Klotho, epitelio alveolare e danno acuto polmonare - Klotho, alveolar epithelium and Acute Lung Injury

 

Concludiamo il ciclo “Klotho e Pneumologia” con un post dedicato agli effetti protettivi di Klotho sull’epitelio polmonare.

Saranno discussi quegli studi che non hanno trovato collocazione nelle specifiche patologie polmonari. L’insieme delle Ricerche di seguito riportate può essere riassunto a grandi linea con la domanda di seguito riportata.

Domanda:

Klotho ha un ruolo protettivo nei confronti dell’epitelio polmonare?

Risposta breve:

• ·       Modelli sperimentali: SI
• ·    Uomo: Dati insufficienti

 

Approfondimento:

Uno Studio¹ del 2014 ha mostrato ha dimostrato la capacità della proteina Klotho di attenuare, in vitro, lo stress ossidativo nelle cellule A549 (cellule epiteliali umane derivate da adenocarcinoma) e AT1 (cellule epiteliali alveolari di tipo I) esposte da elevate concentrazioni di ossigeno (95% O₂).

Nei topi, il risultato è stato simile. La supplementazione di Klotho riduceva lo stress ossidativo e il danno indotto dalla somministrazione di un’alta concentrazione di ossigeno.

La dimostrazione dell’effetto antiossidante è stata ottenuta dimostrando l’attivazione della via anti-ossidante Nrf2 (nuclear factor erythroid derived 2 transcriptional factor).

Per quanto riguarda l’espressione polmonare, i Ricercatori riportano che Klotho non è presente a livello polmonare e la scelta del verbo “presente” ha uno scopo ben preciso. Infatti, bisogna effettuare delle considerazioni. Innanzitutto, la presenza o meno di Klotho è ricercata nei polmoni di topi, nulla ci dice in merito all’uomo. Secondo, la ricerca è stata effettuata tramite RT-PCR e non tramite immunoistochimica, metodica invece impiegata in Studi successivi, ad esempio quelli riportati nel post della COPD, dove venivano arruolati dei pazienti e che hanno invece dimostrato il contrario.

 Collateralmente e poco utile nel rispondere alla domanda di questo post, ma importante nel commentare le precisazioni del paragrafo sopra riportato, è lo Studio⁵ di Zhan e colleghi il quale è da considerarsi una pietra miliare. Pubblicato nel 2019 va a testare cinque differenti anticorpi e ottiene risultati in grado di far crollare studi e ricerche degli ultimi 10-20 anni. Per la sua importanza è stato approfondito in un post specifico (Qualianticorpi anti-Klotho usare?).

Lo Studio² pubblicato circa due anni dopo dal Team di Ravikumar, studia il deficit transitorio di Klotho, l’aumento dello stress ossidativo sistemico e il danno polmonare che si viene a creare durante l’insufficienza renale acuta (AKI – Acute Kidney Injuri).^3,4 E’ uno studio su modelli murini. Viene dimostrata una correlazione tra presenza di danno renale e contemporaneo sviluppo di danno polmonare verosimilmente a causa della riduzione di anti-ossidanti endogeni. La somministrazione di Klotho, inoltre, portava ad un miglioramento del danno alveolare. Questo effetto si ipotizza sia reso possibile grazie alla capacità di Klotho di passare direttamente dai capillari all’interstizio e all’epitelio alveolare.

 

Interessante è la Ricerca⁶ già in parte trattata nel post ”Klotho e acetilcisteina (NAC)”, riguardante gli effetti protettivi della proteina Klotho nei confronti dei danni causati dal Paraquat.

Il paraquat è un erbicida largamente impiegato in tutto il Mondo in agricoltura in particular caso nei Paesi in via di sviluppo alla luce del basso costo, della velocità di azione e del suo ampio spettro di azione.⁷ A fronte di questi vantaggi, il paraquat è estremamente tossico. E’ in grado di penetrare nell’organismo umano attraverso la cute, l’apparato digerente e respiratorio. La mortalità sfiora il 90%.⁸ Successivamente all’ingestione, il paraquat si distribuisce in tutto l’organismo portando alla sindrome da disfunzione multiorgano.⁹ In particolare, nel polmone porta alla disgregazione dell’epitelio polmonare, alla riduzione della produzione di surfactante, ad emorragie spontanee, comparsa di edema e incremento delle cellule che modulino l’infiammazione.¹⁰ Alla base di questi processi sembrerebbe ci sia la capacità del paraquat a incrementare patologicamente la produzione delle specie reattive dell’ossigeno (ROS).¹¹

Lo Studio è stato condotto su topi C57BL/6 e in vitro su cellule A549. Nei topi, il Gruppo al quale veniva somminsitrato Klotho aveva una sopravvivenza del 100% confermando altresì che la somministrazione della proteina non ha effetti negativi. Gli animali che ricevevano Klotho+Paraquat avevano una sopravvivenza maggiore rispetto al Gruppo trattato con il solo erbicida.

Inoltre, in quest’ultimo Gruppo, si osservava un incremento del liquid ottenuto dal lavaggio broncoalveolare, di interleuchina (IL)-1β e IL-6. La concentrazione di queste citochine proinfiamamtorie si riduceva se veniva somminsitrata la proteina Klotho.

La somministrazione di Klotho portava anche a: 1) riduzione dell’edema polmonare; 2) riduzione dell’apoptosi cellulare; 3) incremento della sopravvivenza e riduzione dello stress ossidativo delle cellule A549 4) riduzione della depolarizzazione della membrana dei mitocondri incrementando l’integrità di quest’ultimi.

Per maggiori informazioni inerenti alla depolarizzazione della membrana mitocondriale, si rimanda all’Articolo di Chen e colleghi.¹²

Penultimo Studio,¹³ riparte da una precedente Ricerca¹⁴ riguardante le cellule staminali derivate dai fibroblasti umani (iPSC) e la loro proprietà a favorire la riparazione e riduzione del danno nei modelli sperimentali di fibrosi polmonare indotta da bleomicina.

Per maggiori informazioni riguardo il ruolo della proteina Klotho nella fibrosi polmonare si rimanda al post dedicato.

La Ricerca dimostra la capacità delle iPSC di incrementare la produzione di Klotho che a sua volta è noto attivare l’attività citoprotettiva del gene Nrf2.

Le cellule iPSC sono state derivate dai fibroblasti CRL-2429. Le cellule polmonari impiegate sono le AT1. Per gli studi in vivo sono stati impiegati i ratti Sprague-Dawley (Charles River Laboratories, Wilmington, MA).

Per l’immunoistochimica e l’immunoblot è stato usato l’anticorpo KM2076. Per approfondimento riguardo quale sia l’anticorpo più appropriato, si rimanda al post “Quali anticopri anti-Klotho usare?”.

 

Infine, l'Articolo¹⁵ della Professoressa Hsia è una Review molto interessante. Discute come nel corso della vita, l’apparato respiratorio sia esposto ad un elevato stress ossidativo e ne analizza il ruolo protettivo della proteina Klotho.

  

Se conoscete altri studi in merito fatemelo sapere, attendo vostri suggerimenti, a disposizione per dubbi e chiarimenti. Per maggiori approfondimenti specifici vi rimando alla lettura dei singoli articoli.

 

MEDLINE effettuata su Pubmed alla data di pubblicazione del post, parole chiave della ricerca: Klotho AND “lung injury”; Klotho AND “acute lung injury”

Credits: Foto di Anna Shvets da Pexels

 

 Bibliografia: 

1.           Ravikumar, P. et al. α -klotho protects against oxidative damage in pulmonary epithelia. Am. J. Physiol. - Lung Cell. Mol. Physiol. (2014) doi:10.1152/ajplung.00306.2013.

2.           Ravikumar, P. et al. αklotho deficiency in acute kidney injury contributes to lung damage. J. Appl. Physiol. (2016) doi:10.1152/japplphysiol.00792.2015.

3.           Hu, M. C. et al. Klotho deficiency is an early biomarker of renal ischemia-reperfusion injury and its replacement is protective. Kidney Int 78, 1240–1251 (2010).

4.           Panesso, M. C. et al. Klotho has dual protective effects on cisplatin-induced acute kidney injury. Kidney Int 85, 855–870 (2014).

5.           Zhang, J. et al. Alpha-Klotho, a critical protein for lung health, is not expressed in normal lung. FASEB bioAdvances 1, 675–687 (2019).

6.           Zhang, Z. et al. Klotho Alleviates Lung Injury Caused by Paraquat via Suppressing ROS/P38 MAPK-Regulated Inflammatory Responses and Apoptosis. Oxid. Med. Cell. Longev. (2020) doi:10.1155/2020/1854206.

7.           Gil, H. wook, Hong, J. R., Jang, S. H. & Hong, S. Y. Diagnostic and therapeutic approach for acute paraquat intoxication. Journal of Korean medical science (2014) doi:10.3346/jkms.2014.29.11.1441.

8.           Xu, L., Xu, J. & Wang, Z. Molecular mechanisms of paraquat-induced acute lung injury: A current review. Drug and Chemical Toxicology (2014) doi:10.3109/01480545.2013.834361.

9.           Dinis-Oliveira, R. J. et al. Paraquat poisonings: Mechanisms of lung toxicity, clinical features, and treatment. Critical Reviews in Toxicology (2008) doi:10.1080/10408440701669959.

10.         Suntres, Z. E. Exploring the potential benefit of natural product extracts in paraquat toxicity. Fitoterapia (2018) doi:10.1016/j.fitote.2018.10.026.

11.         Liu, B. et al. Salvianolic acid B protects against paraquat-induced pulmonary injury by mediating Nrf2/Nox4 redox balance and TGF-β1/Smad3 signaling. Toxicol. Appl. Pharmacol. (2016) doi:10.1016/j.taap.2016.08.004.

12.         Chen, Y. W., Yang, Y. T., Hung, D. Z., Su, C. C. & Chen, K. L. Paraquat induces lung alveolar epithelial cell apoptosis via Nrf-2-regulated mitochondrial dysfunction and ER stress. Arch. Toxicol. (2012) doi:10.1007/s00204-012-0873-8.

13.         Gazdhar, A. et al. Alpha-Klotho Enrichment in Induced Pluripotent Stem Cell Secretome Contributes to Antioxidative Protection in Acute Lung Injury. Stem Cells 36, 616–625 (2018).

14.         Gazdhar, A. et al. The secretome of induced pluripotent stem cells reduces lung fibrosis in part by hepatocyte growth factor. Stem Cell Res. Ther. (2014) doi:10.1186/scrt513.

15.         Hsia, C. C. W., Ravikumar, P. & Ye, J. Acute lung injury complicating acute kidney injury: A model of endogenous αKlotho deficiency and distant organ dysfunction. Bone (2017) doi:10.1016/j.bone.2017.03.047.