Malaltia materna i regulació epigenètica en el desenvolupament renal

per a més informació:ali.ma@wecistanche.com

PART Ⅱ: Efectes de les condicions ambientals sobre el nombre de nefrones: modelització de la malaltia materna i la regulació epigenètica en el desenvolupament renal

Lars Fuhrmann, Saskia Lindner, Alexander-Thomas Hauser, Clemens Höse & et al.

Resum

Un nombre creixent d'evidències suggereix que un nombre baix de nefrones en néixer pot augmentar el risc de malaltia renal crònica o hipertensió més tard a la vida. Els factors d'estrès ambiental, com la desnutrició materna, la medicació i el tabaquisme, poden influir en la mida renal en néixer. Utilitzant cultius d'òrgans metanefrics per modelar condicions ambientals d'una sola variable, es van avaluar models de malaltia materna per als patrons de deteriorament del desenvolupament. Tot i que la hipertèrmia va tenir efectes limitats sobre el desenvolupament renal, la deficiència de ferro fetal es va associar amb un deteriorament greu del creixement renal i la nefrogènesi amb un fenotip totalment proximal. El cultiu d'explants de ronyó en condicions elevades de glucosa va provocar canvis cel·lulars i transcriptòmics semblants a la nefropatia diabètica humana. Les condicions de cultiu de glucosa a curt termini eren suficients per a alteracions a llarg termini en la memòria epigenètica associada a la metilació de l'ADN. Finalment, es va provar el paper dels modificadors epigenètics en el desenvolupament renal mitjançant una petita biblioteca de compostos. Entre els inhibidors epigenètics seleccionats, diversos compostos van provocar un efecte sobre el creixement renal, com ara HDAC (entinostat, TH39), la histona desmetilasa (deferasirox, deferoxamina) i els inhibidors de la histona metiltransferasa (ciproheptadina). Així, els cultius d'òrgans metanefrics proporcionen un sistema valuós per estudiar les condicions metabòliques i una eina per a la detecció de modificadors epigenètics en el desenvolupament renal.

Feu clic a Cistanche en urdú per a la funció renal

FEU CLIC AQUÍ PER PART Ⅰ

3. Discussió

El desenvolupament renal té lloc principalment a l'úter i està subjecte a interferències d'influències metabòliques i ambientals. El nombre de nefrones es determina des del naixement i un nombre creixent d'evidències suggereix que el nombre baix de nefrones és un factor de risc per al desenvolupament d'hipertensió i malaltia renal crònica més tard a la vida [2-4,60]. No obstant això, encara es desconeixen molts factors que influeixen en el nombre de nefrones i els modes d'acció. Aquí, es van utilitzar ronyons embrionaris de ratolins reporters fluorescents dual cultivats en insercions Transwell per modelar condicions metabòliques maternes i detectar inhibidors epigenètics.

Tot i que molts estudis inclouen organoides renals que utilitzen cèl·lules iPS humanes [61], els cultius de ronyó són una eina valuosa per a l'anàlisi detallada dels fenotips mediats per condicions metabòliques o agents inhibidors. Si bé els cultius de cèl·lules progenitores i els organoides renals són alternatives amb un potencial important per a investigacions de teratogenicitat, estan subjectes a limitacions, com ara una gran variabilitat en la diferenciació i creixement i la manca d'una estructura d'òrgans convencional. Això fa que el cultiu d'òrgans metanefrics sigui una alternativa valuosa per investigar condicions que no serien factibles in vivo.

Així, la hipertèrmia i la deficiència de ferro proporcionen dos exemples d'investigació de condicions ambientals amb diferents resultats sobre el creixement renal i el nombre de nefrones. Tot i que les dades sobre l'efecte de la hipertèrmia sobre el creixement renal són escasses, l'efecte de la restricció de ferro ex vivo està en línia amb els informes anteriors de deficiència de ferro materna en rates [23.24], tot i que el model és limitat per replicar l'estat exacte in utero en termes de concentració i cinètica del ferro. Els nostres resultats també han demostrat que l'activitat mitòtica es redueix en condicions de restricció de ferro. El ferro té un paper essencial en molts processos cel·lulars, com el cicle cel·lular [62]. La nostra anàlisi morfològica va mostrar un fenotip de diferenciació de nefrones totalment proximal, possiblement com a resultat de la senyalització canònica de Wnt inhibida. Anteriorment, s'ha informat d'una baixa regulació generalitzada dels gens associats a la senyalització Wnt en una anàlisi de microarrays de descendència de rates exposades a una deficiència de ferro materna [63]. Mecànicament, s'ha demostrat que l'esgotament intracel·lular de ferro per agents quelants indueix la degradació proteasòmica de -catenina, la principal proteïna efectora aigües avall de la via canònica Wnt en cèl·lules cancerígenes i progenitores neuronals [64,65].

Com a altra condició metabòlica, el modelatge d'una exposició elevada a la glucosa va donar lloc a efectes similars als de la diabetis materna induïda per estreptozotocina in vivo [10,26,27,66-71]. Tot i que el nostre model no va poder reproduir els efectes de les condicions de glucosa de 30 mM, probablement a causa de la influència prèviament informada del fons del ratolí [28,72], les condicions de glucosa de 55 mM van provocar una reducció del creixement i una disminució del nombre de nefrones. Els canvis pronunciats eren visibles histològicament i ultraestructuralment als glomèruls, amb l'expansió de la matriu del soterrani glomerular semblant a la nefropatia diabètica humana. Les similituds entre la resposta renal fetal murina i la resposta renal adulta humana a glucosa elevada amb una expansió ECM diferent i una regulació negativa dels gens clau dels podòcits van ser sorprenents i van revelar molts gens coneguts associats a la diabetis, cosa que indica l'ús de mecanismes similars en els podòcits i els túbuls. Tanmateix, fins ara es desconeix si les mateixes vies subjacents condueixen a la desdiferenciació en la nefropatia diabètica i a la disminució de la diferenciació durant la diferenciació fetal. Curiosament, també s'ha demostrat que les alteracions no glucèmiques de l'entorn diabètic, com la hipercetonèmia, medien la teratogènesi, però no es van replicar en el model de cultiu renal [73,74]. Els efectes a llarg termini de la hiperglucèmia també eren reproduïbles en el nostre model, mostrant un retard continu del creixement després de la normalització de la glucèmia similar als informes anteriors [10]. A més, l'anàlisi de metilació de l'ADN va revelar una hipometilació prolongada de l'ADN a les regions repetitives i una hipermetilació al lloc Ppargcla després de la inversió a un medi baix en glucosa, cosa que indica la formació de memòria metabòlica després d'un període d'estrès metabòlic [30]. També s'ha demostrat anteriorment que molts més dels gens regulats de manera diferencial estan regulats epigenèticament en la diabetis. Per exemple, el gen regulat MEST està imprès maternalment i hipometilat en la diabetis mellitus gestacional [75]. S100A4 és un marcador diferencialment metilat de la resistència a la insulina en nens obesos [76]. Dels gens regulats a la baixa, ESM1 i RASGRP3 són exemples de gens metilats de manera diferenciada en la diabetis gestacional [77,78], que mostren l'aparició creixent de vincles entre la diabetis i la regulació epigenètica. Així, el nostre sistema destaca la modificació epigenètica o la programació fetal com un mecanisme regulador important.

Se sap que diversos enzims reguladors epigenètics estan implicats tant en la morfogènesi renal com en la regulació transcripcional en la funció i la malaltia dels òrgans adults [30,40,79-81]. Utilitzant cultius renals com a eina de cribratge, vam cercar modificadors epigenètics addicionals que tinguessin un paper en el desenvolupament renal i la morfogènesi de la nefrona. Entinostat (MS-275) va reduir la mida del ronyó en concordança amb la supressió genètica prèviament informada de HDAC1 i HDAC2 a les cèl·lules progenitores de la nefrona o a les cèl·lules del brot uretèric[44,82,83]. Tot i que la inhibició de l'HDAC8 per part de TH39 també va induir una reducció severa del creixement de l'explant i la manca de diferenciació, l'inhibidor altament específic d'HDAC8 PCI-34051no va mostrar cap efecte, indicant així efectes fora de l'objectiu de TH39, com altres HDAC. Amb un fenotip similar al dels ronyons cultivats en condicions de dèficit de ferro, deferasirox i deferoxamina, els inhibidors publicats de les histones desmetilases que contenen el domini JumonjiC depenent del ferro [50], poden presentar efectes fora de l'objectiu a causa de la quelació del ferro. Mentre que la ciproheptadina, un antagonista de la histamina i un inhibidor publicat de la histona metiltransferasa Set7/9, va mostrar un fenotip únic provocant la difusió de la població de cèl·lules progenitores, els resultats addicionals van apuntar a efectes fora de l'objectiu que implicaven la via de senyalització Wnt [48]. En conjunt, aquesta biblioteca d'inhibidors aprovats per la FDA mostra el potencial de cribratge ràpid i eficaç de moduladors epigenètics. A causa del període de temps limitat utilitzat, els inhibidors que requereixen una exposició prolongada per exercir un efecte podrien haver-se perdut en aquesta configuració. Així, l'azacitidina no va mostrar cap efecte malgrat el fenotip publicat d'eliminació de Dnmt1 [30].

Si bé el sistema de cultiu renal ofereix un desenvolupament renal robust, diversos aspectes limiten la investigació o la interpretació dels resultats en aquest model reduccionista. En primer lloc, els estudis han demostrat diferències en el desenvolupament del ratolí i humà i l'expressió gènica, limitant l'ús del model de ratolí. A continuació, les limitacions de temps en aquest sistema poden no permetre que es desenvolupin tots els processos complexos. Això pot explicar que algunes de les condicions ambientals i els inhibidors epigenètics no afecten el desenvolupament renal en aquest estudi. A més, alguns dels inhibidors mostren efectes inespecífics que poden contribuir a la inhibició d'altres vies, com en el cas de la ciproheptadina, que sembla mostrar el seu efecte mitjançant l'activació de GSK3-beta, o el cas de la quelació del ferro mitjançant deferasirox/deferoxamina. Més enllà d'aquest estudi de prova de concepte, la pantalla d'inhibidors epigenètics es podria estendre a més inhibidors (específics); períodes de temps prolongats; criteris d'estudi addicionals, com ara el nombre de nefrones i la ramificació dels brots ureteris; i estudis transcriptòmics i epigenètics.

En resum, els cultius renals permeten la caracterització d'una sèrie de models de malalties maternes, com la hipertèrmia, la deficiència de ferro i la diabetis materna, i el cribratge de compostos farmacològics, proporcionant una plataforma adequada per investigar la diafonia entre les influències ambientals del desenvolupament. ronyó i la seva programació epigenètica.

Referències

1. Barker, DJEls orígens fetals i infantils de la malaltia adulta. BMJ 1990, 301, 1111. [CrossRef]

2. Wang, X.; Garrett, MR Nephron number, hipertensió i CKD: visió fisiològica i genètica d'humans i models animals. Phy/sòl. Genom.2017,49, 180-192. [CrossRef] [PubMed]

3. Hughson, MDDuglas-Denton, R.; Bertram, JF; Hoy, WE Hipertensió, nombre glomerular i pes al néixer en afroamericans i subjectes blancs al sud-est dels Estats Units. Ronyó Int. 2006. 69,671-678. [CrossRefl [PubMedl

4. Keller, G.; Zimmer, G.; Mall, G.; Ritz, E.; Amann, K. Nombre de Nephron en pacients amb hipertensió primària.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. La deficiència lleu de vitamina A condueix a un dèficit innat de nefrona a la rata. Kidney Int.1998,54, 1455-1462. [CrossRef] [PubMed]

6. Langley-Evans, SC; Welham, SJ; Jackson, AA L'exposició fetal a una dieta materna baixa en proteïnes perjudica la nefrogènesi i promou la hipertensió a la rata. Life Sci.1999, 64, 965-974. [Ref creuat]

7. Singh, RR; Moritz, KM; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LA Efectes de l'exposició a la dexametasona sobre el desenvolupament metanèfric de rata: estudis in vitro i in vivo. Am.J. Physiol.Renal. Physiol.2007, 293, F548-F554. [Ref creuat]

8. Cain IE: Di Giovanni, V; Smeeton, J; Rosenblum, ND Genètica de la hipoplàsia renal: coneixements sobre els mecanismes que controlen la dotació de nefrones. Pediatria. Res.2010, 68, 91-98. [CrossRefl

9. Lewis. RM: Forhead, AJ: Petry, CL: Ozanne.SE:Hales. C, N, Programació a llarg termini de la pressió arterial per restricció de ferro en la dieta materna a la rata. Br. J. Nutr. 2002, 88, 283-290. [Ref creuat]

10. Hokke, SN; Armitage, JA; Puelles, VG; Curt, KM; Jones, L.; Smyth, IM.; Bertram, JF; Cullen-McEwen, LA Morfogènesi de ramificació uretèrica alterada i dotació de nefrones en descendència d'embaràs diabètic i tractat amb insulina. PLoS ONE 2013, 8, e58243.

11. Hughson, M; Farris, AB, 3r; Douglas-Denton, R.; Hov, WE; Bertram, JF Nombre i mida glomerular en ronyons d'autòpsia: la relació amb el pes al néixer. Kidney Int.2003, 63,2113-2122. [CrossRef] [PubMed]

12. Bianchi, G.; Fox, U.; Di Francesco, GF; Giovanetti, AM; Pagetti, D. Canvis de pressió arterial produïts pel trasplantament creuat de ronyó entre rates espontàniament hipertenses i rates normotenses. Clin. Ciència. Mol. Med. 1974, 47, 435-448. [CrossRef] [PubMed]

13. Trowell, tècnica modificada OAA per al cultiu d'òrgans in vitro. Exp. Res cel·lular 1954, 6,246-248. [CrossRefl

14. Saxen, L.; Lehtonen, E. Ronyó embrionari en cultiu d'òrgans. Diferenciació 1987, 36,2-11. [Ref creuat]

15. Andersen, AM; Vastrup, P.; Wohlfahrt, J.; Andersen, PK; Olsen, J.; Melbye, M. Febre durant l'embaràs i risc de mort fetal: un estudi de cohort. Lancet 2002, 360, 1552-1556. [Ref creuat]

16. Edwards, MJ. La hipertèrmia com a teratogen: una revisió dels estudis experimentals i la seva importància clínica. Toronto. Carcinog. Mutàgen. 1986, 6, 563-582. [CrossRef] [PubMed]

17. Dreier, JW; Andersen, AM; Berg-Beckhoff, G. Revisió sistemàtica i metaanàlisis: Febre durant l'embaràs i impactes sobre la salut en la descendència. Pediatria 2014, 133, e674-e688. [Ref creuat]

18. Waller, DK; Hashmi, SS; Hoyt, AT; Duong, HT: Tinker, SC; Gallaway, MS; Olney, RS; Finnell, RH; Hecht, JT; Canfield, MA; et al. Informe matern de febre per refredat o grip durant l'embaràs precoç i el risc de defectes de naixement no cardíacs, National Birth Defects Prevention Study, 1997-2011.Birth Defects Res.2018, 110,342-351. [Ref creuat]

19. Abe, K; Honein, MA; Moore, CA. Malalties febrils maternes, ús de medicaments i risc d'anomalies renals congènites. Defectes de naixement Res.A Clin. Mol.Teratol.2003,67, 911-918. [Ref creuat]