Bolesti majke i epigenetska regulacija u razvoju bubrega

za više informacija:ali.ma@wecistanche.com

DIO Ⅱ: Utjecaj uslova okoline na broj nefrona: Modeliranje bolesti majke i epigenetska regulacija u razvoju bubrega

Lars Fuhrmann, Saskia Lindner, Alexander-Thomas Hauser, Clemens Höse i dr.

Abstract

Sve veći broj dokaza sugerira da nizak broj nefrona pri rođenju može povećati rizik od kronične bolesti bubrega ili hipertenzije kasnije u životu. Stresori iz okoline, kao što su pothranjenost majke, lijekovi i pušenje, mogu utjecati na veličinu bubrega pri rođenju. Koristeći kulture metanefričkih organa za modeliranje jedno-varijabilnih uslova okoline, modeli bolesti majke su procijenjeni za obrasce razvojnog oštećenja. Dok je hipertermija imala ograničene efekte na razvoj bubrega, fetalni nedostatak gvožđa bio je povezan sa teškim oštećenjem bubrežnog rasta i nefrogeneze sa potpuno proksimalnim fenotipom. Uzgoj bubrežnih eksplantata u uvjetima visoke glukoze doveo je do ćelijskih i transkriptomskih promjena koje liče na ljudsku dijabetičku nefropatiju. Kratkoročni uslovi kulture visoke glukoze bili su dovoljni za dugoročne promjene u epigenetskoj memoriji povezane s metilacijom DNK. Konačno, uloga epigenetskih modifikatora u razvoju bubrega testirana je korištenjem male biblioteke spojeva. Među odabranim epigenetskim inhibitorima, različita jedinjenja izazvala su efekat na rast bubrega, kao što su HDAC (entinostat, TH39), inhibitori histon demetilaze (deferasiroks, deferoksamin) i inhibitori histon metiltransferaze (ciproheptadin). Stoga, kulture metanefričkih organa predstavljaju vrijedan sistem za proučavanje metaboličkih stanja i alat za skrining za epigenetske modifikatore u razvoju bubrega.

Kliknite na Cistanche na urdu za funkciju bubrega

KLIKNITE OVDJE ZA DIO Ⅰ

3. Diskusija

Razvoj bubrega prvenstveno se odvija in utero i podložan je smetnjama metaboličkih i okolišnih utjecaja. Broj nefrona se određuje pri rođenju, a sve veći broj dokaza ukazuje na to da je nizak broj nefrona faktor rizika za razvoj hipertenzije i hronične bolesti bubrega kasnije u životu [2-4,60]. Međutim, mnogi faktori koji utječu na broj nefrona i načine djelovanja su još uvijek nepoznati. Ovdje su embrionalni bubrezi dual-fluorescentnih reporterskih miševa kultivirani na Transwell umetcima korišteni za modeliranje metaboličkih stanja majke i skrining epigenetskih inhibitora.

Dok mnoge studije sada uključuju organoide bubrega koristeći ljudske iPS ćelije [61], kulture bubrega su vrijedan alat za detaljnu analizu fenotipova posredovanih metaboličkim uvjetima ili inhibitornim agensima. Dok su kulture progenitornih ćelija i organoidi bubrega alternative sa značajnim potencijalom za ispitivanje teratogenosti, one su podložne ograničenjima, kao što su velika varijabilnost u diferencijaciji i rastu i nedostatak konvencionalne strukture organa. Ovo čini kulturu metanefričnih organa vrijednom alternativom za istraživanje stanja koja ne bi bila izvodljiva in vivo.

Dakle, hipertermija i nedostatak gvožđa daju dva primera istraživanja uslova okoline sa različitim ishodima na rast bubrega i broj nefrona. Dok su podaci o učinku hipertermije na rast bubrega oskudni, efekat ex vivo restrikcije gvožđa u skladu je sa prethodnim izveštajima o nedostatku gvožđa kod majki kod štakora [23.24], iako je model ograničen u repliciranju tačnog stanja u maternici u smislu koncentracija i kinetika željeza. Naši rezultati su također pokazali da je mitotička aktivnost smanjena u stanju ograničenom gvožđem. Gvožđe igra bitnu ulogu u mnogim ćelijskim procesima, kao što je ćelijski ciklus [62]. Naša morfološka analiza je pokazala potpuno proksimalni fenotip diferencijacije nefrona, vjerovatno kao rezultat inhibirane kanonske Wnt signalizacije. Široko rasprostranjena regulacija gena povezanih sa Wnt signalizacijom je ranije prijavljena u analizi mikromreža potomaka pacova izloženih nedostatku gvožđa kod majke [63]. Mehanički, pokazalo se da intracelularno iscrpljivanje željeza helirajućim agensima indukuje proteazomsku degradaciju -katenina, glavnog nizvodnog efektorskog proteina kanonskog Wnt puta u ćelijama raka i neuralnim progenitorskim ćelijama [64,65].

Kao drugo metaboličko stanje, modeliranje visoke izloženosti glukozi rezultiralo je efektima sličnim onima kod majčinog dijabetesa in vivo izazvanog streptozotocinom[10,26,27,66-71]. Dok naš model nije mogao reproducirati efekte stanja glukoze od 30 mM, vjerovatno zbog prethodno objavljenog utjecaja pozadine miša [28,72], uslovi glukoze od 55 mM rezultirali su smanjenjem rasta i smanjenim brojem nefrona. Histološki i ultrastrukturno vidljive su izražene promjene u glomerulima, uz proširenje bazalnog matriksa glomerula nalik na ljudsku dijabetičku nefropatiju. Sličnosti između bubrežnog odgovora mišjeg fetusa i ljudske odrasle osobe na visoku glukozu s jasnom ekspanzijom ECM-a i smanjenjem regulacije ključnih gena podocita bile su upečatljive i otkrile su mnoge poznate gene povezane s dijabetesom, što ukazuje na korištenje sličnih mehanizama u podocitima i tubulima. Međutim, do sada je nepoznato da li isti osnovni putevi dovode do dediferencijacije kod dijabetičke nefropatije i smanjenja diferencijacije tokom fetalne diferencijacije. Zanimljivo je da se pokazalo da promjene dijabetičkog okruženja bez glukoze, kao što je hiperketonemija, posreduju u teratogenezi, ali nisu replicirane u modelu kulture bubrega [73,74]. Dugoročni efekti hiperglikemije su također bili reproducibilni u našem modelu, pokazujući kontinuirano usporavanje rasta nakon normalizacije glikemije slično prethodnim izvještajima [10]. Dodatno, analiza metilacije DNK otkrila je produženu hipometilaciju DNK u repetitivnim regijama i hipermetilaciju na Ppargcla lokusu nakon prelaska na mediju sa niskim sadržajem glukoze, što ukazuje na formiranje metaboličke memorije nakon perioda metaboličkog stresa [30]. Za mnogo više različito reguliranih gena se također ranije pokazalo da su epigenetski regulirani kod dijabetesa. Na primjer, povećani gen MEST je majčinski utisnut i hipometiliran kod gestacijskog dijabetes melitusa[75]. S100A4 je različito metilirani marker inzulinske rezistencije kod gojazne djece [76]. Od gena smanjene regulacije, ESM1 i RASGRP3 su primjeri gena različito metiliranih u gestacijskom dijabetesu [77,78], što pokazuje rastuću pojavu veza između dijabetesa i epigenetske regulacije. Stoga naš sistem ističe epigenetsku modifikaciju ili fetalno programiranje kao važan regulatorni mehanizam.

Poznato je da je nekoliko epigenetskih regulatornih enzima uključeno u bubrežnu morfogenezu i regulaciju transkripcije u funkciji i bolesti organa odraslih [30,40,79-81]. Koristeći kulture bubrega kao alat za skrining, tražili smo dodatne epigenetske modifikatore koji igraju ulogu u razvoju bubrega i morfogenezi nefrona. Entinostat (MS-275) je smanjio veličinu bubrega u skladu sa prethodno prijavljenim genetskim brisanjem HDAC1 i HDAC2 u ćelijama progenitorima nefrona ili ćelijama ureternih pupoljaka[44,82,83]. Dok je inhibicija HDAC8 od strane TH39 također izazvala ozbiljno smanjenje rasta eksplanta i nedostatak diferencijacije, visoko specifični inhibitor HDAC8 PCI-34051nije pokazao nikakav efekat, ukazujući na efekte TH39 izvan cilja, kao što su drugi HDAC. Sa fenotipom sličnim onom bubrega uzgajanih u uslovima nedostatka gvožđa, deferasiroks i deferoksamin, objavljeni inhibitori histonskih demetilaza koje sadrže JumonjiC domen [50], mogu ispoljiti efekte van cilja zbog helacije gvožđa. Dok je ciproheptadin, antagonist histamina i objavljeni inhibitor Set7/9 histon metiltransferaze, pokazao jedinstveni fenotip dovodeći do difuzije populacije progenitornih ćelija, dodatni rezultati su ukazivali na efekte van cilja koji uključuju Wnt signalni put [48]. Sve u svemu, ova biblioteka inhibitora odobrenih od strane FDA pokazuje potencijal za brz i efikasan skrining za epigenetske modulatore. Zbog ograničenog vremenskog okvira koji se koristi, inhibitori koji zahtijevaju produženo izlaganje da bi imali učinak mogli su biti propušteni u ovoj postavci. Dakle, azacitidin nije pokazao efekt uprkos objavljenom fenotipu nokauta Dnmt1 [30].

Dok sistem kulture bubrega nudi snažan razvoj bubrega, nekoliko aspekata ograničava istraživanje ili tumačenje rezultata u ovom redukcionističkom modelu. Prvo, studije su pokazale razlike u razvoju miša i čoveka i ekspresiji gena, ograničavajući upotrebu mišjeg modela. Zatim, vremenska ograničenja u ovom sistemu možda neće dozvoliti da se razviju svi složeni procesi. Ovo može objasniti neke od uslova okoline i epigenetskih inhibitora koji ne utiču na razvoj bubrega u ovoj studiji. Štaviše, neki od inhibitora pokazuju nespecifične efekte koji mogu doprinijeti inhibiciji drugih puteva, kao što je u slučaju ciproheptadina, za koji se čini da ispoljava svoje djelovanje kroz aktivaciju GSK3-beta, ili u slučaju kelacije željeza putem deferasiroks/deferoksamin. Osim ove studije dokazivanja koncepta, ekran epigenetičkog inhibitora mogao bi se proširiti na više (specifičnih) inhibitora; produženi vremenski periodi; dodatni kriterijumi studije, kao što su broj nefrona i grananje pupoljaka uretera; te transkriptomske i epigenetske studije.

Ukratko, kulture bubrega omogućavaju karakterizaciju brojnih modela bolesti majke, kao što su hipertermija, nedostatak gvožđa i dijabetes kod majke, i skrining farmakoloških jedinjenja, pružajući dobro prikladnu platformu za istraživanje međusobne preslušavanja između uticaja okoline u razvoju. bubreg i njegovo epigenetsko programiranje.

Reference

1. Barker, DJ Fetalno i novorođenče porijeklo bolesti odraslih. BMJ 1990, 301, 1111. [CrossRef]

2. Wang, X.; Garrett, MR Nefron broj, hipertenzija i CKD: fiziološki i genetski uvid iz ljudi i životinjskih modela. Phy/tlo. Genom.2017,49, 180-192. [CrossRef] [PubMed]

3. Hughson, MDDouglas-Denton, R.; Bertram, JF; Hoy, WE Hipertenzija, glomerularni broj i porođajna težina kod Afroamerikanaca i bijelih subjekata na jugoistoku Sjedinjenih Država. Kidney Int. 2006. 69, 671-678. [CrossRefl [PubMedl

4. Keller, G.; Zimmer, G.; Mall, G.; Ritz, E.; Amann, K. Nefron broj u bolesnika s primarnom hipertenzijom.N.Engl.I. Med. 2003, 348, 101-108. [CrossRef] [PubMed]

5. Lelievre-Pegorier,M; Vilar,J.; Ferrier, ML; Moreau, E.; Freund, NGilbert, T.; Merlet-Benichou, C. Blagi nedostatak vitamina A dovodi do urođenog deficita nefrona kod pacova. Kidney Int.1998,54, 1455-1462. [CrossRef] [PubMed]

6. Langley-Evans, SC; Welham, SJ; Jackson, AA Izlaganje fetusa majčinoj ishrani sa niskim sadržajem proteina narušava nefrogenezu i potiče hipertenziju kod pacova. Life Sci.1999, 64, 965-974. [CrossRef]

7. Singh, RR; Moritz, KM; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LA Efekti izlaganja deksametazonu na metanefrični razvoj pacova: In vitro i in vivo studije. Am.J. Physiol.Renal. Physiol.2007, 293, F548-F554. [CrossRef]

8. Cain IE: Di Giovanni, V; Smeeton, J; Rosenblum, ND Genetika bubrežne hipoplazije: Uvid u mehanizme koji kontroliraju nefrona. Pediatr. Res.2010, 68, 91-98. [CrossRefl

9. Lewis. RM: Forhead, AJ: Petry, CL: Ozanne.SE: Hales. C, N, Dugotrajno programiranje krvnog pritiska ograničenjem gvožđa u ishrani majke kod pacova. Br. J. Nutr. 2002, 88, 283-290. [CrossRef]

10. Hokke, SN; Armitage, JA; Puelles, VG; Kratko, KM; Jones, L.; Smyth, IM.; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LA Promijenjena morfogeneza grananja uretera i nefrona kod potomaka dijabetičara i trudnoće liječenih inzulinom. PLOS ONE 2013, 8, e58243.

11. Hughson, M; Farris, AB, 3.; Douglas-Denton, R.; Hov, WE; Bertram, JF Glomerularni broj i veličina u obdukcijskim bubrezima: odnos prema težini rođenja. Kidney Int.2003, 63,2113-2122. [CrossRef] [PubMed]

12. Bianchi, G.; Fox, U.; Di Francesco, GF; Giovanetti, AM; Pagetti, D. Promjene krvnog tlaka uzrokovane unakrsnom transplantacijom bubrega između spontano hipertenzivnih pacova i normotenzivnih pacova. Clin. Sci. Mol. Med. 1974, 47, 435-448. [CrossRef] [PubMed]

13. Trowell, OAA modificirana tehnika za kulturu organa in vitro. Exp. Cell Res. 1954, 6, 246-248. [CrossRefl

14. Saxen, L.; Lehtonen, E. Embrionalni bubreg u kulturi organa. Differentiation 1987, 36, 2-11. [CrossRef]

15. Andersen, AM; Vastrup, P.; Wohlfahrt, J.; Andersen, PK; Olsen,J.; Melbye, M. Groznica u trudnoći i rizik od smrti fetusa: kohortna studija. Lancet 2002, 360, 1552-1556. [CrossRef]

16. Edwards, MJ. Hipertermija kao teratogen: pregled eksperimentalnih studija i njihov klinički značaj. Toronto. Carcinog. Mutagen. 1986, 6, 563-582. [CrossRef] [PubMed]

17. Dreier, JW; Andersen, AM; Berg-Beckhoff, G. Sistematski pregled i meta-analize: Groznica u trudnoći i zdravstveni utjecaji na potomstvo. Pedijatrija 2014, 133, e{5}}e688. [CrossRef]

18. Waller, DK; Hashmi, SS; Hoyt, AT; Duong, HT: Tinker, SC; Gallaway, MS; Olney, RS; Finnell, RH; Hecht, JT; Canfield, MA; et al. Izvještaj majke o groznici od prehlade ili gripe tokom rane trudnoće i riziku od nesrčanih urođenih mana, Nacionalna studija o prevenciji urođenih mana, 1997-2011.Birth Defects Res.2018, 110,342-351. [CrossRef]

19. Abe, K; Honein, MA; Moore, C.A. Febrilne bolesti majke, upotreba lijekova i rizik od kongenitalnih bubrežnih anomalija. Urođene mane Res.A Clin. Mol.Teratol.2003,67, 911-918. [CrossRef]