Neerufunktsiooni arvutuslik mudel diabeediga patsiendil

Rui Hu ¹ja Anita Layton^1,2,*

Abstraktne:Diabeedi alguses onneerudkasvab suureks ja glomerulaarfiltratsiooni kiirus muutub ebanormaalselt kõrgeks. Need struktuursed ja hemodünaamilised muutused mõjutavad neerufunktsiooni ja võivad aidata kaasa kroonilise neeruhaiguse tekkele. Selle uuringu eesmärk on analüüsida, kuidasneerudDiabeedihaigete funktsioon on muutunud ja antihüperglükeemiline ravi, mis inhibeerib naatrium-glükoosi kaastransporterit 2 (SGLT2) proksimaalsetes keerdunud tuubulites, on muutunud neerudele.

Selle eesmärgi saavutamiseks oleme välja töötanud arvutusliku mudelineerudfunktsiooni diabeediga patsiendil ning viis läbi simulatsioonid, et uurida diabeedi ja SGLT2 inhibeerimise mõju lahustunud aine ja vee transpordile piki nefroneid. Simulatsioonitulemused näitavad, et diabeedist põhjustatud hüperfiltratsioon ja tubulaarne hüpertroofia suurendavad Na pluss transporti, eriti mööda proksimaalseid tuubuleid ja pakse tõusvaid jäsemeid. Need simulatsioonid viitavad sellele, et SGLT2 inhibeerimine võib nõrgendada glomerulaarset hüperfiltratsiooni, piirates Na pluss glükoosi transporti, tõstes luminaalset [Cl一] makula densa juures, taastades tubuloglomerulaarse tagasiside signaali, vähendades seeläbi ühe nefroni glomerulaarfiltratsiooni kiirust.

Märksõnad:SGLT2 inhibiitorid; epiteeli transport; naatriumi transport; glükoosi transport; natriurees; diurees

Kontakt:ali.ma@wecistanche.com

Klõpsake Cistanche vitamiini neeruhaiguse jaoks

1. Sissejuhatus

Diabeedi levimus kasvab kogu maailmas, praegu hinnanguliselt on see 9,3 protsenti (463 miljonit inimest) ja eeldatavasti jõuab 2030. aastaks 10,2 protsenti (578 miljonit) ja 2045. aastaks 10,9 protsenti (700 miljonit) [1]. Arenenud riikides on II tüüpi diabeet üks levinumaid kroonilise haiguse põhjuseidneerudhaigus [2] ja peamine südame-veresoonkonna haiguste põhjustaja [3]. Kuigi diabeeti kroonilise neeruhaigusega seostavad teed ei ole täielikult mõistetud, põhjustab diabeet teadaolevalt neerudes patofüsioloogilisi muutusi. Diabeedi alguses tekkisneerud kasvab suureks ja glomerulaarfiltratsiooni kiirus (GFR) muutub normaalseks [4]. Need struktuursed ja hemodünaamilised muutused mõjutavad neerufunktsiooni ja võivad lõpuks viia kroonilise neeruhaiguseni.

Kogu loomariigisneerudon tuntud eelkõige oma funktsioonide poolest filtritena, mis eemaldavad verest ainevahetusjäägid ja toksiinid uriiniga eritumiseks. Kuid imetajatel on neerud spetsialiseerunud täitma mitmesuguseid muid olulisi reguleerivaid funktsioone, sealhulgas vett, elektrolüüte ja happe-aluse tasakaalu [5]. Inimestel paarneerudasuvad kõhuõõnes, üks kummalgi pool selgroogu. Imetaja neeru võib jagada välimiseks piirkonnaks (korteks) ja sisemiseks piirkonnaks (medulla). Iga inimese neer sisaldab umbes miljonit glomerulit, mis on kapillaaride kobarad, millest igaüks saab verd üksikutest aferentsetest arterioolidest, mis hargnevad neerusisestest arteritest. Vaskulaarse hüdrostaatilise rõhu mõjul filtreerub osa selles veres olevast veest ja lahustunud ainetest läbi glomeruli ja muutub nefroni torukujuliseks vedelikuks. Nefronid reguleerivad glomerulaarfiltraadi sisaldust neeldumis- ja sekretsiooniprotsesside kaudu, mida vahendavad membraanitransporterid ja kanalid neerutuubulite epiteelirakkudel. Seega

see, mis algab glomerulusest plasma ultrafiltraadina, muundub nefronite lõpus uriiniks [5]. Epiteeli transpordiprotsesside reguleerimine, mis ühendab uriinieritu nii vedelike ja lahustunud ainete tarbimisega kui ka jäätmete tekkega, on suure eksperimentaalse ja teoreetilise jõupingutuse objektiks [6–9]. Arvutusmudelid on välja töötatud neerude lahustunud aine ja vee transportimise protsesside lahtiharutamiseks inimestel [10] ja rottidel dieedi [11–13] ja terapeutiliste [14–16] manipulatsioonide ning patofüsioloogilistes tingimustes [17–19].

Nagu varem märgitud, on diabeet peamine riskitegurneerudhaigus. See on üks paljudest põhjustest, miks diabeediga patsiendid saavutavad glükeemilise kontrolli. Uus hüperglükeemiliste ravimite klass on naatrium-glükoosi kotransporter 2 (SGLT2) inhibiitorid, mis suurendavad glükoosi eritumist uriiniga ja nõrgendavad vere glükoosisisalduse söömisjärgset tõusu, suunates selle tagasiimendumise mööda varajast proksimaalset tuubulit [20]. Kaastransporterina vahendab SGLT2 glükoosi transporti protsessis, mis on seotud Na plus transpordiga; seega vähendab SGLT2 inhibeerimine ka proksimaalset tubulaarset Na plusi ja vedeliku reabsorptsiooni ning kutsub esile natriureesi ja diureesi. Tõepoolest, lisaks antihüperglükeemilisele toimele on SGLT2 inhibiitoritest teatatud ka vererõhku langetavatest ja diabeediga patsientidest südamepuudulikkuse kaitsest [21,22]. SGLT2 inhibeerimise mõju neerudele, metaboolsele ja südame-veresoonkonnale on läbi vaadatud viidetes. [23,24].

Oleme uurimiseks varem läbi viinud mudelisimulatsiooneneerudfunktsioon diabeedi korral ja SGLT2 inhibeerimise mõju neerudele [15–17]. Nendes uuringutes kasutatud arvutusmudel põhines aga roti neerul. Seega, kuigi mõned mudeli ennustused on kooskõlas diabeediga patsientide vaatlustega, võib nende leidude translatsiooniväärtus siiski olla piiratud. Seega on käesoleva uuringu eesmärk analüüsida neerufunktsiooni diabeedihaigetel (inim)patsientidel ja SGLT2 inhibeerimise mõjusid, kasutades hiljuti avaldatud inimese neeru arvutuslikku mudelit [10,25].

2. Tulemused

2.1. Neerufunktsioon mitte-diabeetiliste ja diabeetiliste seisundite korral

Võrdleme lahustunud aine ja vee transporti piki nefroneid mittediabeetikul ja diabeetikulneerud. Peamised tulemused on kokku võetud joonistel 1 ja 2. Nendes simulatsioonides jäljendame diabeedi neerumõjusid, nagu on kirjeldatud jaotises Materjalid ja meetodid. Eelkõige põhjustab diabeet glomerulaarset hüperfiltratsiooni ja tubulaarset hüpertroofiat. Kõrgenenud GFR peegeldub filtreeritud lahustunud aine koormustel, samas kui tubulaarne hüpertroofia kajastub suurenenud transpordis; vaata allpool.

Mittediabeetilistes tingimustes reabsorbeerub põhiliselt kogu filtreeritud glükoos mööda proksimaalseid tuubuleid, proksimaalne keerdunud tuubul ja S3 segment neelavad vastavalt 97 protsenti ja 2,6 protsenti filtreeritud glükoosist. Vaata joonist 1C. Mõõduka diabeedi simulatsioonide puhul eeldatakse, et plasma glükoosikontsentratsioon tõuseb 5 mm-lt 8,6 mm-le, mis koos kõrgenenud GFR-iga annab filtreeritud koormuse 1,52 mol päevas 一1 glükoosi. Hoolimata sellest, et filtreeritud glükoosisisaldus on ligikaudu kahekordistunud, ei ole proksimaalse tuubuli glükoositransport veel ülekoormatud, proksimaalne keerdunud tuubul ja S3 segment neelavad vastavalt 99,6% ja 0,4% filtreeritud glükoosist, jätmata olulist glükoosi sisse. uriiniga, mis on kooskõlas glükosuuria puudumisega mõõduka diabeediga patsientidel [26]. Raske diabeedi simulatsiooni korral tõstetakse plasma glükoosisisaldust veelgi 20 mM-ni, mille tulemuseks on glükoosifiltreeritud koormus 3,75 mol päevas 一1 glükoosi, mis ületab proksimaalse tuubuli glükoosi transpordivõime. Proksimaalse keerdunud tuubuli ja S3 segmendi glükoosi fraktsionaalne reabsorptsioon on prognooside kohaselt vastavalt 73,7% ja 9,1%. Allavoolu segmentidel ei ole märkimisväärset glükoosi transpordivõimet. Sellisena ennustab diabeetiline mudel glükoosi absoluutseks ja fraktsionaalseks eritumiseks vastavalt 0,6 mol päevas 一1 ja 16 protsenti.

Võrreldes mittediabeetikuteganeerudMõõduka diabeedi mudeli puhul eeldatakse, et GFR suureneb 10 protsenti ja seega filtreeritakse Na plus, mis annab vastava 10 protsendilise tõusu kogusummas.

Na pluss transport. Na plus reabsorptsiooni suurenemine on suurim torukujulistes segmentides, kus diabeet kutsub esile Na plus transporterite ekspressiooni märkimisväärse suurenemise. Eelkõige suureneb Na pluss transport 11, 8 protsenti mööda proksimaalseid keerdunud tuubuleid, kus hüperfiltratsioonist põhjustatud muutused pöördemomendis suurendavad kõigi transtsellulaarsete transporterite tihedust. Diabeet suurendab ka NKCC2 tihedust medullaarsetes jämedates tõusvates jäsemetes [17], mille tulemusena suureneb Na pluss reabsorptsioon 35 protsenti. Täiustatud Na plus transport kompenseerib põhiliselt kõrgendatud filtreeritud Na plusskoormust diabeedi korral, andes tulemuseks Na pluss eritumise, mis on sarnane mittediabeetikutega.neerud(Joonis 2, paneelid A1–A3). Suurenenud Na pluss reabsorptsioonile järgneb Cl- ja vee reabsorptsiooni suurenemine (joonis 2, paneelid C3 ja D3). Võrreldes mittediabeetiliste juhtumitega, on diabeedi korral Cl eritumine uriiniga 25 protsenti suurem, samas kui uriinieritus on 35 protsenti suurem (joonis 2, paneelid C2 ja D2). Sarnaselt Na plussiga suurendab kõrgem filtreeritud K plusskoormus selle torukujulist reabsorptsiooni piki proksimaalseid tuubuleid ja jämedaid tõusvaid jäsemeid (joonis 2(B3)). Need konkureerivad tegurid põhjustavad kaliureesi, kusjuures K pluss eritumine on diabeedi korral 48 protsenti suurem (joonis 2 (B2)).

Raske diabeedi mudelis suurenevad GFR ja filtreeritud Na plus mõlemad 24 protsenti, mille tulemuseks on suurenenud Na plus transport, eriti 22,5 protsenti proksimaalsetes tuubulites ja 47,4 protsenti koos paksude tõusvate jäsemetega. Nagu mõõduka diabeedi korral, kompenseerib tõhustatud Na plus transport põhiliselt kõrgendatud filtreeritud Na plusskoormust diabeedi korral, et anda Na pluss eritumine sarnaselt mittediabeetikutega.neerud(Joonis 2, paneelid A1–A3). Cl-transpordi mudeliprognoosid on analoogsed mõõduka diabeedijuhtumi prognoosidega (joonis 2 (C2)). Võrreldes mittediabeetiliste juhtumitega, on diabeedi korral Cl eritumine uriiniga 48,8 protsenti suurem. Mudel ennustab raskemat diureesi, kus uriinieritus on 115 protsenti suurem kui mittediabeetilistel juhtudel (joonis 2(D2)) ja raskemat kaliureesi koos K pluss eritumisega, mis on prognooside kohaselt 63,4 protsenti suurem (joonis 2(). B2)).

2.2. SGLT2 inhibeerimine mitte-diabeetilises neerus

On leitud, et SGLT2 blokaad põhjustab mittediabeetilistel patsientidel GFR-i vähese vähenemise: 3% võrra mittediabeetilistel isikutel, kes said kanagliflosiini või dapagliflosiini 4 päeva jooksul [17]. Seega eeldame, et ägeda inhibeerimise simulatsioonis väheneb kõigi nefronite SNGFR 3 protsenti. Samuti on teatatud, et mittediabeetilistel patsientidel põhjustab SGLT2 blokaad glükoosi eritumist uriiniga, mis moodustab ~45 protsenti selle filtreeritud kogusest [27]. Käesolevas uuringus eeldame, et SGLT2 inhibeeritakse 90 protsenti kõigis nefronites, mille tulemusel eritub 40 protsenti filtreeritud glükoosist [27]. Mudel ennustab, et väike osa (14,5 protsenti) filtreeritud glükoosikoormusest neeldub koos proksimaalsete keerdunud tuubulite segmentidega, vahendab ülejäänud SGLT2 ja ka paratsellulaarse marsruudi kaudu, ning 39,7 protsenti S3 segmendis, millest suurem osa läbib SGLT1. Vaata joonist 3.

Joonistel 3 ja 4 on SGLT2 blokaadita (tähistatud "ND" ja "D") mittediabeetiliste ja diabeetiliste juhtumite tulemused samad, mis joonistel 1 ja 2, kuid esitatud erinevalt. Tegelike väärtuste asemel normaliseerime filtreerimise ja segmentide transpordikiirused nende vastavate ND väärtustega. Ekskretsioonimäärade jaoks normaliseerime D väärtuste järgi, sest mittediabeetilistes tingimustes on glükoosi eritumine sisuliselt null. Nende suhtarvude arvutamisel saame paremini mõista, kui palju iga kogus muutub diabeedi korral pärast SGLT2 inhibeerimist. Kuid ristvõrdlus (nt filtreerimise ja eritumise vahel) on nende erinevate võrdlusväärtuste tõttu mõttetu.

Mõelge uuesti mittediabeetilise SGLT2 inhibeerimise tulemustele. Nagu me eelnevalt kirjeldasime [16, 17], kutsub SGLT2 inhibeerimine esile osmootse diureesi proksimaalses tuubulis, vähendades seeläbi passiivset transporti paratsellulaarse marsruudi kaudu selles segmendis. Suur valgusvoog stimuleerib vastupidiselt aktiivset transporti (pöördemomendist põhjustatud transtsellulaarse transporteri ekspressiooni suurenemise kaudu [18]), kuid passiivse transpordi vähenemine on suurem, nii et neto

Na pluss reabsorptsioon väheneb proksimaalses tuubulis 10,3 protsenti. Simulatsioonitulemused viitavad sellele, et proksimaalse tuubuli Na pluss transpordi vähenemine kompenseeritakse seejärel osaliselt allavoolu, eriti medullaarsete paksude tõusvate jäsemete taga (joonis 4 (A3)). Suurenenud Na pluss reabsorptsiooniga piki ühendustuubuleid kaasneb suurenenud K pluss sekretsioon (joonis 4 (B3)). Järelikult SGLT2 inhibeerimine diabeetikulneerudkutsub esile diureesi, natriureesi ja kaliureesi, kus uriinieritus suureneb 207 protsenti, Na pluss eritumine 308 protsenti ja K pluss eritumine 184 protsenti (joonis 4, paneelid A2–D2).

2.3. SGLT2 inhibeerimine diabeetilises neerus

SGLT2 inhibeerimine nõrgendab diabeediga vähenenud hüperfiltratsiooni [28]. Seega alandame SGLT2 blokaadi mõju simuleerides GFR-i mittediabeetilisele tasemele 151,2 l/day一1. Me kaalume ägedat manustamist, nii et mõõduka ja raske diabeedi korral hoitakse plasma glükoosikontsentratsioon vastavalt 8,6 ja 20 mM. Esiteks kaaluge glükoosi transporti mõõduka diabeedi korral. Ülaltoodud GFR-i eeldusel vähendab SGLT2 inhibeerimine filtreeritud glükoosikoormust 1,52-lt 1,3-le mol/day一1-le. Prognoositakse, et glükoosi eritumine on 0,69 mol．day一1, st 53,1 protsenti filtreeritud glükoosist. Prognoositav glükoosi eritumine jääb teatatud väärtuste vahemikku [29]. Proksimaalsed keerdunud torukesed ja S3 segmendid neelavad uuesti vastavalt 0,23 ja 0,38 mol glükoosi．day一1. Võrdluseks, SGLT2 inhibeerimise puudumisel neelavad proksimaalsed keerdunud torukesed ja S3 vastavalt 1,51 ja 0,01 mol glükoosi päevas 一1. Vaata joonist 3.

Raske diabeedijuhtumi korral prognoositakse glükoosi eritumist 202 mol päevas一1 (joonis 3B), mis vastab 66,8 protsendile filtreeritud glükoosist teatatud väärtuste vahemikus [29]. Proksimaalsed keerdunud torukesed ja S3 segmendid neelavad tagasi vastavalt {{10}},5 ja 0,5 mol glükoosi．päev一1, võrreldes vastava kiirusega 2,8 ja 0,34 mol glükoosi．päev 一1 ilma SGLT2 inhibeerimiseta ( Joonis 3C) Tähelepanuväärne on see, et kuigi ravi puudumisel toimub glükoosi sekretsioon läbi tiheda ristmiku, vahendab paratsellulaarne rada glükoosi reabsorptsiooni, kui SGLT2 on inhibeeritud (kõrgema luminaalse glükoosikontsentratsiooni tõttu). Kokkuvõttes viitavad need tulemused sellele, et SGLT2 90-protsendilise inhibeerimisega kompenseerib SGLT1 vaevu SGLT2 blokaadi diabeedi korral, sest hüperglükeemia ja suurenenud tubulaarne glükoosikoormus tarbivad SGLT2 inhibeerimise puudumisel juba SGLT1 täielikku transpordivõimet.

Eeldatakse, et SGLT2 inhibeerimine vähendab oluliselt Na pluss transporti, peamiselt seetõttu, et see normaliseerib GFR-i ja filtreeritud Na plusskoormust. Meie simulatsioonid viitavad sellele, et nagu mittediabeetilistel juhtudel, põhjustab SGLT2 blokeerimine proksimaalses tuubulis osmootset diureesi, vähendades seeläbi paratsellulaarset transporti. Tegelikult ennustab mudel, et paratsellulaarse Na pluss transpordi suund on S3-s vastupidine: osmootse diureesi tõttu soodustab luminaalne-interstitsiaalne Na pluss kontsentratsioonigradient Na pluss sekretsiooni luumenisse tihedate ristmike kaudu. Järelikult suureneb mõõduka diabeedi korral Na pluss eritumine 2,2 korda ja uriinieritus 1,7 korda; raske diabeedi korral suureneb Na pluss eritumine ja uriinieritus vastavalt 4,9 ja 1,9 korda (joonis 4, paneelid A2 ja C2). Suurem Na plus vool piki distaalseid torukujulisi segmente suurendab K pluss sekretsiooni, suurendades K pluss eritumist vastavalt 1, 02 ja 1, 9 korda keskmise ja raske diabeedi korral (joonis 4, paneelid B2). Eeldatav suurenemine, eriti uriinierituses, on suurem kui teatatud väärtused [30]. Liigne uriinieritus võib põhjustada mahu vähenemist, mis omakorda aktiveerib uriini tootmist vähendavaid mehhanisme. Need mehhanismid ei ole mudelis esindatud, mis võib seletada kõrge uriinierituse ja eritumise prognoose.

3. Arutelu

Selle uuringu peamine eesmärk on laiendada inimese arvutuslikku mudelitneerudja rakendada seda mudelit, et uurida diabeedi ja SGLT2 inhibeerimise mõju lahustunud aine ja vee transpordile piki nefroneid. Diabeet kutsub esile glomerulaarse hüperfiltratsiooni ja tubulaarse hüpertroofia [31]. Selle tulemusena suurendab diabeet Na plusi ja glükoosi reabsorptsiooni naatrium-glükoosi kaastransporteri SGLT2 kaudu neerukoore varases proksimaalses tuubulis ja vähemal määral SGLT1 kaudu neeru medulla S3 segmendis.

Suurenenud lahustunud aine ja vee transpordikoormus põhjustab Na pluss transpordi (TNa) suurenemist. Varasem roti modelleerimisuuringneerud[17] ennustas üldise TNa tõusu 50 protsenti ja aktiivse TNa ebaproportsionaalset suurenemist (64 protsenti). Aktiivset TNa-d vahendab Na plus /K plus -ATPaas ja see nõuab hapniku tarbimist. Diabeet suurendab rasvhapete metabolismi, mille tulemuseks on metaboolse efektiivsuse vähenemine [32], sealhulgas hapniku koguse suurenemine, mis on vajalik teatud koguse Na pluss transportimiseks. Selle tulemusena ennustati hapnikutarbimise aktiivse TNa toetamiseks peaaegu kahekordistumist (kasv 88 protsenti [17]).

Praegune inimeneneerudmudel ennustab, et suurim diabeedist põhjustatud TNa suurenemine toimub piki proksimaalseid tuubuleid ja paksusid tõusvaid jäsemeid (joonis 2 (A3)). Kui proksimaalsed keerdunud tuubulid asuvad hästi perfuseeritud neerukoores, siis S3 ja medullaarsed jämedad tõusvad jäsemed asuvad välimises medullaris, kus hapniku pinge on oluliselt madalam kui ajukoores [33, 34]. Tõepoolest, on teada, et need segmendid on hüpoksiliste vigastuste suhtes haavatavad. Sellisena võib diabeedist põhjustatud metaboolse nõudluse suurenemine olla nende segmentide jaoks eriti stressirohke. Kokkuvõttes ennustab käesolev mudel mõõduka ja raske diabeedijuhtudel üldise TNa tõusu vastavalt 17 protsenti ja 24 protsenti ning aktiivse TNa tõusu 29,4 protsenti ja 37,5 protsenti. Hüperglükeemia ulatus raske diabeedi korral on sarnane rotimudeliga [17]. Kuid käesolev mudel ennustab TNa väiksemat suurenemist. Seda erinevust võib seostada väiksema diabeediga indutseeritud GFR-iga ja seega ka filtreeritud Na pluss koormuse suurenemisega inimestel. Sellegipoolest suurendab kõrgem aktiivne TNa koos diabeedist põhjustatud metaboolse efektiivsuse vähenemisega tõenäoliselt hapnikuvajaduse märkimisväärselt suurenemise. Ilma hapnikuvarustuse suurenemiseta võib suurem metaboolne vajadus põhjustada neerude hüpoksiat, mis arvatakse olevat oluline mehhanism diabeedi tekkes.neerudhaigus [35].

Vallon ja kaastöötajad tegid ettepaneku, et diabeedi varases staadiumis on SNGFR-i suurenemises peamine roll proksimaalsetes tuubulites suurenenud reabsorptsioonil, mis on osaliselt tingitud Na pluss-glükoosi kaastranspordi suurenemisest: suurenenud proksimaalne tubulaarne transport alandab. tubuloglomerulaarne tagasiside signaal, st makula densa rakkude poolt tajutav luminaalne [Cl一 ], mille tulemuseks on tagasiside poolt indutseeritud SNGFR suurenemine. Seda "tuubulikeskset" hüpoteesi toetasid mikropunktsioonikatsed rottidel [36,37]. Ennustused praeguse inimese kohtaneerudmudel on kooskõlas selle tuubulikeskse hüpoteesiga: prognoositakse, et suurenenud proksimaalne tubulaarne transport diabeedi korral vähendab luminaalset [Cl一 ] makula densas mõõduka diabeedi korral 24–27 protsenti ja raskekujulise diabeedi korral 32–52 protsenti. diabeedi juhtum võrreldes mittediabeetikuteganeerud, olenevalt nefroni tüübist. Eelkõige ennustatakse, et pindmise nefroni makula densa luminaalne [Cl-] on vastavalt 28,3, 21,3 ja 18,6 mm mittediabeetilise, mõõduka diabeedi ja raske diabeedi korral. Kui GFR oleks seatud mittediabeetilistele tasemetele mõõduka ja raske diabeedi korral, oleks prognoositud makula densa luminaal [Cl一] madalam, vastavalt 17,7 ja 15,6 mM. Seega, kui inimesel on tubuloglomerulaarne tagasisideneerud, võib diabeedi korral ennustatud vasodilatatiivne signaal kaasa aidata glomerulaarsele hüperfiltratsioonile. Kuigi eeldati, et SNGFR on simulatsioonides a priori teada, saab defineerida negatiivse tagasiside funktsiooni, mis annab eeldatava SNGFR-i, arvestades makula densa prognoositavat luminaali [Cl一 ].

Veelgi enam, mudel ennustab, et Na pluss glükoosi transporti piirates suurendab SGLT2 inhibeerimine märkimisväärselt makula densa luminaalset [Cl一], mis võib seejärel nõrgendada glomerulaarset hüperfiltratsiooni tubuloglomerulaarse tagasiside kaudu. Täpsemalt, pärast SGLT2 inhibiitori manustamist mõõduka suhkurtõve mudelile on makula densa luminaal [Cl一] piki pindmist nefroni eeldatavalt 39,2 mM eeldatava GFR-i alandava toimega ja 51,4 mM ilma. Raske diabeedi mudeli vastavad ennustused on vastavalt 36, 4 ja 48, 1 mM koos GFR-i alandava toimega ja ilma selleta. Sarnaseid suundumusi täheldatakse ka kõrvuti nefronites. Need tulemused on kooskõlas kliiniliste andmetega, mis näitavad, et krooniline SGLT2 inhibeerimine kutsus esile eGFR vähenemise II tüüpi suhkurtõvega patsientidel, isegi kroonilise neeruhaigusega patsientidel [38]. Glomerulaarse hüperfiltratsiooni vähendamine ühe nefroni tasemel SGLT2 inhibeerimisega võib anda diabeetikutele pikaajalisi kasulikke toimeid.neerud. Üks küsimus on järgmine: mil määral vähendab SGLT2 inhibeerimine tubulaarset Na pluss transporti ja hapnikutarbimist piki nefroni? Mudel ennustab, et SGLT2 inhibiitorite manustamine diabeetikuleneerudvähendab üldist TNA-d 21,8 protsenti, kuid suurem osa sellest vähenemisest toimus paratsellulaarse raja kaudu ja aktiivse TNA-ga vähenes see vaid 3 protsenti.

Kokkuvõttes oleme välja töötanud esimese üksikasjaliku epiteeli transpordi arvutusmudeli.neeruddiabeediga patsiendist. Mudel ennustab, et sarnaselt närilistele võib diabeedist põhjustatud tubulaarne hüpertroofia inimestel (hüpoteesitud) tubuloglomerulaarse tagasiside signaali kaudu kaasa aidata glomerulaarsele hüperfiltratsioonile [36], mis omakorda suurendab oluliselt transpordikoormust ja metaboolset nõudlust. Mudelit saab kasutada selleks, et hinnata teiste sageli välja kirjutatud ravimite, nagu angiotensiin II süsteemi blokaatorid, mõju neerufunktsioonile diabeedi korral ja hinnata, mil määral need mõjud väljenduvadneerudvähenenud nefronite arvu ja kahjustatud funktsiooniga.

Tähelepanuväärne on, et käesolev mudel on võtnud kasutusele paljud aneerudisase roti mudel [14,16,39]. Suur seksuaalne dimorfism on avastatud elektrolüütide transporterite, kanalite ja claudiinide rohkuses isas- ja emasnärilistel [40,41]. Veritas et al. näitasid, et võrreldes isaste rottide nefronitega on emaste rottide nefronitel madalam peamiste Na pluss ja veetransportijate aktiivsus piki neerutuubuli proksimaalset osa (proksimaalne tuubul), mille tulemuseks on märkimisväärselt suurem Na plus ja vee fraktsionaalne kohaletoimetamine allavoolu nefronisse. naiste neerude segmendid. Koos distaalsete nefroni segmentidega emaneneerudon meestega võrreldes suurem peamiste Na pluss transporterite arvukus, mille tulemuseks on sarnane uriini eritumine sugude vahel. Mõned nendest soolistest erinevustest näriliste neerufunktsioonis on tõenäoliselt ka inimeste jaoks. Meestel on enne menopausi teadaolevalt kõrgem vererõhk võrreldes sama vanusega naistega [42,43]. Arvestades neerude võtmerolli vererõhu kontrollimisel, võivad täheldatud soolised erinevused hüpertensiooni levimuses olla osaliselt tingitud neerude struktuuri ja funktsioonide erinevustest [44–46]. Peamised erinevused närilise ja inimese vahelneerudSellest hoolimata võib naise neerude arvutusmudel, mis on inspireeritud emaste näriliste neerutranspordi mustrist [47–49], olla kasulik diabeediga naispatsiendi neerufunktsiooni analüüsimisel ja mehhanismide tuvastamisel, mis selgitavad vaadeldavat sugu. Diabeetilise neeruhaiguse erinevused [50].

4. Materjalid ja meetodid

Varem töötasime välja epiteelirakkudel põhineva lahustunud ainete transpordi mudeli inimese nefroneid möödaneerud[10,25]. Selles uuringus laiendame seda mudelit diabeetilise neeru simuleerimiseks. Mudel esindab kuut nefroniklassi: pindmine nefron, mis pöördub medulla välimise ja sisemise piiril, ja viit kõrvuti nefronit, mis ulatuvad sisemise medulla erinevatele tasanditele. Pindmised nefronid moodustavad 85 protsenti nefronipopulatsioonist ja ulatuvad Bowmani kapslist papillaari otsani. Ülejäänud 15 protsenti nefronitest on kõrvuti paiknevad nefronid, millel on Henle aasad, mis ulatuvad sisemises medulla erinevale sügavusele; enamik pikki silmuseid pöördub ülemise sisemise medulla sees. Iga mudeli nefron on kujutatud tuubulina, mis on vooderdatud epiteelirakkude kihiga, apikaalsete ja basolateraalsete transportijatega, mis varieeruvad vastavalt rakutüübile. Mudel eeldab, et ühendustuubulid ühinevad ajukoores järjestikku, mille tulemuseks on silmuse ja kortikaalse kogumiskanali suhe 10:1 [51]. Mudellikud kogumiskanalid läbivad välimise medulla ja kui nad jõuavad sisemise medullani, ühinevad kogumiskanalid taas järjestikku. Mudeli skemaatiline diagramm on näidatud joonisel 5. Mittediabeetilise neeru puhul on ühe nefroni glomerulaarfiltratsiooni kiirus (SNGFR) seatud vastavalt 100 ja 133 l/min pindmiste ja juxtamedullaarsete nefronite puhul. Eeldusel, et igaühes on kokku 1 miljon nefronitneerud, see annab ühe-neerudGFR 105 ml/min.

Mudel hõlmab 15 lahustunud ainet: Na plus, K plus, Cl一, HCO3 一, H2CO3, CO2, NH3, NH4 plus, HPO42一, H2PO4 一, H plus, HCO2 一, H2CO2, uurea ja glükoos. Mudel on formuleeritud püsiseisundi jaoks ja koosneb suurest ühendatud tavaliste diferentsiaalvõrrandite ja algebraliste võrrandite süsteemist [10]. Mudellahendus kirjeldab luminaalset vedeliku voolu, hüdrostaatilist rõhku, luminaalse vedeliku lahustunud aine kontsentratsioone ja, välja arvatud laskuva jäseme segment, tsütosoolsete lahustunud aine kontsentratsioone, membraanipotentsiaali ning rakusiseseid ja paratsellulaarseid vooge. Mudelparameetrid, mis kirjeldavad mittediabeetilist inimestneerudleiate viitest. [10].

4.1. Glükoosi transport proksimaalses tuubulis

Füsioloogilistes tingimustes reabsorbeerub filtreeritud glükoosikoormus täielikult proksimaalses tuubulis SGLT-de kaudu apikaalsel küljel ja glükoosi transpordi hõlbustajate (GLUT) kaudu basolateraalsel küljel. Proksimaalne keerdunud tuubul väljendab suure läbilaskevõimega madala afiinsusega transporterit SGLT2 koos basolateraalse GLUT2-ga, samas kui S3 segment väljendab väiksema läbilaskevõimega, kõrgema afiinsusega transporterit SGLT1 ja basolateraalset GLUT1. SGLT1 ekspressioonitase valiti nii, et pärast SGLT2 inhibeerimist ennustab mittediabeetiline mudel ~60 protsendi filtreeritud glükoosi SGLT{10}vahendatud transporti [52]. Glükoosi ja Na plussvoogude modelleerimist SGLT2 ja SGLT1 kaastransporterite vahel ning glükoosi voogusid GLUT1 ja GLUT2 vahel on kirjeldatud meie varasemates uuringutes [14, 16, 17, 39].

4.2. Diabeetilise neeru simuleerimine

Simuleerime kahte diabeetilist seisundit, millest ühe puhul on plasma glükoosisisaldus tõusnud mittediabeetiliselt väärtuselt 5 mM 8,6 mM-ni (mida me nimetame "mõõdukaks diabeedijuhtumiks") ja teise puhul, mille korral plasma glükoosisisaldus on 20 mM. "raske diabeedijuhtum"). Diabeet kutsub esile neerude hüpertroofiat, hüperfiltratsiooni ja muutusi transporteri ekspressioonis. Seega, lisaks plasma glükoosikontsentratsiooni suurendamisele, simuleerisime diabeetilisi seisundeid, suurendades SNGFR-i vastavalt 27 ja 10 protsenti [4] pindmistes ja jukstamedulaarsetes nefronites nii mõõdukatel kui ka rasketel juhtudel. Tubulaarse hüpertroofia simuleerimiseks suurendasime proksimaalsete tuubulite torukujulist läbimõõtu ja pikkust 10 protsenti mõõdukal juhul ja 28 protsenti raskel juhul; ja suurendasime distaalsete segmentide läbimõõtu ja pikkust vastavalt 18 ja 7 protsenti mõõdukal juhul ning vastavalt 42 ja 7 protsenti raskel juhul [17,53]. Lisaks reguleeritakse SGLT2 aktiivsust pluss 38 protsenti, GLUT2 pluss 50 protsenti ja NKCC aktiivsust pluss 10 protsenti. SGLT1 aktiivsus on alla reguleeritud 一33 protsenti. Na/K-ATPaasi aktiivsus suureneb pluss 10 protsenti koos kõigi nefronisegmentidega, välja arvatud paks tõusev jäseme ja sisemine medullaarne kogumiskanal. Koos paksude tõusvate jäsemetega suureneb Na / K-ATPaasi aktiivsus pluss 20 protsenti. Sisemise medullaarse kogumiskanali puhul suureneb Na/K-ATPaasi aktiivsus pluss 50 protsenti koos esialgse 2/3 ja pluss 150 protsenti koos ülejäänud segmendiga mõõduka diabeedi korral ning pluss 150 protsenti piki kogu segment raske diabeedi korral. Transtsellulaarne vee läbilaskvus suureneb koos ajukoore ja sisemise medullaarse kogumiskanali segmendiga vastavalt 55 ja 40 protsenti [17].

Autori kaastööd:Kontseptualiseerimine, AL; metoodika, AL; tarkvara, RH; valideerimine, AL ja RH; formaalne analüüs, AL ja RH; uurimine, AL ja RH; ressursid, AL; andmete kureerimine, AL; kirjutamine – algse mustandi ettevalmistamine, AL; kirjutamine – läbivaatamine ja toimetamine, AL ja RH; visualiseerimine, RH; järelevalve, AL; projektihaldus, AL; rahastamise omandamine, AL Kõik autorid on käsikirja avaldatud versiooni läbi lugenud ja sellega nõustunud.

Rahastamine:Seda uurimistööd toetasid Kanada 150 uurimistooli programm ning Kanada loodusteaduste ja inseneriuuringute nõukogu AL-ile antud Discovery auhinna (RGPIN-2019-03916) kaudu.

Institutsioonilise ülevaatenõukogu avaldus:Ei kohaldata.

Teadliku nõusoleku avaldus:Ei kohaldata.

Andmete kättesaadavuse avaldus:Arvutikood tehakse avalikult kättesaadavaks pärast käesoleva käsikirja vastuvõtmist.

Huvide konfliktid:Autorid ei deklareeri huvide konflikti. Rahastajatel ei olnud uuringu kavandamisel mingit rolli; andmete kogumisel, analüüsimisel või tõlgendamisel; käsikirja kirjutamisel või tulemuste avaldamise otsuses.

Viited

1. Saeedi, P.; Petersohn, I.; Salpea, P.; Malanda, B.; Karuranga, S.; Unwin, N.; Colagiuri, S.; Guariguata, L.; Motala, AA; Ogurtsova, K.; et al. Ülemaailmsed ja piirkondlikud diabeedi levimuse hinnangud 2019. aastaks ning prognoosid aastateks 2030 ja 2045: Rahvusvahelise Diabeedi Föderatsiooni diabeediatlase tulemused. Diabetes Res. Clin. Harjuta. 2019, 157, 107843.

2. Foley, RN; Collins, AJ Neeruhaiguse lõppstaadiumis Ameerika Ühendriikides: Ameerika Ühendriikide neeruandmete süsteemi värskendus. J. Am. Soc. Nephrol. 2007, 18, 2644–2648.

3. Koye, DN; Magliano, DJ; Nelson, RG; Pavkov, ME Diabeedi ja neeruhaiguste globaalne epidemioloogia. Adv. Krooniline neeruhaigus. 2018, 25, 121–132.

4. Mogensen, C. Glomerulaarfiltratsiooni kiirus ja neeruplasma vool lühi- ja pikaajalise juveniilse suhkurtõve korral. Scand. J. Clin. Lab. Uurige. 1971, 28, 91–100.

5. Eaton, DC; Pooler, J.; Vander, AJ Vanderi neerufüsioloogia, 7. väljaanne; McGraw-Hill Medical: New York, NY, USA, 2009.

6. Hoenig, parlamendiliige; Zeidel, ML Homöostaas, miljöö Interieur ja nefroni tarkus. Clin. J. Am. Soc. Nephrol. 2014, 9, 1272–1281.

7. Dantzler, WH; Pannabecker, TL; Layton, AT; Layton, HE Uriini kontsentreerimise mehhanism imetaja neeru sisemises medullas: kolmemõõtmelise arhitektuuri roll. Acta Physiol. 2011, 202, 361–378. [CrossRef]

8. Palmer, LG; Schnermann, J. Na-transpordi integreeritud juhtimine piki nefronit. Clin. J. Am. Soc. Nephrol. 2015, 10, 676–687.

9. Layton, AT Tagasiside vahendatud dünaamika nõuetele vastava paksu tõusva jäseme mudelis. matemaatika. Biosci. 2010, 228, 185–194.

10. Layton, AT; Layton, HE Arvutusmudel epiteeli lahustunud ainest ja veetranspordist mööda inimese nefronit. PLoS-arvuti. Biol. 2018, 15, e1006108.

11. Weinstein, AM Roti neeru matemaatiline mudel: K pluss -indutseeritud natriurees. Olen. J. Physiol. Neerufüsiool. 2017, 312, F925–F950.

12. Layton, AT; Edwards, A.; Vallon, V. Neerude kaaliumi käitlemine vahesumma nefrektoomiaga rottidel: modelleerimine ja analüüs. Am.J. Physiol. Neerufüsiool. 2017, 314, F643–F657.

13. Edwards, A.; Castrop, H.; Laghmani, K.; Vallon, V.; Layton, AT NKCC2 isovormi regulatsiooni mõju NaCl transpordile paksus tõusvas jäsemes ja makula densas: modelleerimisuuring. Olen. J. Physiol. Neerufüsiool. 2014, 307, F137–F146.

14. Layton, AT; Laghmani, K.; Vallon, V.; Edwards, A. Lahustunud aine transport ja hapnikutarbimine piki nefroneid: Na plus transpordi inhibiitorite mõju. Olen. J. Physiol. Neerufüsiool. 2016, 311, F1217–F1229.

15. Layton, AT; Vallon, V. SGLT2 inhibeerimine neerus vähendatud nefroniarvuga: lahustunud ainete transpordi ja ainevahetuse modelleerimine ja analüüs. Olen. J. Physiol. Neerufüsiool. 2018, 314, F969–F984.

16. Layton, AT; Vallon, V.; Edwards, A. Hapnikutarbimise modelleerimine proksimaalses tuubulis: NHE ja SGLT2 inhibeerimise mõju. Olen. J. Physiol. Neerufüsiool. 2015, 308, F1343–F1357.

17. Layton, AT; Vallon, V.; Edwards, A. Diabeedi ja SGLT inhibeerimise prognoositavad tagajärjed transpordile ja hapnikutarbimisele mööda roti nefroni. Olen. J. Physiol. Neerufüsiool. 2016, 310, F1269–F1283.

18. Layton, AT; Vallon, V.; Edwards, A. Adaptive Changes in GFR, Tubular Morphology and Transport in Subtotal Nephrectomized Kidneys: Modeling and Analysis. Olen. J. Physiol. Neerufüsiool. 2017, 313, F199–F209.

19. Sgouralis, I.; Evans, RG; Gardiner, BS; Smith, JA; Fry, eKr; Layton, AT Neerude hemodünaamika, funktsioon ja hapnikuga varustamine südameoperatsiooni ajal, mis tehti kardiopulmonaalsel šunteerimisel: modelleerimisuuring. Physiol. Vabariik 2015, 3, e12260.

20. Layton, AT Magus edu? SGLT2 inhibiitorid ja diabeet. Olen. J. Physiol. Neerufüsiool. 2018, 314, F1034–F1035.

21. Neal, B.; Perkovic, V.; Mahaffey, KW; de Zeeuw, D.; Fulcher, G.; Erondu, N.; Shaw, W.; Law, G.; Desai, M.; Matthews, DR Canagliflozin ning kardiovaskulaarsed ja neeruhaigused II tüüpi diabeedi korral. N. Ingl. J. Med. 2017, 377, 644–657.