Die Rolle von Klotho bei chronischer Nierenerkrankung

Die Klotho-Familie und -Struktur

Klotho-Familienmitglieder umfassen α-, β- und γ-Klotho-Gene basierend auf ihren vorhergesagten Primärsequenzen . β- und γ-klotho wurden basierend auf ihrer Homologie mit α-klotho entdeckt und teilen sich alle ein Single-Pass-Transmembranprotein . β-Klotho wird überwiegend in der Leber exprimiert, kommt aber auch in Niere, Darm und Milz vor und vermittelt die Aktivität von Mitgliedern der Fibroblastenwachstumsfaktor (FGF) -Familie wie FGF-19 und -21 . γ-Klotho wird in Niere und Haut exprimiert und hat undefinierte Funktionen . In dieser Rezension konzentrieren wir uns nur auf α-Klotho; Der Begriff Klotho in den folgenden Absätzen bezieht sich auf α-klotho.

α-Klotho besteht aus fünf Exons, die 1.012 Aminosäuren im menschlichen Protein und 1.014 Aminosäuren im Mausprotein entsprechen (Abb. 1a) . Das Protein besteht aus einer großen extrazellulären Domäne, einschließlich 980 N-terminalen Resten, gefolgt von einer 21-Aminosäure-Transmembrandomäne und einer kleinen Domäne von 11 Resten, die dem intrazellulären C-Terminus entsprechen . Die extrazelluläre Domäne der Membran Klotho besteht aus zwei als Kl1 und Kl2 bezeichneten Wiederholungssequenzen von 440 Aminosäuren, die durch Volllängen-Transkript-Spleißen erzeugt werden und von den Metalloproteinasen ADAM-10 und ADAM-17 gespalten und als lösliches Klotho (gespaltenes Klotho) in den Kreislauf abgegeben werden können (Abb. 1b) . Darüber hinaus wurde angenommen, dass ein alternativ gespleißtes Klotho-mRNA-Transkript für ein sekretiertes Klotho-Protein kodiert, das der Kl1-Domäne entsprechen würde, aber dieses mutmaßliche Protein wurde bisher nicht identifiziert und im menschlichen Serum nicht nachgewiesen; es wurde nur in In-vitro-Systemen beobachtet . Darüber hinaus zeigte eine kürzlich durchgeführte Studie, dass diese alternative Klotho-mRNA durch Nonsense-vermittelten mRNA-Zerfall (NMD) abgebaut wurde, was schließlich zu keiner aktiven Proteintranslation führte . Lösliches Klotho ist die Hauptfunktionsform im Kreislauf und wird in Blut, Urin und Liquor cerebrospinalis nachgewiesen , wobei es seine Funktion als Hormon ausübt. Zusätzlich tritt eine andere funktionelle Form von Klotho auf, die als membrangebundenes Klotho bezeichnet wird und hauptsächlich an der FGF-Rezeptorsignalisierung beteiligt ist.

Die Struktur des Klotho-Gens und -Proteins. a Die Struktur der Klotho-Gene von Menschen und Mäusen. b Die Struktur des Klotho-Proteins. Lösliche Klotho-Proteine werden durch Spleißen von Transkripten in voller Länge an den angegebenen α- und β-Schnittstellen, die die gesamte extrazelluläre Domäne umfassen, oder an den einzelnen Kl1- oder Kl2-Domänen erzeugt

Die Funktion und pathophysiologischen Implikationen von Klotho bei CKD

Co-Rezeptor von FGF23

FGF23 gehört zur FGF-Familie. Viele Studien haben gezeigt, dass FGF23 nicht nur die Harnausscheidung von Phosphat erhöht, sondern auch indirekt die intestinale Phosphatabsorption unterdrückt, indem es die Produktion von 1α,25-Dihydroxyvitamin D3 (1,25 (OH) 2D) herunterreguliert. FGF23 transduziert Signale, indem es an seine Rezeptoren bindet, um nachgeschaltete Signalmoleküle zu phosphorylieren . Es gibt vier verschiedene FGF-Rezeptoren (FGFRs), FGFR1-4; Diese Proteine sind Tyrosinkinase-Rezeptoren und haben eine hohe oder niedrige Affinität für FGFs. Aufgrund des Fehlens einer Heparansulfat-bindenden Domäne benötigt FGF23 Klotho in voller Länge, um das kanonische FGFR in einen spezifischen hochaffinen Rezeptor umzuwandeln, der in Zielgeweben funktioniert . Kürzlich hat die Forschung gezeigt, dass in dem Komplex, der aus der aktiven extrazellulären Domäne von Klotho, der FGFR1C-Ligandenbindungsdomäne und FGF23 besteht, Klotho gleichzeitig FGFR1c durch seine D3-Domäne und FGF23 durch seinen C-terminalen Schwanz bindet, was zu einer Nähe von FGF23-FGFR1c führt und Stabilität verleiht . Somit ist Klotho ein essentieller Co-Rezeptor für die Bindung von FGF23 an seine Rezeptoren.

In proximalen Nierentubuli bindet durch Blut übertragenes FGF23 an FGFR-Klotho-Komplexe und aktiviert direkt die Signale der extrazellulären signalregulierten Kinase (ERK)1/2 und der Serum / Glucocorticoid-regulierten Kinase (SGK) -1. Anschließend phosphoryliert SGK-1 den regulatorischen Na + / H + -Austauschkofaktor (NHERF) -1, um die Membranexpression des wichtigen Natriumphosphat-Cotransporters NaPi-2a herunterzuregulieren, was zu einer Erhöhung der Phosphatausscheidung im Urin führt . Der Verlust der membrangebundenen Klotho-Expression begrenzt die FGF23-stimulierte Signaltransduktion durch FGFR-Klotho-Komplexe. Es wurde gezeigt, dass eine spezifische Deletion von Klotho in proximalen Nierentubuli die renale Phosphatausscheidung in vivo nicht erhöhen konnte , was darauf hindeutet, dass die Wirkung von FGF23 auf die Phosphatausscheidung durch einen proximalen tubulären Klotho-Mangel begrenzt ist. Darüber hinaus unterdrückt FGF23 die renale 1α-Hydroxylase-Expression, das Schlüsselenzym, das für die 1,25 (OH) 2D-Produktion verantwortlich ist, durch einen klotho-abhängigen Signalmechanismus in proximalen Nierentubuli . Darüber hinaus reguliert lösliches Klotho direkt die Phosphorausscheidung in der Niere und ist an der systemischen Mineralhomöostase beteiligt, indem es die 1α-Hydroxylase-Aktivität und die Sekretion von Nebenschilddrüsenhormon (PTH) und FGF23 reguliert . Diese Ergebnisse legen nahe, dass ein Klotho-Mangel die Regulation der FGF23-Produktion einschränkt und Hyperphosphatämie der Hauptregulator der FGF23-Sekretion bei CKD bleibt . Die Wirkung von FGF23 auf Phosphat und 1,25 (OH) 2D ist an FGFR1, FGFR3 und FGFR4, insbesondere FGFR1, beteiligt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass wie bei den Mineralparametern FGF23 und Phosphat erhöht sind, während Klotho und 1,25 (OH) 2D bei CKD insbesondere in frühen Stadien mit Ausnahme von Serumphosphat verringert sind . Diese Veränderungen der Mineralparameter spielen eine zentrale Rolle in der Pathophysiologie der CKD . Insbesondere kann jede Störung der Mineralparameter allein pathogen sein oder die Störung der anderen Parameter antreiben und übertreiben .

Es wurde bereits berichtet, dass lösliches Klotho ein Regulator des transienten Rezeptorpotentials des epithelialen Calciumkanals ist Vannilloid-5 (TRPV5), ein Glykoprotein, das für den Eintritt von Kalzium in kalziumtransportierende Nierenepithelzellen essentiell ist . Es wird angenommen, dass die TRPV5-Regulation durch Klotho wie folgt funktioniert: Lösliches Klotho hydrolysiert spezifisch Zuckerreste aus den Glycanketten an TRPV5, was wiederum TRPV5 in der Membran durch Wechselwirkung der Zuckerreste mit extrazellulärem Galektin stabilisiert . Der zelluläre Sekretionsprozess von Klotho ist jedoch unklar. Kürzlich wurde bei Klotho-Knockout-Mäusen eine Abnahme der renalen Calciumreabsorption und eine renale Membranhäufigkeit von TRPV5 beobachtet, ähnlich dem Befund bei FGF23-Knockout-Mäusen, aber Klotho lokalisiert weder mit TRPV5 noch wird es durch FGF23 reguliert. Vielmehr Andrukhova O et al. unterstützte die Vorstellung, dass die apikale Membranhäufigkeit von TRPV5 in renalen distalen Tubuli und die renale Calciumreabsorption durch FGF23 durch Bindung der FGFR-Klotho-Komplexe reguliert werden . Basierend auf diesen Ergebnissen kann vorgeschlagen werden, dass FGF23 durch Bindung an FGFR-Klotho-Komplexe funktioniert und somit die Calciumreabsorption in distalen Nierentubuli direkt moduliert. Im Gegensatz dazu verringert eine Hypokalzämie (Calciummangel) die zirkulierenden Konzentrationen von FGF23 . Diese Abnahme von FGF23 könnte eine Reaktion sein, die eine nachfolgende Reduktion von Calcitriol vermeidet, die eine Hypokalzämie verschlimmern könnte. Darüber hinaus Andrukhova O et al. es wurde festgestellt, dass FGF23 die Natriumreabsorption in distalen Nierentubuli direkt durch einen Signalmechanismus reguliert, der die FGFR-Klotho-Komplexe und die Aktivierung von ERK1 / 2-, SGK1- und with-no-Lysin-Kinase 4 (WNK4) -Signalkaskaden umfasst, was darauf hindeutet, dass FGF23 auch ein Schlüsselregulator für die renale Natriumreabsorption und das Plasmavolumen ist . Dies könnte den Zusammenhang von FGF23 mit dem kardiovaskulären Risiko bei CKD-Patienten erklären. Aufgrund der Calcium- und Natrium-Disregulation bei Nierenerkrankungen kann die neuartige Verbindung zwischen FGF23 und dem Metabolismus dieser Ionen große pathophysiologische Implikationen bei CKD haben .

Bemerkenswerterweise wurden Membranrezeptoren von löslichem Klotho bisher nicht identifiziert. Eine kürzlich durchgeführte Studie ergab, dass α2-3-Sialyllactose, die im Glykan von Monosialogangliosiden vorhanden ist, ein Rezeptor von löslichem Klotho ist. Lösliches Klotho bindet an Gangliosid-angereicherte Lipid-Rafts, um die PI3K-Signalisierung zu regulieren . Darüber hinaus identifizierte eine andere Studie die wichtigsten Proteinreste in der Kl1-Domäne, die wahrscheinlich an der Bindung an α2-3-Sialyllactose beteiligt sind, die die TRPC6-Kanäle herunterreguliert und vor stressinduzierter Herzhypertrophie schützt . Diese Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse, dass das Targeting von Sialinsäuren ein allgemeiner Mechanismus sein könnte, der den pleiotropen Wirkungen von löslichem Klotho zugrunde liegt.

Entzündungshemmend

Entzündung ist multifaktoriell bei CKD, und diese Krankheit gilt als prototypisches Beispiel für entzündliche Erkrankungen und vorzeitiges Altern . Es gibt viele proinflammatorische Faktoren, die bei CKD allmählich zunehmen, wenn die Nierenfunktion versagt, einschließlich Interleukin (IL) -6, Serum-Fetuin-A und Tumor-Nekrose-Faktor (TNF) . Der Kernfaktor kB (NF-kB) steuert viele zelluläre Prozesse wie antiapoptotische Reaktionen, oxidativen Stress und insbesondere Entzündungsreaktionen . In normalen Situationen befindet sich NF-kB in inaktiver Form im Zytoplasma, verbunden mit seinen Hemmproteinen, die als inhibitorisches kB (IkB) bezeichnet werden. Als Reaktion auf verschiedene Stimuli wie TNF werden zwei Serinreste an den Positionen 32 und 36 im N-terminalen Bereich von IkB phosphoryliert. Diese Phosphorylierung induziert die IkB-Ubiquitinierung durch den E3-IkB-Ubiquitin-Ligasekomplex, wodurch dessen Abbau durch das 26S-Proteosom verursacht wird, was zu einer NF-kB-Translokation in den Kern und zur direkten Aktivierung der nachgeschalteten Gentranskription führt . Eine größere NF-kB-Aktivität erhöht die Expression proinflammatorischer Mediatoren wie Zytokine und Adhäsionsmoleküle. Mehrere Studien haben gezeigt, dass NF-kB eine zentrale Rolle beim Fortschreiten der chronischen Nierenentzündung spielt, wobei die Hemmung von NF-kB die Spiegel mehrerer proinflammatorischer Zytokine und Nierenschäden reduziert .

Eine Studie hat gezeigt, dass es eine bidirektionale Beziehung zwischen Klotho und NF-kB gibt . Einerseits wird die Klotho-Expression durch einen NF-kB-abhängigen Mechanismus herunterreguliert. Reduziertes klotho im Blut und im Urin ist in humanem CKD beobachtet worden. In einem nephrotoxischen Mausmodell mit akuter Nierenschädigung (AKI) war die Klotho-Expression ebenfalls reduziert, und die Blockade des TNF-bedingten schwachen Apoptose-Induktors (TWEAK), der zur TNF-Superfamilie gehört, konnte die Nieren-Klotho-Spiegel wiederherstellen und die Nierenfunktion erhalten. Darüber hinaus verhindert die Hemmung von NF-kB eine durch TWEAK vermittelte Abnahme der Klotho-Spiegel . Daher regulieren proinflammatorische Zytokine wie TWEAK die Expression von Klotho durch einen NF-kB–abhängigen Mechanismus negativ, und NF-kB trägt wesentlich zur Regulation der Klotho-Expression bei .

Andererseits ist Klotho ein entzündungshemmender Modulator, der NF-kB negativ reguliert und folglich zu einer Abnahme der proinflammatorischen Gentransduktion führt. Es wurde berichtet, dass TNF die Expression von vaskulärem Zelladhäsionsprotein 1 (VCAM-1) und interzellulärem Adhäsionsmolekül 1 (ICAM-1) in Endothelzellen erhöht, während Klotho den TNF-induzierten Anstieg der ICAM-1- und VCAM-1-Expression durch Abschwächung der NF-kB-Aktivität unterdrücken kann . Darüber hinaus unterdrückt bei klotho-mutierten Mäusen die exogene Zugabe von löslichem Klotho oder die Überexpression von membranösem Klotho in Gewebekultur die NF-kB-Aktivierung und NF–kB-vermittelte Entzündungszytokine über einen Mechanismus, der die Phosphorylierung von Serin (536) in der Transaktivierungsdomäne von RelA beinhaltet . In ähnlicher Weise hemmt ein Überschuss an Klotho den PDLIM2 / NF-kB-Signalweg, um die Produktion von TNF-α, IL-6 und IL-12 zu verringern und die durch Cyclosporin A induzierte Nephropathie in vivo und in vitro zu verbessern . Darüber hinaus kann Klotho die Proteinexpression der NADPH-Oxidase 2 (Nox2) unterdrücken und oxidativen Stress in glatten Muskelzellen der Rattenaorta abschwächen sowie eine durch Retinsäure induzierbare Gen-I (RIG-I) -vermittelte Entzündung unterdrücken. So kann Klotho als entzündungshemmender Modulator in der Niere wirken.

Schutz vor Gefäßverkalkung und Mineralknochenstörung

Die Gefäßverkalkung (VK) tritt früh im Verlauf der CKD auf, wird jedoch mit zunehmender Verschlechterung der Nierenfunktion viel häufiger, was zu einem starken Risiko für kardiovaskuläre Mortalität und Morbidität bei Patienten mit CKD und ESRD führt . VC kann basierend auf der Gefäßstelle abnormaler Mineralablagerungen klassifiziert werden, einschließlich intimaler Verkalkung, medialer Verkalkung und Klappenverkalkung, die alle in der CKD-Population weit verbreitet sind . Es ist jetzt klar, dass VC ein zellregulierter pathologischer Prozess ist, an dem viele Inhibitoren und Induktoren beteiligt sind . Unter normalen Bedingungen schützen mehrere Inhibitoren vor VC durch Calcium- und Phosphatübersättigung, wie Pyrophosphat, Matrix-Gla-Protein und Fetuin-A. In der CKD-Population ist die Gesamtfunktion zwischen Inhibitoren und Induktoren unausgeglichen, was zum Auftreten von VC in den Gefäßwänden und Klappen führt. Es gibt viele Induktoren von VC bei CKD, einschließlich Hyperkalzämie, entzündlichen Zytokinen und insbesondere Phosphat . Klinische Beweise zeigten, dass die Hochregulierung von Serumphosphat einer von vielen Risikofaktoren für VC in der CKD-Population ist . Darüber hinaus hat eine wachsende Menge experimenteller Forschung den Mechanismus der Phosphat-induzierten VC aufgedeckt, der zeigt, dass PiT-1, das Phosphat-Cotransporter in glatten Gefäßmuskelzellen (SMCs) ist, an der Pathogenese beteiligt ist und VC durch Induktion der SMCs-osteochondrogenen Transformation und Apoptose sowie durch Regulation der Freisetzung und Stabilität extrazellulärer Vesikel fördert . Diese Ergebnisse legen nahe, dass erhöhtes Phosphat ein Hauptinduktor von VC ist.

Das Expressionsniveau von Klotho nimmt bei Patienten mit CKD und Tiermodellen ab und geht mit Nierenerkrankungen einher . Es wurde berichtet, dass ein Klotho-Mangel bei Mäusen mit CKD hohe zirkulierende Phosphat- und VC-Spiegel verursacht. Umgekehrt kann eine Überexpression von Klotho die Phosphaturie verstärken, die Nierenfunktion verbessern und in vivo viel weniger Verkalkung erzeugen sowie die natriumabhängige Aufnahme von Phosphat und die phosphatinduzierte Verkalkung von Ratten-Gefäß-SMCs unterdrücken . Zhang et al. berichtet, dass gespaltenes Klotho-Protein die Phosphat-induzierte Differenzierung menschlicher mesenchymaler Knochenmarkstammzellen in Osteoblasten-ähnliche Zellen in vitro durch Inaktivierung des FGFR1 / ERK-Signalwegs abschwächt . Darüber hinaus verbessert die Hochregulierung der Klotho-Expression durch die Hemmung der Rapamycin-Signalübertragung auch die VC und schützt vor Gefäßerkrankungen bei CKD . Eine weitere Studie zeigte, dass Intermedin 1-53 VC bei Ratten mit CKD abschwächt, indem es die membrangebundene Klotho-Expression in der Gefäßwand hochreguliert . Neuere Studien haben bestätigt, dass die stabile Abgabe von löslichem Klotho chronische Hyperphosphatämie und VC in vitro und in vivo reduzieren kann , und die Aktivierung des Peroxisom-Proliferator-aktivierten Rezeptors γ verstärkte die Expression von Klotho, um Phosphat-induzierte VC in vaskulären SMCs zu hemmen . Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Klotho-Mangel eng mit Hyperphosphatämie und VC assoziiert ist und dass die Verbesserung der Klotho-Aktivität eine schützende Rolle bei Hyperphosphatämie und VC bei CKD spielt.

CKD-Mineral Bone Disorder (MBD) ist eine neu bezeichnete systemische Erkrankung, die früh im Stadium 2 der CKD beginnt und durch abnormale Serumbiochemien einschließlich Hyperphosphatämie und Hyperkalazämie, Knochenerkrankungen und VC gekennzeichnet ist . Die mit CKD verbundenen Ursachen für VC und kardiovaskuläre Mortalität werden teilweise auf CKD-MBD zurückgeführt . Neuere Studien zeigen, dass Faktoren, die an Nierenverletzungen und -reparaturen beteiligt sind und in den Kreislauf freigesetzt werden, zur Pathogenese von CKD-MBD beitragen ; zu diesen Faktoren gehören die Wnt-Signalinhibitoren Dickkopf 1 und Sclerostin sowie Activin A und ActRIIA . Die pathogenen Mechanismen der Komponenten von CKD-MBD umfassen VC, Verlust von Nierenklotho, Hyperphosphatämie, Osteodystrophie, Vitamin-D-Mangel, erhöhte FGF23, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Hyperparathyreoidismus . In dieser Rezension konzentrieren wir uns hauptsächlich auf die Aspekte im Zusammenhang mit Klotho. Wie zuvor beschrieben, ist die Expression von Klotho bei CKD signifikant verringert. Es wurde berichtet, dass diese Abnahme von Klotho teilweise mit Activin- und ActRIIA-Signalen zusammenhängt. Darüber hinaus stimuliert die Aktivierung der ActRIIA-Signalisierung durch Verwendung einer Ligandenfalle für den Rezeptor die Klotho-Spiegel signifikant . Die daraus resultierende Reduktion von Klotho begrenzt die Regulation der FGF23-Produktion und lässt Hyperphosphatämie als Hauptregulator der FGF23-Sekretion bei CKD zurück . Kürzlich haben Forscher festgestellt, dass der Klotho-Verlust ein Schlüsselereignis bei Nieren- und Knochenverletzungen bei CKD-MBD-Mäusen ist, und die endogene Klotho-Wiederherstellung durch Hemmung der Histondeacetylase dämpft CKD-assoziierte Knochenkomplikationen in einem Mausmodell von CKD-MBD . In ähnlicher Weise schützt die rhein-regulierte Klotho-Expression durch Promotorhypermethylierung vor Nieren- und Knochenverletzungen bei Mäusen mit CKD. Wenn Klotho durch RNA-Interferenz niedergeschlagen wird, werden die renalen Schutzwirkungen von Rhein weitgehend aufgehoben . Diese Daten legen nahe, dass ein Klotho-Mangel eng mit der Entwicklung von CKD-MBD verbunden ist und dass die Klotho-Wiederherstellung für die Verbesserung von VC und CKD-MBD von Vorteil ist.

Verbesserung der Nierenfibrose

Die letzte häufige pathologische Manifestation vieler Fälle von CKD ist die Nierenfibrose. Nierenfibrose stellt die erfolglose Wundheilung von Nierengewebe nach chronischer, anhaltender Verletzung dar und ist gekennzeichnet durch Glomerulosklerose, tubuläre Atrophie und interstitielle Fibrose . Das Fortschreiten der CKD wird durch einen Verlust von Nierenzellen und deren Ersatz durch extrazelluläre Matrix (ECM) in den Glomeruli und im Interstitium belegt . Die Pathogenesen der Glomerulosklerose und der tubulointerstitiellen Fibrose sind äußerst ähnlich . Im Wesentlichen führt eine Nierenschädigung zu einer Entzündungskaskade, die die Aktivierung von Makrophagen und die Rekrutierung von T-Zellen umfasst, eine Immunantwort auslöst und eine interstitielle Nephritis verursacht. Dann reagieren verschiedene Zelltypen, einschließlich Makrophagen, T-Zellen und tubuläre Epithelzellen, auf diesen Entzündungsprozess, um profibrotische Mediatoren wie den transformierenden Wachstumsfaktor β (TGF-β) zu produzieren. Unter dem Einfluss von profibrotischen Zytokinen dedifferenzieren sich verletzte tubuläre Epithelzellen und verlieren ihre Polarität und Transporterfunktion, reorganisieren ihr Zytoskelett zu Stressfasern, stören die tubuläre Basalmembran und wandern in das Interstitium, wo sie zunehmende Mengen an ECM synthetisieren, was schließlich zu einer Nierenfibrose führt .

Viele Studien weisen darauf hin, dass TGF-β einer der wichtigsten profibrotischen Regulatoren der Nierenfibrose bei progressiver CKD ist und die Akkumulation von Matrixproteinen stimuliert, um ECM zu induzieren, den Matrixabbau hemmt und die Myofibroblastenaktivierung reguliert . Basierend auf der Rolle von TGF-β wurden viele therapeutische Ansätze, die die Hemmung von TGF-β beinhalten, in experimentellen Modellen von CKD und klinischen Studien getestet, wie z. B. die Verabreichung von neutralisierenden Anti-TGF-β-Antikörpern und kleinen interferierenden RNAs, die auf den TGF-β-Typ-II-Rezeptor abzielen, der strukturelle Nierenverletzungen reduzieren und die Nierenfibrose bei CKD verringern kann . Es wurde berichtet, dass die Klotho-Hemmung die TGF-β1-Expression bei Mäusen mit Nierenfibrose erhöht, die durch einseitige Ureterobstruktion (UUO) induziert wurde, und dass TGF-β1 die Klotho-Expression in kultivierten Nierenepithelzellen verringert, was darauf hindeutet, dass eine verminderte Klotho-Expression die TGF-β1-Aktivität erhöht und dass ein Klotho-Mangel nicht nur eine Ursache, sondern auch eine Folge einer Nierenfibrose bei CKD ist . Im Gegensatz dazu bindet lösliches Klotho-Protein direkt an den TGF-β-Typ-II-Rezeptor und hemmt die TGF-β1-Bindung an Zelloberflächenrezeptoren, wodurch die TGF-β1-Signalgebung bei Mäusen mit UUO-induzierter Nierenfibrose gehemmt wird. Darüber hinaus verringert Klotho die epitheliale Markerexpression und erhöht die mesenchymale Markerexpression, um den TGF-β1-induzierten Übergang von Epithel zu Mesenchym in Nierenepithelzellen zu unterdrücken . Diese Ergebnisse zeigen, dass Klotho die Nierenfibrose durch Hemmung der TGF-β1-Aktivität unterdrücken kann.

Ein weiteres profibrotisches Hauptmolekül heißt Angiotensin II (Ang II); dieses Molekül moduliert die Fibrose durch direkte Auswirkungen auf die Matrix und durch Hochregulierung der Expression anderer Faktoren wie TGF-β , Bindegewebswachstumsfaktor, Plasminogenaktivator-Inhibitor-1 , Tumor-Nekrose-Faktor-α und NF-ĸB . Darüber hinaus haben Daten gezeigt, dass Ang II-induzierte Nierenschäden die Klotho-Expression unterdrücken, während die Induktion der Klotho-Genexpression die Ang II-induzierte Nierenschädigung abschwächt . Darüber hinaus wurde gezeigt, dass lösliches Klotho die Wnt- und IGF-1-Signalübertragung hemmt, was den Übergang von Epithel zu Mesenchym und die Aktivierung von Myofibroblasten fördern kann . Neuere Studien zeigen auch, dass exogenes Klotho das hohe Glucose-induzierte Fibronektin und die Zellhypertrophie über den ERK1 / 2-p38-Kinase-Signalweg verringert, um die diabetische Nephropathie in vitro abzuschwächen, und dass die Verabreichung von Klotho-Protein die renale tubulo-interstitielle Fibrose und die UUO-induzierte Nierenfibrose zumindest teilweise unterdrückt, indem es die grundlegende Fibroblastenwachstumsfaktor-2-Signalgebung in vivo kontrolliert . Diese Ergebnisse erhöhen die Möglichkeit, dass lösliches Klotho als Nierenschutzfaktor gegen Fibrose wirkt, indem es mehrere Signalwege hemmt.

Mögliche Verwendung von Klotho bei chronischer Nierenerkrankung beim Menschen

Ein potenzieller Biomarker für CKD

CKD ist im Frühstadium der CKD nicht leicht zu erkennen und daher ist es sehr schwierig, eine frühzeitige und genaue Diagnose zu stellen. Und es gibt keine Biomarker, die in der Lage sind, leicht, sensitiv, zuverlässig und speziell in Korrelation mit dem Vorhandensein, der Entwicklung und den Komplikationen von CKD gemessen zu werden . Wie zuvor beschrieben, ist ein Nieren-Klotho-Mangel in hohem Maße mit Ionenstörungen, VC, Entzündungen, Nierenfibrose und Mineralknochenstörungen verbunden, die alle Merkmale von CKD sind. Es wurde gezeigt, dass lösliches Klotho im Kreislauf früh im Stadium abnimmt 2 CKD und Urin-Klotho nimmt möglicherweise noch früher ab 1 . Darüber hinaus zeigen Daten, dass ein Klotho-Mangel bei CKD die durch oxidativen Stress induzierte Seneszenz von Nierentubulus- und Gefäßzellen verstärken und zu einer defekten Endothelfunktion und einer beeinträchtigten Vaskulogenese führen kann . Zusammen weisen diese Ergebnisse darauf hin, dass der Klotho-Mangel eng mit der Entwicklung und dem Fortschreiten von CKD und extrarenalen Komplikationen korreliert. Daher scheint ein löslicher Klotho-Mangel ein diagnostisches Potenzial zu haben, das als früher und empfindlicher Biomarker für CKD dient.

Viele Forscher haben die Möglichkeit untersucht, Klotho als Biomarker für CKD zu verwenden. CKD-MBD ist eines der auffälligsten Merkmale im Zusammenhang mit der hohen Morbidität und Mortalität kardiovaskulärer Ereignisse bei CKD und ESRD . Ein abnormaler Mineralstoffwechsel umfasst hohe Serumphosphat-, FGF23- und PTH-Spiegel, die eng mit einem Klotho-Mangel verbunden sind oder sogar durch diesen induziert werden . Klinische Studien bei Patienten mit CKD haben gezeigt, dass lösliches Klotho niedriger als normal ist (519 ± 183 gegenüber 845 ± 330 pg / ml, P < .0001) bei Nierenpatienten, und lösliches Klotho korreliert positiv mit Serumcalcium und negativ mit Serumphosphat, PTH und FGF23, was darauf hindeutet, dass lösliches Klotho die daraus resultierende tubuläre Resistenz gegen FGF23 widerspiegeln könnte, was ein früher Marker für CKD-MBD sein könnte . Kürzlich schlug eine andere klinische Studie vor, dass lösliches Klotho unabhängig von FGF-23, das ein Marker für die Phosphat-Reabsorption sein kann, signifikant mit der Phosphat-Reabsorption assoziiert ist . Daher scheint lösliches Klotho ein Marker für Störungen des Phosphat- und Knochenstoffwechsels bei CKD zu sein.

Die GFR, der Goldstandard zur Beurteilung der Nierenfunktion, ist bei CKD signifikant erniedrigt . Klinische und experimentelle Studien haben gezeigt, dass diese signifikante Abnahme von Klotho in den Nieren positiv mit der geschätzten GFR (eGFR) in CKD-Proben assoziiert ist . Mehrere andere Studien haben die positive Korrelation zwischen Klotho-Spiegeln (in Serum und Urin) und eGFR bei erwachsenen Patienten mit CKD bestätigt . Darüber hinaus sind sowohl Serum- als auch Urin-Klotho-Spiegel unabhängig mit eGFR bei Patienten mit CKD assoziiert . Eine andere Studie zeigte, dass die Serum-Klotho-Spiegel mit fortschreitendem CKD-Stadium progressiv niedriger sind, mit einer angepassten mittleren Abnahme von 3,2 pg / ml für jede 1 ml / min / 1,73 m2 eGFR-Abnahme . Konsistent wurde eine ähnliche positive Korrelation zwischen Plasma-Klotho-Spiegeln und eGFR bei Kindern mit CKD gezeigt . Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Abnahme von löslichem Klotho eine eGFR-Abnahme bei Patienten mit CKD widerspiegeln kann.

Einige Forscher erzielten jedoch nachteilige Ergebnisse. Sarah Seiler et al. analysierte eine große Kohorte von 312 Patienten mit CKD im Stadium 2-4 und stellte fest, dass die Plasma-Klotho-Spiegel bei diesen Patienten nicht signifikant mit eGFR oder anderen Calcium-Phosphat-Metabolismusparametern assoziiert waren . In ähnlicher Weise waren in einer prospektiven Beobachtungsstudie unter 444 Patienten mit CKD-Stadien 2-4 die Klotho-Spiegel nicht signifikant mit den kardiovaskulären Ergebnissen verbunden . Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Klotho-Plasmaspiegel nicht mit der Nierenfunktion zusammenhängen und kein unerwünschtes Ergebnis bei Patienten mit CKD vorhersagen. Es kann zwei Gründe für diese widersprüchlichen Daten geben. Einer ist das Alter. In: Yamazaki et al. schlug vor, dass lösliche Klotho-Spiegel mit dem Alter korrelieren, wobei festgestellt wurde, dass die Klotho-Spiegel bei Kindern höher sind (Durchschnittsalter 7,1 ± 4,8 Jahre) als bei Erwachsenen . Shimamura et al. es wurde auch über signifikant niedrigere Klotho-Spiegel bei CKD-Patienten im Stadium 2-5 berichtet als bei CKD-Patienten im Stadium 1. Darüber hinaus basierte dieser Befund weitgehend auf Daten von vier jungen Personen mit normalem eGFR und extrem hohen Klotho-Spiegeln, während die Klotho-Spiegel bei den übrigen Teilnehmern keinen nachteiligen Ausgang der CKD vorhersagten . Darüber hinaus ergab eine kürzlich durchgeführte klinische Studie, dass ein Allel des G-395A-Klotho-Genpolymorphismus bei Kindern mit CKD eine signifikant höhere Häufigkeit aufweist, was darauf hindeutet, dass dieses mutierte Allel von Klotho als Risikomarker für die Entwicklung von ESRD und als Prädiktor für CVD bei Kindern verwendet werden kann . Ein weiterer Grund können die Unterschiede in der Stichprobengröße sein. Die Ergebnisse einiger Studien mit kleinen Kohorten von CKD-Patienten unterschieden sich von denen einer großen Kohorte . Die Idee eines Rückgangs der Klotho-Spiegel mit eingeschränkter Nierenfunktion wurde durch kleinere Studien weiter bestritten .

Obwohl die Ergebnisse der Beziehungen zwischen zirkulierenden Klotho-Spiegeln und Ergebnissen von CKD widersprüchlich sind, sind drei häufig verwendete kommerzielle Immunoassay-Produkte zur Messung löslicher Klotho-Konzentrationen erhältlich von IBL (IBL International GmbH, Hamburg, Deutschland), Cusabio (Cusabio Biotech, Wuhan, China) und USCN (USCN Life Science Inc., Wuhan, China) . Nur das IBL-Kit liefert Informationen zur Epitopspezifität . Forscher haben jedoch festgestellt, dass diese Assays eine schlechte Leistung aufwiesen, einschließlich eines Mangels an Einheitenstandardisierung bei Auslesungen, und die Assays müssen verbessert werden, um genaue Ergebnisse zu liefern, bevor sie zuverlässige Schlussfolgerungen liefern können .

Als mögliche Behandlungsstrategie für CKD

Obwohl die Ursachen für CKD multifaktoriell sind, ist ein Klotho-Mangel signifikant mit der Entwicklung und dem Fortschreiten von CKD und extrarenalen Komplikationen verbunden. Viele klinische und Tierstudien haben vorgeschlagen, dass, wenn der Klotho-defiziente Zustand bei CKD gerettet wird, die Nierenfunktion, morphologische Läsion und Komplikationen von CKD offensichtlich verbessert werden . Beispielsweise schwächte die Verabreichung von löslichem Klotho-Protein die UUO-induzierte Nierenfibrose signifikant ab und unterdrückte die Expression von Fibrosemarkern und TGF-β1-Zielgenen wie Snail und Twist . Darüber hinaus verband Klotho intermedin 1-53 mit der Unterdrückung von VC bei CKD-Ratten , und eine Klotho-Supplementierung unterdrückte das Renin-Angiotensin-System, um die Adriamycinnephropathie zu verbessern. Darüber hinaus schien das Klotho-Protein den epithelial-mesenchymalen Übergang durch Hemmung der TGF-β- und Wnt-Signalübertragung zu unterdrücken . Daher kann ein Klotho-Mangel nicht nur ein pathogenes Zwischenprodukt bei der Beschleunigung des Fortschreitens der CKD sein, sondern auch einen wesentlichen Beitrag zu chronischen Komplikationen wie CKD-MBD und Herz-Kreislauf-Erkrankungen bei CKD leisten. Denkbar ist jede Therapie, die das Klotho-Niveau durch Supplementierung mit exogenem Klotho und / oder die Hochregulierung der endogenen Klotho-Produktion wiederherstellt könnte eine neuartige Behandlungsstrategie für CKD sein .

Mehrere Methoden hängen von verschiedenen Mechanismen ab, um die Klotho-Expression zu erhöhen (Tabelle 1) ; Dazu gehören: (1) Demethylierung. Die Methylierung des Klotho-Genpromotors reduziert seine Aktivität um 30% bis 40%, während die DNA-Demethylierung die Klotho-Expression um das 1,5- bis Dreifache erhöht . (2) Deacetylierung. Die Daten zeigen, dass die TNF- und TWEAK-induzierte Herunterregulierung der Klotho-Expression in den Nieren- und Nierenzelllinien durch die Hemmung der Histondeacetylase abgestumpft werden kann . (3) Drogen. Es wurde gezeigt, dass mehrere auf dem Markt befindliche Arzneimittel die Klotho-Expression in vivo und / oder in vitro hochregulieren, einschließlich PPAR-γ-Agonisten , Angiotensin II-Typ-I-Rezeptorantagonisten , Vitamin D-aktive Derivate und Intermedin . (4) Klotho Gen Lieferung. Es wurde gezeigt, dass die Klotho-Genübertragung durch einen viralen Träger mehrere pathophysiologische Phänotypen bei Klotho-defizienten Mäusen wirksam verbessert , wodurch das Fortschreiten von Nierenschäden in Rattenmodellen verhindert und die VC- und Endothelfunktion bei CKD verbessert wird . (5) Verabreichung von löslichem Klotho-Protein. Die Erhöhung der zirkulierenden Klotho-Spiegel durch die Verabreichung von löslichem Klotho-Protein, der gespaltenen extrazellulären Domäne der Membran Klotho in voller Länge, ist direkter, sicherer und eine einfachere Modalität zur Wiederherstellung des endokrinen Klotho-Mangels . Tierstudien haben gezeigt, dass die Bolusverabreichung von löslichem Klotho-Protein ein sicheres und wirksames Mittel zum Schutz vor Nierenschäden und zur Erhaltung der Nierenfunktion ist .