Ex Vivo Modelling of Prenatally Induced Oligonephronia

Abstract

Eine angeborene niedrige Anzahl von Nephronen wird als wichtiger Risikofaktor für arterieller Hypertonie und Nierenversagen beim Menschen angesehen. Obwohl bislang einige spezifische Ursachen für Oligonephronie identifiziert wurden, ist die große Variation der menschlichen Nephronanzahl weitgehend unerklärt. In dieser Dissertationsarbeit wurde ein murines ex vivo Organkultursystem verwendet, um den Einfluss von drei in der Schwangerschaft häufig auftretende Krankheiten zu modellieren, die sich in utero auf reifende Metanephroi auswirken. Als erste diente die Exposition explantierter Metanephroi gegenüber erhöhten Glukosekonzentrationen als Modell für mütterlichen Diabetes. Zweitens wurde die Exposition gegenüber erhöhten Temperaturen dient als Modell für erhöhte Körpertemperatur wie sie bei Fieber oder Hyperthermie auftritt umgesetzt. Zuletzt wurden Explantate einer Umgebung mit verringerter Eisenverfügbarkeit ausgesetzt, wie sie bei mehreren mütterlichen Krankheiten, einschließlich mütterlichem Eisenmangel oder Diabetes als Krankheitsfolge angenommen wird. Es wurde eine überraschende Resistenz der Nephronenentwicklung gegenüber einer hohen Glukosebelastung festgestellt, die im Widerspruch zu früheren Berichten stand. Dieses Ergebnis deutete darauf hin, dass ein hohes Glukosemilieu allein nicht ausreichen muss, um eine Oligonephrie zu induzieren. Im Zusammenhang mit mütterlichem Fieber oder Hyperthermie beinhaltet diese Arbeit erste Quantifizierung der Nephronbildung unter dem Einfluss erhöhter Temperaturen. Da jedoch selbst die längere Exposition gegenüber 40 °C das metanephrische Wachstum nur geringfügig beeinflusste und keine Oligonephronie hervorrief, deuten die Ergebnisse nicht auf eine deutliche Temperaturempfindlichkeit der Nephronbildung hin. Eine Verringerung der Eisenverfügbarkeit hingegen führte in der Organkultur zu einem deutlich reduzierten Wachstum der Explantate, und zu einer Verminderung der Anzahl der gebildeten Nephrone. Zusätzlich führte es auch zu einer Form der Nephronmissbildung, bei der das Wachstum der frühen Tubuli stärker beeinträchtigt wurde als das der frühen Glomeruli. Eine geringe Eisenverfügbarkeit induzierte darüber hinaus die Apoptose von Epithelzellen der Ureterknospe, eine reduzierte Verzweigung derselben und ein Defizit an Nephroninduktion in der Nähe der Knospenspitzen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine reduzierte metanephrische Eisenaufnahme nicht nur als quantitativer, und qualitativer Disruptor der Nephrogenese angesehen werden sollte. Es ist zu hoffen, dass zukünftig ein besseres Verständnis von renaler Fehlentwicklung die Entwicklung verbesserter präventativen Strategien gegen eine geringe Nephronausstattung ermöglicht.

Low nephron numbers at birth are thought to contribute to the development of arterial hypertension and kidney dysfunction, two health challenges of utmost importance to global health. While some specific causes of oligonephronia have been identified, the wide variation of nephron number in humans still largely remains unexplained. This thesis utilized an ex vivo organ culture system to model the effect of tree common conditions affecting pregnant women using murine metanephroi. The putatively central aspects of these conditions were translated to the ex vivo setting. The experimental conditions thus included the exposure of metanephroi to high glucose as a model of maternal diabetes, the exposure to high incubation temperatures as a model of maternal elevated body temperature and the exposure to an iron restricted environment as a model of reduced iron availability to the fetus. A surprising resistance of the explant development towards high glucose exposure was revealed, which contradicted previous reports. This finding indicated that a high glucose environment alone may not by itself be a sufficient condition to induce a nephron deficit. Secondly, this thesis includes the first quantification of nephron formation at elevated temperatures, relating to maternal fever or hyperthermia. However, as even the prolonged exposure to 40 °C only mildly affected metanephric growth and did not induce oligonephronia, the results are not suggestive of a notable sensitivity of the nephron formation towards increased maternal body temperatures. Finally, the reduction of iron availability to the metanephric tissue, as it is thought to occur in several maternal conditions including maternal iron deficiency or diabetes, resulted in significantly reduced growth of the explants and the formation of fewer nephrons. A specific pattern of nephron malformation was detected, which appeared to abrogate the growth of early tubules more strongly than that of the glomerular progenitor cells. Low iron availability was also shown to induce apoptosis of the ureteric bud, which exhibited reduced branching, and a deficit of nephron induction in the vicinity of the bud. These results suggest that reduced metanephric iron uptake should be considered not only as a quantitative, but also as a qualitative disruptor of metanephric environment. Hopefully, a better understanding of renal maldevelopment due to maternal disease may translate to improved preventative strategies against low nephron endowment in the future.