Immunosuppression based on calcineurin inhibitors (CNI) such as cyclosporine A (CsA) is the current standard for patients undergoing organ transplantation. Nephrotoxic side effects of CsA include reduction of renal cortical cyclooxygenase 2 (COX-2) expression along with pathophysiological alterations of glomerular filtration rate and sodium balance. The underlying molecular mechanisms are poorly understood. Since CsA stimulates the renin-angiotensin system (RAS), we hypothesized that suppression of COX-2 relates to enhanced RAS activity. Inhibition of calcineurin in cultured macula densa (MD) cells using CsA or siRNA technology increased COX-2 expression and activity via stimulation of p38 mitogen-activated protein kinase (p38 MAPK) and nuclear factor 'kappa-light-chain-enhancer' of activated B-cells (NF-kB). Concomitant application of angiotensin II abolished these effects suggesting a dominant role for RAS. In rats, short (3 days) as well as chronic CsA treatment (3 weeks) led to increased renin biosynthesis, decreased COX-2 expression in the kidney cortex, reduced creatinine clearance, and sodium retention due to activation of major distal salt transporters, Na+-K+-2Cl- cotransporter (NKCC2) and Na+-Cl- cotransporter (NCC). Simultaneous administration of a RAS inhibitor candesartan during short term CsA partially restored COX-2 expression and creatinine clearance, diminished sodium retention and prevented NKCC2 and NCC activation. These parameters were completely normalized in the chronic experiment after three weeks of concomitant candesartan treatment. Single administration of the selective COX-2 inhibitor, celecoxib, during three days largely recapitulated the effects of CsA and significantly reduced the beneficial effects of candesartan by concomitant drug application. These results suggest that suppression of COX-2 is a major signal that contributes to CsA nephrotoxicity. In summary, the present study has established calcineurin as an endogenous inhibitor of tubular COX-2, acting via suppression of p38 MAPK and NF-kB activity. CsA-induced RAS activation critically reduces cortical COX-2 activity, thus overriding local stimulatory effects of calcineurin inhibition. Our data support the use of RAS inhibitors for alleviation of CsA nephrotoxicity.
Calcineurin Inhibitoren (CNI) bilden aktuell die Basis für immunsuppressive Strategien nach Organtransplantation. Allerdings führt die Anwendung von CNI zur Hemmung der Cyclooxygenase-2 (COX-2) in der Nierenrinde mit assoziierten pathophysiologischen Veränderungen der glomerulären Filtrationsrate (GFR) und des Salzhaushalts. Die dafür verantwortlichen pathogenetischen Mechanismen sind nicht ausreichend charakterisiert. Es ist bekannt, dass CNI das Renin-Angiotensin-System (RAS) stimulieren. In der vorliegenden Arbeit wird die Hypothese verfolgt, dass die gesteigerte RAS-Aktivität als Ursache für die COX-2 Suppression bei CNI Gabe fungiert. Um diese Hypothese zu testen, wurden zunächst Effekte des CNI Cyclosporin A (CsA) in kultivierten Macula densa (MD) Zellen und in Rattennieren charakterisiert. Im Gegensatz zur COX-2 Suppression in der intakten Niere zeigten kultivierte MD Zellen eine Steigerung der COX-2 Expression nach CsA-Behandlung bzw. nach Calcineurin-Suppression mittels siRNA. Weitere Experimente in MD Zellen zeigten, dass die CsA-abhängige Steigerung der COX-2 Expression sich hier durch Enthemmung der p38 mitogen-activated protein kinase (p38 MAPK) und Aktivierung des nuclear factor 'kappa-light-chain-enhancer' of activated B-cells (NF-kB) erklärt. Diese lokalen Effekte der Calcineurin-Inhibition konnten durch gleichzeitige Applikation von Angiotensin II (Ang II) vollständig aufgehoben werden. Im Gegenzug konnte die CsA-abhängige COX-2 Suppression in der intakten Rattenniere durch gleichzeitige akute (3 Tage) oder chronische (3 Wochen) Verabreichung eines Ang II-Rezeptor Typ 1 (AT1R) Antagonisten teilweise bzw. komplett aufgehoben werden. Die bei CsA-Gabe auftretende GFR-Reduktion und renale Natriumretention wurden durch den AT1R Antagonisten gleichfalls teilweise oder komplett verhindert. Diese Wirkungen des AT1R Antagonisten wurden durch die gleichzeitige Applikation des selektiven COX-2 Inhibitors Celecoxib deutlich abgeschwächt. Insgesamt zeigen diese Daten, dass die Suppression der renalen COX-2 bei CNI durch die gesteigerte RAS Aktivität bedingt ist, welche über die lokalen, COX-2-stimulierenden Effekte der Calcineurin-Inhibition in MD-Zellen dominiert. AT1R Blockade normalisiert die COX-2 Aktivität und verbessert damit die Nierenfunktion. Diese Studie liefert neue Einblicke in die Pathogenese der CNI Nephrotoxizität und unterstreicht die protektive Wirkung von RAS Inhibitoren.
