Önevés: Barát vagy ellenség? Az autofágia kialakuló szerepe az idiopátiás tüdőfibrózisban

1 Intersticiális tüdőbetegség-egység, Iráklio Egyetemi Kórház, 71110 Iráklio, Kréta, Görögország

2 Virológiai laboratórium, Krétai Egyetem Orvostudományi Kar, 71110 Iráklio, Kréta, Görögország

Absztrakt

Az idiopátiás tüdőfibrózis az idiopátiás intersticiális tüdőgyulladások leggyakoribb és legsúlyosabb formája. A potenciálisan fontos mediátorok és mechanizmusok megértésének exponenciális növekedése ellenére a patogenezis továbbra is megfoghatatlan, és az elmúlt években alig történt terápiás előrelépés. A halálozás 3-5 év alatt még mindig 50%. Az autofágia, a sejtek túléléséhez szükséges, rendkívül konzervált homeosztatikus mechanizmus nemrégiben bekapcsolódott a tüdőbetegségek patogenezisébe. Ebben a cikkben arra törekszünk, hogy kiemeljünk néhány kulcsfontosságú kérdést az autofágia folyamatával és annak esetleges összefüggésével az idiopátiás tüdőfibrózis patogenezisével kapcsolatban.

1. Bemutatkozás

Az idiopátiás tüdőfibrózis (IPF) egy ismeretlen okú krónikus és progresszív fibrosizáló intersticiális tüdőgyulladás, amelynek patogenezise a közelmúlt fejlődésének ellenére még mindig nem teljesen ismert [1]. Jelenleg úgy gondolják, hogy az IPF az alveoláris epithelium különböző helyszínein ismételt sérülések eredménye, a sejtes homeosztázis diszregulációjával, amelyet rendellenes sebgyógyulás és a hámkárosodás nem megfelelő helyreállítása követ. A medián túlélés a diagnózistól számítva körülbelül 3 év, és meglepő módon a halálozási arány meghaladja sok rákét [2]. A tüdőátültetés az egyetlen terápiás megközelítés, amely befolyásolhatja a túlélést, de csak a magasan kiválasztott betegekre korlátozódik. A legújabb klinikai vizsgálatok azonban biztató eredményeket hoztak a pirfenidon és az N-acetil-cisztein enyhe vagy közepesen súlyos betegségben történő alkalmazásával kapcsolatban [3, 4].

Tekintettel a betegség korlátozott jelenlegi ismereteire és a betegség túlélésére, szükségessé válik a patogenezis tisztázásának szükségessége. A közelmúltban az autofágia folyamata, amely a görög nyelvből származik és jelentése „önevés”, bekapcsolódik az IPF patogenetikai útjába [5, 6]. Az autofágia egy erősen konzervált homeosztatikus mechanizmus, amely révén a sejtek károsodott fehérjéket és organellumokat, például mitokondriumokat szállítanak a lizoszómákba lebontás céljából mind az egészségi, mind a betegség körülményei között. Hozzájárul a sejtek homeosztázisához azáltal, hogy (a) alternatív anyagcsere-forrást biztosít, (b) eltávolítja a sejtre mérgező sérült sejtkomponenseket, például diszfunkcionális mitokondriumokat vagy aggregált fehérjéket, és (c) elősegíti a sejthalált [7].

Korábbi tanulmányokban bevezették a szelektív autofágia kifejezést annak érdekében, hogy hangsúlyozzák a rakományok szelektív célzását a lebomlás érdekében. A mitofágia a mitokondriumok szelektív emésztésére, az xenofágia pedig a betolakodó kórokozók és baktériumok szelektív lebontására utal [8, 9]. A fehérje aggregátumok szelektív lebontását a p62, egy citoszolos chaperone fehérje szabályozza.

Az autofágia sejt homeosztázisban betöltött szerepével kapcsolatos jelenlegi ismeretek többségét élesztő- és egérvizsgálatokkal szerezték, míg emberi betegségekben betöltött szerepét csak kevéssé vizsgálták, és úgy tűnik, hogy erősen pleiotróp, mivel vagy örökbefogadó prosurvival reakciót jelenthet, vagy ha deregulációja elősegíti a sejthalált és morbiditást. Az autofág sejtpusztulás különbözik az apoptotikus sejthaláltól; az előbbi nem jár kaszpáz aktiválással. Ennek ellenére a két folyamat együtt létezhet [10].

Ebben a cikkben az autofágia folyamatával és annak különböző tüdőbetegségekben betöltött szerepével kapcsolatos jelenlegi ismereteket kívánjuk kiemelni, különös tekintettel az IPF-re.

2. Az autofágia osztályai és szabályozása

Három mechanizmus létezhet az autofágia kialakulásában. A mikroautofágia magában foglalja a citoplazmatikus komponensek nem szelektív körülvételét közvetlenül a lizoszomális membránok által. A chaperone által közvetített autofágia magában foglalja az olyan rakományok szelektív transzportját a lizoszómákba, amelyek specifikus pentapeptid motívumot (KFERQ) tartalmaznak. A makroautofágia jellemzője az autofagoszóma, egy kettős hártyás vezikulum, amely körülveszi a sérült komponenst, hogy lebontsa az endoszómákkal és lizoszómákkal való fúziót követően. A chaperone által közvetített autofágia és a mikroautofágia kevésbé tanulmányozott, míg a makroautofágia (a továbbiakban autofágia néven) a legjobban vizsgált mechanizmus, mivel az autofagoszómákat könnyű felismerni fluoreszcenciával és elektronmikroszkóppal [11]. A folyamat négy különálló lépésből áll: (a) izolációs membrán képződése, (b) autofagoszóma képződése a rakomány elnyelésével, (c) az autofagoszóma fúziója lizoszómával, és (d) a rakomány lebomlása lizoszomális enzimek által, az anabolikus utakhoz használandó metabolikus prekurzor molekulák regenerálásával [7].

Autofágia-rokon gének (Atg) vesznek részt a folyamat szabályozásában. A Beclin-1, egy kölcsönhatásban lévő fehérje, a III. Osztályú foszfatidil-inozitol-3-kinázzal (PI3 K) és az Atg14 komplexben az autofágia fő pozitív szabályozójaként működik [12]. A rapamicinre érzékeny, rapamicinre érzékeny emlős célpont (mTOR)/I. osztályú PI3 K út az autofágia fő negatív szabályozójaként működik [13, 14]. Az autofagoszóma kialakulásához két ubiquitin-szerű konjugációs rendszerre van szükség: az Atg5 – Atg12 konjugációs rendszerre és az Atg8 (mikrotubulus-asszociált fehérje-1 könnyű lánc [LC] (3) konjugációs rendszerre, amellyel az LC3 átalakul LC3-I-ből (szabad forma) LC3 II (foszfaditil-etanol-amin-formához konjugálva) - az autofagoszóma-képződés szempontjából kritikus fontosságú lépés [15–17]. Az autofagoszóma és a lizoszóma fúziójához egy Rab-7-nek nevezett GTPáz és lizoszóma-mediált membránfehérje (LAMP) −1 részvételére van szükség. és −2.

3. Autofágia tüdőbetegségekben

A cisztás fibrózis (CF) olyan betegség, amelyet a cisztás fibrózis transzmembrán vezetőképesség-szabályozó (CFTR) génjének mutációi jellemeznek, és amely összefüggésben van a rosszul összehajtott fehérjék intracelluláris felhalmozódásával, amelyeket állítólag az autofágia tisztít. Megfigyelték, hogy a CF humán hámsejtekben a mutáns CFTR fehérjék a Beclin-1 kimerülésével, a reaktív oxigén (ROS) és a transzglutamináz-2 termelés növekedésével károsítják az autofagoszóma képződését, ami hozzájárul a CF-ben észlelt túlzott gyulladáshoz. A Beclin-1 helyreállítása helyreállítja az LCEb-II és p62 szintek, valamint a GFP-LC3 puncta által mért autofágia értékét, és a fehérje aggregátumok nagyobb megtisztulásához és a gyulladás jelentős csökkenéséhez vezet a CF egérmodelljében [30]. Érdekes módon az N-acetil-ciszteinnel (NAC) történő kezelésnek is vannak jótékony hatásai, amelyek az antioxidánsok lehetséges következményeire utalnak a CF terápiájában. Fertőzés által Burkholderia cenocepacia potenciálisan halálos a CF-ben szenvedő betegeknél, és megfigyelték, hogy több autofág gén downregulációjával jár együtt az alveoláris makrofágokban [31]. A rapamicinnel kezelt autofágia és csökkent a tüdőgyulladás.

Az alveoláris makrofágok jelentik az első védelmi vonalat a behatoló mikrobák ellen. Fertőzés által Mycobacterium tuberculosis az autofagoszómák képződésének gátlásával is összefügg, amely alveoláris makrofágokkal gátolja a mikobaktériumok elpusztítását [32]. Az alveoláris makrofágok stimulálása interferonnal-γ (IFN-γ) felreguláz egy GTPázt, nevezetesen az IRGM-1-et, és aktiválja az autofágia-t [33]. A rapamicin által kiváltott autofágia szintén fokozza a mikobaktériumok elpusztítását [34].

Úgy tűnik, hogy az autofágia szerepet játszik a pulmonalis hipertónia (PH) kialakulásában. Az emberi PH tüdőmintáiban és a tüdő érrendszerében fokozódott az LC3b és a GFP-LC3 puncta képződés expressziója, amely az autofagoszóma képződésének markere a GFP-LC3-val transzfektált endoteliális sejtekben. Amikor az LC3b-ben genetikailag hiányos egereket krónikus hipoxiának tették ki, bizonyították a megnövekedett pulmonális hipertónia bizonyítékait a vad típusú egerekhez képest, ami az autofágia protektív szerepére utal, a hipoxiától függő vaszkuláris sejtproliferáció korlátozásával [35].

A tuberous sclerosis complex (TSC) egy autoszomális domináns tumor szuppresszor gén szindróma, amelyet a TSC1 vagy TSC2 gének csíravonal mutációi okoznak. A TSC-ben szenvedő betegek olyan multiszisztémás megnyilvánulásokkal rendelkeznek, mint a neurológiai betegség, a jóindulatú daganatok több szervben és a pulmonalis lymphangioleiomyomatosis (LAM). A genetikai és farmakológiai autofágia-gátlás blokkolja a tumorgenezist a TSC xenograft és spontán modelljeiben [36], és ezáltal potenciális terápiás célpontot jelenthet a TSC számára.

Az autofágia funkcionális következményekkel jár a rák patogenezisében, de csak néhány vizsgálatot végeztek kifejezetten tüdőrákban, és értékelték az autofágia szerepét a tenyésztett humán tüdő A549 adenokarcinóma sejteket alkalmazó kemoterápiás szerekre adott válaszban [37, 38]. Érdekes módon a Nelfinavir, a HIV proteáz inhibitor, pleiotróp biokémiai és sejtes hatásokat fejtett ki, amelyek magukban foglalják az endoplazmatikus retikulum (ER) stressz, autofágia és apoptózis indukcióját. in vitro és in vivo és antiproliferatív aktivitást mutatott a tüdőrák sejtjeiben [39].

4. Autofágia és IPF: Indirekt patogenetikai kapcsolatok

Egyre több bizonyíték azt sugallja, hogy patogenetikai kapcsolat állhat fenn az IPF és az autofágia között. Az oxidatív stressz, az endoplazmatikus retikulum (ER) stressz és a hipoxia, mindazok a mechanizmusok, amelyek részt vesznek az IPF patogenezisében [40–42], az autofágia jól ismert induktorai [43–45]. Másrészről úgy tűnik, hogy a vírusfertőzések, amelyekről feltételezik, hogy elősegítik a fibrózis kialakulását, gátló hatást mutatnak az autofágia szempontjából.

Az ER egy olyan organella, amely általános funkciókat lát el, például a fehérje hajtogatásának megkönnyítését és az újonnan szintetizált fehérjék transzportját. Az oxidatív stressz, a kalcium szabályozásának zavara, a glükózhiány és a vírusfertőzés ER stresszt okozhat, ami a kibontakozott fehérjék növekedéséhez vezet [46]. A neuroblastoma sejtekben az ER stressz autofágiát indukál, és összefügg a sejtek túlélésével [47]. Az ER által kiváltott autofágia azonban lehet sejtspecifikus, mert azt tapasztalták, hogy a vastagbél- és prosztatarákos sejtvonalakban az autofágia kémiai induktorok általi aktiválása csökkenti a sejtpusztulást, míg normál emberi vastagbélsejtekben és nem transzformált embrionális fibroblasztokban hozzájárul a sejtek halálához [48]. A tüdőhám fibroblaszt sejtvonalaiban a vegyi anyagok által kiváltott autofágia az LC3-II fokozott felhalmozódását és a kibontakozott fehérje válasz aktiválódását eredményezte, amely az ER stressz kompenzációs mechanizmusa [49], ami az autofágia lehetséges védő szerepére utal.

Ma már elfogadott, hogy az IPF a hám többszörös sérülésének eredménye, amely a II típusú alveoláris hámsejtek (AECs II) korai halálához és a sebek rendellenes gyógyulásához vezet. A családi IPF esetében kimutatták, hogy a felületaktív protein-C gén (SFTRC) mutációi rosszul összehajtott fehérjék felhalmozódásához, ER stressz indukciójához és az AEC II apoptózisához vezetnek [50–53]. Sporadikus IPF-ben és a mutációk hiányától függetlenül az ER stressz és az apoptotikus markerek növekedését is megfigyelték az AEC II-ben [54]. Nemrégiben azt is megfigyelték, hogy az ER stressz szerepet játszik a fibroblaszt miofibroblasztba történő differenciálásában, amelyet kulcsfontosságú eseménynek tekintenek az IPF patogenezisében [40].

A ROS és az oxidatív stressz markerei nyilvánvalóak az IPF-ben, és az ROS szintje negatívan korrelál a tüdőfunkcióval [58–60]. A ROS túltermelése tüdőkárosodást okozhat, és elősegítheti a szöveti mikrokörnyezetet, amely a fibrózist részesíti előnyben a regeneráció helyett. Megállapították, hogy a glutation, egy antioxidáns szer csökken az IPF-ben [61]. A NAC képes stimulálni a glutation szintézist, növelni az intra- és az extracelluláris szintet, és ezáltal részben helyreállítani a glutation szintjét [62, 63]. Megállapították, hogy a NAC kedvező hatással van az IPF-ben szenvedő betegek tüdőfunkciójára, és főleg azokra, akiknél a betegség kevésbé előrehaladt [4, 64]. Egy nemrégiben lefolytatott tárgyalás eredményei azonban ellentmondásos eredményeket mutattak, amelyek további alapos vizsgálatot igényelnek [65].

Az autofágia érzékeny az oxigénfeszültségre és a hipoxia által indukálható 1-es faktorra-α (HIF 1-α) hipoxiás állapotban az autofágia és a károsodott mitokondriumok forgalmának szabályozójaként szerepel. HIF 1-α a célgén, nevezetesen a Bcl-2/adenovírus E1B 19 kDa - kölcsönhatásba lépő fehérje-3 (BNIP3), szintén szabályozza a hipoxia által kiváltott autofágiát [45, 66]. Azonban még hipoxia esetén is feltűnt az autofágia kettős szerepe, mivel egy másik tanulmányban megfigyelték, hogy az elhúzódó hipoxia autofág sejtpusztulást vált ki BNIP3-függő mechanizmus révén [67].

Ma úgy gondolják, hogy a hipoxia ahhoz vezethet, hogy az alveoláris epitheliális sejtek apoptózisa elindítja a fibrogenezis kaszkádját. Valójában mind a bleomycin által kiváltott fibrózis állatmodelljeiben, mind az IPF-es betegek tüdőszövetében megfigyelték, hogy a HIF 1-α túlzottan expresszált, és szerepet játszhat a fibrogenezis korai szakaszában, mivel az aktív fibrózis területein és az IPF tüdő normál területein lokalizálódott, de nem a fibroblasztikus gócokon belül, amelyek a megállapított fibrózis területeit képviselik [42].

5. Autofágia az IPF-ben

Nemrégiben Mi és mtsai. kimutatták, hogy az IL17A, egy citokin, amely transzformáló-növekedési faktor révén előidézi a kollagén termelését és elősegíti az epithelialis-mesenchymalis átmenetet (EMT)-β1- (TGF-β1-) függő mechanizmus, gátolja az autofágia egér hámsejtjeiben [80]. Sőt, megfigyelték, hogy a BLM által kiváltott fibrózis egérmodelljében az IL17A által aktivált autofágia antagonizmusa csökkentette a kollagén termelését, gyengítette a fibrózist és növelte a túlélést. Ez a védőhatás megszűnt, miután az autofágia 3-metiladeninnel (3-MA) blokkolt.

Patel és mtsai. az autofág aktivitás markereit tanulmányozta, és arra a következtetésre jutott, hogy az autofágia nem indukálódik az emberi IPF tüdejében [5]. Részletesebben azt figyelték meg, hogy az LC3-II szintje alacsonyabb, a p62 szintje pedig magasabb volt az IPF tüdeiben a kontrollokhoz képest. Sőt, megfigyelték az elektronmikroszkóppal rendelkező autofagosómák számának csökkenését az IPF tüdőben. Az elfogadható válasz érdekében fibroblaszt sejtvonalakat használtak, és kimutatták, hogy a TGF-βAz 1. ábra szerint az IPF-ben túlzottan expresszált profibrotikus citokin gátolja az autofágia kialakulását. Az LC3 és a beclin-1 gének elhallgattatása, és ezáltal az autofágia gátlása fokozta a fibronektin és α-sima sejt aktin, a miofibroblaszt markere, amely kulcsfontosságú sejt a fibrogenezis folyamatában. A BLM modellben megfigyelték, hogy a rapamicinnel végzett kezelés fokozta az autofágia kialakulását és védett volt a fibrózistól. Ezen megfigyelések alapján a szerzők arra a következtetésre jutottak, hogy az autofágia véd a fibrózis kialakulása ellen.

Egyre több bizonyíték mind klinikai, mind biológiai szinten arra utal, hogy az IPF az öregedés olyan betegsége, amelyet az idő előtti, életkorral összefüggő változások jellemeznek az alveoláris hámsejtekben [81]. Az is elfogadott tény, hogy az autofágia kevésbé működik a szövet öregedésével az autofagoszómák elégtelen képződése vagy a hiányos elimináció miatt a lizoszómákkal való fúzió után [82]. Nemrégiben Araya és mtsai. megkísérelte tisztázni az autofágia szerepét az IPF-ben [6]. Azt sugallták, hogy az elégtelen autofágia hámsejt-öregedéshez vezet, mivel a p62 és az ubiquitinált fehérjék fokozott expresszióját figyelték meg, mind a csökkent autofágia, mind a p21 fokozott expresszióját, amely a sejtes öregedés markere. Másrészt és az autofágia sejtspecifikus hatására vonatkozó korábbi megfigyelésekkel összhangban megmutatták, hogy az elégtelen autofágia a tüdő fibroblasztjaiban a miofibroblasztok differenciálódásához vezet, anélkül, hogy bármilyen hatással lenne az öregedésükre, és az extracelluláris mátrix termelésének növekedéséhez, amelyek kritikus lépések a a fibrogenetikai folyamat.

6. Következtetés

Az elmúlt évtizedben a kutatási területen robbanás történt az IPF és a klinikai vizsgálatok patogenezisében szerepet játszó lehetséges mechanizmusok tekintetében annak érdekében, hogy olyan terápiás szert találjunk, amely képes legalább stabilizálni a betegség lefolyását. Mindezen erőfeszítések ellenére az IPF patogenezise még mindig nem teljesen ismert. Még nem találtak általánosan elfogadott terápiás szert. A közelmúltban felvetették, hogy az IPF patogenezisében „onkológiai” megközelítésre van szükség. E hipotézis szerint az IPF patogenezisében egyszerre több út is részt vehet, és a jövőbeni terápiás megközelítéseknek egyszerre kell megcélozniuk ezeket az útvonalakat [83]. Sőt, ezt a hipotézist megerősítette az a megfigyelés, hogy bizonyos hasonlóságok vannak az IPF és a tüdőrák biológiája között [2]. Az autofágia nemrégiben bekapcsolódott a tüdőbetegségek patogenezisébe, és csak kevés tanulmány létezik az IPF területén, ezért szerepe meglehetősen homályos. Ezért további vizsgálatokra van szükség az autofágia IPF-ben betöltött szerepének tisztázása és az új terápiás megközelítések kidolgozása érdekében.