Interaktionsvorgänge im juxtaglomerulären Apparat der Niere

Abstract

Einleitung: Im juxtaglomerulären Apparat der Niere (JGA) werden die neuronale Isoform der Stickstoffmonoxid-Synthase (NOS1) und die induzierbare Isoform der Cyclooxygenase (COX-2) exprimiert. Beide Enzyme weisen Ähnlichkeiten im Expressionsmuster auf und sind an der Langzeit-Regulation der Nierenfunktion und an der Steuerung der Aktivität des Renin-Angiotensin-Aldosteronsystems (RAAS) beteiligt. Versuche zur Aufklärung der Mechanismen einer eventuellen Interaktion erbrachten jedoch widersprüchliche Resultate. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Charakterisierung der JGA-Enzymexpression in NOS1 defizienten (NOS1-/-) bzw. COX-2 defizienten (COX-2-/-) Mäusen. Ein weiterer Teil der Studie diente der Untersuchung der Auswirkungen einer Behandlung mit dem NADPH-Oxidase-Inhibitor Apocynin auf Blutdruck, oxidativen Stress und die Expression der JGA-Enzyme in spontan hypertensiven Ratten (SHR) und Wistar- Kyoto-Kontrolltieren (WKY). Resultate: Der Vergleich zwischen Kontrolltieren und NOS1-/- Mäusen zeigte keine Unterschiede der basalen JGA-assoziierten COX-2 Immunreaktivität (IR). Auch die basale Renin IR war nicht unterschiedlich. Im Gegensatz dazu waren die basale Renin mRNA und Plasma- Reninaktivität (PRA) bei NOS1-/- Mäusen auf 64% bzw. 53% verringert. Eine Diät mit niedrigem Salzgehalt führte bei Kontrolltieren und NOS1-/- Mäusen gleichermassen zu einer Steigerung, eine Diät mit hohem Salzgehalt hingegen bei beiden Gruppen zu einer Verminderung der COX-2 IR. Der Vergleich zwischen Kontrollmäusen und COX-2-/- Mäusen zeigte in erster Linie erhebliche renale Strukturveränderungen. In Übereinstimmung mit publizierten Daten waren die Nieren der COX-2-/- Mäuse kleiner und beinhalteten weniger Glomeruli als die der Kontrolltiere. Besonders in der subkapsulären Region des renalen Kortex waren die Glomeruli unreif bzw. hypoplastisch und enthielten weniger Zellen. Im Gegensatz dazu waren die Glomeruli der tieferen Regionen deutlich hypertrophiert. Die Quantifizierung von NOS1 IR und NADPH-Diaphoraseaktivität zeigte im Vergleich zu den Kontrolltieren signifikant gesteigerte Mengen in den normal entwickelten Glomeruli (1,6- bzw. 1,2-fache Steigerung subkapsulär, und 2,7 bzw. 3,4-fache Steigerung juxtamedullär). Die Gesamtanzahl der Renin- positiven JGA war auf 62% vermindert. Ältere COX-2-/- Mäuse zeigten eine signifikante Zunahme glomerulosklerotischer Läsionen in den hypertrophierten Glomeruli. Der Vergleich von SHR und WKY zeigte erhöhte Blutdruckwerte, eine auf das 2,2-Fache gesteigerte Ausscheidung von 8-Isoprostan F2 im Urin (IP), eine auf das 1,5-Fache vermehrte NOS1 IR, sowie eine auf 35% bzw. 51% verringerte COX-2 bzw. Renin IR bei den hypertensiven Tieren. Renin mRNA Expression und PRA waren auf 43% bzw. auf 7% reduziert. Die Gabe von Apocynin führte bei den SHR zu einer Reduktion der IP-Ausscheidung und NOS1 IR auf 52% bzw. 69%. COX-2 IR, Renin mRNA Expression und PRA blieben dabei unverändert. Die Renin IR war auf 62% vermindert. Schlussfolgerungen: Die vorliegende Arbeit liefert Aufschlüsse über das Zusammenwirken von NOS1- und COX-2-Produkten im JGA. Physiologische und pathologische Zusammenhänge der Funktion des JGA werden hierdurch klarer. Im einzelnen konnte gezeigt werden, dass die Regulation der Expression von COX-2 im JGA der Maus unabhängig von der Wirkung von NOS1 erfolgt. Hingegen wirken COX-2 Produkte inhibitorisch auf die Synthese von NOS1 hin. Bei Abwesenheit von COX-2 hat NOS1 offenbar fördernde Wirkung auf glomerulosklerotische Veränderungen. Eine gesteigerte NOS1 Expression bei experimenteller Hypertonie hängt von örtlicher Sauerstoffradikalbildung ab. Wird ein Antioxidans verabreicht, normalisiert sich dieser Parameter. Allerdings wird der Gedanke, dass reaktive Sauerstoffspezies Ursache für juxtaglomerulär veränderte COX-2- und Reninwerte sowie für vom JGA ausgehende Blutdruckverschiebungen sind, durch die Befunde nicht gerechtfertigt.

Study outline: The juxtaglomerular apparatus (JGA) of the kidney constitutively expresses the cyclooxygenase-2 (COX-2) and the neuronal isoform of nitric oxide synthase (NOS1). These enzymes act to regulate renal function and renin biosynthesis. Aim of this study was to corroborate the hypothesis that interactive aspects between NOS1 and COX-2 play a role in JGA function. To do so the expression of these enzymes was determined in NOS1 deficient (NOS1-/-) and COX-2 deficient (COX-2-/-) mice. I have further investigated whether reactive oxygen species (ROS) may modify the expression of NOS1 and COX-2 in the JGA, and whether such an effect is relevant to juxtaglomerular signalling. To this end, the NADPH-oxidase inhibitor, apocynin, was systemically applied in spontaneously hypertensive rats (SHR) and Wistar Kyoto control rats (WKY). Effects of the treatment on oxidative stress markers, blood pressure, and on the expression of JGA enzymes were studied. Study protocol and results: Under baseline condition, NOS1-/- mice revealed an attenuation of renal renin mRNA expression to 64% and plasma activity of the enzyme (PRA) to 53%, whereas COX-2 and renin protein were unchanged compared to control littermates. Dietary sodium depletion increased COX-2 protein levels to similar extent in both strains, whereas sodium loading had opposite effects. In agreement with earlier data, COX-2-/- mice showed an abnormal renal morphology. The overall kidney size and number of glomeruli was reduced as compared to wildtype littermates. Glomeruli in the subcapsular portion of the renal cortex of COX-2-/- were smaller and displayed an immature phenotype. Juxtamedullary glomeruli were intact, but hypertrophied and showed sclerosis with advanced age. JGA-NOS1 expression and activity were increased 1.6- and 1.2-fold in the subcapsular and 2.7- and 3.4-fold in the juxtamedullary layer of the renal cortex. Renin biosynthesis was diminished (62%) as compared to controls. To study the role of ROS, young SHR and WKY received the specific NADPH oxidase inhibitor, apocynin, during 3 weeks. Strains were tested for renal functional and JGA histochemical parameters, plasma renin activity (PRA), and 24h urinary isoprostane excretion (IP) as a measure of ROS activity. IP in untreated SHR was 2.2-fold higher and NOS1 immunoreactiviy (IR) of JGA 1.5-fold higher, than in WKY. COX-2 IR was reduced to 35%, renin IR to 51%, and PRA to 7% of WKY levels. Apocynin treatment reduced IP in SHR to 52%, NOS1 IR to 69%, and renin IR to 62% of untreated SHR, whereas renin mRNA, COX-2 IR, GFR, PRA. and systolic blood pressure remained unchanged. WKY generally revealed no changes under apocynin treatment. Conclusions: These studies have permitted to gain insight into the interactions between NOS1 and COX-2 and may thus contribute to a better understanding of JGA function. Expression of COX-2 in the JGA of the mouse kidney does not depend on the activity of NOS1, whereas COX-2-derived metabolites have an inhibitory effect on the synthesis of NOS1. In agreement with this, COX-2-/- deficient mice reveal an increased juxtaglomerular expression of NOS1 in association with glomerular pathology, suggesting a causative role of NO in local hyperperfusion. Increased levels of NOS1 in the JGA are related with local ROS production in hypertension. Antioxidant-induced normalization of NOS1 indicates a role for juxtaglomerular NADPH oxidase expression but does not support a systemic impact for local ROS in raising blood pressure.