Effects of sitagliptin therapy on the evolution of pancreatic and renal lesions in type 2 diabetes - experimental study in the Zucker Diabetic Fatty rat model

Abstract

Diabetes mellitus (DM) is a leading cause of reduced life expectancy, disability, blindness, chronic renal disease and diminished quality of life, as well as, of personal, familial and economic losses. Type 2 diabetes (T2DM) constitutes about 90% of the total of DM cases, and the prevalence numbers are increasing worldwide, including in Portugal. Regardless of the advances in the pharmacological management of DM, many patients still have poor glycaemic control and register progression of several associated complications, namely diabetic nephropathy (DN). DN is the main cause of end-stage renal disease (ESRD) and a major cause of patients’ disability. Therefore, new therapeutic approaches are needed to better control the disease and delay the evolution of diabetic complications. The incretin-based therapies, including the dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4) inhibitors, have shown ability to improve glycaemic control and ameliorate dysfunction of diabetes-targeted organs, including the pancreas and the kidney. Our group has previously shown that sitagliptin, the first DPP-4 inhibitor, was able to improve glycaemic and lipidic profile in an animal model of T2DM, showing systemic antioxidant and anti-inflammatory properties. The purpose of this study was to investigate some of the possible mechanisms underlying the protective effects of sitagliptin on pancreatic and renal tissues, in an animal model of T2DM, focusing on apoptosis, oxidative stress, inflammation, angiogenesis and proliferation mediators and markers. Male obese diabetic Zucker Diabetic Fatty (ZDF) rats, aged 20 weeks, were treated with sitagliptin (10 mg/kg BW/day) during 6 weeks and compared to lean ZDF littermates. Sitagliptin treatment during 6 weeks was able to ameliorate all the metabolic (glycaemic, lipidic and insulinaemic) parameters in the ZDF rats. In addition, evolution of endocrine and exocrine pancreas lesions was prevented by sitagliptin treatment. This was accompanied by a reduced pancreas Bax/Bcl-2 ratio and IL-1B expression, suggestive of an antiapoptotic and anti-inflammatory effect, respectively. Furthermore, sitagliptin promoted a significant overexpression of PCNA and VEGF, indicating pro-proliferative and pro-angiogenic properties, respectively. In the diabetic kidney, sitagliptin prevented the aggravation of renal damage, including glomerular, tubulointerstitial and vascular lesions, as well as, decreased renal lipid peroxidation, IL-1b and TNF-a levels. Moreover, kidney Bax/Bcl-2 ratio, Bid protein levels and TUNEL-positive cells were decreased after sitagliptin treatment. Altogether, these data indicate protective effects against oxidative stress, inflammation and the pro-apoptotic state in the kidney of diabetic rats. In conclusion, in this animal model of obese T2DM (ZDF rat), besides improving glycaemic control, sitagliptin exerted beneficial effects on pancreas and kidney. This study provides new insights into the cytoprotective actions of sitagliptin, namely its anti-apoptotic, antioxidant, anti-inflammatory and pro-proliferative properties. These findings might contribute to the development of novel approaches to manage T2DM and DN.

A diabetes mellitus (DM) é uma das principais doenças responsáveis por incapacidade física, cegueira, insuficiência renal crónica e pela redução da qualidade e da esperança de vida, bem como de elevadas perdas pessoais, familiares e económicas. A DM tipo 2 (T2DM) representa cerca de 90% dos casos de DM, estando a sua prevalência a aumentar a nível mundial, incluindo em Portugal. Apesar dos avanços farmacológicos no tratamento da T2DM, muitos doentes ainda apresentam um controlo glicémico deficiente, assim como um agravamento da doença e das suas complicações, nomeadamente da nefropatia diabética (DN). A DN constitui a principal causa de doença renal terminal (ESRD), sendo uma das principais causas de incapacidade física dos doentes. Perante este quadro, são necessárias novas abordagens terapêuticas para controlar melhor a evolução da T2DM e retardar a progressão das complicações associadas. As terapias baseadas em incretinas, incluindo os inibidores da dipeptidil peptidase-4 (DPP-4), demonstraram capacidade para melhorar o controlo glicémico e contribuir para melhorar a disfunção de órgãos alvo da diabetes, entre os quais se encontram o pâncreas e o rim. O nosso grupo demonstrou previamente que a sitagliptina, o primeiro inibidor da DPP-4, foi capaz de melhorar o perfil glicémico e lipídico num modelo animal de T2DM, exibindo ainda propriedades antioxidantes e anti-inflamatórias a nível sistémico. O objectivo deste estudo foi investigar alguns dos possíveis mecanismos subjacentes aos efeitos protectores da sitagliptina no tecido pancreático e renal, num modelo animal de T2DM, focando os mediadores e marcadores de apoptose, stresse oxidativo, inflamação, angiogénese e proliferação. Ratos obesos e diabéticos Zucker Diabetic Fatty (ZDF), do sexo masculino, com 20 semanas de idade, foram tratados com sitagliptina (10 mg/kg /dia) durante 6 semanas e comparados com os seus controlos, ratos ZDF magros. O tratamento com sitagliptina, durante as 6 semanas, melhorou todos os parâmetros metabólicos (glicémicos, lipídicos e insulinémicos) nos ratos diabéticos ZDF. Adicionalmente, a sitagliptina evitou o agravamento das lesões pancreáticas endócrinas e exócrinas, apresentando simultaneamente uma redução, da expressão de Bax/Bcl-2 e de IL-1b no pâncreas, sugerindo um efeito anti-apoptótico e anti-inflamatório, respectivamente. Além disso, a sitagliptina promoveu um aumento significativo da expressão de PCNA e de VEGF, indicando propriedades pró-proliferativas e pró-angiogénicas, respectivamente. No rim diabético, a sitagliptina preveniu o agravamento das lesões renais, nomeadamente das glomerulares, túbulo-intersticiais e vasculares, e diminuiu a peroxidação lipídica e os níveis de IL-1b e de TNF-a. Concomitantemente, o tratamento com sitagliptina reduziu a razão Bax/Bcl-2, os níveis de proteína Bid e as células TUNEL-positivas no rim dos ratos diabéticos. Em conjunto, estes dados indicam efeitos protectores contra o stresse oxidativo, a inflamação e o estado pró-apoptótico no rim de ratos diabéticos. Em conclusão, neste modelo animal obeso de T2DM (o rato ZDF), a sitagliptina, para além de melhorar o controlo glicémico, exerceu efeitos benéficos ao nível do pâncreas e do rim. Este estudo oferece uma nova perspectiva sobre as acções citoprotectoras da sitagliptina, nomeadamente em relação às suas propriedades anti-apoptóticas, antioxidante, anti-inflamatória e pró-proliferativa. Estas descobertas podem contribuir para o desenvolvimento de novas abordagens para o tratamento da T2DM e da DN.