Nieru darbības skaitļošanas modelis pacientam ar diabētu

Rui Hu ¹un Anita Leitone^1,2,*

Abstract:Diabēta sākumā,nieresaug liels un glomerulārās filtrācijas ātrums kļūst neparasti augsts. Šīs strukturālās un hemodinamikas izmaiņas ietekmē nieru darbību un var veicināt hroniskas nieru slimības attīstību. Šī pētījuma mērķis ir analizēt, kānieresfunkcija ir izmainīta pacientiem ar cukura diabētu un antihiperglikēmiskās terapijas ietekme uz nierēm, kas inhibē nātrija-glikozes kotransportieri 2 (SGLT2) proksimālajos vītņotajos kanāliņos.

Lai sasniegtu šo mērķi, mēs esam izstrādājuši skaitļošanas modelinieresfunkcija pacientam ar cukura diabētu un veica simulācijas, lai izpētītu diabēta un SGLT2 inhibīcijas ietekmi uz izšķīdušās vielas un ūdens transportēšanu gar nefroniem. Simulācijas rezultāti liecina, ka diabēta izraisīta hiperfiltrācija un tubulārā hipertrofija uzlabo Na plus transportu, īpaši gar proksimālajiem kanāliņiem un biezām augšupejošām ekstremitātēm. Šīs simulācijas liecina, ka SGLT2 inhibīcija var vājināt glomerulāro hiperfiltrāciju, ierobežojot Na plus glikozes transportu, paaugstinot luminālo [Cl一] makulas densa, atjaunojot tubuloglomerulāro atgriezeniskās saites signālu, tādējādi samazinot viena nefrona glomerulārās filtrācijas ātrumu.

Atslēgvārdi:SGLT2 inhibitori; epitēlija transportēšana; nātrija transportēšana; glikozes transportēšana; natriurēze; diurēze

Sazināties:ali.ma@wecistanche.com

Noklikšķiniet uz Cistanche vitamīna nieru slimībām

1. Ievads

Diabēta izplatība visā pasaulē pieaug, pašlaik tiek lēsts, ka tā ir 9,3 procenti (463 miljoni cilvēku), un sagaidāms, ka līdz 2030. gadam sasniegs 10,2 procentus (578 miljonus) un 10,9 procentus (700 miljonus) līdz 2045. gadam [1]. Attīstītajās valstīs 2. tipa diabēts ir viens no biežākajiem hroniskās slimības cēloņiemnieresslimība [2] un galvenais sirds un asinsvadu slimību veicinātājs [3]. Lai gan ceļi, kas saista diabētu ar hronisku nieru slimību, joprojām nav pilnībā izprotami, ir zināms, ka diabēts izraisa patofizioloģiskas izmaiņas nierēs. Pašā diabēta sākumā,nieres aug liels un glomerulārās filtrācijas ātrums (GFR) kļūst supranormāls [4]. Šīs strukturālās un hemodinamiskās izmaiņas ietekmē nieru darbību un galu galā var izraisīt hronisku nieru slimību.

Visā dzīvnieku valstībānieresir pazīstami galvenokārt ar savu filtru funkciju, izvadot no asinīm vielmaiņas atkritumus un toksīnus, lai tie izdalītos ar urīnu. Bet zīdītājiem nieres specializējas, lai apkalpotu dažādas citas būtiskas regulējošas funkcijas, tostarp ūdens, elektrolītu un skābju-bāzes līdzsvaru [5]. Cilvēkiem pārisnieresatrodas vēdera dobumā, pa vienam katrā mugurkaula pusē. Zīdītāju nieres var iedalīt ārējā reģionā (garozā) un iekšējā reģionā (medulla). Katrā cilvēka nierē ir aptuveni miljons glomerulu, kas ir kapilāru kopas, no kurām katra saņem asinis no atsevišķiem aferentiem arterioliem, kas atzarojas no intranieres artērijām. Asinsvadu hidrostatiskā spiediena ietekmē daļa ūdens un izšķīdušo vielu šajās asinīs tiek filtrēta cauri glomeruliem un kļūst par nefrona cauruļveida šķidrumu. Nefroni pielāgo glomerulārā filtrāta saturu, izmantojot absorbcijas un sekrēcijas procesus, ko mediē membrānas transportētāji un kanāli uz nieru kanāliņu epitēlija šūnām. Tādējādi

tas, kas sākas glomerulos kā plazmas ultrafiltrāts, nefronu galā tiek pārveidots par urīnu [5]. Epitēlija transportēšanas procesu regulēšana, kas saskaņo urīna izdalīšanos gan ar šķidrumu, gan izšķīdušo vielu uzņemšanu, kā arī atkritumu produktu veidošanos, ir daudzu eksperimentālu un teorētisku pūliņu priekšmets [6–9]. Ir izstrādāti skaitļošanas modeļi, lai atšķetinātu nieru izšķīdušo vielu un ūdens transportēšanas procesus cilvēkiem [10] un žurkām, veicot uztura [11–13] un terapeitiskas [14–16] manipulācijas, kā arī patofizioloģiskos apstākļos [17–19].

Kā minēts iepriekš, diabēts ir galvenais riska faktorsnieresslimība. Tas ir viens no daudziem iemesliem, kāpēc pacienti ar cukura diabētu var sasniegt glikēmijas kontroli. Jauna antihiperglikēmisko zāļu klase ir nātrija-glikozes kotransportera 2 (SGLT2) inhibitori, kas uzlabo glikozes izdalīšanos ar urīnu un mazina glikozes līmeņa paaugstināšanos pēc ēšanas, mērķējot uz tās reabsorbciju gar agrīnu proksimālo kanāliņu [20]. Kā līdztransportētājs SGLT2 ir starpnieks glikozes transportēšanā procesā, kas ir saistīts ar Na plus transportu; tādējādi SGLT2 inhibīcija samazina arī proksimālo tubulāro Na plus un šķidruma reabsorbciju un izraisa nātrijurēzi un diurēzi. Patiešām, papildus antihiperglikēmiskajai iedarbībai ir ziņots, ka SGLT2 inhibitori samazina asinsspiedienu un aizsargā diabēta pacientus no sirds mazspējas [21, 22]. SGLT2 inhibīcijas ietekme uz nierēm, vielmaiņa un sirds un asinsvadu sistēma ir pārskatīta atsaucēs. [23,24].

Mēs iepriekš esam veikuši modeļu simulācijas, lai izpētītunieresfunkcija diabēta gadījumā un SGLT2 inhibīcijas ietekme uz nierēm [15–17]. Tomēr šajos pētījumos izmantotais skaitļošanas modelis bija balstīts uz žurkas nierēm. Tādējādi, lai gan dažas modeļa prognozes atbilst novērojumiem pacientiem ar cukura diabētu, šo atradumu translācijas vērtība joprojām var būt ierobežota. Tādējādi šī pētījuma mērķis ir analizēt nieru darbību (cilvēka) pacientiem ar cukura diabētu un SGLT2 inhibīcijas ietekmi, izmantojot cilvēka nieres skaitļošanas modeli, ko mēs nesen publicējām [10, 25].

2. Rezultāti

2.1. Nieru darbība bezdiabēta un diabēta apstākļos

Mēs salīdzinām izšķīdušās vielas un ūdens transportēšanu pa nefroniem bezdiabēta un diabēta slimniekiemnieres. Galvenie rezultāti ir apkopoti 1. un 2. attēlā. Šajās simulācijās mēs atdarinām diabēta ietekmi uz nierēm, kā aprakstīts sadaļā Materiāli un metodes. Jo īpaši diabēts izraisa glomerulāru hiperfiltrāciju un tubulāru hipertrofiju. Paaugstināts GFR atspoguļojas uz filtrētām izšķīdušo vielu slodzēm, savukārt cauruļveida hipertrofija tiek atspoguļota uzlabotajā transportā; Skatīt zemāk.

Apstākļos, kas nav saistīti ar diabētu, būtībā visa filtrētā glikoze tiek reabsorbēta gar proksimālajiem kanāliņiem, proksimālajā vītņotajā kanāliņā un S3 segmentā reabsorbējot attiecīgi 97 procentus un 2,6 procentus filtrētās glikozes. Skatīt attēlu 1C. Mērenā cukura diabēta simulācijās tiek pieņemts, ka glikozes koncentrācija plazmā palielinās no 5 līdz 8,6 mm, kas kopā ar paaugstinātu GFR rada filtrētu slodzi 1,52 mol diennaktī 一1 glikozes. Neraugoties uz to, ka filtrētās glikozes daudzums ir aptuveni dubultojies, proksimālās kanāliņu glikozes transportēšana vēl nav pārslogota, proksimālais vītņotais kanāliņu un S3 segments reabsorbē attiecīgi 99,6 procentus un 0,4 procentus no filtrētās glikozes, neatstājot būtisku glikozi. urīnā, kas atbilst glikozūrijas trūkumam pacientiem ar mērenu cukura diabētu [26]. Smagas diabēta simulācijās glikozes līmenis plazmā tiek vēl vairāk paaugstināts līdz 20 mM, kā rezultātā glikozes filtrētā slodze ir 3,75 mol/diennā1 glikozes, kas pārsniedz proksimālā kanāliņa glikozes transportēšanas spēju. Tiek prognozēts, ka glikozes frakcionētā reabsorbcija proksimālajā vītņotajā kanāliņā un S3 segmentā ir attiecīgi 73,7 procenti un 9,1 procenti. Pakārtotajiem segmentiem nav ievērojamas glikozes transportēšanas jaudas. Tādējādi cukura diabēta modelis paredz absolūto un daļēju glikozes izdalīšanos attiecīgi kā 0,6 mol/dienā1 un 16 procentus.

Salīdzinājumā ar cilvēkiem, kuriem nav cukura diabētanieresmērenā diabēta modelī tiek pieņemts, ka GFR palielinās par 10 procentiem un tādējādi tiek filtrēts Na plus, kas nodrošina atbilstošu 10 procentu pieaugumu kopējā daudzumā.

Na plus transports. Na plus reabsorbcijas pieaugums ir vislielākais cauruļveida segmentos, kur diabēts izraisa ievērojamu Na plus transportētāju ekspresijas pieaugumu. Jo īpaši Na plus transports palielinās par 11, 8 procentiem gar proksimālajiem vītņotajiem kanāliņiem, kur hiperfiltrācijas izraisītās griezes momenta izmaiņas palielina visu transcelulāro transportētāju blīvumu. Diabēts arī palielina NKCC2 blīvumu medulāri biezajās augšupejošajās ekstremitātēs [17], kā rezultātā Na plus reabsorbcija palielinās par 35%. Uzlabotais Na plus transports būtībā kompensē paaugstinātu filtrētā Na plus slodzi cukura diabēta gadījumā, lai nodrošinātu Na plus izdalīšanos līdzīgi kā cilvēkiem, kuriem nav cukura diabēta.nieres(2. attēls, paneļi A1–A3). Paaugstinātai Na plus reabsorbcijai seko Cl un ūdens reabsorbcijas palielināšanās (2. attēls, C3 un D3 paneļi). Salīdzinot ar bezdiabēta gadījumu, tiek prognozēts, ka cukura diabēta gadījumā Cl izdalīšanās ar urīnu ir par 25 procentiem lielāka, savukārt urīna izdalīšanās ir par 35 procentiem lielāka (2. attēls, C2 un D2 paneļi). Līdzīgi kā Na plus, lielāka filtrētā K plus slodze uzlabo tā cauruļveida reabsorbciju gar proksimālajām kanāliņām un biezām augšupejošajām ekstremitātēm (2. attēls (B3)). Šie konkurējošie faktori izraisa kaliurēzi, un tiek prognozēts, ka diabēta gadījumā K plus izdalīšanās būs par 48 procentiem lielāka (attēls 2 (B2)).

Smagā diabēta modelī GFR un filtrētais Na plus palielinās par 24 procentiem, kā rezultātā uzlabojas Na plus transportēšana, īpaši par 22,5 procentiem gar proksimālajiem kanāliņiem un 47,4 procentiem kopā ar resnajām augšupejošajām ekstremitātēm. Tāpat kā vidēji smaga cukura diabēta gadījumā, uzlabotais Na plus transports būtībā kompensē paaugstinātu filtrētā Na plus slodzi cukura diabēta gadījumā, nodrošinot Na plus izdalīšanos, kas līdzīga nediabēta slimniekam.nieres(2. attēls, paneļi A1–A3). Modeļa prognozes par Cl-transportu ir līdzīgas tām, kas paredzētas vidēji smaga diabēta gadījumā (2. attēls (C2)). Salīdzinot ar bezdiabēta gadījumu, tiek prognozēts, ka cukura diabēta gadījumā Cl izdalīšanās ar urīnu ir par 48,8 procentiem lielāka. Modelis paredz smagāku diurēzi, paredzot, ka urīna izdalīšanās būs par 115 procentiem lielāka nekā bezdiabēta gadījumā (2. attēls (D2)) un smagāka kaliurēze ar K plus izdalīšanos, kas ir par 63,4 procentiem lielāka (2. attēls (2). B2)).

2.2. SGLT2 inhibīcija nierēs, kas nav slimas ar diabētu

Konstatēts, ka pacientiem bez cukura diabēta SGLT2 blokāde izraisa nelielu GFĀ samazināšanos: par 3 procentiem pacientiem bez cukura diabēta, kuri saņēma kanagliflozīnu vai dapagliflozīnu 4 dienas [17]. Tādējādi mēs pieņemam, ka akūtās inhibīcijas simulācijā visu nefronu SNGFR samazinās par 3 procentiem. Ir ziņots, ka pacientiem bez cukura diabēta SGLT2 blokāde izraisa glikozes izdalīšanos ar urīnu, kas ir ~ 45 procenti no tās filtrētā daudzuma [27]. Šajā pētījumā mēs pieņemam, ka SGLT2 inhibē 90 procentus visos nefronos, kā rezultātā tiek izvadīti 40 procenti filtrētās glikozes [27]. Modelis paredz, ka neliela daļa (14,5 procenti) no filtrētās glikozes slodzes tiek reabsorbēta kopā ar proksimālajiem izliektajiem kanāliņu segmentiem, ko nodrošina atlikušais SGLT2 un arī paracelulārais ceļš, un 39,7 procenti S3 segmentā, no kuriem lielākā daļa šķērso. SGLT1. Skatīt 3. attēlu.

3. un 4. attēlā bezdiabēta un cukura diabēta gadījumi bez SGLT2 blokādes (apzīmēti ar "ND" un "D") ir tādi paši kā 1. un 2. attēlā, taču attēloti atšķirīgi. Faktisko vērtību vietā mēs normalizējam filtrācijas un segmentālo transportēšanas ātrumu ar to attiecīgajām ND vērtībām. Ekskrēcijas ātrumiem mēs normalizējam pēc D vērtībām, jo ​​bezdiabēta apstākļos glikozes izdalīšanās būtībā ir nulle. Aprēķinot šīs attiecības, mēs varam labāk saprast, cik daudz katrs daudzums mainās diabēta gadījumā pēc SGLT2 inhibīcijas. Tomēr savstarpējai salīdzināšanai (piemēram, starp filtrāciju un izdalīšanos) nav nozīmes to atšķirīgo atsauces vērtību dēļ.

Vēlreiz apsveriet nediabēta SGLT2 inhibīcijas rezultātus. Kā mēs iepriekš aprakstījām [16, 17], SGLT2 inhibīcija izraisa osmotisko diurēzi proksimālajā kanāliņā, tādējādi samazinot pasīvo transportu pa paracelulāro ceļu šajā segmentā. Lielā luminālā plūsma otrādi stimulē aktīvo transportu (izmantojot griezes momenta izraisītu transcelulārā transportera ekspresijas palielināšanos [18]), bet pasīvās transporta samazinājums ir lielāks, tāpēc

Na plus reabsorbcija proksimālajā kanāliņā samazinās par 10,3 procentiem. Simulācijas rezultāti liecina, ka proksimālo kanāliņu Na plus transportēšanas samazināšanās pēc tam tiek daļēji kompensēta lejup pa straumi, īpaši aiz medulāri biezajām augšupejošajām ekstremitātēm (4. attēls (A3)). Paaugstināto Na plus reabsorbciju savienojošajos kanāliņos pavada pastiprināta K plus sekrēcija (4. attēls (B3)). Līdz ar to SGLT2 inhibīcija diabēta slimniekiemnieresizraisa diurēzi, nātrijurēzi un kaliurēzi, urīna izdalīšanai palielinoties par 207 procentiem, Na plus izdalīšanos par 308 procentiem un K plus izdalīšanos par 184 procentiem (4. attēls, A2–D2 paneļi).

2.3. SGLT2 inhibīcija diabēta nierēs

SGLT2 inhibīcija mazina cukura diabēta izraisītu hiperfiltrāciju [28]. Tādējādi, simulējot SGLT2 blokādes ietekmi, mēs pazeminām GFR līdz tā nediabētiskajam līmenim 151,2 l/day一1. Mēs uzskatām par akūtu ievadīšanu, tāpēc vidēji smaga un smaga cukura diabēta gadījumos glikozes koncentrācija plazmā tiek uzturēta attiecīgi 8,6 un 20 mM. Pirmkārt, apsveriet glikozes transportēšanu vidēji smaga diabēta gadījumā. Izmantojot iepriekš minēto GFR pieņēmumu, SGLT2 inhibīcija samazina filtrēto glikozes slodzi no 1,52 līdz 1,3 mol/dienā 一1. Paredzams, ka glikozes izdalīšanās būs 0,69 mol．day一1, tas ir, 53,1 procents no filtrētās glikozes. Paredzamā glikozes izdalīšanās ir ziņoto vērtību diapazonā [29]. Proksimāli izliektie kanāliņi un S3 segmenti reabsorbē attiecīgi 0,23 un 0,38 mol glikozes．day一1. Salīdzinājumam, ja nav SGLT2 inhibīcijas, proksimāli izliektie kanāliņi un S3 reabsorbē attiecīgi 1,51 un 0,01 mol glikozes dienā 一1. Skatīt 3. attēlu.

Smagā cukura diabēta gadījumā tiek prognozēts, ka glikozes izdalīšanās būs 202 mol．day一1 (3.B attēls), kas atbilst 66,8 procentiem filtrētās glikozes ziņoto vērtību diapazonā [29]. Proksimāli vītņotie kanāliņu un S3 segmenti reabsorbē attiecīgi {{10}},5 un 0,5 mol glikozes．day一1, salīdzinot ar attiecīgo ātrumu 2,8 un 0,34 mol glikozes．diena一1 bez SGLT2 inhibīcijas ( 3C attēls) Jāatzīmē, ka, lai gan bez ārstēšanas notiek glikozes sekrēcija saspringtajā krustojumā, paracelulārais ceļš veicina glikozes reabsorbciju, kad tiek inhibēts SGLT2 (augstākas luminālās glikozes koncentrācijas dēļ). Kopumā šie rezultāti liecina, ka ar 90 procentu SGLT2 inhibīciju SGLT1 tik tikko kompensē SGLT2 bloķēšanu diabēta gadījumā, jo hiperglikēmija un palielināta glikozes kanāliņu slodze jau patērē pilnu SGLT1 transportēšanas jaudu, ja nav SGLT2 inhibīcijas.

Paredzams, ka SGLT2 inhibīcija ievērojami samazinās Na plus transportu, galvenokārt tāpēc, ka tas normalizē GFR un filtrēto Na plus slodzi. Mūsu simulācijas liecina, ka, tāpat kā bezdiabēta gadījumā, SGLT2 bloķēšana izraisa osmotisko diurēzi proksimālajā kanāliņā, tādējādi samazinot paracelulāro transportu. Faktiski modelis paredz, ka paracelulārā Na plus transportēšanas virziens S3 ir apgriezts: osmotiskās diurēzes dēļ luminālais līdz intersticiālajam Na plus koncentrācijas gradientam veicina Na plus sekrēciju lūmenā caur ciešiem savienojumiem. Līdz ar to vidēji smaga cukura diabēta gadījumā Na plus izdalīšanās palielinās par 2,2 reizes un urīna izdalīšanās 1,7 reizes; smaga diabēta gadījumā Na plus izdalīšanās un urīna izdalīšanās palielinās attiecīgi 4,9 un 1,9 reizes (4. attēls, A2 un C2 paneļi). Lielāka Na plus plūsma gar distālajiem cauruļveida segmentiem palielina K plus sekrēciju, palielinot K plus izdalīšanos attiecīgi par 1,02 un 1,9 reizes vidēji smaga un smaga diabēta gadījumos (4. attēls, B2 paneļi). Paredzētais pieaugums, īpaši urīna izdalīšanās, ir lielāks par ziņotajām vērtībām [30]. Pārmērīga urīna izdalīšanās var izraisīt tilpuma samazināšanos, kas savukārt aktivizē urīna ražošanas samazināšanas mehānismus. Šie mehānismi modelī nav pārstāvēti, kas var izskaidrot lielo urīna izvadīšanas un izdalīšanās prognozes.

3. Diskusija

Šī pētījuma galvenais mērķis ir paplašināt cilvēka skaitļošanas modelinieresun izmantot šo modeli, lai izpētītu diabēta un SGLT2 inhibīcijas ietekmi uz izšķīdušo vielu un ūdens transportēšanu gar nefroniem. Diabēts izraisa glomerulāru hiperfiltrāciju un tubulāru hipertrofiju [31]. Tā rezultātā diabēts palielina Na plus un glikozes reabsorbciju caur nātrija-glikozes kotransportieri SGLT2 nieru garozas agrīnajā proksimālajā kanāliņā un mazākā mērā caur SGLT1 nieru medulla S3 segmentā.

Paaugstinātas izšķīdušās vielas un ūdens transporta slodzes palielina Na plus transportu (TNa). Iepriekšējais žurku modelēšanas pētījumsnieres[17] paredzēja kopējā TNa pieaugumu par 50 procentiem ar nesamērīgu aktīvās TNa pieaugumu (64 procenti). Aktīvo TNa mediē Na plus / K plus -ATPāze, un tas prasa skābekļa patēriņu. Diabēts palielina taukskābju metabolismu, kā rezultātā samazinās vielmaiņas efektivitāte [32], tostarp palielinās skābekļa daudzums, kas nepieciešams, lai transportētu noteiktu Na plus daudzumu. Rezultātā tika prognozēts, ka skābekļa patēriņš aktīvās TNa uzturēšanai gandrīz dubultosies (pieaugums par 88 procentiem [17]).

Pašreizējais cilvēksnieresmodelis paredz, ka lielākais diabēta izraisītais TNa pieaugums notiek gar proksimālajām kanāliņām un biezām augšupejošām ekstremitātēm (2. attēls (A3)). Kamēr proksimālās vītņotās kanāliņi atrodas labi perfuzētā nieru garozā, S3 un medulāri biezās augšupejošās ekstremitātes atrodas ārējā medulārā, kur skābekļa spriegums ir ievērojami zemāks nekā garozā [33, 34]. Patiešām, ir zināms, ka šie segmenti ir neaizsargāti pret hipoksiskiem ievainojumiem. Tādējādi cukura diabēta izraisītais metabolisma pieprasījuma pieaugums var būt īpaši saspringts šiem segmentiem. Kopumā pašreizējais modelis paredz, ka vidēji smaga un smaga diabēta gadījumos kopējā TNa palielināsies attiecīgi par 17 procentiem un 24 procentiem un aktīvās TNa pieaugumu par 29,4 procentiem un 37,5 procentiem. Hiperglikēmijas pakāpe smaga diabēta gadījumā ir līdzīga žurku modelim [17]. Tomēr pašreizējais modelis paredz mazāku TNa pieaugumu. Šo atšķirību var saistīt ar mazāku diabēta izraisītu GFR un tādējādi filtrēto Na plus slodzes pieaugumu cilvēkiem. Tomēr augstāka aktīvā TNa kopā ar diabēta izraisītu metabolisma efektivitātes samazināšanos, iespējams, ievērojami palielinās skābekļa pieprasījumu. Ja attiecīgi nepalielināsies skābekļa padeve, lielāka vielmaiņas nepieciešamība var izraisīt nieru hipoksiju, kas tiek uzskatīts par svarīgu mehānismu cukura diabēta attīstībā.nieresslimība [35].

Vallons un kolēģi ierosināja, ka agrīnā diabēta gadījumā pastiprinātai reabsorbcijai gar proksimālajām kanāliņos, kas daļēji ir saistīta ar Na plus glikozes kotransporta palielināšanos, ir galvenā loma SNGFR palielināšanā: uzlabotais proksimālais kanāliņu transports pazemina. tubuloglomerulārais atgriezeniskās saites signāls, ti, luminālais [Cl一 ], ko uztver makulas densa šūnas, kā rezultātā atgriezeniskās saites izraisīts SNGFR pieaugums. Šo "kanāliņu centrālo" hipotēzi apstiprināja mikropunktūras eksperimenti ar žurkām [36, 37]. Mūsdienu cilvēka prognozesnieresmodelis atbilst šai kanāliņu centrālai hipotēzei: tiek prognozēts, ka uzlabotais proksimālais kanāliņu transports cukura diabēta gadījumā samazinās luminālo [Cl一] makulas densa gadījumā par 24–27 procentiem vidēji smaga diabēta gadījumā un par 32–52 procentiem smagas formas gadījumā. diabēta gadījumā, salīdzinot ar tiem, kuriem nav cukura diabētanieres, atkarībā no nefrona veida. Jo īpaši tiek prognozēts, ka luminālais [Cl-] virspusējā nefrona makulas densā ir attiecīgi 28,3, 21,3 un 18,6 mm bezdiabēta, vidēji smaga un smaga diabēta gadījumā. Ja vidēja un smaga cukura diabēta gadījumos GFR būtu iestatīts uz nediabēta līmeni, prognozētais makula densa lumināls [Cl一] būtu attiecīgi zemāks par 17,7 un 15,6 mM. Tādējādi, ja cilvēkam ir tubuloglomerulāra atgriezeniskā saitenieres, iegūtais vazodilatatīvais signāls, kas prognozēts diabēta gadījumā, varētu veicināt glomerulāro hiperfiltrāciju. Lai gan simulācijās SNGFR tika pieņemts a priori, var definēt negatīvas atgriezeniskās saites funkciju, kas dod pieņemto SNGFR, ņemot vērā paredzēto luminālu [Cl一] makulas densā.

Turklāt modelis paredz, ka, ierobežojot Na plus glikozes transportēšanu, SGLT2 inhibīcija ievērojami palielina makula densa luminal [Cl一], kas pēc tam var vājināt glomerulāro hiperfiltrāciju, izmantojot tubuloglomerulāro atgriezenisko saiti. Konkrēti, pēc SGLT2 inhibitora ievadīšanas vidēji smaga diabēta modelim, paredzams, ka makula densa luminal [Cl一] virs virspusējā nefrona ir 39,2 mM ar pieņemto GFR pazeminošo efektu un 51,4 mM bez tā. Atbilstošās prognozes smaga diabēta modelim ir attiecīgi 36,4 un 48,1 mM ar un bez GFR pazeminoša efekta. Līdzīgas tendences ir novērojamas arī juxtamedulārajos nefronos. Šie rezultāti atbilst klīniskajiem datiem, kas liecina, ka hroniska SGLT2 inhibīcija izraisīja eGFR samazināšanos 2. tipa cukura diabēta pacientiem, pat tiem, kuriem ir hroniska nieru slimība [38]. Glomerulārās hiperfiltrācijas pazemināšana viena nefrona līmenī, inhibējot SGLT2, var nodrošināt ilgtermiņa labvēlīgu ietekmi uz diabēta slimniekiem.nieres. Viens jautājums ir: cik lielā mērā SGLT2 inhibīcija samazina cauruļveida Na plus transportu un skābekļa patēriņu gar nefronu? Modelis paredz, ka SGLT2 inhibitoru ievadīšana diabēta slimniekiemnieressamazina kopējo TNA par 21,8 procentiem, bet lielākā daļa no šī samazināšanās notiek pa paracelulāro ceļu un ar aktīvo TNa samazinājās tikai par 3 procentiem.

Kopumā mēs esam izstrādājuši pirmo detalizētā epitēlija transporta skaitļošanas modeli.nierespacientam ar cukura diabētu. Modelis paredz, ka līdzīgi kā grauzējiem, diabēta izraisīta tubulārā hipertrofija cilvēkiem var veicināt glomerulāru hiperfiltrāciju ar (hipotēzes) tubuloglomerulāru atgriezeniskās saites signālu [36], kas savukārt izraisa ievērojamu transporta slodzes un vielmaiņas pieprasījuma pieaugumu. Šo modeli var izmantot, lai novērtētu citu bieži izrakstīto medikamentu, piemēram, angiotenzīna II sistēmas blokatoru, ietekmi uz nieru darbību diabēta gadījumā un novērtētu, cik lielā mērā šī ietekme izpaužas kānieresar samazinātu nefronu skaitu un traucētu funkciju.

Jāatzīmē, ka pašreizējā modelī ir pieņemti daudzi pieņēmumi, kas izdarīti anieresžurku tēviņa modelis [14,16,39]. Liels seksuālais dimorfisms ir atklāts elektrolītu transportētāju, kanālu un klaudīnu pārpilnībā grauzēju tēviņiem un mātītēm [40,41]. Veritas et al. norādīja, ka, salīdzinot ar žurku tēviņu nefroniem, žurku nefronu mātītēm ir zemāka galveno Na plus un ūdens transportētāju aktivitāte nieru kanāliņu proksimālajā daļā (proksimālajā kanāliņā), kā rezultātā ievērojami lielāka Na plus un ūdens daļēja piegāde lejpus nefronam. segmenti sieviešu nierēs. Kopā ar distālajiem nefrona segmentiem mātītenieresuzrāda lielāku galveno Na plus transportētāju daudzumu, salīdzinot ar vīriešiem, kā rezultātā urīna izdalīšanās starp dzimumiem ir līdzīga. Dažas no šīm dzimumu atšķirībām grauzēju nieru darbībā, iespējams, ir saistītas ar cilvēkiem. Ir zināms, ka vīriešiem pirms menopauzes ir augstāks asinsspiediens, salīdzinot ar vecuma sievietēm [42,43]. Ņemot vērā nieru galveno lomu asinsspiediena kontrolē, novērotās dzimumu atšķirības hipertensijas izplatībā daļēji var būt saistītas ar nieru struktūras un funkcijas atšķirībām [44–46]. Galvenās atšķirības starp grauzējiem un cilvēkiemnieresneskatoties uz to, sievietes nieres skaitļošanas modelis, ko iedvesmojis grauzēju mātīšu nieru transportēšanas modelis [47–49], var būt noderīgs, lai analizētu nieru darbību sievietēm ar cukura diabētu un identificētu mehānismus, kas izskaidro novēroto dzimumu. atšķirības diabētiskās nieru slimības gadījumā [50].

4. Materiāli un metodes

Iepriekš mēs izstrādājām uz epitēlija šūnām balstītu modeli izšķīdušo vielu transportēšanai gar cilvēka nefroniemnieres[10,25]. Šajā pētījumā mēs paplašinām šo modeli, lai modelētu diabēta nieri. Modelis attēlo sešas nefronu klases: virspusējo nefronu, kas pagriežas pie ārējās-iekšējās medulārās robežas, un piecus blakus esošos nefronus, kas sasniedz dažādus iekšējās medullas līmeņus. Virspusējie nefroni veido 85 procentus no nefronu populācijas un stiepjas no Bowman kapsulas līdz papilāra galam. Atlikušie 15 procenti nefronu ir blakus nefroni, kuriem ir Henles cilpas, kas iekšējās smadzenēs sasniedz dažādus dziļumus; lielākā daļa garo cilpu pagriežas augšējās iekšējās medullas ietvaros. Katrs modeļa nefrons ir attēlots kā kanāliņos, ko izklāj epitēlija šūnu slānis, ar apikāliem un bazolaterālajiem transportieriem, kas atšķiras atkarībā no šūnu veida. Modelis pieņem, ka savienojošie kanāliņi secīgi saplūst garozā, kā rezultātā cilpas un garozas savākšanas kanāla attiecība ir 10:1 [51]. Modeļu savākšanas vadi šķērso ārējo medulla, un, kad tie sasniedz iekšējo medulla, savākšanas kanāli atkal secīgi saplūst. Modeļa shematiskā diagramma ir parādīta 5. attēlā. Nediabēta nierēs viena nefrona glomerulārās filtrācijas ātrums (SNGFR) ir iestatīts attiecīgi uz 100 un 133 L/min virspusējiem un jukstamedulārajiem nefroniem. Pieņemot, ka katrā kopumā ir 1 miljons nefronunieres, tas dod vienunieresGFR 105 ml/min.

Modelis ietver šādas 15 izšķīdušās vielas: Na plus , K plus , Cl一, HCO3 一, H2CO3, CO2, NH3, NH4 plus , HPO42一, H2PO4 一, H plus , HCO2 一, H2CO2, urīnviela un glikoze. Modelis ir izstrādāts līdzsvara stāvoklim un sastāv no lielas savienotu parasto diferenciālvienādojumu un algebrisko vienādojumu sistēmas [10]. Modeļa risinājums apraksta luminālo šķidruma plūsmu, hidrostatisko spiedienu, luminālā šķidruma izšķīdušo vielu koncentrāciju un, izņemot lejupejošo ekstremitāšu segmentu, citozola izšķīdušo vielu koncentrāciju, membrānas potenciālu un transcelulārās un paracelulārās plūsmas. Modeļa parametri, kas raksturo cilvēku, kam nav diabētanieresvar atrast atsaucē. [10].

4.1. Glikozes transportēšana proksimālajā kanāliņā

Fizioloģiskos apstākļos filtrētā glikozes slodze tiek pilnībā reabsorbēta proksimālajā kanāliņā, izmantojot SGLT apikālajā pusē un glikozes transportēšanas veicinātājus (GLUT) bazolaterālajā pusē. Proksimālā vītņotā kanāliņa izsaka augstas ietilpības, zemas afinitātes transportētāju SGLT2 kopā ar bazolaterālo GLUT2, savukārt S3 segments izsaka zemāku kapacitāti, augstākas afinitātes transportētāju SGLT1 un bazolaterālo GLUT1. SGLT1 ekspresijas līmenis tika izvēlēts tā, lai pēc SGLT2 inhibīcijas nediabēta modelis prognozētu SGLT{10}mediētu ~60 procentu filtrētās glikozes transportu [52]. Glikozes un Na plus plūsmu modelēšana starp SGLT2 un SGLT1 kotransportieriem un glikozes plūsmas pāri GLUT1 un GLUT2 ir aprakstīta mūsu iepriekšējos pētījumos [14, 16, 17, 39].

4.2. Diabēta nieru imitācija

Mēs simulējam divus diabētiskus stāvokļus, no kuriem viens ir paaugstināts no nediabētiskās vērtības 5 mM līdz 8,6 mM (ko mēs dēvējam par "mērenu diabēta gadījumu"), bet otrs, kurā glikozes līmenis plazmā ir 20 mM ( "smags diabēta gadījums"). Diabēts izraisa nieru hipertrofiju, hiperfiltrāciju un transportera ekspresijas izmaiņas. Tādējādi papildus glikozes koncentrācijas palielināšanai plazmā mēs simulējām diabēta stāvokļus, palielinot SNGFR attiecīgi par 27 un 10 procentiem [4] virspusējos un juxtamedulārajos nefronos gan mērenos, gan smagos gadījumos. Lai modelētu cauruļveida hipertrofiju, mēs palielinājām cauruļveida diametru un proksimālo kanāliņu garumu par 10 procentiem mērenā gadījumā un par 28 procentiem smagā gadījumā; un mēs palielinājām distālo segmentu diametru un garumu par attiecīgi 18 un 7 procentiem vidēji smagā gadījumā un attiecīgi par 42 un 7 procentiem smagā gadījumā [17,53]. Turklāt SGLT2 aktivitāte tiek paaugstināta par plus 38 procentiem, GLUT2 par plus 50 procentiem un NKCC par plus 10 procentiem. SGLT1 aktivitāte tiek samazināta par 一33 procentiem. Na/K-ATPāzes aktivitāte ir palielināta par plus 10 procentiem kopā ar visiem nefrona segmentiem, izņemot biezo augšupejošo ekstremitāšu un iekšējo medulāro savākšanas kanālu. Kopā ar biezajām augšupejošajām ekstremitātēm Na / K-ATPāzes aktivitāte tiek palielināta par plus 20 procentiem. Iekšējā medulārā savākšanas kanālā Na/K-ATPāzes aktivitāte tiek palielināta par plus 50 procentiem kopā ar sākotnējiem 2/3 un plus 150 procentiem kopā ar atlikušo segmentu vidēji smaga cukura diabēta gadījumā un par plus 150 procentiem. viss segments smaga diabēta gadījumā. Transcelulārā ūdens caurlaidība tiek uzlabota kopā ar garozas un iekšējo-medulāro savākšanas kanālu segmentiem attiecīgi par 55 un 40 procentiem [17].

Autora ieguldījums:Konceptualizācija, AL; metodoloģija, AL; programmatūra, RH; validācija, AL un RH; formālā analīze, AL un RH; izmeklēšana, AL un RH; resursi, AL; datu pārvaldīšana, AL; rakstīšana — oriģinālā projekta sagatavošana, AL; rakstīšana — pārskatīšana un rediģēšana, AL un RH; vizualizācija, RH; uzraudzība, AL; projektu administrācija, AL; finansējuma iegūšana, AL Visi autori ir izlasījuši un piekrituši publicētajai manuskripta versijai.

Finansējums:Šo pētījumu atbalstīja Kanādas 150 pētniecības katedras programma un Kanādas Dabaszinātņu un inženierzinātņu pētniecības padome, piešķirot AL atklājumu balvu (RGPIN-2019-03916).

Institucionālās pārbaudes padomes paziņojums:Nav piemērojams.

Informētas piekrišanas paziņojums:Nav piemērojams.

Paziņojums par datu pieejamību:Datora kods tiks darīts publiski pieejams pēc šī manuskripta pieņemšanas.

Interešu konflikti:Autori nepaziņo par interešu konfliktu. Finansētājiem nebija nekādas nozīmes pētījuma izstrādē; datu vākšanā, analīzē vai interpretācijā; rokraksta rakstīšanā vai lēmumā par rezultātu publicēšanu.

Atsauces

1. Saeedi, P.; Pētersons, I.; Salpea, P.; Malanda, B.; Karuranga, S.; Unwin, N.; Kolagiuri, S.; Gvarigvata, L.; Motala, AA; Ogurcova, K.; un citi. Globālās un reģionālās diabēta izplatības aplēses 2019. gadam un prognozes 2030. un 2045. gadam: Starptautiskās Diabēta federācijas Diabēta atlanta rezultāti. Diabetes Res. Clin. Prakse. 2019, 157, 107843.

2. Foley, RN; Collins, AJ Beigu stadijas nieru slimība Amerikas Savienotajās Valstīs: atjauninājums no Amerikas Savienoto Valstu nieru datu sistēmas. J. Am. Soc. Nefrols. 2007, 18, 2644–2648.

3. Koye, DN; Magliano, dīdžejs; Nelsons, RG; Pavkovs, ME Diabēta un nieru slimību globālā epidemioloģija. Adv. Hroniska nieru dis. 2018, 25, 121–132.

4. Mogensen, C. Glomerulārās filtrācijas ātrums un nieru plazmas plūsma īstermiņa un ilgtermiņa juvenīlā cukura diabēta gadījumā. Scand. Dž.Klins. Lab. Izpētīt. 1971, 28, 91–100.

5. Ītona, DC; Pūlers, Dž.; Vander, AJ Vander's Renal Physiology, 7. izdevums; McGraw-Hill Medical: Ņujorka, NY, ASV, 2009.

6. Hoenigs, deputāts; Zeidels, ML Homeostāze, vide Interieur un nefrona gudrība. Clin. J. Am. Soc. Nefrols. 2014, 9, 1272–1281.

7. Dantzler, WH; Pannabecker, TL; Leitona, AT; Leitons, HE Urīna koncentrēšanas mehānisms zīdītāju nieres iekšējā medulā: trīsdimensiju arhitektūras loma. Acta Physiol. 2011, 202, 361–378. [CrossRef]

8. Palmers, LG; Šnermans, J. Integrēta Na transporta kontrole pa nefronu. Clin. J. Am. Soc. Nefrols. 2015, 10, 676–687.

9. Leitons, AT Ar atgriezenisko saiti saistīta dinamika atbilstošas ​​biezas augšupejošas ekstremitātes modelī. Matemātika. Biosci. 2010, 228, 185–194.

10. Leitona, AT; Leitons, HE Epitēlija šķīdinātāju un ūdens transportēšanas skaitļošanas modelis gar cilvēka nefronu. PLoS Comput. Biol. 2018, 15, e1006108.

11. Vainšteins, AM Matemātiskais žurku nieru modelis: K plus izraisīta nātrijurēze. Am. J. Physiol. Nieru fiziol. 2017, 312, F925–F950.

12. Leitona, AT; Edvards, A.; Vallon, V. Nieru kālija apstrāde žurkām ar starpsummas nefrektomiju: modelēšana un analīze. Am.J. Fiziol. Nieru fiziol. 2017, 314, F643–F657.

13. Edvards, A.; Kastrops, H.; Laghmani, K.; Vallons, V.; Layton, AT NKCC2 izoformu regulēšanas ietekme uz NaCl transportu biezā augošā ekstremitātē un makulas densā: modelēšanas pētījums. Am. J. Physiol. Nieru fiziol. 2014, 307, F137–F146.

14. Leitona, AT; Laghmani, K.; Vallons, V.; Edwards, A. Šķīduma transportēšana un skābekļa patēriņš gar nefroniem: Na plus transporta inhibitoru ietekme. Am. J. Physiol. Nieru fiziol. 2016, 311, F1217–F1229.

15. Leitona, AT; Vallon, V. SGLT2 inhibīcija nierēs ar samazinātu nefronu skaitu: izšķīdušo vielu transportēšanas un metabolisma modelēšana un analīze. Am. J. Physiol. Nieru fiziol. 2018, 314, F969–F984.

16. Leitona, AT; Vallons, V.; Edwards, A. Skābekļa patēriņa modelēšana proksimālajā kanāliņā: NHE un SGLT2 inhibīcijas ietekme. Am. J. Physiol. Nieru fiziol. 2015, 308, F1343–F1357.

17. Leitona, AT; Vallons, V.; Edvards, A. Paredzamās diabēta un SGLT inhibīcijas sekas uz transportu un skābekļa patēriņu gar žurku nefronu. Am. J. Physiol. Nieru fiziol. 2016, 310, F1269–F1283.

18. Leitona, AT; Vallons, V.; Edwards, A. Adaptīvās izmaiņas GFR, cauruļveida morfoloģija un transports starpsummas nefrektomizētās nierēs: modelēšana un analīze. Am. J. Physiol. Nieru fiziol. 2017, 313, F199–F209.

19. Sgurālis, I.; Evans, RG; Gardiner, BS; Smits, JA; Fry, BC; Leitons, AT Nieru hemodinamika, funkcija un oksigenācija sirds operācijas laikā, kas veikta ar kardiopulmonālo apvedceļu: modelēšanas pētījums. Fiziol. Rep. 2015, 3, e12260.

20. Leitons, AT Saldi panākumi? SGLT2 inhibitori un diabēts. Am. J. Physiol. Nieru fiziol. 2018, 314, F1034–F1035.

21. Nīls, B.; Perkovičs, V.; Mahaffey, KW; de Zēvs, D.; Fulčers, G.; Erondu, N.; Šovs, V.; Law, G.; Dezajs, M.; Matthews, DR Kanagliflozīns un sirds un asinsvadu un nieru darbības traucējumi 2. tipa diabēta gadījumā. N. Engl. J. Med. 2017, 377., 644.–657.