American Journal of Physiology - Renal Physiology

Na-K-ATPase được đặc trưng bởi sự không đồng nhất phân tử phức tạp, kết quả từ sự biểu hiện và sự kết hợp khác biệt của nhiều isoform cả của các tiểu đơn vị α và β. Hiện tại, đã có tới bốn polypeptide α khác nhau (α1, α2, α3 và α4) và ba isoform β khác biệt (β1, β2 và β3) được xác định trong tế bào có vú. Các ràng buộc nghiêm ngặt về cấu trúc của các isozym Na pump trong quá trình tiến hóa và mô hình biểu hiện đặc hiệu theo mô và phát triển cho thấy rằng các Na-K-ATPase khác nhau đã phát triển các đặc tính riêng biệt để phản ứng với nhu cầu của tế bào. Bài tổng quan này tập trung vào các đặc tính chức năng, sự điều chỉnh và khả năng liên quan sinh lý của các isozym Na pump. Sự tồn tại đồng thời của nhiều isoform α và β trong hầu hết các tế bào đã cản trở việc hiểu biết về vai trò của từng polypeptide. Việc sử dụng các hệ thống biểu hiện dị thể đã giúp khắc phục vấn đề này. Các đặc điểm động học của các isozym Na-K-ATPase khác nhau đối với các cation kích hoạt (Na⁺ và K⁺), cơ chất ATP và các chất ức chế Ca²⁺ và ouabain cho thấy mỗi isoform có các đặc tính riêng biệt. Ngoài ra, các tín hiệu tế bào nội bào điều chỉnh khác nhau hoạt động của các isozym Na-K-ATPase riêng lẻ. Do đó, việc điều chỉnh các isozym Na pump cụ thể cho phép tế bào phối hợp chính xác hoạt động Na-K-ATPase với các yêu cầu sinh lý của chúng.

Khả năng thanh thải các chất hòa tan được sử dụng để xác định chức năng cầu thận ở 12 đối tượng không tiểu đường có béo phì nghiêm trọng (chỉ số khối cơ thể >38). Chín đối tượng khỏe mạnh được chọn làm nhóm đối chứng. Trong nhóm béo phì, tỷ lệ lọc cầu thận (GFR) và lưu lượng máu thận (RPF) cao hơn giá trị đối chứng lần lượt là 51% và 31%. Do đó, tỷ lệ lọc tăng lên. Lưu lượng máu thận tăng cường gợi ý về một trạng thái giãn mạch thận liên quan, chủ yếu hoặc chỉ là, động mạch đi vào. Tỷ lệ bài xuất albumin và thanh thải albumin phân đoạn đều tăng lần lượt là 89% và 78%. Các bài kiểm tra dung nạp glucose đường miệng cho thấy dấu hiệu kháng insulin. Kháng insulin có mối tương quan dương với GFR (r = 0.88, P < 0.001) và RPF (r = 0.72, P < 0.001). Áp lực động mạch trung bình cao hơn so với nhóm đối chứng. Các thanh thải phân đoạn của dextran có phân bố kích thước rộng có xu hướng giảm. Các yếu tố quyết định của GFR được ước lượng một cách định tính bằng cách sử dụng một mô hình lý thuyết về sự vận chuyển dextran qua một màng cực phân. Phân tích này gợi ý rằng GFR cao ở các đối tượng béo phì rất có thể do sự gia tăng trong sự chênh lệch áp suất thủy tĩnh xuyên mạch (ΔP). Một sự truyền áp suất động mạch tăng lên không bình thường tới các mao mạch cầu thận thông qua động mạch đi vào giãn nở có thể là nguyên nhân cho sự tăng lên trong ΔP.

Ở người, thận lọc khoảng 180 g d-glucose từ huyết tương mỗi ngày, và đây thường được tái hấp thu ở ống lượn gần. Mặc dù cơ chế tái hấp thu đã được hiểu rõ, việc đồng vận chuyển Na⁺-glucose qua màng vi nhung mao và sự khuếch tán được hỗ trợ qua màng đáy bên vẫn còn những câu hỏi về danh tính của các gen chịu trách nhiệm cho đồng vận chuyển qua màng vi nhung mao. Các nghiên cứu di truyền cho thấy hai gen khác nhau điều hòa đồng vận chuyển Na⁺-glucose, và có bằng chứng từ các nghiên cứu trên động vật cho thấy rằng phần lớn đường được tái hấp thu ở ống lượn gần bởi một chất vận chuyển có độ ái lực thấp, dung tích cao, trong khi phần còn lại được hấp thu ở ống lượn gần thẳng bởi một chất vận chuyển có độ ái lực cao, dung tích thấp. Có ít nhất ba ứng viên khác nhau cho các chất vận chuyển Na⁺-glucose ở thận người này. Bài tổng quan này sẽ tập trung vào các mối quan hệ cấu trúc-chức năng của ba chất vận chuyển này, SGLT1, SGLT2, và SGLT3.

Các nghiên cứu gần đây về dịch tễ học và phân tích kết quả đã làm nổi bật vai trò quan trọng của chấn thương thận cấp (AKI) trong sự tiến triển của bệnh thận mãn tính (CKD) đến bệnh thận giai đoạn cuối (ESRD). AKI làm tăng tốc độ tiến triển ở bệnh nhân bị CKD; ngược lại, CKD làm cho bệnh nhân dễ mắc AKI hơn. Nghiên cứu này xác nhận một triết lý cũ, từng được suy xét kỹ càng rằng sự phục hồi sau AKI thường không hoàn toàn và có dấu hiệu của tổn thương cấu trúc còn sót lại. Nó cũng phản ánh những quan sát thí nghiệm trước đây cho thấy rằng phẫu thuật cắt thận một bên, một sự thay thế cho tổn thất nephrons do bệnh lý, làm suy giảm khả năng phục hồi cấu trúc và làm trầm trọng thêm xơ hóa ống kẽ sau AKI thiếu máu cục bộ. Hơn nữa, việc xem xét một số lượng lớn công trình nghiên cứu về mối quan hệ giữa khối lượng thận giảm, tăng huyết áp và bệnh lý liên quan đến các tình trạng này cho thấy rằng việc điều hòa tự động huyết động học của máu bị suy giảm trong bối cảnh tăng huyết áp, chứng xơ động mạch nhỏ xảy ra và AKI thiếu máu cục bộ tái phát trong các ổ vi thể đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của xơ hóa ống kẽ gia tăng dần dần. Cách mà dinh dưỡng, một yếu tố bổ sung sâu sắc ảnh hưởng đến sự tiến triển của bệnh thận, tác động đến những sự kiện này cần được xem xét lại dựa trên thông tin về ảnh hưởng của calo so với protein và protein động vật so với protein thực vật đối với tổn thương và sự phát triển. Các xem xét dựa trên dữ liệu đã công bố và dữ liệu mới nổi gợi ý rằng một bệnh lý phát triển trong các ống tái sinh sau AKI, được đặc trưng bởi sự thất bại trong phân hóa và hoạt động tín hiệu cao liên tục, là nguyên nhân gần gũi thúc đẩy các sự kiện tiếp theo trong khoang kẽ: viêm, thưa mạch và sự phát triển của nguyên bào sợi. Dựa trên thông tin này, chúng tôi đưa ra một giả thuyết toàn diện về sinh lý bệnh của AKI liên quan đến sự tiến triển của bệnh thận. Chúng tôi thảo luận về các tác động của sinh lý bệnh này đối với việc phát triển các chiến lược điều trị hiệu quả nhằm làm chậm sự tiến triển và ngăn ngừa bệnh thận giai đoạn cuối.

Tiến bộ gần đây trong việc liên kết các thuộc tính chức năng của thành mạch cầu thận với cấu trúc đặc trưng của nó đã được xem xét. Nội mô có lỗ, màng đáy cầu thận (GBM), và các khe lọc biểu mô tạo thành một chuỗi sắp xếp mà trong đó dòng chảy phân kỳ khi đi vào GBM từ các lỗ và hội tụ lại ở các khe lọc. Một mô hình thủy động lực học kết hợp các phát hiện hình học với dữ liệu dòng nước trong GBM cô lập đã dự đoán các độ thấm thủy lực tổng thể phù hợp với các đo đạc in vivo. Sự kháng cự của GBM đối với dòng nước, chiếm khoảng một nửa so với thành mạch, phụ thuộc mạnh vào mức độ mà bề mặt của GBM bị chặn bởi các tế bào. Tần số không gian của khe lọc được dự đoán là một yếu tố rất quan trọng xác định độ thấm thủy lực tổng thể, phù hợp với các quan sát ở một số bệnh cầu thận ở người. Trong khi các trở kháng thủy lực của các lớp tế bào và GBM là cộng dồn, hệ số lọc tổng thể cho một đại phân tử (nồng độ của nó trong không gian Bowman chia cho nồng độ trong huyết tương) là tích của các hệ số lọc cho các lớp riêng lẻ. Các mô hình cho lọc đại phân tử cho thấy rằng các hệ số lọc riêng lẻ bị ảnh hưởng lẫn nhau và bởi tốc độ dòng lọc, đòi hỏi sự cẩn trọng lớn trong việc suy diễn các quan sát in vitro sang động vật sống. Tính chọn lọc về kích thước của cầu thận đã được chứng minh chủ yếu được xác định bởi các lớp tế bào, chứ không phải bởi GBM. Các phát hiện gây tranh cãi liên quan đến tính chọn lọc về điện tích cầu thận đã được xem xét, và kết luận rằng có bằng chứng tốt về vai trò của điện tích trong việc hạn chế sự di chuyển xuyên mạch của albumin. Cũng được thảo luận là hiệu ứng của albumin nhận được ít sự chú ý, đó là có xu hướng tăng các hệ số lọc của các đại phân tử thử nghiệm thông qua các tương tác hình học. Giữa những vấn đề còn chưa được giải quyết là các đóng góp cụ thể của glycocalyx nội mô và diaphagm khe biểu mô đối với tổng thể kháng thủy lực và tính chọn lọc đại phân tử, cũng như cơ sở nano cấu trúc cho các thuộc tính thấm quan sát được của GBM.

Ở người và các mô hình thí nghiệm của thiếu máu thận, các tế bào ống trong nhiều đoạn nephron trải qua cái chết tế bào do hoại tử và/hoặc apoptosis. Nhiều yếu tố, bao gồm sự thiếu hụt nucleotide, mất cân bằng điện giải, các tác nhân oxy phản ứng, endonucleases, sự phá vỡ tính toàn vẹn của ti thể, và việc kích hoạt các thành phần khác nhau của cơ chế apoptotic, đã được đề cập đến trong khả năng tổn thương tế bào thận. Nhiều phương pháp nhằm hạn chế tổn thương và gia tăng quá trình tái sinh, bao gồm việc bổ sung nucleotide, cung cấp các yếu tố tăng trưởng, các chất dọn dẹp oxy phản ứng, và ức chế các tác nhân gây ra và thực hiện cái chết tế bào, đã chứng tỏ hiệu quả trong các mô hình động vật. Tuy nhiên, một phương pháp hiệu quả để giới hạn hoặc ngăn ngừa tổn thương thận do thiếu máu ở người vẫn còn khó khăn, chủ yếu vì sự thiếu hiểu biết về các cơ chế gây tổn thương tế bào. Việc làm sáng tỏ các con đường chết tế bào trong các mô hình động vật trong bối cảnh tổn thương thận và suy diễn các phát hiện đó cho người sẽ giúp thiết kế các chiến lược điều trị tiềm năng. Bài đánh giá này xem xét sự hiểu biết của chúng tôi về các sự kiện tín hiệu phân tử trong cái chết tế bào do apoptosis và hoại tử cũng như sự đóng góp của các thành phần phân tử khác nhau của những con đường này đối với tổn thương thận.

Các khớp chặt (TJ) điều chỉnh tính chọn lọc điện tích ion qua trung gian tế bào và độ dẫn điện trong các mô biểu mô và dòng tế bào. Các thuộc tính này khác nhau giữa các loại mô biểu mô, và bằng chứng gần đây cho thấy các claudin, một họ protein xuyên màng của TJ, là những yếu tố quan trọng quyết định cả hai đặc tính này. Để kiểm tra giả thuyết rằng mỗi claudin sẽ góp phần vào sự phân biệt điện tích của TJ, chúng tôi đã biểu hiện claudins-2, -4, -11 và -15 trong cả hai dòng tế bào Madin-Darby thận chó (MDCK) II chọn lọc cation và tế bào LLC-PK₁ chọn lọc anion, và xem xét sự thay đổi trong điện trở xuyên biểu mô (TER) và tính chọn lọc điện tích qua trung gian tế bào. Việc điều chỉnh biểu hiện và định vị đã được xác minh bằng phân tích immunoblot và kính hiển vi huỳnh quang, tương ứng. Biểu hiện của claudin-4 đã làm tăng TER ở cả hai dòng tế bào, trong khi ảnh hưởng của các claudin khác đến TER có sự biến thiên. Claudin-4 và -11 đã làm giảm tính thấm qua trung gian tế bào đối với Na⁺ trong các tế bào MDCK II, trong khi claudin-2 và -15 không có tác động. Ngược lại, trong các tế bào LLC-PK₁, claudin-2 và -15 đã làm tăng tính thấm đối với Na⁺, trong khi claudin-4 và -11 không có tác động. Chúng tôi kết luận rằng sự đóng góp của mỗi claudin được phát hiện một cách dễ dàng nhất khi nó đảo ngược hướng chọn lọc điện tích của lớp đơn. Các kết quả này phù hợp với mô hình mà trong đó các claudin ngoại lai tạo thêm các lỗ chân lông chọn lọc điện tích mới, dẫn đến hình thái sinh lý kết hợp các đóng góp nội tại và ngoại lai. Hơn nữa, có khả năng giải thích hướng chọn lọc điện tích mà từng claudin áp đặt dựa trên các hiệu ứng tĩnh điện của các axit amin mang điện trong các vòng ngoại bào đầu tiên của chúng.

Các protein FXYD thuộc về một gia đình protein màng nhỏ. Bằng chứng thực nghiệm gần đây cho thấy ít nhất năm trong số bảy thành viên của gia đình này, FXYD1 (phospholemman), FXYD2 (chuỗi γ của Na-K-ATPase), FXYD3 (Mat-8), FXYD4 (CHIF) và FXYD7, là các tiểu đơn vị bổ trợ của Na-K-ATPase và điều chỉnh hoạt động của Na-K-ATPase theo từng mô và isoform cụ thể. Những kết quả này làm nổi bật sự phức tạp trong việc điều chỉnh việc xử lý Na⁺ và K⁺ bởi Na-K-ATPase, điều này cần thiết để đảm bảo các chức năng mô phù hợp như tái hấp thu Na⁺ của thận, tính co bóp của cơ và sự hưng phấn của nơron. Hơn nữa, một đột biến trong FXYD2 đã được liên kết với các trường hợp giảm magiê ở người, cho thấy rằng những rối loạn trong việc điều chỉnh Na-K-ATPase bởi các protein FXYD có thể liên quan đến các trạng thái bệnh lý. Một sự hiểu biết tốt hơn về cơ chế điều chỉnh mới này của Na-K-ATPase nên giúp tìm hiểu thêm về vai trò của nó trong các trạng thái bệnh lý. Tổng quan này tóm tắt các kiến thức hiện tại về vai trò của các protein FXYD trong việc điều chỉnh Na-K-ATPase cũng như các protein khác, sự điều chỉnh của chúng và mối quan hệ cấu trúc-chức năng của chúng.

Sự mất mát tế bào biểu mô tạng cầu thận (podocytes) đã được liên kết với sự phát triển của xơ hóa cầu thận và mất chức năng thận. Tính khả thi của podocytes thu được từ nước tiểu của các đối tượng mắc bệnh cầu thận và các đối tượng lành mạnh đã được điều tra thông qua việc loại trừ iod propidium và nhuộm TUNEL. Mất mát podocytes được định lượng bằng kỹ thuật cytospin. Hành vi phát triển trong môi trường nuôi cấy của các tế bào trong nước tiểu và sự biểu hiện của các dấu hiệu đặc hiệu đã được xét nghiệm. Phần lớn podocytes trong nước tiểu vẫn còn khả thi, mặc dù sự apoptosis xảy ra trong khoảng một nửa số tế bào. Bệnh nhân mắc bệnh cầu thận cấp tính tiết ra tới 388 podocytes/mg creatinine, trong khi đó các đối tượng lành mạnh và bệnh nhân có bệnh ở thể ngủ thường tiết ra <0.5 podocytes/mg creatinine. Danh tính của các tế bào nuôi cấy đã được xác nhận thông qua hình thái, hành vi phát triển và biểu hiện các dấu hiệu đặc hiệu của podocyte. Sự khác biệt trong hành vi phát triển giữa các đối tượng lành mạnh và những người mắc bệnh cầu thận cấp tính gợi ý rằng trong bệnh cấp tính, các podocytes sống sẽ tách rời khỏi cụm cầu thận do các yếu tố môi trường tại chỗ, thay vì do các khiếm khuyết ở chính các podocytes, trong khi đó ở những cá thể khỏe mạnh, chủ yếu là các podocytes lão hóa được thải ra.