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Potential role of molecular hydrogen therapy on oxidative stress and redox signaling in chronic kidney disease - 16/06/24

Doi : 10.1016/j.biopha.2024.116802 
Cai-Mei Zheng a, b, 1, Yi-Chou Hou c, Min-Tser Liao d, e, Kuo-Wang Tsai f, Wan-Chung Hu g, Chien-Chih Yeh h, i, 1, Kuo-Cheng Lu j, k,
a Division of Nephrology, Department of Internal Medicine, Shuang Ho Hospital, School of Medicine, College of Medicine, Taipei Medical University, New Taipei City 11031, Taiwan 
b TMU Research Centre of Urology and Kidney, Taipei Medical University, New Taipei City 11031, Taiwan 
c Division of Nephrology, Department of Internal Medicine, Cardinal-Tien Hospital, School of Medicine, College of Medicine, Fu Jen Catholic University, New Taipei City 24205, Taiwan 
d Department of Pediatrics, Taoyuan Armed Forces General Hospital, Taoyuan City, Taiwan 
e Department of Pediatrics, Tri-Service General Hospital, National Defense Medical Center, Taipei, Taiwan 
f Department of Medical Research, Taipei Tzu Chi Hospital, Buddhist Tzu Chi Medical Foundation, New Taipei City 231, Taiwan 
g Department of Clinical Pathology, Taipei Tzu Chi Hospital, Buddhist Medical Tzu Chi Foundation, New Taipei City 23142, Taiwan 
h Division of colon and Rectal Surgery, Department of Surgery, Taoyuan Armed Forces General Hospital, Taoyuan 325, Taiwan 
i National Defense Medical Center, Tri-Service General Hospital, Taipei 114, Taiwan 
j Division of Nephrology, Department of Medicine, Taipei Tzu Chi Hospital, Buddhist Tzu Chi Medical Foundation, New Taipei City 23142, Taiwan 
k Division of Nephrology, Department of Medicine, Fu Jen Catholic University Hospital, School of Medicine, Fu Jen Catholic University, New Taipei City 24352, Taiwan 

Correspondence to: Taipei Tzu Chi Hospital, Buddhist Tzu Chi Medical Foundation, New Taipei City, Taiwan.Taipei Tzu Chi Hospital, Buddhist Tzu Chi Medical FoundationNew Taipei CityTaiwan

Abstract

Oxidative stress plays a key role in chronic kidney disease (CKD) development and progression, inducing kidney cell damage, inflammation, and fibrosis. However, effective therapeutic interventions to slow down CKD advancement are currently lacking. The multifaceted pharmacological effects of molecular hydrogen (H2) have made it a promising therapeutic avenue. H2 is capable of capturing harmful OH and ONOO- while maintaining the crucial reactive oxygen species (ROS) involved in cellular signaling. The NRF2-KEAP1 system, which manages cell redox balance, could be used to treat CKD. H2 activates this pathway, fortifying antioxidant defenses and scavenging ROS to counteract oxidative stress. H2 can improve NRF2 signaling by using the Wnt/β-catenin pathway and indirectly activate NRF2-KEAP1 in mitochondria. Additionally, H2 modulates NF-κB activity by regulating cellular redox status, inhibiting MAPK pathways, and maintaining Trx levels. Treatment with H2 also attenuates HIF signaling by neutralizing ROS while indirectly bolstering HIF-1α function. Furthermore, H2 affects FOXO factors and enhances the activity of antioxidant enzymes. Despite the encouraging results of bench studies, clinical trials are still limited and require further investigation. The focus of this review is on hydrogen's role in treating renal diseases, with a specific focus on oxidative stress and redox signaling regulation, and it discusses its potential clinical applications.

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Graphical Abstract




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Highlights

Oxidative stress (OS) plays a crucial role in the development and progression of CKD.
H2 selectively captures harmful ROS like OH and ONOO-, while preserving beneficial ROS.
H2 impacts several cellular pathways by boosting antioxidant enzyme expression and reducing OS.
Preclinical studies show H2 reduces OS and improves renal function, but more trials are needed.

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Abbreviations : ACOX, AKT, AMPK, ARE, CAT, CP, DAO, EMT, ERO1, ETC, FOXO, GADD, GLUT1, GPx, GPX1, GSH, GSK3β, GST, HO-1, IKK, IL, IRE, I/R, IκBa, JNK, KEAP1, MAPK, MDA, NF-κB, NO, MitoQ, MtROS, MPO, NAD, NOX, NQO1, NRF2, OH, ONOO, PGC1α, Prx, PTEN, PTM, ROS, SELENOP, SMAF, SOD, STATs, STZ, TCA, TGF-β, TNF-α, TNPO, TOR, Trx, TrxR, VEGF, XDH, XO, XOR, UUO

Keywords : Chronic Kidney Disease, FOXO, HIF, Hydrogen, NRF2-KEAP1, NF-κB, Oxidative Stress, Redox Signaling


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