The Renal Collecting Duct Rises to the Defence

Abstract

Wanneer letsel optreedt, impliceert dit dat de aanval de verdediging heeft overwonnen. Tubulointerstitiële schade speelt een belangrijke rol in acute nierschade (AKI) en chronische nierziekte (CKD) en is het gemeenschappelijke pad dat leidt tot nierziekte in het eindstadium, maar hoe het renale tubulointerstitium zich verdedigt tegen aanvallen is slecht begrepen. Nieuwe aanwijzingen suggereren dat de verzamelbuizen (CDs), die de urine uit de nefronen verwijderen en afvoeren naar de urineleider, een sleutelrol zouden kunnen spelen in de bescherming van het tubulointerstitium tegen beschadiging; bovendien zou de canonieke renale vitamine A signalisatie, die fysiologisch beperkt is tot CDs, een sleutelrol kunnen spelen in de regulatie van deze beschermende machinerie. Deze hypothese kan getest worden door in vitro, in vivo en klinische studies, in het bijzonder door het onderdrukken of stimuleren van belangrijke moleculaire regulatoren in CDs, om de resulterende fenotypes te observeren in modellen van AKI en CKD. Verder onderzoek van deze hypothese zou kunnen leiden tot nieuwe strategieën voor diagnose, preventie en behandeling van AKI en CKD.

© 2019 S. Karger AG, Basel

Achtergronden

Nieren en niergeneeskunde worden vaak beschouwd als de “slachtoffers van hun eigen succes.” Nieren hebben opmerkelijke functionele reserves, en de niergeneeskunde is een van de meest succesvolle in vervangingstherapieën wanneer nieren toch falen. Patiënten met nieraandoeningen in het eindstadium (ESRD) die dialyse of een niertransplantatie ondergaan, kunnen in leven blijven, maar deze therapieën zijn duur, er is een tekort aan donororganen en de sterftecijfers zijn hoog – jonge patiënten (20-49 jaar) die deze therapieën ondergaan, lopen 16-25 keer meer kans om binnen een jaar te sterven dan de leeftijdsgroep in het algemeen . Het aantal acute nierbeschadigingen (AKI) en chronische nierziekten (CKD) neemt wereldwijd toe, en het intercalaire AKI-CKD-syndroom blijft leiden tot meer ESRD en sterfte . De nefrologiegemeenschap heeft het “0by25″-initiatief voor AKI (nul te voorkomen sterfgevallen in 2025) gepromoot” , maar er bestaan weinig effectieve strategieën om AKI, CKD en de progressie naar ESRD te voorkomen.

Waarom zijn AKI en CKD zulke hardnekkige problemen? Om deze vraag te beantwoorden is het advies van eerdere voorzitters van de American Society of Nephrology het vermelden waard: we moeten “de nadruk leggen op innovatie” en “nieuwe wegen naar een gezonde nier bewandelen”.

“De moderne geneeskunde kan leren van traditionele praktijken”, concludeerde GP-TCM, de allereerste coördinatieactie van de Europese Unie voor de modernisering van de traditionele Chinese geneeskunde (TCM) in het kader van haar Zevende Kaderprogramma . Als nefroloog en hoofdonderzoeker van het consortium denk ik dat innovatie in de moderne nefrologie kan worden gekatalyseerd door de wijsheid uit de Innerlijke Canon van de Gele Keizer, een TCM-klassieker die is opgenomen in het Memory of the World Register, United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization , waarin staat: “Wanneer er voldoende beschermende qi in het lichaam is, kunnen ziekteverwekkende factoren het lichaam geen kwaad doen; wanneer ziekteverwekkende factoren schade veroorzaken, moet de inwendige qi deficiënt zijn”. Met qi worden hier de interne mechanismen van het lichaam bedoeld die zich verdedigen tegen aanvallen.

Hoewel in de nefrologie het meeste werk op het gebied van AKI en CKD in het verleden gericht was op hoe aanvallen schade veroorzaken, met relatief minder aandacht voor de verdedigingsmechanismen in de nier. Hoewel tubulointerstitiële schade een belangrijke rol speelt bij AKI en progressieve tubulointerstitiële schade het gemeenschappelijke pad is naar ESRD, is er weinig bekend over de beschermende mechanismen waarmee het renale tubulointerstitium zich verdedigt tegen een verscheidenheid van schadelijke stimuli.

Hypothese

Geïnspireerd door recente bevindingen van mijn laboratorium, stel ik de hypothese voorop dat de collecterende kanalen (CDs) een sleutelrol spelen in de verdediging van het tubulointerstitium en gereguleerd worden door de canonieke vitamine A signaaltransductie gemedieerd door retinoïnezuur (RA) en RA receptoren (RARs).

Evidence supporting a key Defence Role for CDs

Studies naar AKI en CKD hebben zich traditioneel gericht op glomeruli, proximale tubuli en de vasculatuur, waarbij distale tubuli en CDs grotendeels verwaarloosd werden. In het bijzonder zijn CD’s de enige tubuli die een groot deel van de nier beslaan en zich in een ideale positie bevinden om het hele tubulointerstitiële compartiment te beschermen.

Belangrijk is dat CD’s, naast hoofdcellen die de waterhomeostase reguleren en tussencellen die het zuur-base-evenwicht reguleren, zijn uitgerust met gespecialiseerde pro-reparatie en pro-regeneratieve mesenchymale stamcellen en afweermoleculen, bijvoorbeeld antimicrobiële β-defensines en antifibrotische microRNA’s . Expressie van veel genen die cruciaal zijn voor de ontwikkeling van de nier, bijvoorbeeld Pax2, Wnt4 en Wnt7b, is ook beperkt tot CD’s in de volwassen nier. Zouden deze genen zich kunnen aanpassen aan beschermende rollen? Bovendien zijn CD’s voorzien van RA/RAR fysiologische signalering . Een beschermende rol voor RA/RARs wordt benadrukt door de vatbaarheid voor pyelonefritis en urolithiasis bij ratten die gevoed worden met een vitamine A-deficiënt dieet . Aangezien RA effectief is bij de behandeling van vele modellen van AKI en CKD , zijn endogene RA/RARs in CDs mogelijk evolutionair geselecteerd voor bescherming tegen schade. Om de rol van RA/RARs in CD cellen te bepalen, heeft mijn laboratorium RA/RAR-afhankelijke mRNAs in CD cellen op een pan-genomisch niveau gecatalogiseerd. Dit ondersteunt een kritische rol voor RA/RAR signalisatie in het in stand houden van genexpressie die betrokken is bij verdediging tegen infectie (Ppbp, Lcn2, Upk3b), ontsteking (Ppbp, Cpm, Muc20) en fibrose (Bmp7). Aldus kan RA/RAR signalering in CDs, inclusief de doelgenen, dienen als een belangrijke regulator voor afweer tegen tubulointerstitiële schade.

Emer bewijs suggereert dat renale RA/RAR signalering een belangrijke rol speelt in AKI en CKD. Bij oplossende AKI blijven de CD’s relatief gespaard en is de renale RA/RAR activiteit verhoogd. Omgekeerd, in progressieve CKD geïnduceerd door unilaterale ureterale obstructie, vermindert de renale RAR expressie , en in muizen met diabetische nefropathie is er een nierspecifieke verzwakking van RA/RAR signalering . Werk in mijn laboratorium heeft aangetoond dat endogene RA/RAR activiteit geconserveerd is in zowel muis als menselijke CD cellen, inclusief corticale en medullaire CD cellen en CD-afgeleide mesenchymale stamcellen (Xu , ongepubliceerde gegevens). Bovendien onderdrukt albumine specifiek en dosisafhankelijk de RA/RAR-activiteit in CD-cellen, wat suggereert dat albuminurie, de belangrijkste risicofactor voor de progressie van CKD, kan bijdragen aan de progressie van CKD door de RA/RAR-activiteit in CD’s te onderdrukken (Xu, ongepubliceerde gegevens). Bovendien onderdrukken angiotensine II, aldosteron, endotoxine en hoge glucose, die allemaal bijdragen aan CKD, dosis-afhankelijk de RA/RAR signalering in CD cellen, terwijl gentamicine en aristolochinezuur, waarvan bekend is dat ze AKI induceren, de signalering in gekweekte CD cellen verhogen (Xu, ongepubliceerde gegevens). RA/RAR signalering in CD cellen blijkt dus een convergentiepunt te zijn van regulatie door AKI en CKD risicofactoren en kan een nieuw doelwit zijn voor preventie en behandeling van AKI en CKD.

Centrale vragen en belangrijkste experimenten voorgesteld om de hypothese te testen

CD’s zijn structureel en functioneel belangrijk voor de nier. Zij dienen om de urine van de nefronen naar de urineleiders af te voeren en spelen een fundamentele rol bij het handhaven van de vloeistof- en elektrolytenhuishouding. Experimenten om de veronderstelde nieuwe beschermende rol van Cd’s te testen, moeten dus eerst garanderen dat de klassieke structurele en functionele rol van Cd’s behouden blijft. Om de beschermende rol van CD’s te bepalen, is het belangrijk potentiële beschermende effecten in CD’s te identificeren en hun functies te testen; dergelijke experimenten moeten zorgvuldig worden opgezet op moleculair, subcellulair en cellulair niveau. Om te beginnen, op moleculair niveau, stel ik voor om de rol te testen van Pax2, Wnt4, Wnt7b en de RA/RAR signalisatie in CDs als beschermende effectoren in AKI en CKD modellen, terwijl andere kandidaatgenen en signalen moeten geïdentificeerd worden. Ik zou de volgende sleutelvragen willen stellen: Hoe behouden CD cellen hun veerkracht? Hoe beschermen CD’s andere tubulointerstitiële cellen? Welke rol spelen CD-specifieke genexpressie, RA/RAR-signalisatie en CD-afgeleide microveikels en mesenchymale stamcellen in de renale tubulointerstitiële verdediging? Hoe werken deze mechanismen op elkaar in? Hoe wordt CD afweer gereguleerd in AKI en CKD? Is falen van CD afweer een oorzaak van meer ernstige AKI, chroniciteit en CKD progressie? Scheiden CDs afweermoleculen af in de urine en komen afweerbiomarkers tot expressie in gebiopsieerd nierweefsel? Kunnen deze biomarkers de prognose voorspellen en de behandeling sturen? Kunnen nieuwe therapieën worden ontwikkeld om AKI, de overgang van AKI naar CKD en de progressie van CKD naar ESRD te voorkomen door de verdediging van CD’s te moduleren?

Om te testen of en hoe CD-cellen, waaronder hoofdcellen, intercalerende cellen en CD-afgeleide mesenchymale stamcellen, andere niercellen beschermen, zou co-cultuur van deze CD-afgeleide cellen en andere cellen in de aanwezigheid van verschillende soorten stress en nefrotoxinen een nuttig in vitro model kunnen zijn. Voorwaardelijke, CD-specifieke deletie, silencing of overexpressie van Pax2, Wnt4, Wnt7b en andere interessante genen in diermodellen zal in vivo proof of concept opleveren van de rol van deze genen in de CDs bij AKI en CKD. Om te bepalen of RA/RAR signalisatie in CDs een belangrijke rol speelt in AKI en CKD, kunnen spatiotemporele veranderingen van renale RA/RAR activiteiten in verschillende AKI en CKD modellen gevisualiseerd en gekwantificeerd worden in RA/RAR activiteit reporter muizen ; en zoals geïllustreerd in Figuur 1, kunnen AKI en CKD modellen geïnduceerd worden in transgene muizen waarin RA/RAR signalisatie in CDs conditioneel onderdrukt of gestimuleerd wordt.

Om de specificiteit van een voorgestelde beschermende rol voor CD’s te onderzoeken, is het belangrijk om de rollen voor specifieke genen en signalen in CD’s te vergelijken met die in andere tubuli. Het onderdrukken van microRNA biogenese in CD’s maar niet in proximale tubuli leidt bijvoorbeeld tot nierfibrose, wat een specifieke rol voor CD’s in het leveren van anti-fibrotische microRNA’s ondersteunt. Daarentegen leidt het verwijderen van de TGF-β type II receptor in CDs of proximale tubuli tot vergelijkbare pro-fibrotische fenotypes, wat suggereert dat het anti-fibrotische effect van de TGF-β type II receptor in CDs niet uniek is.

Veel genen (bv. Pax2, Wnt4 en Wnt7b) en signalen (bv. de RA/RAR signalering) in CDs die potentiële beschermers zijn, zijn onmisbaar in de ontwikkeling van de nier. Het onvoorwaardelijk uitschakelen van genen of het onderdrukken van RA/RAR signalisatie kan dus leiden tot misvorming van de foetale nier en embryonale letaliteit en verhindert zo verdere studies naar hun rol in AKI en CKD bij volwassenen. Om mijn hypothese te testen zijn betrouwbare conditionele gen knock-outs of transgenen nodig om conditionele genexpressie veranderingen specifiek in volwassen nier-CD’s mogelijk te maken. Echter, CD-specifieke genmodificatie blijft een uitdaging. Promotors van Hoxb7, Aqp2 en Atp6v1b1 worden het meest gebruikt om genexpressie in CDs selectief te reguleren, maar de promotoractiviteit van Hoxb7 is niet strikt beperkt tot CDs ; Aqp2 komt alleen tot expressie in CD hoofdcellen en CD-afgeleide mesenchymale stamcellen , terwijl Atp6v1b1 alleen tot expressie komt in CD tussenkringscellen en sommige hybride cellen. Het blijft dus een uitdaging om pan-CD celspecifieke promotors te vinden. Op basis van single-cel transcriptomische analyse van verschillende muis CD-cellen te richten op alle belangrijke CD-cellen tijdens de volwassenheid, kan de beste benaderingen nog steeds induceerbare deletie of overexpressie van doelgenen gemedieerd door Hoxb7 promotor of zowel Aqp2 en Atp6v1b1 promotors.

Clinisch en in diermodellen, of CD-afgeleide urine microveikels in AKI en CKD zou kunnen melden activering of falen van de afweercapaciteit en dus ziekteprognose voorspellen is het onderzoeken waard. CD’s en andere tubuli die op microschaal uit biopten van patiënten of diermodellen van AKI en CKD zijn gehaald, zouden aan een grondige analyse kunnen worden onderworpen om nieuwe mediatoren voor CD-verdediging te ontdekken. Tenslotte zouden retinoïden en niet-retinoïde therapieën die beschermende mechanismen in CD’s mobiliseren, onderzocht kunnen worden voor de preventie en behandeling van AKI en CKD.

Conclusies

Een nieuwe rol voor CD’s in de bescherming van het renale tubulointerstitium wordt voorgesteld, als aanvulling op hun rol in het controleren van de urinaire vloeistof- en elektrolytensamenstelling. Verder onderzoek van deze hypothese kan leiden tot een paradigmaverschuiving in het begrijpen van de gezondheid van de nieren en kan leiden tot nieuwe strategieën voor diagnose, preventie en behandeling van AKI en CKD. Hoewel in dit artikel de nadruk ligt op de nieren, zijn CD’s ook belangrijk voor de bescherming van het hart. Aangezien niet-immuun afweermechanismen in de moderne geneeskunde over het algemeen over het hoofd worden gezien, wordt gehoopt dat dit speciale artikel niet alleen nefrologen, maar ook andere artsen en medische wetenschappers zal inspireren om gezondheid en ziekte te zien in het licht van het evenwicht en de onbalans tussen aanval en afweer.

Aankondigingen

De auteur wil graag Prof. Leon G Fine (Cedars-Sinai Medical Center, Los Angeles, CA, USA), Dr. Jeffrey Kopp (NIH, Bethesda, MD, USA), Prof. Jill T Norman, Prof. Patricia Wilson en Prof. Robert Unwin (University College London, UK), Prof. Frederick Tam (Imperial College London, UK), Prof. Donald Fraser (Cardiff University, UK), alsmede collega’s aan King’s College London (Dr. Alexandros Papadimitriou, Prof. Bruce M Hendry, Prof. Claire Sharpe en Prof. Sir Robert Lechler) voor nuttige discussies. Dit Speciale Artikel is opgedragen aan wijlen Professor Peter John Hylands, voormalig Hoofd van het Instituut voor Farmaceutische Wetenschappen, en voormalig Co-Directeur van King’s Centre for Integrative Chinese Medicine, King’s College London, voor zijn onvervangbare mentorschap, onschatbare samenwerking en inspirerende aanmoediging en steun.

Disclosure Statement

De auteur heeft geen belangenconflicten te melden.

Funding Sources

Dit werk is ondersteund door Kidney Research UK en de Europese Unie.

Author Contributions

Dr. Qihe Xu heeft dit artikel geconceptualiseerd en geschreven.

Author Contacts

Article / Publication Details