Výpočtový model funkce ledvin u pacienta s diabetem

Rui Hu ¹a Anita Laytonová^1,2,*

Abstraktní:Na počátku diabetu,ledvinaroste a rychlost glomerulární filtrace se stává abnormálně vysokou. Tyto strukturální a hemodynamické změny ovlivňují funkci ledvin a mohou přispět k rozvoji chronického onemocnění ledvin. Cílem této studie je analyzovat jakledvinafunkce je změněna u pacientů s diabetem a renálními účinky antihyperglykemické terapie, která inhibuje sodno-glukózový kotransportér 2 (SGLT2) v proximálních stočených tubulech.

K dosažení tohoto cíle jsme vyvinuli výpočetní modelledvinafunkce u pacienta s diabetem a provedli simulace ke studiu účinků diabetu a inhibice SGLT2 na transport rozpuštěné látky a vody podél nefronů. Výsledky simulace ukazují, že diabetem indukovaná hyperfiltrace a tubulární hypertrofie zvyšují transport Na plus, zejména podél proximálních tubulů a tlustých vzestupných končetin. Tyto simulace naznačují, že inhibice SGLT2 může zeslabit glomerulární hyperfiltraci omezením transportu Na plus-glukózy, zvýšením luminální [Cl一] v macula densa, obnovením tubuloglomerulárního zpětnovazebního signálu, čímž se sníží rychlost glomerulární filtrace jednoho nefronu.

klíčová slova:inhibitory SGLT2; epiteliální transport; transport sodíku; transport glukózy; natriuréza; diuréza

Kontakt:ali.ma@wecistanche.com

Klikněte na Cistanche vitamin pro onemocnění ledvin

1. Úvod

Prevalence diabetu celosvětově stoupá, v současnosti se odhaduje na 9,3 procenta (463 milionů lidí) a očekává se, že do roku 2030 dosáhne 10,2 procenta (578 milionů) a do roku 2045 na 10,9 procenta (700 milionů) [1]. Ve vyspělých zemích patří diabetes 2. typu mezi nejčastější příčiny chronického onemocněníledvinaonemocnění [2] a hlavní přispěvatel ke kardiovaskulárním onemocněním [3]. I když cesty, které spojují diabetes s chronickým onemocněním ledvin, zůstávají neúplně pochopeny, je známo, že diabetes vyvolává patofyziologické změny v ledvinách. Na samém počátku diabetu,ledvina roste a rychlost glomerulární filtrace (GFR) se stává supranormální [4]. Tyto strukturální a hemodynamické změny ovlivňují funkci ledvin a mohou nakonec vést k chronickému onemocnění ledvin.

V celé zvířecí říšiledvinyjsou známé především pro svou funkci filtrů, které odstraňují metabolické odpady a toxiny z krve a vylučují je močí. Ale u savců se ledviny specializují na různé další základní regulační funkce, včetně vody, elektrolytů a acidobazické rovnováhy [5]. U lidí, dvojiceledvinyse nacházejí v dutině břišní, po jedné na každé straně páteře. Ledvinu savců lze rozdělit na vnější oblast (kortex) a vnitřní oblast (dřeň). Každá z lidských ledvin obsahuje asi milion glomerulů, což jsou shluky kapilár, z nichž každá přijímá krev z jednotlivých aferentních arteriol odbočujících z intrarenálních tepen. V důsledku vaskulárního hydrostatického tlaku je část vody a rozpuštěných látek v této krvi filtrována přes glomerulus a stává se tubulární tekutinou nefronu. Nefrony upravují obsah glomerulárního filtrátu prostřednictvím absorpčních a sekrečních procesů, zprostředkovaných membránovými transportéry a kanály na renálních tubulárních epiteliálních buňkách. Tím pádem,

to, co začíná v glomerulu jako ultrafiltr plazmy, se na konci nefronů přeměňuje v moč [5]. Regulace procesů epiteliálního transportu, které odpovídají výdeji moči jak příjmu tekutin a rozpuštěných látek, tak i produkci odpadních produktů, je předmětem velkého množství experimentálních a teoretických snah [6–9]. Byly vyvinuty výpočetní modely k odhalení procesů transportu solutů v ledvinách a vody u lidí [10] a potkanů, při dietních [11–13] a terapeutických [14–16] manipulacích a za patofyziologických podmínek [17–19].

Jak již bylo zmíněno, diabetes je hlavním rizikovým faktoremledvinachoroba. To je jeden z mnoha důvodů, proč pacienti s diabetem dosahují kontroly glykémie. Novou třídou antihyperglykemických léků jsou inhibitory sodno-glukózového kotransportéru 2 (SGLT2), které zvyšují vylučování glukózy močí a zmírňují postprandiální zvýšení glukózy v krvi zacílením její reabsorpce podél časného proximálního tubulu [20]. Jako kotransportér zprostředkovává SGLT2 transport glukózy v procesu, který je spojen s transportem Na plus; inhibice SGLT2 tedy také snižuje proximální tubulární Na plus a reabsorpci tekutin a indukuje natriurézu a diurézu. Kromě jejich antihyperglykemického účinku bylo skutečně popsáno, že inhibitory SGLT2 snižují krevní tlak a chrání diabetiky před srdečním selháním [21,22]. Renální, metabolické a kardiovaskulární dopady inhibice SGLT2 byly přezkoumány v Refs. [23,24].

K prozkoumání jsme již dříve provedli modelové simulaceledvinafunkce u diabetu a renální účinky inhibice SGLT2 [15–17]. Výpočtový model použitý v těchto studiích byl však založen na ledvině potkana. Jako takové, i když jsou některé modelové předpovědi v souladu s pozorováními u pacientů s diabetem, translační hodnota těchto zjištění může být stále omezená. Cílem této studie je tedy analyzovat funkci ledvin u (lidských) pacientů s diabetem a účinky inhibice SGLT2 pomocí výpočtového modelu lidské ledviny, který jsme nedávno publikovali [10,25].

2. Výsledky

2.1. Funkce ledvin za nediabetických a diabetických podmínek

Porovnáváme transport solutu a vody podél nefronů u nediabetika a diabetikaledvina. Klíčové výsledky jsou shrnuty na obrázcích 1 a 2. V těchto simulacích napodobujeme renální účinky diabetu, jak je popsáno v části Materiály a metody. Diabetes zejména vyvolává glomerulární hyperfiltraci a tubulární hypertrofii. Zvýšená GFR se odráží na filtrovaných solutových zátěžích, zatímco tubulární hypertrofie se odráží ve zvýšeném transportu; viz. níže.

Za nediabetických podmínek je v podstatě veškerá filtrovaná glukóza reabsorbována podél proximálních tubulů, přičemž proximální stočený tubul a segment S3 reabsorbují 97 procent a 2,6 procenta filtrované glukózy. Viz obrázek 1C. Při středně těžkých simulacích diabetu se předpokládá zvýšení koncentrace glukózy v plazmě z 5 na 8,6 mm, což spolu se zvýšenou GFR poskytuje filtrovanou zátěž 1,52 mol/den/1 glukózy. Navzdory tomu, že filtrovaná glukóza je přibližně zdvojnásobena, transport glukózy proximálním tubulem musí být ještě překonán, přičemž proximální stočený tubul a segment S3 reabsorbují 99,6 procenta a 0,4 procenta filtrované glukózy, takže v podstatě žádná glukóza v moči, což je v souladu s pozorovanou nepřítomností u glukosurie u pacientů se středně těžkým diabetem [26]. Při simulacích těžkého diabetu je hladina glukózy v plazmě dále zvýšena na 20 mM, což má za následek filtrovanou glukózou 3,75 mol/den 一1 glukózy, která překračuje schopnost transportu glukózy proximálního tubulu. Předpovídá se, že frakční reabsorpce glukózy proximálním stočeným tubulem a segmentem S3 bude 73,7 procenta a 9,1 procenta. Downstream segmenty nemají významné transportní kapacity glukózy. Diabetický model jako takový předpovídá absolutní a frakční vylučování glukózy jako 0,6 mol/den一1 a 16 procent, v daném pořadí.

Ve vztahu k nediabetikůmledvinamodel středně těžkého diabetu předpokládá 10% zvýšení GFR a tedy filtrovaného Na plus, což vede k odpovídajícímu 10% zvýšení celkového

Na plus doprava. Nárůst reabsorpce Na plus je největší v tubulárních segmentech, kde diabetes indukuje významné zvýšení exprese Na plus transportérů. Konkrétně se transport Na plus zvyšuje o 11,8 procent podél proximálních stočených tubulů, kde změny točivého momentu vyvolané hyperfiltrací zvyšují hustotu všech transcelulárních transportérů. Diabetes také zvyšuje hustotu NKCC2 v dřeňových tlustých ascendentních končetinách [17], což vede k 35% zvýšení reabsorpce Na plus. Zvýšený transport Na plus v podstatě kompenzuje zvýšené zatížení filtrovaným Na plus u diabetu, aby se dosáhlo vylučování Na plus podobně jako u nediabetiků.ledvina(Obrázek 2, panely A1–A3). Zvýšená reabsorpce Na plus je následována zvýšením reabsorpce Cl- a vody (obrázek 2, panely C3 a D3). Ve srovnání s nediabetickým případem se předpokládá, že vylučování Cl- močí bude u diabetu o 25 procent vyšší, zatímco výdej moči je o 35 procent vyšší (obrázek 2, panely C2 a D2). Podobně jako u Na plus, vyšší filtrovaná zátěž K plus zvyšuje jeho tubulární reabsorpci podél proximálních tubulů a tlustých vzestupných končetin (obrázek 2(B3)). Tyto konkurenční faktory vedou ke kaliuréze, přičemž se předpokládá, že vylučování K plus bude u diabetu o 48 procent vyšší (obrázek 2(B2)).

V modelu těžkého diabetu se GFR a filtrovaný Na plus oba zvýšily o 24 procent, což má za následek zvýšený transport Na plus, zejména o 22,5 procenta podél proximálních tubulů a 47,4 procenta spolu s tlustými vzestupnými končetinami. Stejně jako v případě středně těžkého diabetu zvýšený transport Na plus v podstatě kompenzuje zvýšenou zátěž filtrovaného Na plus u diabetu, aby se dosáhlo vylučování Na plus podobně jako u nediabetiků.ledvina(Obrázek 2, panely A1–A3). Modelové predikce transportu Cl- jsou analogické s předpovědí pro případ středně těžkého diabetu (obrázek 2(C2)). Ve srovnání s nediabetickým případem se předpokládá, že vylučování Cl- močí bude u diabetu o 48,8 procent vyšší. Model předpovídá závažnější diurézu, s předpovědí, že výdej moči bude o 115 procent vyšší než u nediabetického případu (obrázek 2(D2)), a závažnější kaliurézu s vylučováním K plus předpovídá o 63,4 procenta vyšší (obrázek 2( B2)).

2.2. Inhibice SGLT2 v nediabetické ledvině

V nediabetickém prostředí bylo zjištěno, že blokáda SGLT2 indukuje mírné snížení GFR: o 3 procenta u nediabetických subjektů užívajících kanagliflozin nebo dapagliflozin po dobu 4 dnů [17]. Předpokládáme tedy, že při simulaci akutní inhibice dojde ke 3procentnímu snížení SNGFR všech nefronů. V nediabetickém prostředí bylo také popsáno, že blokáda SGLT2 vede k vylučování glukózy močí, které představuje ~45 procent jejího filtrovaného množství [27]. V této studii předpokládáme 90procentní inhibici SGLT2 ve všech nefronech, což má za následek vylučování 40 procent přefiltrované glukózy [27]. Model předpovídá, že malá část (14,5 procenta) filtrované glukózové zátěže je reabsorbována spolu se segmenty proximálního stočeného tubulu, zprostředkovaná zbývajícím SGLT2 a také paracelulární cestou, a 39,7 procenta v segmentu S3, z nichž většina napříč SGLT1. Viz obrázek 3.

Na obrázcích 3 a 4 jsou výsledky nediabetických a diabetických případů bez blokády SGLT2 (označené "ND" a "D") stejné jako ty na obrázcích 1 a 2, ale prezentované odlišně. Místo skutečných hodnot normalizujeme filtrační a segmentální přenosové rychlosti jejich příslušnými hodnotami ND. Pro rychlosti vylučování normalizujeme hodnoty D, protože za nediabetických podmínek je vylučování glukózy v podstatě nulové. Výpočtem těchto poměrů můžeme lépe porozumět tomu, jak moc se každá veličina změní u diabetu po inhibici SGLT2. Vzájemné srovnání (např. mezi filtrací a exkrecí) však nemá smysl kvůli jejich rozdílným referenčním hodnotám.

Zvažte znovu výsledky nediabetické inhibice SGLT2. Jak jsme již dříve popsali [16,17], inhibice SGLT2 vyvolává osmotickou diurézu v proximálním tubulu, čímž snižuje pasivní transport paracelulární cestou v tomto segmentu. Vysoký luminální tok naopak stimuluje aktivní transport (prostřednictvím točivého momentu indukovaného zvýšení exprese transcelulárního transportéru [18]), ale snížení pasivního transportu je větší, takže síť

Reabsorpce Na plus klesá v proximálním tubulu o 10,3 procenta. Výsledky simulace naznačují, že snížení transportu Na plus v proximálních tubulech je pak částečně kompenzováno směrem dolů, zejména za dřeňovými tlustými vzestupnými končetinami (obrázek 4(A3)). Zvýšená reabsorpce Na plus podél spojovacích tubulů je doprovázena zvýšenou sekrecí K plus (obrázek 4(B3)). V důsledku toho inhibice SGLT2 u diabetikaledvinaindukuje diurézu, natriurézu a kaliurézu, přičemž výdej moči se zvyšuje o 207 procent, vylučování Na plus o 308 procent a vylučování K plus o 184 procent (obrázek 4, panely A2–D2).

2.3. Inhibice SGLT2 v diabetické ledvině

Inhibice SGLT2 zmírňuje hyperfiltraci sníženou diabetem [28]. Když tedy simulujeme účinky blokády SGLT2, snížíme GFR na nediabetickou úroveň 151,2 l/den一1. Uvažujeme o akutním podání, takže koncentrace glukózy v plazmě je udržována na 8,6 a 20 mM u středně těžkého a těžkého diabetu. Nejprve zvažte transport glukózy v případě středně těžkého diabetu. S výše uvedeným předpokladem GFR snižuje inhibice SGLT2 filtrovanou zátěž glukózy z 1,52 na 1,3 mol/den一1. Předpokládá se, že vylučování glukózy bude 0,69 mol．den一1, tedy 53,1 procenta filtrované glukózy. Predikovaná exkrece glukózy je v rozmezí uváděných hodnot [29]. Proximální stočený tubulus a segmenty S3 reabsorbují 0,23 a 0,38 mol glukózy．den一1, v tomto pořadí. Pro srovnání, v nepřítomnosti inhibice SGLT2 proximální stočený tubul a S3 reabsorbují 1,51 a 0,01 mol glukózy/den一1. Viz obrázek 3.

V případě těžkého diabetu se předpokládá, že exkrece glukózy bude 2.{8}}2 mol．den一1 (obrázek 3B), což odpovídá 66,8 procentům filtrované glukózy, v rozsahu uváděných hodnot [29]. Proximální stočený tubulus a segmenty S3 reabsorbují {{10}}},5 a 0,5 mol glukózy．den一1, v tomto pořadí, ve srovnání s příslušnou rychlostí 2,8 a 0,34 mol glukózy．den一1 bez inhibice SGLT2 ( Obrázek 3C) Je pozoruhodné, že zatímco dochází k sekreci glukózy přes těsné spojení v nepřítomnosti léčby, paracelulární dráha zprostředkovává reabsorpci glukózy, když je SGLT2 inhibován (kvůli vyšší koncentraci glukózy v luminu). Celkově tyto výsledky naznačují, že při 90procentní inhibici SGLT2 SGLT1 stěží kompenzuje blokádu SGLT2 u diabetu, protože hyperglykémie a zvýšená tubulární glukózová zátěž již spotřebovávají plnou transportní kapacitu SGLT1 v nepřítomnosti inhibice SGLT2.

Předpokládá se, že inhibice SGLT2 významně sníží transport Na plus, především proto, že normalizuje GFR a filtrovanou zátěž Na plus. Naše simulace naznačují, že stejně jako v případě nediabetika blokování SGLT2 způsobuje osmotickou diurézu v proximálním tubulu, čímž se snižuje paracelulární transport. Ve skutečnosti model předpovídá, že směr paracelulárního transportu Na plus je v S3 obrácený: v důsledku osmotické diurézy koncentrační gradient luminální-intersticiální Na plus podporuje sekreci Na plus do lumen přes těsná spojení. V důsledku toho se u středně těžkého diabetu vylučování Na plus zvyšuje 2,2krát a výdej moči 1,7krát; v případě těžkého diabetu se vylučování Na plus zvyšuje 4,9krát a výdej moči 1,9krát (obrázek 4, panely A2 a C2). Vyšší průtok Na plus podél distálních tubulárních segmentů zvyšuje sekreci K plus, čímž se zvyšuje vylučování K plus 1,02krát a 1,9krát u středně těžkého a těžkého diabetu (obrázek 4, panely B2). Předpokládané zvýšení, zejména produkce moči, je vyšší než uváděné hodnoty [30]. Nadměrný výdej moči může vést k depleci objemu, což následně aktivuje mechanismy pro snížení produkce moči. Tyto mechanismy nejsou v modelu zastoupeny, což může vysvětlit předpovědi vysokého výdeje moči a vylučování.

3. Diskuse

Hlavním cílem této studie je rozšířit výpočtový model člověkaledvinaa použít tento model ke studiu účinků diabetu a inhibice SGLT2 na transport rozpuštěné látky a vody podél nefronů. Diabetes vyvolává glomerulární hyperfiltraci a tubulární hypertrofii [31]. V důsledku toho diabetes zvyšuje reabsorpci Na plus a glukózy prostřednictvím sodno-glukózového kotransportéru SGLT2 v časném proximálním tubulu kůry ledvin a v menší míře prostřednictvím SGLT1 v segmentu S3 dřeně ledvin.

Zvýšené zatížení transportem rozpuštěné látky a vody vede ke zvýšení transportu Na plus (TNa). Předchozí modelovací studie krysyledvina[17] předpovídali 50procentní nárůst celkového TNa s neúměrným zvýšením aktivního TNa (64 procent). Aktivní TNa je zprostředkován Na plus /K plus -ATPázou a vyžaduje spotřebu kyslíku. Diabetes zvyšuje metabolismus mastných kyselin, což má za následek snížení metabolické účinnosti [32], včetně zvýšení množství kyslíku potřebného k transportu daného množství Na plus. V důsledku toho se předpovídalo, že spotřeba kyslíku na podporu aktivního TNa se téměř zdvojnásobí (88procentní nárůst [17]).

Současný člověkledvinamodel předpovídá, že k největšímu diabetem vyvolanému zvýšení TNa dochází podél proximálních tubulů a tlustých vzestupných končetin (obrázek 2(A3)). Zatímco proximální stočené tubuly sídlí v dobře prokrvené kůře ledviny, S3 a dřeňové tlusté ascendentní končetiny sídlí ve zevní dřeni, kde je napětí kyslíku podstatně nižší než v kůře [33,34]. Je známo, že tyto segmenty jsou citlivé na hypoxické poškození. Zvýšení metabolické potřeby vyvolané cukrovkou jako takové může být pro tyto segmenty obzvláště stresující. Souhrnně řečeno, předkládaný model předpovídá u středně těžkého a těžkého diabetu 17% a 24% zvýšení celkové TNa a 29,4% a 37,5% zvýšení aktivní TNa. Rozsah hyperglykémie v případě těžkého diabetu je podobný jako u krysího modelu [17]. Současný model však předpovídá menší nárůst TNa. Tento rozdíl lze přičíst menší GFR indukované diabetem, a tedy zvýšení filtrované zátěže Na plus u lidí. Nicméně vyšší aktivní TNa spolu s diabetem indukovaným snížením metabolické účinnosti pravděpodobně vede k podstatnému zvýšení potřeby kyslíku. Bez odpovídajícího zvýšení dodávky kyslíku může mít vyšší metabolická potřeba za následek renální hypoxii, která je považována za důležitý mechanismus ve vývoji diabetu.ledvinaonemocnění [35].

Vallon a spolupracovníci navrhli, že u časného diabetu má zvýšená reabsorpce podél proximálních tubulů, která je částečně způsobena zvýšením kotransportu Na plus-glukózy, primární roli ve zvýšení SNGFR: zvýšený proximální tubulární transport snižuje tubuloglomerulární zpětnovazební signál, tj. luminální [Cl一] snímaný buňkami macula densa, což má za následek zpětnovazebně indukované zvýšení SNGFR. Tato „tubulecentrická“ hypotéza byla podpořena mikropunkčními experimenty na potkanech [36,37]. Předpovědi současného člověkaledvinamodel jsou v souladu s touto tubulocentrickou hypotézou: předpokládá se, že zvýšený proximální tubulární transport u diabetu sníží luminální [Cl一] v macula densa o 24–27 procent u středně těžkého diabetu a o 32–52 procent u těžkého diabetu. diabetes ve srovnání s nediabetikyledvinav závislosti na typu nefronu. Konkrétně se předpokládá, že luminální [Cl-] v macula densa povrchového nefronu bude 28,3, 21,3 a 18,6 mm u nediabetických, středně těžkých a těžkých diabetiků. Pokud by byla GFR nastavena na nediabetické hladiny v případech středně těžkého a těžkého diabetu, předpokládaná macula densa luminal [Cl一] by byla nižší na 17,7 a 15,6 mM, v daném pořadí. Pokud je tedy u člověka přítomna tubuloglomerulární zpětná vazbaledvinaVýsledný vazodilatační signál předpovídaný u diabetu by mohl přispět ke glomerulární hyperfiltraci. I když se v simulacích předpokládalo, že SNGFR je a priori známý, lze definovat funkci negativní zpětné vazby, která poskytuje předpokládaný SNGFR daný předpokládaným luminálním [Cl一] v macula densa.

Kromě toho model předpovídá, že omezením transportu Na plus-glukózy inhibice SGLT2 významně zvyšuje macula densa luminal [Cl一], což pak může zeslabit glomerulární hyperfiltraci prostřednictvím tubuloglomerulární zpětné vazby. Konkrétně po podání inhibitoru SGLT2 modelu středně těžkého diabetu se předpokládá, že macula densa luminal [Cl一] podél povrchového nefronu bude 39,2 mM s předpokládaným účinkem na snížení GFR a 51,4 mM bez. Odpovídající předpovědi pro model těžkého diabetu jsou 36,4 a 48,1 mM, v daném pořadí, s a bez účinku na snížení GFR. Podobné trendy jsou pozorovány u juxtamedulárních nefronů. Tyto výsledky jsou v souladu s klinickými údaji, které ukazují, že chronická inhibice SGLT2 indukovala snížení eGFR u pacientů s diabetes mellitus 2. typu, dokonce i u pacientů s chronickým onemocněním ledvin [38]. Snížení glomerulární hyperfiltrace na úrovni jednoho nefronu inhibicí SGLT2 může poskytnout dlouhodobé příznivé účinky u diabetikůledvina. Jedna otázka zní: Do jaké míry inhibice SGLT2 snižuje tubulární transport Na plus a spotřebu kyslíku podél nefronu? Model předpovídá, že podávání inhibitorů SGLT2 u diabetikaledvinasnižuje celkovou TNA o 21,8 procenta, ale většina tohoto snížení se vyskytuje prostřednictvím paracelulární dráhy as aktivní TNa se snížila pouze o 3 procenta.

Stručně řečeno, vyvinuli jsme první výpočtový model podrobného epiteliálního transportu vledvinapacienta s diabetem. Model předpovídá, že podobně jako u hlodavců může diabetem indukovaná tubulární hypertrofie u lidí přispívat ke glomerulární hyperfiltraci prostřednictvím (hypotezovaného) tubuloglomerulárního zpětnovazebního signálu [36], což následně vede k velkému zvýšení transportní zátěže a metabolické poptávky. Model lze použít k posouzení účinků jiných běžně předepisovaných léků, jako jsou blokátory systému angiotenzinu II, na funkci ledvin u diabetu a k posouzení rozsahu, v jakém se tyto účinky projevujíledvinase sníženým počtem nefronů a zhoršenou funkcí.

Je pozoruhodné, že tento model převzal mnoho předpokladů z aledvinamodel krysího samce [14,16,39]. Velký pohlavní dimorfismus byl odhalen v množství přenašečů elektrolytů, kanálů a klaudinů u samců a samic hlodavců [40,41]. Zjištění Veritas et al. naznačili, že ve srovnání se samci potkaních nefronů vykazují samice potkaních nefronů nižší aktivity hlavních transportérů Na plus a vody podél proximální části renálního tubulu (proximálního tubulu), což má za následek významně větší frakční dodání Na plus a vody do downstream nefronu segmenty v ženských ledvinách. Spolu s distálními segmenty nefronu, samiceledvinavykazuje vyšší množství klíčových Na plus transportérů ve srovnání s muži, což vede k podobnému vylučování moči mezi pohlavími. Některé z těchto rozdílů mezi pohlavími ve funkci ledvin hlodavců se pravděpodobně přenášejí na lidi. Je známo, že muži mají před menopauzou vyšší krevní tlak ve srovnání s ženami stejného věku [42,43]. Vzhledem ke klíčové úloze ledvin při kontrole krevního tlaku lze pozorované rozdíly v prevalenci hypertenze mezi pohlavími částečně připsat rozdílům ve struktuře a funkci ledvin [44–46]. Hlavní rozdíly mezi hlodavcem a člověkemledvinybez ohledu na to, výpočtový model ledviny ženy, inspirovaný vzorem transportu ledvin u samic hlodavců [47–49], může být užitečný při analýze funkce ledvin u pacientky s diabetem a při identifikaci mechanismů, které vysvětlují pozorované pohlaví. rozdíly u diabetického onemocnění ledvin [50].

4. Materiály a metody

Dříve jsme vyvinuli model transportu rozpuštěné látky po lidských nefronech založený na epiteliálních buňkáchledvina[10,25]. V této studii rozšiřujeme tento model o simulaci diabetické ledviny. Model představuje šest tříd nefronů: povrchový nefron, který se otáčí na vnější a vnitřní medulární hranici, a pět juxtamedulárních nefronů, které zasahují do různých úrovní vnitřní dřeně. Povrchové nefrony tvoří 85 procent populace nefronů a sahají od Bowmanova pouzdra ke špičce papily. Zbývajících 15 procent nefronů jsou juxtamedulární nefrony, které mají Henleovy smyčky, které dosahují různých hloubek ve vnitřní dřeni; většina dlouhých smyček se otáčí v horní vnitřní dřeni. Každý modelový nefron je reprezentován jako tubul lemovaný vrstvou epiteliálních buněk s apikálními a bazolaterálními transportéry, které se liší podle typu buňky. Model předpokládá, že spojovací tubuly se postupně spojují v kortexu, což má za následek poměr smyčky a kortikálního sběrného kanálku 10:1 [51]. Modelové sběrné kanálky procházejí vnější dření, a když dosáhnou vnitřní dřeně, sběrné kanálky opět postupně splývají. Schematický diagram modelu je znázorněn na obrázku 5. U nediabetické ledviny je rychlost glomerulární filtrace jednoho nefronu (SNGFR) nastavena na 100 a 133 l/min pro povrchový a juxtamedulární nefron, v daném pořadí. Za předpokladu, že v každém je celkem 1 milion nefronůledvina, výsledkem je jedno-ledvinaGFR 105 ml/min.

Model zohledňuje následujících 15 rozpuštěných látek: Na plus, K plus, Cl一, HCO3一, H2CO3, CO2, NH3, NH4 plus, HPO42一, H2PO4一, H plus, HCO2一, H2CO2, močovina a glukóza. Model je formulován pro ustálený stav a skládá se z velkého systému sdružených obyčejných diferenciálních rovnic a algebraických rovnic [10]. Modelové řešení popisuje tok luminální tekutiny, hydrostatický tlak, koncentrace rozpuštěných látek v luminální tekutině a s výjimkou segmentu sestupné končetiny koncentrace cytosolů, membránový potenciál a transcelulární a paracelulární toky. Modelové parametry, které popisují nediabetikaledvinalze nalézt v č.j. [10].

4.1. Transport glukózy v proximálním tubulu

Za fyziologických podmínek je přefiltrovaná glukóza plně reabsorbována v proximálním tubulu prostřednictvím SGLT na apikální straně a facilitátorů transportu glukózy (GLUT) na bazolaterální straně. Proximální stočený tubulus vyjadřuje vysokokapacitní nízkoafinitní transportér SGLT2 spolu s bazolaterálním GLUT2, zatímco segment S3 vyjadřuje nižší kapacitu, transportér s vyšší afinitou SGLT1 a bazolaterální GLUT1. Úroveň exprese SGLT1 byla zvolena tak, že po inhibici SGLT2 nediabetický model předpovídá SGLT1-zprostředkovaný transport ~60 procent filtrované glukózy [52]. Modelování toků glukózy a Na plus přes kotransportéry SGLT2 a SGLT1 a toků glukózy přes GLUT1 a GLUT2 bylo popsáno v našich předchozích studiích [14,16,17,39].

4.2. Simulace diabetické ledviny

Simulujeme dva diabetické stavy, jeden, kdy je hladina glukózy v plazmě zvýšena z nediabetické hodnoty 5 mM na 8,6 mM (což označujeme jako „středně těžký případ diabetu“) a druhý, kdy je hladina glukózy v plazmě 20 mM (tzv. "těžký případ diabetu"). Diabetes vyvolává renální hypertrofii, hyperfiltraci a změny v expresi transportéru. Kromě zvýšení koncentrace glukózy v plazmě jsme tedy simulovali diabetické stavy zvýšením SNGFR o 27 a 10 procent [4] v povrchových a juxtamedulárních nefronech, v tomto pořadí, jak ve středně těžkých, tak v těžkých případech. Abychom simulovali tubulární hypertrofii, zvětšili jsme tubulární průměr a délku proximálních tubulů o 10 procent ve středně těžkém případě a o 28 procent v těžkém případě; a zvětšili jsme průměr a délku distálních segmentů o 18, resp. 7 procent ve středně těžkém případě ao 42 a 7 procent, v tomto pořadí, v těžkém případě [17,53]. Kromě toho je aktivita SGLT2 upregulována o plus 38 procent, GLUT2 o plus 50 procent a NKCC o plus 10 procent. Aktivita SGLT1 je snížena o 一33 procent. Aktivita Na/K-ATPázy je zvýšena o plus 10 procent spolu se všemi segmenty nefronů, kromě tlusté vzestupné končetiny a vnitřního medulárního sběrného kanálku. Spolu s tlustými vzestupnými končetinami je aktivita Na/K-ATPázy zvýšena o plus 20 procent. Pro vnitřní medulární sběrný kanál je aktivita Na/K-ATPázy zvýšena o plus 50 procent spolu s počátečními 2/3 a plus 150 procent spolu se zbytkem segmentu v případě středně těžkého diabetu a o plus 150 procent podél celý segment u těžkého diabetu. Transcelulární propustnost vody je zvýšena spolu se segmenty kortikálního a vnitřního medulárního sběrného kanálku o 55 a 40 procent [17].

Příspěvky autora:Konceptualizace, AL; metodika, AL; software, RH; validace, AL a RH; formální analýza, AL a RH; vyšetřování, AL a RH; zdroje, AL; správa dat, AL; psaní – příprava původního návrhu, AL; psaní – recenze a úpravy, AL a RH; vizualizace, RH; dohled, AL; administrace projektu, AL; získávání finančních prostředků, AL Všichni autoři si přečetli publikovanou verzi rukopisu a souhlasili s ní.

Financování:Tento výzkum byl podpořen programem Canada 150 Research Chair a kanadskou radou pro výzkum přírodních věd a inženýrství prostřednictvím ocenění Discovery (RGPIN-2019-03916) uděleného AL

Prohlášení institucionální revizní komise:Nelze použít.

Prohlášení o informovaném souhlasu:Nelze použít.

Prohlášení o dostupnosti dat:Počítačový kód bude po přijetí tohoto rukopisu zpřístupněn veřejnosti.

Střet zájmů:Autoři neuvádějí žádný střet zájmů. Investoři nehráli při návrhu studie žádnou roli; při shromažďování, analýzách nebo interpretaci dat; v psaní rukopisu, nebo v rozhodnutí o zveřejnění výsledků.

Reference

1. Saeedi, P.; Petersohn, I.; Salpea, P.; Malanda, B.; Karuranga, S.; Unwin, N.; Colagiuri, S.; Guariguata, L.; Motala, AA; Ogurtsová, K.; a kol. Globální a regionální odhady prevalence diabetu pro rok 2019 a projekce pro roky 2030 a 2045: Výsledky Mezinárodní diabetologické federace Diabetes Atlas. Diabetes Res. Clin. Praxe. 2019, 157, 107843.

2. Foley, RN; Collins, AJ Konečné stadium onemocnění ledvin ve Spojených státech: Aktualizace ze systému dat ledvin Spojených států. J. Am. Soc. Nephrol. 2007, 18, 2644–2648.

3. Koye, DN; Magliano, DJ; Nelson, RG; Pavkov, ME Globální epidemiologie diabetu a onemocnění ledvin. Adv. Chronické onemocnění ledvin. 2018, 25, 121–132.

4. Mogensen, C. Rychlost glomerulární filtrace a průtok plazmy ledvinami u krátkodobého a dlouhodobého juvenilního diabetes mellitus. Scand. J. Clin. Laboratoř. Vyšetřování. 1971, 28, 91–100.

5. Eaton, DC; Pooler, J.; Vander, AJ Vander's Renal Physiology, 7. vydání; McGraw-Hill Medical: New York, NY, USA, 2009.

6. Hoenig, MP; Zeidel, ML Homeostáza, prostředí interieur a moudrost nefronu. Clin. J. Am. Soc. Nephrol. 2014, 9, 1272–1281.

7. Dantzler, WH; Pannabecker, TL; Layton, AT; Layton, HE Mechanismus koncentrace moči ve vnitřní dřeni savčí ledviny: Role trojrozměrné architektury. Acta Physiol. 2011, 202, 361–378. [CrossRef]

8. Palmer, LG; Schnermann, J. Integrované řízení transportu Na podél nefronu. Clin. J. Am. Soc. Nephrol. 2015, 10, 676–687.

9. Layton, AT Dynamika zprostředkovaná zpětnou vazbou v modelu poddajné tlusté vzestupné končetiny. Matematika. Biosci. 2010, 228, 185–194.

10. Layton, AT; Layton, HE Výpočtový model epiteliálního solutu a transportu vody podél lidského nefronu. PLoS výpočet. Biol. 2018, 15, e1006108.

11. Weinstein, AM Matematický model krysí ledviny: K plus indukovaná natriuréza. Dopoledne. J. Physiol. Renální Physiol. 2017, 312, F925–F950.

12. Layton, AT; Edwards, A.; Vallon, V. Renální manipulace s draslíkem u potkanů ​​se subtotální nefrektomií: Modelování a analýza. Am.J. Physiol. Renální Physiol. 2017, 314, F643–F657.

13. Edwards, A.; Castrop, H.; Laghmani, K.; Vallon, V.; Layton, AT Účinky regulace izoformy NKCC2 na transport NaCl v tlusté ascendentní končetině a macula densa: modelovací studie. Dopoledne. J. Physiol. Renální Physiol. 2014, 307, F137–F146.

14. Layton, AT; Laghmani, K.; Vallon, V.; Edwards, A. Transport rozpuštěných látek a spotřeba kyslíku podél nefronů: Účinky inhibitorů transportu Na plus. Dopoledne. J. Physiol. Renální Physiol. 2016, 311, F1217–F1229.

15. Layton, AT; Vallon, V. Inhibice SGLT2 v ledvině se sníženým počtem nefronů: Modelování a analýza transportu a metabolismu rozpuštěných látek. Dopoledne. J. Physiol. Renální Physiol. 2018, 314, F969–F984.

16. Layton, AT; Vallon, V.; Edwards, A. Modelování spotřeby kyslíku v proximálním tubulu: Účinky inhibice NHE a SGLT2. Dopoledne. J. Physiol. Renální Physiol. 2015, 308, F1343–F1357.

17. Layton, AT; Vallon, V.; Edwards, A. Předpokládané důsledky diabetu a inhibice SGLT na transport a spotřebu kyslíku podél potkaního nefronu. Dopoledne. J. Physiol. Renální Physiol. 2016, 310, F1269–F1283.

18. Layton, AT; Vallon, V.; Edwards, A. Adaptivní změny v GFR, tubulární morfologie a transport v mezisoučtových nefrektomizovaných ledvinách: modelování a analýza. Dopoledne. J. Physiol. Renální Physiol. 2017, 313, F199–F209.

19. Sgouralis, I.; Evans, RG; Gardiner, BS; Smith, JA; Fry, BC; Layton, AT Renální hemodynamika, funkce a okysličení během kardiochirurgické operace prováděné na kardiopulmonálním bypassu: modelová studie. Physiol. Rep. 2015, 3, e12260.

20. Layton, AT Sladký úspěch? Inhibitory SGLT2 a diabetes. Dopoledne. J. Physiol. Renální Physiol. 2018, 314, F1034–F1035.

21. Neal, B.; Perkovič, V.; Mahaffey, KW; de Zeeuw, D.; Fulcher, G.; Erondu, N.; Shaw, W.; Právo, G.; Desai, M.; Matthews, DR Canagliflozin a kardiovaskulární a renální příhody u diabetu 2. typu. N. Engl. J. Med. 2017, 377, 644–657.