Paracellular epithelial sodium transport maximizes energy efficiency in the kidney

腎小管上皮細(xì)胞旁途徑鈉轉(zhuǎn)運(yùn)可最大化腎臟能量利用效率

來源：Journal of Clinical Investigation, Volume 126, Issue 7, 2016, Pages 2509-2518

《臨床研究雜志》第126卷第7期，2016年，第2509-2518頁

 

 

摘要

論文摘要指出，腎臟的高效氧利用可能由旁細(xì)胞上皮運(yùn)輸支持，這是一種被動擴(kuò)散形式，由預(yù)存的跨上皮電化學(xué)梯度驅(qū)動。Claudins是緊密連接跨膜蛋白，作為上皮細(xì)胞中的旁細(xì)胞離子通道。在腎臟近端小管（PT）中，claudin-2介導(dǎo)旁細(xì)胞鈉重吸收。研究使用claudin-2敲除（KO）小鼠模型，發(fā)現(xiàn)KO小鼠在即使嚴(yán)重飲食鈉耗竭下也能維持鈉守恒，但這是通過上調(diào)厚升支（TALH）的跨細(xì)胞Na-K-2Cl運(yùn)輸活性實(shí)現(xiàn)的。假設(shè)鈉運(yùn)輸向跨細(xì)胞途徑轉(zhuǎn)移會導(dǎo)致全腎氧消耗增加。結(jié)果證實(shí)，KO小鼠腎氧消耗顯著增加，導(dǎo)致髓質(zhì)缺氧，且雙側(cè)腎缺血再灌注損傷后的腎小管損傷更嚴(yán)重。結(jié)果表明，PT中的旁細(xì)胞運(yùn)輸是鈉運(yùn)輸服務(wù)中氧高效利用所必需的，推測旁細(xì)胞通透性可能作為上皮組織最大化能量效率的通用策略演化而來。

 

研究目的

研究目的是調(diào)查claudin-2在維持腎臟能量效率中的作用，特別是評估旁細(xì)胞運(yùn)輸是否通過影響氧消耗和鈉運(yùn)輸效率來優(yōu)化腎臟氧利用，并探討其在缺血損傷中的生理意義。

 

研究思路

研究思路采用遺傳學(xué)方法，使用claudin-2敲除小鼠模型與野生型（WT）小鼠比較。通過代謝平衡實(shí)驗(yàn)評估鈉處理能力，測量腎氧消耗（QO2）和鈉運(yùn)輸（TNa）效率，使用丹麥Unisense電極測量腎組織氧分壓（PtO2），并進(jìn)行缺血再灌注損傷實(shí)驗(yàn)以評估損傷易感性。通過分子生物學(xué)技術(shù)（如Western blot、qPCR）分析運(yùn)輸?shù)鞍妆磉_(dá)，并通過組織學(xué)檢查腎損傷。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 測量了鈉排泄率在正常和低鈉飲食下的變化，顯示KO小鼠鈉守恒能力與WT相同，即使在高鈉耗竭下也無差異（數(shù)據(jù)來自圖2）。研究意義是表明旁細(xì)胞運(yùn)輸缺陷可被跨細(xì)胞機(jī)制補(bǔ)償，但可能帶來能量成本。

 

2 測量了全腎氧消耗（QO2）和鈉運(yùn)輸（TNa）效率，KO小鼠QO2增加80%，TNa/QO2比率降低40%（數(shù)據(jù)來自表1和圖3）。研究意義是證明旁細(xì)胞運(yùn)輸缺失導(dǎo)致氧利用效率下降，驗(yàn)證了其節(jié)能作用。

 

 

3 測量了腎皮質(zhì)和髓質(zhì)氧分壓（PtO2），使用丹麥Unisense電極，顯示KO小鼠髓質(zhì)PtO2降低，皮質(zhì)無變化（數(shù)據(jù)來自圖4）。研究意義是直接證實(shí)氧消耗增加導(dǎo)致組織缺氧，尤其在髓質(zhì)。

 

4 測量了缺血再灌注損傷后的腎損傷指標(biāo)，如BUN、肌酐和KIM-1表達(dá)，KO小鼠損傷更嚴(yán)重（數(shù)據(jù)來自圖5和圖6）。研究意義是表明氧效率降低增加腎對缺血易感性。

 

 

5 測量了運(yùn)輸?shù)鞍妆磉_(dá)（如NHE3、NKCC2），KO小鼠NHE3表達(dá)降低，但功能實(shí)驗(yàn)顯示NKCC2活性增加。研究意義是提示補(bǔ)償機(jī)制涉及遠(yuǎn)端腎單位運(yùn)輸上調(diào)。

 

結(jié)論

1 旁細(xì)胞運(yùn)輸在近端小管通過被動機(jī)制提高鈉重吸收效率，減少能量消耗。

2 Claudin-2缺失導(dǎo)致鈉運(yùn)輸向耗能更高的跨細(xì)胞途徑轉(zhuǎn)移，增加氧消耗和髓質(zhì)缺氧。

3 氧利用效率降低使腎臟更易發(fā)生缺血損傷，凸顯旁細(xì)胞運(yùn)輸在腎保護(hù)中的演化優(yōu)勢。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

丹麥Unisense電極（Clark型氧微電極）用于直接測量腎組織氧分壓（PtO2），在皮質(zhì)和髓質(zhì)區(qū)域。研究意義在于定量驗(yàn)證了claudin-2敲除引起的氧消耗增加對組織氧環(huán)境的影響。測量顯示，KO小鼠髓質(zhì)PtO2顯著降低（與WT相比），而皮質(zhì)無變化，這直接關(guān)聯(lián)于髓質(zhì)氧消耗增加導(dǎo)致的局部缺氧。該數(shù)據(jù)支持了旁細(xì)胞運(yùn)輸節(jié)能的假設(shè)，因?yàn)镻tO2降低證實(shí)了氧供需失衡，且通過利尿劑（如呋塞米）實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了髓質(zhì)氧消耗的主要來源是NKCC2活性增加。Unisense電極的高空間分辨率允許特定腎區(qū)測量，排除了全身氧合變化的影響，強(qiáng)化了腎內(nèi)代謝調(diào)節(jié)的核心作用。總之，該電極數(shù)據(jù)為旁細(xì)胞運(yùn)輸在能量效率中的角色提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)，揭示了腎缺氧的機(jī)制基礎(chǔ)。