Regulation of Tubuloglomerular Feedback by Macula densa-derived Nitric Oxide

Abstract

Studies were conducted to investigate the role of macula densa (MD)-derived nitric oxide (NO) in regulation of the glomerular filtration (GFR) through the tubuloglomerular feedback (TGF) mechanism. Immunocytochemical localization of the neuronal isoform of NO synthase (NOS) in the kidney showed that this isoform was exclusively located in MD cells. Whole kidney clearance measurements of GFR and micropuncture techniques were used to study the importance of MD-NO in the context of TGF on anaesthetized Sprague-Dawley (SD) rats. Systemic infusion of Nw-Nitro-L-Arginine (L-NNA) elevated blood pressure (PA) and proximal tubular stop-flow pressure (PSF), and potently increased TGF sensitivity. Local administration of L-NNA (10-3 M) into the lumen of a single nephron, in which TGF was simultaneously determined, revealed a resetting of TGF sensitivity to that similar after systemic NOS inhibition, but without effects on PA or basal PSF. Similar experiments using specific inhibitors of the different isoforms of NOS that had been localized in the kidney, confirmed that intratubular administration of L-NNA preferably inhibits NOS in the MD cells. Intratubular administration of L-arginine (L-ARG), significantly impaired the TGF response, indicating that MD-NO synthesis can be stimulated by an increased tubular concentration of L-ARG. TGF resetting as a response to L-NNA was abolished in two strains of genetically hypertensive rats, whereas their normotensive control strains responded with increased TGF sensitivity. Oral treatment for 4 weeks with a selective neuronal NOS inhibitor, 7-nitro indazole (7-NI), increased PA in SD rats. But renal excretion and TGF were not different from those in vehicle-treated rats. In acute experiments, 7-NI is as potent as L-NNA in resetting TGF but has no effect on PA. However, TGF is markedly more sensitive and active during the first week of 7-NI-treatment than after week four. Taken together, these results demonstrate that MD-produced NO counteracts TGF-mediated constriction of the afferent arteriole. MD-NO is thus important for maintenance of GFR and renal excretion and thereby for the control of PA.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Senare års forskning har klart och entydigt pekat på njurens viktiga roll i utvecklingen av högt blodtryck. Det är mycket sannolikt att det föreligger flera av varandra oberoende mekanismer som förklarar uppkomsten av högt blodtryck, men det är möjligt att flera av dessa, på en organfysiologisk, cellfysiologisk eller genetisk nivå kan ha gemensamma patofysiologiska länkar. Många situationer som utvecklar högt blodtryck är förenade med en störning i den extracellulära vätskevolymsregleringen, åtminstone i någon fas av utvecklingen av sjukdomen. Människans båda njurar består var och en av närmare en miljon, av varandra oberoende funktionella enheter, nefron. Nefronet består av en vaskulär del, till- och frånförande arterioler med mellanliggande glomeruluskapillärer, samt en tubulär del. Det tubulära systemet börjar vid Bowmans kapsel och kan i grova drag indelas i proximala tubulus, Henle´s slynga och distala tubulus. Distala tubulus mynnar senare i samlingsrören, vilka för urinen ner till njurbäckenet. I den uppåtstigande delen av Henle´s slynga sitter en samling differentierade celler, de sk. macula densa (MD) cellerna, vilka har förmågan att känna av den passerande tubulusvätskans sammansättning. Via de mellanliggande extraglomerulära mesangiecellerna ges MD-cellerna möjligheten att reglera tonus i till- resp. frånförande arteioler. Den nyss beskrivna anatomiska strukturen benämnes juxtaglomerulära apparten (JGA) och mekanismen genom vilken tubulusvätskans sammansättning kan styra kärltonus, och därmed också glomerulus-filtrationen kallas tubuluglomerulär feedback (TGF). Urinproduktionen är en balans mellan filtration och reabsorption. Vid ultrafiltrationen, som sker i glomerulus, pressas stora vätskevolymer ut i tubulussystemet. Proximala tubuliepitelet har en hög kapacitet för vatten- och elektrolyttransport, varför ca. 2/3 av filtratet resorberas här. Då det glomerulära filtrationstrycket ökar, ökar även återresorptionen i proximala tubuli, men inte fullt ut i proportion med flödesökningen, varför flödet till Henle´s slynga och därmed även MD området ökar. MD cellerna "känner av" elektrolytsammansättningen och reagerar omedelbart på en ökad transporthastighet av Na+ och Cl- genom en aktivering av ett Na+-K+-Cl--co-transportsystem. Denna aktivering signaleras till mesangiecellerna och förs vidare till den tillförande arteriolen, viken svarar med en kontraktion. Därmed minskar även den glomerulära filtrationshastigheten (GFR) och kroppens vätskestatus kan bevaras trots ett ökat filtrationstryck. Följdaktligen spelar TGF mekanismen en mycket viktig roll i njurens reglering av GFR, men den är också väsentlig för autoregleringen av det renala blodtrycket och blodflödet. TGF-mekanismen påverkas av flera intra- och extrarenala faktorer, vilka medför att mekanismens reaktivitet och känslighet förändras. Känsligheten i TGF varierar med volymsbalansen och/eller blodtrycksnivån. Vid volymsexpansion hämmas detta återkopplingssystem och vid volymsdeficit ökar känsligheten kraftigt. Med andra ord, kroppens volymssituation och blodtrycksnivå styr känsligheten i TGF. Vid volymsbrist aktiveras systemet kraftigt med sänkt glomerulusfiltration som följd. Vid olika fysiologiska och patofysiologiska förändringar spelar förändringar i detta reglersystem en viktig roll för volymsbalansen. Genom den nära kopplingen mellan extracellulär vätskevolym och blodtrycksnivå spelar denna mekanism också en avgörande för blodtrycks-regleringen. Även vid andra patologiska tillstånd som t ex. uretärstas, hydronefros, nefrektomi m fl har det visats att detta reglersystem spelar en mycket viktig roll.



Kväveoxid-medierad reglering av TGF Kväveoxid (NO) har på senare år visat sig vara en av de mest potenta vasodilaterare som vi känner till. NO produceras från L-arginin av ett enzym kallat NO-syntetas (NOS). Åtminstone tre olika subtyper av detta enzym har identifierats i däggdjurskroppen och alla tre förekommer i njuren. Den första subtypen som identifierades är lokaliserad i blodkärlsendotel och kallas endotelialt NOS (eNOS). I njuren förekommer denna subtyp således i de renala blodkärlsväggarna. En neuronal subtyp har lokaliserats företrädesvis i hjärnvävnad och kallas därför neuronalt NOS eller vanligare "brain-NOS" (bNOS). Denna subtyp har även demonstrerats i perifera nervändar och i delarbete I visas att de för TGF-mekanismen så betydelsefulla MD-cellerna mycket specifikt innehåller bNOS Den tredje subtypen är till skillnad från de övriga två inducerbar och kallas därför inducerbart NOS (iNOS). iNOS har lokaliserats till ett flertal olika celltyper i njuren, tillförande arterioler, proximala tubuli, distala tubuli samt i de extraglomerulära mesangiecellerna.



Den aktuella studien studerar den fysiologiska betydelsen av specifik bNOS-förekomst i MD-cellerna. Delarbete I visade att systemisk blockad av NOS med en allmänt vedertagen NOS-blockerare (Nw-Nitro-L-arginin; L-NNA) på ett dramatiskt sätt förstärkte den TGF medierade vasokonstriktionen. Men eftersom systemisk infusion av L-NNA leder till dramatisk akut blodtryckshöjning, var resultaten svåra att tolka. I delarbete II valde vi därför att mer specifikt blockera NO-syntesen via L-NNA infusion direkt in i det studerade nefronet. Detta resulterade i en lika kraftig känslighetsomställning som i tidigare studier, dock utan några som helst systemiska effekter. Vi kunde därför dra slutsatsen att NO spelar en mycket väsentlig roll i regleringen av TGF och därmed också för regleringen av den renala filtrationen. Ett problem kvarstod dock: den av oss använda blockeraren är ospecifik och det var därför omöjligt att avgöra vilken eller vilka subtyper av NOS som var involverad(e). Vid tiden för det senare arbetets publicering, presenterades ett antal studier som visade på mer specifika NOS-blockerare. Aminoguanidin visades vara en specifik iNOS-inhiberare och något senare demonstrerades det att 7-nitro indazole (7-NI) mycket specifikt inhiberade bNOS. I delarbete III demonstreras att 7-NI förstärker TGF-responsen på precis samma sätt som L-NNA medan aminoguanidin inte på något sätt påverkar denna. Vidare kunde vi också visa att intratubulär infusion av substratet för NO produktion, L-arginin, försvagade TGF-responsen. Våra slutsatser blev därför att MD-producerat NO är involverat i den TGF-medierade regleringen av GFR och troligen också den viktigaste känslighetsmoduleraren. Men den direkt bakomliggande mekanismen för NO-produktionens reglering är för oss ännu okänd. Betydelsen av renalt iNOS tycks vara mycket liten under normala förhållanden, men kan troligtvis öka vid olika patologiska tillstånd.



NO och renalt betingad hypertoni Den omedelbara och uppenbara kopplingen mellan hypertoni och renala defekter har länge varit känd. Flera former av genetiskt betingad hypertoni, bl a "Spontanously Hypertensive Wistar Kyoto rats" (SHR) och "Milan Hypertensive Strain" (MHS), har dessutom visats vara orsakad av förändringar i den renala mikrocirkulationen framförallt under det stadium i råttornas uppväxt då blodtrycket stiger mest. Den glomerulära filtrationen är under denna utvecklingsfas kraftigt sänkt framförallt beroende på en kraftig känslighetsökning i TGF-systemet. Även som vuxna har de hypertensiva djuren från dessa båda stammar en betydligt känsligare återkopplingsmekanism än deras normotensiva kontrollstammar. Delarbete IV visar att adulta djur från dessa båda hypertensiva stammar inte svarar lika kraftigt på intratubulär NO-inhibering som kontrolldjur. Detta antyder att den sänkta filtrationen kan bero på en defekt NO-produktion från MD-cellerna hos de hypertensiva djuren eller möjligtvis en i sig försvagad vasokonstriktion.



Hypertoni orsakad av kronisk NO-inhibering Råttor som under längre tid (4-5 veckor) behandlats med ospecifika NOS- inhiberare (t ex L-NNA, L-NAME) har visat sig utveckla hypertoni. Hypertoniutvecklingen måste givetvis tillskrivas effekten av NO-blockad på flera olika organsystem, som t ex de perifera resistenskärlen, men flera forskargrupper har visat att den renala genomblödningen så väl som filtrationen kraftigt försämras efter en längre tids NO-inhibering. Detta i sig är något som kan leda till utveckling av hypertoni. I delarbete V visas att råttor som behandlats med den specifika MD-NOS inhiberaren 7-NI också utvecklar hypertoni. Detta trots att 7-NI inte utövar någon som helst effekt på endotelproducerad NO och följdaktligen inte heller påverkar den perifera resistensen. Efter 4 veckors behandling har 7-NI-behandlade djur ett 20-30 mmHg högre blodtryck än icke-behandlade. Men TGF systemets aktivitet är i denna fas oförändrad. Försök under den del av fyra-veckors behandlingen som trycket steg som mest avslöjade emellertid att TGF systemet var mycket aktivt under denna fas. Med andra ord verkar det som om 7-NI akut stimulerar TGF systemet och ökar dess aktivitet. Av detta följer en ökad renal vasokonstriktion och därmed en sänkt GFR. Dessa förändringar kvarstår medan blodtrycket förändras, för att sedan helt återställas, när blodtrycket höjts så mycket att den renala cirkulationen återställts. Vi har därmed skapat en ny modell för studier av essentiell hypertension in vivo, som kan komma att få stor betydelse för framtida studier av hypertensionens uppkomstmekanismer.

• author: Thorup, Christian
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Arendshorst, William J., Univ of North Carolina, Chapel Hill, NC, USA
• publishing date: 1996
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cell and Molecular Biology
• keywords: Physiology, nitric oxide, macula densa, tubuloglomerular feedback, glomerular filtration rate, renal hemodynamics, Kidney, hypertension, Fysiologi
• pages: 49 pages
• defense location: Föreläsningssalen vid Inst. för Yrkes- och Miljömedicin, Sölvegatan 21
• defense date: 1996-04-26 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEFF-1035-SE
• ISBN: 91-628-2011-7
• language: English
• LU publication?: no
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Neuroendocrine Cell Biology (013212008)
• id: fff836f4-e0d6-4529-93da-6fd603d6c9b2 (old id 28279)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:00:50
• date last changed: 2018-11-21 21:08:30