Estresse oxidativo e lesão de isquemia/reperfusão no transplante renal: foco em ferroptose, mitofagia e novos antioxidantes
Nov 10, 2023
Abstrato:Embora tenha havido progresso técnico e farmacológico naremédio para transplante renal, alguns pacientes podem apresentarcomplicações agudas pós-transplante. Entre os mecanismos envolvidos nessas condições,isquemia/reperfusão (I/R)feridapode ter um papel fisiopatológico primário, uma vez que é uma das principais causas de função retardada do enxerto (FTE), uma recuperação lenta da função renal com necessidade de diálise (geralmente durante a primeira semana após o transplante). A DGF tem um impacto social e económico significativo, pois está associada a hospitalizações prolongadas e ao desenvolvimento de complicações graves (incluindo rejeição aguda). Durante a lesão de I/R, o estresse oxidativo desempenha um papel importante na ativação de diversas vias, incluindoferroptose, uma morte celular causada por ferro, caracterizada por acúmulo de ferro e peroxidação lipídica excessiva, e mitofagia, uma degradação seletiva de mitocôndrias danificadas por autofagia. A ferroptose pode contribuir para danos renais, enquanto a mitofagia pode ter um papel protetor, reduzindo a liberação de espécies reativas de oxigênio de mitocôndrias disfuncionais. A compreensão profunda de ambas as vias pode oferecer a possibilidade de identificar novos biomarcadores não invasivos de diagnóstico precoce de DGF e introduzir novas estratégias farmacológicas clinicamente utilizáveis. Nesta revisão, resumimos todo o conhecimento relevante neste campo e discutimos as atuais estratégias farmacológicas antioxidantes que poderiam representar, no futuro, potenciais tratamentos para lesões de I/R.
Palavras-chave: lesão de isquemia/reperfusão;estresse oxidativo; ferroptose;mitofagia;transplante renal
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1. Introdução
Transplante renalrepresenta a modalidade de terapia de substituição renal com melhor custo-benefício para pacientes com insuficiência renal crônica irreversível (doença renal em estágio terminal, doença renal crônica em estágio 5) [1]. No entanto, apesar do progresso técnico e farmacêutico contínuo na medicina de transplante, alguns pacientes desenvolvem complicações pós-transplante agudas precoces e apresentam uma recuperação lenta da função renal com necessidade de diálise (geralmente durante a primeira semana após o transplante). Esta condição clínica, nomeadamente a função retardada do enxerto (DGF), tem um impacto social e económico significativo, pois está associada a hospitalização prolongada [2], abordagens polifarmacológicas (particularmente na presença de rejeição aguda concomitante do aloenxerto) [3], e menor sobrevida do enxerto [4]
O risco de DGF é maior em órgãos específicosprogramas de transplante usando rinsde doadores sem batimentos cardíacos, idosos, multimórbidos (por exemplo, diabetes, hipertensão), receptores com falha prévia de aloenxerto e/ou todos sensibilizados, e órgãos danificados por lesão renal aguda e tempo prolongado de isquemia fria [5,6]
Particularmente, durante a isquemia, a redução significativa no fornecimento de oxigênio e a consequente mudança celular de um metabolismo aeróbio para um metabolismo anaeróbico, pode diminuir a taxa de produção de ATP [7] e causar o acúmulo de lactato (levando à acidose). Consequentemente, as bombas Na+/K+ ATPases, Na+/H+ e Ca2+-ATPase podem se tornar disfuncionais, e sódio, hidrogênio e cálcio se acumulam no citoplasma com consequente hiperosmolalidade, aumento no transporte de água através das membranas celulares e inchaço celular [8].
Durante a reperfusão, o rápido aumento do oxigênio e a normalização do pH podemaumentar o cálcio citosólicoconcentração ativando proteases de cisteína (por exemplo, calpaínas, caspases) e desencadeando a via apoptótica. Além disso, a sobrecarga de cálcio estimula a abertura dos poros de transição de permeabilidade mitocondrial (mPTP) que permitem a libertação de substâncias como o citocromo C, o succinato e o ADN mitocondrial que podem induzir a morte celular através de apoptose e necrose e actuar como padrões moleculares associados ao perigo/dano. (DAMP) promovendo a ativação da imunidade inata e adaptativa [9–11]. Além disso, esses mecanismos podem resultar em fibrose intersticial progressiva [12–14].
Além disso, a superprodução de espécies reativas de oxigênio (ROS) após isquemia/reperfusão (I/R) pode ser induzida pela desregulação de numerosas enzimas capazes de reduzir o oxigênio molecular formando superóxido e/ou peróxido de hidrogênio, como NADPH oxidase, óxido nítrico sintase (NOS ), a cadeia de transporte de elétrons mitocondrial e a xantina oxidoredutase (XOR).
XOR é uma molibdoflavoenzima complexa que controla a etapa limitante do catabolismo das purinas e existe em duas formas interconversíveis, xantina desidrogenase (XDH) e xantina oxidase (XO). XDH usa preferencialmente NAD+ como aceptor de elétrons, enquanto XO usa O2 como aceptor de elétrons terminal, exibindo assim a capacidade de gerar ROS [15]. Esta enzima converte hipoxantina em xantina gerando superóxido (O2 −) e peróxido de hidrogênio (H2O2) que desempenham um papel importante na mediação do recrutamento e/ou ativação de leucócitos que orquestram o dano tecidual [16].
Além disso, NADPH oxidases, complexos multiméricos que geram superóxido ou H2O2, compostos por sete membros da família (NOX1–5, DUOX1–2) [17], estão implicados na produção de ROS após I/R. As enzimas NOX usam oxigênio como aceitadores finais de elétrons via NADPH, FAD e grupos heme. As enzimas DUOX produzem predominantemente peróxido de hidrogênio junto com NOX-4, enquanto as isoenzimas NOX restantes produzem em grande parte superóxido. Os NOXs são constitutivamente inativos e requerem estimulação celular para serem translocados para a membrana e gerar ROS [16]. Na I/R esse complexo enzimático pode ser ativado por diversos mediadores químicos que são produzidos e liberados pelas células, como o fator inibitório de hipóxia-1 (HIF-1 ) [18], fosfolipase A2 [19], ácido araquidônico [20], sistema complemento [21], citocinas como TNF- e IL-1 de macrófagos e mastócitos [22].
Outra fonte de ERO é a NOS desacoplada que produz óxido nítrico (NO) pela conversão de L-arginina em L-citrulina usando NADPH como substrato redutor e tetrahidrobiopterina (BH4) como cofator sensível a redox. Esta enzima, sob condições hipóxicas, pode ser convertida em uma enzima geradora de O2- devido à concentração reduzida de BH4, aumentando o dano oxidativo [23].
Além disso, as mitocôndrias, organelas que geram a maior parte da energia química necessária para alimentar a célula, contribuem para a produção de ERO através da redução univalente de O2, principalmente pelo vazamento de elétrons no complexo I e na -cetoglutarato desidrogenase [24].
Durante a isquemia, a alteração da estrutura mitocondrial, a alta relação NADH/NAD+ e o acúmulo do metabólito succinato do ciclo do ácido cítrico exacerbam esse processo [25,26].
O estresse oxidativo, então, desempenha um papel fundamental no dano a órgãos após I/R, ativando a ferroptose, uma morte celular causada pelo ferro, caracterizada pelo acúmulo de ferro, ERO excessivo e produtos de peroxidação lipídica, e mitofagia, a degradação seletiva de mitocôndrias danificadas por autofagia.
2. Ferroptose: papel na lesão I/R do aloenxerto renal
A ferroptose é uma forma de morte celular regulada impulsionada pelo acúmulo de ferro, peroxidação lipídica e subsequente ruptura da membrana plasmática [27]. É caracterizada principalmente por: núcleo sem condensação da cromatina, mitocôndrias com volume e cristas reduzidos, aumento significativo das células e ruptura da membrana plasmática [28,29].
No contexto da I/R renal, o acúmulo de ferro, através da reação de Fenton, pode gerar uma grande quantidade de ERO (também aumentada pela concomitante disfunção mitocondrial e atividade da família NOX) que pode aumentar gravemente o estresse oxidativo intracelular e a peroxidação lipídica. (Figura 1)
Figura 1. Representação esquemática dos mecanismos de ferroptose e mitofagia na lesão de isquemia/reperfusão renal (I/R). Durante a I/R, várias vias contribuem para a ferroptose: (i) a superprodução de ERO pela NADPH oxidase (NOX), óxido nítrico sintase (NOS), xantina oxidorredutase (XOR) e mitocôndrias promove peroxidação lipídica e ruptura da membrana plasmática; (ii) a redução do teor de glutationa (GSH) inibe a atividade da glutationa peroxidase 4 (GPX4) e sua ação protetora contra a peroxidação lipídica da membrana; (iii) A I/R pode induzir indiretamente a ferritinofagia, que causa a degradação da ferritina intracelular e o incremento do pool de ferro lábil intracelular. A mitofagia é ativada na I/R através de mecanismos dependentes e independentes da ubiquitina e parece ter um papel protetor na lesão de I/R, reduzindo a liberação de espécies reativas de oxigênio de mitocôndrias disfuncionais. Em condições fisiológicas, o PINK1 é importado para as mitocôndrias, onde é clivado pela serina protease intramembranar presenilina associada ao tipo rombóide (PARL) e, finalmente, degradada. Quando as mitocôndrias são danificadas e perdem o seu potencial de membrana, o PINK1 acumula-se na membrana externa mitocondrial (MOM) e recruta Parkin. Parkin ubiquitina vários substratos mitocondriais, como a proteína de canal seletivo de ânions dependente de voltagem (VDAC) e a proteína semelhante à dinamina (DRP1). Essas proteínas ubiquitinadas podem recrutar receptores de mitofagia (como a optineurina, p62) que ligam as mitocôndrias aos autofagossomos através da interação com LC3. Isso causa um engolfamento autofágico da organela necessária para sua degradação. O mecanismo independente da ubiquitina é regulado por receptores de mitofagia localizados no MOM, como a proteína 3 interagindo com BCL2 (BNIP3), semelhante ao BNIP (BNIP3L/NIX) e o domínio FUN14 contendo 1 (FUNDC1). Essas proteínas ligam as mitocôndrias aos autofagossomos interagindo diretamente com LC3.
Duas vias podem desencadear a ferroptose: a via extrínseca e a intrínseca [27]. A via extrínseca é iniciada através da inibição do trocador cistina/glutamato da membrana, nomeadamente o sistema XC, que medeia a entrada da cistina nas células, que é utilizada para sintetizar a glutationa (GSH) [30], um cofator utilizado por glutationa peroxidase 4 (GPX4) para eliminar peróxidos lipídicos nas membranas celulares. Portanto, a inibição do sistema XC reduz indiretamente a atividade do GPX4 com consequente acúmulo de peróxidos lipídicos letais e indução de ferroptose. Vários agentes como elastina, sulfassalazina e sorafenibe, ao bloquearem o sistema XC, são capazes de provocar ferroptose por meio desse mecanismo.
A via intrínseca é induzida principalmente por medicamentos ou inibidores de moléculas pequenas, como RSL3, ML162, ML210, FIN56 e FINO2, que podem inibir direta ou indiretamente a atividade do GPX4 [31]. Além disso, as moléculas que regulam a captação, armazenamento e utilização de ferro (como ferritina, transferrina e lactotransferrina) podem influenciar a ferroptose aumentando os níveis de ferro lábil (fonte de ferro livre que era relativamente acessível para a reação de Fenton) na célula [32 ]. A transferrina e a lactotransferrina são proteínas responsáveis pelo transporte de ferro que, ligando-se aos seus receptores, medeiam a importação de Fe para o citoplasma. A ferritina é a proteína intracelular de armazenamento de ferro que pode ser degradada pelos lisossomos em um processo denominado ferritinofagia e aumenta os níveis de ferro livre, promovendo assim a ferroptose [33] (Figura 1).
Sistemas contrariamente enzimáticos e não enzimáticos (CoQ10, vitamina E, ferrostatinas e liproxstatinas), juntamente com sistemas de reparo de membrana, previnem a peroxidação lipídica e protegem as células da ferroptose [34–37].
Estudos recentes relataram que a ferroptose pode estar envolvida na via fisiopatológica associada à lesão de I/R [29,38].
Su et al. [39] demonstraram que a panexina 1, um canal de membrana envolvido na regulação da liberação de ATP como uma molécula DAMP capaz de ativar a apoptose ou a sinalização de autofagia em condições oxidativas [40,41], pode ativar a ferroptose em um modelo de lesão renal de I/R em camundongos [39]. 39]. O nocaute do gene panx1 em camundongos submetidos a I/R está associado a um menor incremento de creatinina sérica e diminuição da morte celular tubular juntamente com diminuição da peroxidação lipídica em comparação com camundongos do tipo selvagem. Este efeito protetor pareceu ser mediado pela inativação da via MAPK/ERK e pela regulação positiva do gene antioxidante heme oxigenase-1 (HO-1).
Os efeitos protetores anti-ferroptose também podem ser exercidos pela atividade do Aumentador da Regeneração do Fígado (ALR), uma enzima sulfidril oxidase localizada no espaço intermembranar das mitocôndrias. Esta enzima participa do “sistema de retransmissão dissulfeto” que medeia a importação de proteínas para o espaço intermembrana [42] e possui propriedades antiapoptóticas e antioxidantes. A expressão de ALR foi significativamente aumentada em ratos isquêmicos e na administração de ALR humana recombinante, aumentando a proliferação de células tubulares renais e atenuando a apoptose de células tubulares, reduzindo efetivamente a lesão tubular e melhorando o comprometimento da função renal [43,44].
O papel protetor da ALR na ferroptose também pode ser mediado por uma redução dos níveis de ERO através de sua interação com o sistema GSH-GPX4 [45] e pela promoção da eliminação de mitocôndrias danificadas (um mecanismo chamado mitofagia) [46].
Portanto, a ativação de ALR pode representar uma possível estratégia terapêutica de prevenção futura para lesão de aloenxerto induzida por I/R.
3. Mitofagia: outro participante na lesão I/R do aloenxerto renal
As mitocôndrias danificadas ou disfuncionais prejudicam a célula, produzindo uma grande quantidade de ERO e liberando fatores pró-apoptóticos. Assim, a remoção oportuna dessas organelas é crítica para a homeostase e viabilidade celular [47].
A mitofagia é o mecanismo de degradação seletiva de mitocôndrias danificadas via autofagia (48) que é executada por uma via dependente e independente da ubiquitina. O primeiro é regulado pela suposta via da quinase 1 (PINK1)-Parkin induzida por PTEN. PINK1 é uma serina / treonina quinase mitocondrial e Parkin é uma ubiquitina E3 ligase citosólica. Em condições fisiológicas, o PINK1 é importado para as mitocôndrias, onde é clivado pela serina protease intramembrana presenilina associada ao tipo romboide (PARL) e, finalmente, degradada (49). Quando as mitocôndrias são danificadas e perdem o seu potencial de membrana, a importação de PINK1 é dificultada, levando a um acúmulo desta quinase na membrana externa mitocondrial (MOM). Posteriormente, PINK1 recruta Parkin e ativa sua atividade ligase (50). Parkin ubiquitina vários substratos mitocondriais, como a mitofusina 2 (Mfn2), a proteína do canal seletivo de ânions dependente de voltagem (VDAC) e a proteína semelhante à dinamina (DRP1). Essas proteínas ubiquitinadas podem recrutar receptores de mitofagia (como optineurina, p62, NBR1) que ligam as mitocôndrias aos autofagossomos através da interação com LC3. Isso causa um engolfamento autofágico da organela necessária para sua degradação [49,51].
O mecanismo independente da ubiquitina é regulado por receptores de mitofagia localizados no MOM, como a proteína 3 que interage com BCL2 (BNIP3), o tipo BNIP3- (BNIP3L/NIX) e o domínio FUN14 contendo 1 (FUNDC1) [52,53] . Essas proteínas conectam as mitocôndrias aos autofagossomos interagindo diretamente com LC3 (54) (Figura 1).
A mitofagia também é regulada por proteínas que participam dos mecanismos de fusão e fissão dessas organelas. A fusão resulta na formação de uma única mitocôndria a partir de estruturas anteriormente independentes [55], gerando redes com membranas contínuas e lúmen de matriz [56]. A fissão produz uma ou mais organelas filhas e, no caso de redução do potencial de membrana mitocondrial, segrega essa organela para eliminação por autofagia (56).
A coordenação da fissão/fusão e mitofagia parece ser mediada pelo FUNDC1. Em condições fisiológicas, este receptor ancora a atrofia óptica 1 das GTPases relacionadas à dinamina (OPA1) em direção à superfície interna do MOM. Em resposta ao estresse mitocondrial, a desmontagem do complexo FUNDC1 – OPA1 e o recrutamento de Drp1 promovem a fissão mitocondrial e a mitofagia (57).
Este complexo e fascinante mecanismo autofágico multifatorial pode desempenhar um papel protetor em aloenxertos submetidos a lesão de I/R. A deficiência de BNIP3 ou Pink1 e/ou Parkin em modelos de ratos com lesão renal de I/R resultou em um aumento na produção de ERO, apoptose e inflamação tubulointersticial [58–61]. Os mesmos efeitos foram obtidos pela supressão da cascata mitofágica atuando em proteínas que regulam a fissão (por exemplo, Drp1) ou fusão (por exemplo, OPA1) [62,63]. Os efeitos protetores da mitofagia nos rins submetidos à lesão de I/R foram observados após o pré-condicionamento isquêmico [64], um curto período de isquemia-reperfusão não letal que protege o órgão sólido contra subsequente lesão prolongada de I/R [65]. A regulação positiva da mitofagia por meio da via PINK 1-Parkin melhorou a função mitocondrial, minimizou a produção de ERO e aumentou a sobrevivência celular (64). Todos esses achados sugerem que a mitofagia, preservando a qualidade mitocondrial e a sobrevivência das células tubulares, poderia representar um valioso mecanismo de proteção contra a lesão de I/R que deveria ser promovido por intervenções farmacológicas.
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