸交換体、すなわち細胞へのシスチンの侵入を媒介するXCシステムの阻害を通じて開始され、細胞内へのシスチンの侵入を媒介し、グルタチオン（GSH）[30]、細胞によって使用される補因子の合成に使用されます。グルタチオンペルオキシダーゼ 4 (GPX4) は、細胞膜内の過酸化脂質を除去します。 したがって、XC システムの阻害は GPX4 の活性を間接的に低下させ、その結果、致死性の過酸化脂質が蓄積し、フェロトーシスが誘導されます。 エラスチン、スルファサラジン、ソラフェニブなどのいくつかの薬剤は、XC システムをブロックすることにより、このメカニズムを通じてフェロトーシスを誘発することができます。
内因性経路は主に、GPX4 活性を直接的または間接的に阻害できる薬剤または RSL3、ML162、ML210、FIN56、FINO2 などの小分子阻害剤によって誘導されます [31]。 さらに、鉄の取り込み、貯蔵、利用を調節する分子（フェリチン、トランスフェリン、ラクトトランスフェリンなど）は、細胞内の不安定鉄（フェントン反応に比較的アクセスしやすい遊離鉄源）のレベルを増加させることによってフェロトーシスに影響を与える可能性があります[32]。 ]。 トランスフェリンとラクトトランスフェリンは鉄の輸送に関与するタンパク質であり、その受容体に結合して細胞質への鉄の導入を仲介します。 フェリチンは、フェリチノファジーと呼ばれるプロセスでリソソームによって分解される細胞内鉄貯蔵タンパク質であり、遊離鉄レベルを増加させることでフェロトーシスを促進します[33](図1)。
逆に、酵素系および非酵素系（CoQ10、ビタミンE、フェロスタチン、およびリプロキスタチン）は、膜修復システムとともに、脂質の過酸化を防ぎ、細胞をフェロトーシスから保護します[34-37]。
最近の研究では、フェロトーシスが I/R 損傷に関連する病態生理学的経路に関与している可能性があることが報告されています [29,38]。
スーら。 [39]は、酸化条件下でアポトーシスまたはオートファジーシグナル伝達を活性化できるDAMP分子としてATP放出の調節に関与する膜チャネルであるパネキシン1が、腎I/R損傷のマウスモデルにおいてフェロトーシスを活性化する可能性があることを実証した[40,41]。 39]。 I/Rを受けたマウスにおけるpanx1遺伝子のノックアウトは、野生型マウスと比較して、血清クレアチニンの増加量の低下、尿細管細胞死の減少、および脂質過酸化の減少と関連している。 この保護効果は、MAPK/ERK 経路の不活化と抗酸化遺伝子ヘムオキシゲナーゼ-1 (HO-1) の上方制御によって媒介されると考えられます。
抗フェロトーシス保護効果は、ミトコンドリアの膜間腔に局在するスルフヒドリルオキシダーゼ酵素である肝再生増強剤（ALR）の活性によっても発揮される可能性があります。 この酵素は、膜間腔へのタンパク質の輸送を仲介する「ジスルフィドリレーシステム」に関与しており[42]、抗アポトーシスおよび抗酸化特性を持っています。 虚血ラットおよび組換えヒトALRの投与では、腎尿細管細胞の増殖を促進し、尿細管細胞のアポトーシスを軽減し、尿細管損傷を効果的に軽減し、腎機能障害を改善することにより、ALR発現が有意に増加した[43,44]。
フェロトーシスにおける ALR の保護的役割は、GSH-GPX4 システムとの相互作用を介した ROS レベルの低下 [45]、および損傷したミトコンドリアの除去 (マイトファジーと呼ばれる機構) の促進によって媒介される可能性もあります [46]。
したがって、ALR の活性化は、I/R 誘発性同種移植片損傷の将来の予防治療戦略の可能性を示している可能性があります。
3. マイトファジー：腎臓同種移植片 I/R 損傷のもう 1 つの役割
損傷または機能不全のミトコンドリアは、大量の ROS を生成し、アポトーシス促進因子を放出することで細胞に害を与えます。 したがって、これらの細胞小器官を適時に除去することは、細胞の恒常性と生存率にとって重要です[47]。
マイトファジーは、ユビキチン依存性およびユビキチン非依存性経路によって実行されるオートファジー [48] を介した、損傷したミトコンドリアの選択的分解のメカニズムです。 前者は、PTEN 誘導性の推定キナーゼ 1 (PINK1)-パーキン経路によって制御されます。 PINK1 はミトコンドリアのセリン/スレオニン キナーゼであり、Parkin はサイトゾルのユビキチン E3 リガーゼです。 生理学的条件下では、PINK1 はミトコンドリアに取り込まれ、そこで膜内セリンプロテアーゼ プレセニリン関連菱形様 (PARL) によって切断され、最終的に分解されます [49]。 ミトコンドリアが損傷して膜電位を失うと、PINK1 の輸入が妨げられ、ミトコンドリア外膜 (MOM) にこのキナーゼが蓄積します。 その後、PINK1 は Parkin を動員し、そのリガーゼ活性を活性化します [50]。 Parkinは、ミトフシン2(Mfn2)、電位依存性陰イオン選択的チャネルタンパク質(VDAC)、ダイナミン-1-様タンパク質(DRP1)などのいくつかのミトコンドリア基質をユビキチン化します。 これらのユビキチン化タンパク質は、LC3 との相互作用を通じてミトコンドリアをオートファゴソームに結び付けるマイトファジー受容体 (オプチニューリン、p62、NBR1 など) を動員できます。 これにより、分解に必要な細胞小器官のオートファジーによる飲み込みが引き起こされます [49,51]。
ユビキチン非依存性機構は、BCL2相互作用タンパク質3（BNIP3）、BNIP3-様（BNIP3L/NIX）、FUN14ドメイン含有1（FUNDC1）などのMOM上に局在するマイトファジー受容体によって制御されている[52,53]。 。 これらのタンパク質は、LC3 と直接相互作用することでミトコンドリアとオートファゴソームの橋渡しをします [54] (図 1)。
マイトファジーは、これらの細胞小器官の融合および分裂のメカニズムに関与するタンパク質によっても制御されます。 融合により、以前は独立した構造から単一のミトコンドリアが形成され[55]、連続膜とマトリックス内腔を備えたネットワークが生成されます[56]。 分裂により 1 つまたは複数の娘細胞小器官が生成され、ミトコンドリア膜電位が低下した場合には、この細胞小器官がオートファジーによる除去のために分離されます [56]。
分裂/融合とマイトファジーの調整はFUNDC1によって媒介されているようです。 生理学的条件では、この受容体はダイナミン関連 GTP アーゼ視神経萎縮 1 (OPA1) を MOM の内面に向けて固定します。 ミトコンドリアのストレスに応答して、FUNDC1-OPA1複合体の分解とDrp1の補充により、ミトコンドリアの分裂とマイトファジーが促進される[57]。
この複雑で魅力的な多因子オートファジー機構は、I/R損傷を受けた同種移植片において保護的な役割を果たしている可能性があります。 腎I/R損傷のラットモデルにおけるBNIP3またはPink1および/またはParkinの欠損は、ROS産生、アポトーシス、および尿細管間質炎症の増加をもたらした[58-61]。 分裂（例えば、Drp1）または融合（例えば、OPA1）を調節するタンパク質に作用することによるマイトファジーカスケードの抑制によっても、同じ効果が得られた[62、63]。 I/R損傷を受けている腎臓に対するマイトファジーの保護効果は、その後の広範なI/R損傷から固形臓器を保護する短期間の非致死性虚血再灌流である虚血プレコンディショニング[64]後に観察された[65]。 PINK1-パーキン経路を介したマイトファジーの上方制御は、ミトコンドリア機能を改善し、ROS産生を最小限に抑え、細胞生存を強化しました[64]。 これらすべての発見は、ミトコンドリアの品質と尿細管細胞の生存を維持するマイトファジーが、薬理学的介入によって促進されるべきI/R損傷に対する貴重な保護機構である可能性があることを示唆しています。
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