The Renal Collecting Duct Rises to the Defence

Abstract

När en skada uppstår innebär det att angreppet har övervunnit försvaret. Tubulointerstitiell skada spelar viktiga roller vid akut njurskada (AKI) och kronisk njursjukdom (CKD) och är den vanligaste vägen som leder till njursjukdom i slutstadiet, men hur det renala tubulointerstitiumet försvarar sig mot angrepp är dåligt känt. Nya bevis tyder på att de samlande kanalerna, som modifierar urinen från nefronerna och rinner ut i urinledaren, kan vara viktiga försvarare som skyddar tubulointerstitium från skador. Dessutom kan den kanoniska renala vitamin A-signalering som fysiologiskt sett är begränsad till de samlande kanalerna vara en viktig reglerare av detta skyddsmaskineri. Denna hypotes kan testas genom in vitro-, in vivo- och kliniska studier, särskilt genom att undertrycka eller förstärka viktiga molekylära regulatorer i CDs, för att observera de resulterande fenotyperna i modeller av AKI och CKD. Ytterligare undersökningar av denna hypotes kan leda till nya strategier för diagnos, förebyggande och behandling av AKI och CKD.

© 2019 S. Karger AG, Basel

Bakgrund

Njurar och njurmedicin betraktas ofta som ”offer för sin egen framgång”. Njurarna har anmärkningsvärda funktionsreserver, och njurmedicinen är bland de mest framgångsrika när det gäller ersättningsterapier när njurarna sviktar . Patienter med njursjukdom i slutstadiet som får dialys eller njurtransplantation kan behålla livet, men dessa behandlingar är kostsamma, det råder brist på donatororgan och dödligheten är hög – unga patienter (20-49 år) som får dessa behandlingar löper 16-25 gånger större risk att dö inom ett år än den åldersjämförda befolkningen i allmänhet . Antalet fall av akut njurskada (AKI) och kronisk njursjukdom (CKD) ökar i hela världen, och det interkalerade AKI-CKD-syndromet fortsätter att orsaka fler fall av akut njurskada och dödlighet . Nefrologin har främjat initiativet ”0by25” för AKI (noll förebyggbara dödsfall senast 2025), men det finns få effektiva strategier för att förebygga AKI, CKD och utvecklingen till ESRD.

Varför är AKI och CKD så svårlösta problem? För att besvara denna fråga är råd från tidigare ordföranden för American Society of Nephrology värda att notera: vi måste ”betona innovation” och ”bygga nya vägar till njurhälsa”.

”Den moderna medicinen kan lära sig av traditionella metoder”, konstaterade GP-TCM, EU:s första samordningsåtgärd om modernisering av traditionell kinesisk medicin (TCM) inom ramen för det sjunde ramprogrammet . Som nefrolog och huvudforskare i konsortiet anser jag att innovation inom modern nefrologi skulle kunna katalyseras av visdomen från Yellow Emperor’s Inner Canon, en TCM-klassiker som är inskriven i Memory of the World-registret, FN:s organisation för utbildning, vetenskap och kultur, där det står: ”När det finns tillräckligt med skyddande qi inom kroppen har patogena faktorer ingen möjlighet att skada kroppen, och när patogena faktorer orsakar skada måste det inre qiet vara bristfälligt”. Här avses med qi kroppens inre mekanismer som försvarar sig mot angrepp.

Hur som helst, inom nefrologin har det mesta av det tidigare arbetet med AKI och CKD fokuserat på hur angrepp skadar, med relativt mindre hänsyn till försvarsmekanismerna i njuren. I synnerhet, även om tubulointerstitiell skada spelar viktiga roller vid AKI och progressiv tubulointerstitiell skada är den gemensamma vägen till ESRD , är de skyddsmekanismer genom vilka njurens tubulointerstitium försvarar sig mot en mängd olika skadliga stimuli dåligt kända.

Hypotes

Inspirerad av nyligen gjorda upptäckter i mitt laboratorium antar jag att samlingsgångarna (CD) är nyckeln till försvaret av tubulointerstitium och att de regleras av den kanoniska A-vitaminsignalering som förmedlas av retinosyra (RA) och RA-receptorer (RAR).

Evidence Supporting a Key Defence Role for CDs

Studier om AKI och CKD har traditionellt fokuserat på glomeruli, proximala tubuli och kärlsystemet, och distala tubuli och CDs har i stort sett försummats. Särskilt CD är de enda tubuli som sträcker sig över en stor del av njuren och är idealiskt placerade för att skydda hela det tubulointerstitiella kompartmentet.

Viktigt nog är CD förutom de viktigaste cellerna som reglerar vattenhomeostasen och de interkalerade cellerna som reglerar syra-basbalansen, utrustade med specialiserade reparationsfrämjande och regenerationsfrämjande mesenkymala stamceller och försvarsmolekyler, t.ex. antimikrobiella β-defensiner och antifibrotiska mikroRNA:er . Uttrycket av många gener som är avgörande för njurens utveckling, t.ex. Pax2, Wnt4 och Wnt7b, är också begränsat till CD:s i den vuxna njuren . Kan dessa gener anpassa sig till skyddande roller? Dessutom är CD:s utrustade med fysiologisk RA/RAR-signalering. RA/RAR:s försvarsroll framhävs av känsligheten för pyelonefrit och urolithiasis hos råttor som får en A-vitaminfattig diet . Eftersom RA är effektivt vid behandling av många modeller av AKI och CKD kan endogena RA/RARs i CD ha valts ut evolutionärt för att skydda mot skador. För att fastställa roller för RA/RAR i CD-celler har mitt laboratorium katalogiserat RA/RAR-beroende mRNA:er i CD-celler på en pangenomisk nivå, vilket stöder en kritisk roll för RA/RAR-signalering i upprätthållandet av genuttryck som är involverade i försvar mot infektioner (Ppbp, Lcn2, Upk3b), inflammation (Ppbp, Cpm, Muc20) och fibros (Bmp7) . RA/RAR-signalering i CDs, inklusive dess målgener, kan således fungera som en viktig regulator för försvaret mot tubulointerstitiell skada.

Ett växande antal bevis tyder på att renal RA/RAR-signalering spelar viktiga roller vid AKI och CKD. När AKI avhjälps är CD relativt skonad och den renala RA/RAR-aktiviteten ökar. Vid progressiv CKD som induceras av ensidig ureterobstruktion minskar däremot det renala RAR-uttrycket , och hos möss med diabetisk nefropati finns en njurspecifik försämring av RA/RAR-signalering . Arbete i mitt laboratorium har visat att endogen RA/RAR-aktivitet bevaras i både mus- och mänskliga CD-celler, inklusive kortikala och medullära CD-celler och CD-deriverade mesenkymala stamceller (Xu , opublicerade uppgifter). Dessutom undertrycker albumin specifikt och dosberoende RA/RAR-aktivitet i CD-celler, vilket tyder på att albuminuri, den främsta riskfaktorn för CKD-progression, kan bidra till CKD-progression genom att undertrycka RA/RAR-aktiviteten i CD-celler (Xu , opublicerade data). Angiotensin II, aldosteron, endotoxin och högt glukos, som alla bidrar till CKD, undertrycker dessutom dosberoende RA/RAR-signalering i CD-celler, medan gentamicin och aristoloksyra, som är kända för att inducera AKI, ökar signalering i odlade CD-celler (Xu , opublicerade uppgifter). RA/RAR-signalering i CD-celler verkar således vara en konvergenspunkt för reglering av riskfaktorer för AKI och CKD och kan vara en ny måltavla för förebyggande och behandling av AKI och CKD.

Centrala frågor och nyckelexperiment som föreslås för att testa hypotesen

CD:er är strukturellt och funktionellt viktiga för njuren. De tjänar till att dränera urin från nefronerna till urinledarna och spelar grundläggande roller när det gäller att upprätthålla vätske- och elektrolythomeostasen. Alla experiment som föreslås för att testa de hypoteser om nya skyddsroller för CDs måste därför först se till att de klassiska strukturella och funktionella rollerna för CDs bevaras. För att fastställa CD:s skyddsroller är det viktigt att identifiera potentiella skyddseffektorer i CD:s och testa deras funktioner, och sådana experiment måste utformas noggrant på molekylär, subcellulär och cellulär nivå. Till att börja med föreslår jag att man på molekylär nivå testar rollerna för Pax2, Wnt4, Wnt7b och RA/RAR-signalering i CD som skyddande effektorer i AKI- och CKD-modeller, medan andra kandidatgener och signaler ska identifieras. Jag skulle vilja föreslå följande nyckelfrågor: Hur upprätthåller CD-cellerna sin motståndskraft? Hur skyddar CD-celler andra tubulointerstitiella celler? Vilka roller spelar CD-specifikt genuttryck, RA/RAR-signalering och CD-deriverade mikrovesiklar och mesenkymala stamceller i det renala tubulointerstitiella försvaret? Hur samverkar dessa mekanismer? Hur regleras CD-försvaret vid AKI och CKD? Är ett misslyckat CD-försvar en orsak till allvarligare AKI, kronisk sjukdom och CKD-progression? Utsöndrar CD:s försvarsmolekyler i urinen och uttrycker de försvarsbiomarkörer i biopsierad njurvävnad? Kan dessa biomarkörer förutsäga prognos och styra behandlingen? Slutligen, kan nya terapier utformas för att förebygga AKI, övergång från AKI till CKD och CKD-progression till ESRD genom att modulera CD-försvaret?

För att testa om och hur CD-celler, inklusive huvudceller, interkalerade celler och CD-avledda mesenkymala stamceller, skyddar andra njurceller, kan samodling av dessa CD-avledda celler och andra celler i närvaro av olika typer av stress och nefrotoxiner vara en användbar in vitro-modell. Konditionell, CD-specifik deletion, tystnad eller överexpression av Pax2, Wnt4, Wnt7b och andra gener av intresse i djurmodeller kommer att ge in vivo bevis på konceptet för dessa geners roll i CD vid AKI och CKD. För att fastställa om RA/RAR-signalering i CD spelar en viktig roll vid AKI och CKD kan spatiotemporala förändringar av renal RA/RAR-aktivitet i olika AKI- och CKD-modeller visualiseras och kvantifieras i RA/RAR-aktivitetsrapportörmöss, och som illustreras i figur 1 kan AKI- och CKD-modeller framkallas i transgena möss där RA/RAR-signalering i CD är villkorligt undertryckt eller förstärkt.

För att undersöka specificiteten hos en eventuell föreslagen skyddande roll för CD:s är det viktigt att jämföra roller för specifika gener och signaler i CD:s kontra andra tubuli. Till exempel leder undertryckande av mikroRNA-biogenesen i CD men inte i proximala tubuli till njurfibros, vilket stöder en specifik roll för CD när det gäller att tillhandahålla anti-fibrotiska mikroRNA . Däremot leder borttagning av TGF-β typ II-receptorn i antingen CD eller proximala tubuli till liknande pro-fibrotiska fenotyper, vilket tyder på att den anti-fibrotiska effekten av TGF-β typ II-receptorn i CD inte är unik .

Många gener (t.ex. Pax2, Wnt4 och Wnt7b) och signaler (t.ex. RA/RAR-signalering) i CD som är potentiella beskyddare är oumbärliga i njurarnas utveckling. Om gener tystas eller RA/RAR-signalering undertrycks på ett ovillkorligt sätt kan detta leda till missbildningar av fosternjuren och embryonal dödlighet, vilket förhindrar ytterligare studier av deras roll i AKI och CKD hos vuxna. För att testa min hypotes behövs tillförlitlig villkorlig knockout av gener eller transgener som underlättar villkorliga genuttrycksförändringar specifikt i CDC-njurar hos vuxna. CD-specifik genmodifiering är dock fortfarande en utmaning. Promotorer av Hoxb7, Aqp2 och Atp6v1b1 används oftast för att selektivt reglera genuttrycket i CD, men Hoxb7:s promotoraktivitet är inte strikt begränsad till CD; Aqp2 uttrycks endast i CD-huvudceller och CD-avledda mesenkymala stamceller , medan Atp6v1b1 endast uttrycks i CD-intercalerade celler och vissa hybridceller . Det är alltså fortfarande en utmaning att hitta pan-CD-cellspecifika promotorer. Baserat på transkriptomisk analys av en enda cell av olika CD-celler i musen för att rikta in sig på alla större CD-celler under vuxen ålder, kan de bästa tillvägagångssätten fortfarande vara inducerbar deletion eller överuttryck av målgener som medieras av Hoxb7-promotorn eller både Aqp2- och Atp6v1b1-promotorn.

Kliniskt och i djurmodeller är det värt att undersöka om CD-avledda urin-mikrovesiklar i AKI och CKD skulle kunna rapportera aktivering eller misslyckande av försvarskapaciteten och därmed förutsäga sjukdomsprognosen. CD och andra tubuli som mikrodissekerats från biopsier från patienter eller djurmodeller av AKI och CKD skulle kunna genomgå en djupgående analys för att vägleda upptäckten av nya mediatorer för CD-försvaret. Slutligen skulle man kunna utforska retinoider och andra terapier som mobiliserar skyddsmekanismer i CD för att förebygga och behandla AKI och CKD.

Slutsatser

En ny roll för CD för att skydda njurens tubulointerstitium föreslås, vilket kompletterar deras roll i kontrollen av urinvätskans och elektrolyternas sammansättning. Ytterligare undersökningar av denna hypotes kan leda till ett paradigmskifte i förståelsen av njurhälsa och kan leda till nya strategier för diagnos, förebyggande och behandling av AKI och CKD. Även om denna artikel fokuserar på njurarna är CD:er också viktiga för att skydda hjärtat . Med tanke på att icke-immuna försvarsmekanismer i allmänhet förbises inom den moderna medicinen, är förhoppningen att denna specialartikel ska inspirera inte bara nefrologer utan även andra läkare och medicinska forskare att uppfatta hälsa och sjukdom i ljuset av balansen och obalansen mellan angrepp och försvar.

Ackord

Författaren vill tacka prof. Leon G Fine (Cedars-Sinai Medical Center, Los Angeles, CA, USA), dr Jeffrey Kopp (NIH, Bethesda, MD, USA), professor Jill T Norman, professor Patricia Wilson och professor Robert Unwin (University College London, Storbritannien), professor Frederick Tam (Imperial College London, Storbritannien), professor Donald Fraser (Cardiff University, Storbritannien) samt kollegor vid King’s College London (dr. Alexandros Papadimitriou, professor Bruce M Hendry, professor Claire Sharpe och professor Sir Robert Lechler) för värdefulla diskussioner. Denna särskilda artikel är tillägnad den avlidne professor Peter John Hylands, tidigare chef för Institute of Pharmaceutical Science och tidigare meddirektör för King’s Centre for Integrative Chinese Medicine, King’s College London, för hans oersättliga mentorskap, ovärderliga samarbete och inspirerande uppmuntran och stöd.

Oppenbarhetsförklaring

Författaren har inga intressekonflikter att deklarera.

Finansieringskällor

Detta arbete har stötts av Kidney Research UK och Europeiska unionen.

Författarbidrag

Dr. Qihe Xu konceptualiserade och skrev denna artikel.

Upphovsrätt / Läkemedelsdosering / Ansvarsfriskrivning

Upphovsrätt: Alla rättigheter förbehållna. Ingen del av denna publikation får översättas till andra språk, reproduceras eller utnyttjas i någon form eller på något sätt, elektroniskt eller mekaniskt, inklusive fotokopiering, inspelning, mikrokopiering eller med hjälp av något informationslagrings- och informationssökningssystem, utan skriftligt tillstånd från förlaget.
Läkemedelsdosering: Författarna och förlaget har gjort sitt yttersta för att säkerställa att det val av läkemedel och den dosering som anges i denna text överensstämmer med aktuella rekommendationer och praxis vid tidpunkten för publiceringen. Med tanke på pågående forskning, förändringar i statliga bestämmelser och det ständiga flödet av information om läkemedelsbehandling och läkemedelsreaktioner uppmanas läsaren dock att kontrollera bipacksedeln för varje läkemedel för att se om indikationer och dosering har ändrats och om varningar och försiktighetsåtgärder har lagts till. Detta är särskilt viktigt när det rekommenderade medlet är ett nytt och/eller sällan använt läkemedel.
Disclaimer: Uttalandena, åsikterna och uppgifterna i denna publikation är enbart de enskilda författarnas och bidragsgivarnas och inte utgivarnas och redaktörernas. Förekomsten av annonser eller/och produktreferenser i publikationen är inte en garanti, ett stöd eller ett godkännande av de produkter eller tjänster som annonseras eller av deras effektivitet, kvalitet eller säkerhet. Utgivaren och redaktören/redaktörerna tar avstånd från ansvar för eventuella skador på personer eller egendom till följd av idéer, metoder, instruktioner eller produkter som det hänvisas till i innehållet eller annonser.