Самоїдання: друг чи ворог? Нова роль аутофагії в ідіопатичному фіброзі легенів

1 Інтерстиціальний відділ легеневих захворювань, Університетська лікарня Іракліона, 71110 Іракліон, Крит, Греція

друг

2 Лабораторія вірусології, Медична школа, Критський університет, 71110 Іракліон, Крит, Греція

Анотація

Ідіопатичний фіброз легенів є найпоширенішою і важкою формою ідіопатичних інтерстиціальних пневмоній. Незважаючи на експоненціальне збільшення нашого розуміння потенційно важливих медіаторів та механізмів, патогенез залишається невловимим, і за останні кілька років було досягнуто незначного терапевтичного прогресу. Смертність через 3–5 років все ще становить 50%. Нещодавно аутофагія, високозбережений гомеостатичний механізм, необхідний для виживання клітин, була залучена до патогенезу легеневих розладів. У цій роботі ми прагнемо висвітлити деякі ключові проблеми, що стосуються процесу аутофагії та її можливого зв'язку з патогенезом ідіопатичного легеневого фіброзу.

1. Вступ

Ідіопатичний легеневий фіброз (ІПФ) - це хронічна та прогресуюча фіброзуюча інтерстиціальна пневмонія невідомої причини, патогенез якої, незважаючи на останні досягнення, досі до кінця не вивчений [1]. В даний час вважається, що ІПФ є результатом неодноразових травм в різних місцях альвеолярного епітелію з порушенням регуляції клітинного гомеостазу з подальшим аномальним загоєнням рани та неадекватним відновленням пошкодження епітелію. Медіана виживання з моменту встановлення діагнозу становить приблизно 3 роки, і, на диво, рівень смертності перевищує рівень смертності серед багатьох видів раку [2]. Трансплантація легенів - це єдиний терапевтичний підхід, який може вплинути на виживання, але він обмежений високовідбірними пацієнтами. Однак останні клінічні випробування дали обнадійливі результати щодо використання пірфенідону та N-ацетил-цистеїну при захворюваннях легкої та середньої тяжкості [3, 4].

З огляду на обмежені сучасні знання та погане виживання хвороби, необхідність з'ясування патогенезу стає насущною. Нещодавно процес аутофагії, термін, що походить від грецької та означає "самоїдання", був залучений до патогенетичного шляху ІПФ [5, 6]. Аутофагія - це високозбережений гомеостатичний механізм, за допомогою якого клітини транспортують пошкоджені білки та органели, такі як мітохондрії, до лізосом для деградації як за станом здоров’я, так і за станом хвороби. Він сприяє клітинному гомеостазу, (a) забезпечуючи альтернативне джерело метаболічного палива, (b) видаляючи пошкоджені клітинні компоненти, токсичні для клітини, такі як дисфункціональні мітохондрії або агреговані білки, і (c) сприяючи загибелі клітин [7].

У попередніх дослідженнях термін селективної автофагії був введений для того, щоб підкреслити селективне націлювання вантажів на деградацію. Мітофагія відноситься до селективного перетравлення мітохондрій, а ксенофагія - до селективної деградації патогенних мікроорганізмів та бактерій [8, 9]. Селективна деградація білкових агрегатів регулюється p62, цитозольним білком шаперону.

Більшість сучасних знань про роль аутофагії в клітинному гомеостазі були отримані дослідженнями на дріжджах та мишах, тоді як її роль у захворюваннях людини досліджена лише незначно і, як видається, є дуже плейотропною, оскільки вона може представляти або відповідь на усиновлення, або, у разі дерегулювання сприятиме загибелі та захворюваності клітин. Автофагічна загибель клітин відрізняється від апоптотичної смерті клітин; перший не передбачає активації каспази. Тим не менше, два процеси можуть співіснувати [10].

У цій роботі ми прагнемо висвітлити сучасні знання щодо процесу аутофагії та його ролі в різних легеневих розладах з особливим акцентом на ІПФ.

2. Класи та регулювання аутофагії

Існує три механізми, за допомогою яких може відбуватися аутофагія. Мікроавтофагія включає неселективне оточення цитоплазматичних компонентів безпосередньо лізосомальними мембранами. Аутофагія, опосередкована шапероном, включає селективний транспорт до лізосом вантажів, що містять специфічний мотив пентапептиду (KFERQ). Макроавтофагія характеризується наявністю аутофагосоми, двомембранної везикули, яка оточує пошкоджений компонент і піддається деградації після злиття з ендосомами та лізосомами. Аутофагія та мікроавтофагія, опосередкована шапероном, менш вивчені, тоді як макроавтофагія (надалі - автофагія) є найкращим вивченим механізмом, оскільки аутофагосоми легко виявити за допомогою флуоресценції та електронної мікроскопії [11]. Процес складається з чотирьох різних етапів: (а) формування ізолюючої мембрани, (б) формування автофагосоми з поглинанням вантажу, (в) злиття аутофагосоми з лізосомою, і (г) деградація вантажу лізосомальними ферментами з регенерацією метаболічних молекул-попередників, які будуть використовуватися для анаболічних шляхів [7].

У регуляції процесу бере участь низка генів, пов’язаних з аутофагією (Atg). Беклін-1, взаємодіючий білок, у комплексі з фосфатидилінозитол 3-кіназою класу III (PI3 K) та Atg14 діє як головний позитивний регулятор аутофагії [12]. Чутлива до рапаміцину ссавців ціль рапаміцину (mTOR)/клас I PI3 K діє як головний негативний регулятор аутофагії [13, 14]. Для утворення аутофагосом потрібні дві убіквітиноподібні системи кон’югації: система кон’югації Atg5 – Atg12 та система кон’югації Atg8 (пов’язана з мікротрубочками білка-1 легкий ланцюг [LC] (3), за допомогою якої LC3 перетворюється з LC3-I (вільна форма) в LC3 II (кон'югований з формою фосфадитилетаноламіну), етап, який вважається критичним для утворення аутофагосом [15–17]. Злиття аутофагосоми з лізосомою вимагає участі GTPase, що називається Rab-7, і мембранного білка, опосередкованого лізосомою (LAMP) -1 та −2.

3. Автофагія при легеневих хворобах

Муковісцидоз (МВ) - це захворювання, яке характеризується мутаціями гена трансмембранного регулятора провідності муковісцидозу (CFTR), що пов’язано з внутрішньоклітинним накопиченням неправильно складених білків, які, як передбачається, очищаються аутофагією. Було помічено, що в епітеліальній клітині МВ мутантні білки CFTR погіршують утворення аутофагосом через виснаження Бекліну-1 [30] та збільшення активних форм кисню (АФК) та трансглутамінази-2, що сприяє надмірному запаленню, яке спостерігається при МВ. Відновлення Beclin-1 відновлює аутофагію, виміряну рівнями LCEb-II та p62 та пунктиром GFP-LC3, та призводить до збільшення кліренсу білкових агрегатів та помітного зменшення запалення на мишачій моделі CF [30]. Цікаво, що лікування N-ацетилцистеїном (NAC) також має сприятливі ефекти, що свідчить про можливе значення антиоксидантів у терапії МВ. Зараження Бурхолдерія ценоцепація є потенційно летальним для хворих на МВ, і було помічено, що це пов’язано з регуляцією кількох аутофагічних генів в альвеолярних макрофагах [31]. Лікування рапаміцином індукованої аутофагії та зменшення запалення легенів.

Альвеолярні макрофаги забезпечують першу лінію захисту від вторгнення мікробів. Зараження Мікобактерії туберкульозу також пов'язане з пригніченням утворення аутофагосом, що пригнічує вбивство мікобактерій альвеолярними макрофагами [32]. Стимуляція альвеолярних макрофагів інтерфероном-γ (ІФН-γ) підвищує регуляцію GTPase, а саме IRGM-1, та активує аутофагію [33]. Індукція аутофагії рапаміцином також посилює знищення мікобактерій [34].

Здається, аутофагія причетна до розвитку легеневої гіпертензії (РН). У зразках легенів людського РН та судинної системи легенів спостерігалася підвищена експресія LC3b та GFP-LC3 утворення пункта, маркер утворення аутофагосом у трансфікованих GFP-LC3 ендотеліальних клітинах. Коли миші з генетичним дефіцитом LC3b піддавалися хронічній гіпоксії, вони продемонстрували свідчення збільшення легеневої гіпертензії порівняно з мишами дикого типу, що свідчить про захисну роль аутофагії шляхом обмеження проліферації судинних клітин від гіпоксії [35].

Комплекс туберкульозного склерозу (TSC) - це аутосомно-домінантний синдром гена-супресора пухлини, спричинений мутацією зародкових ліній у генах TSC1 або TSC2. У пацієнтів з TSC спостерігаються мультисистемні прояви, такі як неврологічні захворювання, доброякісні пухлини в декількох органах та легеневий лімфангіолейоміоматоз (LAM). Генетичне та фармакологічне інгібування аутофагії блокує туморогенез у ксенотрансплантатах та спонтанних моделях TSC [36] і, отже, може представляти потенційну терапевтичну мішень для TSC.

Аутофагія має функціональні наслідки для патогенезу раку, але було проведено лише декілька досліджень, особливо щодо раку легенів, і оцінена роль аутофагії у відповідь на хіміотерапевтичні засоби, що використовують культивовані клітини аденокарциноми легенів людини A549 [37, 38]. Цікаво, що Нелфінавір, інгібітор ВІЛ-протеази, чинив плейотропні біохімічні та клітинні ефекти, які включали індукцію стресу ендоплазматичної сітки (ER), аутофагію та апоптоз в пробірці і в природних умовах і виявляв антипроліферативну активність у клітинах раку легенів [39].

4. Автофагія та ІПФ: непрямі патогенетичні посилання

Зростаюча кількість доказів припускає, що між ІПФ та аутофагією може існувати патогенетичний зв’язок. Оксидативний стрес, стрес ендоплазматичної сітки (ER) та гіпоксія - усі механізми, що беруть участь у патогенезі ІПФ [40–42], є добре відомими індукторами аутофагії [43–45]. З іншого боку, вірусні інфекції, про які також передбачається, що сприяють розвитку фіброзу, мають гальмівний ефект на аутофагію.

ER - це органела, яка виконує загальні функції, такі як полегшення складання білка та транспортування нових синтезованих білків. Окислювальний стрес, порушення регуляції кальцію, дефіцит глюкози та вірусна інфекція можуть спричинити стрес ER, що призводить до збільшення розкладених білків [46]. У клітинах нейробластоми стрес ER викликає аутофагію і пов’язаний із виживанням клітин [47]. Однак ЕР-індукована аутофагія може бути специфічною для клітин, оскільки було виявлено, що при клітинних лініях раку товстої кишки та передміхурової залози активація аутофагії хімічними індукторами зменшує загибель клітин, тоді як у нормальних клітинах товстої кишки людини та в нетрансформованих ембріональних фібробластах це сприяє загибелі клітин [48]. У клітинних лініях фібробластів епітелію легенів аутофагія, індукована хімічними речовинами, призводила до збільшення накопичення LC3-II та активації розгорнутої реакції білка, компенсаторного механізму стресу ER [49], що свідчить про можливу захисну роль аутофагії.

В даний час прийнято вважати, що ІПФ є результатом множинних травм епітелію, що призводить до ранньої загибелі клітин альвеолярного епітелію II типу (АЕС II) та аберантного загоєння ран. У випадках сімейного ІПФ було показано, що мутації гена сурфактант-білок-С (SFTRC) призводять до накопичення неправильно складених білків, індукції стресу ER та апоптозу AEC II [50–53]. При епізодичному ІПФ та, незалежно від відсутності мутацій, також спостерігалося збільшення стресу ER та апоптотичних маркерів у AEC II [54]. Нещодавно також було помічено, що стрес ЕР причетний до диференціації фібробластів до міофібробластів, що вважається ключовою подією в патогенезі ІПФ [40].

АФК та ​​маркери окисного стресу є очевидними у ІПФ, а рівні АФК негативно корелюють із функцією легенів [58–60]. Перевиробництво АФК може спричинити травмування легенів та сприяти розвитку мікросередовища тканин, яке сприяє фіброзу над регенерацією. Встановлено, що рівень глутатіону, антиоксидантної речовини, знижується в ІПФ [61]. NAC здатний стимулювати синтез глутатіону, збільшуючи внутрішньо- та позаклітинний рівень, і тим самим частково відновлюючи рівень глутатіону [62, 63]. Встановлено, що NAC має сприятливий вплив на функцію легенів у пацієнтів з ІПФ, і в основному у тих, хто має менш прогресоване захворювання [4, 64]. Однак результати недавнього дослідження показали суперечливі результати, які потребують подальшого ретельного дослідження [65].

Аутофагія чутлива до напруги кисню та індукованого фактора гіпоксії 1-α (HIF 1-α) був залучений як регулятор аутофагії та обороту пошкоджених мітохондрій в гіпоксичному стані. HIF 1-α ген-мішень, а саме Bcl-2/аденовірус E1B 19 кДа - взаємодіючий білок-3 (BNIP3), також регулює індуковану гіпоксією аутофагію [45, 66]. Однак навіть у випадку гіпоксії виявилася подвійна роль аутофагії, як в іншому дослідженні, було помічено, що тривала гіпоксія викликає автофагічну загибель клітин через механізм, залежний від BNIP3 [67].

В даний час вважається, що гіпоксія може призвести до апоптозу клітин альвеолярного епітелію, що ініціює каскад фіброгенезу. Насправді, як на тваринних моделях індукованого блеоміцином фіброзу, так і в легеневих тканинах пацієнтів з ІПФ спостерігалося, що HIF 1-α надмірно виражений і може виконувати свою роль на ранніх стадіях фіброгенезу, оскільки він локалізувався в зонах активного фіброзу та в нормальних ділянках легенів ІПФ, але не в межах фібробластичних вогнищ, що представляють зони встановленого фіброзу [42].

5. Автофагія в ІПФ

Нещодавно Мі та співавт. показали, що IL17A, цитокін, який індукує вироблення колагену та сприяє епітеліально-мезенхімальному переходу (ЕМТ) через фактор перетворюючого росту-β1- (TGF-β1-) залежний механізм, пригнічує аутофагію в клітинах епітелію миші [80]. Більше того, вони спостерігали, що у мишачої моделі BLM-індукованого фіброзу антагонізм IL17A, що активується аутофагією, зменшує вироблення колагену, послаблює фіброз і збільшує виживання. Цей захисний ефект був скасований після блокування аутофагії 3-метиладеніном (3-МА).

Патель та ін. вивчали маркери аутофагічної активності та дійшли висновку, що аутофагія не індукується у легенях ІПФ людини [5]. Більш докладно, вони спостерігали, що рівні LC3-II були нижчими, а рівні p62 були вищими в легенях IPF порівняно з контролем. Більше того, вони спостерігали зменшення кількості аутофагосом за допомогою електронного мікроскопа в легенях IPF. Для того, щоб надати правдоподібну відповідь, вони використовували клітинні лінії фібробластів і показали, що TGF-β1, профібротичний цитокін, який надмірно експресується в IPF, пригнічує аутофагію. Приглушення генів LC3 і беклін-1 і, отже, інгібування аутофагії посилюють експресію фібронектину та α-гладкоклітинний актин, маркер міофібробласта, який є ключовою клітиною у процесі фіброгенезу. У моделі BLM вони спостерігали, що лікування рапаміцином посилює аутофагію та захищає від фіброзу. На основі цих спостережень автори дійшли висновку, що аутофагія захищає від розвитку фіброзу.

Зростаюча кількість доказів як на клінічному, так і на біологічному рівні свідчить про те, що ІПФ є захворюванням старіння, яке характеризується передчасними віковими змінами клітин альвеолярного епітелію [81]. Також прийнято, що аутофагія функціонує менше, оскільки тканини старіють внаслідок недостатнього утворення аутофагосом або недостатньої елімінації після злиття з лізосомами [82]. Нещодавно Арая та ін. також намагався з'ясувати роль аутофагії в ІПФ [6]. Вони припустили, що недостатня аутофагія призводить до старіння епітеліальних клітин, оскільки вони спостерігали підвищену експресію р62 та убіквітінованих білків, обох маркерів зниженої аутофагії, а також підвищену експресію р21, яка є маркером клітинного старіння. З іншого боку, і, узгоджуючись із попередніми спостереженнями клітинно-специфічного ефекту аутофагії, вони показали, що недостатня аутофагія в фібробластах легенів призводить до диференціювання до міофібробластів без будь-якого впливу на їх старіння та до збільшення продукції позаклітинного матриксу, що є критичними етапами фіброгенетичний процес.

6. Висновок

За останнє десятиліття в галузі досліджень стався вибух щодо можливих механізмів, що беруть участь у патогенезі ІПФ та клінічних випробувань, щоб знайти терапевтичний засіб, здатний, принаймні, стабілізувати перебіг захворювання. Незважаючи на всі ці зусилля, патогенез ІПФ досі не до кінця вивчений. Загальновизнаного терапевтичного засобу ще не знайдено. Нещодавно було висловлено припущення, що в патогенезі ІПФ повинен бути «онкологічний» підхід. Згідно з цією гіпотезою, у патогенезі ІПФ можуть бути задіяні одночасно декілька шляхів, і майбутні терапевтичні підходи повинні спрямовувати ці шляхи одночасно [83]. Більше того, ця гіпотеза була підкріплена спостереженням про те, що існують певні подібності між ІПФ та біологією раку легенів [2]. Нещодавно аутофагія була залучена до патогенезу легеневих захворювань, і в області ІПФ існує лише декілька досліджень, і, отже, її роль досить неясна. Тому необхідні додаткові дослідження для того, щоб з’ясувати роль аутофагії в ІПФ та розробити нові терапевтичні підходи.

Список літератури