Stimulation of the nitric oxide signaling pathway by activators of the soluble guanylyl cyclase in cortical and medullary renal microvessels

Abstract

Disturbances in renal microcirculatory function contribute to renal pathologies such as acute kidney injury (AKI), chronic kidney disease (CKD) of different origin, and rejection of kidney transplants. A main pathophysiological factor is reduced nitric oxide (NO) bio-availability in the renal vasculature. Pharmacological activation of the natural receptor for NO, the soluble guanylyl cyclase (sGC), improves the renal outcome after experi-mental AKI or CKD. This thesis investigates the effect of sGC-activation in renal cortical and medullary microvessels in situations with NO-deficit, oxidation of sGC, and after hypoxia/re-oxygenation. Microvessels were dissected from freshly harvested kidney slices by hand. A custom-ized micro-perfusion system, situated on a stage of an inverted microscope, was used for the perfusion of isolated afferent and efferent arterioles of mice as well as medullary vasa recta from rats. The reactivity of the microvessels was analysed by measuring the changes in vessel luminal diameters in response to several pharmacological and physi-cal manipulations. The sGC activators BAY 58-2667, runcaciguat, and BAY 60-2770 were used. They have similar pharmacological actions. BAY 58-2667 and BAY 60-2770 dilated cortical and medullary microvessels, respectively, after inhibition of endothelial and neuronal NO-synthases by L-NAME and pre-constriction with angiotensin II (Ang II). Further, BAY 58-2667 dilated contrast medium (iodixanol) treated afferent arterioles, which have reduced NO-bioavailability. ODQ was administered to oxidize the sGC, which leads to the loss of NO binding of the enzyme. Under this condition, the dilator effect of run-caciguat on afferent and efferent arterioles was stronger compared to vessels pre-treated with L-NAME. Furthermore, BAY 58-2667 and BAY 60-2770 were able to dilate efferent arterioles and vasa recta, respectively, but not afferent arterioles after strong hypoxia and re-oxygenation in vitro. The data show that pharmacological sGC-activation dilates renal microvessels under the condition of NO deficiency, sGC oxidation as well as after hypoxia-re-oxygenation. The stronger effect of runcaciguat on vessels with oxidized sGC suggests improved action in kidneys with impaired redox balance as observed in AKI and CKD. The results suggest that sGC activation may compensate for NO deficiency and impaired sGC function in microvessels, which may contribute to its renoprotective effect.

Zahlreiche Nierenpathologien wie akutes Nierenversagen (AKI), chronisches Nierenver-sagen (CKD) unterschiedlichster Genese sowie die Abstoßungsreaktion bei Nierentransplantaten gehen mit Störungen der renalen Mikrozirkulation einher. Ein Hauptfaktor hierbei ist die verminderte Bioverfügbarkeit von Stickstoffmonoxid (NO). Pharmakologische Aktivierung der löslichen Guanylatzyklase (sGC), dem natürlichen Rezeptor für NO, schützt die Niere bei AKI und CKD. In der vorliegenden Dissertationsschrift wird die Wirkung von sGC-Aktivierung auf kortikale und medulläre Mikrogefäße der Niere unter den Bedingungen eines NO-Defizits, der Oxidation der sGC und nach Hypoxie/Re-Oxygenierung untersucht. Die renalen Mikrogefäße wurden aus Akutschnitten der Niere per Hand isoliert. Afferen-ten und efferente Arteriolen der Maus als auch medulläre Vasa recta der Ratte wurden mittels eines speziellen Perfusionssystems, welches sich auf einem Mikroskop umge-kehrter Bauweise befand, perfundiert. Die Reaktionen der Gefäße auf pharmakologi-sche und physikalische Stimuli wurden durch Messung des Gefäßlumens bewertet. Es wurden die sGC-Aktivatoren BAY 58-2667, Runcaciguat und BAY 60-2770 verwen-det. Sie haben sehr ähnliche pharmakologische Eigenschaften. BAY 58-2667 und BAY 60-2770 erweiterten kortikale bzw. medulläre Mikrogefäße nach Hemmung der en-dothelialen und neuronalen NO-Synthasen mittels L-NAME sowie Präkonstriktion mit Angiotensin II (Ang II). BAY 58-2667 dilatierte afferente Arteriolen, die mit einem jodhal-tigen Kontrastmittel (Jodixanol) behandelt und NO-defizient waren. In weiteren Experi-menten wurde die sGC durch Behandlung mit ODQ oxidiert, wodurch sie die Fähigkeit zur NO-Anlagerung verliert. Unter diesen Bedingungen war der dilatierende Effekt von Runcaciguat in afferenten und efferenten Arteriolen stärker als unter L-NAME-Vorbehandlung. BAY 58-2667 und BAY 60-2770 dilatierten efferente Arteriolen bzw. Vasa recta, jedoch nicht afferente Arteriolen, nach starker Hypoxie in vitro und nachfol-gender Re-Oxygenierung. Die Daten zeigen, dass pharmakologische Aktivierung der sGC renale Mikrogefäße un-ter den Bedingungen von NO-Mangel, Oxidation der sGC sowie nach Hypoxie/Re-Oxygenierung erweitert. Der größere Effekt von Runcaciguat in Gefäßen mit oxidierter sGC könnte mit einer besseren Wirkung dieses Medikaments in Nieren einhergehen, die ein gestörtes Redox-Gleichgewicht haben. Oxidativer Stress ist bei AKI und CKD beschrieben worden. Insgesamt weisen die Ergebnisse auf eine kompensatorische Wir-kung von sGC-Aktivatoren bei NO-Mangel und gestörter sGC-Funktion in Mikrogefäßen hin. Dieser Effekt könnte zur beobachteten renoprotektiven Aktion von sGC-Aktivatoren beitragen.