Mechanizmy uszkodzenia komórkowego w ostrym uszkodzeniu nerek

Uszkodzenie komórek nabłonkowych stanowi centralny element patogenezy ostrego uszkodzenia nerek¹². Główną i najczęściej uszkadzaną komórką nabłonkową w AKI spowodowanym niedokrwieniem, sepsą lub innymi nefrotoksynami jest komórka kanalika bliższego, szczególnie segment S3 w zewnętrznym paśmie rdzenia³.

Morfologiczne zmiany w komórkach kanalików

Klasycznym znakiem ostrej martwicy kanalików jest utrata szczytowej szczoteczki komórek kanalika bliższego⁴. Obserwuje się łuszczenie się i następową utratę komórek kanalików, odsłaniające obszary obnażonej błony podstawnej kanalika oraz ogniskowe obszary rozszerzenia kanalika bliższego wraz z obecnością wałeczków w kanalikach dalszych⁴.

Charakter uszkodzenia kanalika bliższego w niedokrwiennym AKI obejmuje odwracalną dysfunkcję podśmiertelną (utrata polarności, obrzęk, utrata szczytowej szczoteczki), śmiertelne uszkodzenie (nekroza, nekroptoza i apoptoza) oraz autofagię – normalny proces fizjologiczny próbujący uratować komórki przed zniszczeniem⁵⁶.

Zaburzenia cytoszkieletu aktynowego

Struktura i funkcja komórek nabłonkowych są częściowo regulowane przez cytoszkielet aktynowy⁴. W komórkach kanalika bliższego cytoszkielet aktynowy tworzy warstwę siatki końcowej tuż pod błoną plazmatyczną szczytową⁴. Podstawowym mechanizmem zaburzenia jest depolimeryzacja mediowana przez białko wiążące aktynę znane jako czynnik depolimeryzujący aktynę (ADF) lub kofilina⁴.

Niedokrwienne uszkodzenie prowadzi do wyczerpania ATP komórkowego, co z kolei prowadzi do szybkiego zaburzenia szczytowej aktyny i zaburzenia oraz redystrybucji rdzenia cytoszkieletu F-aktyny, powodując tworzenie pęcherzyków zewnątrzkomórkowych związanych z błoną⁴. Depolimeryzacja tego rdzenia F-aktyny występuje w wyniku wyczerpania ATP prowadząc do depolimeryzacji aktyny mikrokosmków⁷.

Utrata polarności komórek i zaburzenia połączeń

Inną ważną konsekwencją zaburzenia cytoszkieletu aktynowego jest utrata połączeń ciasnych i połączeń adherentnych⁸. Aktyna obecna w siatce końcowej jest połączona z zonula occludens, dlatego wszelkie zaburzenia siatki końcowej prowadzą do zaburzeń połączeń ciasnych⁸.

Wczesne uszkodzenie niedokrwienne powoduje otwieranie tych połączeń ciasnych, co prowadzi do zwiększonej przepuszczalności parakomórkowej wywołującej dalszy przeciek przesączu kłębuszkowego do śródmiąższu⁸. Utrata polarności powoduje redystrybucję integryn β1, które stają się wyrażone w domenie szczytowej komórek uszkodzonych podśmiertelnie⁷.

Dysfunkcja mitochondriów i stres oksydacyjny

Niedokrwienne uszkodzenie indukuje ciężkie i szybkie wyczerpanie ATP, powodując uszkodzenie mitochondriów preferencyjnie z następowym załamaniem fosforylacji oksydacyjnej, dalszym wyczerpaniem energii i masowym tworzeniem reaktywnych form tlenu podczas reperfuzji⁹.

Patologia mitochondriów jest wspólna dla wszystkich form AKI, w tym niedokrwienia nerek, sepsy i uszkodzenia nefrotoksycznego¹⁰. Uszkodzone mitochondria okazują się być bogatym źródłem reaktywnych form tlenu¹¹. Proces mitofagii pomaga w usuwaniu uszkodzonych mitochondriów¹¹.

Akumulacja nieprawidłowo sfałdowanych białek może powodować stres retikulum endoplazmatycznego podczas AKI¹⁰. Procesy stresu oksydacyjnego AKI obejmują głównie produkcję reaktywnych form tlenu, wyczerpanie tlenku azotu, tworzenie wzorców molekularnych związanych z uszkodzeniem (DAMP), aktywację receptorów toll-podobnych (TLR), autofagię i dysfunkcję mikronaczyń¹².

Mechanizmy śmierci komórkowej

Śmierć komórek kanalika bliższego spowodowana niedokrwiennym AKI in vivo u gryzoni i hipoksją in vitro prowadzi głównie do nekrozy, stąd termin ostra martwica kanalików lub ATN⁵⁶. Nekroptoza jest formą programowanej lub regulowanej nekrozy lub zapalnej śmierci komórkowej⁵⁶.

Na poziomie molekularnym regulowana śmierć komórkowa poprzez apoptozę komórek kanalików, nekrozę i utratę komórek napędza rozwój AKI po uszkodzeniu nerkowym¹³. Apoptoza, nekroptoza, ferroptoza, MPT-RN (regulowana nekroza przepuszczalności mitochondrialnej) i możliwa piroptoza to potencjalne mechanizmy molekularne AKI indukowanego przez uszkodzenie niedokrwienno-reperfuzyjne, toksynę, burzę cytokinową i kryształy¹³.

Rola autofagii w ochronie komórek

Autofagia to proces zachodzący we wszystkich komórkach eukariotycznych, który utrzymuje komórki przy życiu w warunkach stresowych¹⁴¹⁵. Inhibicja autofagii przy użyciu siRNA ATG5 zwiększa apoptozę podczas ponownego ogrzewania po zimnym przechowywaniu w komórkach nabłonkowych kanalików nerkowych¹⁴.

Razem te badania sugerują, że autofagia jest mechanizmem nerkoochronnym, który chroni przed apoptozą, umożliwiając przetrwanie komórek¹⁴¹⁵. Indukcja autofagii w kanalikach bliższych podczas ostrego śródmiąższowego zapalenia nerek wykazała, że autofagia pełni funkcję nefroprotektywną w AKI, jednak nadmierna autofagia ostatecznie prowadzi do śmierci komórkowej¹⁶.

Zaburzenia funkcji endotelium

Komórki śródbłonka kontrolują napięcie naczyniowe, regulację przepływu krwi do lokalnych łożysk tkankowych, modulację krzepnięcia i zapalenia oraz przepuszczalność⁸. Zarówno niedokrwienie, jak i sepsa mają głęboki wpływ na śródbłonek⁸.

Przyczyny uszkodzenia śródbłonka w AKI były badane¹⁷¹⁸. W AKI upośledzona proliferacja śródbłonka i przejście mezenchymalne przyczyniają się do ubytku naczyń i mogą przyczyniać się do rozwoju przewlekłej choroby nerek¹⁵.

Podczas fazy rozszerzenia uszkodzenie niedokrwienno-reperfuzyjne nerek powoduje zaburzenia macierzy okołonaczyniowej, takiej jak glikokaliks i monowarstwa śródbłonkowa, powodując zwiększoną przepuszczalność bariery śródbłonkowej¹⁹.

Znaczenie kliniczne mechanizmów uszkodzenia

Mechanizmy uszkodzenia opisane powyżej mogą przyczyniać się do ciągłej dysfunkcji nefronu, ale sprzężenie zwrotne kanaliko-kłębuszkowe również odgrywa rolę¹³. Sprzężenie zwrotne kanaliko-kłębuszkowe w tym przypadku prowadzi do zwężenia tętniczek doprowadzających przez komórki macula densa, które wykrywają zwiększone obciążenie solne w kanalikach dalszych¹³.

Siłą napędową ATN jest głównie uszkodzenie kanalików i hipoperfuzja w kapilarach okołokanalikowych¹³. Kombinacja uszkodzenia kanalików i hipoperfuzji może powodować trwałą utratę nefronów u tych pacjentów, którzy nie mogą wyzdrowieć z ATN, ostatecznie zwłóknienie tkanki i przewlekłą chorobę nerek po ostrym uszkodzeniu¹³.