Der Einfluss von antidiuretischem Hormon auf die medulläre Genexpression in Brattleboro Ratten

Abstract

Einleitung: Die Aktivierung renaler Elektrolyt- und Wassertransportprozesse durch das antidiuretische Hormon (ADH) gilt als zentraler Mechanismus für die Aufrechterhaltung der Osmo- und Volumenhomöostase. Gleichzeitig gibt es Hinweise auf eine Rolle von ADH bei der Entwicklung von Nierenerkrankungen. Der Effekt von ADH auf die renale Oxygenierung wurde bisher nicht systematisch untersucht. In der vorliegenden Arbeit soll die Hypothese getestet werden, dass eine Aktivierung des ADH-Signalweges zur Reduktion der medullären Oxygenierung und damit zur Aktivierung Hypoxie-induzierbarer Genexpression führt. Methoden: Erwachsene ADH-defiziente Brattleboro Ratten (n = 26) und gleichaltrige Sprague Dawley Ratten (n = 10) wurden nach dem Zufallsprinzip in Gruppen eingeteilt und mittels osmotischer Minipumpe mit dem V2-Rezeptoragonisten Desmopressin (dDAVP, 5 ng/h für 3d) oder seinem Vehikel behandelt. In einer Teilmenge der Brattleboro Ratten (n = 5 pro Gruppe) wurde der systolische Blutdruck mittels Schwanzplethysmographie gemessen. Brattleboro Ratten und Sprague Dawley Ratten erhielten für morphologische Analysen (n = 5 pro Gruppe und Behandlung) 30 min vor ihrer Tötung eine intraperitoneale Pimonidazolinjektion (60 mg/kg KG; n = 5 pro Gruppe). Hypoxische Areale in der Niere wurden mittels immunhistochemischer Markierungen für Pimonidazol oder für den Hypoxie-induzierbaren Transkriptionsfaktor 1α (HIF-1α) identifiziert. Die Genexpression bekannter HIF-Zielgene wurde durch Affymetrix-Microarray-Analysen untersucht (n = 3 pro Gruppe). Ergebnisse: Die Behandlung mit dDAVP führte bei Brattleboro Ratten zu einer signifikanten Reduktion der Urinausscheidung (24 ± 8 ml/7 h für dDAVP- vs. 68 ± 37 ml/7 h für Vehikel-behandelte Tiere; p < 0,05) bei gleichzeitigem Anstieg der Urinosmolalität (853 ± 257 mOsm/kg für dDAVP- vs. 382 ± 303 mOsm/kg für Vehikel-behandelte Tiere; p < 0,05). Der Blutdruck war an Tag 3 erhöht (134 ± 11 mm Hg für dDAVP- vs. 119 ± 6 mm Hg für Vehikel-behandelte Tiere; p < 0,05). Ein Signal für Pimonidazol und HIF-1α fand sich in der Medulla von dDAVP-behandelten Brattleboro- und Sprague Dawley Ratten. In den Kontrolltieren war das Signal schwach oder fehlte vollständig. Analysen der Genexpression zeigten in dDAVP-behandelten Brattleboro Ratten einen signifikanten Anstieg bekannter HIF-Zielgene (p = 2.6*10-21). Dazu gehörten insulin-like growth factor binding proteins 1 und 3, Angiopoietin 2, Fibronectin, Cathepsin D, Hexokinase 2 und Cyclooxygenase 2. Schlussfolgerung: Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die chronische Stimulation der renalen Urinkonzentrierung durch ADH zu einem deutlichen Rückgang der medullären Oxygenierung und einer Steigerung der hypoxie-induzierbaren Genexpression führt. Diese Ergebnisse weisen auf einen kausalen Zusammenhang zwischen ADH- vermittelter Antidiurese und Hypoxie-induziertem Nierenschaden hin und weisen ADH eine wesentliche Rolle in der Entstehung von Nierenerkrankungen zu.

Introduction: Regulation of renal solute and water transport by the antidiuretic hormone arginine vasopressin (AVP) contributes essentially to extracellular fluid homeostasis. Emerging evidence further suggests that AVP, together with renal hypoxia, contribute to the development of renal disease, but the effects of AVP on renal oxygen levels have not been determined. The hypothesis of the present study was that activation of AVP-signaling reduces medullary oxygen availability and causes activation of hypoxia-inducible gene expression. Methods: Adult AVP-deficient Brattleboro rats (n = 26) and age- matched Sprague Dawley rats (n = 10) were randomized to treatment with the V2 receptor agonist desmopressin (dDAVP, 5 ng/h for 3 d) or its vehicle via osmotic minipump. Blood pressure was measured in a subset of Brattleboro rats using tail plethysmography (n = 5 for dDAVP and vehicle treatment, respectively). Brattleboro and Sprague Dawley rats for morphological studies (n = 5 per rat strain and treatment) received an intraperitoneal injection of pimonidazole (60 mg/kg) 30 min before perfusion fixation on day 3. Hypoxic areas of the kidney were identified by immunostaining for pimonidazole or the hypoxia-inducible transcription factor-1α (HIF-1α). Regulation of established HIF-target genes was studied by Affymetrix microarray analysis (n = 3 per group). Results: Treatment of Brattleboro rats with dDAVP caused a significant reduction of urine output (24 ± 8 ml/7 h for dDAVP- vs. 68 ± 37 ml/7 h for vehicle-treated animals; p < 0.05) and a concomitant increase in urine osmolality (853 ± 257 mOsm/kg for dDAVP- vs. 382 ± 303 mOsm/kg for vehicle- treated animals; p < 0.05). Blood pressure was elevated at d3 (134 ± 11 mm Hg for dDAVP- vs. 119 ± 6 mm Hg for vehicle-treated animals; p < 0.05). Staining for pimonidazole and HIF-1α was detected in the medulla of dDAVP-treated Brattleboro and Sprague Dawley rats whereas staining in the respective control animals was weak or absent. Gene expression analysis revealed significant enrichment of known HIF-target genes in dDAVP-treated Brattleboro rats (p = 2.6*10-21). Regulated products included insulin-like growth factor binding proteins 1 and 3, angiopoietin 2, fibronectin, cathepsin D, hexokinase 2 and cyclooxygenase 2. Conclusion: Chronic activation of the renal urine concentrating mechanism by AVP causes a marked decline of medullary oxygen levels and an upregulation of hypoxia-inducible gene expression. These findings provide a mechanistic link between AVP-mediated antidiuresis and hypoxia-induced kidney damage and establish AVP as a permissive factor during the development of renal disease.