Aktivierung von Hypoxie-induzierbaren Transkriptionsfaktoren in der Niere der Ratte und des Menschen

Abstract

Hypoxie-induzierbare Transkriptionsfaktoren (HIFs) steuern die Anpassung an Hypoxie. HIFs sind Heterodimere aus einer konstitutiven Beta-Untereinheit und aus einer von 3 variablen und Sauerstoff(O2)-abhängigen Alpha-Untereinheiten. Die Regulation von HIF erfolgt hauptsächlich über O2-abhängige Proteolyse. Schlüsselenzyme dafür sind sogenannte HIF-Prolyl-Hydroxylasen (PHDs). Die vorliegende Arbeit untersucht die Expression von HIF mittels Immunhistochemie in der Niere der Ratte und des Menschen, sowohl unter normalen als auch unter pathologischen Bedingungen: globale Hypoxie (Hypoxiekammer), Anämie durch isovolämische Hämodilution, Blockade der PHD durch Cobaltchlorid oder durch synthetische PHD-Hemmer, Abklemmen der Nierenarterie, Nierensegmentinfarkt durch Ligatur eines Nierenarterienastes, Ex-vivo-Perfusion der Niere, akutes Nierenversagen durch Röntgenkontrastmittel oder Rhabdomyolyse, experimentellen Diabetes mellitus, Nierentransplantation. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der zellulären Lokalisation, der Kinetik, der Korrelation mit dem Hypoxie- Marker Pimonidazol (PIM) und mit HIF-Zielgenen wie Vascular endothelial growth factor (VEGF), Hämoxygenase-1 (HO-1) und Glukosetransporter-1 (Glut-1). Die Ergebnisse belegen, dass jeder renale Zelltyp in der Lage ist, mindestens eine HIF-alpha-Isoform unter hypoxischen Bedingungen hochzuregulieren. In normale Nieren war kein HIF nachweisbar, ein Hinweis dafür, dass trotz z.T. sehr niedriger O2-Spannungen die O2-Homäostase gewahrt ist. Die HIF-alpha- Aktivierung erfolgt in einer Zelltyp- und Stimulus-spezifischen Weise, und wird begleitet von Hochregulierung von HIF-Zielgegen. Zelltypen mit hoher HIF- Aktivierbarkeit (wie die Sammelrohre) sind besonders Hypoxie-resistent, was auf einen protektiven HIF-Effekt hindeutet. HIF ist maximal bei mittelgradiger Hypoxie – vermutlich, weil unter starker Hypoxie das Zellüberleben unwahrscheinlich ist. PHD-Inhibitoren aktivieren HIF, HIF-Zielgene und schützen vor hypoxischem Gewebeschaden. HIF-Aktivierung kann eine vielversprechende neue Therapieoption für das akute Nierenversagen darstellen.

Hypoxia-inducible transcription factors (HIFs) govern cellular adaptation to hypoxia. HIFs are hetero-dimers of a constitutively expressed beta-subunit and one of 3 variable and oxygen (O2)-dependent alpha-subunits. HIFs are chiefly regulated by O2-dependet proteolysis of their alpha-subunits. HIF-prolyl- hydroxylases (PHDs) are key enzymes of HIF-alpha proteolysis. The study uses immunohistochemistry to determine HIF expression in kidneys of rats an humans under control, as well as under pathologic conditions, such as: global hypoxia (hypoxic chamber), anemia due to isovolemic hemodilution, PHD-blockade through cobaltous chloride or synthetic PHD-inhibitors, renal artery clamping, renal segmental infarct following renal artery branch ligation, ex-vivo renal perfusion, acute renal failure following radiocontrast media or rhabdomyolysis, experimental diabetes, or renal transplantation. The main emphasis of the study is cellular location and kinetics of HIF, correlation with the hypoxia marker pimonidazole (PIM), as well as with HIF target genes like vascular endothelial growth factor (VEGF), heme oxygenase-1 (HO-1), and glucose transporter-1 (Glut-1). Our data show that each renal cell type holds the potential to activate at least one HIF-alpha isoform upon hypoxia. HIF is not detected in normal kidneys, suggesting that O2-homeostasis is preserved despite low O2 tensions. HIF-alpha activation is cell-type and stimulus- specific, and accompanied by up-regulation of HIF target genes. Cell types with high potential for HIF activation are remarkably resistant to hypoxic damage, which suggests a cell-protective action of HIF. HIF activation is maximal at moderate hypoxia, probably because cell survival becomes unlikely with deep hypoxia. PHD inhibitors activate HIF, as well as HIF target genes, and protect from hypoxic cell damage. HIF activation may be a promising new therapy for acute renal failure.