Hohe Glukosespiegel induzieren die epithelial-mesenchymale Transition in renalen proximalen Tubuluszellen über den PERK-eIF2α-Signalweg
Die diabetische Nephropathie (DKD) ist eine Hauptursache für terminales Nierenversagen, charakterisiert durch progressive glomeruläre und tubulointerstitielle Schäden. Während die glomeruläre Mesangiumexpansion ein etabliertes Merkmal darstellt, unterstreichen neuere Erkenntnisse die tubulointerstitielle Fibrose als entscheidenden Treiber der DKD-Progression. In diesem Kontext spielt die epithelial-mesenchymale Transition (EMT) von Tubuluszellen eine zentrale Rolle. Während der EMT verlieren tubuläre Epithelzellen ihre charakteristischen Marker und erwerben mesenchymale Eigenschaften, einschließlich der erhöhten Expression von α-glattmuskulärem Aktin (α-SMA), einem Schlüsselmarker der Myofibroblastenaktivierung. Die Mechanismen, die Hyperglykämie mit EMT-induzierter renaler Fibrose verbinden, bleiben jedoch unvollständig verstanden.
Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der zellulären Proteinhomöostase. Stressfaktoren wie Hyperglykämie, oxidativer Stress oder Hypoxie stören die ER-Funktion, führen zur Akkumulation fehlgefalteter Proteine und lösen ER-Stress (ERS) aus. Dies aktiviert die ungefaltete Proteinantwort (UPR), vermittelt durch drei zentrale ER-Transmembransensoren: PERK (Protein kinase R-like ER kinase), IRE1 und ATF6. Unter physiologischen Bedingungen ist PERK an das Chaperon GRP78 gebunden und inaktiv. Bei ERS dissoziiert GRP78 von PERK, ermöglicht dessen Autophosphorylierung und Aktivierung. Aktiviertes PERK phosphoryliert die α-Untereinheit des eukaryotischen Translationsinitiationsfaktors 2α (eIF2α), was die globale Proteinsynthese hemmt, jedoch selektiv die Translation von Stressantwortgenen fördert. Persistierender ERS ist mit diabetischen Komplikationen wie Retinopathie und Nephropathie assoziiert, seine Rolle bei der tubulären EMT in der DKD bedarf jedoch weiterer Untersuchung.
Diese Studie untersuchte die Hypothese, dass hohe Glukose die EMT in renalen proximalen Tubuluszellen über den PERK-eIF2α-Signalweg induziert. Ratten-Nierenproximaltubuluszellen (NRK-52E) wurden unter Normalglukose (5,6 mmol/L), hoher Glukose (15, 25 oder 50 mmol/L) oder osmotischer Kontrolle (5,6 mmol/L Glukose + 19,4 mmol/L Mannitol) für 24–48 Stunden kultiviert. Die Proteinexpression von α-SMA, GRP78, PERK, phospho-PERK (p-PERK), eIF2α und phospho-eIF2α (p-eIF2α) wurde mittels Western-Blot analysiert. Zur weiteren Aufklärung der ERS-Rolle wurden die Zellen mit Thapsigargin (einem ERS-Induktor) oder GSK2606414 (einem PERK-Inhibitor) behandelt.
Hohe Glukose induziert α-SMA-Expression dosis- und zeitabhängig
Hohe Glukose erhöhte die α-SMA-Proteinspiegel in NRK-52E-Zellen signifikant. Nach 48 Stunden stieg die α-SMA-Expression dosisabhängig an: 0,40 ± 0,02 (15 mmol/L Glukose), 0,45 ± 0,04 (25 mmol/L) und 0,53 ± 0,03 (50 mmol/L) im Vergleich zu 0,21 ± 0,01 unter Normalglukose (P < 0,01). Zeitverlaufsexperimente zeigten, dass 25 mmol/L Glukose die α-SMA-Spiegel von 0,25 ± 0,01 nach 24 Stunden auf 0,38 ± 0,02 nach 48 Stunden erhöhte (P < 0,01 vs. Kontrolle). Mannitol veränderte die α-SMA-Expression nicht, was bestätigt, dass Hyperglykämie – nicht osmotischer Stress – die EMT antreibt.
Aktivierung von ER-Stress-Markern über den PERK-eIF2α-Signalweg
Die ERS-assoziierten Proteine wurden parallel analysiert. GRP78, ein Schlüsselchaperon bei ERS, stieg dosisabhängig unter hoher Glukose an (1,27 ± 0,09 bei 15 mmol/L, 1,42 ± 0,07 bei 25 mmol/L und 1,14 ± 0,06 bei 50 mmol/L vs. 0,90 ± 0,09 in Kontrollen; P < 0,05). Die Phosphorylierung von PERK und eIF2α folgte ähnlichen Mustern mit Maxima bei 25 mmol/L Glukose (p-PERK: 0,77 ± 0,07 vs. 0,43 ± 0,06; p-eIF2α: 0,63 ± 0,05 vs. 0,37 ± 0,06; P < 0,01). Die Gesamtspiegel von PERK und eIF2α blieben unverändert, was auf eine posttranslationale Aktivierung der PERK-eIF2α-Achse hinweist. Mannitol zeigte erneut keine Effekte.
ERS-Induktion imitiert glukoseinduzierte EMT
Um zu testen, ob ERS allein ausreicht, wurden Zellen mit Thapsigargin (0,1–0,2 μmol/L für 24–48 Stunden) behandelt. Thapsigargin erhöhte die α-SMA-Expression maximal bei 0,1 μmol/L nach 24 Stunden (0,80 ± 0,08 vs. 0,35 ± 0,03 in Kontrollen; P < 0,01), was zeigt, dass ERS direkt EMT fördert. Die Kombination mit GSK2606414 (100 nmol/L) reduzierte die Thapsigargin-induzierte α-SMA-Hochregulation (0,60 ± 0,03 vs. 0,91 ± 0,04; P < 0,01), was die Beteiligung des PERK-eIF2α-Signalwegs bestätigt.
PERK-Inhibition unterdrückt glukoseinduzierte EMT
Die Vorbehandlung mit GSK2606414 (100 nmol/L) vor Glukoseexposition hemmte die eIF2α-Phosphorylierung (0,55 ± 0,09 vs. 0,92 ± 0,13; P = 0,001) und α-SMA-Expression (0,56 ± 0,04 vs. 0,85 ± 0,08; P = 0,001). Diese Ergebnisse belegen, dass der PERK-eIF2α-Signalweg essenziell für die glukoseinduzierte EMT in Tubuluszellen ist.
Implikationen für die diabetische Nephropathie
Diese Studie liefert mechanistische Einblicke, wie Hyperglykämie über ERS die renale Fibrose verstärkt. Durch Aktivierung des PERK-eIF2α-Signalwegs fördert hohe Glukose die tubuläre EMT, einen kritischen Schritt in der tubulointerstitiellen Fibrose. Die dosis- und zeitabhängigen Effekte korrelieren mit klinischen Beobachtungen zur DKD-Progression. Die Unfähigkeit von Mannitol, diese Veränderungen zu replizieren, unterstreicht die Spezifität glukotoxischer Effekte.
Bisherige Studien verbinden ERS mit diabetischen Komplikationen, doch diese Arbeit zeigt erstmals die Verbindung zwischen PERK-eIF2α-Aktivierung und tubulärer EMT. Die Ergebnisse decken sich mit Berichten, dass PERK-Defizienz diabetische Phänotypen verschlimmert, während ERS-Inhibition die renale Fibrose mildert. Die translationale Relevanz wird durch den Einsatz von GSK2606414 unterstrichen, einem in der Krebsforschung entwickelten PERK-Inhibitor, der hier EMT hemmte.
Zukünftige Richtungen und therapeutisches Potenzial
Während sich diese Studie auf PERK-eIF2α konzentrierte, könnten andere UPR-Signalwege (IRE1, ATF6) ebenfalls zur EMT beitragen. In-vivo-Studien sind notwendig, um diese Befunde in diabetischen Modellen zu validieren und kombinierte Therapien gegen ERS und Glukosestoffwechsel zu erforschen. Pharmakologische PERK-Inhibition oder Chaperon-basierte Strategien (z. B. 4-PBA) könnten tubuläre Schäden reduzieren und neue Behandlungsansätze für DKD bieten.
Zusammenfassend induzieren hohe Glukosespiegel eine ER-Stress-abhängige EMT in renalen proximalen Tubuluszellen, hauptsächlich über den PERK-eIF2α-Signalweg. Diese Ergebnisse unterstreichen den ER-Stress als therapeutisches Ziel zur Unterbrechung der Fibrose bei diabetischer Nephropathie.
DOI: doi.org/10.1097/CM9.0000000000000157