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Seibold, Carola (2015): The influence of the genetic background on the development of diabetes mellitus and associated renal lesions in GIPRdn-transgenic mice. Dissertation, LMU München: Tierärztliche Fakultät
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Abstract

Diabetic nephropathy is one of the most important sequelas of diabetes mellitus. The pathogenically relevent processes underlying this disease are only insufficiently understood, and existing mouse models fail to recreate the human disease in all its aspects. Therefore, much effort has been put into the development of novel mouse models of DN. Recently, the impact of the genetic background on the development of renal lesions has come into the focus of research. Transgenic mice expressing a dominant negative glucose-dependent insulinotropic polypeptide receptor (GIPRdn-tg mice), controlled by the rat proinsulin 2 promotor, were chosen as a model of diabetes. To investigate strain dependent morphological differences and their possible influence on susceptibility to develop DN, GIPRdn-tg mice were investigated on a genetic background prone to albuminuria (FVB/N) and on a background noted for its relative resistance to the development of renal injury (C57BL/6J). Eight male GIPRdn-tg FVB/N, GIPRdn-tg C57BL/6J mice and their respective wildtype controls at the age of six months were analysed. Clinical parameters were investigated, and morphological kidney parameters were analysed quantitative stereologically, semiquantitatively and qualitatively. Clinically, GIPRdn-tg FVB/N mice developed severe hyperglycemia, polydypsia, polyuria and showed elevated systolic blood pressure levels compared to wild-type FVB/N mice. The GIPRdn-tg FVB/N mice displayed an increase in daily albumin excretion of approximately 12 times compared to wild-type FVB/N. Compared to C57BL/6J-wt mice, GIPRdn-tg C57BL/6J mice developed only mildly increased casual blood glucose concentrations and polyuria. Albuminuria or elevated blood pressure in GIPRdn-tg C57BL/6J mice compared to wild-type C57BL/6J were not observed. The results of the present study indicate that pronounced straindependent differences in the diabetic metabolic state exist between GIPRdn-tg FVB/N and GIPRdn-tg C57BL/6J mice. FVB/N-wt mice displayed a higher kidney volume, comparable nephron endowment, higher mean and total glomerular volume, higher mean podocyte volume and lower podocyte number compared to C57BL/6J-wt mice, showing that statistically significant differences in kidney morphology are present between the FVB/N and C57BL/6J strain. GIPRdn-tg mice on the FVB/N background showed pronounced glomerulosclerosis, renal hypertrophy and glomerular hypertrophy with mesangial expansion, dilated and distorted glomerular capillaries, podocyte hypertrophy, reduced podocyte numbers and GBM thickening compared to FVB/N-wt mice. GIPRdn-tg mice on the C57BL/6J background displayed an only slightly increased kidney and mean glomerular volume and mild podocyte hypertrophy compared to C57BL/6J-wt mice. Reduced podocyte numbers, dilation of glomerular capillaries or GBM thickening compared to C57BL/6J-wt mice were not observed. GIPRdn-tg FVB/N mice displayed a higher glomerulosclerosis index, higher mean and total glomerular volume, higher mean podocyte volume, lower podocyte number and higher glomerular basement thickness compared to GIPRdntg C57BL/6J mice. The differences already present in quantitative morphological kidney parameters between wild-type mice of the both strains are exacerbated by the presence of diabetes. The strain-dependent differences in clinical parameters like hyperglycemia, blood pressure and albuminuria may influence susceptibility to renal lesions, but strain-dependent variations in mean glomerular volume, podocyte volume and podocyte number also appear to play a role in both genetic backgrounds. The mild presentation of renal lesions in GIPRdn-tg C57BL/6J may be partially attributable to the lower casual blood glucose concentrations, but other models of diabetes have reported similar findings in diabetic C57BL/6J mice displaying higher blood glucose concentrations. This suggests that kidney morphology is also at least partially responsible for the low susceptibility to the development of renal lesions in the C57BL/6J strain. In summary, this study demonstrates the importance of choosing the right genetic background for murine models of DN, based on its susceptibility to develop severe renal lesions. In the light of the predisposing factors displayed by FVB/N mice and the correspondingly more severe renal lesions displayed by diabetic FVB/N mice, GIPRdn-tg FVB/N mice can be endorsed as a useful mouse model of DN. GIPRdn-tg C57BL/6J mice are less suitable as a model of DN due to the C57BL/6J genetic background’s apparent resistance to the development of DN, but may offer valuable insight into the mechanisms of resistance to diabetes and renal disease.

Abstract

Die diabetische Nephropathie stellt eine der bedeutendsten Folgeerkrankungen von Diabetes dar. Die der Erkrankung zugrunde liegenden pathogenen Prozesse sind bisher nur unzureichend bekannt und derzeitige Mausmodelle sind nicht in der Lage, die Erkrankung des Menschen vollständig darzustellen. Daher wird viel Aufwand in die Entwicklung neuer Mausmodelle für die diabetische Nephropathie investiert. In letzter Zeit rückte vor allem der Einfluss des genetischen Hintergrundes in den Fokus der Forschung. Transgene Mäuse, die einen dominant-negativen glukoseabhängigen insulinotropen Polypeptidrezeptor unter der Kontrolle des Ratten Proinsulin 2 Promotors exprimieren (GIPRdn-tg Mäuse) wurden als Diabetesmodell ausgewählt. Um Licht auf stammabhängige Unterschiede in der quantitativen Morphologie der Niere und deren möglichen Einfluss auf die Empfänglichkeit für die Entwicklung von diabetische Nephropathie zu werfen, wurden GIPRdn-tg Mäuse auf einem zu Albuminurie neigenden (FVB/N) und einem für Nierenläsionen eher unempfindlichen (C57BL/6J) genetischen Hintergrund untersucht. Die Analysen erfolgten an je acht sechs Monate alten GIPRdn-tg FVB/N-Mäusen, GIPRdn-tg C57BL/6J-Mäusen und den zugehörigen Wildtyp-Kontrolltieren und umfassten klinische und klinisch-chemische sowie qualitative, semiquantitative und quantitativ-morphologische Untersuchungen der Nieren. Klinisch zeigten GIPRdn-tg FVB/N-Mäuse hochgradige Hyperglykämie, Polydypsie, Polyurie, erhöhten Blutdruck, sowie eine gegenüber FVB/N-wt Mäusen um den Faktor zwölf erhöhte täglich ausgeschiedene Albuminmenge im Urin. GIPRdn-tg C57BL/6J-Mäuse zeigten nur geringfügig erhöhte Blutglukosespiegel und geringgradige Polyurie im Vergleich zu C57BL/6J-wt Mäusen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass zwischen GIPRdn-tg FVB/N- und C57BL/6J-Mäusen erhebliche stammabhängige Unterschiede in der diabetischen Stoffwechsellage bestehen. FVB/N-Mäuse wiesen im Vergleich zu C57BL/6J-Mäusen eine ähnliche Glomerulumanzahl, ein höheres Nieren-, Glomerulum- und Podozytenvolumen und eine niedrigere Podozytenzahl auf. Dies zeigt, das signifikante stammabhängige Unterschiede in der Nierenmorphologie zwischen FVB/N- und C57BL/6J-Mäusen bestehen. GIPRdn-tg FVB/N-Mäuse zeigten im Vergleich zu FVB/N-wt Mäusen Glomerulosklerose, renale, glomeruläre und podozytäre Hypertrophie, dilatierte glomeruläre Kapillaren, eine erniedrigte Podozytenzahl und einer Verdickung der glomerulären Basalmembran (GBM). Dagegen wiesen GIPRdn-tg C57BL/6J vs. C57BL/6-wt Mäuse nur wenig erhöhte Nieren-, Glomerulum- und Podozytenvolumina auf. Im Vergleich zu GIPRdn-tg C57BL/6J wiesen GIPRdn-tg FVB/N Mäuse einen höheren Glomeruloskleroseindex, ein höheres mittleres Glomerulum- und Podozytenvolumen, eine niedrigere Podozytenzahl und eine höhere GBM-Dicke auf. Die zwischen den Wildtyp-Mäusen beider Stämme bestehenden renalen morphologischen Unterschiede werden bei Vorhandensein von Diabetes noch ausgeprägter. Die stammabhängigen Unterschiede in Parametern wie Hyperglykämie, Blutdruck undAlbuminurie können möglicherweise die Empfänglichkeit gegenüber renalen Veränderungen beeinflussen, aber auch stammabhängige Differenzen im mittleren Glomerulum- und Podozytenvolumen und der Podozytenzahl scheinen eine Rolle in beiden genetischen Hintergründen zu spielen. Die geringfügige Ausprägung der renalen Alterationen in GIPRdn-tg C57BL/6J Mäusen mag teilweise in den niedrigeren Blutglukosekonzentrationen begründet sein. Andere Diabetesmodelle liefern jedoch trotz höherer Blutglukosekonzentrationen vergleichbare Ergebnisse für C57BL/6J-Mäuse. Dies legt die Vermutung nahe, dass die Nierenmorphologie ebenfalls einen Einfluss auf die niedrigere Empfänglichkeit des C57BL/6J-Stammes für die Entwicklung von Nierenläsionen hat. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Auswahl eines für Nierenläsionen prädisponierten genetischen Hintergrundes für Mausmodelle diabetischer Nephropathie eine wichtige Rolle spielt. Angesichts der Faktoren, die FVB/N-Mäuse für diabetische Nephropathie zu prädisponieren scheinen und der entsprechend schwereren Nierenläsionen, können GIPRdn-tg FVB/N-Mäuse als Modell für DN empfohlen werden. Dagegen erscheinen GIPRdn-tg C57BL/6JMäuse auf Grund der relativen Unempfindlichkeit des genetischen Hintergrundes gegenüber Nierenläsionen als Modell für DN weniger geeignet, sie sind allerdings als Modell für die Untersuchung von Resistenzfaktoren gegenüber Diabetes oder Nephropathien von Interesse.