Chronic kidney disease induces systemic microvascular functional impairment

Abstract

Chronic kidney disease in young patients is associated with a high mortality rate due to cardiac events, which is in stark contrast to age-matched healthy controls. The mechanisms leading to terminal heart failure in chronic kidney disease are, however, still poorly understood. Two mouse models of experimental uremia mimicking chronic kidney disease were employed. The data acquired were used for extensive correlation analyses, using serum urea levels and microvessel density in cremaster muscle (derived from identical animals in a related study) as reference parameters. Functional parameters were measured in vivo in the cremaster muscle as a model skeletal muscle by intravital microscopy techniques. The arterial-venous oxygen saturation difference in uremic animals was found to be significantly diminished in a dose-dependent manner. Similarly, in uremic animals, a reduced capability to adjust vessel tone was detected. Despite elevated IL-6 serum levels, no reduction in leukocyte rolling velocity was shown, which is in line with previous results showing an impaired neutrophil recruitment. Post mortem analyses of microvessel density in myocardium showed a significant correlation with microvascular rarefaction in skeletal muscle detected in vivo, implying that uremia has a systemic impact. Aortic cross sections of uremic mice, however, showed normal morphology and no differences to controls, suggesting that microvascular rarefaction precedes macrovascular pathology. These results indicated chronic hypoxic conditions in the respective tissues. Therefore, the expression of genes involved in vessel growth, integrity, and remodeling was determined in cardiac muscle. While VEGF-A, Ang-1, and MMP-2 remained unaffected by uremia, HIF 1alpha, VEGFR-2, Tie-1, Tie-2, Ang-2, and MMP-9 displayed significant downregulation. Thus, VEGF and Ang/Tie-2 signaling was disrupted in uremia, while HIF 1alpha levels were depleted, suggesting a dysregulated angiogenic response. In fact, uremia resulted in a reversed relationship of hypoxia and angiogenesis. This study shows that uremia leads, in a dose-dependent manner, to a profound systemic dysregulation of the sensitive interplay between physiological and cellular factors needed to maintain homeostasis, and this process may already be far advanced before becoming clinically apparent. A regulatory network model of feedback loops is presented which may explain the progression of disease. Upon continuous damage, the regulatory network may decompensate, resulting in a sudden onset of progressively amplifying dysregulatory circles, leading to severe complications which may ultimately result in cardiac death. Therefore, microvascular rarefaction is not only an early systemic marker of cardiovascular impairment in chronic kidney disease but also a promising target for future therapeutic approaches.

In der pädiatrischen Nephrologie sind chronische Niereninsuffizienz und terminales Nierenversagen mit einer sehr hohen Mortalität verbunden. Auffallend dabei ist, dass jungen Patienten im Gegensatz zu gleichaltrigen gesunden Kontrollgruppen insbesondere an kardialen Ereignissen versterben. Der Pathomechanismus, der bei chronischer Niereninsuffizienz vor allem zum Herztod führt, ist dabei noch wenig verstanden. In dieser Arbeit wurden zwei Urämie-Mausmodelle zur chronischen Niereninsuffizienz für funktionelle Studien eingesetzt. Mit den gewonnenen Daten wurden umfassende Korrelationsanalysen durchgeführt, wobei Serumharnstoffwerte als Indikator für den Schweregrad der Niereninsuffizienz und die Dichte der Mikrovaskulatur des Musculus cremaster (als Modell für einen Skelettmuskel) derselben Tiere aus einer parallel durchgeführten Studie als Referenzen genutzt wurden. Die arterio-venöse Sauerstoffdifferenz war abhängig vom Urämiegrad der Tiere signifikant reduziert. Entsprechend war in urämischen Tieren auch die Fähigkeit zur Regulation des Gefäßtonus beeinträchtigt. Trotz erhöhter IL-6-Werte im Serum wurde keine Verminderung der Geschwindigkeit des Leukozytenrollens festgestellt. Dies entspricht früheren Studien, in denen bereits eine gestörte Rekrutierung von Neutrophilen beobachtet worden war. Post mortem-Analysen der Mikrovaskulaturdichte im Myokard zeigten eine signifikante Korrelation zur Mikrovaskulatur-Rarefizierung im Skelettmuskel in vivo, was auf einen systemischen Effekt der Urämie hindeutete. Aortenquerschnitte urämischer Versuchstiere zeigten jedoch eine normale Morphologie ohne Unterschiede zu Kontrolltieren. Dies legte nahe, dass eine Rarefizierung der Mikrovaskulatur der Pathologie großer Gefäße vorausgeht. Diese Ergebnisse wiesen auf eine chronische Hypoxie in den untersuchten Geweben hin. Daher wurde die Expression von solchen Genen im Herzmuskel untersucht, die Gefäßwachstum, -stabilität und -remodelling steuern. Während VEGF-A, Ang-1 und MMP-2 durch die Urämie unbeeinflusst blieben, waren die Expression von HIF 1alpha, VEGFR-2, Tie-1, Tie-2, Ang-2 und MMP-9 signifikant vermindert. Die VEGF- und Ang/Tie-2-Signalwege waren also bei Urämie gestört, während gleichzeitig der HIF 1alpha-Spiegel vermindert war, was eine Dysregulation der Angiogenese nahelegte. Tatsächlich bestand bei Urämie ein reziprokes Verhältnis zwischen Hypoxie und Angiogenese. Diese in vivo Studie ergab Hinweise darauf, dass Urämie abhängig von ihrem Schweregrad zu einer tiefgreifenden systemischen Dysregulation des empfindlichen Zusammenspiels physiologischer und zellulärer Faktoren führt, die zur Aufrechterhaltung einer zellulären Homöostase notwendig sind. Dieser Prozess kann bereits weit fortgeschritten sein, bevor er sich klinisch manifestiert. Der Krankheitsfortschritt kann durch ein Netzwerkmodell mit einer Vielzahl von Rückkopplungsschleifen erklärt werden. Sobald die Schädigung einen Schwellenwert überschreitet, kann dies zu einer Dekompensation durch sich zunehmend selbstverstärkende Rückkopplungsmechanismen führen, die schließlich in kardiale Komplikationen münden können. Die Rarefizierung der Mikrovaskulatur bei chronischer Niereninsuffizienz ist daher nicht nur ein früher klinischer Marker für drohende kardiale Ereignisse, sondern auch eine vielversprechende Zielstruktur für zukünftige therapeutische Ansätze.