Pelajari lebih lanjut: Penafian PMC | Pemberitahuan Hak Cipta PMJ Biomed Sains. 2015; 22: 93.
Kerusakan ginjal oksidatif yang diinduksi monosodium glutamat dan kemungkinan mekanismenya: tinjauan singkat
Abstrak
Penelitian pada hewan menunjukkan bahwa asupan monosodium glutamat (MSG) kronis menyebabkan kerusakan ginjal akibat stres oksidatif. Namun, mekanisme yang mendasarinya masih belum jelas, meskipun semakin banyak bukti dan konsensus bahwa α-ketoglutarate dehydrogenase, reseptor glutamat, dan antiporter sistin-glutamat memainkan peran penting dalam meningkatkan regulasi stres oksidatif pada toksisitas ginjal yang disebabkan oleh MSG. Tinjauan ini merangkum bukti dari penelitian terhadap kerusakan oksidatif ginjal akibat MSG, kemungkinan mekanismenya dan pentingnya hal tersebut dari sudut pandang toksikologi.
Perkenalan
Monosodium glutamat (MSG) adalah bahan tambahan yang umum digunakan dalam makanan olahan dan masakan Asia untuk meningkatkan palatabilitas. Namun, beberapa penelitian pada hewan menunjukkan bahwa MSG bersifat racun bagi berbagai organ seperti hati, otak, timus, dan ginjal [ 1 – 3 ]. Data yang dipublikasikan menunjukkan bahwa fibrosis ginjal berhubungan dengan konsumsi MSG secara kronis [ 4 ] dan stres oksidatif adalah penyebab utama cedera ginjal [ 5 ].
Stres oksidatif disebabkan oleh produksi berlebihan atau penurunan eliminasi radikal bebas dalam sel, yang sebagian besar adalah radikal oksigen dan spesies oksigen reaktif (ROS) lainnya [ 6 ]. Metabolisme nutrisi dan beberapa faktor ekstraseluler dan intraseluler seperti hormon, sitokin, dan proses detoksifikasi berkontribusi terhadap stres oksidatif [ 7-9 ] . Oleh karena itu, metabolisme glutamat ginjal yang berlebihan seperti pada asupan MSG kronis dapat menjadi sumber ROS. Penurunan kadar enzim anti-oksidan utama dan peningkatan peroksidasi lipid telah ditunjukkan pada ginjal tikus kronis yang terpajan MSG [ 10 , 11 ]. Selain itu, glutamat dosis tinggi telah terbukti menyebabkan toksisitas yang signifikan pada sel kultur ginjal [ 12 ].
Banyaknya asam lemak tak jenuh ganda rantai panjang dalam komposisi lipid ginjal membuat ginjal rentan terhadap kerusakan akibat ROS [ 13 ]. Hal ini membuat jaringan ginjal rentan terhadap kerusakan akibat mekanisme yang berbeda seperti peningkatan peroksidasi lipid, modifikasi protein, dan kerusakan DNA. , menyebabkan kematian sel [ 14 – 16 ]. Oleh karena itu, keterlibatan ROS telah dilaporkan pada perubahan glomerulus, tubulus, dan tubulo-interstitial [ 17 , 18 ].
Sejumlah penelitian telah menjelaskan kerusakan oksidatif yang disebabkan oleh glutamat pada jaringan seperti otak atau neuron, di mana α-ketoglutarate dehydrogenase, reseptor glutamat, dan antiporter sistin-glutamat merupakan faktor penting [ 19 – 21 ]. Molekul-molekul ini dapat berkontribusi terhadap stres oksidatif melalui , mekanismenya berbeda tetapi sedikit yang diketahui tentang keterlibatannya dalam stres oksidatif ginjal yang disebabkan oleh MSG. Peningkatan kadar α-ketoglutarate dehydrogenase telah ditemukan di ginjal tikus yang diberi MSG [ 5 ] dan oleh karena itu, konsensus yang kuat sedang dikembangkan terhadap α-ketoglutarate dehydrogenase, reseptor glutamat, dan antiporter sistin-glutamat karena peran potensialnya dalam stres oksidatif ginjal terkait MSG. Tujuan dari tinjauan singkat ini adalah untuk menguraikan kerusakan ginjal oksidatif akibat MSG dan kemungkinan mekanismenya.
Tinjauan
Kerusakan ginjal akibat MSG
Hubungan antara faktor makanan, termasuk MSG dan risiko penyakit ginjal, telah dihipotesiskan dalam banyak penelitian. Ginjal sangat sensitif terhadap iskemia, racun, dan bahan kimia lainnya. Dengan demikian, proses yang menyebabkan gangguan langsung atau tidak langsung pada metabolisme energi sel ginjal akan mengakibatkan cedera sel dan insufisiensi ginjal akut [ 22 ].
Ringkasan perubahan ginjal kronik akibat MSG diilustrasikan pada Gambar. 1. MSG dapat menginduksi perubahan sitoarsitektur ginjal, meningkatkan hiperselularitas glomerulus, infiltrasi sel inflamasi pada korteks ginjal, edema sel tubulus, dan akhirnya degenerasi tubulus ginjal [ 10 , 11 , 23 ]. Meskipun infiltrasi sel inflamasi mengarah pada suatu patologi, patofisiologi pastinya belum sepenuhnya dipahami. Disfungsi seluler dianggap sebagai penyebab penting perkembangan selanjutnya dari sebagian besar perubahan morfologi, terlepas dari prinsip toksik yang bekerja pada ginjal. Oleh karena itu, pemeriksaan ultra-struktural ginjal pada model eksperimental dengan pengobatan MSG kronis dapat berkontribusi pada pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme gangguan selama cedera ginjal.
Garis besar perubahan ginjal kronis akibat MSG pada ginjal. Urin yang bersifat basa dan stres oksidatif akibat asupan MSG kronis dapat merusak ginjal melalui mekanisme yang tidak diketahui. Urolitiasis juga dapat berkontribusi terhadap fibrosis interstisial dengan memproduksi sitokin inflamasi dan ROS
Bukti eksperimental kerusakan ginjal yang dimediasi oleh asupan MSG kronis akan dibahas lebih lanjut dalam stres oksidatif, urolitiasis, dan fibrosis interstisial.
Stres oksidatif
Pembentukan ROS di ginjal yang terpapar MSG dipandang sebagai kontributor utama efek nefrotoksik yang menyebabkan kerusakan seluler dan fungsional [ 24 ]. Suplementasi MSG baik melalui suntikan atau asupan oral telah terbukti mengubah penanda sistem antioksidan ginjal, termasuk produk sampingan peroksidasi lipid dan fungsi ginjal pada tikus [ 10 , 24 ]. Paulus dkk. (2012) menemukan penurunan aktivitas superoksida dismutase, katalase, glutathione-S-transferase dan glutathione (GSH) di ginjal setelah pemberian MSG [ 10 ]. Mereka juga melaporkan bahwa penanda peroksidasi lipid seperti malondialdehyde (MDA) dan diena terkonjugasi meningkat pada jaringan ginjal yang diberi MSG. Ada kemungkinan bahwa MSG menyebabkan produksi radikal bebas yang berlebihan dan antioksidan endogen tidak cukup untuk memenuhi permintaan. Peningkatan regulasi heat shock serumpun 70, sebuah indikator stres oksidatif, dan penurunan regulasi glutathione-S-transferase pada ginjal yang diberi MSG semakin memperkuat temuan ini [ 5 ]. Selain itu, beberapa penelitian telah menemukan efek perbaikan vitamin C, E, dan quercetin pada ginjal yang diobati dengan MSG [ 2 , 10 ]. Mekanisme bagaimana antioksidan ini memberikan efek tersebut masih belum sepenuhnya dijelaskan. Namun, antioksidan ini tampaknya memainkan peran kunci terhadap respon inflamasi ginjal melalui penurunan aktivitas enzim inflamasi [ 25 ] dan sekresi sitokin, atau dengan menghambat aktivitas NF-ĸB [ 26 , 27 ].
Selain itu, penelitian yang menggunakan antioksidan tiol seperti N-asetilsistein (NAC) dan asam lipoat telah menunjukkan perlindungan terapeutik terhadap neurotoksisitas yang diinduksi glutamat [ 28 , 29 ]. Meskipun tidak ada bukti eksperimental yang mendukung efek perlindungan molekul-molekul ini pada toksisitas oksidatif ginjal yang diinduksi MSG, NAC telah terbukti mengurangi kadar MDA ginjal pada model tikus diabetes [ 30 ]. Dalam kultur sel epitel tubulus proksimal manusia, NAC mengurangi peroksidasi lipid dan mempertahankan potensi membran mitokondria, sehingga mencegah apoptosis setelah pemberian hidrogen peroksida [ 31 ]. Selain itu, asam lipoat telah efektif dalam melindungi ginjal dari stres oksidatif dan disfungsi mitokondria [ 32 ]. Dalam konteks yang berbeda, efek perbaikan selenium terhadap toksisitas oksidatif testis yang diinduksi MSG telah dibuktikan [ 33 ]. Temuan penting ini menambah prospek lebih lanjut terhadap terapi stres oksidatif ginjal yang diinduksi MSG dengan menggunakan antioksidan.
Urolitiasis dan fibrosis interstisial
Nefropati obstruktif akibat diet MSG kronis telah dilaporkan pada tikus dewasa mungkin karena urin bersifat basa dan penurunan kadar penghambat batu seperti magnesium dan sitrat dalam urin [ 4 ]. Mekanisme dibalik alkalisasi urin akibat MSG masih belum diketahui namun efek ini pertama kali dilaporkan oleh de Groot dkk. (1988) [ 34 ]. Kemungkinan besar hewan yang diberi MSG dapat menghasilkan produk katabolik glutamat yang lebih tinggi di sel ginjal dan kerangka karbonnya diubah menjadi karbon dioksida dan kemudian menjadi anion bikarbonat [ 35 , 36 ]. Bikarbonat yang dihasilkan kemudian diserap kembali ke dalam sirkulasi darah dan akhirnya ke ginjal untuk ekskresi ekstra-alkali, menghasilkan urin yang bersifat basa [ 37 , 38 ]. Urine yang bersifat basa dapat mempengaruhi kapasitas ginjal dalam hal mensekresi atau menyerap kembali metabolit yang dapat berkontribusi terhadap pembentukan batu, sedangkan penghambat pembentukan batu berperan besar dalam pertahanan alami. Peningkatan aktivitas ion produk kalsium fosfat dalam urin basa tikus yang diberi MSG menunjukkan risiko pembentukan batu kalsium-fosfat [ 4 ].
Lebih lanjut, ROS dapat menyebabkan kerusakan pada sel yang menyebabkan kematian sel dan pembentukan vesikel terikat membran yang mendukung nukleasi kristal [ 39 , 40 ]. Dengan latar belakang ini, hidronefrosis dengan perubahan besar seperti fibrosis pada kompartemen tubulo-interstisial telah dilaporkan pada ginjal tikus yang diberi MSG oleh Sharma dkk. (2013) [ 4 ]. Penting untuk dicatat di sini bahwa 2/10 hewan yang diberi MSG menunjukkan adanya hidronefrosis dan 3/10 menunjukkan batu ginjal dalam penelitian ini. Namun, semua tikus yang diobati dengan MSG mempunyai tingkat fibrosis ginjal yang sangat tinggi dibandingkan dengan tikus kontrol, hal ini menunjukkan adanya efek fibrotik dari MSG, bukan hanya obstruksi ginjal. Sulit untuk menjelaskan perbedaan temuan ini pada hewan yang diberi MSG, namun faktor individual mungkin berperan. Dalam percobaan yang berbeda, kelompok kami tidak dapat melihat perubahan fungsi ginjal atau batu pada tikus pada 1 bulan, 3 bulan, dan 6 bulan pengobatan MSG (data tidak dipublikasikan). Namun, perubahan fungsi dan patologi ginjal tetapi bukan batu ginjal dilaporkan oleh Paul dkk. (2012) setelah 6 bulan pengobatan MSG oral dengan dosis lebih tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa dosis dan durasi paparan MSG sangat penting untuk efek nefrotoksiknya termasuk batu dan obstruksi.
Gangguan mekanis akibat obstruksi ureter total menyebabkan cedera tubulus, mengakibatkan sitokin pro-inflamasi dan fibrosis tubulo-interstitial [ 41 ]. Oleh karena itu, dalam percobaan dengan model tikus yang mengalami penyumbatan ureter, para peneliti menemukan peningkatan pewarnaan 4-hidroksinoneal (4-HNE) untuk produk ROS di kompartemen tubulo-interstitial ginjal [ 42 ]. Oleh karena itu dapat diduga bahwa urolitiasis dan stres oksidatif akibat MSG dapat menyebabkan fibrosis pada ginjal, karena ROS dapat menginduksi transformasi fibroblas menjadi myofibroblast [ 43 ]. Fibrosis interstisial tubular sangat terkait dengan perkembangan penyakit ginjal [ 44 ].
Pembentukan ROS yang diinduksi MSG di ginjal
Kemungkinan mekanisme produksi ROS yang diinduksi MSG di ginjal diilustrasikan pada Gambar. 2. ROS arises as a by-product of aerobic metabolism [45]. The main sites of ROS production are the mitochondrial electron transport system, peroxisomal fatty acid, cytochrome P-450, and phagocytic cells [46, 47]. One study suggested that the mitochondrial electron transport chain is a major source of ROS in oxidative glutamate toxicity [48] and that extracellular glutamate level increases the formation of hydroxyl radicals [49]. Most cellular ROS arise due to leakage of electrons from the mitochondrial respiratory chain. In normal physiological conditions, ROS produced as a byproduct of metabolic processes are completely inactivated by cellular and extracellular defense mechanisms. Nutrient metabolism can affect the production of oxidative stress in the kidney by altering energy metabolism. In this scenario, α-ketoglutarate dehydrogenase (α -KGDH) is the primary site of the control of the metabolic flux through the Krebs cycle [50].
A proposed model of MSG-induced ROS production in the rat kidney. Glutamate upon chronic MSG exposure may raise the activity of α-ketoglutarate dehydrogenase, a potential ROS generator. Additionally, an increased intracellular calcium level via glutamate receptors can stimulate free radical generation and lipid peroxidation. Inhibition of cystine uptake leads to decreased GSH levels that may further promote ROS-mediated renal cell damage
α-Ketoglutarate dehydrogenase: an ROS generator
A recent study has shown that increased activity of α-KGDH is related to the glutamate-stimulated ROS production in rat kidneys [5]. According to this study, glutamate contributes fuel to the Krebs cycle and modulates the redox state of the cell. High glutamate concentration may increase the mitochondrial proton gradient as a result of the over production of the electron donor by the Krebs cycle, which may in turn increase the production of mitochondrial superoxide. This proposed mechanism is supported by evidence from brain tissues where α-KGDH is a potential site of ROS generation against glutamate [21]. The E3 subunit (lipoamide dehydrogenase) of α-KGDH can activate oxygen, resulting in the production of superoxide and/or hydrogen peroxide [51–53].
α-KGDH is a key and arguably the rate-limiting enzyme in the Krebs cycle. The enzyme is inhibited by its own product, succinyl-CoA, or by a high NADH/NAD+ ratio, as well as by a high dihydrolipoate/lipoate ratio, thereby playing an important role in cellular redox regulation [52, 54]. However, an increased level of succinyl CoA ligase in the MSG-treated kidney tissue [5] may favor the activation of α-KGDH by consuming succinyl CoA, an inhibitor. In addition, during the oxidative stress a segment of the Krebs cycle is maintained by glutamate through α-ketoglutarate [55]. Increased levels of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase as reported in MSG treated kidney [5] can also cause oxidative stress because isolated glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase has been shown to catalyze NADH-dependent superoxide production [56]. Notably, NADH is one of the regulators for the activity of α-KGDH. It is possible that the excessive metabolism of glutamate in the kidney wards off the barriers to α-KGDH and thus changes the redox state of the cell. Further studies exploring the relationship between energy metabolism and oxidative stress in MSG-treated kidneys are necessary to elucidate this phenomenon.
Glutamate receptors
Most studies in the literature link oxidative stress and tissue damage through glutamate receptor (N-methyl –D- aspartate, NMDA) via calcium (Ca2+) in MSG-induced renal toxicity. There are two categories of receptors available to glutamate: ionotropic and metabotropic receptors [57]. Nearly all of the known glutamate receptors and many of their interacting proteins have been detected in the kidney [58–60]. Most of the functional studies of the kidney have examined NMDA receptors, a subtype of ionotropic receptor, and group 1 metabotropic glutamate receptors (mGluRs).
NMDA receptors are Ca2+ favoring glutamate gated ion channels, whereas mGluRs are coupled to G protein cascades [19, 61]. The functional significance of these receptors for normal kidney physiology is not well understood. But, increased NMDA receptor subunit NR1 and NR2C expression correlates with the renal damage in a rat model of gentamicin nephrotoxicity [62]. Furthermore, a study applying NMDA receptor agonists (glycine, glutamate) and antagonists (MK 801, CPP) in renal culture cells has demonstrated that an excessive stimulation or blockade of the renal NMDA receptor results in cell death [12]. Sustained activation of these receptors induces changes in cellular Ca2+ dynamics that can trigger numerous cellular reactions, including the activation of nitric oxide synthase and protein kinase C [63, 64]. These in turn can activate free radical generation and lipid peroxidation [65], leading to cell damage. This mechanism of excitotoxicity has been described not only in neurons but also in lung [19, 64]. However, there is no direct evidence in the literature of studies investigating the role of glutamate receptors against MSG-induced renal cell damage; experiments with the blockade of NMDA receptor to prevent MSG-induced toxicity could be conclusive.
Cystine-glutamate antiporter
The cystine-glutamate antiporter, designated as system xc-, exchanges extracellular cystine for intracellular glutamate in a variety of cells [66]. The uptake of cystine that results from cystine-glutamate exchange is critical in maintaining the levels of glutathione, a critical antioxidant [67]. Under the condition of oxidative stress, the transport activity of this carrier appears to be up-regulated [68, 69].
Considering the fact that the system xc- is strongly expressed in the kidney [70] and the decreased GSH levels are prominent in MSG-induced renal toxicity, our group investigated the expression level of system xc- in acute and chronic MSG-treated kidney. However, no significant changes were observed at the mRNA level (unpublished data). Notably, there are other minor transporters for cystine intake into the cell as well. In another study, marked inhibition of cystine uptake by glutamate in the five-day-cultured renal tubule cells of rats but not in uncultured cells has been observed [71]. Despite these findings, more studies are necessary to find the possible involvement of cystine-glutamate antiporter in MSG-induced oxidative kidney damage. It is important to note here that glutamate toxicity in the neuronal cells involves the inhibition of system xc-, leading to oxidative stress [20].
Conclusions
During the last decade it became apparent that the chronic intake of MSG has potential effects on the peripheral organs such as the kidneys. Reduced antioxidant enzymes, increased lipid peroxidation, and tubulo-interstitial fibrosis brought on by high MSG intake strongly support the theory that oxidative stress is central to MSG-induced renal toxicity, with α-KGDH as a key player. Also, there is now evidence that excessive NMDA receptor activation is toxic for renal cells. However, a more clear association has to be established between α-KGDH, glutamate receptors, cystine-glutamate antiporter, and chronic MSG intake in order to provide a more comprehensive mechanism of renal oxidative stress. Approaches utilizing high throughput in vitro methods are crucial.
Acknowledgements
The author would like to thank Assistant Professor Ubon Cha’on, Associate Professor Vitoon Prasongwattana and Associate Professor Sirirat Reungjui, faculty of medicine, Khon Kaen University, Thailand for their valuable comments during the editing of the manuscript. Special thanks to Dr. Namraj Goire for reviewing the manuscript.
Abbreviations
| GSH | Glutathione |
| HNE | Hydroxynoneal |
| MDA | Malondialdehyde |
| MSG | Monosodium glutamate |
| NAC | N-acetylcysteine |
| NAD+ | Nicotinamide adenine dinucleotide |
| NMDA | N-methyl -D- aspartate |
| ROS | Reactive oxygen species |
| α-KGDH | α-Ketoglutarate dehydrogenase |
Footnotes
Competing interests
The author declares that he has no competing interests.
Author’s contributions
AS conceptualized and wrote the manuscript.
Author’s information
AS is currently a post-doctoral researcher at Siriraj hospital, faculty of medicine, Mahidol University, Thailand. AS has more than three years of experience during his doctorate degree at Khon Kaen University, Thailand, in working with MSG associated renal effects in rats. AS and his colleagues has published articles reporting MSG induced kidney damage and oxidative stress in PLoS ONE.
