The Renal Collecting Duct Rises to the Defence

Abstract

Kiedy dochodzi do urazu, oznacza to, że atak pokonał obronę. Uszkodzenie cewkowo-śródmiąższowe odgrywa ważną rolę w ostrym uszkodzeniu nerek (AKI) i przewlekłej chorobie nerek (CKD) i jest wspólną drogą prowadzącą do schyłkowej niewydolności nerek, ale sposób, w jaki cewka nerkowa broni się przed atakiem jest słabo poznany. Pojawiające się dowody sugerują, że kanaliki zbiorcze (CD), które modyfikują mocz z nefronów i odprowadzają go do moczowodów, mogą być kluczowymi obrońcami chroniącymi tubulointerstitium przed urazem; co więcej, kanoniczna sygnalizacja nerkowa witaminy A, fizjologicznie ograniczona do CD, może być kluczowym regulatorem tego mechanizmu ochronnego. Hipoteza ta może być testowana w badaniach in vitro, in vivo i klinicznych, szczególnie poprzez represję lub stymulację kluczowych regulatorów molekularnych w CD, w celu obserwacji wynikających z tego fenotypów w modelach AKI i CKD. Dalsze badanie tej hipotezy może prowadzić do nowych strategii diagnostyki, zapobiegania i leczenia AKI i CKD.

© 2019 S. Karger AG, Basel

Tło

Nerki i medycyna nerkowa są często uważane za „ofiary własnego sukcesu.” Nerki mają niezwykłe rezerwy funkcjonalne, a medycyna nerek jest wśród najbardziej skutecznych w terapii zastępczej, gdy nerki zawodzą. Pacjenci ze schyłkową niewydolnością nerek (ESRD) dializowani lub poddawani przeszczepowi nerki mogą zachować życie, ale terapie te są kosztowne, brakuje narządów od dawców, a wskaźniki śmiertelności są wysokie – młodzi pacjenci (20-49 lat) poddawani tym terapiom są 16-25 razy bardziej narażeni na śmierć w ciągu 1 roku niż dopasowana wiekowo populacja ogólna. Częstość występowania ostrego uszkodzenia nerek (AKI) i przewlekłej choroby nerek (CKD) wzrasta na całym świecie, a zaostrzony zespół AKI-CKD nadal jest przyczyną większej liczby przypadków ESRD i śmiertelności. Społeczność nefrologiczna promuje inicjatywę „0by25″ dla AKI (zero możliwych do uniknięcia zgonów do 2025 roku)”, ale istnieje niewiele skutecznych strategii zapobiegania AKI, CKD i progresji do ESRD.

Dlaczego AKI i CKD są tak trudnymi problemami? Aby odpowiedzieć na to pytanie, warto zwrócić uwagę na rady poprzednich prezesów Amerykańskiego Towarzystwa Nefrologicznego: musimy „kłaść nacisk na innowacje” i „budować nowe drogi do zdrowia nerek”.

„Nowoczesna medycyna może uczyć się od praktyk tradycyjnych”, podsumowuje GP-TCM, pierwsze w historii Unii Europejskiej działanie koordynacyjne dotyczące modernizacji tradycyjnej medycyny chińskiej (TCM) w ramach Siódmego Programu Ramowego. Jako nefrolog i główny badacz konsorcjum uważam, że katalizatorem innowacji w nowoczesnej nefrologii może być mądrość z Wewnętrznego Kanonu Żółtego Cesarza, klasyka TCM wpisanego do Rejestru Pamięci Świata, Organizacji Narodów Zjednoczonych do spraw Oświaty, Nauki i Kultury, który mówi: „Kiedy wewnątrz jest wystarczająca ilość ochronnego qi, czynniki patogenne nie mają możliwości, aby zaszkodzić ciału; kiedy czynniki patogenne powodują szkody, wewnętrzne qi musi być niedostateczne”. W tym przypadku qi oznacza wewnętrzne mechanizmy organizmu, które bronią przed atakiem.

Jednakże w nefrologii większość dotychczasowych prac dotyczących AKI i CKD koncentrowała się na tym, w jaki sposób ataki uszkadzają organizm, a stosunkowo mniej uwagi poświęcano mechanizmom obronnym w nerkach. W szczególności, chociaż uszkodzenie cewkowo-śródmiąższowe odgrywa ważną rolę w AKI, a postępujące uszkodzenie cewkowo-śródmiąższowe jest wspólną drogą do ESRD, mechanizmy ochronne, dzięki którym cewka nerkowa broni się przed różnymi szkodliwymi bodźcami, są słabo poznane.

Hipotezy

Zainspirowany ostatnimi odkryciami mojego laboratorium, wysunąłem hipotezę, że kanaliki zbiorcze (CD) są kluczem do obrony tubulointerstitium i są regulowane przez kanoniczną sygnalizację witaminy A pośredniczoną przez kwas retinowy (RA) i receptory RA (RARs).

Dowody potwierdzające kluczową rolę obronną CD

Badania nad AKI i CKD tradycyjnie koncentrowały się na kłębuszkach nerkowych, kanalikach proksymalnych i naczyniach, pozostawiając kanaliki dystalne i CD w dużej mierze zaniedbane. W szczególności CD są jedynymi kanalikami, które obejmują większą część nerki i są idealnie umiejscowione, aby chronić cały przedział cewkowo-śródmiąższowy.

Co ważne, oprócz komórek głównych, które regulują homeostazę wodną i komórek śródmiąższowych, które regulują równowagę kwasowo-zasadową, CD są wyposażone w wyspecjalizowane pro-naprawcze i pro-regeneracyjne mezenchymalne komórki macierzyste i cząsteczki obronne, na przykład antybakteryjne β-defensyny i antyfibrotyczne mikroRNA. Ekspresja wielu genów kluczowych dla rozwoju nerek, na przykład Pax2, Wnt4 i Wnt7b, jest również ograniczona do CD w dorosłej nerce. Czy te geny mogą przystosować się do roli ochronnej? Co więcej, CD są wyposażone w sygnalizację fizjologiczną RA/RAR . Rola obronna RA/RAR jest podkreślana przez podatność na odmiedniczkowe zapalenie nerek i kamicę moczową u szczurów karmionych dietą z niedoborem witaminy A. Ponieważ RA jest skuteczny w leczeniu wielu modeli AKI i CKD, endogenne RA/RAR w CD mogły zostać ewolucyjnie wyselekcjonowane do ochrony przed urazami. Aby wskazać rolę RA/RAR w komórkach CD, moje laboratorium skatalogowało mRNA zależne od RA/RAR w komórkach CD na poziomie pan-genomicznym, co potwierdza krytyczną rolę sygnalizacji RA/RAR w utrzymaniu ekspresji genów zaangażowanych w obronę przed infekcjami (Ppbp, Lcn2, Upk3b), zapaleniem (Ppbp, Cpm, Muc20) i zwłóknieniem (Bmp7). W związku z tym sygnalizacja RA/RAR w CD, w tym jej geny docelowe, może służyć jako ważny regulator obrony przed uszkodzeniem cewkowo-śródmiąższowym.

Najnowsze dowody sugerują, że nerkowa sygnalizacja RA/RAR odgrywa ważną rolę w AKI i CKD. W ustępującym AKI, CD są względnie oszczędzane, a aktywność nerkowego RA/RAR jest zwiększona. I odwrotnie, w postępującej CKD wywołanej jednostronną niedrożnością moczowodu, ekspresja nerkowego RAR zmniejsza się, a u myszy z nefropatią cukrzycową występuje specyficzne dla nerek upośledzenie sygnalizacji RA/RAR. Praca w moim laboratorium wykazała, że endogenna aktywność RA/RAR jest zachowana zarówno w mysich, jak i ludzkich komórkach CD, w tym korowych i śródmiąższowych komórkach CD oraz mezenchymalnych komórkach macierzystych pochodzących z CD (Xu, dane niepublikowane). Co więcej, albumina specyficznie i zależnie od dawki hamuje aktywność RA/RAR w komórkach CD, co sugeruje, że albuminuria, główny czynnik ryzyka progresji CKD, może przyczyniać się do progresji CKD poprzez hamowanie aktywności RA/RAR w CD (Xu , dane niepublikowane). Ponadto, angiotensyna II, aldosteron, endotoksyna i wysoka glukoza, które wszystkie przyczyniają się do CKD, w sposób zależny od dawki hamują sygnalizację RA/RAR w komórkach CD, podczas gdy gentamycyna i kwas arystolochowy, o których wiadomo, że wywołują AKI, zwiększają sygnalizację w hodowanych komórkach CD (Xu , dane niepublikowane). Tak więc, sygnalizacja RA/RAR w komórkach CD wydaje się być punktem zbieżnym regulacji przez czynniki ryzyka AKI i CKD i może być nowym celem dla prewencji i leczenia AKI i CKD.

Pytania centralne i kluczowe eksperymenty proponowane do testowania hipotezy

CD są strukturalnie i funkcjonalnie ważne dla nerek. Służą do odprowadzania moczu z nefronów do moczowodów i odgrywają podstawową rolę w utrzymaniu homeostazy płynów i elektrolitów. Tak więc, wszelkie eksperymenty proponowane w celu sprawdzenia hipotez o nowych ochronnych rolach CD muszą najpierw zapewnić, że klasyczne strukturalne i funkcjonalne role CD s± zachowane. Aby określić ochronną rolę CD, ważne jest zidentyfikowanie potencjalnych efektorów ochronnych w CD i zbadanie ich funkcji, a takie eksperymenty muszą być starannie zaprojektowane na poziomie molekularnym, subkomórkowym i komórkowym. Na początek, na poziomie molekularnym, proponuję zbadać rolę Pax2, Wnt4, Wnt7b i sygnalizacji RA/RAR w CD jako efektorów ochronnych w modelach AKI i CKD, podczas gdy inne kandydujące geny i sygnały mają być zidentyfikowane. Chciałabym zaproponować następujące pytania kluczowe: W jaki sposób komórki CD utrzymują sprężystość? W jaki sposób CD chronią inne komórki cewkowo-śródmiąższowe? Jaka jest rola ekspresji genów swoistych dla CD, sygnalizacji RA/RAR oraz pochodzących z CD mikropęcherzyków i mezenchymalnych komórek macierzystych w obronie cewkowo-śródmiąższowej nerki? Jak te mechanizmy współdziałają ze sobą? Jak regulowana jest obrona CD w AKI i CKD? Czy niewydolność obrony CD jest przyczyną cięższego AKI, przewlekłości i progresji CKD? Czy CD wydzielają cząsteczki obronne do moczu i wykazują ekspresję biomarkerów obronnych w biopsji tkanki nerkowej? Czy te biomarkery mogą prognozować rokowanie i ukierunkować leczenie? Wreszcie, czy można opracować nowe terapie zapobiegające AKI, przejściu AKI w CKD i progresji CKD do ESRD poprzez modulację obrony CD?

Aby sprawdzić, czy i jak komórki CD, w tym komórki główne, komórki interkalacyjne i mezenchymalne komórki macierzyste pochodzące z CD, chronią inne komórki nerek, użytecznym modelem in vitro może być współhodowla komórek pochodzących z CD i innych komórek w obecności różnych rodzajów stresu i nefrotoksyn. Warunkowa, specyficzna dla CD delecja, wyciszenie lub nadekspresja Pax2, Wnt4, Wnt7b i innych interesujących genów w modelach zwierzęcych pozwoli na udowodnienie in vivo roli tych genów w CD w AKI i CKD. Aby ustalić, czy sygnalizacja RA/RAR w CD odgrywa ważną rolę w AKI i CKD, zmiany aktywności RA/RAR w nerkach w różnych modelach AKI i CKD mogą być wizualizowane i określane ilościowo u myszy reporterów aktywności RA/RAR; i jak pokazano na rycinie 1, modele AKI i CKD mogą być indukowane u myszy transgenicznych, w których sygnalizacja RA/RAR w CD jest warunkowo tłumiona lub wzmacniana.

Aby zbadać swoistość każdej proponowanej roli ochronnej dla CD, ważne jest, aby porównać role dla określonych genów i sygnałów w CD w porównaniu z innymi kanalikami. Na przykład, represja biogenezy mikroRNA w CD, ale nie w kanalikach proksymalnych, prowadzi do zwłóknienia nerek, wspierając specyficzną rolę CD w dostarczaniu antyfibrotycznych mikroRNA . W przeciwieństwie do tego, usunięcie receptora TGF-β typu II w CD lub kanalikach proksymalnych prowadzi do podobnych fenotypów pro-fibrotycznych, co sugeruje, że antyfibrotyczny efekt receptora TGF-β typu II w CD nie jest unikalny .

Wiele genów (np. Pax2, Wnt4 i Wnt7b) i sygnałów (np. sygnalizacja RA/RAR) w CD, które są potencjalnymi protektorami, jest niezbędnych w rozwoju nerek. Dlatego też, wyciszanie genów lub represja sygnalizacji RA/RAR bezwarunkowo może prowadzić do wad rozwojowych nerek płodu i śmiertelności embrionalnej, uniemożliwiając dalsze badania nad ich rolą w AKI i CKD u dorosłych. Aby sprawdzić moją hipotezę, konieczny będzie wiarygodny warunkowy nokaut genów lub transgen ułatwiający warunkową zmianę ekspresji genów w CD nerek dorosłych. Jednakże, specyficzna dla CD modyfikacja genów pozostaje wyzwaniem. Promotory Hoxb7, Aqp2 i Atp6v1b1 są najczęściej używane do selektywnej regulacji ekspresji genów w CD, ale aktywność promotora Hoxb7 nie jest ściśle ograniczona do CD; Aqp2 ulega ekspresji tylko w komórkach głównych CD i mezenchymalnych komórkach macierzystych pochodzących z CD, podczas gdy Atp6v1b1 ulega ekspresji tylko w komórkach międzykostnych CD i niektórych komórkach hybrydowych. Tak więc, znalezienie promotorów specyficznych dla komórek CD pozostaje wyzwaniem. W oparciu o transkryptomiczną analizę pojedynczych komórek różnych mysich komórek CD w celu ukierunkowania na wszystkie główne komórki CD w okresie dorosłości, najlepszym podejściem może być indukowana delecja lub nadekspresja genów docelowych mediowana przez promotor Hoxb7 lub oba promotory Aqp2 i Atp6v1b1.

Klinicznie i w modelach zwierzęcych, czy mikropęcherzyki moczowe pochodzące z CD w AKI i CKD mogą informować o aktywacji lub niepowodzeniu zdolności obronnych, a tym samym przewidywać rokowanie choroby, jest warte zbadania. CD i inne kanaliki pobrane z biopsji pacjentów lub modeli zwierzęcych AKI i CKD mogą być poddane dogłębnej analizie w celu odkrycia nowych mediatorów obrony CD. Wreszcie, retinoidy i terapie nieretinoidowe mobilizujące mechanizmy ochronne w CD mogłyby być badane w celu zapobiegania i leczenia AKI i CKD.

Wnioski

Proponuje się nową rolę CD w ochronie cewki śródmiąższowej nerki, uzupełniającą ich rolę w kontrolowaniu składu płynów i elektrolitów w moczu. Dalsze badania nad tą hipotezą mogą doprowadzić do zmiany paradygmatu w rozumieniu zdrowia nerek i mogą zaowocować nowymi strategiami diagnozowania, zapobiegania i leczenia AKI i CKD. Chociaż niniejszy artykuł koncentruje się na nerkach, CD są również ważne w ochronie serca. Biorąc pod uwagę, że nieimmunologiczne mechanizmy obronne są generalnie pomijane we współczesnej medycynie, mamy nadzieję, że ten Artykuł Specjalny zainspiruje nie tylko nefrologów, ale także innych lekarzy i naukowców medycznych do postrzegania zdrowia i choroby w świetle równowagi i braku równowagi pomiędzy atakiem i obroną.

Podziękowania

Autor chciałby podziękować 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 i Prof. Robert Unwin (University College London, UK), Prof. Frederick Tam (Imperial College London, UK), Prof. Donald Fraser (Cardiff University, UK), jak również kolegom z King’s College London (Dr. Alexandros Papadimitriou, Prof. Bruce M Hendry, Prof. Claire Sharpe i Prof. Sir Robert Lechler) za przydatne dyskusje. Ten specjalny artykuł jest dedykowany zmarłemu profesorowi Peterowi Johnowi Hylandsowi, byłemu dyrektorowi Instytutu Nauk Farmaceutycznych i byłemu współdyrektorowi King’s Centre for Integrative Chinese Medicine, King’s College London, za jego niezastąpioną opiekę, nieocenioną współpracę i inspirującą zachętę i wsparcie.

Oświadczenie o ujawnieniu

Autor nie ma konfliktu interesów do zgłoszenia.

Źródła finansowania

Ta praca została wsparta przez Kidney Research UK i Unię Europejską.

Wkład autora

Dr Qihe Xu opracował koncepcję i napisał tę pracę.

Author Contacts

Article / Publication Details