Pro-Enkephalin and Pro-Relaxin2 as Biomarkers for (Dys-)Function of Mammalian Kidney

Abstract

Background: Our clinical understanding of acute kidney injury (AKI) has dramatically increased over the last decades, but an effective intervention for AKI is still missing. An early intervention would be desirable, since preclinical models could show a massive delay or even prevention of AKI when treated early enough, which would improve recovery and decrease mortality. New potent biomarker candidates have been identified recently: Altered plasma concentrations of pro-Enkephalin (pENK) were shown in patients with restricted renal function. Relaxin 2 (RLX2) is known to alter renal hemodynamics in pregnant women and recently the recombinant RLX2 was suggested as therapeutic intervention in several diseases involving renal dysfunction. Methods: 3 new assay systems were developed and termed pENKrat, pENKurine and pro-RLX2. Paraphinated slices of healthy human renal tissue were examined for pENK expression using immunohistochemical procedures. pENK_{plasma} concentrations were determined with the pENKrat assay in rat models of gentamycin-induced nephrotoxicity and CLP-induced sepsis. pENK_{plasma} and pENK_{urine} concentrations were determined in healthy kidney donors and corresponding recipients with sphingotest® penKid and the pENK_{urine} assay. pENK_{plasma} and pro-RLX2 plasma concentrations were determined in healthy individuals using the sphingotest® penKid and pro-RLX2. pro-RLX2 plasma concentrations were determined in pregnant women with uncomplicated and preeclamptic pregnancy as well as in non-pregnant individuals with acute and chronic heart failure with pro-RLX2. Results: PENK expression was localized throughout the renal tubules even though results were not reproducible. In different rat studies the association of pENK_{plasma} concentration with renal dysfunction was shown by specific increase of pENK_{plasma} concentration by induction of selective renal injury. pENK_{urine} concentrations were associated with renal injury, too. In pregnancy, pENK_{plasma} was shown to vary with gestational age. Even though measurability of pro-RLX2 in non-pregnant adults was restricted, a weak connection of pro-RLX2 plasma concentration with renal dysfunction could be shown in patients with heart failure. In pregnancy, pro- RLX2 decreased with increasing gestational age, but was shown to be a poor marker of preeclampsia. Conclusion: A combination of pENK_{plasma} and pENK_{urine} measurement could be a promising approach to achieve an earlier recognition of AKI. Nevertheless, the function pENK exhibits within the kidney remains unclear. pro-RLX2 was shown to be less useful as biomarker, despite being directly involved in pathology of cardiorenal injury. Exogenous RLX2 (Serelaxin) is a promising approach for new therapeutic action, but monitoring of endogenous pro-RLX2 is difficult.

Hintergrund: Unser klinisches Verständnis von akutem Nierenversagen (AKI) hat über die letzten Jahrzehnte dramatisch zugenommen, aber eine effektive Intervention für AKI fehlt noch. Eine frühe Intervention wäre erstrebenswert, da in prä-klinischen Modellen eine massive Verzögerung oder sogar Verhinderung von AKI gezeigt wurde, wenn früh genug behandelt wurde. Dies würde die Genesung verbessern und Mortalität verringern. Neue, vielversprechende Biomarker-Kandidaten wurden kürzlich entdeckt: Veränderte pro- Enkephalin(pENK)-Plasmakonzentrationen wurden in Patienten mit verringerter Nierenfunktion gemessen. Relaxin 2 (RLX2) ist dafür bekannt, bei Schwangeren die renale Hämodynamik zu verändern und wurde als therapeutische Intervention in verschiedenen Erkrankungen vorgeschlagen, die die Nierenfunktion betreffen. Methoden: 3 neue Assaysysteme wurden entwickelt und pENKrat, pENKurine und pro-RLX2 genannt. Paraffinierte Präparate von gesundem, menschlichen Nierengewebe wurden mittels Immunohistochemie auf pENK-Expression untersucht. pENK-Plasmakonzentrationen wurden mittels pENKrat Assay bestimmt in Rattenmodellen von Gentamycin-induzierter Nephrotoxizität und CLP-induzierter Sepsis. pENK-Plasma- und Urin-Konzentrationen wurden mittels sphingotest® penKid und pENKurine-Assay bei gesunden Nierenspendern und den zugehörigen Empfängern bestimmt. pENK- und pro-RLX2-Plasmakonzentrationen wurden bei gesunden Individuen bestimmt. Pro-RLX2-Plasmakonzentrationen wurden bei Schwangeren mit unkomplizierter und preeklamptischer Schwangerschaft sowie bei Nicht-Schwangeren mit akutem und chronischem Herzversagen untersucht. Ergebnisse: Die PENK-Expression wurde in den Nierentubuli lokalisiert, obwohl die Ergebnisse sich nicht reproduzieren ließen. In verschiedenen Rattenstudien wurde durch einen spezifischen Anstieg der pENK Plasmakonzentration durch die Induktion von selektiven Nierenschäden die Assoziation von pENK- Plasmakonzentration mit Nierendysfunktion gezeigt. Die pENK-Urinkonzentration war ebenfalls mit Nierenschäden assoziiert. Bei Schwangeren variiert pENK Plasma mit der Schwangerschaftswoche. Obwohl die Messbarkeit von pro-RLX2 in Nicht-Schwangeren limitiert ist, konnte ein schwacher Zusammenhang mit Nierendysfunktion in Patienten mit Herzversagen gezeigt werden. In Schwangeren sank pro-RLX2 mit steigender Schwangerschaftswoche, es stellte sich aber als ein schwacher Marker für Preeklampsie heraus. Schlussfolgerung: Eine Kombination von pENK Plasma- und Urin-Messung könnte ein vielversprechender Ansatz sein, um AKI früher zu erkennen. Nichtsdestotrotz ist die Funktion von pENK in der Niere weiterhin unklar. pro-RLX2 ist als Biomarker ungeeignet, obwohl es direkt in die Pathologie kardiorenaler Schäden involviert scheint. Exogenes RLX2 (Serelaxin) ist ein vielversprechender Ansatz für therapeutische Interventionen, aber die Messung von endogenem pro-RLX2 ist problematisch.