Fisiopatología y mecanismo de daño renal

Los mecanismos fisiopatológicos de daño renal por los diferentes contaminantes ambientales son complejos. No se conocen por completo varios aspectos relacionados con su metabolismo y mecanismo de daño en el organismo. Para entender sus efectos nefrotóxicos, se analizarán resumidamente estos mecanismos por cadmio (Cd), plomo (Pb), arsénico (As) y mercurio (Hg) (Tabla 1).

Tabla 1 Mecanismo de daño por intoxicación con metales pesados en animales. 

ECA:enzima convertidora de angiotensina, NO: Óxido nitrico, ADN: ácido desoxirribonucleico, PHA: Para-aminohiputaro.

El cadmio que se ingiere se encuentra unido a las proteínas metalotioneína (MT) y fitoquelatina, que son catalizadas por el ácido clorhídrico (HCl) estomacal, liberando el Cd para su absorción en yeyuno-íleon por los transportadores DMT-1 (transportador de metales divalentes 1) y ZIP-8 (proteína transportadora de Zinc 8)^3,4. En el torrente sanguíneo se une a albúmina y es transportado al hígado, donde se une al glutatión (GSH) y a la metalotioneína-1 (MT1). El complejo Cd-MT1 es secretado en la bilis; sin embargo, regresa al torrente sanguíneo por la circulación enterohepática.

Dentro de las células del túbulo contorneado proximal (TCP), el complejo Cd-MT1 es almacenado y degradado en los lisosomas. Posteriormente, el Cd libre es transportado hacia el citoplasma por el DMT-1 lisosomal⁵. La activación de la proteína cinasa C incrementa la expresión del transportador DMT-1 y, por lo tanto, la toxicidad tubular del Cd⁶. El Cd libre es acumulado en la mitocondria, inhibiendo la cadena respiratoria en el complejo III. Esto resulta en disfunción mitocondrial y formación de radicales libres, lo cual activa la vía de caspasas con subsecuente apoptosis. Además, se une a los grupos sulfhidrilo de las proteínas creando su desnaturalización (Figura 1).

Figura 1 Fisiopatología y mecanismo de daño renal del cadmio. 

Se ha demostrado que el Cd interfiere con las actividades enzimáticas del complejo calcio / calmodulina, que inhibe la acción de la Na-K-ATPasa y que estimula la actividad de las MAPK (proteínas quinasas activadas por mitógenos). En las uniones paracelulares, afecta la distribución de las proteínas de la unión paracelular y disminuye la resistencia transepitelial^7,8.

Otro mecanismo de nefrotoxicidad es aquel mediado por la formación de anticuerpos a la MT. La exposición al Cd incrementa la producción de MT en el hígado y el riñón, lo que constituye un mecanismo de defensa para limitar su toxicidad. Sin embargo, una vez que se excede la capacidad de las MT de almacenar Cd, este, en forma libre, induce la formación de anti-MT, que también son tóxicos para las células del TCP⁹.

El plomo se absorbe, principalmente, por ingesta e inhalación y, en menor medida, a través de la piel. La absorción intestinal es mediada por el transportador DMT-1 y se incrementa con la ingesta deficiente de hierro (Fe) y zinc (Zn). Una vez en la sangre, el 99 % del Pb se une a proteínas del hematíe y es distribuido a tejidos blandos y hueso. Este es el principal reservorio de Pb en el organismo, y en períodos de remodelación ósea, como la adolescencia y el embarazo, el paso de Pb a la sangre se incrementa¹⁰.

El Pb, unido a proteínas de bajo peso molecular (< del 1 % del total), se filtra libremente a través del glomérulo y es reabsorbido por las células del TCP por el proceso de endocitosis. De forma intracelular, el Pb causa daño mitocondrial, formación de radicales libres, depleción intracelular de GSH y apoptosis ⁹. El Pb afecta reacciones enzimáticas en las que interviene el calcio, incluso el receptor sensor de calcio puede ser activado por Pb, lo cual sugiere otros mecanismos de nefrotoxicidad por este metal^10,11. En el organismo, la excreción urinaria es la principal vía de pérdida de Pb.

El Pb induce la activación del factor de transcripción nuclear-κβ, la activación del sistema intrarrenal de renina-angiotensina y la atracción de macrófagos. Esto genera un proceso inflamatorio en el intersticio renal, que podría estar implicado en el desarrollo de daño al tubulointersticio y en la hipertensión arterial¹².

En células endoteliales, se ha demostrado que el incremento en la formación de radicales libres por Pb disminuye la producción de óxido nítrico y la expresión de la enzima guanilatociclasa. Esto permite explicar la patogénesis de la hipertensión arterial inducida por este metal^11-16. Además, estimula la actividad del NADPH oxidasa incrementando la producción de superóxido y peróxido de hidrógeno, lo que afecta al estrés oxidativo y el potencial óxido-reducción intracelular.

El arsénico se absorbe por ingesta, inhalación y, en menores cantidades, por la piel. Una vez absorbido, se distribuye por todos los tejidos del cuerpo. La ingesta de selenio y vitamina B disminuye la absorción intestinal de As. En el hígado es metilado en un proceso mediado por el GSH, lo cual disminuye su toxicidad y facilita su excreción biliar y urinaria¹⁷.

El As ingresa al interior de la célula a través de las aquagliceroporinas AQ3 y AQ9. En el hígado, esta última es importante para la excreción biliar de As¹⁸.

Los MRP-1 y 2 (ATP binding cassette-multidrug resistance protein) son otro grupo de proteínas transportadoras de As en hígado, donde transportan el As, conjugado con GSH, a la bilis. El transportador MRP-2 también se localiza en las células del túbulo proximal, lo que favorece la introducción de As en estas células¹⁹. La toxicidad de As en las células del TCP se debe a la depleción de GSH y al incremento en la actividad oxidativa de los radicales libres (Figura 2) .

Figura 2 Fisiopatología y mecanismo de daño renal del arsénico. 

El mercurio provoca toxicidad al organismo a través de la piel, inhalación o ingestión. El Hg tiene gran afinidad por el tejido renal. La nefrotoxicidad comúnmente se manifiesta como síndrome nefrótico y lesión tubular^20,21. El síndrome nefrótico asociado a toxicidad por Hg es reversible después de su completa eliminación.

El Hg induce nefropatía membranosa a largo plazo, debido a sus pequeñas concentraciones en cosméticos y contacto ocupacional. El mecanismo de daño renal que condiciona glomerulopatía por Hg no está bien esclarecido. Se ha sugerido que el síndrome nefrótico posterior a la exposición con Hg es una reacción inmune antígeno-anticuerpo inespecífica a metales pesados. El cloruro mercúrico y el monometillmercurio inhiben la función de los linfocitos humanos, incluidos proliferación, expresión de las células activadas por marcadores de superficie y producción de citosinas^22-26.

Estudios en animales

Varios estudios realizados en animales demuestran la asociación entre la exposición de los diferentes contaminantes ambientales y sus efectos nefrotóxicos.

Con respecto al cadmio, en un modelo experimental de células mesangiales de rata, se indujo apoptosis celular por medio de la vía extrínseca o la vía mediada por la mitocondria (intrínseca) y se encontró que la camptotecina inicia la vía intrínseca, con la activación de la caspasa 9 y la escisión de la procaspasa 3. Allí, el factor de necrosis tumoral da lugar a la actividad de la caspasa 8 y a la escisión de la pro-caspasa 3 como punto de convergencia de las dos vías. Tal estudio concluye que la concentración de 10 μΜ de Cd puede prevenir la fragmentación de ADN (ácido desoxirribonucleico), demostrando que el Cd es anti-apoptótico en las células mesangiales de rata, actuando por un mecanismo que puede, en general, inhibir las caspasas²⁷. En otro estudio, se encontró que el Cd inhibe la enzima convertidora de angiotensina (ECA) a baja, media y alta dosis sin efecto dosis-respuesta en ratas con hipertensión paradójicamente inducida. Se postuló que los efectos vasculares del Cd predominaron sobre sus efectos centrales en las ratas hipertensas²⁸.

Se ha investigado, también, el papel de la molécula de lesión renal 1 (Kim-1), una glicoproteína transmembrana que se excreta en la orina después de una lesión por exposición a un nefrotóxico, particularmente el cadmio (Cd). En un estudio, se utilizó Kim-1 como biomarcador para determinar la nefrotoxicidad del Cd en ratones machos. En el estudio, se administró Cd a diario durante doce semanas, determinado semanalmente en orina Kim-1, proteínas, creatinina, metalotioneínas y proteínas de culuas claras (CC-16). Se detectaron niveles significativos de Kim-1 en la orina a las seis semanas, que continuaron aumentando a lo largo del período de tratamiento. La aparición de Kim-1 se produjo de cuatro a cinco semanas antes de la aparición de proteinuria y de una a tres semanas antes de la aparición de la metalotioneína y CC-16. Sus resultados sugieren que se utilice Kim-1 como biomarcador en los estadios tempranos, en la lesión inducida por Cd en los túbulos proximales²⁹.

Al estudiar el dióxido de azufre (SO2) como contaminante ambiental, se ha demostrado que, en ratones, la exposición al mismo causa daño en el ADN de múltiples órganos y que los derivados del SO2 son agentes que dañan el ADN sistémico. Se sugiere que la exposición a SO2 tiene un riesgo potencial de daño para el ADN en múltiples órganos de mamíferos y podría estar relacionado con la carcinogénesis o mutación del ADN genómico³⁰.

Se ha notado que el arsenato actúa a nivel del transporte de sodio, fosfato, glucosa, y para-aminohiputaro (PHA), así como en el metabolismo oxidativo en el túbulo contorneado proximal de riñones de conejos y reduce el transporte neto de sodio y fosfato. El transporte de glucosa se ve inhibido ligeramente, mientras que la secreción de PHA no se afecta³¹.

El monóxido de carbón (CO) se ha estudiado en riñones de ratones, donde se observó que dicho gas aumentaba al administrar 5-aminolevulínico ferroso (5-ALA/Fe2) y, en sangre, disminuían las concentraciones máximas de creatinina y nitrógeno ureico. Los ratones tratados con 5-ALA/Fe2, disminuían significativamente el daño tubular y el número de células apoptóticas. Estos hallazgos sugieren que 5-ALA/Fe2 protegen el riñón de la lesión por reperfusión en la isquemia renal, al reducir la infiltración por macrófagos y al disminuir la apoptosis celular renal mediante la generación de CO³².

Estudios en humanos

En diversos estudios epidemiológicos se ha postulado la asociación entre exposición al arsénico (As) e hipertensión arterial y otras enfermedades cardiovasculares³³. En estudios de tipo experimental fueron expuestos a altas dosis de este compuesto. En un estudio epidemiológico basado en información pasiva en Utah, Lewis et al.³⁴ encontraron incremento en la tasa de mortalidad por enfermedad renal en hombres, no así en mujeres, por exposición de altas concentraciones de As. Meliker et al.³⁵ encontraron que el As en agua potable excede los 200-300 mg/L, se asocia con elevadas tasas de mortalidad de diabetes mellitus, enfermedad cerebrovascular y enfermedad renal en hombres y mujeres.

Hsueh et al.³⁶ estudiaron a 125 personas, en Taiwàn, con tasa de filtrado glomerular (TFG) < 60 ml/min y 229 personas con función renal normal. Encontraron una débil asociación entre los niveles urinarios de As y la disminución de la función renal (r2 = 0.04, p < 0.001). En este estudio, la alta excreción renal de As se vinculó con un menor nivel de licopeno en plasma, mostrando que el daño renal estaba medido por incremento del estrés oxidativo.

El As es promotor de inflamación, estrés oxidativo y disfunción endotelial por distintos mecanismos, incluida la activación de transcripción de factores como proteína-1 y el factor nuclear κβ^37-40. Los mecanismos biológicos responsables de la diabetes mellitus inducida por As permanecen, en gran parte, desconocidos. Evidencia reciente sugiere que los arsenicales trivalentes pueden suprimir el estímulo insulínico para la captación de glucosa, al interferir con la movilización de los transportadores de glucosa en las células adiposas⁴¹. Pueden, también, interferir con los factores de transcripción involucrados en la expresión del gen relacionado con la insulina⁴².

Para evaluar su nefrotoxicidad, se han realizado diversos estudios en poblaciones expuestas a Cd, con diferentes grados de sensibilidad e importancia clínica. Entre estos, la albúmina urinaria elevada, en ausencia de aumento en la excreción de proteínas de bajo peso molecular, es un indicador temprano de daño glomerular y se observa en concentraciones de 3,6 a 4,2 μg Cd/g de creatinina en orina^43-44. La proteinuria de bajo peso molecular en personas expuestas a > 10 μg Cd/g creatinina en orina es irreversible y exacerba el declive relacionado con la edad y TFG^45-47. La elevación de las enzimas N-acetil-ß-D-glucosaminidasa (NAG) y alanina-aminopeptidasa (AAP), se han asociado a daño tubular renal con exposiciones ocupacionales de Cd de 3,7 a 6,3 mg Cd/g creatinina en orina^44,45,48.

Liang et al.⁴⁹ demostraron que la exposición al bajo nivel de plomo (Pb) ambiental puede acelerar la insuficiencia renal progresiva en pacientes sin diabetes, pero que padecen enfermedad renal crónica. Los autores observaron a 202 pacientes con insuficiencia renal crónica durante 24 meses. Posteriormente, 64 sujetos con niveles elevados de Pb en sangre fueron divididos, aleatoriamente, en dos grupos. Durante tres meses, los pacientes del grupo 'de quelación' recibieron terapia con ácido etildiaminotetraacético disódico de calcio (EDTA). Por su parte, los del grupo 'control' recibieron placebo. Con base en sus resultados sugieren que la terapia de quelación repetida puede mejorar la función renal y retrasar la progresión de la insuficiencia renal.

Sommar et al.⁵⁰ realizaron un estudio donde correlacionan Pb, Hg y Cd con ERC. Analizaron muestras de 118 pacientes para determinar las concentraciones de Cd, Pb y Hg. Realizando un análisis prospectivo, encontraron que los niveles eritrocíticos de Pb se asocian con ERC, los niveles de Cd incrementan el desarrollo de ERC, mientras que los niveles de mercurio no se asocian con ERC. Sin embargo, mencionan la necesidad de más estudios para evaluar la causalidad. Los análisis específicos de género sugieren posibles diferencias en la susceptibilidad o en la fiabilidad de la exposición al biomarcador.

Ni et al.⁵¹ realizaron pruebas con células endoteliales coronarias y células de músculo liso vascular humanas cultivadas, en las que se investigaron especies reactivas de oxígeno (ROS), producidas por dichas células cuando son expuestas al plomo. Encontraron que la exposición al Pb promueve la generación de superóxido y peróxido de hidrógeno en las células endoteliales coronarias y células de músculo liso vascular humanas. Este fenómeno puede contribuir a la patogénesis de la hipertensión y las enfermedades cardiovasculares asociadas al Pb. Los autores señalan, por tanto, el beneficio potencial de reducir la carga de Pb en las poblaciones expuestas (Tabla 2).