Bolesti majke i epigenetska regulacija u razvoju bubrega
Mar 20, 2022
za više informacija:ali.ma@wecistanche.com
DIO Ⅱ: Učinci okolišnih uvjeta na broj nefrona: Modeliranje bolesti majke i epigenetske regulacije u razvoju bubrega
Lars Fuhrmann, Saskia Lindner, Alexander-Thomas Hauser, Clemens Höse i dr.
Sažetak
Sve veći broj dokaza ukazuje na to da mali broj nefrona pri rođenju može povećati rizik od kronične bolesti bubrega ili hipertenzije kasnije u životu. Stresori iz okoliša, kao što su pothranjenost majke, lijekovi i pušenje, mogu utjecati na veličinu bubrega pri rođenju. Korištenjem kultura metanefričkih organa za modeliranje uvjeta okoliša s jednom varijablom, modeli majčinih bolesti procijenjeni su za obrasce razvojnog oštećenja. Dok je hipertermija imala ograničene učinke na razvoj bubrega, fetalni nedostatak željeza bio je povezan s teškim oštećenjem rasta bubrega i nefrogeneze s proksimalnim fenotipom. Uzgoj eksplantata bubrega u uvjetima visoke glukoze doveo je do staničnih i transkriptomskih promjena koje nalikuju ljudskoj dijabetičkoj nefropatiji. Kratkotrajni uvjeti kulture s visokom glukozom bili su dovoljni za dugoročne promjene u epigenetskoj memoriji povezanoj s metilacijom DNA. Konačno, uloga epigenetskih modifikatora u razvoju bubrega testirana je pomoću male biblioteke spojeva. Među odabranim epigenetskim inhibitorima, različiti spojevi su izazvali učinak na rast bubrega, kao što su inhibitori HDAC (entinostat, TH39), histon demetilaze (deferasiroks, deferoksamin) i histon metiltransferaze (ciproheptadin). Stoga kulture metanefričkih organa pružaju vrijedan sustav za proučavanje metaboličkih stanja i alat za probir epigenetskih modifikatora u razvoju bubrega.
Kliknite na Cistanche na urdu jeziku za funkciju bubrega
KLIKNITE OVDJE ZA DIO Ⅰ
3. Rasprava
Razvoj bubrega primarno se odvija u maternici i podložan je smetnjama metaboličkih i okolišnih utjecaja. Broj nefrona određuje se pri rođenju, a sve više dokaza ukazuje da je nizak broj nefrona čimbenik rizika za razvoj hipertenzije i kronične bolesti bubrega kasnije u životu [2-4,60]. Međutim, mnogi čimbenici koji utječu na broj nefrona i načine djelovanja još su nepoznati. Ovdje su embrionalni bubrezi dualno-fluorescentnih miševa reportera uzgojenih na Transwell umetcima korišteni za modeliranje metaboličkih stanja majke i probiranje epigenetskih inhibitora.
Iako mnoge studije sada uključuju organoide bubrega pomoću ljudskih iPS stanica [61], kulture bubrega su vrijedan alat za detaljnu analizu fenotipova posredovanih metaboličkim stanjima ili inhibicijskim agensima. Iako su kulture progenitorskih stanica i organoidi bubrega alternative sa značajnim potencijalom za ispitivanje teratogenosti, podložni su ograničenjima, poput velike varijabilnosti u diferencijaciji i rastu te nedostatka konvencionalne strukture organa. To čini kulturu metanefričkih organa vrijednom alternativom za istraživanje uvjeta koji ne bi bili izvedivi in vivo.
Dakle, hipertermija i nedostatak željeza daju dva primjera istraživanja okolišnih uvjeta s različitim ishodima na rast bubrega i broj nefrona. Dok su podaci o učinku hipertermije na rast bubrega rijetki, učinak ex vivo restrikcije željeza u skladu je s prethodnim izvješćima o nedostatku željeza kod majki u štakora [23.24], iako je model ograničen u repliciranju točnog in utero stanja u smislu koncentracija i kinetika željeza. Naši su rezultati također pokazali da je mitotička aktivnost smanjena u uvjetima s ograničenim unosom željeza. Željezo igra ključnu ulogu u mnogim staničnim procesima, kao što je stanični ciklus [62]. Naša morfološka analiza pokazala je fenotip diferencijacije svih proksimalnih nefrona, vjerojatno kao rezultat inhibirane kanoničke Wnt signalizacije. Široko rasprostranjena niža regulacija gena povezanih s Wnt signalizacijom ranije je prijavljena u analizi mikromreža potomaka štakora koji su bili izloženi nedostatku željeza kod majke [63]. Mehanički gledano, pokazalo se da intracelularno smanjenje željeza pomoću kelirajućih agenasa inducira proteasomalnu degradaciju -katenina, glavnog nizvodnog efektorskog proteina kanonskog puta Wnt u raku i neuralnim progenitorskim stanicama [64,65].
Kao drugo metaboličko stanje, modeliranje visoke izloženosti glukozi rezultiralo je učincima sličnim onima in vivo majčinog dijabetesa izazvanog streptozotocinom[10,26,27,66-71]. Dok naš model nije mogao reproducirati učinke uvjeta glukoze od 30 mM, vjerojatno zbog prethodno objavljenog utjecaja pozadine miša [28,72], uvjeti glukoze od 55 mM rezultirali su smanjenjem rasta i smanjenim brojem nefrona. Histološki i ultrastrukturno vidljive su izražene promjene u glomerulima, s ekspanzijom glomerularnog bazalnog matriksa nalik humanoj dijabetičkoj nefropatiji. Sličnosti između bubrežnog odgovora mišjeg fetusa i odrasle osobe na visoku glukozu s jasnom ekspanzijom ECM-a i regulacijom ključnih gena za podocite bile su zapanjujuće i otkrile su mnoge poznate gene povezane s dijabetesom, što ukazuje na korištenje sličnih mehanizama u podocitima i tubulima. Međutim, do sada nije poznato da li isti temeljni putovi dovode do dediferencijacije kod dijabetičke nefropatije i smanjenja diferencijacije tijekom fetalne diferencijacije. Zanimljivo, neglukozne promjene okoline dijabetičara, kao što je hiperketonemija, također su pokazale da posreduju u teratogenezi, ali nisu replicirane u modelu kulture bubrega [73,74]. Dugoročni učinci hiperglikemije također su bili ponovljivi u našem modelu, pokazujući kontinuirano usporavanje rasta nakon normalizacije glikemije slično prethodnim izvješćima [10]. Uz to, analiza metilacije DNA otkrila je produljenu hipometilaciju DNA u repetitivnim regijama i hipermetilaciju na lokusu Ppargcla nakon povratka u medij s niskom glukozom, što ukazuje na stvaranje metaboličke memorije nakon razdoblja metaboličkog stresa [30]. Za mnogo više različito reguliranih gena također se ranije pokazalo da su epigenetski regulirani u dijabetesu. Na primjer, regulirani gen MEST utisnut je s majke i hipometiliran u gestacijskom dijabetesu[75]. S100A4 je diferencijalno metilirani marker inzulinske rezistencije u pretile djece [76]. Od gena s niskom regulacijom, ESM1 i RASGRP3 primjeri su gena različito metiliranih u gestacijskom dijabetesu [77,78], pokazujući sve veću pojavu veza između dijabetesa i epigenetske regulacije. Stoga naš sustav ističe epigenetsku modifikaciju ili fetalno programiranje kao važan regulatorni mehanizam.
Poznato je da je nekoliko epigenetskih regulacijskih enzima uključeno u bubrežnu morfogenezu i regulaciju transkripcije u funkciji odraslih organa i bolesti [30,40,79-81]. Koristeći kulture bubrega kao alat za probir, tražili smo dodatne epigenetske modifikatore koji igraju ulogu u razvoju bubrega i morfogenezi nefrona. Entinostat (MS-275) je smanjio veličinu bubrega u skladu s prethodno prijavljenim genetskim brisanjem HDAC1 i HDAC2 bilo u progenitorskim stanicama nefrona ili stanicama pupoljaka uretera[44,82,83]. Dok je inhibicija HDAC8 od strane TH39 također izazvala ozbiljno smanjenje rasta eksplantata i nedostatak diferencijacije, visoko specifičan inhibitor HDAC8 PCI-34051nije pokazao nikakav učinak, ukazujući na neciljane učinke TH39, kao što su drugi HDAC. S fenotipom sličnim onom bubrega uzgojenih u uvjetima nedostatka željeza, deferasiroks i deferoksamin, objavljeni inhibitori histonskih demetilaza koje sadrže JumonjiC domenu ovisne o željezu [50], mogu pokazivati neciljane učinke zbog kelacije željeza. Dok je ciproheptadin, antagonist histamina i objavljeni inhibitor Set7/9 histon metiltransferaze, pokazao jedinstveni fenotip dovodeći do difuzije populacije progenitorskih stanica, dodatni rezultati ukazali su na učinke izvan cilja koji uključuju Wnt signalni put [48]. Sve u svemu, ova biblioteka inhibitora koje je odobrila FDA pokazuje potencijal za brz i učinkovit probir za epigenetske modulatore. Zbog ograničenog korištenog vremenskog okvira, inhibitori koji zahtijevaju produljeno izlaganje da bi postigli učinak mogli su biti propušteni u ovoj postavci. Stoga azacitidin nije pokazao učinak unatoč objavljenom fenotipu nokauta Dnmt1 [30].
Iako sustav kulture bubrega nudi snažan razvoj bubrega, nekoliko aspekata ograničava istraživanje ili tumačenje rezultata u ovom redukcionističkom modelu. Prvo, studije su pokazale razlike u razvoju miševa i ljudi te ekspresiji gena, ograničavajući upotrebu mišjeg modela. Nadalje, vremenska ograničenja u ovom sustavu možda neće dopustiti odvijanje svih složenih procesa. Ovo može objasniti neke uvjete okoliša i epigenetske inhibitore koji nisu uspjeli utjecati na razvoj bubrega u ovoj studiji. Štoviše, neki od inhibitora pokazuju nespecifične učinke koji mogu pridonijeti inhibiciji drugih putova, kao što je slučaj ciproheptadina, za koji se čini da pokazuje svoj učinak aktivacijom GSK3-beta, ili slučaj kelacije željeza putem deferasiroks/deferoksamin. Osim ove studije dokaza koncepta, epigenetski inhibitorni ekran mogao bi se proširiti na više (specifičnih) inhibitora; produljena vremenska razdoblja; dodatni kriteriji proučavanja, kao što su broj nefrona i grananje pupoljka uretera; te transkriptomske i epigenetske studije.
Ukratko, bubrežne kulture omogućuju karakterizaciju niza modela majčinih bolesti, kao što su hipertermija, nedostatak željeza i majčin dijabetes, te probir farmakoloških spojeva, pružajući prikladnu platformu za istraživanje preslušavanja utjecaja okoliša u razvoju bubreg i njegovo epigenetsko programiranje.
Reference
1. Barker, DJ. Fetalno i dojenačko podrijetlo bolesti odraslih. BMJ 1990, 301, 1111. [CrossRef]
2. Wang, X.; Garrett, MR broj nefrona, hipertenzija i CKD: Fiziološki i genetski uvid iz modela ljudi i životinja. Phy/tlo. Genom.2017, 49, 180-192. [CrossRef] [PubMed]
3. Hughson, MDDouglas-Denton, R.; Bertram, JF; Hoy, WE Hipertenzija, glomerularni broj i porođajna težina u Afroamerikanaca i bijelih ispitanika u jugoistočnim Sjedinjenim Državama. Kidney Int. 2006. 69, 671-678. [CrossRefl [PubMedl
4. Keller, G.; Zimmer, G.; Mall, G.; Ritz, E.; Amann, K. Broj nefrona 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 nedostatka nefrona kod štakora. Kidney Int.1998, 54, 1455-1462. [CrossRef] [PubMed]
6. Langley-Evans, SC; Welham, SJ; Jackson, AA Izlaganje fetusa majčinoj dijeti s malo proteina smanjuje nefrogenezu i potiče hipertenziju kod štakora. Life Sci. 1999, 64, 965-974. [CrossRef]
7. Singh, RR; Moritz, KM; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LA Učinci izloženosti deksametazonu na metanefrični razvoj štakora: 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 nadarenost nefrona. Pediatr. Res.2010, 68, 91-98. [CrossRefl
9. Lewis. RM: Forhead, AJ: Petry, CL: Ozanne.SE: Hales. C, N, Dugoročno programiranje krvnog tlaka ograničenjem željeza u prehrani majke kod štakora. Br. J. Nutr. 2002, 88, 283-290. [CrossRef]
10. Hokke, SN; Armitage, JA; Puelles, VG; Kratki, KM; Jones, L.; Smyth, IM.; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LA Promijenjena morfogeneza grananja uretera i obdarenost nefrona u potomaka dijabetičara i trudnoća 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 autopsijskim bubrezima: odnos prema porođajnoj težini. Kidney Int.2003, 63,2113-2122. [CrossRef] [PubMed]
12. Bianchi, G.; Fox, U.; Di Francesco, GF; Giovanetti, AM; Pagetti, D. Promjene krvnog tlaka uzrokovane transplantacijom bubrega između spontano hipertenzivnih štakora i normotenzivnih štakora. 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. Diferencijacija 1987, 36,2-11. [CrossRef]
15. Andersen, AM; Vastrup, P.; Wohlfahrt, J.; Andersen, PK; Olsen, J.; Melbye, M. Groznica u trudnoći i rizik od fetalne smrti: kohortna studija. Lancet 2002, 360, 1552-1556. [CrossRef]
16. Edwards, MJ. Hipertermija kao teratogen: pregled eksperimentalnih studija i njihovo kliničko značenje. Toronto. Karcinog. Mutagen. 1986, 6, 563-582. [CrossRef] [PubMed]
17. Dreier, JW; Andersen, AM; Berg-Beckhoff, G. Sustavni pregled i meta-analize: Vrućica u trudnoći i zdravstveni utjecaji na potomstvo. Pediatrics 2014, 133, e674-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. Izvješće majke o povišenoj tjelesnoj temperaturi uzrokovanoj prehladom ili gripom tijekom rane trudnoće i rizik od nekardijalnih urođenih mana, Nacionalna studija prevencije urođenih mana, 1997-2011.Birth Defects Res.2018, 110,342-351. [CrossRef]
19. Abe, K; Honein, MA; Moore, CA Majčine febrilne bolesti, uporaba lijekova i rizik od kongenitalnih bubrežnih anomalija. Urođeni defekti Res.A Clin. Mol.Teratol.2003,67, 911-918. [CrossRef]