N-acetylocysteina chroni mitochondria serca w przewlekłej chorobie nerek

Jak zaprojektowano nowatorskie badanie z użyciem modelu 5/6 nefrektomii?

Badanie eksperymentalne przeprowadzone na modelu zwierzęcym 5/6 nefrektomii u szczurów Wistar oceniło wpływ N-acetylocysteiny (NAC) na rozwój zespołu sercowo-nerkowego typu 4 (CRS-4). Naukowcy zastosowali model 5/6 nefrektomii, który obejmował jednostronną nefrektomię prawą z selektywnym zawałem około 2/3 części lewej nerki, co pozwoliło na wywołanie przewlekłej choroby nerek (CKD) u badanych zwierząt.

Badana populacja obejmowała 78 samców szczurów Wistar podzielonych na cztery grupy eksperymentalne: grupa kontrolna (SHAM), grupa z 5/6 nefrektomią (NX), grupa NX otrzymująca NAC (NX+NAC) oraz grupa otrzymująca wyłącznie NAC bez interwencji chirurgicznej. W grupach otrzymujących NAC podawano doustnie dawkę 600 mg/kg/dzień, rozpoczynając od 15. dnia po operacji i kontynuując przez 45 dni, aż do dnia 60. Wybór momentu rozpoczęcia podawania NAC był podyktowany faktem, że już po 15 dniach od operacji u szczurów z modelem NX występowała mocznica i systemowy stres oksydacyjny.

Czy NAC poprawia parametry sercowo-nerkowe?

Wyniki badania wykazały, że podawanie NAC podczas rozwoju CKD nie wpłynęło znacząco na poprawę parametrów nerkowych (klirens kreatyniny, BUN, proteinuria), jednak istotnie zmniejszyło nadciśnienie tętnicze wywołane przez CKD. U szczurów z grupy NX zaobserwowano znaczny wzrost ciśnienia skurczowego (194 ± 3,6 mmHg), podczas gdy w grupie NX+NAC ciśnienie było istotnie niższe (166 ± 3,87 mmHg). Ponadto NAC poprawiło częstość akcji serca, która była obniżona w grupie NX, oraz zmniejszyło stopień zwłóknienia mięśnia sercowego z 16,22% w grupie NX do 6,35% w grupie NX+NAC.

Badanie echokardiograficzne przeprowadzone po 60 dniach od nefrektomii wykazało, że grupa NX charakteryzowała się znacznym obniżeniem częstości akcji serca (HR) w porównaniu do grupy SHAM, natomiast nie zaobserwowano zmian w stosunku masy serca do długości kości piszczelowej, frakcji wyrzutowej (EF%), grubości tylnej ściany lewej komory (LVPW), przegrody międzykomorowej (IVS), wymiaru lewej komory w końcowej skurczu (LVDs) i rozkurczu (LVDd). Grupa NX+NAC wykazała wyraźną poprawę HR w porównaniu do grupy NX.

Jak NAC wpływa na funkcje i ultrastrukturę mitochondriów?

Najważniejszym odkryciem badania były korzystne efekty NAC na funkcję mitochondrialną w mięśniu sercowym. U szczurów z CKD zaobserwowano znaczne upośledzenie fosforylacji oksydacyjnej (OXPHOS) w mitochondriach serca, co objawiało się obniżonymi parametrami oddechowymi (stany S3, S4o, P i RCI) oraz zmniejszoną aktywnością kompleksów I, II i IV łańcucha oddechowego. Podawanie NAC skutecznie zapobiegło tym zaburzeniom, przywracając prawidłową funkcję mitochondrialną i zmniejszając rozprężenie mitochondriów. Dodatkowo NAC znacząco zmniejszyło produkcję nadtlenku wodoru (H₂O₂) w mitochondriach serca, szczególnie w stanie S3 oddychania mitochondrialnego.

Analiza ultrastrukturalna za pomocą mikroskopii elektronowej transmisyjnej (TEM) wykazała, że w porównaniu z grupami SHAM i NAC, które wykazywały owalne, średniej wielkości mitochondria z dobrze zachowanymi grzebieniami, kardiomiocyty w grupie NX charakteryzowały się zdezorganizowanymi, małymi, sferycznymi mitochondriami z pofragmentowanymi grzebieniami. Natomiast w grupie NX+NAC zaobserwowano długie, pozornie połączone mitochondria z częściowo zachowanymi grzebieniami, co potwierdza wpływ NAC na zachowanie ultrastruktury mitochondrialnej.

Jak NAC modyfikuje szlaki redoks i deacetylację w mitochondriach?

Badacze wykazali, że mechanizm ochronny NAC związany jest z regulacją stanu redoks w mitochondriach serca. NAC selektywnie zwiększało poziomy glutationu (GSH) w mitochondriach serca, jednocześnie przywracając prawidłowy poziom S-glutationylacji (RS-SG) białek mitochondrialnych, co chroni przed nadmierną oksydacją. W badaniu zaobserwowano, że poziomy GSH, GSSG i GSH+GSSG były znacząco podwyższone w izolowanych mitochondriach serca grupy NX+NAC, sugerując selektywną regulację przez NAC mitochondrialnego GSH.

Ponadto NAC przywracało równowagę NAD⁺/NADH, zmniejszając poziomy NADH, które były podwyższone w grupie NX. Poziomy NADH były znacząco zwiększone w grupie NX w porównaniu do grupy SHAM (192 ± 45 vs. 93 ± 12), podczas gdy w grupie NX+NAC poziomy NADH znacząco spadły (69 ± 17), zbliżając się do wartości w grupie SHAM, a stosunek NAD⁺/NADH wzrósł (8 ± 1,4). W konsekwencji, NAC zmniejszało również acetylację białek mitochondrialnych.

Istotnym elementem mechanizmu działania NAC była także regulacja szlaku AMPK-SIRT3-SOD2. W grupie NX+NAC zaobserwowano zwiększone poziomy fosforylowanej AMPK i SIRT3 (deacetylazy mitochondrialnej) w porównaniu z grupą NX. Co więcej, mimo braku zmian w poziomie białka SOD-2, jego aktywność enzymatyczna była znacząco wyższa w grupie NX+NAC, co sugeruje, że NAC poprawia aktywność SOD-2 poprzez regulację deacetylacji zależnej od SIRT3.

Czy NAC może stać się skutecznym uzupełnieniem terapii u pacjentów z CKD?

Badanie wykazało również, że w grupie NX+NAC poziomy białka podjednostki modyfikującej syntazy glutamylocysteinowej (GCLM) znacząco wzrosły, co sugeruje zwiększoną aktywność GCL i prawdopodobnie zwiększoną syntezę GSH w tkance sercowej. Ponadto aktywność glutationu peroksydazy (GPx), która była znacząco zmniejszona w grupie NX, została przywrócona w grupie NX+NAC, co wskazuje na regulację utleniania GSH przez NAC.

Warto podkreślić, że NAC nie tylko wpływał na parametry biochemiczne, ale także na markery uszkodzenia serca. Poziomy troponiny T (TnT) w osoczu były znacząco podwyższone w grupie NX w porównaniu do grupy SHAM, ale częściowo obniżone w grupie NX+NAC. Podobnie, poziomy prozapalnej cytokiny interleukiny-1β (IL-1β) były podwyższone w sercu szczurów z grupy NX i obniżone w grupie NX+NAC, sugerując przeciwzapalny efekt NAC na serce.

Wyniki badania sugerują, że długoterminowe podawanie NAC może stanowić potencjalną strategię terapeutyczną w leczeniu zaburzeń mitochondrialnych i sygnalizacji redoks w CRS-4. Mimo że NAC nie poprawiło funkcji nerek w zaawansowanym CKD, wykazało znaczące korzyści dla serca poprzez ochronę funkcji mitochondrialnej, zmniejszenie stresu oksydacyjnego i poprawę parametrów hemodynamicznych. Badanie podkreśla znaczenie mitochondriów jako potencjalnego celu terapeutycznego w chorobach sercowo-nerkowych.

Odkrycia te otwierają nowe możliwości w leczeniu powikłań sercowo-naczyniowych u pacjentów z CKD, sugerując, że NAC mogłoby być stosowane jako terapia uzupełniająca do standardowych metod leczenia przewlekłej choroby nerek, takich jak leki przeciwnadciśnieniowe, inhibitory konwertazy angiotensyny, blokery receptora angiotensyny, inhibitory kotransportera sodowo-glukozowego i statyny.

Podsumowanie

Badanie przeprowadzone na szczurach Wistar z zastosowaniem modelu 5/6 nefrektomii dostarczyło istotnych informacji na temat wpływu N-acetylocysteiny (NAC) na zespół sercowo-nerkowy typu 4. Mimo że NAC nie poprawiło parametrów nerkowych, wykazało znaczące korzyści dla funkcji serca. Substancja skutecznie obniżyła nadciśnienie tętnicze wywołane przez przewlekłą chorobę nerek oraz poprawiła częstość akcji serca. Kluczowym odkryciem było korzystne działanie NAC na funkcje mitochondrialne w mięśniu sercowym, gdzie substancja przywróciła prawidłową fosforylację oksydacyjną i zmniejszyła produkcję nadtlenku wodoru. NAC wykazało również zdolność do regulacji stanu redoks w mitochondriach poprzez zwiększenie poziomów glutationu i modulację szlaku AMPK-SIRT3-SOD2. Wyniki sugerują, że długoterminowe podawanie NAC może stanowić obiecującą strategię terapeutyczną w leczeniu zaburzeń mitochondrialnych i sygnalizacji redoks w zespole sercowo-nerkowym typu 4.

Bibliografia

Amador-Martínez Isabel, Aparicio-Trejo Omar Emiliano, Aranda-Rivera Ana Karina, Bernabe-Yepes Bismarck, Medina-Campos Omar Noel, Tapia Edilia, Cortés-González Carlo César, Silva-Palacios Alejandro, Roldán Francisco Javier, León-Contreras Juan Carlos, Hernández-Pando Rogelio, Saavedra Emma, Gonzaga-Sánchez José Guillermo, Ceja-Galicia Zeltzin Alejandra, Sánchez-Lozada Laura Gabriela and Pedraza-Chaverri José. Effect of N-Acetylcysteine in Mitochondrial Function, Redox Signaling, and Sirtuin 3 Levels in the Heart During Cardiorenal Syndrome Type 4 Development. Antioxidants 2025, 14(3), 709-733. DOI: https://doi.org/10.3390/antiox14030367.