Računarski model funkcije bubrega u bolesnika s dijabetesom

Rui Hu ¹i Anita Layton^1,2,*

sažetak:Na početku dijabetesa,bubregraste i brzina glomerularne filtracije postaje abnormalno visoka. Ove strukturne i hemodinamičke promjene utiču na funkciju bubrega i mogu doprinijeti razvoju kronične bolesti bubrega. Cilj ove studije je analizirati kakobubregfunkcija je promijenjena kod pacijenata sa dijabetesom i renalni efekti antihiperglikemijske terapije koja inhibira kotransporter natrij-glukoze 2 (SGLT2) u proksimalnim zavijenim tubulima.

Da bismo postigli taj cilj, razvili smo računski modelbubregfunkcije kod pacijenata sa dijabetesom i proveli simulacije za proučavanje efekata dijabetesa i inhibicije SGLT2 na transport otopljenih tvari i vode duž nefrona. Rezultati simulacije pokazuju da hiperfiltracija izazvana dijabetesom i tubularna hipertrofija pojačavaju transport Na plus, posebno duž proksimalnih tubula i debelih uzlaznih udova. Ove simulacije sugeriraju da inhibicija SGLT2 može oslabiti glomerularnu hiperfiltraciju ograničavanjem transporta Na plus-glukoze, podizanjem luminalnog [Cl一 ] na macula densa, vraćanjem tubuloglomerularnog povratnog signala, čime se smanjuje brzina glomerularne filtracije jednog nefrona.

Ključne riječi:SGLT2 inhibitori; epitelni transport; transport natrija; transport glukoze; natriureza; diureza

Kontakt:ali.ma@wecistanche.com

Click to Cistanche vitamin za bolest bubrega

1. Uvod

Prevalencija dijabetesa raste širom svijeta, trenutno se procjenjuje na 9,3 posto (463 miliona ljudi) i očekuje se da će dostići 10,2 posto (578 miliona) do 2030. i 10,9 posto (700 miliona) do 2045. [1]. U razvijenim zemljama dijabetes tipa 2 je među najčešćim uzrocima kronične bolestibubregbolesti [2] i veliki doprinosi kardiovaskularnim bolestima [3]. Iako su putevi koji povezuju dijabetes s kroničnom bolešću bubrega i dalje nepotpuno shvaćeni, poznato je da dijabetes izaziva patofiziološke promjene u bubrezima. Na samom početku dijabetesa,bubreg raste i brzina glomerularne filtracije (GFR) postaje supranormalna [4]. Ove strukturne i hemodinamske promjene utječu na funkciju bubrega i mogu na kraju dovesti do kronične bolesti bubrega.

U cijelom životinjskom carstvububrezipoznati su prvenstveno po svojoj funkciji filtera, uklanjajući metabolički otpad i toksine iz krvi za izlučivanje mokraćom. Ali kod sisara, bubrezi su specijalizovani da služe raznim drugim bitnim regulatornim funkcijama, uključujući vodu, elektrolite i acidobaznu ravnotežu [5]. Kod ljudi, parbubrezinalaze se u trbušnoj duplji, sa po jedan sa svake strane kičme. Bubreg sisara može se podijeliti na vanjsku regiju (korteks) i unutrašnju regiju (medula). Svaki ljudski bubreg sadrži oko milion glomerula, koji su nakupine kapilara od kojih svaki prima krv iz pojedinačnih aferentnih arteriola koje se granaju od intra-bubrežnih arterija. Potaknut vaskularnim hidrostatskim pritiskom, dio vode i otopljenih tvari u toj krvi se filtrira kroz glomerul i postaje tubularna tekućina nefrona. Nefroni prilagođavaju sadržaj glomerularnog filtrata, putem apsorpcijskih i sekretivnih procesa, posredovanih membranskim transporterima i kanalima na epitelnim stanicama bubrežnih tubularnih ćelija. dakle,

ono što počinje u glomerulu kao ultrafiltrat plazme pretvara se u urin na kraju nefrona [5]. Regulacija epitelnih transportnih procesa koji usklađuju izlučivanje urina s unosom tekućine i otopljenih tvari, kao i sa proizvodnjom otpadnih proizvoda, predmet je velikog eksperimentalnog i teorijskog napora [6–9]. Razvijeni su kompjuterski modeli kako bi se otkrili procesi bubrežnog transporta otopljene tvari i vode kod ljudi [10] i pacova, pod dijetalnim [11–13] i terapeutskim [14–16] manipulacijama, te u patofiziološkim stanjima [17–19].

Kao što je ranije navedeno, dijabetes je glavni faktor rizika zabubregbolest. To je jedan od mnogih razloga zbog kojih pacijenti sa dijabetesom postižu kontrolu glikemije. Nova klasa antihiperglikemijskih lijekova su inhibitori natrijum-glukoznog kotransportera 2 (SGLT2), koji pojačavaju izlučivanje glukoze u urinu i ublažavaju postprandijalno povećanje glukoze u krvi ciljajući njenu reapsorpciju duž ranog proksimalnog tubula [20]. Kao kotransporter, SGLT2 posreduje u transportu glukoze u procesu koji je povezan sa transportom Na plus; tako, inhibicija SGLT2 takođe smanjuje proksimalni tubularni Na plus i reapsorpciju tečnosti i indukuje natriurezu i diurezu. Zaista, osim svog antihiperglikemijskog učinka, zabilježeno je da inhibitori SGLT2 smanjuju krvni tlak i štite dijabetičare od zatajenja srca [21,22]. Bubrežni, metabolički i kardiovaskularni uticaji inhibicije SGLT2 su pregledani u Ref. [23,24].

Prethodno smo radili simulacije modela radi istraživanjabubregfunkcija kod dijabetesa i bubrežni efekti inhibicije SGLT2 [15–17]. Međutim, računski model korišten u tim studijama bio je zasnovan na bubrezima pacova. Kao takva, iako su neka predviđanja modela u skladu sa zapažanjima kod pacijenata sa dijabetesom, translaciona vrednost tih nalaza može i dalje biti ograničena. Stoga je cilj ove studije analizirati funkciju bubrega kod (ljudskih) pacijenata sa dijabetesom i efekte inhibicije SGLT2, koristeći kompjuterski model ljudskog bubrega koji smo nedavno objavili [10,25].

2. Rezultati

2.1. Funkcija bubrega kod nedijabetičkih i dijabetičkih stanja

Uspoređujemo transport otopljene tvari i vode duž nefrona kod nedijabetičara i dijabetičarabubreg. Ključni rezultati su sažeti na slikama 1 i 2. U ovim simulacijama oponašamo bubrežne efekte dijabetesa kao što je opisano u materijalima i metodama. Konkretno, dijabetes izaziva glomerularnu hiperfiltraciju i tubulnu hipertrofiju. Povišena GFR se odražava na filtrirane količine otopljenih tvari, dok se tubularna hipertrofija odražava na pojačani transport; vidi ispod.

U uslovima bez dijabetesa, u suštini sva filtrirana glukoza se reapsorbuje duž proksimalnih tubula, pri čemu proksimalni izvijeni tubul i S3 segment reapsorbuju 97 procenata i 2,6 procenata filtrirane glukoze, respektivno. Vidi sliku 1C. U umjerenim simulacijama dijabetesa, pretpostavlja se da će se koncentracija glukoze u plazmi povećati sa 5 na 8,6 mm, što zajedno sa povišenim GFR daje filtrirano opterećenje od 1,52 mol．day一1 glukoze. Uprkos tome što je filtrirana glukoza približno udvostručena, transport glukoze u proksimalnim tubulima tek treba da bude preopterećen, pri čemu proksimalni izvijeni tubul i S3 segment reapsorbuju 99,6 posto i 0.4 posto filtrirane glukoze, respektivno, ne ostavljajući esencijalnu glukozu u urina, u skladu s uočenim odsustvom glukozurije kod pacijenata sa umjerenim dijabetesom [26]. U simulacijama teškog dijabetesa, glukoza u plazmi je dodatno povišena na 20 mM, što rezultira opterećenjem filtriranim glukozom od 3,75 mol．day一1 glukoze, što premašuje sposobnost transporta glukoze proksimalnog tubula. Predviđa se da će frakciona reapsorpcija glukoze u proksimalnim zavijenim tubulima i S3 segmentu iznositi 73,7 posto, odnosno 9,1 posto. Nizvodni segmenti nemaju značajne transportne kapacitete glukoze. Kao takav, dijabetički model predviđa apsolutnu i frakcionu ekskreciju glukoze kao 0,6 mol．day一1 i 16 procenata, respektivno.

U odnosu na nedijabetičarebubreg, umjereni dijabetički model pretpostavlja povećanje GFR od 10 posto i na taj način filtrirani Na plus, što daje odgovarajuće povećanje od 10 posto u ukupnom iznosu.

Na plus transport. Povećanje reapsorpcije Na plus najveće je u tubularnim segmentima gdje dijabetes inducira značajno povećanje ekspresije Na plus transportera. Konkretno, transport Na plus se povećava za 11,8 posto duž proksimalnih uvijenih tubula, gdje promjene momenta izazvane hiperfiltracijom povećavaju gustinu svih transcelularnih transportera. Dijabetes također povećava gustinu NKCC2 u medularnim debelim uzlaznim udovima [17], što rezultira 35 posto povećanjem reapsorpcije Na plus. Poboljšani transport Na plus u suštini kompenzira povećano opterećenje filtriranog Na plus kod dijabetesa kako bi se dobilo izlučivanje Na plus slično kao kod nedijabetičara.bubreg(Slika 2, paneli A1–A3). Povišenu reapsorpciju Na plus prati povećanje reapsorpcije Cl- i vode (slika 2, paneli C3 i D3). U poređenju sa slučajem bez dijabetesa, predviđa se da će izlučivanje Cl u urinu biti 25 posto veće kod dijabetesa, dok je izlučivanje urina 35 posto veće (Slika 2, paneli C2 i D2). Slično Na plus, veće filtrirano opterećenje K plus povećava njegovu tubularnu reapsorpciju duž proksimalnih tubula i debelih uzlaznih udova (Slika 2(B3)). Ovi konkurentni faktori rezultiraju kaliurezom, pri čemu se predviđa da će izlučivanje K plus biti 48 posto veće kod dijabetesa (Slika 2 (B2)).

U modelu teškog dijabetesa, GFR i filtrirani Na plus se povećavaju za 24 posto, što rezultira pojačanim transportom Na plus, posebno za 22,5 posto duž proksimalnih tubula i 47,4 posto zajedno sa debelim uzlaznim udovima. Kao iu slučaju umjerenog dijabetesa, pojačani transport Na plus u suštini kompenzira povećano opterećenje filtriranog Na plus kod dijabetesa kako bi se dobilo izlučivanje Na plus slično kao kod nedijabetičara.bubreg(Slika 2, paneli A1–A3). Predviđanja modela Cl-transporta su analogna onima za slučaj umjerenog dijabetesa (Slika 2(C2)). U poređenju sa nedijabetičarima, predviđa se da će izlučivanje Cl u urinu biti 48,8 posto veće kod dijabetesa. Model predviđa težu diurezu, sa predviđanjem da će izlučivanje urina biti 115 posto veće od nedijabetičkog slučaja (Slika 2 (D2)), a teža kaliureza, s izlučivanjem K plus, za 63,4 posto veća (Slika 2 ( B2)).

2.2. SGLT2 inhibicija u nedijabetičkom bubregu

U okruženju bez dijabetesa, utvrđeno je da blokada SGLT2 indukuje neznatno smanjenje GFR: za 3 procenta kod nedijabetičara koji su primali kanagliflozin ili dapagliflozin tokom 4 dana [17]. Dakle, pretpostavljamo da je u simulaciji akutne inhibicije 3 posto smanjenje SNGFR svih nefrona. Također, u okruženju bez dijabetesa, prijavljeno je da blokada SGLT2 dovodi do izlučivanja glukoze u urinu koja iznosi ~45 posto njene filtrirane količine [27]. U ovoj studiji pretpostavljamo 90 posto inhibicije SGLT2 u svim nefronima, što rezultira izlučivanjem 40 posto filtrirane glukoze [27]. Model predviđa da se mali dio (14,5 posto) filtriranog opterećenja glukozom reapsorbira zajedno sa segmentima proksimalnih uvijenih tubula, posredovano preostalim SGLT2 i također preko paracelularnog puta, a 39,7 posto u segmentu S3, od čega većina preko SGLT1. Vidi sliku 3.

Na slikama 3 i 4, rezultati nedijabetičara i dijabetičara bez blokade SGLT2 (označeni sa "ND" i "D") isti su kao oni na slikama 1 i 2, ali su predstavljeni drugačije. Umjesto stvarnih vrijednosti, mi normaliziramo brzine filtriranja i segmentnog transporta njihovim odgovarajućim ND vrijednostima. Za stope izlučivanja, normaliziramo za vrijednosti D, jer je u nedijabetičkim uvjetima izlučivanje glukoze u suštini nula. Računajući ove omjere, možemo bolje razumjeti koliko se svaka količina mijenja u dijabetesu nakon inhibicije SGLT2. Međutim, unakrsno poređenje (npr. između filtriranja i izlučivanja) je besmisleno zbog njihovih različitih referentnih vrijednosti.

Razmotrite ponovo rezultate nedijabetičke inhibicije SGLT2. Kao što smo prethodno opisali [16,17], SGLT2 inhibicija izaziva osmotsku diurezu u proksimalnom tubulu, čime se smanjuje pasivni transport paracelularnim putem u tom segmentu. Visok luminalni protok nasuprot tome stimulira aktivni transport (putem povećanja ekspresije transcelularnog transportera izazvanog momentom [18]), ali je smanjenje pasivnog transporta veće, tako da neto

Reapsorpcija Na plus se smanjuje u proksimalnom tubulu, za 10,3 posto. Rezultati simulacije sugeriraju da se smanjenje transporta Na plus u proksimalnim tubulima djelimično kompenzira nizvodno, posebno izvan medularnih debelih uzlaznih udova (Slika 4(A3)). Povišena reapsorpcija Na plus duž spojnih tubula je praćena pojačanim izlučivanjem K plus (Slika 4(B3)). Posljedično, inhibicija SGLT2 kod dijabetičarabubregindukuje diurezu, natriurezu i kaliurezu, pri čemu se izlučivanje urina povećava za 207 posto, izlučivanje Na plus za 308 posto i izlučivanje K plus za 184 posto (Slika 4, paneli A2-D2).

2.3. SGLT2 inhibicija u dijabetičkom bubregu

SGLT2 inhibicija ublažava hiperfiltraciju smanjenu kod dijabetesa [28]. Dakle, kada simuliramo efekte blokade SGLT2, snižavamo GFR na njegov nedijabetički nivo od 151,2 L．dan一1. Smatramo akutnu primjenu, tako da se koncentracija glukoze u plazmi održava na 8,6 odnosno 20 mM u umjerenim i teškim slučajevima dijabetesa. Prvo, razmotrite transport glukoze u slučaju umjerenog dijabetesa. Uz gornju pretpostavku GFR, inhibicija SGLT2 smanjuje filtrirano opterećenje glukoze sa 1,52 na 1,3 mol．dan一1. Predviđa se da će izlučivanje glukoze iznositi 0.69 mol．dan一1, odnosno 53,1 posto filtrirane glukoze. Predviđeno izlučivanje glukoze je unutar opsega prijavljenih vrijednosti [29]. Proksimalni zavijeni tubul i S3 segmenti reapsorbuju 0.23 i 0.38 mol glukoze．dan一1, respektivno. Za poređenje, u odsustvu inhibicije SGLT2, proksimalni zavijeni tubul i S3 reapsorbuju 1,51 i 0,01 mol glukoze．dan一1. Vidi sliku 3.

U slučaju teškog dijabetesa, predviđa se da će izlučivanje glukoze iznositi 2.02 mol．day一1 (Slika 3B), što odgovara 66,8 posto filtrirane glukoze, unutar raspona prijavljenih vrijednosti [29]. Proksimalni zavijeni tubul i S3 segmenti reapsorbuju {{10}}.5 i 0,5 mol glukoze．dan一1, respektivno, u poređenju sa odgovarajućom stopom od 2,8 i 0,34 mol glukoze．dan一1 bez inhibicije SGLT2 ( Slika 3C) Važno je napomenuti da dok postoji sekrecija glukoze preko čvrstog spoja u odsustvu tretmana, paracelularni put posreduje u reapsorpciji glukoze kada je SGLT2 inhibiran (zbog veće koncentracije glukoze u luminu). Sveukupno ovi rezultati sugeriraju da, sa 90 posto inhibicije SGLT2, SGLT1 jedva nadoknađuje blokadu SGLT2 kod dijabetesa, jer hiperglikemija i povećano tubularno opterećenje glukozom već troše puni transportni kapacitet SGLT1 u odsustvu inhibicije SGLT2.

Predviđa se da će inhibicija SGLT2 značajno smanjiti transport Na plus, prvenstveno zato što normalizuje GFR i filtrirani Na plus opterećenje. Naše simulacije sugeriraju da, kao u slučaju bez dijabetesa, blokiranje SGLT2 uzrokuje osmotsku diurezu u proksimalnom tubulu, čime se smanjuje paracelularni transport. Zapravo, model predviđa da je smjer paracelularnog transporta Na plus obrnut u S3: zahvaljujući osmotskoj diurezi, gradijent koncentracije Na plus od lumina do intersticija favorizira sekreciju Na plus u lumen preko čvrstih spojeva. Posljedično, u slučaju umjerenog dijabetesa, izlučivanje Na plus se povećava za 2,2 puta, a izlučivanje urina za 1,7 puta; u slučaju teškog dijabetesa, izlučivanje Na plus i izlučivanje urina se povećavaju za 4,9 odnosno 1,9 puta (Slika 4, paneli A2 i C2). Veći protok Na plus duž distalnih tubularnih segmenata povećava sekreciju K plus, povećavajući izlučivanje K plus za 1,02 odnosno 1,9 puta u slučajevima umjerenog i teškog dijabetesa (Slika 4, paneli B2). Predviđena povećanja, posebno u izlučivanju urina, veća su od prijavljenih vrijednosti [30]. Prekomjerno izlučivanje urina može dovesti do smanjenja volumena, što zauzvrat aktivira mehanizme za smanjenje proizvodnje urina. Ovi mehanizmi nisu predstavljeni u modelu, što može objasniti predviđanja visokog lučenja i izlučivanja urina.

3. Diskusija

Glavni cilj ove studije je proširiti računarski model čovjekabubregi primijeniti taj model za proučavanje efekata dijabetesa i inhibicije SGLT2 na transport otopljenih tvari i vode duž nefrona. Dijabetes izaziva glomerularnu hiperfiltraciju i tubulnu hipertrofiju [31]. Kao posljedica toga, dijabetes povećava reapsorpciju Na plus i glukoze preko natrijum-glukoznog kotransportera SGLT2 u ranom proksimalnom tubulu bubrežnog korteksa i u manjoj mjeri preko SGLT1 u S3 segmentu bubrežne medule.

Povišena opterećenja transporta otopljenih tvari i vode dovode do povećanja transporta Na plus (TNa). Prethodna studija modeliranja pacovabubreg[17] predvidio je povećanje ukupnog TNa od 50 posto, uz neproporcionalno povećanje aktivnog TNa (64 posto). Aktivni TNa je posredovan Na plus /K plus -ATPazom i zahtijeva potrošnju kisika. Dijabetes povećava metabolizam masnih kiselina, što rezultira smanjenjem metaboličke efikasnosti [32], uključujući povećanje količine kisika potrebnog za transport određene količine Na plus. Kao rezultat toga, predviđeno je da će se potrošnja kisika za podržavanje aktivnog TNa skoro udvostručiti (povećanje od 88 posto [17]).

Sadašnji čovekbubregmodel predviđa da se najveća povećanja TNa izazvana dijabetesom javljaju duž proksimalnih tubula i debelih uzlaznih udova (Slika 2(A3)). Dok se proksimalni uvijeni tubuli nalaze u dobro perfuziranom bubrežnom korteksu, S3 i debeli uzlazni udovi medulara nalaze se u vanjskoj medularnoj, gdje je napetost kisika znatno niža nego u korteksu [33,34]. Zaista, poznato je da su ovi segmenti osjetljivi na hipoksične ozljede. Kao takvo, povećanje metaboličke potražnje izazvano dijabetesom može biti posebno stresno za ove segmente. Uzeto zajedno, sadašnji model predviđa, u slučajevima umjerenog i teškog dijabetesa, 17 posto, odnosno 24 posto, povećanje ukupnog TNa i 29,4 posto i 37,5 posto povećanje aktivnog TNa. Opseg hiperglikemije u slučaju teškog dijabetesa sličan je modelu štakora [17]. Međutim, sadašnji model predviđa manji porast TNa. Ta razlika se može pripisati manjem GFR izazvanom dijabetesom i time povećanju filtriranog Na plus opterećenja kod ljudi. Ipak, veći aktivni TNa, zajedno sa smanjenjem metaboličke efikasnosti izazvanim dijabetesom, vjerovatno će dovesti do značajnog povećanja potražnje za kisikom. Bez odgovarajućeg povećanja opskrbe kisikom, veća metabolička potražnja može dovesti do hipoksije bubrega, za koju se smatra da je važan mehanizam u razvoju dijabetičara.bubregbolest [35].

Vallon i saradnici su predložili da kod ranog dijabetesa, pojačana reapsorpcija duž proksimalnih tubula, koja se dijelom može pripisati povećanju kotransporta Na plus-glukoze, ima primarnu ulogu u povećanju SNGFR: pojačani proksimalni tubularni transport smanjuje tubuloglomerularni povratni signal, tj. luminalni [Cl一 ] koji detektiraju ćelije macula densa, što rezultira povećanjem SNGFR izazvanim povratnom spregom. Ta hipoteza "centrična na tubulu" je podržana eksperimentima mikropunkcijom na štakorima [36,37]. Predviđanja sadašnjeg čovekabubregmodel su u skladu s ovom tubul-centričnom hipotezom: predviđa se da će pojačani proksimalni tubularni transport kod dijabetesa sniziti luminalni [Cl一] u macula densa za 24-27 posto u slučaju umjerenog dijabetesa i za 32-52 posto u teškom dijabetesa, u poređenju sa nedijabetičarimabubreg, u zavisnosti od tipa nefrona. Konkretno, predviđa se da će luminalni [Cl- ] na macula densa površinskog nefrona iznositi 28,3, 21,3 i 18,6 mm kod nedijabetičara, umjerenog dijabetesa i teškog dijabetesa, respektivno. Ako se GFR postavi na nedijabetičke nivoe u slučajevima umjerenog i teškog dijabetesa, predviđeni macula densa luminal [Cl一 ] bi bio niži na 17,7 i 15,6 mM, respektivno. Dakle, ako je tubuloglomerularna povratna informacija prisutna kod čovjekabubreg, rezultirajući vazodilatacijski signal predviđen za dijabetes mogao bi doprinijeti glomerularnoj hiperfiltraciji. Iako je pretpostavljeno da je SNGFR poznat a priori u simulacijama, može se definirati funkcija negativne povratne sprege koja daje pretpostavljeni SNGFR s obzirom na predviđeni luminal [Cl一 ] na macula densa.

Štaviše, model predviđa da ograničavanjem transporta Na plus-glukoze, inhibicija SGLT2 značajno povećava macula densa luminal [Cl一], koja zatim može oslabiti glomerularnu hiperfiltraciju putem tubuloglomerularne povratne sprege. Konkretno, nakon primjene SGLT2 inhibitora modelu umjerenog dijabetesa, predviđa se da će macula densa luminal [Cl一] duž površinskog nefrona iznositi 39,2 mM sa pretpostavljenim efektom snižavanja GFR i 51,4 mM bez njega. Odgovarajuća predviđanja za model teškog dijabetesa su 36,4 i 48,1 mM, respektivno, sa i bez efekta smanjenja GFR. Slični trendovi su uočeni u jukstamedularnim nefronima. Ovi rezultati su u skladu s kliničkim podacima koji pokazuju da je kronična inhibicija SGLT2 izazvala smanjenje eGFR kod pacijenata sa dijabetes melitusom tipa 2, čak i među onima s kroničnom bolešću bubrega [38]. Smanjenje glomerularne hiperfiltracije na nivou jednog nefrona inhibicijom SGLT2 može pružiti dugoročne korisne efekte kod dijabetičarabubreg. Jedno pitanje je: U kojoj meri inhibicija SGLT2 smanjuje tubularni transport Na plus i potrošnju kiseonika duž nefrona? Model predviđa davanje SGLT2 inhibitora kod dijabetičarabubregsmanjuje ukupni TNA za 21,8 posto , ali s tim da se većina tog smanjenja događa preko paracelularnog puta i sa aktivnim TNa smanjena je za samo 3 posto .

Ukratko, razvili smo prvi računarski model detaljnog epitelnog transporta ububregpacijenta sa dijabetesom. Model predviđa da slično kao kod glodara, tubularna hipertrofija izazvana dijabetesom kod ljudi može doprinijeti glomerularnoj hiperfiltraciji putem (hipotetiziranog) tubuloglomerularnog povratnog signala [36], što zauzvrat rezultira velikim povećanjem transportnog opterećenja i metaboličke potražnje. Model se može koristiti za procjenu učinaka drugih uobičajeno propisivanih lijekova, kao što su blokatori angiotenzinskog sistema II, na funkciju bubrega kod dijabetesa i za procjenu stepena do kojeg se ti efekti pretvaraju ububregsa smanjenim brojem nefrona i poremećenom funkcijom.

Važno je napomenuti da je sadašnji model usvojio mnoge od pretpostavki iz abubregmodel mužjaka štakora [14,16,39]. Veliki polni dimorfizam otkriven je u obilju elektrolitskih transportera, kanala i klaudina kod mužjaka i ženki glodara [40,41]. Nalazi Veritas et al. pokazalo je da, u poređenju s nefronima mužjaka štakora, nefron ženki pacova pokazuje nižu aktivnost glavnih transportera Na plus i vode duž proksimalnog dijela bubrežnog tubula (proksimalni tubul), što rezultira značajno većom frakcijskom isporukom Na plus i vode u nizvodni nefron segmenti u ženskim bubrezima. Uz distalne segmente nefrona, ženkabubregpokazuje veću količinu ključnih Na plus transportera, u odnosu na muškarce, što rezultira sličnim izlučivanjem urina između spolova. Neke od ovih spolnih razlika u funkciji bubrega glodara vjerojatno se prenose na ljude. Poznato je da muškarci imaju viši krvni pritisak u poređenju sa ženama iste dobi prije menopauze [42,43]. S obzirom na ključnu ulogu bubrega u kontroli krvnog pritiska, uočene polne razlike u prevalenciji hipertenzije mogu se delimično pripisati razlikama u strukturi i funkciji bubrega [44–46]. Glavne razlike između glodara i čovjekabubreziusprkos tome, kompjuterski model bubrega žene, inspiriran obrascem transporta bubrega kod ženki glodavaca [47–49], može biti koristan u analizi funkcije bubrega pacijentice s dijabetesom i u identificiranju mehanizama koji objašnjavaju promatrani spol. razlike u dijabetičkoj bolesti bubrega [50].

4. Materijali i metode

Prethodno smo razvili model transporta otopljene tvari na epitelnim stanicama duž nefrona čovjekabubreg[10,25]. U ovoj studiji proširujemo taj model da simulira dijabetički bubreg. Model predstavlja šest klasa nefrona: površinski nefron, koji se okreće na vanjsko-unutrašnjoj granici medule, i pet jukstamedularnih nefrona, koji sežu do različitih nivoa unutrašnje moždine. Površinski nefroni čine 85 posto populacije nefrona i prostiru se od Bowmanove kapsule do papilarnog vrha. Preostalih 15 posto nefrona su jukstamedularni nefroni koji posjeduju Henleove petlje koje dosežu različite dubine u unutrašnjoj meduli; većina dugih petlji se okreće unutar gornje unutrašnje moždine. Svaki model nefrona je predstavljen kao tubul obložen slojem epitelnih ćelija, sa apikalnim i bazolateralnim transporterima koji variraju u zavisnosti od tipa ćelije. Model pretpostavlja da se spojni tubuli sukcesivno spajaju unutar korteksa, što rezultira omjerom petlje i kortikalnog sabirnog kanala od 10:1 [51]. Modelni sabirni kanali prolaze kroz vanjsku medulu, a kada stignu do unutrašnje moždine, sabirni kanali se ponovo sukcesivno spajaju. Šematski dijagram za model je prikazan na slici 5. U bubregu bez dijabetesa, brzina glomerularne filtracije jednog nefrona (SNGFR) je postavljena na 100 i 133 L/min za površinske i jukstamedularne nefrone, respektivno. Uz pretpostavku da ima ukupno 1 milion nefrona u svakombubreg, ovo daje jedno-bubregGFR od 105 mL/min.

Model obuhvata sljedećih 15 otopljenih tvari: Na plus, K plus, Cl一, HCO3一, H2CO3, CO2, NH3, NH4 plus, HPO42一, H2PO4一, H plus, HCO2一, H2CO2, urea i glukoza. Model je formuliran za stabilno stanje i sastoji se od velikog sistema spregnutih običnih diferencijalnih jednadžbi i algebarskih jednadžbi [10]. Model rješenje opisuje protok luminalne tekućine, hidrostatički tlak, koncentracije otopljene tvari u luminalnoj tekućini i, sa izuzetkom segmenta silaznog ekstremiteta, koncentracije otopljene tvari u citosolu, membranski potencijal i transćelijske i paracelularne tokove. Parametri modela koji opisuju nedijabetičarabubregmože se naći u Ref. [10].

4.1. Transport glukoze u proksimalnim tubulima

U fiziološkim uslovima, filtrirano opterećenje glukoze se u potpunosti reapsorbuje u proksimalnom tubulu preko SGLT-a na apikalnoj strani i olakšavača transporta glukoze (GLUT) na bazolateralnoj strani. Proksimalni uvijeni tubul izražava transporter velikog kapaciteta, niskog afiniteta SGLT2 zajedno sa bazolateralnim GLUT2, dok segment S3 izražava manji kapacitet, transporter većeg afiniteta SGLT1 i bazolateralni GLUT1. Nivo ekspresije SGLT1 je odabran tako da nakon inhibicije SGLT2, nedijabetički model predviđa SGLT1-posredovani transport ~60 posto filtrirane glukoze [52]. Modeliranje tokova glukoze i Na plus preko SGLT2 i SGLT1 kotransportera, te fluksa glukoze kroz GLUT1 i GLUT2 opisano je u našim prethodnim studijama [14,16,17,39].

4.2. Simulacija dijabetičkog bubrega

Simuliramo dva dijabetička stanja, jedno u kojem je glukoza u plazmi povišena sa nedijabetičke vrijednosti od 5 mM na 8,6 mM (što nazivamo "umjerenim dijabetesom") i drugo u kojoj je glukoza u plazmi 20 mM ( "teški slučaj dijabetesa"). Dijabetes izaziva hipertrofiju bubrega, hiperfiltraciju i promjene u ekspresiji transportera. Dakle, pored povećanja koncentracije glukoze u plazmi, simulirali smo dijabetička stanja povećanjem SNGFR-a za 27 i 10 posto [4] u površinskim i jukstamedularnim nefronima, respektivno, u umjerenim i teškim slučajevima. Da bismo simulirali tubulnu hipertrofiju, povećali smo tubularni promjer i dužinu proksimalnih tubula za 10 posto u umjerenom slučaju i za 28 posto u teškim slučajevima; i povećali smo prečnik i dužinu distalnih segmenata za 18 i 7 procenata, respektivno, u umerenom slučaju, odnosno za 42 i 7 procenata, u teškom slučaju [17,53]. Nadalje, aktivnost SGLT2 je povećana za plus 38 posto, GLUT2 za plus 50 posto, a NKCC za plus 10 posto. Aktivnost SGLT1 je smanjena za 一33 posto. Aktivnost Na/K-ATPaze je povećana za plus 10 posto zajedno sa svim segmentima nefrona, osim debelog uzlaznog ekstremiteta i unutrašnjeg medularnog sabirnog kanala. Zajedno sa debelim uzlaznim udovima, aktivnost Na/K-ATPaze je povećana za plus 20 posto. Za unutrašnji medularni sabirni kanal, aktivnost Na/K-ATPaze je povećana za plus 50 procenata zajedno sa početnih 2/3 i plus 150 procenata zajedno sa ostatkom segmenta u slučaju umerenog dijabetesa, i za plus 150 procenata duž cijeli segment kod teškog dijabetesa. Transcelularna propusnost vode je povećana zajedno sa segmentima kortikalnog i unutrašnje-medularnog sabirnog kanala za 55 odnosno 40 posto [17].

Doprinosi autora:Konceptualizacija, AL; metodologija, AL; softver, RH; validacija, AL i RH; formalna analiza, AL i RH; istraga, AL i RH; resursi, AL; kuriranje podataka, AL; pisanje—priprema originalnog nacrta, AL; pisanje—pregled i uređivanje, AL i RH; vizualizacija, RH; nadzor, AL; administracija projekta, AL; finansiranje akvizicije, AL Svi autori su pročitali i pristali na objavljenu verziju rukopisa.

finansiranje:Ovo istraživanje je podržano od strane Kanadskog 150 Research Chair programa i Vijeća za istraživanje prirodnih znanosti i inženjerstva Kanade, putem Discovery nagrade (RGPIN-2019-03916) za AL

Izjava institucionalnog odbora za reviziju:Nije primjenjivo.

Izjava o informiranom pristanku:Nije primjenjivo.

Izjava o dostupnosti podataka:Računalni kod će biti javno dostupan nakon prihvatanja ovog rukopisa.

Sukobi interesa:Autori izjavljuju da nema sukoba interesa. Finanseri nisu imali nikakvu ulogu u dizajnu studije; u prikupljanju, analizi ili interpretaciji podataka; u pisanju rukopisa, ili u odluci o objavljivanju rezultata.

Reference

1. Saeedi, P.; Petersohn, I.; Salpea, P.; Malanda, B.; Karuranga, S.; Unwin, N.; Colagiuri, S.; Guariguata, L.; Motala, AA; Ogurcova, K.; et al. Globalne i regionalne procjene prevalencije dijabetesa za 2019. i projekcije za 2030. i 2045.: Rezultati Atlasa dijabetesa Međunarodne federacije za dijabetes. Diabetes Res. Clin. Prakt. 2019, 157, 107843.

2. Foley, RN; Collins, AJ Završna bubrežna bolest u Sjedinjenim Državama: ažuriranje iz Renal Data Systema Sjedinjenih Država. J. Am. Soc. Nefrol. 2007, 18, 2644–2648.

3. Koye, DN; Magliano, DJ; Nelson, RG; Pavkov, ME Globalna epidemiologija dijabetesa i bolesti bubrega. Adv. Chronic Kidney Dis. 2018, 25, 121–132.

4. Mogensen, C. Brzina glomerularne filtracije i protok bubrežne plazme kod kratkotrajnog i dugotrajnog juvenilnog dijabetes melitusa. Scand. J. Clin. Lab. Investig. 1971, 28, 91–100.

5. Eaton, DC; Pooler, J.; Vander, AJ Vander's Renal Physiology, 7. ed.; McGraw-Hill Medical: New York, NY, SAD, 2009.

6. Hoenig, MP; Zeidel, ML Homeostasis, milieu Interieur i mudrost nefrona. Clin. J. Am. Soc. Nefrol. 2014, 9, 1272–1281.

7. Dantzler, WH; Pannabecker, TL; Layton, AT; Layton, HE Mehanizam koncentriranja urina u unutrašnjoj meduli bubrega sisara: Uloga trodimenzionalne arhitekture. Acta Physiol. 2011, 202, 361–378. [CrossRef]

8. Palmer, LG; Schnermann, J. Integrirana kontrola transporta Na duž nefrona. Clin. J. Am. Soc. Nefrol. 2015, 10, 676–687.

9. Layton, AT Dinamika posredovana povratnom spregom u modelu kompatibilnog debelog uzlaznog ekstremiteta. Math. Biosci. 2010, 228, 185–194.

10. Layton, AT; Layton, HE Računalni model epitelnog rastvora i transporta vode duž ljudskog nefrona. PLoS Comput. Biol. 2018, 15, e1006108.

11. Weinstein, AM Matematički model bubrega pacova: K plus -indukovana natriureza. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2017, 312, F925–F950.

12. Layton, AT; Edwards, A.; Vallon, V. Rukovanje bubrežnim kalijem kod pacova sa subtotalnom nefrektomijom: Modeliranje i analiza. Am.J. Physiol. Renal Physiol. 2017, 314, F643–F657.

13. Edwards, A.; Kastrop, H.; Laghmani, K.; Vallon, V.; Layton, AT Efekti regulacije izoforme NKCC2 na transport NaCl u debelom uzlaznom ekstremitetu i macula densa: studija modeliranja. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2014, 307, F137–F146.

14. Layton, AT; Laghmani, K.; Vallon, V.; Edwards, A. Transport rastvora i potrošnja kiseonika duž nefrona: Efekti inhibitora transporta Na plus. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2016, 311, F1217–F1229.

15. Layton, AT; Vallon, V. SGLT2 inhibicija u bubregu sa smanjenim brojem nefrona: modeliranje i analiza transporta i metabolizma rastvorenih materija. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2018, 314, F969–F984.

16. Layton, AT; Vallon, V.; Edwards, A. Modeliranje potrošnje kiseonika u proksimalnom tubulu: Efekti inhibicije NHE i SGLT2. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2015, 308, F1343–F1357.

17. Layton, AT; Vallon, V.; Edwards, A. Predviđene posljedice dijabetesa i inhibicije SGLT na transport i potrošnju kisika duž nefrona pacova. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2016, 310, F1269–F1283.

18. Layton, AT; Vallon, V.; Edwards, A. Adaptive Changes in GFR, Tubular Morphology and Transport in Subtotal Nephrectomized Kidneys: Modeling and Analysis. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2017, 313, F199–F209.

19. Sgouralis, I.; Evans, RG; Gardiner, BS; Smith, JA; Fry, BC; Layton, AT Bubrežna hemodinamika, funkcija i oksigenacija tokom kardiohirurgije izvedene na kardiopulmonalnom bajpasu: studija modeliranja. Physiol. Rep. 2015, 3, e12260.

20. Layton, AT Slatki uspjeh? SGLT2 inhibitori i dijabetes. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2018, 314, F1034–F1035.

21. Neal, B.; Perković, V.; Mahaffey, KW; de Zeeuw, D.; Fulcher, G.; Erondu, N.; Shaw, W.; Law, G.; Desai, M.; Matthews, DR Canagliflozin i kardiovaskularni i bubrežni događaji kod dijabetesa tipa 2. N. Engl. J. Med. 2017, 377, 644–657.