Effect of high-dose vitamin C on renal ischemia-reperfusion injury

Abstract

Background: Acute kidney injury (AKI) remains to be the most frequent complication after cardiac surgery exerting adverse influence on patient outcomes. Major cogent underlying mechanisms of AKI is related to renal ischemia-reperfusion (I/R) injury, exacerbated by systemic inflammation associated with surgical stress and cardiopulmonary bypass (CPB). Various experimental approaches to prevent AKI through mitigating the I/R injury and inflammation have achieved limited clinical success. Vitamin C constitutes the primary innate defense mechanism against oxidative stress and has been proposed as a potential therapeutic agent for I/R injury, which cannot be internally synthesized and has been shown to be depleted in critically ill states. Therefore, it seems plausible to hypothesize that timely administration of high-dose vitamin C can mitigate the overwhelming oxidative stress, which is the main trigger for complex downstream pathophysiologic mechanisms of cardiac surgery-induced AKI, and alleviate the development of AKI. The aim of present study was to assess the effect of high-dose vitamin C in preventing renal I/R injury. Methods: The experiment was conducted in two phases: first to determine the ideal time of administration, and then the optimal dose. Renal I/R was induced by 45 minutes of ischemia (clamping of renal arteries), followed by 24 hours of reperfusion. After reperfusion, kidney tissue and biochemical markers were evaluated. Four groups of Sprague-Dawley rats were randomly assigned: sham, IRC (I/R + saline), pre-vitC (vitamin C + I/R), post-vitC (I/R + vitamin C). Vitamin C 200 mg/kg was administered intravenously at 1 h before ischemia (pre-vitC) or upon reperfusion (post-vitC). We further assigned two more groups of Sprague–Dawley rats to test varying doses using the optimal timing previously identified: V100 (Vitamin C 100mg/kg), V300 (Vitamin C 300mg/kg). The V200 group utilized samples from the previous step. Vitamin C was administered intravenously upon reperfusion. Results: Vitamin C administration upon reperfusion ameliorated renal dysfunction and diminished tubular damage in renal tissues following renal I/R injury. Using 100 mg/kg and 200 mg/kg vitamin C during reperfusion decreased oxidative stress markers Myeloperoxidase (MPO), thioredoxin-interacting protein (TXNIP), and anti-NADPH oxidase 4 (NOX4). Furthermore, vitamin C mitigated ROS-associated inflammatory responses by decreasing HMGB1 release, IL-1β, IL-6, and TNF-α levels compared with the sham group. Vitamin C post-treatment at 100mg/kg and 200mg/kg doses favorably modulated I/R-induced increases in inflammasomes [NOD like receptor 3 (NLRP3), apoptosis-associated speck-like protein (ASC), Caspase-1]. In the 300 mg/kg vitamin C group showed similar findings to the IRC group in terms of both serum BUN and Cr levels and histological evaluation. In addition, it could not induce further improvement in oxidative stress markers and inflammatory response in I/R injury. Conclusions: High-dose vitamin C treatment at a dose of 200 mg/kg upon reperfusion could significantly mitigate the I/R injury-induced renal injury through effectively reducing oxidative stress. This effect was associated with the diminished activation of upstream triggers leading to ensuing inflammation related to HMGB1 and inflammasome activation. 배경: 급성신부전은 환자 예후에 악영향을 미치며, 심장 수술 후 흔하게 발생하는 합병증이다. 급성신부전 발생의 주요한 원인은 신장의 허혈-재관류 손상이며, 이는 수술 스트레스와 심폐우회술과 관련된 전신적인 염증 반응과도 관련이 있다. 급성신부전 발생을 줄이기 위해 염증 반응을 억제하고 허혈-재관류 손상을 완화하기 위한 다양한 실험적 방법이 시도되었으나, 임상에서는 유효하지 않았다. 비타민 C는 체내에서 산화 스트레스에 대응하는 일차 방어 기전으로, 허혈-재관류 손상에 대한 잠재적 치료제로 제안되었다. 그러므로, 고용량의 비타민 C를 투여하면 심장 수술로 인해 유발되는 과도한 산화 스트레스를 완화하여 급성신부전을 발생시키는 복잡한 병태생리학적 기전을 억제하여 급성신부전 발생을 줄일 수 있을 것으로 보인다. 이에 고용량 비타민 C 투여의 신장의 허혈-재관류 손상에 대한 보호 효과에 관하여 연구하고자 하였다. 방법: 실험은 크게 두 단계로 수행되었다. 먼저 최적의 투여 시점을 결정한 다음 최적의 용량을 결정하였다. Sprague-Dawley 쥐를 대상으로 하여, 무작위로 sham, IRC (허혈-재관류 시점에 식염수 투여), pre-vitC (비타민 C 전 투여 후 허혈-재관류), post-vitC (허혈-재관류 시점에 비타민C 투여)의 4개의 군으로 배정하였다. 신장의 허혈-재관류는 45분간의 허혈(신장 동맥 결찰)과 24시간의 재관류로 유도하였다. 비타민 C 200 mg/kg는 허혈 1시간 전에 (pre-vitC) 혹은 재관류 시점에 (post-vitC) 정맥 주입되었다. 재관류 후 신장 조직과 신기능을 평가하였다. 이전 단계에서 확인된 최적의 투여 시기 (재관류 시점)를 사용하여 다양한 용량에서 평가하기 위해 V100 (비타민 C 100mg/kg), V300 (비타민 C 300mg/kg) 두 개의 그룹을 더 배정하였다. V200 그룹은 이전 단계 실험의 샘플을 사용하였다. 결과: 재관류 시점에 투여한 비타민 C는 신장 허혈-재관류 손상 후 신장 기능 장애와 신장 조직의 구조 손상을 개선했다. 재관류 중 투여한 100 mg/kg 및 200 mg/kg의 비타민 C는 산화 스트레스 마커인 골수세포형 과산화효소 (Myeloperoxidase, MPO), 티오레독신 결합단백질(Thioredoxin-interacting protein, TXNIP), 및 NADPH 산화효소 4 (NOX4)를 감소시켰다. 또한, 비타민 C는 sham 그룹과 비교하여 HMGB1, IL-1β, IL-6, 및 TNF-α 발현을 감소시켜 ROS 관련 염증 반응을 완화하였다. 재관류 시점에 투여한 비타민 C 100mg/kg 및 200mg/kg는 허혈-재관류로 인해 유발되는 NLRP3 인플라마좀 (inflammasome)의 구성인자들을 효과적으로 억제하였다. 결론: 재관류 시점에 투여한 200 mg/kg 용량의 고용량 비타민 C는 산화 스트레스를 효과적으로 감소시킴으로써 신장의 허혈-재관류 손상을 완화할 수 있었다. 이 효과는 HMGB1 방출 감소와 NLRP3 인플라마좀 활성 억제, 그리고 이와 관련된 후속 염증 반응의 감소와 관련되어 있었다.