Das renale Carnosin-Carnosinase-System in der Entwicklung der diabetischen Nephropathie
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Background and aim: The susceptibility of developing diabetic nephropathy (DN) in patients with type 2 diabetes depends on a genetic predisposition. In this context the carnosine-carnosinase-system is of particular importance. This is due to a polymorphism in the CNDP1 gene (5L, Mannheim allele), encoding the serum carnosinase protein (CN-1), that seems to be protective against DN as it is associated with low CN-1 levels, the enzyme that degrades the nephroprotective carnosine (CAR). Less is known about the human tissue distribution of CN-1 and CN-2 and the changes in this intrinsic system of the kidney in diabetic patients so far. Methods: Therefore, tissue-specific expression of CN-1 and CN-2 in human adult and fetal tissue samples was analyzed via immunohistochemical staining. Furthermore we considered renal distribution and mRNA-levels of CN-1 and CN-2, CN-1 enzyme activity and carnosine levels in kidneys of type 2 diabetic patients (DM2) without clinically overt DN and with histologically proven DN and different stages of proteinuria compared to healthy controls. For this purpose, immunohistochemical stainings were assessed by quantitative morphometry, immunofluorescence double stainings were prepared, RNA analysis was performed by real-time PCR (Taqman) and biochemical analysis methods (HPLC) were used. Results and observations: Under physiological conditions CN-1 and CN-2 were found in particular cells of human tissues (esp. surface epithelium) and already at an early stage in the development of the kidney. There was found a specific distribution of CN-1 and CN-2 in distinct compartments in the nephron of human healthy kidney samples as already indicated in fetal kidneys. Whereas CN-1 can be detected sporadically in proximal tubules of the medulla and at the corticomedullary junction and in small amounts in distal tubules and podocytes, CN-2 is solely located in distal tubules and podocytes. In early stages of DM without clinically or morphologically overt renal damage, a reallocation and increase of both enzymes in proximal tubules can be observed, which is not due to an increased local renal gene expression. Despite an augmentation in CN-1 activity, no decrease of the intrarenal carnosine levels was recorded in this group. In diabetic patients with DN CN-1 and CN-2 protein levels were increased in podocytes and are significantly enhanced in proximal tubules, which is associated with higher degrees of proteinuria. Conclusions: Advanced stages of DN and proteinuria in type 2 diabetic patients lead to an increase of renal CN-1 and CN-2 levels in proximal tubules and glomerular podocytes. This increase appears to be the result of renal protein accumulation due to higher reabsorption of proteins from the primary urine rather than higher local gene expression. It needs to be investigated whether and how these changes affect intrarenal carnosine levels at advanced stages of DN and thereby provide diabetes induced renal cell damage.
Abstract
Hintergrund und Ziele: Die Wahrscheinlichkeit eine diabetische Nephropathie (DN) zu entwickeln hängt, insbesondere bei Typ 2 Diabetikern, von einer genetischen Prädisposition ab. Dem Carnosin-Carnosinase-System wird hierbei eine besondere Bedeutung zugeschrieben. Ein Polymorphismus im CNDP1 Gen (5L, Mannheim Allel), welches für die Carnosinase-1 (CN-1) kodiert, scheint der Entwicklung einer DN entgegenzuwirken, indem es durch geringe Sekretion von CN-1 dafür sorgt, dass weniger protektives Carnosin (CAR) abgebaut wird. Bisher ist noch nicht viel über die Verteilung von CN-1 und CN-2 in der Niere im Vergleich zu anderen humanen Geweben und die Veränderungen dieses Enzymsystems in Nieren von Diabetikern bekannt. Methoden: Um dies zu ergründen, wurde die gewebespezifische Expression von CN-1 und CN-2 in humanen, adulten und fetalen Geweben mittels immunhistochemischer Färbungen untersucht. Des weiteren wurde die intrarenale Lokalisation und Verteilung sowie die mRNA-Konzentration von CN-1 und CN-2, die CN-1 Aktivität und Carnosin-Spiegel bei Patienten mit Diabetes Typ 2 (DM2) ohne und mit DN und verschiedenen Stadien der Proteinurie im Vergleich zu einer gesunden Kontrollgruppe analysiert. Hierzu wurden immunhistochemische Färbeergebnisse densitometrisch ausgewertet, Mehrfach-Immunfluoreszenzfärbungen angefertigt, RNA-Analyse mittels real-time PCR (Taqman) durchgeführt und biochemische Analyse-Methoden (HPLC) benutzt. Ergebnisse und Beobachtungen: Zusammenfassend zeigen unsere Daten, dass CN-1 und CN-2 unter physiologischen Bedingungen in speziellen Zellen verschiedener Organe/Gewebe (insb. Oberflächenepithelien) und bereits zu einem frühen Zeitpunkt der Entwicklung in spezifischer Weise in der Niere zu detektieren sind. In der gesunden adulten Niere sind die Carnosin-abbauenden Enzyme, wie bereits embryonal, in unterschiedlichen Abschnitten des Nephrons zu finden. Während CN-1 sporadisch in einzelnen proximalen Tubuli der Markstränge und an der kortikomedullären Grenze und in geringer Menge auch in distalen Tubuli und Podozyten zu detektieren ist, lässt sich CN-2 ausschließlich in distalen Tubuli und in Podozyten nachweisen. Bereits in frühen Stadien des DM ohne klinisch oder morphologisch erkennbare Nierenschädigung lässt sich vereinzelt eine Reallokation und Zunahme beider Enzyme in proximalen Tubuli beobachten, welche nicht auf eine gesteigerte lokale, renale Genexpression zurückzuführen ist. Trotz dieser Zunahme und einer zusätzlich zu beobachtenden Erhöhung der CN-1 Aktivität war in diesem Kollektiv keine Abnahme der intrarenalen Carnosin-Spiegel zu verzeichnen. Diabetiker mit verschiedenen Stadien der DN zeigen hingegen eine CN-1- und CN-2-Anreicherung in Podozyten und eine signifikante quantitative Zunahme von CN-1 und CN-2 in proximalen Tubuli, welche mit dem Schweregrad der Proteinurie zusammenhängt. Schlussfolgerungen und Diskussion: Eine DN bei Patienten mit DM2 führt zu einem Anstieg der intrarenalen CN-1 und CN-2 Konzentration in proximalen Tubulusepithelien und glomerulären Podozyten. Die Zunahme dieser Proteine scheint hierbei eher das Resultat einer intrarenalen Anreicherung in Folge einer vermehrten Rückresorption von Proteinen aus dem Primärharn als das Produkt einer gesteigerten lokalen Genexpression zu sein. Es muss noch geklärt werden, ob und wie diese Veränderungen intrarenale Carnosin-Spiegel bei Patienten mit fortgeschrittener DN beeinflussen und möglicherweise zur Diabetes-induzierten Nierenschädigung beitragen.