Circulating ACE2 and kidney disease: modulation of expression and value as a biomarker of atheromatosis progression

Abstract

L’enzim convertidor d’angiotensina (ECA) 2 és una carboxipeptidasa que degrada l’angiotensina (Ang) II en Ang 1-7, contrarestant els efectes vasoconstrictors i deleteris de l’Ang II. L’activitat circulant de l’ECA2 està augmentada en pacients amb malaltia cardiovascular (CV) i en models experimentals de nefropatia diabètica (ND). El bloqueig del sistema renina-angiotensina (SRA) mitjançant inhibidors d’ECA i antagonistes del receptor de l’Ang II (ARAII) ha estat considerat el tractament més utilitzat en pacients amb malaltia renal. No obstant, s’han de desenvolupar noves estratègies terapèutiques per alentir la progressió de la malaltia renal. En aquest sentit, l’anàleg de la vitamina D paricalcitol s’ha postulat com un nou agent terapèutic protector enfront la ND. Donades aquestes premisses, en aquesta tesi s’han proposat dos estudis: a) avaluar el paper de l’activitat circulant de l’ECA2 com a biomarcador de malaltia CV en la malaltia renal crònica (MRC), i b) estudiar el paper del paricalcitol en la modulació de l’ECA2 en un model murí de ND. En l’estudi humà, es va mesurar l’activitat circulant d’ECA2 en mostres de plasma humanes de l’estudi NEFRONA, el qual inclou pacients amb MRC sense història prèvia de malaltia CV. Es van realitzar anàlisis basals i prospectius per avaluar l’associació de l’ECA2 circulant amb variables clíniques i analítiques a nivell basal i amb l’aterosclerosis silent i els events CV als 2 i 4 anys de seguiment. Per l’estudi experimental, ratolins femelles no-obeses diabètiques (NOD) es van incloure en l’estudi després de l’aparició de diabetis i es van dividir en diferents grups de tractament: dosis baixa i dosis alta de paricalcitol, aliskiren i una combinació de paricalcitol amb aliskiren. L’efecte del paricalcitol també es va estudiar en cèl·lules tubulars proximals. L’estudi en humans mostrà: 1) els factors de risc CV, com el sexe masculí, l’edat avançada i la diabetis van ser predictors independents de l’activitat de l’ECA2 en pacients amb MRC; 2) un major nombre de territoris amb placa als 2 anys de seguiment es va associar de manera independent amb major nivells d’activitat circulant basal de l’ECA2; i 3) la regressió de cox va confirmar una associació entre l’activitat circulant basal de l’ECA2 i els events CV i no-CV als 4 anys de seguiment en pacients amb MRC. L’estudi experimental mostrà: 1) el paricalcitol, sol o en combinació amb aliskiren, resultà en una disminució significativa en l’activitat circulant de l’ECA2 en ratolins NOD, sense alteració en la glucèmia; 2) no hi ha canvis significatius en l’excreció urinària d’albúmina; 3) el tractament amb la dosi alta de paricalcitol disminuí significativament el contingut renal d’ADAM17; 4) el tractament amb la dosi alta de paricalcitol disminuí l’estrés oxidatiu renal i circulant; i 5) en l’estudi in vitro, la incubació amb paricalcitol comportà un increment significatiu en l’expressió de l’ECA2. En resum, l’activitat de l’ECA2 pot ser modulada per l’administració de paricalcitol, contrarestant així els efectes de la diabetis sobre l’activitat circulant de l’ECA2. El paricalcitol podria modular l’ECA2 circulant reduint els nivells renals d’ADAM17 i bloquejant així el tall de l’ECA2 de la membrana. En pacients amb MRC sense història prèvia de malaltia CV, l’activitat circulant de l’ECA2 pot servir com a biomarcador d’aterosclerosis silent i d’events CV. Així, l’avaluació clínica de l’activitat circulant de l’ECA2 i dels moduladors d’ECA2 pot ser beneficiós per tractar pacients amb MRC.

Angiotensin-converting enzyme (ACE) 2 is a carboxypeptidase that degrades angiotensin (Ang) II to Ang 1-7, thus counteracting the vasoconstrictor and deleterious effects of Ang II. Circulating ACE2 activity is increased in patients with cardiovascular (CV) disease and in experimental models of diabetic nephropathy (DN). Renin-angiotensin system (RAS) blockade by ACE inhibitors and angiotensin II type 1 receptor blockers (ARBs) have been considered the gold standard treatment in patients with kidney disease. However, there is a need for new therapeutic strategies to slow-down the progression of kidney disease. In this regard, the vitamin D analog paricalcitol has been suggested as a novel therapeutic agent to protect against DN. Given these premises, two studies have been proposed in this thesis: a) to evaluate the role of circulating ACE2 as a biomarker of CV disease in chronic kidney disease (CKD) patients, and b) to study the role of paricalcitol in modulating ACE2 in a mouse model of DN. For the human study, baseline circulating ACE2 activity was measured in human plasma samples from the NEFRONA Study, which includes CKD patients without previous history of CV disease. Baseline and prospective studies were performed to evaluate the association of circulating ACE2 with baseline clinical and analytical variables, and with silent atherosclerosis and CV outcomes during the 2-year and 4-year follow-up. For the experimental study, female non-obese diabetic (NOD) mice were studied after diabetes onset and divided into different treatment groups: low-dose and high-dose paricalcitol, aliskiren and a combination of paricalcitol and aliskiren. The effect of paricalcitol was also studied in proximal tubular epithelial cells. The human study showed: 1) CV risk factors, such as male gender, older age and diabetes were found as independent predictors of ACE2 activity in CKD patients; 2) higher number of territories with plaques at 2 years of follow-up was independently associated with higher levels of baseline circulating ACE2 activity in CKD patients; and 3) cox regression analysis confirmed an association between baseline circulating ACE2 activity and CV and non-CV outcomes at 4 years of follow-up in CKD patients. Within the experimental study: 1) paricalcitol alone or in combination with aliskiren resulted in significantly reduced circulating ACE2 activity in NOD mice, beyond the glycemic profile; 2) there were no significant changes in urinary albumin excretion; 3) renal content of ADAM17 was significantly decreased by treatment with high-dose paricalcitol; 4) renal and circulating oxidative stress were reduced in high-dose paricalcitol-treated mice; and 5) in culture, paricalcitol incubation resulted in a significant increase in ACE2 expression compared with untreated cells. In summary, ACE2 activity can be modulated by administration of paricalcitol, counterbalancing the effect of diabetes on circulating ACE2 activity. Paricalcitol may modulate circulating ACE2 by reducing renal ADAM17 content, thus blocking ACE2 shedding from the membrane. In CKD patients without previous history of CV disease, circulating ACE2 activity can also serve as a biomarker of silent atherosclerosis and CV outcomes. Therefore, clinical assessment of circulating ACE2 levels and ACE2 modulators may be beneficial in treating patients with kidney disease.