Журнал «Здоровье ребенка» Том 14, №5, 2019

Вступ

Галектин-3 (Gal-3) є членом близькоспорідненої родини лектинів, що виявляється в декількох типах епітеліальних і мієлоїдних клітин. Цей розчинний білок відіграє важливу роль у багатьох біологічних процесах, у тому числі й у фіброзоутворенні, що призводить до хронічної хвороби нирок.

Історія відкриття

Еволюційно галектини є b-галактозидзв’язуючими білками з доменом розпізнавання вуглеводів (carbohydrate recognition domain, CRD) приблизно у 130 амінокислот [1, 3]. Вперше виділені у 1976 році. У даний час є 15 різних галектинів, що були охарактеризовані та пронумеровані згідно з порядком їх відкриття (від галектину-1 до галектину-15). У ссавців 15 членів родини галектинів ідентифіковані та класифіковані на три підтипи згідно зі структурою CRD: прототип, тандемний повторний тип і химерні галектини [3]. Недавні дослідження виявили унікальні плейотропні та контекстно-залежні функції Gal-3, який є єдиним химерним галектином у ссавців, що містить один CRD, пов’язаний із незвичайним довгим N-термінальним доменом, який відображає нелектинозалежну активність [4, 5].

Структура галектину-3

Gal-3 — це 32–35-кДа багатофункціональний лектиновий білок, що експресується епітеліальними, ендотеліальними клітинами та макрофагами [6].

Gal-3 переважно секретується у цитоплазмі, однак може також секретуватися позаклітинно або внутрішньоядерно. Екстрацелюлярний Gal-3 взаємодіє через CRD [7, 8] з gal-галактозидними залишками декількох позаклітинних матриксів і глікопротеїнів клітинної поверхні (класична лектин-глікокон’югатна взаємодія) [9, 10]. Навпаки, взаємодії внутрішньоклітинного Gal-3 відбуваються за допомогою пептидно-пептидних асоціацій, опосередкованих його N-термінальним доменом, хоча на цьому рівні може бути залучений і CRD. Існує кілька відомих лігандів, включаючи різні глікозильовані матричні білки (тобто ламінін, фібронектин і інтегрини) для Gal-3 [11].

Експресія Gal-3 у тканинах регулюється у великих кількостях під час ембріогенезу та розвитку, на відміну від дорослого життя, коли вона виявляється в різних епітеліальних клітинах, хрящах і кістках, а також у запальних клітинах [12].

Функція галектину-3

Gal-3 регулює численні біологічні процеси через свій вуглеводний домен із використанням вуглевод-незалежних механізмів [13–18]. Вивчено роль Gal-3 у клітинному апоптозі, адгезії, міграції, ангіогенезі та запаленні [19].

Позаклітинний Gal-3 модулює важливі взаємодії між епітеліальними клітинами та позаклітинним матриксом і відіграє певну роль у ембріональному розвитку збірних проток нирок [20].

Навпаки, внутрішньоклітинний Gal-3 є важливим для виживання клітин завдяки його здатності блокувати власний апоптотичний шлях, тоді як внутрішньоядерний Gal-3 сприяє проліферації клітин. Клітинна адгезія і проліферація за рахунок Gal-3 можуть перетворюватися на патологічні процеси, такі як фіброз і прогресування раку.

У низці клінічних і експериментальних доказів галектин-3 залучений до фіброзу, серцевої недостатності, ожиріння, порушення метаболізму глюкози і раку. Галектин-3 також був залучений до патогенезу шлуночкового ремоделювання, інфекцій, різних автоімунних і запальних процесів [21–28].

Хоча більшість досліджень погоджуються з поглядом на Gal-3 як на маркер запалення і фіброзу, дослідження експериментальних моделей метаболічних розладів на тваринах дозволяють припустити, що підвищена експресія Gal-3 може бути частиною адаптивної реакції на пошкодження тканин, що сприяє розсмоктуванню запалення і протидіє хронізації запального процесу. Послідовно Gal-3-абляція індукує прозапальний фенотип, що характеризується підвищеною системною та панкреатичною запальною реакцією на метаболічні подразники і посилене пошкодження судинної та ниркової тканини, викликане діабетом і пов’язаними з ним розладами.

З огляду на ці міркування існує потреба у великих проспективних дослідженнях, що конкретно вивчають співвідношення плазмових рівнів Gal-3 з довгостроковими комбінаціями у хворих на цукровий діабет. Однак перш ніж досліджувати дію селективних інгібіторів циркулюючого Gal-3 у хворих на цукровий діабет та без нього, необхідні подальші дослідження на моделях тварин, щоб визначити, чи є цей лектин посередником ушкоджень органів, простим спостерігачем або захисним агентом при даних хронічних станах і, отже, піддається він фармакологічній блокаді чи ні. Загалом, фактори, що беруть участь у визначенні кінцевого результату, який сприяє Gal-3, — це тип шкідливого стимулу, контекст пошкодження органів і клітинна локалізація.

Gal-3 регулює ріст клітин, проліферацію, диференціацію та запалення [29]. Однак при повторному ушкодженні тканини Gal-3 також виявляється тісно залученим у розвиток хронічного запалення (фіброгенез та рубцювання органів) [30].

Всередині клітини Gal-3 розподіляється між цитоплазмою та ядром залежно від типів клітин і умов [23]. Внутрішньоклітинно Gal-3 виявляється опосередковано через білково-білкову взаємодією, а не білково-вуглеводну. Він активує Akt [31, 32], інгібує або активує Erk 1/2 [23] і підвищує рівні b-катеніну [33] серед інших функцій залежно від оцінюваних типів клітин. У ядрі Gal-3 має вирішальне значення для сплайсингу пре-мРНК, оскільки він включений до сплайсосоми шляхом зв’язування з малим ядерним рибонуклеопротеїном (snRNP) комплексу U1. Було також показано, що Gal-3 сприяє транскрипції певних генів або пригнічує її [22].

Внутрішньоклітинний Gal-3 є важливим білком для виживання клітин через його здатність блокувати власний апоптичний шлях, в той час як у ядрі Gal-3 сприяє проліферації клітин через механізми, що не залежать від вуглеводів.

Позаклітинний Gal-3 модулює важливі взаємодії між епітеліальними клітинами і позаклітинним матриксом через його вуглеводний домен і відіграє важливу роль під час ембріонального розвитку збираючих канальців.

У кількох дослідженнях також показано, що Gal-3 відіграє важливу роль в альтернативній активації макрофагів, фагоцитозі макрофагів і кліренсі кінцевих продуктів глікірування [34–36]. Роль Gal-3 завдяки його функціональній різноманітності залишається спірною. Внутрішньоклітинний Gal-3 пригнічує активацію каспаз, аналогічну Bcl2. Однак позаклітинний Gal-3 може утворювати олігомери та зв’язуватися з рецепторами клітинної поверхні залежно від вуглеводів і сприяти апоптозу.

Роль галектину-3 у нефрогенезі

Під час метанефросу, попередника дорослої нирки, Gal-3 виявляється в апікальних ділянках гілок сечоводу. Він також інтенсивно експресується в плодових медулярних і сосочкових колекторних протоках обох цитоплазматичних і плазматичних мембран. Низькі рівні Gal-3 також виявляються в цитоплазмі клітин у дозрілих збірних протоках [37]. Пізніше він виявляється при дозріванні нирок плода у базальних ділянках медулярних збірних канальців [38]. Повідомляють про експресію Gal-3 на пізніх стадіях нефрогенезу, коли його експресія обмежується зачатками сечоводів, таких як збірні протоки і сполучні сегменти дистальних канальців [39]. У нормальних дозрілих нирках він обмежений колекторними канальцями.

Роль галектину-3 у розвитку хронічної хвороби нирок

Хронічна хвороба нирок (ХХН) є значною глобальною проблемою зі здоров’ям, на сьогодні відома лише невелика кількість терапевтичних варіантів, що уповільнюють її прогресування [40]. Поступове порушення ниркової функції виникає внаслідок тріади патологічних процесів: гломерулярного склерозу, тубулоінтерстиційного фіброзу і судинного склерозу [41]. Субклінічний тубулоінтерстиційний фіброз може бути важливим на ранніх стадіях ХХН. Патогенез ниркового інтерстиційного фіброзу зумовлений реорганізацією клітинних взаємодій із позаклітинним матриксом, активацією фібробластів, запаленням і характеризується епітеліально-мезенхімальним переходом (ЕМП). ЕМП стимулюють цитокіни, такі як трансформуючий фактор росту бета 1 (TGF-b1) або фактор росту сполучної тканини (CTGF) [42].

Експериментальні та клінічні дослідження ролі галектину-3 у розвитку хронічної хвороби нирок

Дослідження проведено на дорослих самцях щурів лінії Wistar вагою 150 г із застосуванням інгібітора активності Gal-3 [43]. Першу групу тварин розподілено на дві підгрупи. Перша отримувала дієту з високим вмістом жирів (33,5 %), друга — стандартну дієту (3,5 % жиру) протягом 6 тижнів. Половина тварин кожної підгрупи приймала інгібітор активності Gal-3, модифікований цитрусовий пектин (EcoNugenics 100 мг/кг/день) у питній воді за той же період. Друга група щурів була розподілена на три підгрупи: контрольні щури, щури з частковою оклюзією висхідної аорти та щури з частковою оклюзією висхідної аорти, які одержували інгібітор Gal-3 100 мг/кг/день у питній воді. Досліджувалися фіброзні маркери (колаген, CTGF, TFG-b), епітеліально-мезенхімальні перехідні молекули (фібронектин, a-гладком’язовий актин, b-catenin, E-cadherin), медіатор запалення (остеопонтин) і маркер пошкоджень нирок (NGAL, молекула пошкодження нирок 1). Гістологічні спостереження нирок опасистих щурів і щурів із частковою оклюзією висхідної аорти вказували на розвиток тубулоінтерстиційного фіброзу. Отже, в експериментальних моделях помірного пошкодження нирок спостерігалося збільшення ниркової Gal-3-експресії паралельно з нирковим фіброзом, запаленням і пошкодженням нирок, в той час як ці зміни були попереджені блокадою Gal-3. Ці дані свідчать про те, що Gal-3 може стати новим індикатором молекулярних, гістологічних та функціональних змін на ранніх стадіях пошкодження нирок.

Дослідники [44] оцінювали зв’язок Gal-3 із клітинною травмою і регенерацією при ішемічній і токсичній гострій нирковій недостатності (ГНН). За допомогою імуногістохімії Gal-3 почав виділятися в проксимальних звивистих канальцях через 2 год після реперфузії. З 6 до 48 год автори також спостерігали Gal-3 у проксимальних прямих і дистальних канальцях і збірних протоках, а потім у макрофагах на пізніх стадіях регенерації. Таким чином, автори дійшли висновку, що виділення Gal-3 помітно регулюється як у ішемічних, так і в токсичних типах ГНН, що свідчить про те, що він може відігравати важливу роль при гострих травмах та у подальшій регенерації.

Макрофаги є основним клітинним типом у патогенезі фіброзу нирок. Gal-3 підвищується в експериментальній моделі прогресуючого фіброзу нирок (одностороння обструкція сечоводу). Його відсутність захищає від накопичення та активації міофібробластів нирок і фіброзу, але його секреція макрофагами є важливою для активації фібробластів нирок. У дослідженні [45] при прогресуючому фіброзі Gal-3 не тільки захищав ниркові канальці від хронічної травми, обмежуючи апоптоз, але й також призводив до посилення ремоделювання матриксу і послаблення фіброзу.

Повідомляється, що у мишей із дефіцитом Gal-3 розвинулася гломерулопатія з більш вираженим збільшенням протеїнурії, експресією гена позаклітинного матриксу і розширенням мезангіальних клітин, що були пов’язані з більш високим накопиченням гліколізованих кінцевих продуктів (Advanced Glycation End-Products, AGE) у ниркових клубочках. У свою чергу, це було пов’язано з відсутністю функціонуючих рецепторів Gal-3/AGE. Припускають, що у мишей із дефіцитом Gal-3/AGE-рецепторів діабетична гломерулопатія розвивалася швидше [24].

Крім того, морфологічна оцінка нирок у мишей без Gal-3 показала значний гломерулярний склероз із періодичними кислотними позитивними відкладеннями Шиффа в мезангії і потовщенням клубочкової базальної мембрани та капсули Боумена. Встановлено зв’язок між зниженим Gal-3 і більшою сприйнятливістю до AGE-індукованого ниркового захворювання, підвищеним рівнем AGE і сигналізації, а також зміненими структурами AGE-рецепторів, що свідчить про те, що Gal-3 функціонує як рецептор AGE in vivo, забезпечуючи тим самим захист проти AGE-залежного пошкодження тканин. Досліджували [46] експресію Gal-3 у зразках ниркових біоптатів у хворих на діабетичну, мембранозну та IgA-нефропатію, гломерулонефрит і мінімальний нефротичний синдром. У нормальних людських нирках Gal-3 було виявлено тільки в дистальних канальцях. У біоптатах нирок, взятих у пацієнтів із діабетичною нефропатією, було значно більше Gal-3-позитивних клітин у клубочках, ніж у біоптатах, взятих у пацієнтів з іншими нефропатіями. Співвідношення Gal-3-позитивних клітин із загальною кількістю макрофагів у канальцях також значно збільшувалося при діабетичній нефропатії.

Kang et al. [47] обстежили 88 пацієнтів із СЧВ-нефритом для визначення експресії Gal-3 у ниркових тканинах хворих на СЧВ-нефрит. Експресію гломерулярного Gal-3 відзначали у 81,8 % (72 із 88) пацієнтів з СЧВ. Рівні експресії Gal-3 корелювали з показниками гістологічної активності, титрами анти-dsDNA та рівнями комплексів 3 і 4. Ці дані свідчать про те, що Gal-3 може сприяти запальному процесу при СЧВ.

У хворих на цукровий діабет спостерігалася вірогідна кореляція між числом Gal-3-позитивних клітин в екскреції білків клубочків і сечі, але негативна — між числом Gal-3-позитивних клітин у клубочках і швидкістю регресії функції ниркових клітин. Ці результати свідчать про те, що інфільтрація Gal-3-позитивних клітин може відігравати важливу роль у прогресуванні діабетичної нефропатії, і ступінь експресії Gal-3 може бути предиктором несприятливого прогнозу.

Останніми роками в літературі дискутується питання про застосування Gal-3 у лікуванні ХХН. Повідомляється, що Gal-3 сприяє нефрогенезу та сильно експресується в зачатках сечоводу і його похідних. Крім того, повідомляється, що підвищений рівень Gal-3 пов’язаний з підвищеним ризиком зниження функції нирок і розвитком ХХН.

Результати дослідження вказують на те, що Gal-3 є потужним активатором фібробластів у нирках. Sun et al. [48] досліджували вплив AGE і розиглітазону на експресію і секрецію Gal-3 у культивованих ниркових мезангіальних клітинах людини. Розиглітазон підвищував експресію і секрецію Gal-3 залежним від дози способом — це свідчить про те, що він може відігравати певну роль у ренозахисті за допомогою регулювання Gal-3.

Результати проведених [49] досліджень показали, що Gal-3 захищає нирку від прогресуючого пошкодження через хронічну травму, модулюючи два важливих шляхи: трубчастий апоптоз і ремоделювання позаклітинного матриксу. Нирковий трубчастий епітеліальний клітинний апоптоз і подальша трубчаста атрофія є важливою причиною втрати нефронів, що викликає прогресуюче функціональне погіршення. Незалежно від того, чи пов’язана клітина з долею апоптозу або одужанням після травми або важкого стресу, результат визначається балансом між проапоптотичними і антиапоптотичними факторами. Внутрішньоклітинний Gal-3 є вірогідно встановленим антиапоптотичним фактором, що може блокувати як внутрішні, так і зовнішні шляхи. Рівні експресії Gal-3 у нормальних нирках низькі. З настанням пошкодження, викликаного обструкцією сечоводу, трубчаста експресія Gal-3 різко підвищується протягом першого тижня. Хоча Gal-3 не є членом сімейства Bcl-2, він має значну структурну схожість із Bcl-2: обидва білки багаті на залишки проліну, гліцину й аланіну в їх NH2-термінальних доменах і містять послідовність Asp-Trp-Gly-Arg (NWGR) в кінці COOH, що є критичною для антиапоптотичних функцій. Крім того, Gal-3 може посилювати проліферацію епітеліальних клітин, що є важливим компонентом адаптивної відповіді при обструктивному пошкодженні нирок. Ядерний Gal-3, як відомо, є важливим регулятором клітинної проліферації через його здатність регулювати клітинний цикл і виступати як фактор заломлення мРНК. У сукупності ці дані підтверджують, що внутрішньоклітинна експресія Gal-3 підвищується в трубчастих клітинах під час хронічного пошкодження нирок, де вона, мабуть, функціонує як важливий фактор виживання, блокуючи апоптоз і сприяючи проліферації трубчастих клітин. Антифіброзні ефекти Gal-3 можуть бути пов’язані зі збільшенням обороту позаклітинного матриксу.

На сьогодні є незначна кількість клінічних досліджень щодо можливого використання Gal-3 як маркера фіброзу. Зокрема, дослідження [50] показали, що профібротичні маркери (трансформуючий фактор росту В1, Gal-3) збільшувалися з наростанням ступеня активності пієлонефриту в дітей. Існує відповідність між зміною ультрасонографічного індексу у дітей з пієлонефритом на тлі міхурово-сечовідного рефлюксу та рівнем трансформуючого фактора росту В1 та Gal-3 щодо розвитку фібротичних змін: при збільшенні ренально-кортикального індексу відбувається збільшення рівня названих біохімічних маркерів на 38 та 45 % відповідно [51].

Висновки

Існуюча література вказує, що Gal-3 є універсальною молекулою, яка служить модифікатором біологічної відповіді широкого спектра. Як наслідок, вона надає численні й іноді протилежні функції. Фізіологічне значення родини галектинів, в тому числі і галектину-3 (Gal-3), полягає в тому, що вони виступають як фактори сплайсингу пре-мРНК, регулятори клітинного циклу, клітинного росту й апоптозу, беруть участь в епітеліальному гомеостазі, а також розглядаються як регуляторні молекули, що впливають на різні стадії — від гострого до хронічного запалення і тканинного фіброгенезу.

У клінічних дослідженнях вони можуть бути використані як маркер диференціювання. Gal-3, ймовірно, не може бути використаний як діагностичний (скринінговий) біомаркер ХХН через відсутність чутливості та специфічності, але може мати потенціал для прогнозування прогресуючого зниження функції нирок. Gal-3 може прогнозувати пошкодження нирок за кілька років до того, як ХХН буде виявлено клінічно, що полегшить цілеспрямоване лікування та профілактику захворювань. Комерційні ж імуноаналізи Gal-3 існують для застосування в клінічних лабораторіях, що робить можливим їх клінічне використання. Однак на сьогодні міжнародна стандартизація все ще відсутня.

Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів при підготовці даної статті.