Fetale Programmierung der Nephronenzahl und Glomerulumgröße im endothelialen NO-Synthetase (eNOS) Knock-out Tiermodell

Abstract

Hintergrund: Die Barker Hypothese, gegründet auf dem Zusammenhang zwischen niedrigem Geburtsgewicht und Auftreten kardiovaskulärer Erkrankungen, besagt, dass Umweltfaktoren in einer kritischen Phase der intrauterinen Entwicklung fetale Programmierung mit lebenslangen Auswirkungen hervorrufen. Tierexperimentell konnte unter anderem eine Korrelation zwischen erniedrigtem Geburtsgewicht und dem renalen Phänotyp (verringerte Glomerulaanzahl bei vergrößerter Oberfläche) mit Hypertonie als Folge nachgewiesen werden. Die erweiterte Barker Hypothese vermutet, dass Gene ohne direkte Vererbung kongruent zur Umwelt ein erniedrigtes Geburtsgewicht sowie einen veränderten Phänotyp zur Folge haben. Methoden: 137 homozygote eNOS-Wildtyptiere (F1 Generation eines eNOS Knock-out Mausmodells) wurden eingeschlossen, aufgeteilt in Tiere mit Wildtypeltern, Tiere mit heterozygoten Müttern und Tiere mit heterozygoten Vätern. Es erfolgten Gewichtsbestimmungen, Kreatininkonzentrationsbestimmung (Jaffé-Methode), Blutdruckmessung (Tail- Cuff-Methode) und Tötung mit Organentnahme am 168. Lebenstag. Die Glomerulaanzahl pro Niere wurde lichtmikroskopisch gezählt. 40 Glomerula pro Niere wurden mit ImageJ vermessen. Ergebnisse: Das Geburtsgewicht der männlichen Wildtypnachkommen der heterozygoten eNOS Knock-out Mütter sowie das Gewicht in den ersten Lebenswochen ihrer gesamten Wildtypnachkommen war signifikant reduziert. Die Weibchen hatten signifikant schwerere Nieren, beide Geschlechter hatten eine signifikant geringere Kreatininclearance (Stoffwechselversuch I) und signifikant weniger und größere Glomerula. Blutdruckmessung, Stoffwechselversuch II und III ergaben keine signifikanten Unterschiede zwischen den Nachkommen der heterozygoten eNOS Knock-out Mütter und den Vergleichstieren. Geburtsgewicht und Gewichtsverlauf der Nachkommen der Vergleichsgruppe und der heterozygoten eNOS Knock-out Väter unterschieden sich nicht. Deren weibliche Nachkommen hatten signifikant schwerere Nieren, eine Tendenz zu geringerer Kreatininclearance (Stoffwechselversuch I) und signifikant weniger Glomerula als die Vergleichsgruppe. Alle Tiere mit heterozygoten eNOS Knock-out Vätern hatten eine Tendenz zur geringeren Glomerulaanzahl. Die männlichen Nachkommen hatten signifikant größere Glomerula. Blutdruck, Nierenfunktion der Männchen und Nierenfunktion der Weibchen (Stoffwechselversuch II und III) unterschieden sich nicht. Schlussfolgerungen: Diese Studie konnte an Hand des reduzierten Geburts/Kindheitsgewichtes zeigen, dass eine fetale Programmierung der Wildtyp F1 Generation der heterozygoten eNOS Knock-out Mütter ohne Übertragung des Gens stattfand. Dies beweist die erweiterte Barker Hypothese, gibt allerdings keinen Aufschluss über die Genese. Eine Programmierung konnte ebenso über die paternale Linie dargestellt werden. Viele Effekte der Arbeit zeigen sich geschlechtsabhängig, kongruent zu Ergebnissen der klassischen Barker Hypothese. Speziell eine Programmierung der Nierenmorphologie (reduzierte Glomerulaanzahl) wurde nachgewiesen. Trotzdem kam es nicht zu einer langfristigen Einschränkung der Nierenfunktion oder zur Hypertonie. Weitere Untersuchungen müssen noch zur Klärung der Genese beitragen. Das zunehmende Verständnis der Mechanismen sowohl der klassischen als auch der erweiterten fetalen Programmierung könnte zum besseren Verständnis vieler chronischer Krankheiten beitragen, vor allem im Hinblick auf individuelle Erkrankungsrisiken bei gleichen Zivilisationsrisiken.

Background: The original Barker hypothesis postulates that people with a low birth weight are at greater risk of developing coronary heart disease. According to this theory, environmental factors in a critical phase of the intrauterine development result in fetal programming with lifelong consequences. Animal experiments showed a correlation between a lower birth weight and the renal phenotype (reduced glomerular number at a larger surface area) resulting in hypertension. The extended Barker hypothesis assumes that genes without direct inheritance due to environmental factors result in a lower birth weight and a modified phenotype. Methods: The study tested 137 homozygous eNOS wild-type animals (F1 generation of a eNOS knock-out mouse model) divided into three groups: offspring of wild-type parents, offspring of heterozygous mothers and offspring of heterozygous fathers. The procedure included weight determination, determination of creatinine levels (Jaffé method), blood pressure determination (Tail-Cuff method) and killing with removal of organs on the 168th day of life. The glomerular number per kidney was counted under the light microscope. From each kidney, 40 glomeruli were measured using ImageJ. Results: The birth weight of the male wild-type offspring of the heterozygous eNOS knock-out mothers was significantly reduced; so was the weight of all of the wild-type offspring of them during the first weeks after birth. The females had significantly heavier kidneys, females and males showed a significantly lower creatinine clearance (metabolism trial I) as well as significantly less and larger glomeruli. Blood pressure measurement, metabolism trials II and III showed no significant differences between the offspring of heterozygous eNOS knock-out mothers and the control animals. No difference was observed in the birth weight and the weight development between the offspring of the control group and those of heterozygous eNOS knock-out fathers, whose female offspring had significantly heavier kidneys, a tendency towards a lower creatinine clearance (metabolism trial I) and significantly fewer glomeruli than the control group. All animals with heterozygous eNOS knock-out fathers tended to a reduced glomerular number. The male offspring had significantly larger glomeruli. Blood pressure and renal function of males and females (metabolism trial II and III) showed no differences. Conclusions: By means of the reduced birth weight the study showed that there was a fetal programming of the wild-type F1 generation of the heterozygous eNOS knock-out mothers without a transfer of genes. This proves the extended Barker hypothesis but does not provide information about the genesis. A programming was also shown from the paternal line. In compliance with findings of the classic Barker hypothesis, the experiment shows many sex-specific effects. Especially a programming of the kidney morphology (reduced number of glomeruli) was proven. Nevertheless, no long- term impairment of the kidney function or hypertension occurred. The clarification of the genesis requires further investigation. An increased understanding of the mechanisms of the classic and the extended fetal programming could lead to an improved understanding of many chronic diseases, especially regarding the individual risks of diseases under the condition of similar risks of civilization.