Therapeutic approaches to minimise acute renal failure in an animal model of myoglobinuria

Abstract

Burns are one of the main causes leading to lethal acute renal failure (ARF). Coagulative necrosis of the skin and the underlying subcutaneous tissue including muscle cells, a process termed RM (rhabdomyolysis), leads to the release of toxic factors including extracellular skeletal myoglobin (Mb). If its amount in the circulation exceeds the binding capacity of the protein haptoglobin, Mb is filtered by the glomeruli and is secreted in the urine, a condition termed myoglobinuria. Accumulating Mb can damage the kidneys by intrarenal vasoconstriction, direct and ischemic tubule injury and tubular obstruction. However, the exact mechanisms are yet unclear. It has been proposed that the release of free iron from the heme group can generate hydroxyl radicals and cause cellular injury. In addition, extracellular myoglobin can undergo redox cycling to yield ferric Mb and from then to the pro-oxidative ferryl state. The ferryl form can initiate lipid peroxidation and renal injury without invoking release of free iron. Furthermore, Mb is a pro-oxidant and initiates the oxidation of biological targets including cell membranes, proteins and DNA. This study tested whether chelators or antioxidants are able to ameliorate ARF through inhibiting oxidative stress. In a cell model using cultured kidney epithelial cells the chelators inhibited Mb-induced oxidative stress and inflammation and improved epithelial cell function. The new iron chelator DFOB-AdAOH showed similar activity to DFOB and due to its low toxicity may be a promising candidate in the treatment of iron overload disease as well as a potential therapeutic strategy to combat ARF after RM. In an animal model of RM, co-supplementation with tetra-tert-butyl bisphenol (BP) and vitamin C (Vit C) or both BP and Vit C inhibited lipid peroxidation and inflammation but only Vit C, when administered alone, improved renal function as monitored by selected markers of AKF. These data indicate that lipid- and water-soluble antioxidants may differ in terms of their therapeutic impact on RM-induced renal dysfunction. However, the lack of correlation between antioxidant activity and biomarkers of renal dysfunction makes it difficult to evaluate renal damage. Although oxidative stress has an evidential role in ARF, it seems to be a combination of several factors that include, but are not limited to, cytokines released during RM, shock, dehydration and acidosis. Therefore, a therapeutic intervention should aim to restore glomerular filtration rate, increase blood flow to the glomerulus, and inhibit tubular obstruction by Mb casts. Finally, our studies indicate that further work with the chelator DFOB-AdaOH is warranted. Thus, whether DFOB- AdaOH diminishes oxidative stress caused by both free iron and Mb pro-oxidant activity and whether this can protect the kidneys from experimental ARF should be evaluated further using in vivo models in the future.

Verbrennungen sind eine der Hauptursachen für akutes Nierenversagen (ARF). Nekrosen der Haut und des darunterliegenden Gewebes einschließlich der Muskulatur, RM (Rhambdomyolyse) genannt, führen zur Freisetzung von toxischen Substanzen wie extrazellulärem Myoglobin. Wenn dessen Menge im Blutsystem die Bindungskapazität des Proteins Haptoglobin übersteigt wird Mb von den Glomeruli ausgeschieden und über den Urin entfernt (Myoglobinurie). Die Akkumulation von Myoglobin kann durch intrarenale Vasokonstriktion, direkte und ischämische Schäden des Tubulus oder durch Blockade des Tubulus zu Nierenschäden führen. Trotzdem sind die genauen Ursachen noch unbekannt. Eine Theorie ist, dass die Freisetzung von freiem Eisen aus dem Häm Hydroxylradikale produziert und diese Zellschäden verursachen. Des weiteren kann extrazelluläres Mb durch „redox cycling“ den Fe(III)- und daraufhin den pro-oxidativen Fe(IV)-Zustand annehmen. Die Fe(IV)-Form kann auch ohne die Beteiligung von freiem Eisen zu Lipidoxidation und Nierenschäden führen. Zusätzlich ist Mb ein Pro- Oxidant und fördert die Oxidation von Zellmembranen, Proteinen und DNA. In dieser Studie wurde getestet, ob Chelatoren oder Antioxidantien durch die Verminderung von oxidativem Stress die Entstehung von ARF verhindern können. In einem in vitro-Modell mit Nierenepithelzellen reduzierten die Chelatoren oxidativen Stress, unterdrückten Entzündungsprozesse und verbesserten die Funktion der Zellen. Der neuentwickelte Eisenchelator DFOB-AdAOH zeigte ähnliche Eigenschaften wie DFOB und könnte aufgrund seiner geringeren Toxizität sowohl für die Behandlung von Eisenüberschuss als auch für die Prävention von ARF nach RM ein aussichtsreicher Wirkstoff sein. In einem Tiermodell der RM verminderte die Verabreichung von tetra-tert-butyl bisphenol (BP) und Vitamin C (Vit C) oder in Kombination Lipidoxidation und Entzündungsprozesse, aber nur Vit C allein verbesserte ausgewählte Marker des akuten Nierenversagens. Die gewonnenen Daten deuten darauf hin, dass lipid- und wasserlösliche Antioxidantien unterschiedlichen Einfluss auf durch RM verursachtes Nierenversagen haben können. Allerdings bestehen aufgrund der mangelnden Korrelation von antioxidativer Wirkung und Nierenschaden Schwierigkeiten diesen korrekt zu erfassen. Obwohl oxidativer Stress zweifelsfrei eine wichtige Rolle bei ARF spielt, scheint es eine Kombination aus verschiedenen Faktoren wie Freisetzung von Zytokinen, Schock, Dehydration und Azidose zu sein. Daher sollte eine mögliche Therapie darauf zielen, die glomeruläre Filtrationsrate zu erhalten, den Blutfluss zum Glomerulus zu erhöhen und die Blockade durch Mb-Zylinder zu lösen. Aufgrund dieser Ergebnisse scheinen weitere Studien mit dem Chelator DFOB-AdAOH notwendig. Daher sollte in einem in vivo Experiment untersucht werden, ob DFOB-AdAOH sowohl den durch freies Eisen als auch den durch die pro-oxidative Wirkung des Myoglobins enstandenen oxidativen Stress vermindert und ob dies ARF verhindern kann.