Effect of sex on experimental diabetic nephropathy and the renin-angiotensin system. Role of ACE2

Abstract

El sexe masculí incrementa la incidència, prevalença i progressió de la malaltia renal crònica (MRC). No obstant, l'efecte de les hormones sexuals en la nefropatia diabètica (ND) està poc estudiat. El sistema renina-angiotensina (SRA) és un important regulador de la funció cardíaca i renal. Dins d’aquest sistema, l’enzim convertidor d’angiotensina 2 (ECA2) exerceix un rol protector degradant angiotensina II (ANGII) i prevenint els seus efectes deleteris. El SRA està alterat en diabetis, i juga un paper crític en el desenvolupament de la ND. S’ha demostrat que la resposta al bloqueig del SRA varia segons el sexe. Així doncs, el dimorfisme sexual observat en la ND pot estar relacionat amb regulacions sexe-específiques del SRA circulant i renal. El nostre objectiu va ser estudiar l’efecte del sexe en marcadors de dany glomerular i tubular en un model de diabetis mellitus tipus 1, els ratolins induïts amb estreptozotocina (STZ), i la seva relació amb canvis sexe-específics en el SRA. També ens vam proposar avaluar la influencia de la reducció d’andrògens per gonadectomia (GDX), la delecció d’Eca2, i la infusió d’ANGII en aquest efecte. En el nostre model, l’administració d’STZ dugué a l’aparició hiperglucèmia, pèrdua de pes, hipertròfia renal i glomerular, hiperfiltració, poliúria, albuminúria, expansió mesangial, pèrdua podocitària i fibrosi cortical. La severitat d’aquestes alteracions va diferir entre sexes. Els mascles diabètics van presentar un empitjorament més important en els paràmetres glomerulars estudiats, incloent albuminúria, hiperfiltració, hipertròfia glomerular, i expansió de la matriu mesangial. Les hormones sexuals masculines jugaren un paper directe en aquesta accentuació del dany glomerular, ja que la GDX va prevenir totes aquestes alteracions. Estudis en ratolins Eca2 knockout van revelar que el rol d’ECA2 en la ND depenia del sexe. En femelles, la pèrdua d’ECA2 va agreujar la progressió de la ND a través d’un empitjorament en l’albuminúria, la hipertròfia renal i la fibrosi cortical. En mascles, la pèrdua d’ECA2 incrementà la pressió arterial i accentuà el dany glomerular i la fibrosis renal, i la GDX va prevenir aquestes alteracions modulant l’expressió del SRA renal i circulant i reduint la fosforilació d’Akt en còrtex. En context d’hipertensió experimental, la pèrdua d’ECA2 accentuà la hipertròfia cardíaca, hipertensió, albuminúria, i hipertròfia glomerular induïdes per ANGII en femelles diabètiques, i empitjorà la hipertròfia renal, expansió mesangial i pèrdua de podòcits en mascles diabètics. El dimorfisme sexual observat en la ND experimental es va acompanyar d’una regulació sexe-específica dels mecanismes compensatoris del SRA. En la part in vitro d’aquest projecte, vam dur a terme proteòmica basada en la tècnica del SILAC. Aplicant aquesta metodologia a cèl·lules humanes de túbul proximal incubades amb hormones sexuals, vam descobrir una connexió entre la dihidrotestosterona i pertorbacions en el metabolisme de la glucosa i de lípids en aquestes cèl·lules. Els corresponents estudis de validació confirmaren que el sexe masculí alterà el metabolisme energètic en el ronyó diabètic, en associació amb un augment de la hipertròfia renal i els nivells d’estrès oxidatiu. En el present treball demostrem un fort efecte del sexe en la progressió de la ND, així com un dimorfisme sexual en l’efecte renoprotector de l’ECA2. Aquestes troballes probablement contribuiran a un millor coneixement sobre les diferències de sexe en la malaltia renal diabètica, i de la seva relació amb la desregulació del SRA.

El sexo masculino incrementa la incidencia, prevalencia y progresión de la enfermedad renal crónica (ERC). No obstante, el efecto de las hormonas sexuales en la nefropatía diabética (ND) está poco estudiado. El sistema renina-angiotensina (SRA) es un importante regulador de la función cardiaca y renal. Dentro de este sistema, el enzima convertidor de angiotensina 2 (ECA2) ejerce un rol protector degradando angiotensina II (ANGII) y previniendo sus efectos deletéreos. El SRA está alterado en diabetes, y juega un papel crítico en el desarrollo de la ND. Se ha demostrado que la respuesta al bloqueo del SRA varía según el sexo. Así pues, el dimorfismo sexual observado en la ND puede estar relacionado con regulaciones sexo-específicas del SRA circulante y renal. Nuestro objetivo fue estudiar el efecto del sexo en marcadores de daño glomerular y tubular en un modelo de diabetes mellitus tipo 1, los ratones inducidos con estreptozotocina (STZ), y su relación con cambios sexo-específicos en el SRA. También nos propusimos evaluar la influencia de la reducción de andrógenos por gonadectomía (GDX), la delección de Eca2, y la infusión de ANGII en éste efecto. En nuestro modelo, la administración de STZ llevó a la aparición hiperglucemia, pérdida de peso, hipertrofia renal y glomerular, hiperfiltración, poliuria, albuminuria, expansión mesangial, pérdida de podocitos y fibrosis cortical. La severidad de estas alteraciones difirió entre sexos. Los machos diabéticos presentaron un empeoramiento más importante en los parámetros glomerulares estudiados, incluyendo albuminuria, hiperfiltración, hipertrofia glomerular, y expansión de la matriz mesangial. Las hormonas sexuales masculinas jugaron un papel directo en esta acentuación del daño glomerular, ya que la GDX previno todas estas alteraciones. Estudios en ratones Eca2 knockout revelaron que el rol de ECA2 en la ND dependía del sexo. En hembras, la pérdida de ECA2 agravó la progresión de la ND a través de un empeoramiento en la albuminuria, la hipertrofia renal y la fibrosis cortical. En machos, la pérdida de ECA2 incrementó la presión arterial y acentuó el daño glomerular y la fibrosis renal, y la GDX previno estas alteraciones modulando la expresión del SRA renal y circulante y reduciendo la fosforilación de Akt en córtex. En contexto de hipertensión experimental, la pérdida de ECA2 acentuó la hipertrofia cardíaca, hipertensión, albuminuria, e hipertrofia glomerular inducidas por ANGII en hembras diabéticas, y empeoró la hipertrofia renal, expansión mesangial y pérdida podocitaria en machos diabéticos. El dimorfismo sexual observado en la ND experimental se acompañó de una regulación sexo-específica de los mecanismos compensatorios del SRA. En la parte in vitro de este proyecto, realizamos proteómica basada en la técnica del SILAC. Aplicando esta metodología en células humanas de túbulo proximal incubadas con hormonas sexuales, descubrimos una conexión entre la dihidrotestosterona y perturbaciones en el metabolismo de la glucosa y de lípidos en estas células. Los correspondientes estudios de validación confirmaron que el sexo masculino alteró el metabolismo energético en el riñón diabético, en asociación con un aumento de la hipertrofia renal y los niveles de estrés oxidativo. En el presente trabajo demostramos un fuerte efecto del sexo en la progresión de la ND, así como un dimorfismo sexual en el efecto renoprotector del ECA2. Estos hallazgos probablemente contribuirán a un mejor conocimiento sobre las diferencias de sexo en la enfermedad renal diabética, y su relación con la desregulación del SRA.

Male sex increases the incidence, prevalence, and progression of chronic kidney disease. However, little is known about the effect of sex hormones in diabetic nephropathy (DN). The renin-angiotensin system (RAS) is an important regulator of cardiovascular and renal function. Within this system, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) plays a protective role by degrading angiotensin II (ANGII) and preventing its deleterious downstream events. RAS is altered in diabetes, and plays a critical role in the development DN. Sex differences in the renal response to RAS blockade have been demonstrated. Thus, the sexual dimorphism in DN may be related to sex-specific regulations of circulating and renal RAS. Our objective was to study the effect of sex on glomerular and tubular injury markers in a model of type 1 diabetes mellitus, the streptozotocin(STZ)-induced mice, and its relationship with sex-specific changes of RAS. We also aimed to evaluate the influence of androgen reduction by gonadectomy (GDX), Ace2 deletion, and ANGII infusion on this effect. In our model, STZ administration led to hyperglycemia, body weight loss, renal and glomerular hypertrophy, hyperfiltration, polyuria, albuminuria, mesangial expansion, podocyte loss and cortical fibrosis. The severity of these renal alterations differed between sexes. Diabetic males presented a more important worsening in all the glomerular hallmarks of DN studied, including albuminuria, hyperfiltration, glomerular hypertrophy, and mesangial matrix expansion. Male sex hormones played a direct role in this accentuated glomerular injury, as GDX prevented all these alterations. Studies in Ace2 knockout mice revealed that the role of ACE2 in DN was sex-specific. In females, loss of ACE2 aggravated DN progression by worsening albuminuria, renal hypertrophy and cortical fibrosis. In males, loss of ACE2 increased blood pressure and accentuated glomerular injury and renal fibrosis, and GDX prevented these alterations by modulating the expression of renal and circulating RAS and decreasing cortical Akt phosphorylation. In the context of experimental hypertension, loss of ACE2 accentuated ANGII-induced cardiac hypertrophy, hypertension, albuminuria, and glomerular hypertrophy in diabetic females, as well as exacerbated ANGII-mediated glomerular hypertrophy, mesangial expansion and podocyte loss in diabetic males. Sexual dimorphism in experimental DN was accompanied by a sex-specific regulation of the compensatory mechanisms of RAS. In the in vitro part of this project, we performed SILAC-based proteomics in proximal tubular epithelial cells incubated with sex hormones, and discovered a novel link between dihydrotestosterone and impaired glucose and lipid metabolism in these cells. Further validation studies confirmed that male sex altered energy metabolism in the diabetic kidney, in association with increased renal hypertrophy and oxidative stress levels. In this work we demonstrate a strong effect of sex in DN progression, as well as a sex-specific renoprotective role of ACE2. With our findings, we aim to improve the understanding of the sexual dimorphism in diabetic kidney disease, and its relation with the dysregulation of RAS.