Heem oxygenase-1 en chronische nierinsufficiëntie: een translationele studie over oxidatieve stress en atherogenese

Bij gevorderd nierfalen is het voorkomen van hart- en vaatziekten ten gevolge van atherosclerose (of aderverkalking) hoog en vergelijkbaar tussen verschillende leeftijdscategorieën. Recent onderzoek toonde aan dat er al bij milde nierfunctiestoornissen een impact is op het ontstaan van hart- en vaatziekten. Meerdere auteurs stelden de hypothese dat “oxidatieve stress” het verbindende mechanisme is wat hart- en vaatziekten initieert en voedt bij patiënten met nierfalen. Meerdere bevindingen bij uremische patiënten (patiënten met onvoldoende door de nieren geklaarde afvalstoffen in het bloed) wijzen in de richting van toegenomen aanwezigheid van oxidantia. Zoals reeds eerder beschreven in de literatuur, kunnen zowel uremie gerelateerde als dialyse gerelateerde factoren  leiden tot een toename van oxidantia en een afname van anti-oxidatieve capaciteit.

Hoofdstuk 1 is een samenvatting van de huidige kennis van alle pathofysiologische mechanismen ten aanzien van oxidatieve stress, anti-oxidatieve mechanismen en aderverkalking gerelateerde hart- en vaatziekten in uremie. Diverse mechanismen, zowel endogeen (vanuit het lichaam zelf) als exogeen (door beinvloeding van buitenaf), leiden tot een toegenomen activiteit van oxidatieve enzymes, accumulatie van (secundaire) radicalen en/of transitiemetalen, en een verminderd functioneren van diverse cruciale anti-oxidatieve mechanismen.

De algehele doelstelling van deze thesis was het bestuderen van het anti-oxidatieve en anti-atherosclerotische enzyme Heem oxygenase-1 (HO-1) in de context van uremie en versnelde atherosclerose (hoofdstuk 2).

In hoofdstuk 3 rapporteren we onze evaluatie van atherosclerotische plaque morfologie en HO-1 expressie bij patiënten met gekende gevorderde atherosclerotische ziekte van het perifere vaatbed. In 66 biopsies van slagaders die verzameld werden bij klinisch geïndiceerde vasculaire chirurgie, toonden we aan dat atherosclerotische letsels bij nierpatiënten gekenmerkt waren door meer infiltratie van ontstekingscellen, meer nieuwvorming van bloedvaten, en een hogere proportie van plaques complicaties, in vergelijking met controles zonder nierinsufficiëntie. De mate van nierfunctiebeperking was bovendien een belangrijke voorspeller van zowel nieuwvorming van bloedvaten in de plaque als van het voorkomen van plaque complicaties, onafhankelijk van traditionele risicofactoren voor hart- en vaatziekten.  Bloedvatletsels bij nierpatiënten hadden een tendens om in mindere mate het anti-atherogene enzyme HO-1 tot expressie te brengen.

Om het effect van een uremische omgeving op de HO-1 expressie in een vroege fase van de atherogenese te bestuderen voerden we een in-vitro studie uit, beschreven in hoofdstuk 4. Deze studie bestudeert het gedrag van endotheelcellen (humane navelstreng arteriële endotheelcellen (HUAECs)) blootgesteld aan oxidatieve stress, enerzijds in een omgeving van serum van gezonde personen, en anderzijds in een omgeving van serum van personen met uremie. Bijkomend bestudeerden we het effect van HO-1 overexpressie op celbeschadiging veroorzaakt door oxidatieve stress, opnieuw in een milieu van  zowel gezond als uremisch serum.

We stelden vast dat endotheelcellen (HUAECs) een hogere kwetsbaarheid vertoonden voor het oxidant ONOO-  in een uremisch milieu in vergelijking met een gezond milieu. Dit kan niet verklaard worden door de uiteenlopende effecten van kweekcondities op de expressie van het beschermende enzyme HO-1 of de generatie van ROS. Het exacte mechanisme achter de toegenomen kwetsbaarheid is nog niet ontrafeld. Intrigerend is dat Hemin-geïnduceerde HO-1 overexpressie deze kwetsbaarheid van de cel herstelt in uremische condities doordat de neiging tot apoptose normaliseert en de cytoplasmatische generatie van ROS vermindert.

Hoofdstuk 5 betreft twee studies over de impact van gekende functionele HO-1 promotor polymorfismen op het voorkomen van hart- en vaatziekten. In hoofdstuk 5.1 beschrijven we de resultaten van een systematisch nazicht van de bestaande literatuur over de rol van de HO-1 (GT)n herhalings polymorfismen in het onstaan van atherosclerotische ziekte in de algehele populatie. Kortere herhalingen met (GT)n <25 zijn geassocieerd met een hogere induceerbaarheid en activiteit van HO-1. Deze epidemiologische associatie tussen HO-1 (GT)n promotor polymorfisme en hart- en vaatziekte vastgesteld in onze literatuurstudie, bevestigde de veronderstelde beschermende effecten van HO-1 enzymatische activiteit. De data wijzen ook uit dat er belangrijke variatie is in genotype distributie tussen etnische groepen die belangrijk zijn voor interpretatie van gepubliceerde studieresultaten.

In hoofdstuk 5.2 bestudeerden we de rol van HO-1 (GT)n herhalings polymorfisme en van de  HO-1 T(-413)A  Single Nucleotide Polymorphism (SNP), in het voorkomen van hart- en vaatziekte in een dialyse populatie. Zoals kortere (GT)n herhalingen, is het A allel van het SNP geassocieerd met een hogere induceerbaarheid en activiteit van HO-1.  Onze studie levert evidentie voor een rol van  (GT)n herhalings promotor polymorfisme van het HO-1 enzyme in het voorkomen van hart- en vaatziekten in een dialyse populatie. Dialyse patiënten met het bi-allelisch lang genotype  dat gepaard gaat met een lagere HO-1 expressie, hadden een toegenomen risico voor hart-en vaatziekten, in vergelijking met het bi-allelisch kort genotype dat gepaard gaat met een hogere HO-1 expressie. We konden evenwel geen associatie aantonen tussen de T(-413)A SNP en het voorkomen van hart- en vaatziekten.

Uit een gedetailleerde bespreking van onze experimentele data (hoofdstuk 6), kunnen we concluderen dat het huidige project bijdraagt aan de huidige kennis van het versnelde atherosclerotische proces bij chronische nierinsufficiëntie. Uit onze bevindingen blijkt dat de uremische omgeving de kwetsbaarheid voor oxidatieve stress verhoogt; In het arteriële vaatbed als geheel zowel als in de endotheelcellen in het bijzonder. Heem oxygenase-1 werd onderzocht in een groot aantal verschillende omstandigheden en op het eerste gezicht lijkt de expressie van het enzym niet beïnvloed te worden door nierfalen. Rekening houdend met de aard van het enzyme om op stress te reageren,  suggereren de resultaten van zowel onze klinische als in vitro studies een relatieve deficiëntie van het HO-1 verdedigingsmechanisme bij uremie. Ongeacht de bovenstaande interpretatie, vonden we dat gekende functionele HO-1 promotor polymorfismen een vergelijkbare rol spelen bij hart- en vaatziekten in nierpatiënten als in de algemene bevolking. Een interventie-strategie, die bestaat uit een sterke selectieve inductie van HO-1 kon de door uremie geïnduceerde kwetsbaarheid van de cel herstellen. Gezien de veelzijdigheid van HO-1 met zijn vele anti-inflammatoire en diverse anti-oxidatieve effecten, geloven wij dat HO-1 een aantrekkelijk en veelbelovend doelmolecule vormt voor verder interventioneel onderzoek. Het exacte beschermende mechanisme van HO-1 overexpressie in deze context dient verder uitgezocht te worden.