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Ryu, Mi (2012): Role of TNF-α on progressive glomerulosclerosis in Alport nephropathy. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

The pathomechanisms of the progression of chronic kidney diseases involve progressive glomerulosclerosis with renal parenchymal cell loss by proapoptotic factors. Tumor necrosis factor-alpha (TNF-α) is a proapoptotic cytokine that is produced by macrophages as well as by a variety of cell types. TNF-α signaling regulates cell survival and death. Like in other inflammatory renal diseases, the increased intrarenal TNF-α expression contributes to the disease progression of Alport nephropathy, “a non-inflammatory” murine CKD model. I show that TNF-α expressed by podocytes as well as by infiltrating leukocytes progressively activates renal parenchymal cells, inducing apoptotic pathways that can trigger glomerulosclerosis in Alport disease. The blockade of TNF-α by etanercept prolonged mean survival of Col4a3-deficient mice. The beneficial effect on life span was associated with a significant improvement of the glomerulosclerosis, proteinuria, and the glomerular filtration rate (GFR). In particular, etanercept treatment significantly increased the number of glomerular podocytes (WT-1 and nephrin co-staining) and the renal mRNA expression of nephrin and podocin without affecting markers of renal inflammation. The increased number of podocytes was consistent with less TUNEL-positive podocytes that undergo apoptosis. Importantly, exogenous signals, e.g. infections or toxins, have the potential to regulate the influx of immune cells including dendritic cells, macrophages, neutrophils, and T cells. Here I report a large influx of leukocyte subsets that are mostly dendritic cells and macrophages in Col4a3-deficient mice as compared to wildtype mice. While bacterial endotoxin treatment had no effect on the renal disease progression, bacterial cytosine-guanine (CpG)-DNA exacerbated all aspects of Alport nephropathy and reduced the overall life span of Col4a3-deficient mice. This effect of CpG-DNA was associated with a significant increase of renal CD11b+/Ly6Chigh macrophages, intrarenal production of TNF-α, iNOS, IL-12, and CXCL10. CpG-DNA switched intrarenal macrophages from non-activated phenotype (M2) towards the classically activated form (M1). These M1 macrophages increased the secretion of TNF-α, which accelerated the disease progression of Alport nephropathy by inducing podocyte loss. Taken together, I demonstrated that TNF-α is a crucial cytokine which induces podocyte loss in the natural course of the progression of Alport nephropathy. Moreover, the expression of TNF-α is enhanced by selective exogenous factors, e.g. TLR9 activation, which alter the phenotype of renal macrophages towards the M1 phenotype. TNF-α blockade might therefore represent a novel therapeutical option to delay the progression of Alport nephropathy and potentially of other forms of glomerulosclerosis in non-inflammatory and inflammatory conditions.

Abstract

Die Pathogenese des chronischen Nierenversagens beinhaltet die progrediente Glomerulosklerose mit dem Verlust von Nierenparenchymzellen durch proapoptotische Faktoren. Tumor-Nekrose-Faktor-alpha (TNF-α) ist ein proapoptotisches Zytokin, das sowohl von Makrophagen als auch von einer Vielzahl anderer Zellen gebildet und freigesetzt wird. Der TNF-α Signalweg reguliert Zellüberleben und Zelltod. Wie in anderen inflammatorischen Nierenerkrankungen trägt die gesteigerte intrarenale TNF-α- Expression zum Fortschreiten der Alport-Nephropathie, einer "nicht-inflammatorischen" chronischen Nierenerkrankung, im Mausmodell bei. TNF-α, das in Podozyten und infiltrierenden Leukozyten experimiert wird, aktiviert Nierenparenchymzellen über apoptotische Signalwege, was zu Alport-Glomerulosklerose führen kann. In der vorliegenden Dissertation berichte ich, dass die Blockade von TNF-α durch Etanercept die Lebensdauer von Col4a3-defizienten Mäusen verlängerte. Dieser positive Effekt auf die Lebensspanne war mit einer signifikanten Verbesserung der Glomerulosklerose, der Proteinurie und der glomerulären Filtrationsrate (GFR) verbunden. Vor allem die Etanercept-Behandlung erhöhte signifikant die glomeruläre Podozytenzahl und die renale mRNA-Expression von Nephrin und Podocin, ohne jedoch Marker der renalen Inflammation zu beeinflussen. Die zunehmende Zahl der Podozyten war mit einer Abnahme apoptotischer Podozyten assoziiert. Desweiteren können exogene Stimuli, wie zum Beispiel Infektionen oder Toxine, die Rekrutierung von Immunzellen (dendritische Zellen, Makrophagen, Neutrophile, T-Lymphozyten) modulieren. Im Vergleich zu Nieren von Wildtyp-Mäusen beobachtete ich eine vermehrte Infiltration von Leukozyten, größtenteils bestehend aus dendritischen Zellen und Makrophagen in Col4a3-defizienten Nieren. Während das bakterielle Endotoxin LPS keinen Effekt auf die Progression des Krankheitsgeschehens hatte, führte die Stimulation mit Cytosine-Guanin-reicher DNA (CpG-DNA) zu einer Aggravation in allen Aspekten der Alport-Nephropathie und insbesondere zu einer verkürzten Lebensdauer der Col4a3-defizienten Mäuse. Dieser Effekt der CpG-DNA-Stimulation war assoziiert mit einer signifikant erhöhten Anzahl von renalen CD11b+/Ly6Chigh-Makrophagen sowie einer vermehrten intrarenalen Produktion von TNF-α, iNOS, IL-12 und CXCL10. CpG-DNA vermittelte die Makrophagen-Differenzierung vom unaktivierten M2-Phänotyp zum klassisch-aktivierten M1-Phänotyp. Interessanterweise sezernieren diese M1-Makrophagen vermehrt TNF-α, was die Progression der Alport-Nephropathie durch zusätzlichen Verlust von Podozyten beschleunigt. Zusammenfassend konnte ich zeigen, dass TNF-α ein entscheidendes Zytokin bei der Induktion des Podozytenverlustes in der Pathogenese der Alport-Nephropathie ist. Darüber hinaus wird die Expression von TNF-α durch einzelne exogene Stimuli wie z.B. TLR9-Aktivierung hochreguliert, was den Phänotyp der renalen Makrophagen in Richtung M1 verschiebt. Die TNF-α-Blockade könnte daher eine therapeutische Option im Rahmen der Behandlung der Alport-Nephropathie sowie anderer Formen der nicht-inflammatorischen und inflammatorischen Glomerulosklerose darstellen.