Knockout des von Hippel-Lindau Proteins im Nephron schützt vor akutem Nierenversagen

Abstract

In akuten Nierenversagen (AKI) unterschiedlicher Genese finden sich Belege für eine regionale Hypoxie der Niere. In allen bisher untersuchten AKI-Modellen fand sich jedoch nur eine geringe und zeitlich begrenzte Hypoxieanpassung durch Hypoxie-induzierbare Transkriptionsfaktoren (HIF). Nephronsegmente mit dem höchsten Maße an morphologischen Zellschäden besitzen die geringste Fähigkeit zur HIF-Aktivierung. Präkonditionelle HIF-Aktivierung schützt vor AKI, dass mittels Klemmen der Nierenarterie oder des Nierenstiels erzeugt wird. Die Mechanismen dieser HIF-vermittelten Protektion sind weitgehend unbekannt. Ebenso bleibt unklar, ob solche Mechanismen auch in anderen AKI- Formen wirksam sein können. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine selektive Hochregulation von HIF in Nierentubuli durch einen Pax8-rtTA-abhängigen und induzierbaren Knockout des von Hippel-Lindau Proteins (VHL) vor Rhabdomyolyse- induziertem AKI schützt. In diesem AKI-Modell ist die HIF-Aktivierung umgekehrt proportional dem tubulären Zellschaden, der in proximalen Tubuli zu 5% Nekrosen am Tag 1 und 40% Nekrosen am Tag 2 führt. Eine genomweite Microarray-Analyse zeigt, dass in diesem AKI-Modell etwa 20% des aktiven Genoms signifikant (p<0,01) reguliert ist. Rhabdomyolyse führt in VHL-KO- Mäusen in Vergleich zu Tieren ohne VHL-KO zu einer starken und anhaltenden HIF-Aktivierung in proximalen Tubuli. In den ersten 48h nach Auslösung der Rhabdomyolyse zeigt sich in VHL-KO-Tieren eine Nephroprotektion anhand niedrigerer Werte für Plasmakreatinin/Plasmaharnstoff, Caspase-3-Protein und Tubulusnekrose. Am Tag 1 nach Auslösung der Rhabdomyolyse ist der tubuläre Schaden größtenteils sublethal und daher potentiell reversibel. Zu diesem Zeitpunkt finden wir in VHL-KO-Tieren Hinweise für aktivierte Glykolyse und Glukoseaufnahme, Autophagie, Gefäßerweiterung und Protonenelimination, wie anhand von qPCR, Pathway-Enrichment-Analyse und Immunhistochemie ersichtlich. Zusammenfassend unterstützen unsere Daten die Ansicht, dass die HIF-bedingte AKI-Protektion auf einer Umstellung des Metabolismus hin zu einer anaeroben Energiegewinnung gründet.

Regional renal hypoxia is a common feature of acute kidney injury (AKI) of different causes. However, in all AKI models tested so far, adaptation to hypoxia through hypoxia-inducible transcription factors (HIF) is very limited. Moreover, renal cell types most prone to injury seem to have the least capacity of up-regulating HIF under the respective AKI condition. Pre- conditional HIF activation has been demonstrated to protect from AKI induced by ischemia-reperfusion injury. But, the mechanisms responsible for renal protection are largely unknowns. Equally, it remains unclear if HIF based rescue mechanisms can be effective in other AKI forms, as well. The present work shows that selective HIF activation in renal tubules through Pax8-rtTA based inducible knockout of von Hippel-Lindau protein (VHL) protects from rhabdomyolysis-induced AKI. In this model, HIF activation inversely correlates with tubular injury, leading to 5% necrosis at d1 and 40% necrosis at d2 compared with controls. Genome wide microarray analysis reveals that roughly 20% of the active genome is significantly (p<0.01) regulated in this AKI form. Compared with control animals, VHL-KO mice subjected to rhabdomyolysis substantially activate HIF in portions of the nephron at risk for acute injury. In the first 48 h after induction of rhabdomyolysis, in VHL-KO mice kidney protection is reflected by lower plasma creatinine/urea, caspase-3 protein, and tubular necrosis. At d1 after rhabdomyolysis tubular injury is mostly sublethal, and hence, potentially reversible. We provide evidence that at this time point VHL-KO leads to activated glycolysis, enhanced cellular glucose uptake and utilization, autophagy, vasodilation, and proton removal, as demonstrated by qPCR, pathway enrichment analysis and immunohistochemistry. In conclusion, our data support the view that HIF based protection from AKI relies on a shift of metabolism towards anaerobic energy supply.