Preview

Пульмонология

Расширенный поиск

Клеточный метаболизм и дисфункция митохондрий при хронической обструктивной болезни легких

https://doi.org/10.18093/0869-0189-2022-3108

Аннотация

Хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) в силу многообразия и системности проявлений рассматривается в качестве типичной модели ускоренного старения. К ведущему фактору тканевого ремоделирования при ХОБЛ относятся изменение клеточного метаболизма или его перепрограммирование в ответ на воздействие таких внешних факторов, как продукты сгорания табака, биотопливо, вирусы и др. Среди многообразия механизмов тканевого и клеточного перепрограммирования при ХОБЛ доминирующую позицию занимают вопросы митоходриальной биологии. Являясь парасимбиотическими органеллами, митохондрии имеют сложную систему взаимодействия с клетками целостного организма и участвуют в процессах как биогенеза, или образования новых органелл, так и митофагии, или удаления клеткой-хозяином дефектных митохондрий. При ХОБЛ происходит дизрегуляция обоих этих механизмов.

Целью обзора явилось объединение накопленного научно-исследовательского опыта в области изучения клеточного метаболизма и роли митохондрий для углубленного фенотипирования ХОБЛ в зависимости от вариантов метаболического перепрограммирования и создания новых терапевтических возможностей для их коррекции.

Заключение. Митохондрии являются ключевыми регуляторами метаболизма, окислительно-восстановительного гомеостаза, выживания и пролиферации клеток. Указанные процессы, контролируемые разнообразными путями внутри- и межклеточного сигналинга, демонстрируют дисбаланс при ХОБЛ на уровне различных тканевых дифферонов: альвеолоцитов, эпителиальных клеток легочной ткани, гладких миоцитов дыхательных путей, альвеолярных макрофагов, поперечнополосатой мускулатуры, мезенхимальных стромальных клеток, прогениторных клеток и пр. Результаты, полученные при изучении метаболома и митохондриальной функции, формируют идеи для поиска новых терапевтических возможностей в терапии ХОБЛ.

Об авторах

В. А. Невзорова
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Тихоокеанский государственный медицинский университет, Министерство здравоохранения Российской Федерации
Россия

Невзорова Вера Афанасьевна – доктор медицинских наук, профессор, директор Института терапии и инструментальной диагностики Тихоокеанский ГМУ, главный внештатный специалист по терапии Дальневосточного федерального округа.

690002, Владивосток, пр-т Острякова, 2; тел.: (423) 240-23-63


Конфликт интересов:

Конфликт интересов авторами не заявлен



Т. А. Бродская
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Тихоокеанский государственный медицинский университет, Министерство здравоохранения Российской Федерации
Россия

Бродская Татьяна Александровна – доктор медицинских наук, профессор Института терапии и инструментальной диагностики.

690002, Владивосток, пр-т Острякова, 2; тел.: (423) 45-26-38


Конфликт интересов:

Конфликт интересов авторами не заявлен



Н. Г. Плехова
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Тихоокеанский государственный медицинский университет, Министерство здравоохранения Российской Федерации
Россия

Плехова Наталья Геннадьевна – доктор биологических наук, заведующая Центральной научно-исследовательской лабораторией.

690002, Владивосток, пр-т Острякова, 2; тел.: (423) 240-23-63


Конфликт интересов:

Конфликт интересов авторами не заявлен



Л. Г. Присеко
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Тихоокеанский государственный медицинский университет, Министерство здравоохранения Российской Федерации
Россия

Присеко Людмила Григорьевна – аспирант, ассистент Института терапии и инструментальной диагностики.

690002, Владивосток, пр-т Острякова, 2; тел.: (423) 45-26-38


Конфликт интересов:

Конфликт интересов авторами не заявлен



А. А. Евстифеева
Краевое государственное бюджетное учреждение здравоохранения Владивостокская клиническая больница № 1
Россия

Евстифеева Анастасия Алексеевна – врач-пульмонолог пульмонологического отделения.

690078, Приморский край, Владивосток, ул. Садовая, 22; тел.: (423) 245-28-36


Конфликт интересов:

Конфликт интересов авторами не заявлен



А. Э. Багирова
Краевое государственное бюджетное учреждение здравоохранения Владивостокская клиническая больница № 1
Россия

Багирова Айнура Эльчин кызы – врач-кардиолог отделения неотложной кардиологии.

690078, Приморский край, Владивосток, ул. Садовая, 22; тел.: (423) 245-28-36


Конфликт интересов:

Конфликт интересов авторами не заявлен



Список литературы

1. Бродская Т.А., Невзорова В.А., Васильева М.С., Лавренюк В.В. Нейроопосредованные и эндотелийзависимые механизмы формирования хронической обструктивной болезни легких. Терапевтический архив. 2020; 92 (3): 116–124. DOI: 10.26442/00403660.2020.03.000347.

2. Nevzorova V., Brodskaya T., Gilifanov E. Smoking and COPD: Endothelium-related and neuro-mediated emphysema mechanisms. In: Herrera Garcia J.C., ed. Respiratory disease update. London: IntechOpen; 2020. DOI: 10.5772/intechopen.85927.

3. MacNee W., Rabinovich R.A., Choudhury G. Ageing and the border between health and disease. Eur. Respir. J. 2014; 44 (5): 1332–1352. DOI: 10.1183/09031936.00134014.

4. Hiemstra P.S., van der Does A.M. Reprogramming of cellular metabolism: driver for airway remodelling in COPD? Eur. Respir. J. 2017; 50 (5): 1702197. DOI: 10.1183/13993003.02197-2017.

5. Naz S., Kolmert J., Yang M. et al. Metabolomics analysis identifies sex-associated metabotypes of oxidative stress and the autotaxin-lysoPA axis in COPD. Eur. Respir. J. 2017; 49 (6): 1602322. DOI: 10.1183/13993003.02322-2016.

6. López-Otín C., Blasco M.A., Partridge L. et al. The hallmarks of ageing. Cell. 2013; 153 (6): 1194–1217. DOI: 10.1016/j.cell.2013.05.039.

7. Cloonan S.M., Kim K., Esteves P. et al. Mitochondrial dysfunction in lung ageing and disease. Eur. Respir. Rev. 2020; 29 (157): 200165. DOI: 10.1183/16000617.0165-2020.

8. Мережковский К.С. Теория двух плазм как основа симбиогенезиса, нового учения о происхождении организмов. Казань: Типография Императорского университета; 1909. Доступно на: https://elib.rgo.ru/handle/123456789/231019

9. Sagan L. On the origin of mitosing cells. J. Theor. Biol. 1967; 14 (3): 255–274. DOI: 10.1016/0022-5193(67)90079-3.

10. Mishra P., Carelli V., Manfredi G., Chan D.C. Proteolytic cleavage of Opa1 stimulates mitochondrial inner membrane fusion and couples fusion to oxidative phosphorylation. Cell Metab. 2014; 19 (4): 630–641. DOI: 10.1016/j.cmet.2014.03.011.

11. Toyama E.Q., Herzig S., Courchet J. et al. Metabolism. AMP-activated protein kinase mediates mitochondrial fission in response to energy stress. Science. 2016; 351 (6270): 275–281. DOI: 10.1126/science.aab4138.

12. Mishra P., Chan D.C. Mitochondrial dynamics and inheritance during cell division, development and disease. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2014; 15 (10): 634–646. DOI: 10.1038/nrm3877.

13. Mizumura K., Cloonan S.M., Nakahira K. et al. Mitophagy-dependent necroptosis contributes to the pathogenesis of COPD. J. Clin. Invest. 2014; 124 (9): 3987–4003. DOI: 10.1172/JCI74985.

14. Kovarova M., Hesker P.R., Jania L. et al. NLRP1-dependent pyroptosis leads to acute lung injury and morbidity in mice. J. Immunol. 2012; 189 (4): 2006–2016. DOI: 10.4049/jimmunol.1201065.

15. Cloonan S.M., Choi A.M. Mitochondria in lung disease. J. Clin. Invest. 2016; 126 (3): 809–820. DOI: 10.1172/JCI81113.

16. Hoffmann R.F., Zarrintan S., Brandenburg S.M. et al. Prolonged cigarette smoke exposure alters mitochondrial structure and function in airway epithelial cells. Respir. Res. 2013; 14 (1): 97. DOI: 10.1186/1465-9921-14-97.

17. Wiegman C.H., Michaeloudes C., Haji G. et al. Oxidative stress-induced mitochondrial dysfunction drives inflammation and airway smooth muscle remodeling in patients with chronic obstructive pulmonary disease. J. Allergy Clin. Immunol. 2015; 136 (3): 769–780. DOI: 10.1016/j.jaci.2015.01.046.

18. Tennant D.A., Durán R.V., Gottlieb E. Targeting metabolic transformation for cancer therapy. Nat. Rev. Cancer. 2010; 10 (4): 267–277. DOI: 10.1038/nrc2817.

19. Michaeloudes C., Kuo C.H., Haji G. et al. Metabolic re-patterning in COPD airway smooth muscle cells. Eur. Respir. J. 2017; 50 (5): 1700202. DOI: 10.1183/13993003.00202-2017.

20. Aravamudan B., Kiel A., Freeman M. et al. Cigarette smoke-induced mitochondrial fragmentation and dysfunction in human airway smooth muscle. Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. 2014; 306 (9): L840–854. DOI: 10.1152/ajplung.00155.2013.

21. Aravamudan B., Thompson M., Sieck G.C. et al. Functional effects of cigarette smoke-induced changes in airway smooth muscle mitochondrial morphology. J. Cell. Physiol. 2017; 232 (5): 1053–1068. DOI: 10.1002/jcp.25508.

22. Kirkham P.A., Barnes P.J. Oxidative stress in COPD. Chest. 2013; 144 (1): 266–273. DOI: 10.1378/chest.12-2664.

23. Bernstein L.H. The role of mitochondrial imbalance in pulmonary diseases. EC Pulmonol. Respir. Med. 2019; 8 (4): 336–344. Available at: https://ecronicon.com/ecprm/pdf/ECPRM-08-00362.pdf

24. Wu G., Zhu Q., Zeng J. et al. Extracellular mitochondrial DNA promote NLRP3 inflammasome activation and induce acute lung injury through TLR9 and NF-κB. J. Thorac. Dis. 2019; 11 (11): 4816–4828. DOI: 10.21037/jtd.2019.10.26.

25. West A.P., Khoury-Hanold W., Staron M. et al. Mitochondrial DNA stress primes the antiviral innate immune response. Nature. 2015; 520 (7548): 553–557. DOI: 10.1038/nature14156.

26. Robb E.L., Hall A.R., Prime T.A. et al. Control of mitochondrial superoxide production by reverse electron transport at complex I. J. Biol. Chem. 2018; 293 (25): 9869–9879. DOI: 10.1074/jbc.RA118.003647.

27. Brand M.D. Mitochondrial generation of superoxide and hydrogen peroxide as the source of mitochondrial redox signaling. Free Radic Biol. Med. 2016; 100: 14–31. DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2016.04.001.

28. Ryter S.W., Rosas I.O., Owen C.A. et al. Mitochondrial dysfunction as a pathogenic mediator of chronic obstructivepulmonary disease and idiopathic pulmonary fibrosis. Ann. Am. Thorac. Soc. 2018; 15 (Suppl. 4): S266–272. DOI: 10.1513/AnnalsATS.201808-585MG.

29. Xu F., Wen Z., Shi X., Fan J. Inflammasome in the pathogenesis of pulmonary diseases. Exp. Suppl. 2018; 108: 111–151. DOI: 10.1007/978-3-319-89390-7_6.

30. Kang M.J., Shadel G.S. A mitochondrial perspective of chronic obstructive pulmonary disease pathogenesis. Tuberc. Respir. Dis. 2016; 79 (4): 207–213. DOI: 10.4046/trd.2016.79.4.207.

31. Kang M.J., Yoon C.M., Kim B.H. et al. Suppression of NLRX1 in chronic obstructive pulmonary disease. J. Clin. Invest. 2015; 125 (6): 2458–2462. DOI: 10.1172/JCI71747.

32. Yoon C.M., Nam M., Oh Y.M. et al. Mitochondrial regulation of inflammasome activation in chronic obstructive pulmonary disease. J. Innate Immun. 2016; 8 (2): 121–128. DOI: 10.1159/000441299.

33. Cloonan S.M., Glass K., Laucho-Contreras M.E. et al. Mitochondrial iron chelation ameliorates cigarette smoke-induced bronchitis and emphysema in mice. Nat. Med. 2016; 22 (2): 163–174. DOI: 10.1038/nm.4021.

34. Barnes P.J., Baker J., Donnelly L.E. Cellular senescence as a mechanism and target in chronic lung diseases. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2019; 200 (5): 556–564. DOI: 10.1164/rccm.201810-1975TR.

35. Zhu Y., Liu X., Ding X. et al. Telomere and its role in the aging pathways: telomere shortening, cell senescence and mitochondria dysfunction. Biogerontology. 2019; 20 (1): 1–16. DOI: 10.1007/s10522018-9769-1.

36. van der Rijt S., Molenaars M., McIntyre R.L. et al. Integrating the hallmarks of aging throughout the tree of life: a focus on mitochondrial dysfunction. Front. Cell Dev. Biol. 2020; 8: 594416. DOI: 10.3389/fcell.2020.594416.

37. Subramaniam K., Kumar H., Tawhai M.H. Evidence for age-dependent air-space enlargement contributing to loss of lung tissue elastic recoil pressure and increased shear modulus in older age. J. Appl. Physiol. (1985). 2017; 123 (1): 79–87. DOI: 10.1152/japplphysiol.00208.2016.

38. Sahin E., DePinho R.A. Axis of ageing: telomeres, p53 and mitochondria. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2012; 13 (6): 397–404. DOI: 10.1038/nrm3352.

39. Mercado N., Colley T., Baker J.R. et al. Bicaudal D1 impairs autophagosome maturation in chronic obstructive pulmonary disease. FASEB Bioadv. 2019; 1 (11): 688–705. DOI: 10.1096/fba.2018-00055.

40. Kelly G. A review of the sirtuin system, its clinical implications, and the potential role of dietary activators like resveratrol: part 1. Altern. Med. Rev. 2010; 15 (3): 245–263. Available at: https://altmedrev.com/blog/resource/a-review-of-the-sirtuin-system-its-clinical-implications-and-the-potential-role-of-dietary-activators-like-resveratrol-part-1/

41. Takasaka N., Araya J., Hara H. et al. Autophagy induction by SIRT6 through attenuation of insulin-like growth factor signaling is involved in the regulation of human bronchial epithelial cell senescence. J. Immunol. 2014; 192 (3): 958–968. DOI: 10.4049/jimmunol.1302341.

42. To M., Takagi D., Akashi K. et al. Sputum plasminogen activator inhibitor-1 elevation by oxidative stress-dependent nuclear factor-kappaB activation in COPD. Chest. 2013; 144 (2): 515–521. DOI: 10.1378/chest.12-2381.

43. Ahmad T., Sundar I.K., Lerner C.A. et al. Impaired mitophagy leads to cigarette smoke stress-induced cellular senescence: implications for chronic obstructive pulmonary disease. FASEB J. 2015; 29 (7): 2912–2929. DOI: 10.1096/fj.14-268276.

44. Szczesny B., Marcatti M., Ahmad A. et al. Mitochondrial DNA damage and subsequent activation of Z-DNA binding protein 1 links oxidative stress to inflammation in epithelial cells. Sci. Rep. 2018; 8 (1): 914. DOI: 10.1038/s41598-018-19216-1.

45. Zhang W.Z., Rice M.C., Hoffman K.L. et al. Association of urine mitochondrial DNA with clinical measures of COPD in the SPIROMICS cohort. JCI Insight. 2020; 5 (3): e133984. DOI: 10.1172/jci.insight.133984.

46. Lazaar A.L., Greenhaff P.L. Impaired muscle mitochondrial density and/or function: a COPD-specific mitochondropathy or simply deconditioning? Eur. Respir. J. 2012; 40 (5): 1070–1071. DOI: 10.1183/09031936.00051012.

47. Meyer A., Zoll J., Charles A.L. et al. Skeletal muscle mitochondrial dysfunction during chronic obstructive pulmonary disease: central actor and therapeutic target. Exp. Physiol. 2013; 98 (6): 1063–1078. DOI: 10.1113/expphysiol.2012.069468.

48. Taivassalo T., Hussain S.N. Contribution of the mitochondria to locomotor muscle dysfunction in patients with COPD. Chest. 2016; 149 (5): 1302–1312. DOI: 10.1016/j.chest.2015.11.021.

49. Dillon L.M., Rebelo A.P., Moraes C.T. The role of PGC-1 coactivators in aging skeletal muscle and heart. IUBMB Life. 2012; 64 (3): 231–241. DOI: 10.1002/iub.608.

50. Belchamber K.B.R., Singh R., Batista C.M. et al. Defective bacterial phagocytosis is associated with dysfunctional mitochondria in COPD macrophages. Eur. Respir. J. 2019; 54 (4): 1802244. DOI: 10.1183/13993003.02244-2018.

51. Ubags N.D., Baker J., Boots A. et al. ERS International Congress, Madrid, 2019: highlights from the Basic and Translational Science Assembly. ERJ Open Res. 2020; 6 (1): 00350-2019 DOI: 10.1183/23120541.00350-2019.

52. Weinberg S.E., Sena L.A., Chandel N.S. Mitochondria in the regulation of innate and adaptive immunity. Immunity. 2015; 42 (3): 406–417. DOI: 10.1016/j.immuni.2015.02.002.

53. Sun C., Liu X., Wang B. et al. Endocytosis-mediated mitochondrial transplantation: Transferring normal human astrocytic mitochondria into glioma cells rescues aerobic respiration and enhances radiosensitivity. Theranostics. 2019; 9 (12): 3595–3607. DOI: 10.7150/thno.33100.

54. Jackson M.V., Morrison T.J., Doherty D.F., McAuley D.F. Mitochondrial transfer via tunneling nanotubes is an important mechanism by which mesenchymal stem cells enhance macrophage phagocytosis in the in vitro and in vivo models of ARDS. Stem. Cells. 2016; 34 (8): 2210–2223. DOI: 10.1002/stem.2372.

55. Van den Bossche J., O’Neill L.A., Menon D. Macrophage immunometabolism: where are we (going)? Trends Immunol. 2017; 38 (6): 395–406. DOI: 10.1016/j.it.2017.03.001.

56. O’Beirne S.L., Kikkers S.A., Oromendia C. et al. Alveolar macrophage immunometabolism and lung function impairment in smoking and chronic obstructive pulmonary disease. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2020; 201 (6): 735–739. DOI: 10.1164/rccm.201908-1683LE.

57. Xie Z.Z., Liu Y., Bian J.S. Hydrogen sulfide and cellular redox homeostasis. Oxid. Med. Cell. Longev. 2016; 2016: 6043038. DOI: 10.1155/2016/6043038.

58. Sun Y., Wang K., Li M.X. et al. Metabolic changes of H2S in smokers and patients of COPD which might involve in inflammation, oxidative stress and steroid sensitivity. Sci. Rep. 2015; 5: 14971. DOI: 10.1038/srep14971.

59. He Y., Liu S., Zhang Z. et al. Imbalance of endogenous hydrogen sulfide and homocysteine in chronic obstructive pulmonary disease combined with cardiovascular disease. Front. Pharmacol. 2017; 8: 624. DOI: 10.3389/fphar.2017.00624.

60. Beckett E.L., Stevens R.L., Jarnicki A.G. et al. A new short-term mouse model of chronic obstructive pulmonary disease identifies a role for mast cell tryptase in pathogenesis. J. Allergy Clin. Immunol. 2013; 131 (3): 752–762. DOI: 10.1016/j.jaci.2012.11.053.

61. Mills E.L., Ryan D.G., Prag H.A. et al. Itaconate is an anti-inflammatory metabolite that activates Nrf2 via alkylation of KEAP1. Nature. 2018: 556 (7699): 113–117. DOI: 10.1038/nature25986.

62. Hara H., Araya J., Ito S. et al. Mitochondrial fragmentation in cigarette smoke-induced bronchial epithelial cell senescence. Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. 2013; 305 (10): L737–746. DOI: 10.1152/ajplung.00146.2013.

63. Ogger P.P., Silva J.D., Aghapour M. et al. Early career members at the ERS lung science conference 2020: metabolic alterations in lung ageing and disease. Breathe (Sheff.). 2020; 16 (3): 200063. DOI: 10.1183/20734735.0063-2020.

64. Michaeloudes C., Bhavsar P.K., Mumby S. et al. Role of metabolic reprogramming in pulmonary innate immunity and its impact on lung diseases. J. Innate Immun. 2020; 12 (1): 31–46. DOI: 10.1159/000504344.


Дополнительные файлы

Рецензия

Для цитирования:


Невзорова В.А., Бродская Т.А., Плехова Н.Г., Присеко Л.Г., Евстифеева А.А., Багирова А.Э. Клеточный метаболизм и дисфункция митохондрий при хронической обструктивной болезни легких. Пульмонология. 2023;33(1):84-91. https://doi.org/10.18093/0869-0189-2022-3108

For citation:


Nevzorova V.A., Brodskaya T.A., Plekhova N.G., Priseko L.G., Evstifeeva A.A., Bagirova A.E. Cellular metabolism and mitochondrial dysfunction in chronic obstructive pulmonary disease. PULMONOLOGIYA. 2023;33(1):84-91. (In Russ.) https://doi.org/10.18093/0869-0189-2022-3108

Просмотров: 1023


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International.


ISSN 0869-0189 (Print)
ISSN 2541-9617 (Online)