Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8697
Main Title: The calcineurin inhibitor cyclosporine A activates the renal Na-(K)-Cl cotransporters via local and systemic mechanisms
Translated Title: Der Calcineurin-Inhibitor Cyclosporin A aktiviert die renalen Na-(K)-Cl-Kotransporter über lokale und systemische Mechanismen
Author(s): Blankenstein, Katharina Ilse
Advisor(s): Bachmann, Sebastian
Lauster, Roland
Referee(s): Bachmann, Sebastian
Lauster, Roland
Meyer, Vera
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The two calcineurin inhibitors (CNIs) cyclosporine A (CsA) and tacrolimus are potent immunosuppressive drugs that have become indispensable in the post-transplantational therapy and in the treatment of autoimmune diseases. Immunosuppression via CNIs is achieved by inhibition of the calcineurin phosphatase and thus blocking the signaling pathway of NFAT (nuclear factor of activated T cells), thereby inhibiting T cell immune response. However, chronic use of CNIs is complicated by serious side effects which particularly affect the kidney, reflected by a large number of patients who develop electrolyte disorders, hypertension and renal failure under CNI treatment. The mechanisms of CNI-induced salt retention and hypertension are complex, involving not only intraepithelial but also systemic effects. Since calcineurin inhibition is associated with activation of the renal Na+-K+-2Cl- cotransporter (NKCC2) and the Na+-Cl-cotransporter (NCC) that are expressed in the thick ascending limb (TAL) and the distal convoluted tubule (DCT) of the nephron, respectively, it has been suggested that the calcineurin phosphatase is involved in the regulation of the salt transporters. Interestingly, previous studies have demonstrated that CsA increases both NKCC2 and NCC activity, whereas tacrolimus merely stimulates NCC function. This study aimed to unravel the local and systemic mechanisms underlying calcineurin inhibition that lead to salt retention and hypertension. We found that key proteins involved in calcineurin inhibition and the activation of NKCC2 and NCC are ubiquitously expressed along TAL and DCT. These results indicate that the distinct effects of CsA and tacrolimus on the activation of the salt transporters do not arise from differential expression of these key proteins, so that systemic mechanims might play a role. Thus, we sought to differentiate between local and systemic effects of CsA treatment by applying short- and long-term treatment protocols in vivo and in vitro. We analyzed physiological changes induced by CsA treatment and studied the role of endocrine factors such as the hormone arginine vasopressin (AVP). We show that CsA-induced activation of NKCC2 and NCC and their activating kinases chiefy occurs via post-translational modifcation by phosphorylation/dephosphorylation reactions. We further found that CsA-induced activation of NKCC2, but not NCC, requires AVP signaling. In a pilot study on NCC knockout mice we show that CsA treatment, unlike tacrolimus, might induce high blood pressure regardless of NCC activity. These findings provide evidence for the major role of NKCC2 in CsA-induced hypertension. In summary, the results of this study demonstrate that CsA-induced activation of NKCC2 and NCC and their activating kinases chiefly occurs at the post-translational level via increased phosphorylation. In DCT cells, local calcineurin inhibition is sufficient to induce NCC activation, whereas NKCC2 activation appears to require additional stimulation by AVP. Our data further suggest a pivotal role of NKCC2 in CsA-induced hypertension. Altogether, this study contributes to a better understanding of CNI-induced salt retention and hypertension and can help improve blood pressure control.
Die Calcineurin-Inhibitoren (CNI) Cyclosporin A (CsA) und Tacrolimus sind hochwirksame immunsuppressive Substanzen, die in der Posttransplantationstherapie und in der Behandlung verschiedener Autoimmunerkrankungen unverzichtbar geworden sind. Die durch CNI ausgelöste Immunsuppression wird über die Inhibition der Calcineurinphosphatase vermittelt. Dies führt zur Blockade des NFAT (nuclear factor of activated T cells)-Signalwegs und somit zur Inhibierung der T-Zell-Immunantwort. Allerdings wird die chronische CNI-Gabe durch ernsthafte Nebenwirkungen erschwert, die insbesondere die Niere betreffen. Dies spiegelt sich in der großen Anzahl an Patienten wieder, die unter CNI-Behandlung Störungen im Elektrolythaushalt, Bluthochdruck und Nierenversagen entwickeln. Die Mechanismen, die zu CNI-induzierter Salzretention und Bluthochdruck führen, sind komplex und umfassen neben intraepithelialen auch systemische Effekte. Weil die Calcineurin-Inhibition mit einer Aktivierung der renalen Na+-K+-2Cl-- (NKCC2) und Na+-Cl--Kotransporter (NCC) in Zusammenhang steht, die jeweils in der dicken aufsteigenden Henle-Schleife (TAL) und dem distalen Konvolut (DCT) des Nephrons exprimiert sind, vermutet man, dass die Calcineurinphosphatase in die Regulation der Salztransporter involviert ist. Interessanterweise haben frühere Studien gezeigt, dass CsA die Aktivität von NKCC2 und NCC steigert, während Tacrolimus nur die NCC-Funktion stimuliert. Die vorliegende Arbeit hatte daher zum Ziel, die lokalen und systemischen Mechanismen der Calcineurin-Inhibition aufzudecken, die zu Salzretention und Bluthochdruck führen. Die von uns untersuchten Schlüsselproteine, die in die Calcineurin-Inhibition und die Aktivierung von NKCC2 und NCC involviert sind, zeigten sich entlang dem TAL und dem DCT ubiquitär exprimiert. Diese Ergebnisse wiesen darauf hin, dass die unterschiedliche Wirkung von CsA und Tacrolimus hinsichtlich der Aktivierung der Salztransporter nicht auf einer differentiellen Expression dieser Schlüsselproteine beruht. Stattdessen könnten systemische Mechanismen eine Rolle spielen. Deshalb untersuchten wir im nächsten Schritt lokale und systemische Effekte der CsA-Behandlung mittels Kurz- und Langzeitbehandlungen am in vivo- und in vitro-Modell. Hierbei ermittelten wir die durch CsA induzierten physiologischen Änderungen und untersuchten die Rolle endokriner Faktoren wie dem Hormon Arginin-Vasopressin (AVP). Wir konnten zeigen, dass die CsA-induzierte Aktivierung von NKCC2 und NCC sowie ihrer regulierenden Kinasen hauptsächlich auf posttranslationaler Modifizierung via Phosphorylierungs-/Dephosphorylierungsreaktionen beruht. Außerdem zeigen wir, dass für die CsA-induzierte Aktivierung von NKCC2 die Stimulation durch AVP notwendig ist, während für die Aktivierung von NCC die lokale Calcineurin-Inhibierung ausreichend ist. In einer Pilotstudie an NCC-Knockout-Mäusen liefern wir zudem Hinweise dafür, dass CsA, im Gegensatz zu Tacrolimus, trotz Abwesenheit von NCC zu Bluthochdruck führt. Diese Ergebnisse deuten auf eine entscheidende Rolle von NKCC2 in der Entstehung von CsA-induziertem Bluthochdruck hin. Zusammengefasst demonstriert die vorliegende Arbeit, dass die CsA-induzierte Aktivierung von NKCC2 und NCC sowie ihrer regulierenden Kinasen hauptsächlich auf der posttranslationalen Ebene über eine Hochregulation der Phosphorylierung abläuft. In DCT-Zellen genügt für die Aktivierung von NCC die lokale Calcineurin-Inhibition, während die NKCC2-Aktivierung in TAL-Zellen einer zusätzlichen Stimulation durch AVP bedarf. Unsere Ergebnisse lassen auf eine Schlüsselrolle von NKCC2 bei CsA-induziertem Bluthochdruck schließen. Insgesamt tragen diese Daten zu einem besseren Verständnis von CsA-induzierten Störungen des Elektrolythaushalts und Hypertonie bei und können einen Beitrag zur Verbesserung der Behandlung von Bluthochdruck liefern.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9651
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8697
Exam Date: 12-Jul-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 9-Sep-2019
DDC Class: 570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): hypertension
salt transport
sodium-chloride cotransporter
sodium-potassium-chloride cotransporter
vasopressin
Hypertonie
Salztransport
Natrium-Chlorid-Kotransporter
Natrium-Kalium-Chlorid-Kotransporter
Vasopressin
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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