Hyperurikemian ja kalsium-fosfori -tasapainon vaikutukset hapetusstressiin ja reniini-angiotensiini-aldosteroni -järjestelmään kokeellisessa munuaisten vajaatoiminnassa

Krooninen munuaistauti aiheuttaa monia häiriöitä kehon normaalissa homeostaasissa. Edetessään munuaisvaurio vähentää munuaisten suodatuskapasiteettia, nostaa virtsahapon pitoisuutta verenkierrossa ja aiheuttaa verenkiertoelimistössä muutoksia, jotka suosivat tulehdustilaa, verisuonten rakenteellisia muutoksia (jäykistyminen, seinämän paksuuntuminen), kohonnutta verenpainetta ja lisääntynyttä hapetusstressiä. Jos munuaisten suodatuskapasiteetin lasku jatkuu esteittä, on seurauksena lopulta terminaalinen munuaisten vajaatoiminta. Kokeelliset mallit tarjoavat mahdollisuuden tutkimuksiin, joita ei voi toteuttaa soluviljelymalleissa tai kliinisissä hankkeissa. Tässä tutkimussarjassa käytettiin munuaisten vajaatoiminnan rottamallia, joka aiheutettiin vähentämällä kirurgisesti 5/6 munuaismassasta (NX). Verrokkien toimenpiteenä oli munuaiskapselien poisto (Sham). Tutkimusasetelmina olivat kokeellinen hyperurikemia, parikalsitolihoito, fosfaattilisä sekä fosforinsitomishoito 3.0% kalsiumkarbonaatilla. Hyperurikemia aiheutettiin ravinnon 2.0% oksonihappolisällä, joka estää virtsahappoa metaboloivaa urikaasi-entsyymiä. Vaikka hyperurikemian on esitetty olevan monien patofysiologisten prosessien taustalla, toimii virtsahappo myös hapetusstressiltä suojaavana antioksidanttina. D vitamiinireseptoria aktivoivalla parikalsitolilla hoidetaan sekundaarista hyperparatyreoosia, kun taas kalsiumperäisiä fosforinsitojia käytetään vähentämään elimistön fosforipitoisuutta. Tutkimuksessa selvitettiin reniini-angiotensiini-aldosteroni -järjestelmän (RAAS) komponenttien geeni-ilmentymisen muutoksia sekä muutoksia hapetusstressitasossa. Kokeellisissa hyperurikemiatutkimuksissa tärkeimpinä kohteina olivat kiertävä RAAS ja munuaiskudoksen reniini-angiotensiini -järjestelmä (RAS), kaulavaltimon tonus sekä hapetusstressi. Kolmannessa osatyössä tutkittiin parikalsitolihoidon vaikutusta munuaisen RAS-geenien luentaan. Kaksi viimeistä osatyötä käsittelivät kalsium-fosfori -tasapainon muutoksia kokeellisessa munuaisten vajaatoiminnassa, tutkimuskohteina munuaisten ja verisuoniston RAS-geeniekspression muutokset, verisuonen supistustilan säätely (suolilievevaltimo) ja verenkierron sekä virtsan typpioksimetaboliitit. Pääasiallisina mittausvälineinä käytettiin in vitro autoradiografiaa, Western blot -menetelmää, reaaliaikaista käänteis-PCR menetelmää, radioimmunoassay -menetelmää, histologista analyysiä sekä in vitro verisuonifunktion rekisteröintiä. Osatutkimusten kestona oli 12 tai 27 viikkoa, millä vaikutettiin munuaisten vajaatoiminnan asteeseen. Kokeelliset mallit toimivat odotetusti, ja niissä havaitut ominaisuudet olivat linjassa aiemman tiedon kanssa. Kokeellinen hyperurikemia aktivoi kiertävän RAAS:n eli lisäsi plasman reniiniaktiivisuutta ja aldosteronipitoisuutta. Samanaikaisesti se vähensi hapetusstressiä ja lisäsi antioksidanttikapasiteettia, mikä voitiin havaita vuorokausivirtsan vähentyneenä 8-iso-PGF2α -erityksenä sekä lisääntyneenä plasman TRAP-arvona. Vaikka hyperurikemia nosti verenpainetta ja lisäsi kaliumin hukkaa virtsaan, havaittiin samalla parantunut kaulavaltimon typpioksidivälitteinen verisuonen laajeneminen. Näiden 12 viikkoa kestäneiden tutkimusten löydökset viittaavat aldosteronin rooliin hyperurikemian aiheuttamien natriumretention ja kohonneen verenpaineen taustalla. Toisaalta löydökset osoittavat myös hyperurikemian aiheuttamia myönteisiä vaikutuksia hapetusstressin tasoon. Viidentoista viikon parikalsitolihoito, joka aloitettiin 12 viikkoa NX- ja Sham-leikkausten jälkeen, ei vaikuttanut munuaiskudoksen RAS-geenien luentaan, joka lisääntyi NX rotissa. Tämä löydös ei vastaa aiemmin julkaistua laajan huomion saanutta kokeellista tutkimusta, jossa parikalsitolihoito vähensi munuaisten RAS-geenien luentaa, kun hoito aloitettiin heti neljä päivää leikkausten jälkeen. Tutkimussarjaan kuuluvan osatyön asetelma muistuttaa enemmän kliinistä munuaistautia, mikä voi selittää eriävät löydökset. Ravinnon fosfaattilisä aiheutti lisääntynyttä munuaisten, sydämen ja valtimoiden angiotensiiniä konvertoivan entsyymin (ACE) ilmentymistä, lisäsi kudosvauriota ja vähensi angiotensiini II:n reseptori 1a:n luentaa NX rotissa. Fosforinsidonta aiheutti päinvastaisen vasteen tutkittujen kudosten ACE-ekspressiossa. Lisäksi se vähensi munuaisvaurioita ja nitroproteiinien määrää valtimoissa sekä paransi typpioksidivälitteistä verisuonen laajenemista. NX rottien kohonnut verenpaine oli yhteydessä typpioksidin metaboliittien lisääntymiseen plasmassa ja virtsassa sekä vähentyneeseen endoteelin typpioksidisyntaasi-entsyymiin. ACE-ekspressio ja nitroproteiinien määrä lisääntyi valtimoissa ja typpioksidivälitteinen vasorelaksaatio heikentyi suolilievevaltimossa. Kaikkiaan tutkimussarja mallintaa kroonisen munuaisten vajaatoiminnan tyypillisiä komplikaatioita ja niihin vaikuttavia tekijöitä. Tutkimuslöydökset korostavat veren fosfaattipitoisuuden hallinnan merkitystä munuaisten vajaatoiminnassa sekä komplikaatioiden taustalla olevan säätelyjärjestelmän monimuotoisuutta.Chronic kidney disease is linked to several disturbances of the normal homeostasis. Progressing kidney damage may lead to decreased renal filtration capacity and alter cardiovascular physiology in a way that favors inflammation, arterial remodeling, elevated blood pressure, and increased oxidative stress. When the loss of renal function continues unabated, chronic renal insufficiency (CRI) develops. Experimental models offer a flexible tool to study disorders that cannot be investigated in a cell culture, or are not feasible or ethical for a clinical setting. The present series of studies featured a rat model of experimental chronic renal insufficiency induced by the surgical ablation of 5/6 of total renal mass (NX). Decapsulation of both kidneys was performed in the sham rats (Sham). Dietary and pharmacological interventions included 2.0% oxonic acid-induced hyperuricemia, paricalcitol treatment, and phosphate loading or phosphate binding with 3.0% calcium carbonate. Elevated circulating level of uric acid, hyperuricemia, is commonly associated with the initiation of multiple pathophysiological processes, whereas uric acid also functions as an antioxidant protecting from oxidative stress. Paricalcitol is a vitamin D receptor activator, which is used to treat secondary hyperparathyroidism, while calcium-based phosphate binders have been traditionally used to lower serum phosphate levels. The studies were designed to mimic some of the most common complications associated with kidney disease. The aim of this investigation was to determine the potential changes in the renin-angiotensin-aldosterone (RAAS) system gene expression and in the markers of oxidative stress during stage 3 experimental CRI. The two studies on experimental hyperuricemia were designed to specifically focus on the circulating RAAS and the renal tissue renin-angiotensin system (RAS), carotid artery tone, and antioxidant capacity. In the third study, the effects of paricalcitol on the kidney RAS component gene transcription were studied. The final two studies examined altered calcium-phosphate metabolism in CRI, and concentrated on the kidney and vascular RAS gene expression, as well as the effects on vascular function and nitric oxide (NO) metabolites in conduit-size arteries. The principal measurement methods used in this series of studies were quantitative in vitro autoradiography, Western blotting, real-time quantitative RT-PCR, radioimmunoassay, histological analysis, and in vitro vascular function determinations. The duration of the studies was 12 or 27 weeks, which were chosen to influence the severity of CRI. The experimental models were found suitable for the study designs, and successfully produced the previously reported characteristics of each disorder. Experimental hyperuricemia activated the circulating RAAS, reflected as increased plasma renin activity and aldosterone concentration, as well as reduced oxidative stress and increased antioxidant capacity in vivo, as evidenced by reduced 24-hour urinary 8-isoprostaglandin F2α excretion and increased plasma total peroxyl radical-trapping capacity, respectively. Hyperuricemia also caused elevated K+ to Na+ ratio in the urine and enhanced NO-mediated vasorelaxation of the carotid artery in the NX rats. According to the findings of these two 12-week studies, the role of aldosterone seems pivotal in the hyperuricemia-induced Na+ retention and blood pressure elevation, whereas the increased uric acid level may contrarily provide beneficial effects on oxidative stress. Fifteen-week paricalcitol treatment, initiated 12 weeks after the initial insult, did not influence the transcription levels of the kidney RAS component genes, which were elevated in the NX rats. This result was contrary to an earlier experimental report, which found a suppressing influence on several kidney RAS components following initiation of paricalcitol treatment only four days after surgery. Without doubt, the situation in the included study more resembles the clinical renal disease, and may explain the inconsistency in comparison with the earlier findings. Dietary phosphate loading was associated with elevated kidney, cardiac, and aortic angiotensin-converting enzyme (ACE) expression, increased tissue damage, and lower angiotensin II receptor subtype 1a transcription in the NX rats. Phosphate binding had opposite effects on kidney, cardiac, and aortic ACE, as well as kidney damage and nitrated proteins in the aorta, while it also enhanced vasorelaxation via increased bioactivity of endothelium-derived NO. The hypertension in the NX rats was associated with elevated levels of plasma and urine NO metabolites, decreased endothelial NO synthase, increased ACE and nitrated proteins in the aorta, as well as impaired vasorelaxation via endothelium-derived NO in the mesenteric artery. These findings underline the importance of effective phosphate control in chronic kidney disease. In conclusion, the present studies provide a broad assessment of common complications associated with CRI. The differing effects on the RAAS and oxidative stress highlight the multifaceted metabolic modulation in stage 3 kidney disease