Oxidační stres u pacientů s náhradou funkce ledvin hemodialýzou a peritoneální dialýzou

Overview

Hemodialýza a peritoneální dialýza jsou metody očišťování krve, které částečně nahrazují exkreční funkci ledvin u pacientů s chronickým renálním selháním, u kterých byla vyčerpána režimová, dietní a farmakoterapeutická opatření a kteří nejsou vhodní k transplantaci ledviny. Obě dvě metody jsou však doprovázeny zvýšenou oxidační zátěží pacientů. Při peritoneální dialýze přispívá k rozvoji oxidačního stresu zejména složení peritoneálního dialyzačního roztoku. U extrakorporální hemodialýzy je míra oxidačního stresu závislá především na druhu dialyzační membrány, nespecifické ztrátě nízkomolekulárních antioxidantů, aktivaci leukocytů (oxidační vzplanutí), feroterapii, suplementaci nízkomolekulárními antioxidanty a jiných faktorech. Pro zlepšení a udržení kvality života dialyzovaných pacientů je vhodná průběžná kontrola parametrů oxidačního stresu jako jednoho z netradičních rizikových faktorů rozvoje kardiovaskulárních komplikací.

Klíčová slova:
oxidační stres – antioxidanty – ledviny – hemodialýza – peritoneální dialýza

Úvod

Hemodialýza (HD) je intermitentní mimotělní metoda očišťování krve, která využívá k odstraňování některých škodlivých látek z krve umělou semipermeabilní membránu v dialyzátoru. Peritoneální dialýza (PD) je intrakorporální metoda, při které je jako dialyzační membrány využíváno peritoneum. Látky a voda procházejí z peritoneálních kapilár do dia­lyzačního roztoku, který je napuštěn do dutiny břišní. Fyzikálním principem obou metod je difuze, kdy látky do určité molekulové hmotnosti procházejí přes polopropustnou membránu na základě své rozdílné koncentrace v krvi a v dialyzačním roztoku (koncentrační gradient). Nadbytečná voda je z těla pacienta odstraňována filtrací, která je v případě HD určována transmembránovým tlakem mezi krví a dialyzačním roztokem, zatímco u PD je pro filtraci určující rozdíl osmotického tlaku mezi dialyzačním roztokem a plazmou. Mezi hlavní výhody PD v porovnání s HD patří vyrovnaný stav vnitřního prostředí, lepší kontrola krevního tlaku, dlouhodobější udržení rezi­duální diurézy a méně renální anémie [1].

I když tyto léčebné metody jsou velmi dobře propracovány, pacienti léčení HD nebo PD jsou vystaveni oxidačnímu stresu (OS), který patří mezi jeden z mnoha faktorů podílejících se na vzniku kardiovaskulárních onemocnění [2]. OS je spojen se zvýšenou bazální aktivitou leukocytů, která vede k trvalé nadprodukci reaktivních forem kyslíku a dusíku (RONS), které se podílí na oxidačním poškození biomolekul a modulací hladin antioxidačních enzymů [3]. U dialyzovaných pacientů dochází k rozvoji mikrozánětu, který postupně vede až k chronickému zánětlivému stavu (zvýšení C-reaktivního proteinu, tumor nekrotizujícího faktoru α, interleukinu 6), narušení metabolizmu lipidů a thiolových a purinových sloučenin (kyselina močová, allantoin) [4–11]. U HD pacientů byla pozorována vyšší míra OS v porovnání s PD pacienty nebo s pacienty v predia­lyzační péči [8,12,13]. Tyto nálezy nepotvrdili jiní autoři, kteří nepozorovali rozdíl v oxidační zátěži pacientů léčených PD v porovnání s pacienty léčenými HD [14,15]. V současné době probíhá observační studie, která by pomohla objasnit vliv PD a HD na OS, zánětlivé procesy a rozvoj kardiovaskulárních komplikací [16].

OS a peritoneální dialýza

Jedním z významných faktorů, který se podílí na rozvoji OS u pacientů léčených PD, je složení peritoneálního dialyzačního roztoku (PDR), které významným způsobem určuje jeho bio­kompatibilitu. Konvenční dialyzační roztoky jsou kyselé a jako osmotické agens obsahují glukózu v koncentraci 1,36–4,25 %. Nízké pH a vysoká koncentrace glukózy jsou základními faktory nízké biokompatibility těchto roztoků. Novější roztoky obsahují jako osmotické agens polymer glukózy, ikodextrin, nebo směs aminokyselin, které vykazují vyšší biokompatibilitu [17].

Při sterilizaci konvenčních PDR dochází k oxidaci, dehydrataci a štěpení glukózy, což vede ke vzniku poměrně reaktivních látek obsahujících karbonylovou(é) skupinu(y). Tyto látky se mohou podílet na glykaci a oxidaci proteinů mezoteliálních buněk a peritonea. Transformace glykovaných proteinů vede ke vzniku tzv. pokročilých produktů glykace proteinů (AGE), které se svým prozánětlivým a prooxidačním charakterem podílejí na OS [18]. Po navázání AGE na receptor dochází k aktivaci klíčové signální dráhy nukleárního faktoru κB, což se projeví peritoneálním zánětem, neoangiogenezí a fibrózou, které v důsledku vedou ke snížení filtrační schopnosti peritonea [19]. Přehled faktorů podílejících se na produkci volných radikálů u pacientů léčených peritoneální dialýzou je uveden v tab. 1.

U PD pacientů byla nalezena zvýšená hladina AGE a dalších markerů OS (produktů peroxidace lipidů – PPL, produktů pokročilé oxidace proteinů – AOPP a pentosidinu) v porovnání se zdravými jedinci [20]. V leukocytech PD pacientů byla nalezena zvýšená hladina oxidované DNA (8-hydroxyguanosin) a současně bylo prokázáno, že leukocyty spontánně produkují reaktivní formy kyslíku (ROS), což je provázeno změnou hladin oxidovaného (GSSG) a redukovaného glutationu (GSH) a lipidových parametrů [21]. Další práce prokázaly, že hladiny PPL [22], pentosidinu a AOPP se podílí na snížení zbytkové funkce ledvin u PD [23]. Při PD dochází ke ztrátám hydrofilních anti­oxidantů a vitaminu C, což přispívá k prohloubení OS [24]. U pacientů léčených PD byly pozorovány změny antioxidačních enzymů, zvýšení aktivity superoxiddismutázy (SOD), snížení aktivity katalázy (KAT) a glutationperoxidázy (GPX) a nárůst hladiny karbonylů a malondialdehydu (MDA) [25]. Zajímavé výsledky publikovali Demirci et al, kteří zjistili, že zvýšení krevního tlaku u pacientů na PD je spojeno s poklesem antioxidační kapacity (snížení aktivity KAT a GPX) a nárůstem hladiny PPL. Autoři však neprokázali zvýšení aktivity myeloperoxidázy (MPO) a hladiny AOPP [26]. Výše uvedené práce prokazují, že léčba PD je spojena s OS, i když PD vede ke stabilizaci a zlepšení metabolizmu thiolových látek v erytrocytech [27]. PD se tedy v tomto směru v porovnání s HD jeví jako šetrnější metoda náhrady funkce ledvin. U pacientů léčených PD nebyly pozorovány změny v arteriálním obsahu NADPH-oxidázy, xantinoxidázy, NO-syntázy, došlo však ke zvýšení hladiny PPL. Menší oxidační zátěž osob léčených PD se projevila také na funkci arterií [28].

Zlepšení antioxidační kapacity pacientů léčených PD je možné dosáhnout dietou bohatou na karotenoidy a nízkými dávkami vitaminu C, naopak vysoké dávky vitaminu C vedou k zvýšení hladiny pentosidinu [29].

OS a hemodialýza

K nadprodukci volných radikálů u pacientů léčených HD přispívá zejména:

1. kontakt krevních elementů s dialyzační membránou,
2. kontaminace dialyzačního roztoku bakteriálními složkami,
3. nedostatečná antioxidační ochrana související s deficitem nízkomolekulárních látek, včetně kofaktorů antioxidačních enzymů (zinek, mangan, selen) nebo vitaminů (kyselina askorbová, α-tokoferol) [30,31],
4. narušený metabolizmus železa a snížená tvorba hemoglobinu a s tím spojená terapie [32,33] a
5. některé další specifické faktory (tab. 1).

Biokompatibilita membrán při hemodialýze

Dialyzační membrány vyrobené z regenerované celulózy nebyly dostatečně biokompatibilní a jejich používání bylo provázeno řadou vedlejších nežádoucích reakcí, mimo jiné indukovaly OS, což bylo potvrzeno zvýšením hladiny 8-hydroxy-2´-deoxyguanosinu (8-OH-dG) [34]. Stuard et al zjistili, že při použití celulózové membrány dochází k tvorbě agregátů krevních elementů (trombocytů s leukocyty) a k aktivaci neutrofilů s následnou produkcí ROS. Při porovnání s jinými materiály vykazovaly celulózové membrány signifikantně vyšší produkci ROS než membrány z modifikované celulózy (diacetát celulózy; Cuprophan^®), polymetylmetakrylátu a polyakrylonitrilu [35]. Itoh et al pozorovali, že ke zvýšené tvorbě buněčných agregátů dochází při kontaktu krve s hydrofobními materiály (polysulfon a polymetylmetakrylát), na rozdíl od hydrofilních materiálů (regenerovaná celulóza a etylenvinylalkohol) [36]. Zatímco jedna z prvních klinických studií neprokázala zvýšení hladiny MPO při použití membrány z modifikované celulózy (Cuprophan^®) a polymetylmetakrylátu [37], pozdější studie nepotvrdily toto zjištění. Ono et al naměřili sedminásobné zvýšení MPO v plazmě při použití membrán z modifikované celulózy (Cuprophan^®) a polymetylmetakrylátu v porovnání s polysulfonovou membránou [38]. Wu et al následně tyto výsledky potvrdili. Pozorovali až trojnásobné zvýšení MPO v plazmě při použití membrány z regenerované celulózy (DC190) v porovnání s polysulfonovou membránou [39]. Zvýšení bio­kompatibility a zlepšení exkrečních schopností pro nízkomolekulární látky bylo dosaženo inkorporací nízkomolekulárních negativně nabitých poly­elektrolytů na bázi polyetersulfonu do membrány [40].

Příznivý vliv orální a perorální aplikace vitaminu E na OS u HD pacientů vedl k vývoji a výrobě dialyzačních membrán s povrchem potaženým vitaminem E (DMVE) [41,42]. DMVE jsou biokompatibilnější [43], snižují OS [44–46], tvorbu 8-OH-dG [46] a rozvoj anémie [47]. DMVE přitom neovlivňují plazmatické hladiny vitaminu E [46]. Použití DMVE v kombinaci s intravenózní aplikací vitaminu C vedlo k snížení PPL [48], snížení exprese prozánětlivých cytokinů a zvýšení stability erytrocytů [49]. Při dlouhodobém používání DMVE bylo pozorováno mírné zvýšení kardiovaskulárního kalcifikačního indexu v porovnání s nemodifikovanými membránami [50]. Nový trend vedoucí k zvýšení biokompatibility dialyzačních membrán naznačili Morena et al, kteří modifikovali povrch membrán heparinem. Při jejich použití došlo k snížení oxidační zátěže i zánětlivé reakce [51].

Při HD dochází také k ovlivnění aktivit antioxidačních enzymů. Alhamdani et al zjistili v souboru 42 pacientů, že po HD dochází k signifikantnímu poklesu GPX a GSH a k signifikantnímu zvýšení aktivity glutationreduktázy (GSR) a glutationtranferázy (GST) v porovnání s kontrolními skupinami. Současně pozorovali, že při použití polysulfonové membrány nedochází ke změnám v metabolizmu GSH tak, jako v případě membrán z modifikované celulózy (Cuprophan^®) [52]. Lim et al pozorovali u dialyzovaných pacientů snížení aktivity plazmatické/erytrocytární GPX, plazmatické GST a celkových thiolů v krvi a nárůst aktivity erytrocytární GST v porovnání se zdravými jedinci [32]. Kayabasi et al zjistili, že pacienti na HD mají sníženou hladinu SOD, ale aktivita GPX a hladina MDA nebyly ovlivněny [53]. V průběhu dialýzy dochází ke zvýšení hladiny plazmatické izoformy Cu/Zn-SOD, která je považována za specifický marker OS u HD pacientů [54,55]. Olszewska pozorovala u pacientů v hemodialyzační léčbě pokles aktivity GPX a hladiny selenu, který je nezbytný pro její funkci [56].

Hemodialýza a kontaminace dialyzačního roztoku

Nejenom biokompatibilita dialyzačních membrán, ale také kvalita použité ultračisté vody (prosté endotoxinu či látek indukujících tvorbu cytokinů) snižuje riziko vzniku agregátů trombocytů s polymorfonukleárními leukocyty (neutrofily) a aktivaci leukocytů, která vede k produkci RONS [11,36,57]. Na zvýšené produkci ROS neutrofily se podílí zejména NADPH-oxidáza a MPO.

NADPH-oxidáza je multienzymový komplex, který se nachází především v neutrofilních leukocytech a v monocytech, a to v neaktivní formě. K aktivaci NADPH-oxidázy dochází např. stimulací Fc-receptoru, receptoru pro C3b-složku komplementu, působením složek komplementu C5b, leuko­trienem B4, bakteriemi a jejich složkami a produkty (bakteriálním lipopolysacharidem), cytokiny (tumor nekrotizujícím faktorem α, interleukinem 8) nebo při kontaktu s dialyzační membránou. Aktivace NADPH-oxidázy je spojena se vznikem makromolekulárního komplexu a zvýšením produkce superoxidového radikálu a následně dalších RONS [41,58,59].

Hemoprotein MPO je při aktivaci neutrofilů uvolňován z cytoplazmatických granul neutrofilů a monocytů a katalyzuje tvorbu vysoce reaktivní kyseliny chlorné (HClO) [60]. HClO může dále reagovat se superoxidovým radikálem za vzniku vysoce reaktivního hydroxylového radikálu.

U HD pacientů je pozorována zvýšená produkce HClO a ROS vznikajících účinkem MPO či NADPH-oxidázy, což vede k poškození biomolekul a buněčných struktur endotelu, k rozvoji kardiovaskulárních komplikací a k ateroskleróze [61–64]. Chung et al prokázali, že u HD pacientů dochází k zvýšení aktivity NADPH-oxidázy, xanti­noxidázy a NO-syntázy a PPL v arteriích, což je provázeno poklesem SOD. Tyto změny korelují se zhoršením funkce arterií [28].

Hemodialýza a nízkomolekulární antioxidanty

Při HD dochází k nespecifickému odstraňování nízkomolekulárních metabolitů, ale také látek, které jsou nepostradatelné pro organizmus, včetně antioxidantů. Po HD byl např. pozorován pokles koncentrace vitaminu C o 30–50 % v porovnání s hladinou před HD. Nedostatek vitaminu C může vést ke snížené schopnosti regenerovat ostatní součásti antioxidační ochrany organizmu a odstraňovat RONS, čímž dochází k zvýšení rizika kardiovaskulárních komplikací. Proto bylo doporučeno podávání vitaminu C v průběhu HD, doporučená dávka však nebyla jednoznačně určena [65]. Ovlivněním OS pomocí různé dávky vitaminu C, podávaného buď perorálně, nebo intravenózně, se zabývala řada studií. Výsledky těchto studií jsou však rozporuplné. Ačkoli řada autorů popisuje pozitivní účinky vitaminu C na ukazatele OS [11,46,48,66–69], jiné práce neprokázaly, že vitamin C úroveň OS ovlivňuje [70,71], a podle dalších studií dokonce vitamin C působí prooxidačně [72–75]. Prooxidační účinky vitaminu C souvisejí s jeho zapojením do Fentonovy reakce, která je spojena s produkcí vysoce reaktivního hydroxylového radikálu [73]. Tyto prooxidační účinky vitaminu C byly prokázány v in vitro studii, kde byla v přítomnosti feritinu (600 ng/ml) pozorována zvýšená tvorba ROS [72]. U pacientů se zvýšenou sérovou hladinou feritinu, kterým byl perorálně podáván vitamin C v dávce 360 a 1 500 mg týdně, došlo k zvýšení hladiny MDA [74]. Naopak podávání vitaminu C (200–1 000 mg//den; 3 měsíce) neovlivnilo hladinu Cu/Zn-SOD v plazmě ani expresi mRNA v leukocytech, ale došlo ke zvýšení hladiny oxidovaného vitaminu C, produktu reakce s RONS [76]. Ukazuje se, že podávání vitaminu C pacientům v hemodialyzačním programu není příliš vhodné, protože většina z nich trpí anémií a jsou léčeni přípravky obsahujícími železo, což vede ke zvýšení pro­oxidační zátěže těchto osob [75].

Hodkova et al pozorovali, že orální podávání vitaminu E (400 mg/den) po dobu 5 týdnů nevedlo k normalizaci parametrů OS a zánětu [77]. Naopak Akiyama et al zjistili, že orální podávání vitaminu E (600 mg/den) nebo použití membrány potažené vitaminem E vedlo k signifikantnímu snížení hladiny Cu/Zn-SOD [78]. Po dlouhodobém podávání vitaminu E (800 IU/den) hemodialyzovaným pacientům byl prokázán pokles kardiovaskulárních komplikací [79]. Kontroverzní výsledky z literatury o anti- nebo prooxidačních vlastnostech vitaminů při jejich podávání pacientům na HD se snažila objasnit jedna z posledních studií. Pa­cientům v hemodialyzačním programu byla podávána směs vitaminů (vitamin E, 800 IU/den; vitamin C, 250 mg; vitamin B₆, 100 mg; vitamin B₁₂, 250 mg a kyselina listová, 10 mg) po dobu 8 týdnů. Bylo prokázáno, že tato dávka antioxidantů nemá vliv na změny lipidového metabolizmu, zánětlivé parametry ani na další ukazatele OS [80]. V důsledku HD dochází k poklesu hladiny selenu, důležitého antioxidantu, který je nezbytný pro funkci GPX. Suplementace selenem nemá výrazný efekt na GPX [81]. Taccone-Gallucci et al zjistili, že dlouhodobé podávání statinů pozitivně ovlivnilo hladinu selenu, což přispívá k zlepšení antioxidační ochrany organizmu [82].

Hemodialýza a anémie

Chudokrevnost je běžným projevem chronického selhání ledvin. Na rozvoji renální anémie se podílí řada faktorů, zejména deficit železa v důsledku ztrát krve v rámci dialyzačních procedur, snížená stimulace kostní dřeně v důsledku nedostatku erytropoetinu, uremické toxiny a inhibitory erytropoézy (spermin, spermidin, putrescin a kadaverin), zkrácené přežívání erytrocytů, ale také nadprodukce hepcidinu, který snižuje resorpci železa [83]. K udržení dostatečného množství zásobního a funkčního železa pro potřeby erytropoézy je nezbytná jeho substituce. Pacientům je podáváno železo intravenózně či perorálně. Perorální substituce je méně účinná, ale nevyvolává OS nárazovým zvýšením plazmatické hladiny redoxně aktivního železa a železa, které není vázáno na transferin [84]. Intravenózní podávání je účinnější, ale zvyšuje oxidační zátěž organizmu, akceleruje rozvoj aterosklerózy a zvyšuje kardiovaskulární morbiditu [32]. Ve studii provedené na souboru 14 886 HD pacientů byla pozorována vyšší úmrtnost na infekční a kardiovaskulární komplikace u pacientů, kterým bylo podáváno železo v dávce větší než 5 g/rok v porovnání se skupinou pacientů, kterým železo podáváno nebylo [85]. Dalším potvrzením oxidačních změn probíhajících při feroterapii byl nález zvýšené hladiny PPL a oxidovaných lipoproteinů o nízké hustotě (ox-LDL) [32,86], i když nebyla pozorována změna aktivity SOD, GPX a GST v erytrocytech a plazmě [32]. Oxidační zátěž při intravenózní aplikaci železa byla snížena, pokud byl současně intravenózně podáván N-acetylcystein [87] či vitamin E [88].

Zcela zásadním způsobem se v léčbě renální anémie uplatňují erytropoézu stimulující látky (ESA). Po podání rekombinantního erytropoetinu byl pozorován pokles PPL [89,90]. Pawlak et al popsali, že podávání erytropoetinu po dobu 1 roku nevedlo k zvýšení OS, změnám aktivit SOD a produktů oxidačního poškození, nebyl pozorován ani negativní vliv na koagulační aktivitu a funkci endotelu [91]. Monostori et al zaznamenali, že bezprostředně po podání erytropoetinu dochází k OS (změna poměru –SH/–SS–, zvýšení MDA a snížení SOD). Po 14 týdnech došlo k normalizaci sledovaných hodnot a zvýšení GSH [92]. Zdá se tedy, že úprava erytropoézy, resp. anémie, podáváním ESA vede u hemodialyzovaných pacientů ke snížení oxidační zátěže.

Ostatní faktory ovlivňující OS u HD pacientů

Dalším faktorem přispívajícím k rozvoji kardiovaskulárních komplikací u HD pacientů je snížení aktivit plazmatické esterázy a paraoxonázy v porovnání se zdravými osobami [93,94]. Paraoxonáza je asociována s lipoproteiny o vysoké hustotě a podílí se na odstraňování ox-LDL. Snížení aktivity paraoxonázy bylo současně provázeno snížením aktivity erytrocytární KAT a zvýšení hladiny MDA [93].

Granata et al ve své velmi zajímavé studii prokázali, že pacienti s chronickým selháním ledvin a pacienti léčení HD mají zvýšenou syntézu podjednotky cytochrom c oxidázy a sníženou aktivitu komplexu IV. Tento nesoulad mezi součástmi dýchacího řetězce ovlivňuje jeho funkci, vede k nadprodukci ROS a k rozvoji OS v mitochondriích [95].

Závěr

Jedinci s chronickým selháním ledvin, kteří jsou léčeni extrakorporální HD nebo PD, mají v porovnání se zdravými jedinci vysoké riziko kardiovaskulárních komplikací. Kromě běžných a dobře známých faktorů se na rozvoji aterosklerózy podílí také OS. Ke zvýšení OS přispívá povaha hemodialyzačních membrán a složení roztoků používaných pro PD. Současné možnosti příznivého ovlivnění zvýšené oxidační zátěže u pacientů léčených HD nebo PD jsou velmi omezené. Jednou z možných cest, jak snížit OS, je nalezení nových biokompatibilnějších materiálů a dialyzačních roztoků, vytvoření optimálních léčebných schémat, případně suplementace některými antioxidanty, která má však také své limity. Eliminace prooxidačních faktorů může zlepšit celkový zdravotní stav dialyzovaných pacientů a perspektivně snížit riziko vzniku kardiovaskulárních komplikací.

Práce vznikla v rámci projektů IGA MZ ČR NS 9964/4 a MŠ ČR (MSM 6198959216).

Seznam použitých zkratek

• AGE – produkty pokročilé glykace proteinů
• AOPP – produkty pokročilé oxidace proteinů
• Cu/Zn-SOD – cytoplazmatická superoxiddismutáza
• DMVE – dialyzační membrána s povrchem potaženým vitaminem E
• ESA – erytropoézu stimulující látky
• GPX – glutationperoxidáza
• GSH – redukovaný glutation
• GSSG – oxidovaný glutation
• GSR – glutationreduktáza
• GST – glutationtranferáza
• HClO – kyselina chlorná
• HD – hemodialýza
• KAT – kataláza
• MDA – malondialdehyd
• MPO – myeloperoxidáza
• OS – oxidační stres
• oxLDL – oxidované lipoproteiny o nízké hustotě
• PD – peritoneální dialýza
• PDR – peritoneální dialyzační roztok
• PPL – produkty peroxidace lipidů
• RONS – reaktivní formy kyslíku a dusíku
• ROS – reaktivní formy kyslíku
• SOD – superoxiddismutáza
• 8-OH-dG – 8-hydroxy-2´-deoxyguanozin

Ing. Adéla Galandáková, Ph.D.

medchemrs.upol.cz

e-mail: galandakova.a@seznam.cz

Doručeno do redakce: 10. 11. 2011

Přijato po recenzi: 20. 2. 2012