Renale Expression von Salztransportern und Aquaporin 2 in hypothyreoten Ratten: eine tierexperimentelle Studie

Abstract

Einleitung: Die Hypothyreose führt zu einer deutlichen Beeinträchtigung des Organismus. Ein Mangel an Schilddrüsenhormonen führt beim Heranwachsenden zu einer Wachstumsretardierung, die mit einer Verkleinerung der Nieren einhergeht. Beeinträchtigt sind neben dem Wachstum der Niere Struktur, Funktion und Biosynthese nierenspezifischer Genprodukte. Hypothyreose führt daher zu renalen Funktionsstörungen wie reduzierter GFR und Kreatinin- Clearance, verminderter Salzresorption renaler Epithelien, Beeinträchtigung des Konzentrierungsmechanismus und einer Fehlregulation des Wasserhaushalts. Im proximalen Tubulus wurde verminderte Expression des Natrium-Protonen Austauschers Typ 3 (NHE3), des Natrium-Phosphat-Kotransporters Typ 2a (NaPi2a) sowie generell der tubulären Natrium-Kalium-ATPase (Na, K-ATPase) berichtet. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der Schilddrüsenhormone auf die Expression distaler Natriumchlorid-Kotransporter (Bumetanid-sensitiver Na,K ,2Cl-Kotransporter Typ 2 [NKCC2], Thiazid-sensitiver Na,Cl-Kotransporter [NCC]), des epithelialen Natriumkanals (ENaC), der Na, K-ATPase und des Wasserkanals Aquaporin-2 (AQP2) mit Blick auf die Funktion des renalen Konzentrierungsmechanismus und mögliche Mechanismen des Salzverlusts in der Niere zu untersuchen. Methoden: Junge adulte Ratten wurden in Versuchs- und Kontrollgruppe aufgeteilt. Beide Gruppen hatten freien Zugang zu Nahrung und Trinkwasser. Der Versuchsgruppe wurde 0,05% Methimazol im Trinkwasser über 7 Wochen zur Induktion einer Hypothyreose verabreicht. Um den direkten Einfluss von Methimazol zu kontrollieren, wurde in einer weiteren Versuchsgruppe zusätzlich zur Methimazolbehandlung Schilddrüsenhormon (T3) substituiert. Den Kontrollen wurde Wasser verabreicht. Klinische Parameter, Nierengewicht und Nierenfunktionsdaten wurden erhoben. Am Versuchsende wurden bei einem Teil der Tiere die Nieren perfusionsfixiert und histochemisch aufgearbeitet, bei den übrigen wurden die Nieren unfixiert entnommen und per Western blot auf die Expression von Transportproteinen und parakrinen Mediatoren hin untersucht. Resultate: Die Nieren- und Körpergewichte sowie die Kreatinin-Clearance der behandelten Gruppen waren stark reduziert. Die Glomerula waren deutlich verkleinert. Harnfluss und fraktionelle Natrium-Ausscheidung waren gesteigert, Plasma-Natriumspiegel jedoch unverändert. Endokrine Indikatoren wie renales Renin und Harn- ADH-Werte) waren stark erhöht. Die Proteinmengen von NHE3 und NaPi2a waren reduziert. Die Proteinmengen für NKCC2 und AQP2 waren, bezogen auf die Kreatinin-Clearance als Spiegel der Nierenfunktion, im Vergleich zur Kontrollgruppe stark angestiegen. Ebenfalls gesteigert waren die in der Macula densa exprimierten und der Signalmodulation am juxtaglomerulären Apparat dienenden Enzyme NO-Synthase-1 (NOS1) und Cyclooxygenase-2 (COX-2). Konklusion: Unsere Resultate weisen trotz unbeeinflusster Plasma- Natriumspiegel auf drastische Veränderungen essentieller Nierenparameter bei experimenteller Hypothyreose im Rattenmodell hin. Die Proteinmengen für NHE3 und NaPi2a sind - vermutlich sowohl durch Schilddrüsenhormonmangel als auch durch die verringerte GFR - stark abgesunken. Im Gegensatz hierzu ist der NKCC2 der aufsteigenden Henle-Schleife vermehrt exprimiert. Die vermehrte Harnausscheidung von ADH als Spiegel erhöhter ADH-Plasmakonzentration kann hiermit im Zusammenhang stehen, da NKCC2 durch ADH über V2-Rezeptorbindung in seiner Biosynthese und Funktion stimuliert wird. Hierdurch kann es am juxtaglomerulären Apparat zu einer verminderten Salzbeladung an der Macula densa kommen, die wiederum die beobachtete Stimulation der juxtaglomerulären Modulatoren NOS1 und COX-2 in Gang setzt. Die gesteigerte Reninsynthese ist hiermit im Einklang. Eine erhöhte AQP2-Expression kann als Antwort auf das vermehrte ADH mit einer zusätzlichen Aktivierung der renalen Harnkonzentrierung verstanden werden. Die Aktivierung von NKCC2, AQP2 und den juxtaglomerulären Parametern könnte somit bedeuten, dass der Organismus dem Volumenverlust hiermit entgegenwirkt. NCC, ENaC, und Na, K-ATPase waren nur mäßig verändert und spielen wahrscheinlich bei dieser Kompensation eine untergeordnete Rolle.

Introduction: Lack of thyroid hormone during adolescence causes growth retardation and a concomitant reduction in kidney size. In addition to its effects on kidney size hypothyroidism further interferes with the structure, function and expression of important renal gene products. The resulting impairment of kidney function manifests in a reduced GFR and in significant abnormalities in the renal salt and water handling. In the proximal tubule lack of thyroid hormone causes a reduction in the expressions of type 3 sodium proton exchanger (NHE3), type 2a sodium phosphate cotransporter (NaPi2a), and sodium potassium ATPase (Na, K-ATPase) . The effects of hypothyroidism on distal tubular transporter expression have not been systematically evaluated. The aim of this study was to analyze the influence of thyroid hormone on the expression of the major distal sodium chloride transporters bumetanide sensitive Na,K,2Cl-cotransporter type 2 (NKCC2), thiazide sensitive Na, Cl- cotransporter (NCC), the epithelial sodium channel [ENaC] , Na, K-ATPase, and aquaporin 2 (AQP2) with an emphasis on the concentrating mechanism and possible mechanisms of distal sodium loss. Methods: Young adult rats were randomly divided into a verum- and a control group. All animals had free access to food and drinking water. Hypothyroidism was induced by treatment with 0.05% methimazole in the drinking water for 7 weeks. To control for direct effects of methimazol, a third group of rats were substituted with tri- jod-thyronin in addition to methimazol treatment. At the end of the treatment period kidneys of the animals were either perfusion fixed via the abdominal aorta and processed for immunohistochemical analyzes or removed without prior fixation and analyzed by western blot for the expressions of transport proteins and paracrine mediators. Results: Hypothyroidism resulted in a marked reduction in kidney size and creatinine clearance. Urine flow and free sodium excretion were significantly increased without altered plasma sodium levels. Endocrine parameters such as renal renin and urinary ADH (vasopressin) levels were significantly increased. The protein abundance of NHE3 and NaPi2a was reduced. In contrast the abundance of NKCC2 and AQP2 protein were dramatically increased when normalized to the creatinine clearance. The macula densa enzymes type 1 NO-synthase (NOS1) and cyclooxygenase-2 (COX2) which serve to modulate glomerular filtration rate and renin production in the juxtaglomerular apparatus were also increased. Treatment of hypothyroid rats with tri-jod-thyronin resulted in a normalization of all studied parameters. Conclusions: Our results show drastic changes of important kidney parameters in experimental hypothyroidism despite compensated plasma sodium levels. The reduced abundance of NHE3 and NaPi2a are probably a result of both, the lack of thyroid hormone and the reduced GFR. Increased abundance of NKCC2 may be secondary to the elevated systemic AVP-levels which may act via stimulation of V2-receptor to increase biosynthesis and function of NKCC2. Increased NKCC2 transport activity may lower sodium concentration at the macula densa and thus cause a stimulation of the juxtaglomerulary mediators NOS1 and COX-2 and renin. The increase of AQP2 probably also reflects the activation of the concentrating mechanism by AVP. The changes in NCC, ENaC and Na, K-ATPase were moderate and are likely of less importance. We speculate that the activation of NKCC2, AQP2 and the juxtaglomerulary parameters counteract the volume loss caused by the proximal tubular dysfunction and may thus be responsible for the observed balanced renal sodium handling. However, the altered transporter abundance may become functionally relevant if the hypothyroid kidney is challenged by an additional destabilization of the milieu interieur.