Výpočtový model funkcie obličiek u pacienta s cukrovkou

Rui Hu ¹a Anita Laytonová^1,2,*

Abstrakt:Na začiatku cukrovky,obličkysa zväčší a rýchlosť glomerulárnej filtrácie sa stane abnormálne vysokou. Tieto štrukturálne a hemodynamické zmeny ovplyvňujú funkciu obličiek a môžu prispieť k rozvoju chronického ochorenia obličiek. Cieľom tejto štúdie je analyzovať akoobličkyfunkcia je zmenená u pacientov s diabetom a renálne účinky antihyperglykemickej terapie, ktorá inhibuje sodno-glukózový kotransportér 2 (SGLT2) v proximálnych stočených tubuloch.

Na dosiahnutie tohto cieľa sme vyvinuli výpočtový modelobličkyfunkciu u pacienta s cukrovkou a vykonali simulácie na štúdium účinkov cukrovky a inhibície SGLT2 na transport rozpustenej látky a vody pozdĺž nefrónov. Výsledky simulácie naznačujú, že hyperfiltrácia a tubulárna hypertrofia vyvolaná cukrovkou zvyšuje transport Na plus, najmä pozdĺž proximálnych tubulov a hrubých vzostupných končatín. Tieto simulácie naznačujú, že inhibícia SGLT2 môže zoslabiť glomerulárnu hyperfiltráciu obmedzením transportu Na plus-glukózy, zvýšením luminálneho [Cl一] v macula densa, obnovením tubuloglomerulárneho spätnoväzbového signálu, čím sa zníži rýchlosť glomerulárnej filtrácie jedného nefrónu.

Kľúčové slová:SGLT2 inhibítory; epiteliálny transport; transport sodíka; transport glukózy; natriuréza; diuréza

Kontakt:ali.ma@wecistanche.com

Kliknite na vitamín Cistanche na ochorenie obličiek

1. Úvod

Prevalencia cukrovky celosvetovo stúpa, v súčasnosti sa odhaduje na 9,3 percenta (463 miliónov ľudí) a očakáva sa, že do roku 2030 dosiahne 10,2 percenta (578 miliónov) a do roku 2045 na 10,9 percenta (700 miliónov) [1]. Vo vyspelých krajinách patrí diabetes 2. typu medzi najčastejšie príčiny chronickej chorobyobličkyochorenia [2] a hlavným prispievateľom ku kardiovaskulárnym ochoreniam [3]. Aj keď cesty, ktoré spájajú diabetes s chronickým ochorením obličiek, zostávajú neúplne pochopené, je známe, že diabetes vyvoláva patofyziologické zmeny v obličkách. Na samom začiatku cukrovky,obličky sa zväčšuje a rýchlosť glomerulárnej filtrácie (GFR) sa stáva supranormálnou [4]. Tieto štrukturálne a hemodynamické zmeny ovplyvňujú funkciu obličiek a môžu nakoniec viesť k chronickému ochoreniu obličiek.

V celej živočíšnej ríšiobličkysú známe predovšetkým svojou funkciou filtrov, ktoré odstraňujú metabolické odpady a toxíny z krvi a vylučujú ich močom. Ale u cicavcov sa obličky špecializujú na rôzne ďalšie základné regulačné funkcie, vrátane vody, elektrolytov a acidobázickej rovnováhy [5]. U ľudí je dvojicaobličkysa nachádzajú v brušnej dutine, pričom jedna je na každej strane chrbtice. Oblička cicavca môže byť rozdelená na vonkajšiu oblasť (kôra) a vnútornú oblasť (medulla). Každá z ľudských obličiek obsahuje asi milión glomerulov, čo sú zhluky kapilár, z ktorých každá dostáva krv z jednotlivých aferentných arteriol odbočujúcich z intrarenálnych artérií. Poháňaný vaskulárnym hydrostatickým tlakom sa časť vody a rozpustených látok v tejto krvi filtruje cez glomerulus a stáva sa tubulárnou tekutinou nefrónu. Nefróny upravujú obsah glomerulárneho filtrátu prostredníctvom absorpčných a sekrečných procesov sprostredkovaných membránovými transportérmi a kanálmi na renálnych tubulárnych epiteliálnych bunkách. teda

to, čo začína v glomerulu ako ultrafiltrát plazmy, sa na konci nefrónov premieňa na moč [5]. Regulácia procesov epitelového transportu, ktoré prispôsobujú výdaj moču príjmu tekutín a rozpustených látok, ako aj produkcii odpadových produktov, je predmetom veľkého množstva experimentálneho a teoretického úsilia [6–9]. Boli vyvinuté výpočtové modely na odhalenie procesov transportu obličkových rozpustených látok a vody u ľudí [10] a potkanov pri diétnych [11–13] a terapeutických [14–16] manipuláciách a za patofyziologických podmienok [17–19].

Ako už bolo uvedené, diabetes je hlavným rizikovým faktoromobličkychoroba. To je jeden z mnohých dôvodov, prečo pacienti s cukrovkou dosahujú glykemickú kontrolu. Novou triedou antihyperglykemických liekov sú inhibítory sodno-glukózového kotransportéra 2 (SGLT2), ktoré zvyšujú vylučovanie glukózy močom a tlmia postprandiálne zvýšenie glukózy v krvi zacielením jej reabsorpcie pozdĺž skorého proximálneho tubulu [20]. Ako kotransportér sprostredkuje SGLT2 transport glukózy v procese, ktorý je spojený s transportom Na plus; teda inhibícia SGLT2 tiež znižuje proximálnu tubulárnu reabsorpciu Na plus a tekutiny a indukuje natriurézu a diurézu. Okrem antihyperglykemického účinku sa uvádza, že inhibítory SGLT2 znižujú krvný tlak a chránia diabetických pacientov pred srdcovým zlyhaním [21,22]. Renálne, metabolické a kardiovaskulárne vplyvy inhibície SGLT2 boli zhrnuté v odkazoch. [23,24].

Predtým sme vykonali modelové simulácie na preskúmanieobličkyfunkcie pri diabete a renálne účinky inhibície SGLT2 [15–17]. Avšak výpočtový model použitý v týchto štúdiách bol založený na obličkách potkana. Ako také, aj keď sú niektoré predpovede modelu v súlade s pozorovaniami u pacientov s diabetom, translačná hodnota týchto zistení môže byť stále obmedzená. Cieľom tejto štúdie je teda analyzovať funkciu obličiek u (ľudských) pacientov s diabetom a účinky inhibície SGLT2 pomocou výpočtového modelu ľudskej obličky, ktorý sme nedávno publikovali [10,25].

2. Výsledky

2.1. Funkcia obličiek pri nediabetických a diabetických podmienkach

Porovnávame transport rozpustenej látky a vody pozdĺž nefrónov u nediabetika a diabetikaobličky. Kľúčové výsledky sú zhrnuté na obrázkoch 1 a 2. V týchto simuláciách napodobňujeme renálne účinky diabetu, ako je opísané v časti Materiály a metódy. Najmä diabetes indukuje glomerulárnu hyperfiltráciu a tubulárnu hypertrofiu. Zvýšená GFR sa odráža na filtrovaných dávkach rozpustenej látky, zatiaľ čo tubulárna hypertrofia sa odráža v posilnenom transporte; Pozri nižšie.

V nediabetických podmienkach sa v podstate všetka filtrovaná glukóza reabsorbuje pozdĺž proximálnych tubulov, pričom proximálny stočený tubul a segment S3 reabsorbujú 97 percent a 2,6 percent prefiltrovanej glukózy. Pozri obrázok 1C. Pri simuláciách stredného diabetu sa predpokladá zvýšenie koncentrácie glukózy v plazme z 5 na 8,6 mm, čo spolu so zvýšenou GFR poskytuje filtrovanú záťaž 1,52 mol/deň/1 glukózy. Napriek tomu, že filtrovaná glukóza je približne zdvojnásobená, transport glukózy proximálnym tubulom ešte nebol prekonaný, pričom proximálny stočený tubul a segment S3 reabsorbujú 99,6 percent a 0,4 percent prefiltrovanej glukózy, takže v podstate nezostane žiadna glukóza v moču v súlade s pozorovanou absenciou glukozúrie u pacientov so stredne ťažkým diabetom [26]. Pri simuláciách závažného diabetu je plazmatická glukóza ďalej zvýšená na 20 mM, čo vedie k glukózovej filtrovanej záťaži 3,75 mol/deň一1 glukózy, ktorá prevyšuje schopnosť transportu glukózy proximálneho tubulu. Predpovedá sa, že frakčná reabsorpcia glukózy proximálnym stočeným tubulom a segmentom S3 bude 73,7 percenta a 9,1 percenta. Downstream segmenty nemajú významné kapacity na transport glukózy. Diabetický model ako taký predpovedá absolútne a frakčné vylučovanie glukózy ako 0,6 mol．deň一1 a 16 percent, v tomto poradí.

Vo vzťahu k nediabetikomobličkyModel so stredne ťažkým diabetom predpokladá 10-percentný nárast GFR a teda filtrovaný Na plus, čo vedie k zodpovedajúcemu 10-percentnému zvýšeniu celkového

Na plus doprava. Zvýšenie reabsorpcie Na plus je najväčšie v tubulárnych segmentoch, kde diabetes indukuje významné zvýšenie expresie transportérov Na plus. Najmä transport Na plus sa zvyšuje o 11, 8 percent pozdĺž proximálnych stočených tubulov, kde zmeny krútiaceho momentu vyvolané hyperfiltráciou zvyšujú hustotu všetkých transcelulárnych transportérov. Diabetes tiež zvyšuje hustotu NKCC2 v medulárnych hrubých vzostupných končatinách [17], čo vedie k 35-percentnému zvýšeniu reabsorpcie Na plus. Zvýšený transport Na plus v podstate kompenzuje zvýšenú filtrovanú záťaž Na plus pri cukrovke, čím sa dosiahne vylučovanie Na plus podobne ako u nediabetikov.obličky(Obrázok 2, panely A1–A3). Po zvýšenej reabsorpcii Na plus nasleduje zvýšenie reabsorpcie Cl- a vody (obrázok 2, panely C3 a D3). V porovnaní s nediabetickým prípadom sa predpokladá, že vylučovanie Cl- močom bude pri cukrovke o 25 percent vyššie, zatiaľ čo vylučovanie moču je o 35 percent vyššie (obrázok 2, panely C2 a D2). Podobne ako Na plus, vyššia filtrovaná záťaž K plus zvyšuje jeho tubulárnu reabsorpciu pozdĺž proximálnych tubulov a hrubých vzostupných končatín (obrázok 2 (B3)). Tieto konkurenčné faktory vedú ku kaliuréze, pričom sa predpokladá, že vylučovanie K plus bude pri cukrovke o 48 percent vyššie (obrázok 2(B2)).

V modeli ťažkého diabetu sa GFR a filtrovaný Na plus oba zvyšujú o 24 percent, čo vedie k zvýšenému transportu Na plus, najmä o 22,5 percenta pozdĺž proximálnych tubulov a 47,4 percenta spolu s hrubými vzostupnými končatinami. Rovnako ako v prípade stredne ťažkého diabetu, zvýšený transport Na plus v podstate kompenzuje zvýšenú filtrovanú záťaž Na plus pri cukrovke, čím sa dosiahne vylučovanie Na plus podobné nediabetickýmobličky(Obrázok 2, panely A1–A3). Modelové predpovede transportu Cl sú analogické s predikciami pre prípad stredne ťažkého diabetu (obrázok 2 (C2)). V porovnaní s nediabetickým prípadom sa predpokladá, že vylučovanie Cl- močom bude pri cukrovke o 48,8 percent vyššie. Model predpovedá závažnejšiu diurézu, pričom sa predpokladá, že výdaj moču bude o 115 percent vyšší ako v prípade nediabetika (obrázok 2 (D2)) a závažnejšia kaliuréza s vylučovaním K plus bude o 63,4 percenta vyššia (obrázok 2 ( B2)).

2.2. Inhibícia SGLT2 v nediabetickej obličke

V nediabetickom prostredí sa zistilo, že blokáda SGLT2 indukuje menšie zníženie GFR: o 3 percentá u nediabetických jedincov, ktorí dostávali kanagliflozín alebo dapagliflozín počas 4 dní [17]. Predpokladáme teda, že pri simulácii akútnej inhibície 3-percentné zníženie SNGFR všetkých nefrónov. V nediabetickom prostredí sa tiež uvádza, že blokáda SGLT2 vedie k vylučovaniu glukózy močom, ktoré predstavuje ~ 45 percent jej filtrovaného množstva [27]. V tejto štúdii predpokladáme 90-percentnú inhibíciu SGLT2 vo všetkých nefrónoch, čo vedie k exkrécii 40 % prefiltrovanej glukózy [27]. Model predpovedá, že malá časť (14,5 percenta) filtrovanej glukózovej záťaže je reabsorbovaná spolu s proximálnymi segmentmi stočeného tubulu, sprostredkovaná zvyšným SGLT2 a tiež paracelulárnou cestou, a 39,7 percenta v segmente S3, z ktorých väčšina cez SGLT1. Pozri obrázok 3.

Na obrázkoch 3 a 4 sú výsledky nediabetických a diabetických prípadov bez blokády SGLT2 (označené ako „ND“ a „D“) rovnaké ako tie na obrázkoch 1 a 2, ale prezentované odlišne. Namiesto skutočných hodnôt normalizujeme rýchlosti filtrácie a segmentového transportu podľa ich príslušných hodnôt ND. Pre rýchlosť vylučovania normalizujeme hodnoty D, pretože za nediabetických podmienok je vylučovanie glukózy v podstate nulové. Výpočtom týchto pomerov môžeme lepšie pochopiť, ako veľmi sa mení každá veličina pri cukrovke po inhibícii SGLT2. Vzájomné porovnanie (napr. medzi filtráciou a vylučovaním) však nemá význam vzhľadom na ich rozdielne referenčné hodnoty.

Znova zvážte výsledky nediabetickej inhibície SGLT2. Ako sme už opísali [16,17], inhibícia SGLT2 vyvoláva osmotickú diurézu v proximálnom tubule, čím sa znižuje pasívny transport paracelulárnou cestou v tomto segmente. Vysoký luminálny tok naopak stimuluje aktívny transport (prostredníctvom krútiaceho momentu indukovaného zvýšenia expresie transcelulárneho transportéra [18]), ale zníženie pasívneho transportu je väčšie, takže sieť

Reabsorpcia Na plus klesá v proximálnom tubule o 10,3 percenta. Výsledky simulácie naznačujú, že zníženie transportu Na plus v proximálnom tubule je potom čiastočne kompenzované smerom po prúde, najmä za medulárnymi hrubými vzostupnými končatinami (obrázok 4 (A3)). Zvýšená reabsorpcia Na plus pozdĺž spojovacích tubulov je sprevádzaná zvýšenou sekréciou K plus (obrázok 4 (B3)). V dôsledku toho inhibícia SGLT2 u diabetikaobličkyindukuje diurézu, natriurézu a kaliurézu, pričom vylučovanie moču sa zvyšuje o 207 percent, vylučovanie Na plus o 308 percent a vylučovanie K plus o 184 percent (obrázok 4, panely A2–D2).

2.3. Inhibícia SGLT2 v diabetickej obličke

Inhibícia SGLT2 zmierňuje hyperfiltráciu zníženú diabetom [28]. Pri simulácii účinkov blokády SGLT2 teda znížime GFR na nediabetickú úroveň 151,2 l/deň一1. Zvažujeme akútne podanie, takže koncentrácia glukózy v plazme sa udržiava na 8,6 a 20 mM v prípade stredne ťažkého a ťažkého diabetu. Najprv zvážte transport glukózy v prípade stredne ťažkého diabetu. S vyššie uvedeným predpokladom GFR znižuje inhibícia SGLT2 filtrovanú záťaž glukózy z 1,52 na 1,3 mol/deň一1. Predpokladá sa, že vylučovanie glukózy bude 0,69 mol．deň一1, čo je 53,1 percenta prefiltrovanej glukózy. Predpokladaná exkrécia glukózy je v rozmedzí uvádzaných hodnôt [29]. Proximálny stočený tubulus a segmenty S3 reabsorbujú 0,23 a 0,38 mol glukózy．deň一1, v tomto poradí. Na porovnanie, v neprítomnosti inhibície SGLT2 proximálny stočený tubul a S3 reabsorbujú 1,51 a 0,01 mol glukózy/deň一1. Pozri obrázok 3.

V prípade ťažkého diabetu sa predpokladá, že exkrécia glukózy je 2.{8}}2 mol．deň一1 (obrázok 3B), čo zodpovedá 66,8 percentám filtrovanej glukózy v rozsahu uvádzaných hodnôt [29]. Proximálny stočený tubulus a segmenty S3 reabsorbujú {{10}},5 a 0,5 mol glukózy．deň一1, v tomto poradí, v porovnaní s príslušnou rýchlosťou 2,8 a 0,34 mol glukózy．deň一1 bez inhibície SGLT2 ( Obrázok 3C) Je pozoruhodné, že zatiaľ čo v neprítomnosti liečby dochádza k sekrécii glukózy cez tesné spojenie, paracelulárna dráha sprostredkúva reabsorpciu glukózy, keď je SGLT2 inhibovaný (v dôsledku vyššej luminálnej koncentrácie glukózy). Celkovo tieto výsledky naznačujú, že pri 90-percentnej inhibícii SGLT2 SGLT1 sotva kompenzuje blokádu SGLT2 pri cukrovke, pretože hyperglykémia a zvýšená tubulárna glukózová záťaž už spotrebúvajú plnú transportnú kapacitu SGLT1 v neprítomnosti inhibície SGLT2.

Predpokladá sa, že inhibícia SGLT2 významne zníži transport Na plus, predovšetkým preto, že normalizuje GFR a filtrovanú záťaž Na plus. Naše simulácie naznačujú, že ako v prípade nediabetika, blokovanie SGLT2 spôsobuje osmotickú diurézu v proximálnom tubule, čím sa znižuje paracelulárny transport. V skutočnosti model predpovedá, že smer paracelulárneho transportu Na plus je obrátený v S3: v dôsledku osmotickej diurézy luminálny-intersticiálny koncentračný gradient Na plus uprednostňuje sekréciu Na plus do lúmenu cez tesné spojenia. V dôsledku toho sa v prípade stredne ťažkého diabetu zvyšuje vylučovanie Na plus 2,2-násobne a vylučovanie moču 1,7-násobne; v prípade ťažkého diabetu sa vylučovanie Na plus a výdaj moču zvýši 4,9 a 1,9 násobne (obrázok 4, panely A2 a C2). Vyšší prietok Na plus pozdĺž distálnych tubulárnych segmentov zvyšuje sekréciu K plus, čím sa zvyšuje vylučovanie K plus 1,02 a 1,9 násobne v prípade stredne ťažkého a ťažkého diabetu (obrázok 4, panely B2). Predpokladané zvýšenia, najmä vylučovania moču, sú vyššie ako uvádzané hodnoty [30]. Nadmerné vylučovanie moču môže viesť k vyčerpaniu objemu, čo následne aktivuje mechanizmy na zníženie tvorby moču. Tieto mechanizmy nie sú v modeli zastúpené, čo môže vysvetliť predpovede vysokého výdaja moču a vylučovania.

3. Diskusia

Hlavným cieľom tejto štúdie je rozšíriť výpočtový model človekaobličkya použiť tento model na štúdium účinkov diabetu a inhibície SGLT2 na transport rozpustenej látky a vody pozdĺž nefrónov. Diabetes indukuje glomerulárnu hyperfiltráciu a tubulárnu hypertrofiu [31]. V dôsledku toho diabetes zvyšuje reabsorpciu Na plus a glukózy cez sodno-glukózový kotransportér SGLT2 vo včasnom proximálnom tubule obličkovej kôry a v menšej miere cez SGLT1 v S3 segmente obličkovej drene.

Zvýšené zaťaženie transportom rozpustenej látky a vody vedie k zvýšeniu transportu Na plus (TNa). Predchádzajúca modelovacia štúdia potkanaobličky[17] predpovedali 50-percentný nárast celkového TNa s neúmerným zvýšením aktívneho TNa (64 percent). Aktívna TNa je sprostredkovaná Na plus /K plus -ATPázou a vyžaduje spotrebu kyslíka. Diabetes zvyšuje metabolizmus mastných kyselín, čo vedie k zníženiu metabolickej účinnosti [32], vrátane zvýšenia množstva kyslíka potrebného na transport daného množstva Na plus. V dôsledku toho sa predpokladalo, že spotreba kyslíka na podporu aktívneho TNa sa takmer zdvojnásobí (88 percent nárast [17]).

Súčasný človekobličkymodel predpovedá, že najväčšie zvýšenie TNa vyvolané cukrovkou sa vyskytuje pozdĺž proximálnych tubulov a hrubých vzostupných končatín (obrázok 2 (A3)). Zatiaľ čo proximálne stočené tubuly sa nachádzajú v dobre perfundovanej obličkovej kôre, S3 a medulárne hrubé ascendentné končatiny sa nachádzajú vo vonkajšej dreni, kde je napätie kyslíka podstatne nižšie ako v kortexe [33,34]. V skutočnosti je známe, že tieto segmenty sú citlivé na hypoxické poškodenie. Zvýšenie metabolického dopytu spôsobené cukrovkou ako také môže byť pre tieto segmenty obzvlášť stresujúce. Celkovo vzaté, súčasný model predpovedá v prípadoch stredne ťažkého a ťažkého diabetu 17 percent a 24 percent, v tomto poradí, zvýšenie celkovej TNa a 29,4 percent a 37,5 percent zvýšenie aktívnej TNa. Rozsah hyperglykémie v prípade ťažkého diabetu je podobný ako na modeli potkanov [17]. Súčasný model však predpovedá menší nárast TNa. Tento rozdiel možno pripísať menšej GFR indukovanej cukrovkou, a teda zvýšeniu filtrovanej záťaže Na plus u ľudí. Napriek tomu vyššia aktívna TNa spolu s cukrovkou indukovanou redukciou metabolickej účinnosti pravdepodobne vedie k podstatnému zvýšeniu spotreby kyslíka. Bez zodpovedajúceho zvýšenia prísunu kyslíka môže mať vyšší metabolický dopyt za následok renálnu hypoxiu, o ktorej sa predpokladá, že je dôležitým mechanizmom pri rozvoji diabetu.obličkychoroba [35].

Vallon a spolupracovníci navrhli, že pri včasnom diabete má zvýšená reabsorpcia pozdĺž proximálnych tubulov, ktorá je čiastočne spôsobená zvýšením kotransportu Na plus-glukózy, primárnu úlohu pri zvýšení SNGFR: zvýšený proximálny tubulárny transport znižuje tubuloglomerulárny spätnoväzbový signál, tj luminálny [Cl一] snímaný bunkami macula densa, čo vedie k spätnoväzbovo indukovanému zvýšeniu SNGFR. Táto „tubulocentrická“ hypotéza bola podporená mikropunkčnými experimentmi na potkanoch [36,37]. Predpovede súčasného človekaobličkymodel sú v súlade s touto tubulocentrickou hypotézou: predpokladá sa, že zvýšený proximálny tubulárny transport pri diabete zníži luminálny [Cl一] v macula densa o 24–27 percent v prípade stredne ťažkého diabetu a o 32–52 percent v prípade ťažkého diabetu. diabetes v porovnaní s nediabetikomobličkyv závislosti od typu nefrónu. Predovšetkým sa predpokladá, že luminálny [Cl-] v macula densa povrchového nefrónu bude 28,3, 21,3 a 18,6 mm v prípade nediabetického, stredného diabetu a ťažkého diabetu. Ak by sa GFR nastavila na nediabetické hladiny v prípadoch stredného a ťažkého diabetu, predpokladaná macula densa luminal [Cl一] by bola nižšia na 17,7 a 15,6 mM, v tomto poradí. Ak je teda u človeka prítomná tubuloglomerulárna spätná väzbaobličkyVýsledný vazodilatačný signál predpovedaný pri cukrovke by mohol prispieť k glomerulárnej hyperfiltrácii. Aj keď sa v simuláciách a priori predpokladalo, že SNGFR je známy, možno definovať funkciu negatívnej spätnej väzby, ktorá poskytuje predpokladaný SNGFR vzhľadom na predpokladaný luminálny [Cl一] v macula densa.

Okrem toho model predpovedá, že obmedzením transportu Na plus-glukózy inhibícia SGLT2 významne zvyšuje macula densa luminal [Cl一], čo potom môže zmierniť glomerulárnu hyperfiltráciu prostredníctvom tubuloglomerulárnej spätnej väzby. Konkrétne, po podaní inhibítora SGLT2 na model mierneho diabetu sa predpokladá, že macula densa luminal [Cl一] pozdĺž povrchového nefrónu bude 39,2 mM s predpokladaným účinkom na zníženie GFR a 51,4 mM bez. Zodpovedajúce predpovede pre model ťažkého diabetu sú 36,4 a 48,1 mM, v tomto poradí, s a bez účinku na zníženie GFR. Podobné trendy sa pozorujú v juxtamedulárnych nefrónoch. Tieto výsledky sú v súlade s klinickými údajmi, ktoré ukazujú, že chronická inhibícia SGLT2 indukovala zníženie eGFR u pacientov s diabetes mellitus 2. typu, dokonca aj u pacientov s chronickým ochorením obličiek [38]. Zníženie glomerulárnej hyperfiltrácie na úrovni jedného nefrónu inhibíciou SGLT2 môže poskytnúť dlhodobé priaznivé účinky u diabetikovobličky. Jedna otázka znie: Do akej miery inhibícia SGLT2 znižuje tubulárny transport Na plus a spotrebu kyslíka pozdĺž nefrónu? Model predpovedá, že podávanie inhibítorov SGLT2 u diabetikaobličkyznižuje celkovú TNA o 21,8 percenta, ale väčšina tohto zníženia prebieha cez paracelulárnu dráhu a pri aktívnej TNa sa znížila len o 3 percentá.

Stručne povedané, vyvinuli sme prvý výpočtový model podrobného epitelového transportu vobličkypacienta s cukrovkou. Model predpovedá, že podobne ako u hlodavcov, cukrovkou indukovaná tubulárna hypertrofia u ľudí môže prispieť ku glomerulárnej hyperfiltrácii prostredníctvom (hypotezovaného) tubuloglomerulárneho spätnoväzbového signálu [36], čo následne vedie k veľkému zvýšeniu transportného zaťaženia a metabolického dopytu. Model možno použiť na posúdenie účinkov iných bežne predpisovaných liekov, ako sú blokátory systému angiotenzínu II, na funkciu obličiek pri cukrovke a na posúdenie rozsahu, v akom sa tieto účinky premietajú doobličkyso zníženým počtom nefrónov a zhoršenou funkciou.

Je pozoruhodné, že súčasný model prevzal mnohé z predpokladov z aobličkymodel samca potkana [14,16,39]. Veľký sexuálny dimorfizmus bol odhalený v množstve transportérov elektrolytov, kanálov a klaudínov u samcov a samíc hlodavcov [40,41]. Zistenia Veritas et al. naznačili, že v porovnaní so samcami potkaních nefrónov, samice potkaních nefrónov vykazujú nižšie aktivity hlavných transportérov Na plus a vody pozdĺž proximálnej časti obličkového tubulu (proximálneho tubulu), čo vedie k výrazne väčšiemu frakčnému dodávaniu Na plus a vody do downstream nefrónu segmenty v ženských obličkách. Spolu s distálnymi segmentmi nefrónu aj samicaobličkyvykazuje vyšší počet kľúčových transportérov Na plus v porovnaní s mužmi, čo vedie k podobnej exkrécii moču medzi pohlaviami. Niektoré z týchto rozdielov medzi pohlaviami vo funkcii obličiek hlodavcov sa pravdepodobne prenášajú na ľudí. Je známe, že muži majú pred menopauzou vyšší krvný tlak v porovnaní so ženami rovnakého veku [42,43]. Vzhľadom na kľúčovú úlohu obličiek pri kontrole krvného tlaku možno pozorované pohlavné rozdiely v prevalencii hypertenzie čiastočne pripísať rozdielom v štruktúre a funkcii obličiek [44–46]. Hlavné rozdiely medzi hlodavcami a ľuďmiobličkynapriek tomu výpočtový model obličky ženy, inšpirovaný vzorom transportu obličiek u samíc hlodavcov [47–49], môže byť užitočný pri analýze funkcie obličiek u pacientky s diabetom a pri identifikácii mechanizmov, ktoré vysvetľujú pozorované pohlavie. rozdiely pri diabetickej chorobe obličiek [50].

4. Materiály a metódy

Predtým sme vyvinuli model transportu rozpustenej látky na báze epitelových buniek pozdĺž nefrónov človekaobličky[10,25]. V tejto štúdii rozširujeme tento model na simuláciu diabetickej obličky. Model predstavuje šesť tried nefrónov: povrchový nefrón, ktorý sa otáča na vonkajšej a vnútornej medulárnej hranici, a päť juxtamedulárnych nefrónov, ktoré zasahujú do rôznych úrovní vnútornej drene. Povrchové nefróny tvoria 85 percent populácie nefrónov a siahajú od Bowmanovho puzdra po papilárny hrot. Zvyšných 15 percent nefrónov sú juxtamedulárne nefróny, ktoré majú slučky Henle, ktoré dosahujú rôzne hĺbky vo vnútornej dreni; väčšina dlhých slučiek sa otáča vo vnútri hornej vnútornej drene. Každý modelový nefrón je reprezentovaný ako tubul lemovaný vrstvou epitelových buniek s apikálnymi a bazolaterálnymi transportérmi, ktoré sa líšia podľa typu bunky. Model predpokladá, že spojovacie tubuly sa postupne zlučujú v rámci kôry, čo vedie k pomeru zberného kanálika slučky ku kortikálu 10:1 [51]. Modelové zberné kanáliky prechádzajú cez vonkajšiu dreň a keď dosiahnu vnútornú dreň, zberné kanáliky sa opäť postupne spájajú. Schematický diagram pre model je znázornený na obrázku 5. V nediabetickej obličke je rýchlosť glomerulárnej filtrácie jedného nefrónu (SNGFR) nastavená na 100 a 133 l/min pre povrchový a juxtamedulárny nefrón. Predpokladajme, že v každom je celkovo 1 milión nefrónovobličky, výsledkom je jedenobličkyGFR 105 ml/min.

Model počíta s nasledujúcimi 15 rozpustenými látkami: Na plus, K plus, Cl一, HCO3 一, H2CO3, CO2, NH3, NH4 plus, HPO42一, H2PO4 一, H plus, HCO2 一, H2CO2, močovina a glukóza. Model je formulovaný pre ustálený stav a pozostáva z veľkého systému spojených obyčajných diferenciálnych rovníc a algebraických rovníc [10]. Modelové riešenie popisuje tok luminálnej tekutiny, hydrostatický tlak, koncentrácie rozpustených látok v luminálnej tekutine a s výnimkou segmentu zostupnej končatiny koncentrácie rozpustenej látky v cytosóle, membránový potenciál a transcelulárne a paracelulárne toky. Modelové parametre, ktoré popisujú nediabetikaobličkymožno nájsť v Ref. [10].

4.1. Transport glukózy v proximálnom tubule

Za fyziologických podmienok je prefiltrovaná glukóza plne reabsorbovaná v proximálnom tubule prostredníctvom SGLT na apikálnej strane a pomocou facilitátorov transportu glukózy (GLUT) na bazolaterálnej strane. Proximálny stočený tubulus vyjadruje vysokokapacitný nízkoafinitný transportér SGLT2 spolu s bazolaterálnym GLUT2, zatiaľ čo segment S3 vyjadruje nižšiu kapacitu, transportér s vyššou afinitou SGLT1 a bazolaterálny GLUT1. Úroveň expresie SGLT1 bola zvolená tak, že po inhibícii SGLT2 nediabetický model predpovedá SGLT1-sprostredkovaný transport ~60 percent prefiltrovanej glukózy [52]. Modelovanie tokov glukózy a Na plus cez kotransportéry SGLT2 a SGLT1 a tokov glukózy cez GLUT1 a GLUT2 boli opísané v našich predchádzajúcich štúdiách [14,16,17,39].

4.2. Simulácia diabetickej obličky

Simulujeme dva diabetické stavy, jeden, pri ktorom je plazmatická glukóza zvýšená z nediabetickej hodnoty 5 mM na 8,6 mM (čo označujeme ako "stredne ťažká cukrovka") a druhý, pri ktorom je plazmatická glukóza 20 mM (tzv. „závažný prípad cukrovky“). Diabetes indukuje renálnu hypertrofiu, hyperfiltráciu a zmeny v expresii transportéra. Okrem zvýšenia koncentrácie glukózy v plazme sme teda simulovali diabetické stavy zvýšením SNGFR o 27 a 10 percent [4] v povrchových a juxtamedulárnych nefrónoch, v uvedenom poradí, v stredne ťažkých aj ťažkých prípadoch. Na simuláciu tubulárnej hypertrofie sme zväčšili tubulárny priemer a dĺžku proximálnych tubulov o 10 percent v stredne ťažkom prípade a o 28 percent v ťažkom prípade; a zväčšili sme priemer a dĺžku distálnych segmentov o 18 a 7 percent v strednom prípade a o 42 a 7 percent v ťažkom prípade [17,53]. Okrem toho je aktivita SGLT2 upregulovaná o plus 38 percent, GLUT2 o plus 50 percent a NKCC o plus 10 percent. Aktivita SGLT1 je znížená o 一33 percent. Aktivita Na/K-ATPázy je zvýšená o plus 10 percent spolu so všetkými segmentmi nefrónu, okrem hrubej vzostupnej končatiny a vnútorného medulárneho zberného kanálika. Spolu s hrubými vzostupnými končatinami je aktivita Na/K-ATPázy zvýšená o plus 20 percent. Pre vnútorný medulárny zberný kanál sa aktivita Na/K-ATPázy zvýši o plus 50 percent spolu s počiatočnými 2/3 a plus 150 percent spolu so zvyškom segmentu v prípade stredne ťažkého diabetu a o plus 150 percent pozdĺž celého segmentu pri ťažkej cukrovke. Transcelulárna priepustnosť vody je zvýšená spolu s kortikálnymi a vnútornými medulárnymi segmentmi zberného kanálika o 55 a 40 percent [17].

Príspevky autora:Konceptualizácia, AL; metodika, AL; softvér, RH; validácia, AL a RH; formálna analýza, AL a RH; vyšetrovanie, AL a RH; zdroje, AL; spravovanie údajov, AL; písanie – príprava pôvodného návrhu, AL; písanie – recenzia a úprava, AL a RH; vizualizácia, RH; dozor, AL; administrácia projektov, AL; získanie financovania, AL Všetci autori si prečítali a súhlasili s uverejnenou verziou rukopisu.

Financovanie:Tento výskum podporil program Canada 150 Research Chair a Rada pre výskum prírodných vied a inžinierstva Kanady prostredníctvom ocenenia Discovery (RGPIN{1}}) pre AL

Vyhlásenie inštitucionálnej revíznej rady:Nepoužiteľné.

Vyhlásenie informovaného súhlasu:Nepoužiteľné.

Vyhlásenie o dostupnosti údajov:Počítačový kód bude verejne dostupný po prijatí tohto rukopisu.

Konflikt záujmov:Autori nedeklarujú žiadny konflikt záujmov. Investori nezohrávali žiadnu úlohu pri navrhovaní štúdie; pri zbere, analýzach alebo interpretácii údajov; v písaní rukopisu, alebo v rozhodnutí o zverejnení výsledkov.

Referencie

1. Saeedi, P.; Petersohn, I.; Salpea, P.; Malanda, B.; Karuranga, S.; Unwin, N.; Colagiuri, S.; Guariguata, L.; Motala, AA; Ogurtsová, K.; a kol. Odhady globálnej a regionálnej prevalencie diabetu na rok 2019 a prognózy na roky 2030 a 2045: Výsledky Medzinárodnej federácie diabetu Diabetes Atlas. Diabetes Res. Clin. Prax. 2019, 157, 107843.

2. Foley, RN; Collins, AJ Konečné štádium ochorenia obličiek v Spojených štátoch: Aktualizácia zo systému údajov obličiek Spojených štátov. J. Am. Soc. Nephrol. 2007, 18, 2644–2648.

3. Koye, DN; Magliano, DJ; Nelson, RG; Pavkov, ME Globálna epidemiológia diabetu a ochorení obličiek. Adv. Chronická porucha obličiek. 2018, 25, 121–132.

4. Mogensen, C. Rýchlosť glomerulárnej filtrácie a prietok plazmy obličkami pri krátkodobom a dlhodobom juvenilnom diabetes mellitus. Scand. J. Clin. Lab. Vyšetrovať. 1971, 28, 91–100.

5. Eaton, DC; Pooler, J.; Vander, AJ Vander's Renal Physiology, 7. vydanie; McGraw-Hill Medical: New York, NY, USA, 2009.

6. Hoenig, poslanec; Zeidel, ML Homeostáza, prostredie Interieur a múdrosť nefrónu. Clin. J. Am. Soc. Nephrol. 2014, 9, 1272–1281.

7. Dantzler, WH; Pannabecker, TL; Layton, AT; Layton, HE Mechanizmus koncentrácie moču vo vnútornej dreni obličky cicavcov: Úloha trojrozmernej architektúry. Acta Physiol. 2011, 202, 361–378. [CrossRef]

8. Palmer, LG; Schnermann, J. Integrované riadenie transportu Na pozdĺž nefrónu. Clin. J. Am. Soc. Nephrol. 2015, 10, 676–687.

9. Layton, AT Spätnou väzbou sprostredkovaná dynamika v modeli poddajnej hrubej vzostupnej končatiny. Matematika Biosci. 2010, 228, 185–194.

10. Layton, AT; Layton, HE Výpočtový model epitelového solutu a transportu vody pozdĺž ľudského nefrónu. Výpočet PLoS. Biol. 2018, 15, e1006108.

11. Weinstein, AM Matematický model potkaních obličiek: K plus-indukovaná natriuréza. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2017, 312, F925 – F950.

12. Layton, AT; Edwards, A.; Vallon, V. Manipulácia s obličkovým draslíkom u potkanov so subtotálnou nefrektómiou: Modelovanie a analýza. Am.J. Physiol. Renal Physiol. 2017, 314, F643 – F657.

13. Edwards, A.; Castrop, H.; Laghmani, K.; Vallon, V.; Layton, AT Účinky regulácie izoformy NKCC2 na transport NaCl v hrubej vzostupnej končatine a macula densa: Štúdia modelovania. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2014, 307, F137–F146.

14. Layton, AT; Laghmani, K.; Vallon, V.; Edwards, A. Transport rozpustenej látky a spotreba kyslíka pozdĺž nefrónov: Účinky inhibítorov transportu Na plus. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2016, 311, F1217 – F1229.

15. Layton, AT; Vallon, V. Inhibícia SGLT2 v obličkách so zníženým počtom nefrónov: Modelovanie a analýza transportu a metabolizmu rozpustených látok. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2018, 314, F969 – F984.

16. Layton, AT; Vallon, V.; Edwards, A. Modelovanie spotreby kyslíka v proximálnom tubule: Účinky inhibície NHE a SGLT2. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2015, 308, F1343 – F1357.

17. Layton, AT; Vallon, V.; Edwards, A. Predpokladané dôsledky diabetu a inhibície SGLT na transport a spotrebu kyslíka pozdĺž potkanieho nefrónu. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2016, 310, F1269 – F1283.

18. Layton, AT; Vallon, V.; Edwards, A. Adaptívne zmeny v GFR, tubulárna morfológia a transport v medzisúhrnných nefrektomizovaných obličkách: modelovanie a analýza. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2017, 313, F199–F209.

19. Sgouralis, I.; Evans, RG; Gardiner, BS; Smith, JA; Fry, BC; Layton, AT Renálna hemodynamika, funkcia a okysličenie počas srdcovej chirurgie vykonanej na kardiopulmonálnom bypasse: modelová štúdia. Physiol. Rep. 2015, 3, e12260.

20. Layton, AT Sladký úspech? Inhibítory SGLT2 a diabetes. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 2018, 314, F1034 – F1035.

21. Neal, B.; Perkovič, V.; Mahaffey, KW; de Zeeuw, D.; Fulcher, G.; Erondu, N.; Shaw, W.; Law, G.; Desai, M.; Matthews, DR Canagliflozín a kardiovaskulárne a renálne príhody pri diabete 2. typu. N. Engl. J. Med. 2017, 377, 644–657.