Računalni model funkcije bubrega kod 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 hemodinamske promjene utječu na funkciju bubrega i mogu pridonijeti razvoju kronične bubrežne bolesti. Cilj ove studije je analizirati kakobubregfunkcija je promijenjena u bolesnika s dijabetesom i bubrežnim učincima antihiperglikemijske terapije koja inhibira natrij-glukozni kotransporter 2 (SGLT2) u proksimalnim zavijenim tubulima.

Kako bismo postigli taj cilj, razvili smo računalni modelbubregfunkcioniraju kod bolesnika s dijabetesom i proveli su simulacije za proučavanje učinaka dijabetesa i inhibicije SGLT2 na transport otopljene tvari i vode duž nefrona. Rezultati simulacije pokazuju da dijabetesom inducirana hiperfiltracija i tubularna hipertrofija pojačavaju Na plus transport, 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, obnavljanjem tubuloglomerularnog povratnog signala, čime se smanjuje brzina glomerularne filtracije jednog nefrona.

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

Kontakt:ali.ma@wecistanche.com

Kliknite na Cistanche vitamin za bolesti bubrega

1. Uvod

Prevalencija dijabetesa raste diljem svijeta, trenutno se procjenjuje na 9,3 posto (463 milijuna ljudi), a očekuje se da će dosegnuti 10,2 posto (578 milijuna) do 2030. i 10,9 posto (700 milijuna) do 2045. [1]. U razvijenim zemljama dijabetes tipa 2 je među najčešćim uzrocima kroničnogbubregbolest [2] i glavni uzročnik kardiovaskularnih bolesti [3]. Iako putovi koji povezuju dijabetes s kroničnom bubrežnom bolešću ostaju nerazjašnjeni, 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 dovesti do kronične bolesti bubrega.

U cijelom životinjskom carstvububregasu prvenstveno poznati po svojoj funkciji filtera, uklanjajući metabolički otpad i toksine iz krvi za izlučivanje urinom. Ali kod sisavaca, bubrezi su specijalizirani za obavljanje raznih drugih bitnih regulatornih funkcija, uključujući ravnotežu vode, elektrolita i acidobazne ravnoteže [5]. Kod ljudi, par odbubreganalaze se u trbušnoj šupljini, s po jednim sa svake strane kralježnice. Bubreg sisavaca može se podijeliti na vanjsku regiju (korteks) i unutarnju regiju (medula). Svaki od ljudskih bubrega sadrži oko milijun glomerula, koji su nakupine kapilara koje primaju krv iz pojedinačnih aferentnih arteriola koje se granaju od intrarenalnih arterija. Potaknut vaskularnim hidrostatskim tlakom, 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 sekretijskih procesa, posredovanih membranskim transporterima i kanalima na epitelnim stanicama bubrežnih tubula. Tako,

ono što počinje u glomerulu kao ultrafiltrat plazme transformira se u urin na kraju nefrona [5]. Regulacija epitelnih transportnih procesa koji usklađuju izlučivanje urina s unosom tekućina i otopljenih tvari kao i s proizvodnjom otpadnih proizvoda predmet je velikog eksperimentalnog i teorijskog napora [6-9]. Razvijeni su računalni modeli za otkrivanje bubrežnih procesa otopljene tvari i transporta vode kod ljudi [10] i štakora, pod dijetalnim [11-13] i terapijskim [14-16] manipulacijama te u patofiziološkim uvjetima [17-19].

Kao što je ranije navedeno, dijabetes je glavni faktor rizika zabubregbolest. To je jedan od mnogih razloga zašto bolesnici s dijabetesom postignu kontrolu glikemije. Nova klasa antihiperglikemijskih lijekova su inhibitori kotransportera 2 (SGLT2) natrij-glukoza, koji pojačavaju izlučivanje glukoze mokraćom i smanjuju postprandijalno povećanje glukoze u krvi usmjeravajući njezinu reapsorpciju duž ranog proksimalnog tubula [20]. Kao kotransporter, SGLT2 posreduje u transportu glukoze u procesu koji je povezan s transportom Na plus; prema tome, inhibicija SGLT2 također smanjuje proksimalni tubularni Na plus i reapsorpciju tekućine i inducira natriurezu i diurezu. Uistinu, uz antihiperglikemijski učinak, zabilježeno je da inhibitori SGLT2 smanjuju krvni tlak i štite dijabetičare od zatajenja srca [21,22]. Bubrežni, metabolički i kardiovaskularni učinci inhibicije SGLT2 pregledani su u Ref. [23,24].

Prethodno smo proveli simulacije modela kako bismo istražilibubregfunkciju kod dijabetesa i bubrežne učinke inhibicije SGLT2 [15-17]. Međutim, računalni model korišten u tim studijama temeljio se na bubregu štakora. Kao takva, iako su neka od predviđanja modela u skladu s opažanjima kod pacijenata s dijabetesom, prijevodna vrijednost tih nalaza još uvijek može biti ograničena. Stoga je cilj ove studije analizirati funkciju bubrega u (ljudskih) bolesnika s dijabetesom i učinke inhibicije SGLT2, koristeći računalni model ljudskog bubrega koji smo nedavno objavili [10,25].

2. Rezultati

2.1. Funkcija bubrega u stanjima bez dijabetesa i dijabetesa

Uspoređujemo transport otopljene tvari i vode duž nefrona kod nedijabetičara i dijabetičarabubreg. Ključni rezultati sažeti su na slikama 1 i 2. U ovim simulacijama oponašamo bubrežne učinke dijabetesa kao što je opisano u Materijalima i metodama. Konkretno, dijabetes izaziva glomerularnu hiperfiltraciju i tubularnu hipertrofiju. Povišeni GFR se odražava na opterećenje filtriranim otopljenim tvarima, dok se tubularna hipertrofija odražava na pojačani transport; Pogledaj ispod.

U stanjima bez dijabetesa, gotovo sva filtrirana glukoza se reapsorbira duž proksimalnih tubula, pri čemu proksimalni zavojiti tubul i S3 segment reapsorbiraju 97 posto odnosno 2,6 posto filtrirane glukoze. Pogledajte sliku 1C. U simulacijama umjerenog dijabetesa, pretpostavlja se da se koncentracija glukoze u plazmi povećava s 5 na 8,6 mm, što zajedno s povišenim GFR-om daje filtrirano opterećenje od 1,52 mol．dan一1 glukoze. Unatoč tome što je filtrirana glukoza približno udvostručena, transport glukoze u proksimalnim tubulima tek treba biti nadjačan, pri čemu proksimalni zavojiti tubul i segment S3 reapsorbiraju 99,6 posto odnosno 0.4 posto filtrirane glukoze, ne ostavljajući bitno nikakvu glukozu u urinu, što je u skladu s opaženom odsutnošću glukozurije u bolesnika s umjerenim dijabetesom [26]. U simulacijama teškog dijabetesa, glukoza u plazmi dodatno je povišena na 20 mM, što rezultira opterećenjem filtriranom glukozom od 3,75 mol．dan一1 glukoze, što premašuje sposobnost transporta glukoze proksimalnog tubula. Predviđa se da će frakcijska reapsorpcija glukoze od strane proksimalnog uvijenog tubula i S3 segmenta biti 73,7 posto, odnosno 9,1 posto. Nizvodni segmenti nemaju značajne transportne kapacitete glukoze. Kao takav, dijabetički model predviđa apsolutno i frakcijsko izlučivanje glukoze kao 0,6 mol．dan一1 odnosno 16 posto.

U odnosu na nedijabetičarebubreg, model umjerenog dijabetesa pretpostavlja povećanje GFR-a od 10 posto, a time i filtriranog Na plus, što daje odgovarajuće povećanje od 10 posto u ukupnom

Na plus prijevoz. Povećanje reapsorpcije Na plus najveće je u tubularnim segmentima gdje dijabetes izaziva značajna povećanja ekspresije Na plus transportera. Konkretno, transport Na plus povećava se za 11,8 posto duž proksimalnih zavojitih tubula, gdje promjene momenta izazvane hiperfiltracijom povećavaju gustoću svih transcelularnih transportera. Dijabetes također povećava gustoću NKCC2 u medularnim debelim uzlaznim udovima [17], što rezultira povećanjem reapsorpcije Na plus od 35 posto. Pojačani transport Na plus u biti kompenzira povišeno filtrirano opterećenje Na plus kod dijabetesa da bi se dobilo izlučivanje Na plus slično kao kod nedijabetičarabubreg(Slika 2, ploče A1–A3). Povišenu reapsorpciju Na plus prati povećanje reapsorpcije Cl- i vode (Slika 2, ploče C3 i D3). U usporedbi sa slučajem bez dijabetesa, predviđa se da će izlučivanje Cl- urinom biti 25 posto veće kod dijabetesa, dok je izlučivanje urina 35 posto veće (Slika 2, ploče C2 i D2). Slično kao Na plus, veće filtrirano K plus opterećenje pojačava njegovu tubularnu reapsorpciju duž proksimalnih tubula i debelih uzlaznih krakova (Slika 2(B3)). Ovi kompetitivni čimbenici 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 povećavaju se za 24 posto, što rezultira poboljšanim transportom Na plus, osobito za 22,5 posto duž proksimalnih tubula i 47,4 posto zajedno s debelim uzlaznim udovima. Kao u slučaju umjerenog dijabetesa, poboljšani transport Na plus u biti kompenzira povišeno filtrirano opterećenje Na plus u dijabetesu da bi se dobilo izlučivanje Na plus slično kao kod nedijabetičarabubreg(Slika 2, ploče A1–A3). Modelska predviđanja transporta Cl- analogna su onima za umjereni slučaj dijabetesa (Slika 2(C2)). U usporedbi sa slučajem bez dijabetesa, predviđa se da će izlučivanje Cl- mokraćom biti 48,8 posto veće kod dijabetesa. Model predviđa težu diurezu, pri čemu se predviđa da će količina urina biti 115 posto veća od slučaja bez dijabetesa (Slika 2(D2)), te teža kaliureza, s izlučivanjem K plus, za koju se predviđa da će biti 63,4 posto veća (Slika 2( B2)).

2.2. Inhibicija SGLT2 u bubrezima bez dijabetesa

U nedijabetičkom okruženju, utvrđeno je da blokada SGLT2 izaziva manje smanjenje GFR: za 3 posto u ispitanika bez dijabetesa koji su primali kanagliflozin ili dapagliflozin tijekom 4 dana [17]. Prema tome, pretpostavljamo da je u simulaciji akutne inhibicije smanjenje SNGFR-a od 3 posto svih nefrona. Također, u okruženju bez dijabetesa, zabilježeno je da blokada SGLT2 dovodi do izlučivanja glukoze u urinu koja iznosi ~45 posto njezine filtrirane količine [27]. U ovoj studiji pretpostavljamo 90-postotnu inhibiciju SGLT2 u svim nefronima, što rezultira izlučivanjem 40 posto filtrirane glukoze [27]. Model predviđa da se mali dio (14,5 posto) količine filtrirane glukoze reapsorbira zajedno s proksimalnim segmentima uvijenih tubula, posredovano preostalim SGLT2 i također paracelularnim putem, a 39,7 posto u segmentu S3, od čega većina preko SGLT1. Pogledajte sliku 3.

Na slikama 3 i 4, slučajevi bez dijabetesa i dijabetičari bez blokade SGLT2 (označeni s "ND" i "D") rezultati su isti kao oni na slikama 1 i 2, ali su prikazani drugačije. Umjesto stvarnih vrijednosti, normaliziramo stope filtriranja i segmentalnog transporta njihovim odgovarajućim ND vrijednostima. Za stope izlučivanja, normalizirali smo vrijednostima D, jer je u uvjetima bez dijabetesa izlučivanje glukoze u biti jednako nuli. Izračunavanjem ovih omjera možemo bolje razumjeti koliko se svaka količina mijenja u dijabetesu nakon inhibicije SGLT2. Međutim, unakrsna usporedba (npr. između filtracije i izlučivanja) je besmislena zbog njihovih različitih referentnih vrijednosti.

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

Reapsorpcija Na plus smanjuje se u proksimalnom tubulu za 10,3 posto. Rezultati simulacije sugeriraju da je smanjenje transporta Na plus u proksimalnom tubulu djelomično kompenzirano nizvodno, osobito iza debelih uzlaznih krakova medule (Slika 4(A3)). Povišena reapsorpcija Na plus duž spojnih tubula popraćena je pojačanim izlučivanjem K plus (Slika 4(B3)). Posljedično, inhibicija SGLT2 kod dijabetičarabubregizaziva diurezu, natriurezu i kaliurezu, pri čemu se izlučivanje urina povećava za 207 posto, izlučivanje Na plus za 308 posto, a izlučivanje K plus za 184 posto (Slika 4, ploče A2–D2).

2.3. Inhibicija SGLT2 kod dijabetičkog bubrega

Inhibicija SGLT2 smanjuje hiperfiltraciju smanjenu kod dijabetičara [28]. Stoga, kada simuliramo učinke blokade SGLT2, snižavamo GFR na nedijabetičku razinu od 151,2 L．dan一1. Razmatramo 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-a, inhibicija SGLT2 smanjuje filtrirano opterećenje glukoze s 1,52 na 1,3 mol．dan一1. Predviđa se da će izlučivanje glukoze biti 0.69 mol．dan一1, odnosno 53,1 posto filtrirane glukoze. Predviđeno izlučivanje glukoze unutar je raspona prijavljenih vrijednosti [29]. Proksimalni uvijeni tubul i segmenti S3 reapsorbiraju 0.23 odnosno 0.38 mol glukoze．dan一1. Za usporedbu, u odsutnosti inhibicije SGLT2, proksimalni uvijeni tubul i S3 reapsorbiraju 1,51 odnosno 0,01 mol glukoze．dan一1. Pogledajte sliku 3.

U slučaju teškog dijabetesa, predviđa se da će izlučivanje glukoze biti 2.02 mol．dan一1 (Slika 3B), što odgovara 66,8 posto filtrirane glukoze, unutar raspona prijavljenih vrijednosti [29]. Proksimalni uvijeni tubul i segmenti S3 reapsorbiraju {{10}}.5 odnosno 0,5 mol glukoze．dan一1, u usporedbi s odgovarajućom brzinom od 2,8 i 0,34 mol glukoze．dan一1 bez inhibicije SGLT2 ( Slika 3C) Važno je napomenuti da dok postoji izlučivanje glukoze preko uskog spoja u nedostatku liječenja, paracelularni put posreduje u reapsorpciji glukoze kada je SGLT2 inhibiran (zbog veće koncentracije glukoze u lumenu). Sve u svemu, ovi rezultati sugeriraju da, s 90 posto inhibicije SGLT2, SGLT1 jedva nadoknađuje blokadu SGLT2 kod dijabetesa, jer hiperglikemija i povećano opterećenje tubularnom glukozom već troše puni transportni kapacitet SGLT1 u odsutnosti inhibicije SGLT2.

Predviđa se da će inhibicija SGLT2 značajno smanjiti transport Na plus, prvenstveno zato što normalizira GFR i filtrirano opterećenje Na plus. Naše simulacije sugeriraju da, kao i 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 lumena do intersticija pogoduje lučenju Na plus u lumen preko uskih spojeva. Posljedično, u slučaju umjerenog dijabetesa, izlučivanje Na plus povećava se 2,2 puta, a izlučivanje urina 1,7 puta; u slučaju teškog dijabetesa, izlučivanje Na plus i izlučivanje urina povećavaju se za 4,9 odnosno 1,9 puta (Slika 4, ploče A2 i C2). Veći protok Na plus duž distalnih tubularnih segmenata povećava izlučivanje K plus, povećavajući izlučivanje K plus za 1,02 odnosno 1,9 puta, u slučajevima umjerenog i teškog dijabetesa (Slika 4, ploče B2). Predviđena povećanja, posebice količine izlučenog urina, veća su od prijavljenih vrijednosti [30]. Pretjerano izlučivanje urina može dovesti do smanjenja volumena, što zauzvrat aktivira mehanizme za smanjenje proizvodnje urina. Ti mehanizmi nisu predstavljeni u modelu, što može objasniti predviđanja velike količine urina i izlučivanja.

3. Rasprava

Glavni cilj ove studije je proširiti računalni model čovjekabubregi primijeniti taj model za proučavanje učinaka dijabetesa i inhibicije SGLT2 na transport otopljene tvari i vode duž nefrona. Dijabetes uzrokuje glomerularnu hiperfiltraciju i tubularnu hipertrofiju [31]. Kao posljedica toga, dijabetes povećava reapsorpciju Na plus i glukoze preko natrij-glukoznog kotransportera SGLT2 u ranom proksimalnom tubulu bubrežnog korteksa, te u manjoj mjeri preko SGLT1 u S3 segmentu bubrežne srži.

Povećana opterećenja transporta otopljenih tvari i vode dovode do povećanja transporta Na plus (TNa). Prethodno modeliranje štakorabubreg[17] predvidjeli su povećanje ukupnog TNa od 50 posto, s neproporcionalnim povećanjem 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 učinkovitosti [32], uključujući povećanje količine kisika potrebnog za prijenos određene količine Na plus. Kao rezultat toga, predviđa se da će se potrošnja kisika za podršku aktivnom TNa gotovo udvostručiti (povećanje od 88 posto [17]).

Sadašnji ljudskibubregmodel predviđa da se najveća povećanja TNa izazvana dijabetesom javljaju duž proksimalnih tubula i debelih uzlaznih udova (Slika 2(A3)). Dok se proksimalni zavojiti tubuli nalaze u dobro prokrvljenom bubrežnom korteksu, S3 i medularni debeli uzlazni krakovi nalaze se u vanjskoj medulari, gdje je napetost kisika znatno niža nego u korteksu [33,34]. Doista, poznato je da su ti segmenti osjetljivi na hipoksičnu ozljedu. Kao takvo, povećanje metaboličke potražnje izazvano dijabetesom može biti posebno stresno za ove segmente. Sve zajedno, sadašnji model predviđa, u slučajevima umjerenog i teškog dijabetesa, povećanje ukupnog TNa od 17 posto, odnosno 24 posto, te povećanje aktivnog TNa od 29,4 posto i 37,5 posto. Opseg hiperglikemije u slučaju teškog dijabetesa sličan je modelu štakora [17]. Međutim, sadašnji model predviđa manji porast TNa. Ta se razlika može pripisati manjoj GFR izazvanoj dijabetesom, a time i povećanju opterećenja filtriranim Na plus u ljudi. Bez obzira na to, viši aktivni TNa, zajedno sa smanjenjem metaboličke učinkovitosti uzrokovanim dijabetesom, vjerojatno će dovesti do značajnog povećanja potrebe za kisikom. Bez odgovarajućeg povećanja opskrbe kisikom, veća metabolička potražnja može rezultirati bubrežnom hipoksijom, za koju se smatra da je važan mehanizam u razvoju dijabetesa.bubregbolesti [35].

Vallon i suradnici su predložili da u ranom dijabetesu, pojačana reapsorpcija duž proksimalnih tubula, koja se djelomično može pripisati povećanju kotransporta Na plus -glukoze, ima primarnu ulogu u povećanju SNGFR: pojačani proksimalni tubularni transport smanjuje tubuloglomerularnog povratnog signala, tj. luminalnog [Cl一] kojeg očituju stanice macula densa, što rezultira povratno-induciranim povećanjem SNGFR-a. Tu hipotezu o "tubulu središtu" poduprli su eksperimenti s mikropunkcijom na štakorima [36,37]. Predviđanja sadašnjeg čovjekabubregmodel su u skladu s ovom hipotezom usmjerenom na tubule: predviđa se da će pojačani proksimalni tubularni transport kod dijabetesa sniziti luminalni [Cl一] na makuli densi za 24-27 posto u slučaju umjerenog dijabetesa i za 32-52 posto u teškom slučaju. dijabetesa, u usporedbi s nedijabetičarimabubreg, ovisno o vrsti nefrona. Konkretno, predviđa se da će luminalni [Cl-] na makuli densi površinskog nefrona biti 28,3, 21,3 i 18,6 mm u slučajevima bez dijabetesa, umjerenog i teškog dijabetesa. Kad bi GFR bio postavljen na nedijabetičke razine u slučajevima umjerenog i teškog dijabetesa, predviđeni macula densa luminal [Cl一] bio bi niži na 17,7 odnosno 15,6 mM. Dakle, ako je tubuloglomerularna povratna sprega prisutna u čovjekabubreg, rezultirajući vazodilatacijski signal predviđen kod dijabetesa mogao bi doprinijeti glomerularnoj hiperfiltraciji. Iako se pretpostavilo 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.

Štoviše, model predviđa da, ograničavanjem transporta Na plus -glukoze, inhibicija SGLT2 značajno povećava macula densa luminal [Cl一], što zatim može oslabiti glomerularnu hiperfiltraciju putem tubuloglomerularne povratne sprege. Konkretno, nakon primjene inhibitora SGLT2 u modelu umjerenog dijabetesa, predviđa se da će macula densa luminal [Cl一] duž površinskog nefrona biti 39,2 mM s pretpostavljenim učinkom na smanjenje GFR-a, a 51,4 mM bez. Odgovarajuća predviđanja za model teškog dijabetesa su 36,4 odnosno 48,1 mM, sa i bez učinka smanjenja GFR-a. Slični trendovi uočeni su u jukstamedularnim nefronima. Ovi su rezultati u skladu s kliničkim podacima koji pokazuju da je kronična inhibicija SGLT2 izazvala smanjenje eGFR-a u bolesnika s dijabetes melitusom tipa 2, čak i među onima s kroničnom bolešću bubrega [38]. Smanjenje glomerularne hiperfiltracije na razini jednog nefrona inhibicijom SGLT2 može pružiti dugoročne korisne učinke kod dijabetičarabubreg. Jedno pitanje je: U kojoj mjeri inhibicija SGLT2 smanjuje tubularni Na plus transport i potrošnju kisika duž nefrona? Model predviđa da će primjena inhibitora SGLT2 kod dijabetičarabubregsmanjuje ukupnu TNA za 21,8 posto, ali s tim da se većina tog smanjenja događa preko paracelularnog puta i s aktivnom TNA smanjenom za samo 3 posto.

Ukratko, razvili smo prvi računalni model detaljnog epitelnog transporta ububregbolesnika s dijabetesom. Model predviđa da, slično glodavcima, tubularna hipertrofija izazvana dijabetesom kod ljudi može doprinijeti glomerularnoj hiperfiltraciji preko (hipotetiziranog) tubuloglomerularnog povratnog signala [36], što zauzvrat rezultira velikim povećanjem transportnog opterećenja i metaboličke potražnje. Model se može koristiti za procjenu učinaka drugih često propisivanih lijekova, poput blokatora sustava angiotenzina II, na funkciju bubrega kod dijabetesa i za procjenu u kojoj se mjeri ti učinci prenose nabubregsa 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 spolni dimorfizam otkriven je u obilju prijenosnika elektrolita, kanala i klaudina u muških i ženki glodavaca [40,41]. Nalazi Veritasa i sur. pokazalo je da, u usporedbi s nefronima mužjaka štakora, nefroni ženki štakora pokazuju nižu aktivnost glavnih Na plus i prijenosnika vode duž proksimalnog dijela bubrežnog tubula (proksimalni tubul), što rezultira znatno većom frakcijskom isporukom Na plus i vode u nizvodni nefron segmenata u ženskim bubrezima. Zajedno s distalnim segmentima nefrona, ženkabubregpokazuje veću zastupljenost ključnih Na plus prijenosnika, u odnosu na muškarce, što rezultira sličnim izlučivanjem urina između spolova. Neke od ovih spolnih razlika u funkciji bubrega glodavaca vjerojatno se prenose na ljude. Poznato je da muškarci prije menopauze imaju viši krvni tlak u usporedbi sa ženama iste dobi [42,43]. S obzirom na ključnu ulogu bubrega u kontroli krvnog tlaka, uočene spolne razlike u prevalenciji hipertenzije mogu se dijelom pripisati razlikama u strukturi i funkciji bubrega [44-46]. Glavne razlike između glodavaca i čovjekabubregabez obzira na to, računalni model bubrega žene, inspiriran uzorkom bubrežnog transporta 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 bubrežnoj bolesti [50].

4. Materijali i metode

Prethodno smo razvili model transporta otopljene tvari duž ljudskih nefrona temeljen na epitelnim stanicamabubreg[10,25]. U ovoj studiji proširujemo taj model kako bismo simulirali dijabetički bubreg. Model predstavlja šest klasa nefrona: površinski nefron, koji se okreće na granici vanjske i unutarnje medule, i pet jukstamedularnih nefrona, koji dopiru do različitih razina unutarnje medule. Površinski nefroni čine 85 posto populacije nefrona i protežu se od Bowmanove kapsule do vrha papile. Preostalih 15 posto nefrona su jukstamedularni nefroni koji posjeduju Henleove petlje koje dosežu različite dubine u unutarnjoj moždini; većina dugih petlji okreće se unutar gornje unutarnje moždine. Svaki model nefrona predstavljen je kao tubul obložen slojem epitelnih stanica, s apikalnim i bazolateralnim transporterima koji se razlikuju prema tipu stanice. Model pretpostavlja da se spojni tubuli sukcesivno spajaju unutar korteksa, što rezultira omjerom između petlje i kortikalnog sabirnog kanala od 10:1 [51]. Modelni sabirni kanali prolaze kroz vanjsku medulu, a kada dođu do unutarnje medule, sabirni kanali se opet sukcesivno spajaju. Shematski dijagram za model prikazan je na slici 5. U bubregu bez dijabetesa, brzina glomerularne filtracije jednog nefrona (SNGFR) postavljena je na 100 odnosno 133 L/min za površinski i jukstamedularni nefron. Pretpostavljajući da u svakom ima ukupno 1 milijun nefronabubreg, ovo daje jedno-bubregGFR od 105 ml/min.

Model uzima u obzir 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 stacionarno stanje i sastoji se od velikog sustava spregnutih običnih diferencijalnih jednadžbi i algebarskih jednadžbi [10]. Rješenje modela opisuje protok tekućine u luminu, hidrostatski tlak, koncentracije otopljene tvari u luminalnoj tekućini i, s izuzetkom segmenta silaznog uda, koncentracije otopljene tvari u citosolu, membranski potencijal te transcelularne i paracelularne tokove. Parametri modela koji opisuju nedijabetičarabubregmožete pronaći u Ref. [10].

4.1. Transport glukoze u proksimalnom tubulu

Pod fiziološkim uvjetima, filtrirano opterećenje glukoze potpuno se reapsorbira u proksimalnom tubulu putem SGLT-a na apikalnoj strani i pomoćnika transporta glukoze (GLUT) na bazolateralnoj strani. Proksimalni zavojiti tubul eksprimira transporter SGLT2 velikog kapaciteta i niskog afiniteta zajedno s bazolateralnim GLUT2, dok segment S3 eksprimira transporter SGLT1 nižeg kapaciteta, većeg afiniteta i bazolateralni GLUT1. Razina ekspresije SGLT1 odabrana je tako da nakon inhibicije SGLT2, nedijabetički model predviđa transport ~60 posto filtrirane glukoze posredovan SGLT1- [52]. Modeliranje protoka glukoze i Na plus preko SGLT2 i SGLT1 kotransportera, te protoka 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 s nedijabetičke vrijednosti od 5 mM na 8,6 mM (što nazivamo "umjerenim slučajem dijabetesa") i drugo u kojem je glukoza u plazmi 20 mM ( "teški slučaj dijabetesa"). Dijabetes uzrokuje bubrežnu hipertrofiju, hiperfiltraciju i promjene u ekspresiji transportera. Stoga, uz povećanje koncentracije glukoze u plazmi, simulirali smo dijabetička stanja povećanjem SNGFR za 27 i 10 posto [4] u površinskim i jukstamedularnim nefronima, u oba umjerena i teška slučaja. Kako bismo simulirali tubularnu hipertrofiju, povećali smo promjer tubula i duljinu proksimalnih tubula za 10 posto u umjerenom slučaju i za 28 posto u teškom slučaju; i povećali smo promjer i duljinu distalnih segmenata za 18 odnosno 7 posto u umjerenom slučaju, odnosno za 42 odnosno 7 posto u teškom slučaju [17,53]. Nadalje, aktivnost SGLT2 je regulirana naviše za plus 38 posto, GLUT2 za plus 50 posto, a NKCC za plus 10 posto. Aktivnost SGLT1 smanjena je za 一33 posto. Aktivnost Na/K-ATPaze povećana je za plus 10 posto zajedno sa svim segmentima nefrona, osim debelog uzlaznog kraka i unutarnjeg medularnog sabirnog kanala. Zajedno s debelim uzlaznim udovima, aktivnost Na/K-ATPaze je povećana za plus 20 posto. Za unutarnji medularni sabirni kanal, aktivnost Na/K-ATPaze povećava se za plus 50 posto zajedno s početnih 2/3 i plus 150 posto zajedno s ostatkom segmenta u slučaju umjerenog dijabetesa, te za plus 150 posto duž cijeli segment kod teškog dijabetesa. Transcelularna propusnost za vodu je povećana zajedno s segmentima kortikalnog i unutarnjeg 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; čuvanje podataka, AL; pisanje—izvorna priprema nacrta, AL; pisanje—pregled i uređivanje, AL i RH; vizualizacija, RH; nadzor, AL; administracija projekta, AL; prikupljanje sredstava, AL Svi su autori pročitali i složili se s objavljenom verzijom rukopisa.

Financiranje:Ovo istraživanje je podržano od strane programa Canada 150 Research Chair i Vijeća za istraživanje prirodnih znanosti i inženjerstva Kanade, putem nagrade Discovery (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 prihvaćanja ovog rukopisa.

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

Reference

1. Saeedi, P.; Petersohn, I.; Salpea, P.; Malanda, B.; Karuranga, S.; Unwin, N.; Colagiuri, S.; Guariguata, L.; Motala, AA; Ogurtsova, K.; et al. Procjene globalne i regionalne prevalencije dijabetesa za 2019. i projekcije za 2030. i 2045.: rezultati Atlasa dijabetesa Međunarodne dijabetičke federacije. Diabetes Res. Clin. Vježbajte. 2019, 157, 107843.

2. Foley, RN; Collins, AJ Završni stadij bubrežne bolesti 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 bubrežni protok plazme u kratkotrajnom i dugotrajnom juvenilnom dijabetes melitusu. skenirati J. Clin. Laboratorija. Istražite. 1971, 28, 91–100.

5. Eaton, DC; Pooler, J.; Vander, AJ Vanderova bubrežna fiziologija, 7. izdanje; McGraw-Hill Medical: New York, NY, SAD, 2009.

6. Hoenig, saborski zastupnik; Zeidel, ML Homeostasis, the milieu Interieur, and the wisdom of the nephron. Clin. J. Am. Soc. Nefrol. 2014, 9, 1272–1281.

7. Dantzler, WH; Pannabecker, TL; Layton, AT; Layton, HE Mehanizam koncentriranja urina u unutarnjoj meduli bubrega sisavaca: 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 popustljivog debelog uzlaznog uda. matematika Biosci. 2010, 228, 185–194.

10. Layton, AT; Layton, HE Računalni model prijenosa epitelne otopine i vode duž ljudskog nefrona. PLoS računalo. Biol. 2018, 15, e1006108.

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

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

13. Edwards, A.; Castrop, H.; Laghmani, K.; Vallon, V.; Layton, AT Učinci regulacije izoforme NKCC2 na transport NaCl u debelom uzlaznom udu i macula densa: Studija modeliranja. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2014, 307, F137-F146.

14. Layton, AT; Laghmani, K.; Vallon, V.; Edwards, A. Prijenos otopljene tvari i potrošnja kisika duž nefrona: Učinci inhibitora prijenosa Na plus. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2016, 311, F1217-F1229.

15. Layton, AT; Vallon, V. Inhibicija SGLT2 u bubregu sa smanjenim brojem nefrona: Modeliranje i analiza transporta i metabolizma otopljene tvari. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2018, 314, F969-F984.

16. Layton, AT; Vallon, V.; Edwards, A. Modeliranje potrošnje kisika u proksimalnom tubulu: Učinci 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 štakora. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2016, 310, F1269-F1283.

18. Layton, AT; Vallon, V.; Edwards, A. Adaptivne promjene u GFR, tubularnoj morfologiji i transportu kod subtotalnih nefrektomiranih bubrega: modeliranje i analiza. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2017, 313, F199-F209.

20. Sgouralis, I.; Evans, RG; Gardiner, BS; Smith, JA; Fry, BC; Layton, AT Bubrežna hemodinamika, funkcija i oksigenacija tijekom kardiokirurškog zahvata izvedenog na kardiopulmonalnoj premosnici: Studija modeliranja. Physiol. Rep. 2015, 3, e12260.

20. Layton, AT Sladak 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.; Zakon, G.; Desai, M.; Matthews, DR Canagliflozin i kardiovaskularni i bubrežni događaji kod dijabetesa tipa 2. N. engl. J. Med. 2017, 377, 644–657.