Острое почечное повреждение (ОПП) представляет собой сложный патофизиологический процесс с развитием окислительного стресса, воспалительной реакцией и повреждением клеток канальцев. Проявления повреждения клеток обычно достигают пика через 2–3 дня после воздействия травмирующего агента, при этом клетки теряют целостность цитоскелета и полярность, что приводит к изменению локализации мембранных белков, снижению контроля ионного потока и нарушению межклеточных связей [1].

Механизм гибели клеток канальцев определяется типом повреждения, его интенсивностью, дозой, продолжительностью и сопутствующими условиями. Каждый механизм имеет четкие морфологические характеристики и биохимические особенности. Наиболее изученные варианты гибели клеток почек, ассоциированные с ОПП: апоптоз, множественные формы «регулируемого» некроза (также называемые некроптозом) и аутофагия [2]. Аутофагия – внутриклеточный путь деградации, ответственный за поддержание клеточного гомеостаза. Это индуцибельный регулируемый процесс, который определяет выживание клеток или их смерть при заболеваниях почек. На ранних стадиях апоптоза и аутофагии целостность и морфология клеточных мембран в основном сохраняются, при некрозе же происходит разрушение клеток. Некротизированные клетки высвобождают внутриклеточное содержимое, включая органеллы, проиммуногенные компоненты, такие как Ca2+, АТФ, ДНК, РНК, амфотерин и цитокины. Эти факторы повреждения в совокупности упоминаются как молекулярные паттерны, ассоциированные с повреждением (DAMP), и играют существенную роль в повреждении почки [3].

Поскольку почка фильтрует плазму с высокой скоростью (~150 мл/мин), канальцевый эпителий подвергается воздействию циркулирующих DAMP и патогенассоциированных молекулярных паттернов (PAMP). Контакт DAMP и PAMP с клетками канальцев приводит к активации иммунного ответа. Воспалительные цитокины вместе с некоторыми DAMP (гистоны, амфотерин, ДНК и РНК, белки теплового шока, белки S100, ферменты из поврежденных лизосом) или PAMP распознаются связанными с плазматической мембраной Toll-подобными рецепторами (TLR) и служат в качестве первичного сигнала [4]. TLR2 и -4 активируются в почечных эпителиальных клетках при ишемии и инициируют приток различных иммунных клеток, таких как полиморфно-ядерные лейкоциты, лимфоциты, дендритные клетки и макрофаги, в поврежденный интерстиций (провоспалительная фаза). Этот этап также активирует ядерный транскрипционный фактор NF-κB, индуцирующий экспрессию преформ провоспалительных факторов, таких как проинтерлейкин (IL) 8 и про-IL-1β. Идентифицировано несколько индукторов вторичных сигналов для активации воспалительных реакций, таких как реактивные формы кислорода (ROS) из поврежденных органелл (митохондрий), ионы K+ и поврежденные лизосомы. Вторичный сигнал приводит к образованию внутриклеточного многобелкового комплекса. Комплекс включает три основных компонента: сенсор, адаптер и провоспалительную каспазу. Белки сенсора состоят из внутриклеточного NOD-подобного рецептора, также известного как NLRP (наиболее изучен NLRP3). Активация NLRP3 происходит в иммунных клетках, в меньшей степени – в клетках канальцев и подоцитах. Воспаление становится причиной избыточной экспрессии и олигомеризации NLRP3, рекрутирования адаптера – цитозольного белка ASC и фермента прокаспазы-1. Это приводит к активации каспазы-1, а также к секреции цитокинов, включая IL-1β, -18 и -33 [5, 6].

Предполагается, что клетки проксимальных канальцев могут распознавать PAMP и секретировать в просвет цитокины, которые в свою очередь воздействуют на эпителий канальцев дистальных отделов нефрона. Установлено, что высокие концентрации цитокинов связаны с медленным восстановлением почек после повреждения и смертностью среди пациентов с ОПП. Важно отметить, что у мышей с предшествовавшими эпизодами ОПП или предварительной обработкой липополисахаридом продемонстрирована возможность репрограммирования эпителия канальцев, что приводило к состоянию гиперчувствительности к воспалительным стимулам (PAMP или DAMP). Это показывает, что, подобно иммунным клеткам, эпителий канальцев может формировать иммунологическую память [7, 8].

Индукция воспаления при ОПП связана с перепрограммированием метаболизма эпителия канальцев – сдвигом метаболизма к аэробному гликолизу, снижением уровня АТФ и повреждением митохондрий в клетках почек. В данных обстоятельствах активируется метаболический путь Варбурга, преимущество которого над окислительным фосфорилированием заключается в том, что, несмотря на меньшую энергетическую эффективность, аэробный гликолиз может обеспечить достаточную энергию для выживания клеток и сохранения их компонентов, таких как жирные кислоты, аминокислоты и нуклеотиды, необходимых для выполнения клеточных функций, в том числе митоза [9]. В модели индуцированного липополисахаридом сепсиса гены окислительного фосфорилирования избирательно подавлялись в острой фазе вызванного воспалением ОПП, в случае восстановления ренальной функции восстанавливалась и функция генов [10, 11].

Переключение метаболизма канальцевого эпителия на аэробный гликолиз может повысить способность клетки справляться с окислительным повреждением, снижая интенсивность окислительного фосфорилирования, выработку митохондриями активных форм кислорода, и активировать пентозофосфатный путь, основной источник НАДФН, который регенерирует восстановленный глутатион, необходимый для элиминации митохондриальной H2O2. Ранняя индукция аэробного гликолиза обеспечивает клетке возможность модулировать воспалительные реакции и сигналы и, возможно, готовить другие клетки к воспалительной травме, ограничивая окислительное повреждение, одновременно генерируя энергию, достаточную для жизнеобеспечения клетки [12].

Описанные механизмы активации врожденного иммунитета в ответ на повреждение почек и связанные с ними метаболические реакции в значительной степени зависят от функции и реакции на травму митохондрий. Из-за высокого спроса на энергию клетки почечных канальцев богаты митохондриями, их реабсорбционная функция в значительной степени зависит от нормального митохондриального окислительного фосфорилирования для выработки АТФ в качестве источника энергии. Различные сегменты нефронов имеют разные энергетические потребности и, следовательно, количество митохондрий; самая высокая плотность митохондрий определяется в проксимальном канальце. Митохондрии подвергаются резким морфологическим и функциональным изменениям во время стресса и травм. Было продемонстрировано, что потеря потенциала внутренней мембраны митохондрий и изменения их морфологии (набухание и фрагментация) происходят немедленно (в течение 2 мин) и связаны с быстрым (в течение 10 мин) разрушением мембран и высвобождением апикальных структур проксимальных канальцев и содержимого цитозоля во время ишемического повреждения [13, 14]. Нарушение митохондриального гомеостаза служит ключевым фактором повреждения канальцев при ОПП и характеризуется митохондриальным окислительным стрессом, уменьшением выработки АТФ [15]. Травма митохондрий почечных клеток происходит на ранней стадии воспаления и связана с повреждением в результате генерации ROS [16]. ROS конститутивно вырабатываются в транспортной цепи митохондриальных электронов и оксидаз, распределенных в субклеточных компартментах, например в оксидазе НАДФН (цитоплазма, плазматическая мембрана, ядро), ксантиноксидазе (цитоплазма), сульфгидрилоксидазе (ядро), тиооксидазе (плазматическая мембрана) и в моноаминоксидазе (наружная мембрана митохондрий) [17]. В настоящее время имеются доказательства того, что основным источником ROS в почках служат ферменты семейства NOX. Около 4% общего потребляемого кислорода превращается в супероксидные радикалы. Как и во всех других органах/тканях, РОС не только играют важную роль в почечной биологии и физиологии, но и способствуют острой и хронической почечной травме [18, 19]. Существует несколько путей, опосредующих передачу ROS-эффектов на клеточные процессы. Они включают прямое и непрямое окисление макромолекул (липидов, ДНК и белков), модуляцию протеинкиназ, белковых тирозинфосфатаз и факторов транскрипции [17, 20]. Сообщалось об изменениях активности протеинкиназы С (PKC) и сигнальных путей трансформирующего ростового фактора-β1 (TGF-β1), NF-κB и ядерного респираторно фактора-2 (NRF2) с помощью ROS в клубочковых клетках и клетках канальцев [21, 22]. Хотя такая реакция – потенциальный индуктор апоптоза, апоптотический ответ митохондрий в канальцевом эпителии при воспалении не выражен [23]. Эпителий канальцев способен распознавать и удалять дисфункциональные митохондрии из цитозоля путем активации специализированной разновидности аутофагии – митофагии [16]. Для персистенции воспаления необходимо пополнение пула функционирующих митохондрий, их повреждение индуцирует восстановительный процесс (биогенез). Этот процесс активируется монооксидом углерода (СО) посредством активации NRF1, NRF2 и коактиватора рецептора пролиферации пероксисом (PGC-1α) [24].

Активация аутофагии может потребоваться во время ранней гликолитической фазы, чтобы уменьшить продукцию АФК, окислительное форсорилирование и потребление кислорода за счет уменьшения массы митохондрий и ограничить повреждение клеток, тогда как восстановление функционального пула митохондрий посредством биогенеза может потребоваться для репарации органов. Селективное и своевременное удаление дисфункциональных митохондрий, митофагия, имеет решающее значение для поддержания энергетического гомеостаза и предотвращения высвобождения иммуногенных биомолекул DAMP и ROS. Аутофагия играет двойную роль – ренопротекторную и повреждающую в зависимости от фазы и условий повреждения. Чтобы аутофагия оставалась ренопротективной, продолжительность ишемии не должна превышать 60 мин. В этом случае аутофагосомы секвестрируют поврежденные органеллы, такие как митохондрии, эндоплазматический ретикулум и рибосомы, предотвращают последующее высвобождение ROS и гибель клеток. Чрезмерная аутофагия вызывает деградацию поврежденных органелл и может индуцировать повреждение тканей и смерть клеток. Таким образом, аутофагия – это процесс, зависящий от времени и контекста, способный смещать баланс от «выживания» до «повреждения» в зависимости от степени окислительного стресса [25].

Митохондрии не только важны для выработки энергии, но и являются высокодинамичными органеллами с постоянным слиянием и делением. Эти процессы необходимы для сохранения размера, строения, биогенеза энергии, поддержания клеточного гомеостаза и регулируются сложным взаимодействием между белками деления (Drp1 и Fis1) и слияния (Mfn1, Mfn2 и OPA1). Кроме того, митохондриальный гомеостаз также зависит от энергетического статуса, гомеостаза Ca2+, окислительного стресса и взаимодействия белков семейства Bcl-2 [26]. Во время ОПП в митохондриальной динамике превалирует состояние, описанное как «фрагментация митохондрий», что приводит к гибели клеток. Было показано, что снижение функции митохондрий и повреждение мембран клеток канальцев сохраняются в течение 6 дней после ишемического повреждения. Подавление фрагментации митохондрий с помощью ингибитора белка митохондриального деления Drp1 уменьшает симптомы индуцированного ишемией экспериментального ОПП. Почечные клетки с повышенной экспрессией сиртуина 3 (Sirt3), главного регулятора метаболизма митохондрий и окислительного стресса, способны лучше противостоять воздействию факторов, вызывающих ОПП за счет увеличения синтеза митохондрий [27].

После прекращения воздействия факторов, инициировавших ОПП, активируются механизмы репарации, от эффективности которых зависит размер необратимого ущерба для функционального состояния и структуры почек. Во время фазы восстановления после ОПП происходит смена микроокружения – фенотип макрофагов меняется на трофический фенотип, макрофаги становятся противовоспалительными (или провосстановительными). Этот процесс восстановления, связанный с макрофагами, определяет прогрессирование или разрешение воспаления и выраженность интерстициального фиброза [28].

Клетки канальцев способны регенерировать после легких повреждений, однако тяжелые или повторные травмы приводят к стойким изменениям структуры и функции почечной ткани. Повреждения вызывают гибель клеток, остановку клеточного цикла, митохондриальную дисфункцию и дефекты окисления жирных кислот, что приводит к фибротическим фенотипическим изменениям. Снижение плотности капилляров, активация интерстициальных фибробластов и миофибробластов и эпителиально-мезенхимальная трансформация (ЭМТ) стимулируют развитие инстерстициального фиброза и, следовательно, хронической болезни почек (ХБП) [29].

Длительное воздействие повреждающих факторов и персистирующее воспаление связаны с дисфункцией органов, поэтому способность ограничивать воспалительную реакцию так же важна, как и способность формировать иммунный ответ. Невозможность переключить метаболизм из аэробного гликолиза на окислительное фосфорилирование связана с хроническим воспалением и нарушением восстановления органов. Переход от ранней анаболической гликолитической фазы к адаптивной катаболической фазе, в которой метаболизм перепрограммирован в сторону окислительного фосфорилирования и экономии энергии, опосредован действием Sirt1 и Sirt6. Sirt6 выступает в качестве антагониста фактора, индуцируемого гипоксией (HIF-1α) путем выключения генов, которые кодируют ключевые гликолитические ферменты, а Sirt1 деацетилирует PGC-1α, промотор окисления жирных кислот, окислительного фосфорилирования и биогенеза. Ранний переход к гликолизу необходим для своевременного стресс-ответа, но неспособность восстановить окисление жирных кислот и окислительное фосфорилирование могут приводить к прогрессированию фиброза и развитию ХБП [30].

Развитие фиброза после повреждения канальцев опосредовано реакцией фибро- и миофибробластов. Фибробласты представляют собой мезенхимальные клетки, обычно присутствующие в почечном интерстиции. Миофибробласты являются «активированными» клетками, связанными с развитием патологии, и обладают повышенной способностью к выработке внеклеточного матрикса (ВКМ) и сократительным фенотипом, связанным с экспрессией α-гладкомышечного актина (α-SMA). Предшественниками миофибробластов служат резидентные интерстициальные фибробласты, перициты, циркулирующие фиброциты, эндотелиальные клетки и эпителий канальцев [31].

Вероятнее всего, эпителий канальцев подвергается «частичной» ЭМТ, вследствие чего приобретает мезенхимальные признаки без полной конверсии в мезенхимальные клетки. Установлено, что канальцевоспецифическая экспрессия транскрипционных факторов Snai1 или Twist1 вызывает ЭМТ и продукцию профибротических факторов. Эти факторы, вероятно, оказывают паракринное действие на фибробласты, способствуя их превращению в миофибробласты и вызывая почечный фиброз, что свидетельствует о важности перекрестных взаимодействий между этими клетками и канальцами [32].

Хотя полный ЭМТ не доказан, нет сомнений в том, что в поврежденных почках происходит некоторая форма «эпителиально-мезенхимной связи» (ЭМС). Эта связь опосредуется растворимыми факторами, действующими эндо- или паракринным путем. TGF-β1 является наиболее важным растворимым медиатором почечного фиброза. TGF-β1 связывается с рецептором TGF-β типа II, в свою очередь активирующим рецептор I типа. Этот комплекс приводит к фосфорилированию и активации транскрипционных модуляторов Smad2 и Smad3, которые транслоцируются в ядро для повышения активности генов-мишеней (например, коллагена). Существует латентная форма TGF-β1, которая повышает активность Smad7 для ингибирования этого пути и имеет антифибротический эффект [33].

Почечные канальцы продуцируют TGF-β1 во время повреждения. Экспрессия как ангиотензина II, так и Snai1 индуцирует продукцию TGF-β1 в клетках канальцев [32]. После гипоксического повреждения в эпителиальных клетках останавливается клеточный цикл в фазе G2/M, и эти клетки продуцируют большие количества TGF-β1. Увеличение внутриканальцевого давления, которое может возникать при обструкции мочевых путей, служит еще одним индуктором данного сигнального пути. Следует отметить, что фибробласты и иммунные клетки также продуцируют TGF-β1. Он является мощным митогеном для фибробластов и вызывает трансформацию в миофибробласты [33], апоптоз клеток канальцев и индуцирует программу ЭМТ, что приводит к почечному фиброзу [34].

В развитии почечного фиброза и ХБП после повреждения почек существенную роль отводят нескольким сигнальным путям, длительность действия, активация и подавление которых, а также взаимодействие про- и антифибротических механизмов передачи сигналов определяют возможность восстановления почечной структуры и функции. Наиболее изучены сигнальные пути Wnt/β-catenin, Hedgehog (Hh) и роль в развитии почечного фиброза матриксной металлопротеиназы 7 (MMP7), ренин-ангиотензиновой системы (RAS) и фактора роста гепатоцитов (HGF).

Путь Wnt/β-catenin необходим для нормального органогенеза почек. Будучи неактивным в нормальных взрослых почках, этот путь реактивируется после различных травм. Во время передачи Wnt-сигналов мультибелковый комплекс, включающий β-catenin, диссоциирует, что приводит к высвобождению β-catenin, накоплению его в цитоплазме и ядерной транслокации, где β-catenin играет роль регулятора транскрипции. Передача сигналов Wnt/β-catenin позволяет запускать клеточный цикл посредством регуляции циклина D1 и циклина A. Это имеет важные последствия в зависимости от того, является ли клетка-мишень эпителиальной клеткой в состоянии регенерации или фибробластом, стимулирующим фиброз. β-catenin также усиливает экспрессию MMP7. Эта протеаза способна активировать Fas-лиганд на фибробластах, что приводит к регулируемому удалению фибробластов после ОПП через апоптотическую гибель клеток после прекращения повреждения [35].

В отличие от положительного эффекта при острых травмах устойчивая активация Wnt/β-catenin приводит к фиброзу при хронических повреждениях. Например, у мышей с принудительной сверхэкспрессией Wnt в проксимальных канальцах развился интерстициальный фиброз, связанный с активацией миофибробластов и увеличением генерации ВКМ [36]. При обструктивной травме Wnt индуцировал дифференцировку миофибробластов [37]. TGF-β и фактор роста соединительной ткани (CTGF) также способны непосредственно повышать активность Wnt/β-catenin [38, 39]. Длительность передачи сигналов Wnt/β-catenin является ключевым аспектом ее как полезной, так и патологической роли. При умеренном саморазрешающемся ОПП из-за ишемии-реперфузии Wnt/β-catenin кратковременно активируется, что связано с выздоровлением и благоприятным исходом. Между тем после индукции более тяжелого ОПП с более длительным ишемическим периодом активность Wnt/β-катенин сохраняется, что приводит к развитию фиброза почек [37, 38].

MMP7, выполняющая защитную функцию при ОПП, по-видимому, способствует развитию ХБП, поскольку может расщеплять эпителиальный кадгерин (E-cadherin) в клетках канальцев, что приводит к нарушению целостности эпителиальных клеток и приобретению мезенхимального фенотипа. Пролонгированное воздействие MMP7 также, по-видимому, регулировало активность β-catenin как в почечном эпителии, так и в фибробластах, формируя цепь положительной обратной связи, усугубляющую повреждение. Индуктор ЭМТ Snail1 также служит мишенью β-catenin, а фармакологическая блокада β-catenin деактивирует Snail1 и предотвращает фиброз. Эти данные в совокупности свидетельствуют о том, что Wnt/β-catenin опосредует ЭМТ между эпителиальными клетками и фибробластами на всех стадиях повреждения почек [40].

Передача сигналов Hedgehog (Hh), схожая с Wnt/β-catenin, ключевая для регуляции органогенеза. Наиболее изученным Hh-лигандом являются sonic Hh (Shh). Он связывается с рецептором клеточной поверхности Ptch1, что приводит к активации факторов транскрипции Gli. Передача сигналов Shh приводит к повышению активности Snail1, выработке коллагена, десмина, фибронектина и α-SMA. Hh-лиганды преимущественно продуцируются клетками канальцев, а фибробласты или фибробластоподобные клетки служат мишенью. Клетки канальцев активируют Shh также после повреждения почек, включая ишемию – реперфузию, резекцию почки, обструкцию мочеточника и воздействие адриамицина [41].

RAS – еще один медиатор хронических заболеваний и фиброза. Это система, включающая несколько компонентов, таких как ангиотензиноген, ренин, ангиотензинпревращающий фермент и два рецептора ангиотензина (AT1R и AT2R). Почка при патологических состояниях может самостоятельно продуцировать все эти компоненты. Общий эффект является профибротическим и повреждающим и, по-видимому, опосредуется активацией TGF-β1. Концентрация ангиотензиногена, ренина, ингибитор ангиотензинпревращающего фермента и АТ1R повышалась в почечных канальцах во время травмы с зависимостью от Wnt/β-catenin пути. AT1R также экспрессируется в почечных фибробластах, что указывает на то, что ангиотензин II опосредует ЭМТ. Фибробласты, подвергшиеся воздействию ангиотензина II, увеличивают генерацию ВКМ и пролиферативную способность. Сигнализация через AT1R также приводит к усилению инфильтрации фиброцитами поврежденных почек. Наконец идентификация и характеристика рецептора проренина в эпителии дистальных канальцев, который может связывать ренин, также указывают на аутокринную сигнализацию в RAS. RAS может взаимодействовать с другими путями, поскольку активность рецептора проренина усиливает передачу сигналов Wnt [42, 43].

В качестве компонента системы антифибротической защиты изучается фактор роста гепатоцитов (HGF) – ренопротективный белок, который во взрослых тканях вырабатывается главным образом в мезенхимальных клетках. HGF связывается с рецептором c-met клеток канальцев и фибробластов, что приводит к аутофосфорилированию рецепторов и передаче сигнала. Эффекты активации c-met включают выживание клеток, пролиферацию, дифференцировку и миграцию. При ОПП происходит паракринная сигнализация, так как c-met индуцируется в почечных канальцах, а специфический нокдаун этого рецептора усугубляет повреждение почки [44]. При фиброзе HGF способен снижать выделение провоспалительных цитокинов клетками канальцев. Он также оказывает аутокринное антифибротическое действие на фибробласты, в первую очередь воздействием на сигнализацию TGF-β, способен индуцировать апоптоз фибробластов, подавлять TGF-β, экспрессию коллагена в фибробластах и блокировать активность Smad2/3. HGF способствует уменьшению почечного фиброза после обструкции, резекции почки, инфузии ангиотензина II и при диабете, а в некоторых случаях уменьшалась выраженность уже начавшегося фиброза [45].

В нормальных условиях оборот клеток канальцев медленный, однако после травмы этот показатель переключается в режим быстрой пролиферации. Происхождение клеток, которые инициируют программу репарации, обсуждается. Недавние исследования подтверждают, что эпителиальные клетки дедифференцируются после травмы, мигрируют вдоль базальной мембраны, приобретая характеристики стволовых клеток, размножаются для восстановления пула утраченных клеток и дифференцируются [46]. По-видимому, для эффективной регенерации почек требуется противовоспалительный эффект макрофагов [28]. Кроме того, циркулирующие стромальные клетки, имеющие костномозговое происхождение, могут облегчить процесс восстановления через опосредуемый микровезикулами паракриный эффект, выражающийся в передаче белков, рецепторов, мРНК, микро-РНК и органелл. Микровезикулы индуцируют экспрессию антиапоптотических генов в клетках почечных канальцев, включая Bcl2, одновременно подавляя проапоптотические гены, такие как Casp1, Casp8 и LTA. Таким образом, микровизикулы опосредуют антиапоптотический фенотип, необходимый для восстановления ткани. Наряду с этим микровезикулы стимулируют пролиферацию почечных клеток, индуцируя фосфорилирование и последующую активацию ERK (один из сигнальных путей митогенактивируемой протеинкиназы) [47].

Фиброз – ключевой процесс при ХБП, развивающейся из-за неадаптивного восстановления после ОПП [1]. Провоспалительные и профибротические факторы высвобождаются поврежденным эпителием и иммунными клетками, что способствует активации фибробластов и миофибробластов, прогрессивному накоплению белков интерстициального матрикса, необратимому фиброзу и постепенной потере нефронов [48].