Protective effects of the dipeptidyl peptidase IV inhibitor sitagliptin in the kidney in a T2DM animal model – Focus on endoplasmic reticulum stress

Abstract

A nefropatia diabética é uma das maiores complicações diabéticas microvasculares e é a principal causa de doença renal em estado terminal. Cerca de 80% de pessoas não tratadas com diabetes tipo 1 e microalbuminúria desenvolvem nefropatia, e uma percentagem significativa de pacientes com diabetes tipo 2 (20-40%) são susceptíveis ao desenvolvimento da doença. Esta patologia é caracterizada por uma acumulação excessiva de matriz extracelular, com espessamento da membrana basal glomerular e hipertrofia de vários tipos de células glomerulares e tubulares, que acaba por progredir para glomerulosclerose e fibrose túbulo-intersticial. Existem evidências que sugerem um envolvimento do stresse do retículo endoplasmático no desenvolvimento de nefropatia diabética, mas os mecanismos moleculares subjacentes permanecem por clarificar. Tal como acontece com todas as complicações da diabetes, a hiperglicemia activa uma série de alterações no rim, que levam á disfunção glomerular e tubular e acelera a apoptose celular. Portanto, terapias anti-diabéticas obtendo um bom controlo glicémico diminuem o risco para o desenvolvimento da nefropatia diabética. A sitagliptina faz parte de uma nova classe de anti-hiperglicémicos orais, os inibidores da DPP-IV, os quais melhoram o controlo glicémico através de um aumento da secreção de insulina nos pacientes com diabetes do tipo 2 potenciando um sistema fisiológico, o efeito incretina. Até ao início deste trabalho a informação existente sobre os potenciais efeitos benéficos da sitagliptina na atenuação/reversão de algumas das lesões no rim induzidas pela diabetes era escassa. Nesse contexto, o objectivo deste estudo foi avaliar a capacidade desse fármaco na atenuação das complicações microvasculares no rim, num modelo animal de diabetes do tipo 2, os ratos ZDF (fa/fa). Às 26 semanas de idade, estes animais diabéticos apresentaram alterações nos estados inflamatório e apoptótico. A imunoreactividade das citocinas pró-inflamatórias IL-1β e TNF aumentou em células localizadas ao redor do glomérulo, provavelmente células tubulares e/ou células inflamatórias intersticiais. A hiperglicemia crónica induziu também um aumento significativo na razão BAX/Bcl-2, acompanhado por um aumento dos níveis da proteína pro-apoptótica Bid, mostrando que a diabetes promove um carácter pro-apoptótico no rim. Estes animais diabéticos apresentaram ainda um aumento significativo nos níveis proteicos da P-Akt no rim, associada a hipertrofia de células mesangiais e expansão da matriz extracelular. Dados preliminares mostraram que a diabetes parece aumentar a x capacidade de translocação da CHOP e ATF4 para o núcleo, dois factores de transcrição relacionados com o stresse do retículo endoplasmático; no entanto, não houve alterações significativas nos níveis totais das proteínas CHOP e GRP78/BiP no rim de animais diabético. No grupo de animais diabéticos, a administração da sitagliptina promoveu uma melhoria no controlo glicémico, após 6 semanas de tratamento. A sitagliptina aumentou significativamente os níveis proteicos de GLP-1 no rim, acompanhado por uma diminuição na imunoreactividade de GLP-1R, provavelmente devido a um feedback negativo. Relativamente às citocinas pro-inflamatórias, a sitagliptina diminuiu acentuadamente a imunoreactividade de IL-1β e TNF no rim de animais diabético, assim como preveniu o aumento da razão BAX/Bcl-2 e dos níveis proteicos de Bid. A sitagliptina também diminuiu os níveis de P-Akt no rim dos animais diabéticos. Curiosamente, a administração de sitagliptina promoveu um aumento significativo nos níveis da proteína CHOP, no entanto a translocação de CHOP e ATF4 para o núcleo parece diminuir. Em suma, podemos concluir que o tratamento de sitagliptina tem efeitos benéficos no rim, possivelmente por mecanismos que envolvem uma melhoria das lesões renais, com consequente redução da apoptose e inflamação. Adicionalmente, resultados preliminares obtidos neste estudo sugerem que a sitagliptina poderá alterar a resposta do stresse do retículo endoplasmático. No entanto, estudos futuros serão necessários para uma melhor compreensão dos mecanismos moleculares e celulares envolvidos nas acções directas mediadas pela sitagliptina no rim, os quais poderão contribuir para o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas mais eficazes e direccionadas para a prevenção ou redução do efeito nocivo da hiperglicemia crónica nas células do rim.

Diabetic nephropathy is one of the major microvascular diabetic complications and is the leading cause of end-stage renal disease. About 80% of untreated people with type 1 diabetes and microalbuminuria progress to overt nephropathy, and a significant percentage of patients with type 2 diabetes (20-40%) are susceptible to the development of disease. This pathology is characterized by excessive accumulation of extracellular matrix, with thickening of glomerular basement membrane and hypertrophy of various cell types of the glomerulus and tubules, which ultimately progress to glomerulosclerosis and tubulointerstitial fibrosis. There are evidences that suggest an involvement of ER stress in the development of diabetic nephropathy, but the underlying molecular mechanisms remain unclear. As in all complications of diabetes, hyperglycaemia promotes a series of changes in the kidney, that lead to glomerular and tubular dysfunction and accelerating cell apoptosis. Therefore, anti-diabetic therapies achieving a good glycaemic control reduce the risk for the development of diabetic nephropathy. Sitagliptin is part of a new class of oral anti-hyperglycaemic agents, the DPP-IV inhibitors, which improves glycaemic control by increasing insulin secretion in patients with type 2 diabetes enhancing a physiological system, the incretin effect. At the beginning of this work the existing information on the potential beneficial effects of sitagliptin in the attenuation/reversal of some of the kidney lesions induced by diabetes was scarce. In this context, the aim of this study was to assess the ability of this compound in the attenuation of microvascular complications in the kidney, in an animal model of type 2 diabetes, ZDF (fa/fa) rats. At 26 weeks of age, these animals showed changes in inflammatory and apoptotic states. The immunoreactivity of the proinflammatory cytokines IL-1β and TNF was increased in cells around the glomeruli, probably tubular cells and/or interstitial inflammatory cells. Chronic hyperglycaemia also induced a significant increase in BAX/Bcl-2 ratio, accompanied by an increase in the levels of pro-apoptotic protein Bid, showing that diabetes increases the pro-apoptotic state in the kidney. These diabetic animals also showed a significant increase in P-Akt protein levels in the kidney, associated with mesangial cells hypertrophy and extracellular matrix expansion. Preliminary data show that diabetes seems to increase the capacity in translocation of CHOP and ATF4, transcription factors associated with the ER stress, to xii the nucleus; however, there were no significant changes in the total levels of CHOP and GRP78/BiP proteins in the diabetic kidney. In the diabetic animal group, administration of sitagliptin promoted an improvement in glycaemic control after 6 weeks of treatment. Sitagliptin significantly increased the GLP-1 protein levels in the kidney, accompanied by a decrease in the immunoreactivity for GLP-1R, probably due to a feedback mechanism. Concerning the proinflammatory cytokines, sitagliptin markedly decreased the immunoreactivity of IL-1β and TNF in the diabetic kidney, as well as prevented the increase of BAX/Bcl-2 ratio and Bid protein levels. Sitagliptin also decreased the P-Akt protein levels in the kidney of diabetic animals. Interestingly, the administration of sitagliptin promoted a significant increase in CHOP protein levels, however, CHOP and ATF4 translocation to the nucleus seems to decrease. Overall, we can conclude that sitagliptin treatment has beneficial effects on the kidney, possibly by mechanism involving an improvement in renal lesions with consequent reduction in apoptosis and inflammation. Additionally, the preliminary results obtained in this study suggest that sitagliptin could modulate the ER stress response. However, further studies are needed to better understand the molecular and cellular mechanisms involved in the direct actions mediated sitagliptin in the kidney, which may contribute to the development of new therapeutic strategies more effective and focused on preventing or reducing the injurious effects of chronic hyperglycaemia on cells of the kidney.