Рачунарски модел функције бубрега код пацијента са дијабетесом

Руи Ху ¹и Анита Лејтон^1,2,*

Апстрактан:На почетку дијабетеса,бубрегарасте и брзина гломеруларне филтрације постаје ненормално висока. Ове структурне и хемодинамичке промене утичу на функцију бубрега и могу допринети развоју хроничне болести бубрега. Циљ ове студије је да анализира какобубрегафункција је промењена код пацијената са дијабетесом и бубрежни ефекти антихипергликемијске терапије која инхибира натријум-глукозни котранспортер 2 (СГЛТ2) у проксималним увијеним тубулима.

Да бисмо постигли тај циљ, развили смо рачунарски моделбубрегафункције код пацијената са дијабетесом и спровели симулације за проучавање ефеката дијабетеса и инхибиције СГЛТ2 на транспорт раствора и воде дуж нефрона. Резултати симулације показују да хиперфилтрација изазвана дијабетесом и тубуларна хипертрофија појачавају транспорт На плус, посебно дуж проксималних тубула и дебелих узлазних удова. Ове симулације сугеришу да инхибиција СГЛТ2 може ослабити гломеруларну хиперфилтрацију ограничавањем транспорта На плус-глукозе, подизањем луминалног [Цл一 ] на мацула денса, враћањем тубулогломеруларног повратног сигнала, чиме се смањује брзина гломеруларне филтрације једног нефрона.

Кључне речи:инхибитори СГЛТ2; епителни транспорт; транспорт натријума; транспорт глукозе; натриуреза; диуреза

Контакт:ali.ma@wecistanche.com

Цлицк то Цистанцхе витамин за болест бубрега

1. Представљање

Преваленција дијабетеса расте широм света, тренутно се процењује на 9,3 одсто (463 милиона људи) и очекује се да ће достићи 10,2 одсто (578 милиона) до 2030. и 10,9 одсто (700 милиона) до 2045. године [1]. У развијеним земљама дијабетес типа 2 је међу најчешћим узроцима хроничне болестибубрегаболести [2] и велики доприноси кардиоваскуларним болестима [3]. Иако су путеви који повезују дијабетес са хроничном болешћу бубрега и даље непотпуно схваћени, познато је да дијабетес изазива патофизиолошке промене у бубрезима. На самом почетку дијабетеса,бубрега расте и брзина гломеруларне филтрације (ГФР) постаје супранормална [4]. Ове структурне и хемодинамске промене утичу на функцију бубрега и могу на крају довести до хроничне болести бубрега.

У целом животињском царствубубрезипознати су првенствено по својој функцији филтера, уклањајући метаболички отпад и токсине из крви за излучивање урином. Али код сисара, бубрези су специјализовани да служе разним другим есенцијалним регулаторним функцијама, укључујући воду, електролит и киселинско-базну равнотежу [5]. Код људи, пар одбубрезиналазе се у трбушној дупљи, са по један на свакој страни кичме. Бубрег сисара се може поделити на спољашњи регион (кортекс) и унутрашњи регион (медула). Сваки људски бубрег садржи око милион гломерула, који су скупови капилара од којих сваки прима крв из појединачних аферентних артериола које се гранају од интра-реналних артерија. Подстакнут васкуларним хидростатичким притиском, део воде и растворених материја у тој крви се филтрира кроз гломерул и постаје тубуларна течност нефрона. Нефрони прилагођавају садржај гломеруларног филтрата, путем апсорптивних и секретивних процеса, посредованих мембранским транспортерима и каналима на ћелијама епителних тубула бубрега. Тако,

оно што почиње у гломерулу као ултрафилтрат плазме се трансформише у урин на крају нефрона [5]. Регулација епителних транспортних процеса који усклађују излучивање урина са уносом течности и растворених материја, као и са производњом отпадних производа, предмет је великог експерименталног и теоријског напора [6–9]. Развијени су компјутерски модели за откривање процеса бубрежног транспорта растворених супстанци и воде код људи [10] и пацова, под дијеталним [11–13] и терапијским [14–16] манипулацијама, и у патофизиолошким условима [17–19].

Као што је раније поменуто, дијабетес је главни фактор ризика забубрегаболест. То је један од многих разлога због којих пацијенти са дијабетесом постижу контролу гликемије. Нова класа антихипергликемијских лекова су инхибитори котранспортера натријум-глукозе 2 (СГЛТ2), који појачавају излучивање глукозе у урину и ублажавају постпрандијално повећање глукозе у крви циљајући њену реапсорпцију дуж раних проксималних тубула [20]. Као котранспортер, СГЛТ2 посредује у транспорту глукозе у процесу који је повезан са транспортом На плус; тако, инхибиција СГЛТ2 такође смањује проксимални тубуларни На плус и реапсорпцију течности и индукује натриурезу и диурезу. Заиста, поред свог антихипергликемијског ефекта, пријављено је да инхибитори СГЛТ2 смањују крвни притисак и штите дијабетичаре од срчане инсуфицијенције [21,22]. Бубрежни, метаболички и кардиоваскуларни утицаји инхибиције СГЛТ2 су прегледани у Реф. [23,24].

Раније смо спровели симулације модела да бисмо их истражилибубрегафункција код дијабетеса и бубрежни ефекти инхибиције СГЛТ2 [15–17]. Међутим, рачунарски модел коришћен у тим студијама био је заснован на бубрезима пацова. Као таква, иако су нека предвиђања модела у складу са запажањима код пацијената са дијабетесом, транслациона вредност тих налаза може и даље бити ограничена. Стога је циљ ове студије да анализира функцију бубрега код (људских) пацијената са дијабетесом и ефекте инхибиције СГЛТ2, користећи рачунарски модел људског бубрега који смо недавно објавили [10,25].

2. Резултати

2.1. Функција бубрега код недијабетичких и дијабетичких стања

Упоређујемо транспорт раствора и воде дуж нефрона код недијабетичара и дијабетичарабубрега. Кључни резултати су сумирани на сликама 1 и 2. У овим симулацијама ми опонашамо бубрежне ефекте дијабетеса као што је описано у материјалима и методама. Конкретно, дијабетес изазива гломеруларну хиперфилтрацију и тубулну хипертрофију. Повишена ГФР се рефлектује на оптерећење филтрираним раствором, док се тубуларна хипертрофија одражава у побољшаном транспорту; види доле.

У условима без дијабетеса, у суштини сва филтрирана глукоза се реапсорбује дуж проксималних тубула, при чему проксимални увијени тубул и С3 сегмент реапсорбују 97 процената и 2,6 процената филтриране глукозе, респективно. Погледајте слику 1Ц. У умереним симулацијама дијабетеса, претпоставља се да ће концентрација глукозе у плазми порасти са 5 на 8,6 мм, што заједно са повишеним ГФР даје филтрирано оптерећење од 1,52 мол．даи一1 глукозе. Упркос томе што је филтрирана глукоза приближно удвостручена, транспорт глукозе у проксималним тубулима тек треба да буде преоптерећен, при чему проксимални увијени тубул и С3 сегмент реапсорбују 99,6 процената и 0.4 процената филтриране глукозе, респективно, не остављајући суштински никакву глукозу у урина, у складу са уоченим одсуством глукозурије код пацијената са умереним дијабетесом [26]. У симулацијама тешког дијабетеса, глукоза у плазми је даље повишена на 20 мМ, што резултира оптерећењем филтрираним глукозом од 3,75 мол．даи一1 глукозе, што премашује способност транспорта глукозе проксималног тубула. Предвиђа се да ће фракциона реапсорпција глукозе у проксималним увијеним тубулима и С3 сегменту бити 73,7 процената односно 9,1 процената. Низводни сегменти не поседују значајне транспортне капацитете глукозе. Као такав, дијабетички модел предвиђа апсолутну и фракциону екскрецију глукозе као 0,6 мол．дан一1 и 16 процената, респективно.

У односу на недијабетичаребубрега, умерени дијабетички модел претпоставља повећање ГФР од 10 процената и на тај начин филтрирани На плус, што даје одговарајуће повећање од 10 процената у укупном износу.

На плус транспорт. Повећање реапсорпције На плус највеће је у тубуларним сегментима где дијабетес изазива значајно повећање експресије На плус транспортера. Конкретно, транспорт На плус се повећава за 11,8 процената дуж проксималних увијених тубула, где промене обртног момента изазване хиперфилтрацијом повећавају густину свих трансћелијских транспортера. Дијабетес такође повећава густину НКЦЦ2 у медуларним дебелим узлазним удовима [17], што доводи до повећања реапсорпције На плус за 35 процената. Побољшани транспорт На плус у суштини компензује повећано оптерећење филтрираног На плус код дијабетеса како би се добило излучивање На плус слично као код недијабетичара.бубрега(Слика 2, панели А1–А3). Повишену реапсорпцију На плус прати повећање реапсорпције Цл- и воде (Слика 2, панели Ц3 и Д3). У поређењу са случајем без дијабетеса, предвиђа се да ће излучивање Цл у урину бити 25 процената веће код дијабетеса, док је излучивање урина веће за 35 процената (Слика 2, панели Ц2 и Д2). Слично На плус, веће филтрирано оптерећење К плус повећава његову тубуларну реапсорпцију дуж проксималних тубула и дебелих узлазних удова (Слика 2(Б3)). Ови конкурентни фактори доводе до калиурезе, при чему се предвиђа да ће излучивање К плус бити 48 процената веће код дијабетеса (Слика 2 (Б2)).

У моделу тешког дијабетеса, ГФР и филтрирани На плус се повећавају за 24 процента, што доводи до побољшаног транспорта На плус, посебно за 22,5 процената дуж проксималних тубула и 47,4 процената заједно са дебелим узлазним удовима. Као иу случају умереног дијабетеса, појачан транспорт На плус у суштини компензује повећано оптерећење филтрираног На плус код дијабетеса како би се добило излучивање На плус слично као код недијабетичара.бубрега(Слика 2, панели А1–А3). Предвиђања модела Цл-транспорта су аналогна онима за случај умереног дијабетеса (Слика 2(Ц2)). У поређењу са случајем без дијабетеса, предвиђа се да ће излучивање Цл у урину бити 48,8 процената веће код дијабетеса. Модел предвиђа тежу диурезу, са предвиђањем да ће излучивање урина бити 115 процената веће од недијабетичког случаја (слика 2(Д2)), а тежа калиуреза, са излучивањем К плус, за 63,4 процената већа (слика 2( Б2)).

2.2. СГЛТ2 инхибиција у недијабетичком бубрегу

У окружењу без дијабетеса, утврђено је да блокада СГЛТ2 изазива незнатно смањење ГФР: за 3 процента код недијабетичара који су примали канаглифлозин или дапаглифлозин током 4 дана [17]. Дакле, претпостављамо да је у симулацији акутне инхибиције 3 процента смањења СНГФР свих нефрона. Такође, у окружењу без дијабетеса, пријављено је да блокада СГЛТ2 доводи до излучивања глукозе у урину која износи ~45 процената њене филтриране количине [27]. У овој студији претпостављамо 90 процената инхибиције СГЛТ2 у свим нефронима, што резултира излучивањем 40 процената филтриране глукозе [27]. Модел предвиђа да се мали део (14,5 процената) филтрираног оптерећења глукозом реапсорбује заједно са сегментима проксималних увијених тубула, посредовано преосталим СГЛТ2 и такође преко парацелуларног пута, а 39,7 процената у сегменту С3, од чега већина преко СГЛТ1. Види слику 3.

На сликама 3 и 4, резултати недијабетичара и дијабетичара без блокаде СГЛТ2 (означени са "НД" и "Д") су исти као они на сликама 1 и 2, али су представљени другачије. Уместо стварних вредности, ми нормализујемо брзине филтрирања и сегментног транспорта њиховим одговарајућим вредностима НД. За стопе излучивања, нормализујемо вредностима Д, јер је у условима без дијабетеса излучивање глукозе у суштини нула. Израчунавањем ових односа, можемо боље разумети колико се свака количина мења код дијабетеса након инхибиције СГЛТ2. Међутим, унакрсно поређење (нпр. између филтрирања и излучивања) је бесмислено због њихових различитих референтних вредности.

Размотрите поново резултате недијабетичке инхибиције СГЛТ2. Као што смо претходно описали [16,17], инхибиција СГЛТ2 изазива осмотску диурезу у проксималном тубулу, чиме се смањује пасивни транспорт парацелуларним путем у том сегменту. Висок луминални проток, обрнуто, стимулише активни транспорт (преко повећања експресије трансцелуларног транспортера изазваног обртним моментом [18]), али смањење пасивног транспорта је веће, тако да мрежа

Реапсорпција На плус се смањује у проксималном тубулу, за 10,3 процента. Резултати симулације сугеришу да се смањење транспорта На плус у проксималним тубулима делимично компензује низводно, посебно изван медуларних дебелих узлазних удова (Слика 4(А3)). Повишена реапсорпција На плус дуж спојних тубула је праћена појачаним лучењем К плус (Слика 4(Б3)). Сходно томе, инхибиција СГЛТ2 код дијабетичарабубрегаиндукује диурезу, натриурезу и калиурезу, при чему се излучивање урина повећава за 207 процената, излучивање На плус за 308 процената и излучивање К плус за 184 процената (Слика 4, панели А2–Д2).

2.3. СГЛТ2 инхибиција у дијабетичком бубрегу

Инхибиција СГЛТ2 ублажава хиперфилтрацију смањену код дијабетеса [28]. Дакле, када симулирамо ефекте блокаде СГЛТ2, снижавамо ГФР на његов недијабетички ниво од 151,2 Л．дан一1. Сматрамо акутну примену, тако да се концентрација глукозе у плазми одржава на 8,6 и 20 мМ у умереним и тешким случајевима дијабетеса, респективно. Прво, размотрите транспорт глукозе у случају умереног дијабетеса. Уз горњу претпоставку ГФР, инхибиција СГЛТ2 смањује филтрирано оптерећење глукозе са 1,52 на 1,3 мол．дан一1. Предвиђа се да ће излучивање глукозе бити 0.69 мол．даи一1, односно 53,1 проценат филтриране глукозе. Предвиђено излучивање глукозе је у опсегу пријављених вредности [29]. Проксимални увијени тубул и С3 сегменти реапсорбују 0.23 и 0.38 мол глукозе．дан一1, респективно. За поређење, у одсуству инхибиције СГЛТ2, проксимални увијени тубул и С3 реабсорбују 1,51 и 0,01 мол глукозе．дан一1. Види слику 3.

У случају тешког дијабетеса, предвиђа се да ће излучивање глукозе износити 2.02 мол．даи一1 (Слика 3Б), што одговара 66,8 процената филтриране глукозе, унутар опсега пријављених вредности [29]. Проксимални увијени тубул и С3 сегменти реапсорбују {{10}}.5 и 0,5 мол глукозе．дан一1, респективно, у поређењу са одговарајућом стопом од 2,8 и 0,34 мол глукозе．дан一1 без инхибиције СГЛТ2 ( Слика 3Ц) Важно је напоменути да док постоји секреција глукозе преко тесног споја у одсуству третмана, парацелуларни пут посредује у реапсорпцији глукозе када је СГЛТ2 инхибиран (због веће концентрације глукозе у лумину). Све у свему, ови резултати сугеришу да, са 90 процената инхибиције СГЛТ2, СГЛТ1 једва надокнађује блокаду СГЛТ2 код дијабетеса, јер хипергликемија и повећано тубуларно оптерећење глукозом већ троше пуни транспортни капацитет СГЛТ1 у одсуству инхибиције СГЛТ2.

Предвиђа се да ће инхибиција СГЛТ2 значајно смањити транспорт На плус, првенствено зато што нормализује ГФР и филтрирани На плус оптерећење. Наше симулације сугеришу да, као иу случају без дијабетеса, блокирање СГЛТ2 изазива осмотску диурезу у проксималном тубулу, чиме се смањује парацелуларни транспорт. У ствари, модел предвиђа да је правац парацелуларног транспорта На плус обрнут у С3: захваљујући осмотској диурези, градијент концентрације На плус од лумина до интерстицијала фаворизује секрецију На плус у лумен преко уских спојева. Сходно томе, у случају умереног дијабетеса, излучивање На плус се повећава за 2,2 пута, а излучивање урина за 1,7 пута; у случају тешког дијабетеса, излучивање На плус и излучивање урина се повећавају за 4,9 односно 1,9 пута (Слика 4, панели А2 и Ц2). Већи проток На плус дуж дисталних тубуларних сегмената повећава секрецију К плус, повећавајући излучивање К плус за 1,02 и 1,9 пута, у случајевима умереног и тешког дијабетеса (Слика 4, панели Б2). Предвиђена повећања, посебно у излучивању урина, већа су од пријављених вредности [30]. Прекомерно излучивање урина може довести до смањења запремине, што заузврат активира механизме за смањење производње урина. Ови механизми нису представљени у моделу, што може објаснити предвиђања високог лучења и излучивања урина.

3. Дискусија

Главни циљ ове студије је да прошири рачунарски модел човекабубрегаи да примени тај модел за проучавање ефеката дијабетеса и инхибиције СГЛТ2 на транспорт раствора и воде дуж нефрона. Дијабетес изазива гломеруларну хиперфилтрацију и тубулну хипертрофију [31]. Као последица тога, дијабетес повећава реапсорпцију На плус и глукозе преко натријум-глукозног котранспортера СГЛТ2 у раном проксималном тубулу кортекса бубрега и у мањој мери преко СГЛТ1 у С3 сегменту бубрежне медуле.

Повишена оптерећења транспорта растворених материја и воде доводе до повећања транспорта На плус (ТНа). Претходна студија моделирања пацовабубрега[17] предвидео је повећање укупног ТНа од 50 процената, уз непропорционално повећање активног ТНа (64 процента). Активни ТНа посредује На плус /К плус -АТПаза и захтева потрошњу кисеоника. Дијабетес повећава метаболизам масних киселина, што доводи до смањења метаболичке ефикасности [32], укључујући повећање количине кисеоника потребног за транспорт дате количине На плус. Као резултат тога, предвиђено је да ће се потрошња кисеоника за подршку активном ТНа скоро удвостручити (повећање од 88 процената [17]).

Садашњи човекбубрегамодел предвиђа да се највећа повећања ТНа изазвана дијабетесом дешавају дуж проксималних тубула и дебелих узлазних удова (Слика 2 (А3)). Док се проксимални увијени тубули налазе у добро перфузираном бубрежном кортексу, С3 и дебели узлазни удови се налазе у спољашњој медуларној, где је тензија кисеоника знатно нижа него у кортексу [33,34]. Заиста, познато је да су ови сегменти подложни хипоксичним повредама. Као такво, повећање метаболичке потражње изазвано дијабетесом може бити посебно стресно за ове сегменте. Узети заједно, садашњи модел предвиђа, у случајевима умереног и тешког дијабетеса, 17 процената односно 24 процента, повећање укупног ТНа и повећање активног ТНа за 29,4 процената и 37,5 процената. Степен хипергликемије у случају тешког дијабетеса сличан је моделу пацова [17]. Међутим, садашњи модел предвиђа мањи пораст ТНа. Та разлика се може приписати мањем ГФР изазваном дијабетесом и тиме повећању филтрираног На плус оптерећења код људи. Без обзира на то, већи активни ТНа, заједно са смањењем метаболичке ефикасности изазваним дијабетесом, вероватно доводи до значајног повећања потражње за кисеоником. Без одговарајућег повећања снабдевања кисеоником, већа метаболичка потражња може довести до хипоксије бубрега, за коју се сматра да је важан механизам у развоју дијабетичара.бубрегаболест [35].

Валлон и сарадници су предложили да код раног дијабетеса, појачана реапсорпција дуж проксималних тубула, која се делимично може приписати повећању котранспорта На плус-глукозе, има примарну улогу у повећању СНГФР: појачани проксимални тубуларни транспорт смањује тубулогломеруларни повратни сигнал, тј. луминални [Цл一 ] који детектују ћелије мацула денса, што доводи до повећања СНГФР изазваног повратном спрегом. Та хипотеза "центрична на тубуле" је подржана експериментима микропункцијом на пацовима [36,37]. Предвиђања садашњег човекабубрегамодел су у складу са овом хипотезом усредсређеном на тубуле: предвиђа се да ће појачани проксимални тубуларни транспорт код дијабетеса снизити луминални [Цл一] на мацула денса за 24–27 процената у случају умереног дијабетеса, и за 32–52 процента у случају тешког дијабетеса. дијабетеса, у поређењу са недијабетичаримабубрега, у зависности од типа нефрона. Конкретно, предвиђа се да ће луминални [Цл-] на мацула денса површног нефрона бити 28,3, 21,3 и 18,6 мм код недијабетичара, умереног дијабетеса и тешког дијабетеса, респективно. Ако се ГФР постави на недијабетичке нивое у случајевима умереног и тешког дијабетеса, предвиђени мацула денса луминал [Цл一] би био нижи на 17,7 односно 15,6 мМ. Дакле, ако је тубулогломеруларна повратна информација присутна код човекабубрега, резултујући вазодилатативни сигнал предвиђен код дијабетеса може допринети гломеруларној хиперфилтрацији. Иако је претпостављено да је СНГФР познат а приори у симулацијама, може се дефинисати функција негативне повратне спреге која даје претпостављени СНГФР с обзиром на предвиђени луминал [Цл一 ] на мацула денса.

Штавише, модел предвиђа да, ограничавањем транспорта На плус-глукозе, инхибиција СГЛТ2 значајно повећава мацула денса луминал [Цл一], што онда може да ослаби гломеруларну хиперфилтрацију преко тубулогломеруларне повратне спреге. Конкретно, након примене СГЛТ2 инхибитора моделу умереног дијабетеса, предвиђа се да ће мацула денса луминал [Цл一] дуж ​​површинског нефрона износити 39,2 мМ са претпостављеним ефектом снижавања ГФР, и 51,4 мМ без њега. Одговарајућа предвиђања за модел тешког дијабетеса су 36,4 и 48,1 мМ, респективно, са и без ефекта снижавања ГФР. Слични трендови се примећују у јукстамедуларним нефронима. Ови резултати су у складу са клиничким подацима који показују да је хронична инхибиција СГЛТ2 изазвала смањење еГФР код пацијената са дијабетес мелитусом типа 2, чак и међу онима са хроничном болешћу бубрега [38]. Смањење гломеруларне хиперфилтрације на нивоу појединачног нефрона инхибицијом СГЛТ2 може пружити дугорочне корисне ефекте код дијабетичарабубрега. Једно питање је: У којој мери инхибиција СГЛТ2 смањује цевасти транспорт На плус и потрошњу кисеоника дуж нефрона? Модел предвиђа да ће примена СГЛТ2 инхибитора код дијабетичарабубрегасмањује укупни ТНА за 21,8 процената , али већина тог смањења се дешава преко параћелуларног пута и са активним ТНа смањује се за само 3 процента .

Укратко, развили смо први рачунарски модел детаљног транспорта епитела убубрегапацијента са дијабетесом. Модел предвиђа да слично као код глодара, тубуларна хипертрофија изазвана дијабетесом код људи може допринети гломеруларној хиперфилтрацији преко (хипотетизованог) тубулогломеруларног повратног сигнала [36], што заузврат доводи до великог повећања транспортног оптерећења и метаболичке потражње. Модел се може користити за процену ефеката других уобичајено прописиваних лекова, као што су блокатори система ангиотензина ИИ, на функцију бубрега код дијабетеса, као и за процену степена до којег се ти ефекти претварају убубрегаса смањеним бројем нефрона и поремећеном функцијом.

Важно је напоменути да је садашњи модел усвојио многе претпоставке из абубрегамодел мужјака пацова [14,16,39]. Велики полни диморфизам откривен је у обиљу електролитских транспортера, канала и клаудина код мужјака и женки глодара [40,41]. Налази Веритаса и др. показало је да, у поређењу са нефронима мужјака пацова, нефрони женки пацова показују нижу активност главних транспортера На плус и воде дуж проксималног дела бубрежног тубула (проксимални тубул), што резултира значајно већом фракционом испоруком На плус и воде у низводни нефрон сегменти у женским бубрезима. Заједно са дисталним сегментима нефрона, женкабубрегапоказује већу количину кључних На плус транспортера, у односу на мушкарце, што резултира сличним излучивањем урина између полова. Неке од ових полних разлика у функцији бубрега глодара вероватно се преносе на људе. Познато је да мушкарци имају виши крвни притисак у поређењу са женама истог узраста пре менопаузе [42,43]. С обзиром на кључну улогу бубрега у контроли крвног притиска, уочене полне разлике у преваленцији хипертензије могу се делимично приписати разликама у структури и функцији бубрега [44–46]. Главне разлике између глодара и човекабубрезибез обзира на то, компјутерски модел бубрега жене, инспирисан обрасцем транспорта бубрега код женки глодара [47–49], може бити користан у анализи функције бубрега пацијенткиње са дијабетесом и у идентификацији механизама који објашњавају посматрани пол. разлике у дијабетичкој болести бубрега [50].

4. Материјали и методе

Претходно смо развили модел транспорта растворених материја заснован на епителним ћелијама дуж нефрона човекабубрега[10,25]. У овој студији проширујемо тај модел да симулира дијабетички бубрег. Модел представља шест класа нефрона: површински нефрон, који се окреће на спољно-унутрашњој граници медуле, и пет јукстамедуларних нефрона, који сежу до различитих нивоа унутрашње мождине. Површински нефрони чине 85 процената популације нефрона и простиру се од Бовманове капсуле до папиларног врха. Преосталих 15 процената нефрона су јукстамедуларни нефрони који поседују Хенлеове петље које досежу различите дубине у унутрашњој медули; већина дугих петљи се окреће унутар горње унутрашње мождине. Сваки модел нефрона је представљен као тубул обложен слојем епителних ћелија, са апикалним и базолатералним транспортерима који варирају у зависности од типа ћелије. Модел претпоставља да се спојни тубули сукцесивно спајају унутар кортекса, што резултира односом петље и кортикалног сабирног канала од 10:1 [51]. Моделни сабирни канали пролазе кроз спољашњу медулу, а када стигну до унутрашње мождине, сабирни канали се поново сукцесивно спајају. Шематски дијаграм за модел је приказан на слици 5. У бубрегу без дијабетеса, брзина гломеруларне филтрације једног нефрона (СНГФР) је подешена на 100 и 133 Л/мин за површинске и јукстамедуларне нефроне, респективно. Под претпоставком да у сваком има укупно 1 милион нефронабубрега, ово даје једно-бубрегаГФР од 105 мЛ/мин.

Модел обухвата следећих 15 растворених материја: На плус, К плус, Цл一, ХЦО3一, Х2ЦО3, ЦО2, НХ3, НХ4 плус, ХПО42一, Х2ПО4一, Х плус, ХЦО2一, Х2ЦО2, уреа и глукоза. Модел је формулисан за стабилно стање и састоји се од великог система спрегнутих обичних диференцијалних једначина и алгебарских једначина [10]. Модел решење описује проток луминалне течности, хидростатички притисак, концентрације растворених материја у луминалној течности и, са изузетком сегмента опадајућег екстремитета, концентрације растворених супстанци у цитосолу, мембрански потенцијал и трансћелијске и парацелуларне токове. Параметри модела који описују недијабетичарабубрегаможе се наћи у Реф. [10].

4.1. Транспорт глукозе у проксималним тубулима

У физиолошким условима, филтрирано оптерећење глукозе се у потпуности реапсорбује у проксималном тубулу преко СГЛТ на апикалној страни и олакшавача транспорта глукозе (ГЛУТ) на базолатералној страни. Проксимални увијени тубул изражава транспортер великог капацитета, ниског афинитета СГЛТ2 заједно са базолатералним ГЛУТ2, док сегмент С3 изражава мањи капацитет, транспортер већег афинитета СГЛТ1 и базолатерални ГЛУТ1. Ниво експресије СГЛТ1 је изабран тако да након инхибиције СГЛТ2, недијабетички модел предвиђа СГЛТ1-посредовани транспорт ~60 процената филтриране глукозе [52]. Моделирање глукозе и На плус токова преко СГЛТ2 и СГЛТ1 котранспортера, и флукса глукозе преко ГЛУТ1 и ГЛУТ2 описано је у нашим претходним студијама [14,16,17,39].

4.2. Симулација дијабетичког бубрега

Симулирамо два дијабетичка стања, једно у којем је глукоза у плазми повишена са недијабетичке вредности од 5 мМ на 8,6 мМ (што називамо „умереним дијабетесом“) и друго у којој је глукоза у плазми 20 мМ ( „тешки случај дијабетеса“). Дијабетес изазива хипертрофију бубрега, хиперфилтрацију и промене у експресији транспортера. Дакле, поред повећања концентрације глукозе у плазми, симулирали смо дијабетичка стања повећањем СНГФР-а за 27 и 10 процената [4] у површинским и јукстамедуларним нефронима, респективно, у умереним и тешким случајевима. Да бисмо симулирали тубулну хипертрофију, повећали смо тубуларни пречник и дужину проксималних тубула за 10 процената у умереном случају и за 28 процената у тешким случајевима; и повећали смо пречник и дужину дисталних сегмената за 18 и 7 процената, респективно, у умереном случају, односно за 42 и 7 процената, у тешком случају [17,53]. Штавише, активност СГЛТ2 је повећана за плус 38 процената, ГЛУТ2 за плус 50 процената, а НКЦЦ за плус 10 процената. Активност СГЛТ1 је смањена за 一33 процента. Активност На/К-АТПазе је повећана за плус 10 процената заједно са свим сегментима нефрона, осим дебелог узлазног екстремитета и унутрашњег медуларног сабирног канала. Заједно са дебелим узлазним удовима, активност На/К-АТПазе је повећана за плус 20 процената. За унутрашњи медуларни сабирни канал, активност На/К-АТПазе је повећана за плус 50 процената заједно са почетних 2/3 и плус 150 процената заједно са остатком сегмента у случају умереног дијабетеса и за плус 150 процената дуж цео сегмент код тешког дијабетеса. Трансцелуларна водопропусност је повећана заједно са сегментима кортикалног и унутрашње-медуларног сабирног канала за 55 и 40 процената, респективно [17].

Доприноси аутора:Концептуализација, АЛ; методологија, АЛ; софтвер, РХ; валидација, АЛ и РХ; формална анализа, АЛ и РХ; истрага, АЛ и РХ; ресурси, АЛ; курирање података, АЛ; писање—припрема оригиналног нацрта, АЛ; писање—преглед и уређивање, АЛ и РХ; визуализација, РХ; надзор, АЛ; администрација пројекта, АЛ; аквизиција финансирања, АЛ Сви аутори су прочитали и пристали на објављену верзију рукописа.

Финансирање:Ово истраживање је подржано од стране Канаде 150 Ресеарцх Цхаир програма и Савета за истраживање природних наука и инжењерства Канаде, путем награде Дисцовери (РГПИН-2019-03916) за АЛ

Изјава институционалног одбора за ревизију:Није применљиво.

Изјава о информисаној сагласности:Није применљиво.

Изјава о доступности података:Рачунарски код ће бити јавно доступан након прихватања овог рукописа.

Сукоби интереса:Аутори изјављују да нема сукоба интереса. Финансери нису имали никакву улогу у дизајну студије; у прикупљању, анализи или тумачењу података; у писању рукописа, или у одлуци о објављивању резултата.

Референце

1. Саееди, П.; Петерсохн, И.; Салпеа, П.; Маланда, Б.; Каруранга, С.; Унвин, Н.; Цолагиури, С.; Гуаригуата, Л.; Мотала, АА; Огурцова, К.; ет ал. Процене глобалне и регионалне преваленције дијабетеса за 2019. и пројекције за 2030. и 2045.: Резултати Атласа дијабетеса Међународне федерације за дијабетес. Диабетес Рес. Цлин. Працт. 2019, 157, 107843.

2. Фолеи, РН; Цоллинс, АЈ Завршна бубрежна болест у Сједињеним Државама: ажурирање из Система података о бубрезима Сједињених Држава. Џем. Соц. Непхрол. 2007, 18, 2644–2648.

3. Коие, ДН; Маглиано, ДЈ; Нелсон, РГ; Павков, МЕ Глобална епидемиологија дијабетеса и болести бубрега. Адв. Хронични бубрег Дис. 2018, 25, 121–132.

4. Могенсен, Ц. Брзина гломеруларне филтрације и проток реналне плазме код краткотрајног и дуготрајног јувенилног дијабетес мелитуса. Сцанд. Ј. Цлин. Лаб. Инвестиг. 1971, 28, 91–100.

5. Еатон, ДЦ; Поолер, Ј.; Вандер, АЈ Вандер'с Ренал Пхисиологи, 7тх ед.; МцГрав-Хилл Медицал: Њујорк, Њујорк, САД, 2009.

6. Хоениг, МП; Зеидел, МЛ Хомеостасис, милиеу Интериеур и мудрост нефрона. Цлин. Џем. Соц. Непхрол. 2014, 9, 1272–1281.

7. Дантзлер, ВХ; Паннабецкер, ТЛ; Лаитон, АТ; Лаитон, ХЕ Механизам концентрације урина у унутрашњој медули бубрега сисара: Улога тродимензионалне архитектуре. Ацта Пхисиол. 2011, 202, 361–378. [ЦроссРеф]

8. Палмер, ЛГ; Сцхнерманн, Ј. Интегрисана контрола транспорта На дуж нефрона. Цлин. Џем. Соц. Непхрол. 2015, 10, 676–687.

9. Лаитон, АТ Динамика посредована повратном спрегом у моделу сагласног дебелог узлазног екстремитета. Матх. Биосци. 2010, 228, 185–194.

10. Лаитон, АТ; Лаитон, ХЕ Рачунски модел епителног раствора и транспорта воде дуж људског нефрона. ПЛоС Цомпут. Биол. 2018, 15, е1006108.

11. Веинстеин, АМ Математички модел бубрега пацова: К плус -индукована натриуреза. Сам. Ј. Пхисиол. Ренал Пхисиол. 2017, 312, Ф925–Ф950.

12. Лаитон, АТ; Едвардс, А.; Валлон, В. Руковање бубрежним калијумом код пацова са субтоталном нефректомијом: моделирање и анализа. Ам.Ј. Пхисиол. Ренал Пхисиол. 2017, 314, Ф643–Ф657.

13. Едвардс, А.; Кастроп, Х.; Лагмани, К.; Валлон, В.; Лаитон, АТ Ефекти регулације изоформе НКЦЦ2 на транспорт НаЦл у дебелом узлазном екстремитету и мацула денса: студија моделирања. Сам. Ј. Пхисиол. Ренал Пхисиол. 2014, 307, Ф137–Ф146.

14. Лаитон, АТ; Лагмани, К.; Валлон, В.; Едвардс, А. Транспорт раствора и потрошња кисеоника дуж нефрона: Ефекти инхибитора транспорта На плус. Сам. Ј. Пхисиол. Ренал Пхисиол. 2016, 311, Ф1217–Ф1229.

15. Лаитон, АТ; Валлон, В. СГЛТ2 инхибиција у бубрегу са смањеним бројем нефрона: моделирање и анализа транспорта и метаболизма растворених материја. Сам. Ј. Пхисиол. Ренал Пхисиол. 2018, 314, Ф969–Ф984.

16. Лаитон, АТ; Валлон, В.; Едвардс, А. Моделирање потрошње кисеоника у проксималном тубулу: Ефекти инхибиције НХЕ и СГЛТ2. Сам. Ј. Пхисиол. Ренал Пхисиол. 2015, 308, Ф1343–Ф1357.

17. Лаитон, АТ; Валлон, В.; Едвардс, А. Предвиђене последице дијабетеса и инхибиције СГЛТ на транспорт и потрошњу кисеоника дуж нефрона пацова. Сам. Ј. Пхисиол. Ренал Пхисиол. 2016, 310, Ф1269–Ф1283.

18. Лаитон, АТ; Валлон, В.; Едвардс, А. Адаптиве Цхангес ин ГФР, Тубулар Морпхологи анд Транспорт ин Субтотал Непхрецтомизед Киднеис: Моделинг анд Аналисис. Сам. Ј. Пхисиол. Ренал Пхисиол. 2017, 313, Ф199–Ф209.

19. Сгоуралис, И.; Еванс, РГ; Гардинер, БС; Смитх, ЈА; Фрај, БЦ; Лаитон, АТ Бубрежна хемодинамика, функција и оксигенација током кардиохирургије изведене на кардиопулмоналном бајпасу: студија моделирања. Пхисиол. Реп. 2015, 3, е12260.

20. Лаитон, АТ Сладак успех? СГЛТ2 инхибитори и дијабетес. Сам. Ј. Пхисиол. Ренал Пхисиол. 2018, 314, Ф1034–Ф1035.

21. Неал, Б.; Перковић, В.; Махаффеи, КВ; де Зееув, Д.; Фулцхер, Г.; Еронду, Н.; Схав, В.; Лав, Г.; Десаи, М.; Маттхевс, ДР Цанаглифлозин и кардиоваскуларни и бубрежни догађаји код дијабетеса типа 2. Н. Енгл. Ј. Мед. 2017, 377, 644–657.