Albuminuria represents a hallmark of both early kidney injury and chronic kidney disease (CKD). The importance of albuminuria as a prognosis marker is demonstrated by recent observations showing the high correlation of albuminuria with the probability of developing end-stage renal disease (ESRD). Prostaglandins are lipid mediators demonstrating a crucial signaling role in various processes. PGE2 is known to be the most abundant prostaglandin across tissues and has been found to be implicated in the regulation of renal homeostasis through its EP (EP1-4) receptors signaling, as well as affecting the incidence and progression of various kidney diseases. In addition, PGE2 is implicated in proteinuria by affecting glomerular filtration barrier (GFB) permeability and its elevated levels are linked to increased fluid flow shear stress (FFSS) in podocytes. Despite the extensively studied role of PGE2 on kidney physiology, the metabolic products occurring from its catabolism are considered biologically inactive. Recent in vitro data reported the ability of 15-keto-PGE2 to activate EP receptors, however, the potential physiological roles of 15-keto-PGE2 need to be investigated. Moreover, the role of PGE2/15-keto-PGE2/EP2/EP4 axis in kidney biology and glomerular morphology, as well as the potential renoprotective effect of combined pharmacological blockade of EP2 and EP4 receptors need to be further investigated. In this study, I demonstrated that exogenous stimulation of zebrafish embryos with PGE2 resulted in an albuminuria-like phenotype, mimicking the suggested PGE2 effects on GFB dysfunction. Importantly, combined pharmacological blockade of EP2 and EP4 receptors significantly reduced the albuminuria phenotype in both zebrafish and the Munich Wistar Frömter (MWF) rat, a model of glomerular hyperfiltration (GH) and albuminuria. Using lipidomic analysis, it was shown that both PGE2 and 15-keto-PGE2 were present at considerable levels in zebrafish embryos and the latter could bind and stabilize EP2 and EP4 receptors on the plasma membrane in a yeast model. High-resolution image analysis revealed that the exogenous treatment with either PGE2 or 15-keto-PGE2 perturbed glomerular vascularization during zebrafish development. Specifically, I showed that elevated levels of PGE2 or 15-keto-PGE2 caused intercalation defects between podocytes and endothelial cells of glomerular capillaries, significantly affecting the podocyte surface area. Importantly, these defects were significantly reversed by combined blockade of EP2 and EP4 receptors. Altogether, these findings support two key conclusions: a) a confirmed role of PGE2 in the development of albuminuria in GH, while demonstrating a renoprotective potential of combined pharmacological blockade of EP2 and EP4 receptors, and b) 15-keto-PGE2 has a biologically active role and may potentially modulate the EP receptor signaling in vivo, thus playing a role in kidney biology.
Albuminurie ist ein Merkmal der frühen Nierenschädigung als auch der chronischen Nierenerkrankung (CKD). Die Bedeutung von Albuminurie als Prognosemarker wurde durch jüngsten Studien belegt, in denen gezeigt wurde, dass Albuminurie mit der Wahrscheinlichkeit der Entwicklung einer Nierenerkrankung im Endstadium (ESRD) korreliert. PGE2, dass in allen Geweben am häufigsten vorkommende Prostaglandin, wirkt über seine EP(EP1-4) -Rezeptoren, beeinflusst das Auftreten und Fortschreiten verschiedener Nierenerkrankungen, erhöht die Durchlässigkeit der glomerulären Filtrationsbarriere (GFB) und kann so zu Proteinurie führen. Eine Hochregulierung von PGE2 in Podozyten ist mit einem erhöhten Scherstress des Flüssigkeitsstroms (FFSS) verbunden, wie er bei glomerulärer Hyperfiltration (GH) beobachtet wird. Trotz umfassender Studien zur Rolle von PGE2 für die Nierenphysiologie werden die PGE2 Metabolite weitgehend als biologisch inaktiv angesehen. Obwohl neue In-vitro Daten auf eine Aktivierung der EP-Rezeptoren durch 15-keto-PGE2 hindeuten, blieb bislang ungeklärt, ob 15-keto-PGE2 auch eine physiologische Rolle spielt. Zudem muss untersucht werden, welche Funktion die PGE2/15-keto-PGE2/EP2/EP4-Achse in der Nierenbiologie und der glomerulären Morphologie hat und ob eine duale pharmakologischen Blockade von EP2-/EP4-Rezeptoren eine potenzielle renoprotektive Wirkung hat. In dieser Arbeit habe ich gezeigt, dass die exogene Stimulation von Zebrafisch-Embryonen mit PGE2 einen Albuminurie-ähnlichen Phänotyp hervorruft, welcher die erwarteten Effekte von PGE2 auf die GFB-Dysfunktion nachahmt. Eine kombinierte pharmakologische Blockade von EP2-/EP4-Rezeptoren reduzierte signifikant den Albuminurie-Phänotyp sowohl in Zebrafischen als auch in der Munich Wistar Frömter Ratte, einem Modell für GH und Albuminurie. Lipidomanalysen haben gezeigt, dass sowohl PGE2 als auch 15-keto-PGE2 in Zebrafischembryonen in beträchtlichen Mengen vorhanden sind. 15-keto-PGE2 konnte EP2-/EP4-Rezeptoren in der Plasmamembran eines Hefemodells binden und stabilisieren. Die exogene Behandlung mit PGE2 oder 15-keto-PGE2 störte die glomeruläre Vaskularisierung während der Entwicklung des Zebrafisches. Vor allem erhöhte Konzentrationen von PGE2 oder 15-keto-PGE2 verursachten Defekte bei der Interkalation zwischen Podozyten und Endothelzellen der glomerulären Kapillaren, was die Oberfläche der glomerulären Filtrationsbarriere erheblich beeinträchtigte. Diese Defekte konnten durch die kombinierte Blockade von EP2-/EP4-Rezeptoren aufgehoben werden. Insgesamt stützen diese Ergebnisse zwei wichtige Schlussfolgerungen: a) die Rolle von PGE2 bei der Entwicklung von Albuminurie bei GH wurde bestätigt und zusätzlich wurde gezeigt, dass die duale pharmakologische Blockade von EP2-/EP4-Rezeptoren einen renoprotektiven Effekt hat, und b) 15-keto-PGE2 hat eine biologisch aktive Rolle und kann möglicherweise die EP-Rezeptor-Signalübertragung in vivo modulieren und somit eine Rolle in der Nierenbiologie spielen.
