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糖尿病の微小環境は、糸球体内皮細胞にミトコンドリア酸化ストレスを引き起こし、ポッドサイトとの病理学的クロストークを引き起こす
The diabetic microenvironment causes mitochondrial oxidative stress in glomerular endothelial cells and pathological crosstalk with podocytes.
PMID: 32641054 PMCID: PMC7341607. DOI: 10.1186/s12964-020-00605-x.
抄録
背景:
糖尿病では、ミトコンドリア機能障害と酸化ストレスが糖尿病性腎疾患（DKD）を含む末梢臓器障害を引き起こす重要な病原機序となっているが、細胞レベルでのメカニズムの理解は不明なままである。マウスのDKDモデルでは、糸球体内皮細胞（GEC）の機能障害がアルブミン尿に先行し、隣接するポッドサイトの機能障害に寄与しており、糸球体ろ過バリアの破壊にGECが関与していることが示唆されている。以下の研究では、糖尿病環境下でGECが機能不全に陥る細胞メカニズムと、隣接する足底細胞への影響を明らかにしたいと考えた。
BACKGROUND: In the setting of diabetes mellitus, mitochondrial dysfunction and oxidative stress are important pathogenic mechanisms causing end organ damage, including diabetic kidney disease (DKD), but mechanistic understanding at a cellular level remains obscure. In mouse models of DKD, glomerular endothelial cell (GEC) dysfunction precedes albuminuria and contributes to neighboring podocyte dysfunction, implicating GECs in breakdown of the glomerular filtration barrier. In the following studies we wished to explore the cellular mechanisms by which GECs become dysfunctional in the diabetic milieu, and the impact to neighboring podocytes.
方法:
マウスGECを高グルコース培地（HG）または2に曝露し、ミトコンドリア機能（酸素消費量）、構造（電子顕微鏡）、形態（ミトトラッカー）を評価した。5% v/v 血清に曝露し、ミトコンドリア機能（酸素消費量）、構造（電子顕微鏡）、形態（マイトトラッカー）、ミトコンドリアスーパーオキサイド（mitoSOX）、酸化生成物（DNA 病変頻度（8-oxoG, endo-G）、二本鎖切断（γ-Ｈ２ＡＸ）、内皮機能（ＮＯＳ活性）、オートファジー（ＬＣ３）およびアポトーシス細胞死（アネキシン／ＰＩ；カスパーゼ３）。ポッドサイトの生存に及ぼす影響を確立するために、GECからポッドサイトへの上清移行実験を行い、共培養における影響を決定するためにトランスウェル実験を行った。
METHODS: Mouse GECs were exposed to high glucose media (HG) or 2.5% v/v serum from diabetic mice or serum from non-diabetic controls, and evaluated for mitochondrial function (oxygen consumption), structure (electron microscopy), morphology (mitotracker), mitochondrial superoxide (mitoSOX), as well as accumulation of oxidized products (DNA lesion frequency (8-oxoG, endo-G), double strand breaks (γ-H2AX), endothelial function (NOS activity), autophagy (LC3) and apoptotic cell death (Annexin/PI; caspase 3). Supernatant transfer experiments from GECs to podocytes were performed to establish the effects on podocyte survival and transwell experiments were performed to determine the effects in co-culture.
結果:
糖尿病血清は、特にミトコンドリア機能障害とミトコンドリアスーパーオキサイドの放出をGECで引き起こす。ミトコンドリアDNAの急速な酸化と、細胞死を伴わないミトコンドリア生合成の喪失があります。これらの影響の多くは、選択的ミトコンドリア抗酸化剤であるミトテンポによってブロックされます。機能不全のGECから分泌された因子は、上清移植実験や共培養実験ではポッドサイトのアポトーシスを引き起こすのに十分であったが、GECが以前にmitoTEMPOで処理されていた場合には、このような現象は起こらなかった。
RESULTS: Diabetic serum specifically causes mitochondrial dysfunction and mitochondrial superoxide release in GECs. There is a rapid oxidation of mitochondrial DNA and loss of mitochondrial biogenesis without cell death. Many of these effects are blocked by mitoTEMPO a selective mitochondrial anti-oxidant. Secreted factors from dysfunctional GECs were sufficient to cause podocyte apoptosis in supernatant transfer experiments, or in co-culture but this did not occur when GECs had been previously treated with mitoTEMPO.
結論:
糖尿病環境が腎臓糸球体の個々の細胞型に与える影響を解剖したところ、GECのミトコンドリアスーパーオキサイドレベルの上昇により、GECが機能不全に陥り、隣接するポッドサイトへの病的な影響を受けていることがわかった。これらの研究は，ポッドサイトへの GEC シグナルが DKD における糸球体濾過障壁の喪失に寄与していることを示している．ビデオアブストラクト。
CONCLUSION: Dissecting the impact of the diabetic environment on individual cell-types from the kidney glomerulus indicates that GECs become dysfunctional and pathological to neighboring podocytes by increased levels of mitochondrial superoxide in GEC. These studies indicate that GEC-signaling to podocytes contributes to the loss of the glomerular filtration barrier in DKD. Video abstract.