Abstract
Der AGE/RAGE-Signalweg ist eine gut untersuchte Kaskade bei vielen verschiedenen Krankheiten, insbesondere bei Diabetes. Aufgrund der komplexen Natur des Rezeptors und der sich mehrfach überschneidenden Signalwege ist der AGE/RAGE-Signalmechanismus noch immer nicht gut verstanden. Der Zweck dieser Übersichtsarbeit ist es, Schlüsselbereiche der AGE/RAGE-vermittelten Gefäßverkalkung als Komplikation von Diabetes hervorzuheben. Der AGE/RAGE-Signalweg beeinflusst sowohl die zellulären als auch die systemischen Reaktionen auf die Erhöhung der Knochenmatrixproteine durch PKC, p38 MAPK, Fetuin-A, TGF-β, NFκB und ERK1/2-Signalwege sowohl bei Hyperglykämie als auch bei Verkalkung stark. Es hat sich gezeigt, dass die AGE/RAGE-Signalübertragung den oxidativen Stress erhöht, um die diabetesvermittelte Gefäßverkalkung durch die Aktivierung von Nox-1 und die verminderte Expression von SOD-1 zu fördern. Der AGE/RAGE-Signalweg wurde bei der diabetesbedingten Gefäßverkalkung auch auf den erhöhten oxidativen Stress zurückgeführt, der bei der AGE-induzierten Verkalkung zu einem phänotypischen Wechsel von VSMCs zu osteoblastenähnlichen Zellen führt. Die Forscher fanden heraus, dass pharmakologische Wirkstoffe und bestimmte Antioxidantien die Kalziumablagerungen bei der durch AGEs verursachten diabetesbedingten Gefäßverkalkung verringerten. Das Verständnis der Rolle, die die AGE/RAGE-Signalkaskade bei der diabetesbedingten Gefäßverkalkung spielt, wird ein pharmakologisches Eingreifen ermöglichen, um den Schweregrad dieser diabetischen Komplikation zu verringern.
1. Einleitung
Diabetes mellitus ist eine Familie von Krankheiten, die durch einen erhöhten Blutzuckerspiegel oder eine Hyperglykämie gekennzeichnet sind, die aus der Unfähigkeit des Körpers resultiert, das Hormon Insulin zu produzieren und/oder zu nutzen. Diabetes mellitus Typ I ist mit einer Funktionsstörung der β-Zellen der Bauchspeicheldrüse verbunden, die zu einem Verlust der Insulinproduktion führt, während Diabetes mellitus Typ II durch eine Funktionsstörung des Insulinrezeptors verursacht wird, bei der die Signalübertragung durch den Insulinrezeptor von der Glukoseaufnahme abgekoppelt ist. Diabetes mellitus ist in den Vereinigten Staaten weit verbreitet: Etwa 29 Millionen Menschen oder 9,3 % der Bevölkerung leben mit Diabetes. Berichten zufolge ist die Sterblichkeitsrate an Herz-Kreislauf-Erkrankungen bei Personen ab 18 Jahren mit Diabetes etwa 1,7 Mal höher als in der Normalbevölkerung. Die erhöhte Sterblichkeitsrate bei diabetischen Herz-Kreislauf-Erkrankungen zeigt die Schwere der Komplikationen, die sich aus dieser Krankheit ergeben können. Daher ist es wichtig, den Zusammenhang zwischen Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Diabetes zu verstehen.
2. Typ-II-Diabetes und Gefäßverkalkung
Der Typ-II-Diabetes wird durch verschiedene Mechanismen stark mit Gefäßverkalkung in Verbindung gebracht, zu denen oxidativer Stress, Hyperglykämie, Hyperkaliämie und Hyperkalzämie gehören, wobei der oxidative Stress im Mittelpunkt dieser Übersicht steht. Die Gefäßverkalkung wird als Verhärtung der medialen Schicht der Arterie durch Ablagerung von Hydroxylapatit-Mineralien in der extrazellulären Matrix beschrieben. Dieser Prozess, von dem man früher annahm, dass er passiv ist und mit dem Alterungsprozess zusammenhängt, hat sich inzwischen als ein streng regulierter, zellvermittelter Prozess erwiesen. Während der Gefäßverkalkung aktiviert das morphogenetische Knochenprotein-2 (BMP-2) den Core Binding Factor alpha-1 (CBFA-1, auch bekannt als RunX2), der als primärer Transkriptionsregulator für die Reifung von Osteoblasten im Knochen fungiert. CBFA-1 reguliert auch die Produktion von Osteoblastenproteinen in den glatten Gefäßmuskelzellen (VSMCs), was vermutlich zu einem phänotypischen Wechsel der VSMCs zu einem osteoblastenähnlichen Phänotyp führt. Alkalische Phosphatase (ALP) und Bone Sialoprotein (BSP) sind nachweislich frühe Marker der Osteoblastenaktivität, während Marker wie Osteopontin (OPN) und Osteocalcin erst spät im Verkalkungsprozess hochreguliert werden. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Bildung und Ablagerung von Hydroxylapatit zu fördern, das aus Typ-I-Kollagen und anderen nicht kollagenen Proteinen besteht. ALP ist in erster Linie bei der Knochenbildung für die Spaltung von Pyrophosphat in Phosphat verantwortlich, um die Ablagerung von Hydroxylapatit und die Mineralisierung im Knochen zu fördern. BSP ist für die Keimbildung von Hydroxylapatitmineral verantwortlich. Ähnlich wie ALP ist auch OPN mit der Ablagerung von Hydroxylapatit verbunden und kann als Vermittler von Zellanhaftung und Signalübertragung dienen. Größe und Form von Hydroxylapatit werden durch Osteocalcin über einen Vitamin-K-abhängigen Mechanismus vermittelt. Zusammengenommen zeigen diese Daten das Potenzial, die Knochenbildung in einem lebenden System zu fördern, und Forscher haben dieses Wissen über Knochenmatrixproteine genutzt, um die zugrunde liegenden Mechanismen der Gefäßverkalkung und des Typ-II-Diabetes zu verstehen.
In einer Reihe von Studien von Chen et al. wurden Arterien von Diabetikern und Nichtdiabetikern analysiert, um die Menge an Kalzium, OPN, ALP, Typ-I-Kollagen und BSP zu bestimmen. Mit Ausnahme von BSP waren alle untersuchten Knochenmatrixproteine infolge des Diabetes deutlich erhöht. In-vitro-Experimente mit bovinen vaskulären glatten Muskelzellen (BVSMCs), die unter euglykämischen (normaler Glukose) und hyperglykämischen Bedingungen gezüchtet wurden, zeigten, dass die CBFA1-, ALP- und Osteocalcin-Werte in Zellen, die in einem Medium mit hohem Glukosegehalt gezüchtet wurden, signifikant höher waren. Darüber hinaus war die Kalziumablagerung in Medien mit hohem Glukosegehalt deutlich höher als in Medien mit normalem Glukosegehalt, und dieser Trend wurde auch beobachtet, wenn beide Arten von Wachstumsmedien mit Kalzifizierungsmedien ergänzt wurden. Kalzifizierungsmedien enthalten erhöhte Mengen an anorganischem Phosphat, um die Kalzifizierung durch die Nutzung der Zellen zu fördern, die diese zur Aufrechterhaltung der Homöostase benötigen. Um die Signalmechanismen zu bestimmen, die für die erhöhte Expression von Knochenmatrixproteinen verantwortlich sind, wurden BVSMCs hohen Glukosespiegeln ausgesetzt und die Aktivität der Proteinkinase C (PKC) wurde sowohl in normalen als auch in mit hoher Glukose behandelten Zellen pharmakologisch gehemmt. PKC wurde aufgrund seiner vorbestimmten Rolle bei zellulären Reaktionen auf Diabetes und Hyperglykämie als Fokus für den Signalweg ausgewählt. Infolgedessen war die Expression von Knochenmatrixproteinen deutlich vermindert, während in normalen, mit Glukose behandelten Zellen keine nennenswerte Veränderung der Proteinexpression zu verzeichnen war. In dieser Studie wurde auch eine erhöhte BMP-2-Sekretion von BVSMCs nachgewiesen, die in Medien mit hohem Glukosegehalt kultiviert wurden. Insgesamt kamen Chen et al. zu dem Schluss, dass hyperglykämische Bedingungen, wie sie bei Diabetes beobachtet werden, die Hochregulierung von Knochenmatrixproteinen und die Gefäßverkalkung fördern. Unterstützende Studien von Mori et al. zeigten, dass OPN in diabetischen VSMCs der Ratte durch einen ähnlichen PKC-vermittelten Signalweg hochreguliert und aktiviert wurde. Western Blotting bestätigte, dass die Hemmung von PKC zu einem deutlichen Rückgang der OPN-Proteinexpression führte. Insgesamt haben diese Studien nicht nur gezeigt, dass die Expression von Knochenmatrixproteinen in glatten Gefäßmuskelzellen weit verbreitet ist, sondern auch, dass PKC bei der diabetesbedingten Gefäßverkalkung eine Rolle spielt.
3. Gefäßverkalkung und AGE-RAGE-Signalübertragung
Neben der erhöhten Expression von Knochenmatrixproteinen in VSMCs während einer Diabetes- und Verkalkungsbehandlung haben Studien auch gezeigt, dass fortgeschrittene Glykationsendprodukte (AGEs) und ihre Rezeptoren (RAGEs) bei der Gefäßverkalkung eine Rolle spielen. Bei Patienten mit Typ-II-Diabetes ist die Konzentration von AGEs nachweislich deutlich höher als in der nicht-diabetischen Bevölkerung. AGEs bilden sich im Laufe des Lebens als Folge einer erhöhten zirkulierenden Glukose sowie anderer reduzierender Zucker wie Galaktose und Fruktose, die mit Aminogruppen von Proteinen unter Bildung von Schiffsbasen reagieren, um entweder dem Polyolweg zu folgen und AGEs zu bilden oder abgebaut zu werden. Diese glykierten Endprodukte interagieren mit RAGEs, die Transmembranproteine sind und zur Superfamilie der Immunglobuline gehören. RAGEs werden als Reaktion auf erhöhte zirkulierende AGE-Spiegel hochreguliert. Nach der Bindung von AGE-RAGE wirkt RAGE über PKC-ζ, um die nachgeschaltete Aktivierung einer Signalkaskade auszulösen, die über die p38 mitogenaktivierte Proteinkinase (MAPK), den transformierenden Wachstumsfaktor-β (TGF-β) und den Kernfaktor κB (NFκB) wirkt. Suga et al. wiesen nach, dass die Aktivierung des AGE-RAGE-Signalwegs in VSMCs der Ratte die Expression von VSMC-Genmarkern wie glatte Muskel-Myosin-Schwer-Kette (SM-MHC) und glatter Muskel 22α (SM22α) reduziert. Diese Herabregulierung von VSMC-Markern deutet auf einen möglichen phänotypischen Wechsel der VSMCs zu einem osteoblastenähnlichen Phänotyp hin. Dies wird durch Erkenntnisse aus menschlichen VSMCs (HVSMCs) unterstützt, bei denen die Aktivierung von RAGE die mRNA-Expression und Aktivität von ALP, einem Knochenmatrixprotein, erhöhte, was auf eine Rolle der RAGE-Signalübertragung bei der Gefäßverkalkung hindeutet. Diese Studien zeigten einige grundlegende Funktionen von RAGE bei der VSMC-Verkalkung durch PKC-ζ-Signalisierung, erhöhte Expression von ALP und verringerte Expression von VSMC-Genmarkern.
In Studien von Tanikawa et al. unter Verwendung eines HVSMC-In-vitro-Verkalkungsmodells erhöhte eine Erhöhung der AGE-Konzentration die Menge an Kalziumablagerungen nach 7 und 14 Tagen im Vergleich zu BSA-behandelten und Kontrollproben erheblich. Darüber hinaus waren auch die mRNA-Expression von CBFA-1 (RunX2), die ALP-Aktivität und die Osteocalcin-Proteinspiegel deutlich erhöht. Zusammengenommen deuten diese Daten darauf hin, dass die Behandlung mit AGE einen osteoblastenähnlichen Phänotyp in HVSMCs fördert. Diese phänotypische Umstellung war nicht von Verkalkungsmedien abhängig, da ähnliche Ergebnisse bei HVSMCs gefunden wurden, die mit und ohne Verkalkungsmedien gewachsen waren. Die VSMC-Expression von Osteoblastenproteinen könnte mit der p38 MAPK-Aktivität zusammenhängen, da Tanikawa et al. feststellten, dass die p38 MAPK-Aktivierung bei erhöhter AGE-Exposition zunahm. Umgekehrt wurde die p38-MAPK-Aktivierung verringert, wenn die RAGE-Signalisierung gedämpft wurde, und die Veränderungen der p38-MAPK korrelierten mit einer geringeren ALP-Aktivität trotz AGE-induzierter Verkalkung. In einer ähnlichen Studie von Hu et al. wurde gezeigt, dass p38 MAPK für die Osteoblastendifferenzierung in MC3T3-E1-Zellen wesentlich ist. Die pharmakologische Hemmung von p38 MAPK führte zu einer Verringerung der ALP-Aktivität, was beweist, dass p38 MAPK für die ALP-Expression in osteoblastenähnlichen Zellen erforderlich ist. Daher kann die ALP-Aktivität sowohl durch eine erhöhte AGE-Exposition als auch durch eine erhöhte RAGE-Signalkaskade über p38 MAPK direkt beeinflusst werden. Diese Beziehung legt nahe, dass p38 MAPK eine Schlüsselrolle im AGE-RAGE-Signalweg bei der diabetesvermittelten Gefäßverkalkung spielt.
Während diese Ergebnisse die Bedeutung des AGE-RAGE-Signalwegs bei der diabetesvermittelten Gefäßverkalkung zeigen, wiesen Ren et al. nach, dass AGEs auch den intrazellulären Kalziumspiegel in VSMCs der Ratte signifikant erhöhen. Es wurde festgestellt, dass die mRNA-Spiegel von ALP und OPN nach einer 24-stündigen Exposition gegenüber glykiertem Albumin (AGE-BSA) signifikant erhöht waren. Aufgrund des Anstiegs von ALP und OPN bei der Behandlung mit AGE-BSA zeigte die Gruppe auch, dass RAGE in den VSMCs der Ratte hochreguliert wurde. Die Inkubation mit einem neutralisierenden Antikörper gegen RAGE führte zu einer Verringerung der Kalzium- und ALP-Expression. Die beobachteten Veränderungen bestätigten, dass RAGE die AGE-induzierte VSMC-Verkalkung vermittelt. Wei et al. zeigten, dass Diabetes die Aortenverkalkung bei männlichen Wistar-Ratten beschleunigt. Die Tiere wurden mit Streptozotocin (STZ) behandelt, um Diabetes auszulösen, und dann mit Vitamin D3 und Nikotin (VDN) behandelt, um Gefäßverkalkung auszulösen. Die von Kossa-Färbung ermöglichte die Visualisierung der Kalziumpartikel im entfernten Aortengewebe, und in dem ausgewählten Gewebeschnitt wurden Kalziumpartikel gefunden. Die Western-Blot-Analyse zeigte einen signifikanten Anstieg der ALP-Expression, und auch der Gehalt an AGEs war bei den diabetischen und den mit VDN behandelten Tieren erhöht. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass die AGE-RAGE-Signalisierung zwar direkt die Gefäßverkalkung bei Diabetes vermitteln kann, dass die AGE-RAGE-Signalisierung aber auch indirekt diese diabetische Komplikation beeinflussen kann.
4. Rolle von Fetuin-A bei Gefäßverkalkung und RAGE-Signalisierung
Serumprotein-Heremans-Schmid-Glykoprotein (Ahsg oder Fetuin-A), ein systemisch zirkulierendes Glykoprotein, wurde mit der Insulinresistenz bei Typ-II-Diabetikern in Verbindung gebracht. Aus Patientendaten ging hervor, dass hohe Fetuin-A-Spiegel im Serum ein Indikator für Hyperglykämie bei Typ-II-Diabetikern sind. Fetuin-A behinderte auch die Insulinaufnahme, indem es den Insulinrezeptor an der Autophosphorylierung des Insulinrezeptor-Substrat-1-Proteins hinderte, das für den Signalweg des Insulinrezeptors entscheidend ist. Insgesamt zeigten diese Studien, dass Fetuin-A eine Rolle bei der Insulinresistenz bei Typ-II-Diabetes spielt, was zu einer weiteren Verschlimmerung der Hyperglykämie und anderer diabetischer Komplikationen führen kann. Interessanterweise wurden erhöhte Werte von Gefäßverkalkung nicht nur bei Typ-II-Diabetes, sondern auch bei Patienten mit chronischer Nierenerkrankung (CKD) nachgewiesen. In diesem Fall hat sich gezeigt, dass die Gefäßverkalkung sowohl eine entzündliche als auch eine oxidative Stressreaktion begünstigt, was sie zu einem Risikofaktor für Herz-Kreislauf-Erkrankungen macht. Fetuin-A wird von der Leber freigesetzt und fungiert als Akute-Phase-Protein im angeborenen Immunsystem, wo es entzündungshemmende und antioxidative Stressreaktionen fördert, um überexprimierte Entzündungsmoleküle zu hemmen.
Umgekehrt kann Fetuin-A auch eine angeborene Immunreaktion auslösen, die zum Teil durch Toll-like-Rezeptoren (TLRs) ausgelöst wird. Dieser Mechanismus kann durch freie Fettsäuren (FFAs) aktiviert werden, um eine proinflammatorische Reaktion auszulösen. Pal et al. zeigten, dass Fetuin-A als Ligand für TLR-4 fungieren kann, um die FFA-induzierte Insulinresistenz in Adipozyten zu stimulieren. Neben der Förderung der Insulinresistenz bei Typ-II-Diabetikern kann Fetuin-A auch einen alternativen RAGE-Liganden, High Mobility Group Box-1 (HMGB1), hemmen, der für die Freisetzung und Rekrutierung verschiedener Zytokine, Adhäsionsmoleküle und Chemokine verantwortlich ist. Es wurde nachgewiesen, dass die Aktivierung der RAGE-Signalkaskade für die HMGB1-vermittelte Expression von Tumornekrosefaktor (TNF) und Interleukin-1 (IL-1) verantwortlich ist. Die Hemmung von HMGB1 durch Fetuin-A könnte möglicherweise ein Umfeld schaffen, in dem RAGEs bevorzugt AGEs auswählen und binden, um die Kaskade zu aktivieren. Anhand von Daten, die bei CKD-Patienten gesammelt wurden, wiesen Janda et al. nach, dass erhöhte Fetuin-A-Spiegel im Serum ein positiver Indikator für eine erhöhte Ablagerung von AGEs in den Arterien waren, was darauf hindeutet, dass Fetuin-A den AGE/RAGE-Weg indirekt beeinflussen kann, insbesondere in Gegenwart von Entzündungsmolekülen.
Fetuin-A (Ahsg) hat eine hohe Affinität für Hydroxylapatitkristalle, die sich an Stellen der Gefäßverkalkung, wie Knochen und Zähnen, befinden. Ketteler et al. untersuchten bei CKD-Patienten mit Hämodialyse eine Korrelation zwischen der kardiovaskulären Mortalität und verringerten Fetuin-A-Spiegeln und erhöhter Gefäßverkalkung, was darauf schließen lässt, dass Fetuin-A die Verkalkung hemmt. Studien mit einem Fetuin-A-defizienten Mäusemodell, das kalzifizierungsempfindlich ist (DBA/2-Ahsg-/-), ergaben, dass das Glykoprotein die Kalzifizierung hemmt. Röntgenbilder des Knochens und von Kossa-Färbungen von Lunge, Herz, Niere und Haut zeigten eine sichtbare Zunahme der Ablagerung von Phosphor und Kalzium in jedem Gewebetyp. Blutserum wurde von DBA/2-Ahsg-/- Tieren extrahiert, um einen In-vitro-Test zur Ausfällung von basischem Kalziumphosphat (BCP) durchzuführen. Fetuin-A verringerte die Menge des BCP-Präzipitats im Serum, was darauf hindeutet, dass Fetuin-A die Bildung von BCP-Ablagerungen hemmen kann. In derselben Forschungsgruppe untersuchten Heiss et al. mit Hilfe der Elektronenmikroskopie und der dynamischen Lichtstreuung die strukturellen Merkmale von Fetuin-A, das mit BCP einen Komplex bildet, um Calciproteinpartikel zu bilden. Weitere Untersuchungen unter Verwendung von gereinigtem Fetuin-A, das mit BCP in vitro inkubiert wurde, ergaben, dass sich die BCP-Struktur von einem starren zu einem brüchigen Aussehen verändert. Diese strukturelle Veränderung wurde auch bei anderen kalziumhaltigen Materialien wie CaCO3-Nanopartikeln beobachtet.
Die Beziehung zwischen Fetuin-A, BCP und verkalkten VSMCs wurde mit Hilfe eines in vitro- und in vivo-HVSMCs-Modellsystems bestimmt. Reynolds et al. wiesen nach, dass Fetuin-A in den Matrixbläschen von verkalkten HVSMCs in der medialen Schicht der Arterie lokalisiert war. Diese verkalkten HVSMCs wurden mit Fetuin-A behandelt, das die Kalziumablagerung und den Kalziumeinbau in einer dosisabhängigen und zellvermittelten Weise hemmte. Es hat sich gezeigt, dass VSMCs vesikel- und apoptotische Körper-vermittelte Gefäßverkalkung durchlaufen. Mikroskopie und Western Blotting zeigten, dass die HVSMC-Apoptose durch Fetuin-A gehemmt wurde. Die Verkalkung von freigesetzten Matrixvesikeln und apoptotischen Körpern wurde durch energiedispersive Röntgenanalyse quantifiziert und zeigte, dass Fetuin-A auch die Verkalkung dieser freigesetzten Zellpartikel hemmt. In derselben Studie wurde nachgewiesen, dass Fetuin-A die durch Matrixvesikel und apoptotische Körper vermittelte Kalzifizierung von HVSMC hemmt. In ähnlichen Studien von Moe et al. wurde gezeigt, dass Fetuin-A die Verkalkung von BVSMCs hemmt. Zusammengenommen zeigen diese Daten, dass Fetuin-A die Verkalkung hemmt.
5. AGE-RAGE-Signalisierung und oxidativer Stress bei der Gefäßverkalkung
Die AGE/RAGE-Signalkaskade gleicht nachweislich einer Vorwärtsschleife, die zu erhöhter Fibrose, erhöhter RAGE-Expression und erhöhten oxidativen Stressfaktoren führt. Oxidativer Stress, der durch erhöhte reaktive Sauerstoffspezies (ROS) hervorgerufen wird, kann zahlreiche intrazelluläre Strukturen, wie Zellmembranen, Proteine, Lipide und DNA, zerstören. ROS-Produkte wie Wasserstoffperoxid, Superoxidanionen, Hydroxylradikale und Stickoxid werden von mitochondrialen Oxidasen, NADPH-Oxidasen (Nox) und Stickoxid-Synthasen erzeugt. Die Aktivierung von RAGE führt zu einer erhöhten Produktion von ROS durch die Stimulierung spezifischer Signalkaskaden wie TGF-β, NF-κB und Nox-1 . In einer Studie von Wei et al. wurden die Konzentration von Malondialdehyd (MDA) und die Aktivität der Cu/Zn-Superoxiddismutase (SOD-1) verwendet, um den oxidativen Stress und die Fähigkeit, einen kompensatorischen Mechanismus für oxidativen Stress zu initiieren, in Tiermodellen mit Diabetes-vermittelter Gefäßverkalkung zu bewerten. Diabetische Tiere mit VDN-induzierter Gefäßverkalkung wiesen einen signifikanten Anstieg des MDA-Gehalts und eine signifikante Abnahme der SOD-Aktivität im Vergleich zur diabetischen Gruppe auf. Wurden isolierte VSMCs mit steigenden AGE-Werten behandelt, kam es zu erhöhten ALP-Aktivitätswerten, Nox-1-vermittelter ROS-Produktion und RAGE-Expression. Die Hemmung der RAGE-Expression führte zu einem Rückgang der ALP-Aktivität, des Kalziumgehalts und der Nox-1-Proteinproduktion bei gleichzeitiger Erhöhung der SOD-1-Konzentration. Insgesamt zeigten diese Studien, dass Zellisolate aus einem Diabetesmodell mit VDN-vermittelter Gefäßverkalkung auf AGE-Behandlungen reagierten, was sich in signifikant erhöhten ALP-, ROS-, Nox-1- und RAGE-Proteinspiegeln im Vergleich zu ausschließlich diabetischen Tieren zeigte. Brodeur et al. nutzten ein ähnliches Tiermodell, um festzustellen, ob AGEs in einem In-vivo-System reduziert werden können, nachdem eine durch Diabetes verursachte Gefäßverkalkung aufgetreten ist. Pyridoxamin (PYR), ein AGE-Inhibitor, wurde als präventive Behandlung vor der Verkalkung verabreicht, während Alagebrium (ALA), ein AGE-Brecher, als therapeutische Behandlung nach der Verkalkung gegeben wurde. In diesen Studien ermöglichte nur ALA eine signifikante Verringerung der Anzahl der AGEs und des Kalziumgehalts, die in muskulären Arterien wie der Oberschenkelarterie, nicht aber in größeren leitenden Arterien wie der Aorta gemessen wurden. PYR verringerte den Gesamtgehalt an AGEs und Kalzium, doch war dies in den untersuchten Geweben nicht signifikant. Der Unterschied in der Wirksamkeit der beiden Behandlungen könnte auf die Wirkmechanismen zurückzuführen sein; PYR wirkt als AGE-Präventivum, während ALA als AGE-Vernetzungsbrecher wirkt. Die Wirksamkeit verschiedener Antioxidantien-Therapien, wie Alpha-Lipioksäure, 4-Hydroxy-Tempol und Apocynin, wurde ebenfalls getestet. Die Behandlung mit Apocynin führte zu einer signifikanten Verringerung der Kalziumablagerungen im Tiermodell der Diabetes-vermittelten Gefäßverkalkung. Brodeur et al. wiesen nach, dass eine Verringerung der Kalziumablagerungen durch eine gezielte ROS-Antioxidationstherapie in einem In-vivo-Modell der Gefäßverkalkung eine praktikablere Behandlung darstellt. Insgesamt zeigen diese Studien, dass die AGE/RAGE-Kaskade in der Lage ist, die Gefäßverkalkung durch oxidative Stressmechanismen zu vermitteln, und dass therapeutische Behandlungen zur Begrenzung der ROS-Produktion eine praktikablere Alternative zur Minimierung der Gefäßverkalkung darstellen könnten.
Eine weitere ROS-Signalkaskade, die durch AGEs aktiviert wird, ist der transformierende Wachstumsfaktor (TGF-) β. In einer Studie von Li et al. wurden bei der Behandlung von VSMCs mit AGEs Mitglieder der AGE/RAGE-Signalkaskade (d. h., p38 MAPK und ERK1/2) bei der RAGE-Aktivierung phosphoryliert wurden. Darüber hinaus führte die TGF-β-Signalisierung zur Phosphorylierung der Smads, einer Familie von Mediatoren, die als Transkriptionsmodulatoren dienen. Es wurde festgestellt, dass diese Veränderungen TGF-β-abhängig sind. Western-Blot-Analysen ergaben, dass bei einer Herabregulierung der RAGE-Expression auch die Smad-2-Phosphorylierung gehemmt wurde, was auf die AGE/RAGE-Kaskade bei der Smad-Aktivierung und TGF-β-Signalgebung hindeutet. Da sich AGEs in der extrazellulären Matrix (ECM) anreichern, ist es wichtig zu wissen, dass ein Anstieg von TGF-β mit Fibrose im Rahmen von Krankheiten in Verbindung gebracht wurde. Fibrose ist in der Regel mit einem Anstieg des Typ-I-Kollagens verbunden, und Li et al. wiesen mit Hilfe von Western-Blot-Analysen nach, dass AGEs eine erhöhte Produktion von Typ-I-Kollagen auslösen, die durch die Blockade von p38 MAPK und ERK1/2-Signalen gehemmt wurde. Diese Daten lassen den Schluss zu, dass die AGE/RAGE-Signalübertragung eine Rolle bei der Aufrechterhaltung und Regulierung der ECM bei Diabetes spielt und dass AGEs TGF-β durch Vermittlung von RAGE induzieren.
AGEs haben auch gezeigt, dass sie die Aktivität von NFκB durch RAGE-Signalübertragung in VSMCs erhöhen. Studien haben gezeigt, dass VSMCs einen nachgiebigen, kontraktilen Phänotyp innerhalb der Arterie aufrechterhalten; eine Erhöhung der NFκB-Signalisierung beeinträchtigt jedoch diesen Phänotyp, was zu einer erhöhten Steifigkeit und Steifheit führt, die häufig mit kardiovaskulären diabetischen Komplikationen verbunden ist. Simard et al. behandelten VSMCs der Ratten-Aorta (A7r5-Zellen) mit glykiertem Humanserumalbumin (AGE-HSA) und beobachteten mit Hilfe der GFP-Expression eine deutlich erhöhte NFκB-Aktivität. Die Western-Blot-Analyse ergab, dass die ERK1/2-Aktivierung durch die AGE-HSA-Behandlung deutlich und die AKT-Aktivierung leicht erhöht war. Beide Signalwege aktivieren NFκB, was den Schluss zulässt, dass RAGE-Signale die NFκB-Aktivität erhöhen. Ein Anstieg der NFκB-Transkriptionsaktivität kann zu einem Anstieg der mRNA-Expression von Typ-I-Kollagen a1 und a2 in mit AGEs behandelten VSMCs der Maus führen, wie in Peng et al. gezeigt wurde. Insgesamt beeinflusst die AGE-induzierte RAGE-Signalgebung die Aktivität von NFκB in VSMCs, was zu einem Umbau des Typ-I-Kollagens in der ECM oder zu einer Veränderung der Zellmorphologie führen kann. Wenn sie mit AGE-HSA behandelt werden, sinken auch die mRNA-Spiegel von SM-MHC (Smooth Muscle-Myosin Heavy Chair) und SM-22α, und auch die Proteinexpression von SM-α-Actin, SM-22α und Myocardin (MyoC) ist vermindert. Insgesamt zeigten die Forscher, dass die RAGE-Signalisierung die Expression von Markern des Phänotyps der glatten Muskulatur in A7r5-Zellen beeinträchtigt. Der Verlust der Marker für den Phänotyp der glatten Muskulatur bietet eine Erklärung für die Veränderungen der mechanischen Eigenschaften der glatten Muskulatur, die mit der Zunahme der AGE/RAGE-Signalisierung einhergehen. Die A7r5-Zellen wiesen auch eine erhöhte Granularität auf, was auf eine sichtbare Veränderung der Zellmorphologie infolge der erhöhten RAGE-Signalisierung hindeutet. Während die gesamte Aktindichte bei den mit AGE-HAS behandelten Zellen unverändert blieb, zeigte der Young’sche Modul, ein Maß für die Elastizität, dass die basale Zellsteifigkeit deutlich erhöht war, was auf einen steiferen, weniger elastischen Zelltyp hinweist. Die Proteinexpression der phosphorylierten leichten Myosinkette (MLC) wurde ebenfalls gemessen, um Veränderungen der kontraktilen Funktion und der Aktin-Myosin-vermittelten motorischen Aktivität festzustellen. Diese Ergebnisse zeigten, dass sich die kontraktile Funktion nicht veränderte, wenn A7r5-Zellen mit AGE-HSA behandelt wurden. Insgesamt verändert ein erhöhter AGE/RAGE-Signalweg die mechanischen Eigenschaften von VSMCs, was zu einem steiferen, weniger nachgiebigen Zelltyp führt.
6. Schlussfolgerung
Der AGE/RAGE-Signalweg ist eine komplexe und komplizierte Kaskade und wurde in vielen verschiedenen Krankheitszuständen untersucht. Insbesondere die durch Diabetes verursachte Gefäßverkalkung weist mehrere Faktoren auf, die es dem AGE/RAGE-Signalweg ermöglichen, sowohl zelluläre als auch systemische Reaktionen stark zu beeinflussen. Es hat sich gezeigt, dass die Gefäßverkalkung bei Hyperglykämie und Verkalkung zu einer Zunahme von Knochenmatrixproteinen durch PKC-Signalisierung führt. Die durch AGEs induzierte Gefäßverkalkung führte zu einer Herunterregulierung von VSMC-Markern und einer Hochregulierung von Knochenmatrixproteinen, was darauf hindeutet, dass die VSMCs einen phänotypischen Wechsel zu einer osteoblastenähnlichen Zelle durchlaufen. Der RAGE-Signalweg kann die Verkalkung von VSMCs auch über eine Reihe von mitogenen Signalwegen vermitteln. Der p38 MAPK-Signalweg erwies sich als wesentliche Komponente für die AGE/RAGE-vermittelte VSMC-Differenzierung. Auch Fetuin A wurde eine umstrittenere Rolle bei der Gefäßverkalkung zugeschrieben. Fetuin A fungiert als Vermittler sowohl für die Proverkalkung durch künstliche Selektion von AGEs als RAGE-Ligand als auch für die Anti-Kalkbildung in bestimmten Modellen von CDK. Fetuin-A stellt ein spannendes Gebiet dar, auf dem weitere Arbeiten durchgeführt werden müssen, um seine Rolle bei der Gefäßverkalkung als diabetische Komplikation zu verstehen. Der AGE/RAGE-Signalweg wurde durch Aktivierung von Nox-1, TGF-β-vermittelter Fibrose, NFκB- und ERK1/2-Wegen und verminderter Expression von SOD-1 mit oxidativem Stress in Verbindung mit Diabetes-vermittelter Gefäßverkalkung gebracht. Die Forscher fanden heraus, dass pharmakologische Wirkstoffe und bestimmte Antioxidantien das Ausmaß der Kalziumablagerung bei der durch AGEs verursachten diabetesbedingten Gefäßverkalkung verringerten. Insgesamt wurde die Rolle des AGE/RAGE-Signalwegs bei der diabetesbedingten Gefäßverkalkung dem oxidativen Stress und dem phänotypischen Wechsel der VSMCs unter AGE-induzierten Verkalkungsbedingungen zugeschrieben, wie in Abbildung 1 dargestellt. Zukünftige Ansätze zum Verständnis der Gefäßverkalkung als diabetische Komplikation könnten die Verwendung von RAGE-Knockout-Mäusen umfassen, um die Auswirkungen einer systemischen Hemmung von RAGE auf die diabetesvermittelte Gefäßverkalkung zu untersuchen. Auch die Rolle von Fetuin-A könnte besser untersucht werden, um das Zusammenspiel dieses Biomarkers und der AGE/RAGE-Signalübertragung bei Typ-II-Diabetes zu verstehen.
Bekanntgabe
Meinungen, Ergebnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen, die in diesem Material zum Ausdruck gebracht werden, sind die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten der National Science Foundation wider.
Konkurrierende Interessen
Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden Interessen haben.
Beiträge der Autoren
Alle Autoren haben zu gleichen Teilen zu dieser Arbeit beigetragen.
Danksagungen
Die Autoren danken Dr. Donna M. Gordon für ihren Beitrag zur Erstellung und Bearbeitung dieser Übersicht. Diese Arbeit wurde von der American Heart Association mit dem Grant-In-Aid Nr. 4150122 (JAS), American Heart Association Scientist Development Grant Nr. 5310006 (JAS), und der Mississippi State University und ihrer Abteilung für Biowissenschaften. Dieses Material basiert außerdem auf Arbeiten, die durch das Graduate Research Fellowship Program der National Science Foundation unter der Grant-Nr. 2015202674 unterstützt wurden.