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1 Universidad de Buenos Aires - Facultad de Farmacia y Bioquímica - Departamento de Ciencias Biológicas - Cátedra de Anatomía e Histología Instituto de Investigaciones Cardiológicas ININCA- UBA-CONICET Tesis para optar al título de Doctor de la Universidad de Buenos Aires DESBALANCE ENTRE EL SISTEMA RENINA ANGIOTENSINA Y SISTEMA DOPAMINERGICO RENAL EN LA FISIOPATOGENIA DE LA HIPERTENSIÓN ARTERIAL Y DAÑO RENAL INFLAMATORIO EN UN MODELO EXPERIMENTAL POR SOBRECARGA DE FRUCTOSA Tesista: Bioquímica Natalia Lucía Rukavina Mikusic Director: Prof. Dr. Marcelo Roberto Choi Director Adjunto: Prof. Dr. Jorge Eduardo Toblli 2017 2 Dedicatoria A mis papás, Mónica y Juan, por su sacrificio y su lucha, son mi ejemplo a seguir. A mis hermanas de sangre Ivi y Ceci, y del corazón Luli y Mica, por acompañarme y apoyarme a lo largo de todos estos años de esfuerzo. A Hernan, por su enorme apoyo y paciencia, y por ayudarme siempre a ser mi mejor versión. 3 Agradecimientos A la Facultad de Farmacia y Bioquímica de la Universidad de Buenos Aires por formarme como bioquímica, y por otorgarme la beca con la que inicié mis estudios de doctorado. Al Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, por otorgarme la beca de finalización de doctorado. A la Cátedra de Fisiopatología de la Facultad de Farmacia y Bioquímica, mi primer lugar de trabajo. Al Instituto de Investigaciones Cardiológicas ININCA-UBA-CONICET, mi actual lugar de trabajo. A la Cátedra de Anatomía e Histología, por los trabajos compartidos: a la Profesora Titular Doctora Ana María Puyó, por su vasta experiencia en el modelo de sobrecarga de fructosa, quien junto a la Profesora Adriana Donoso, a la Farmacéutica y futura doctora Hyun Jin Lee y a la Bioquímica, Farmacéutica y futura Doctora Silvana Cantú me han ayudado con los experimentos. A la Cátedra de Farmacología por su instrucción y colaboración en la realización de las técnicas de HPLC y Western Blot. Agradezco al Profesor Titular Doctor Carlos Taira, a la Profesora Doctora Susana Gorzalczany, a la Doctora Andrea Carranza y al Profesor Doctor Christian Höcht y su becaria, la Farmacéutica y futura Doctora Julieta Del Mauro. A la Profesora Doctora Mariela Gironacci, de la Cátedra de Química Biológica, por su asesoramiento en la determinación de la actividad específica de la bomba Na+, K+–ATPasa. A las Doctoras Marcela Pandolfo y Verónica Trida de la Cátedra de Bioquímica Clínica del Hospital de Clínicas “José de San Martín”, por las incontables determinaciones de parámetros bioquímicos realizadas. A la Doctora María Inés Rosón, por su desinteresada colaboración en la realización de los experimentos, y por sus enseñanzas a lo largo de todos estos años. Al Profesor Doctor Martín Rodríguez Fermepin, por sus consejos como investigador y como docente. A mi amigo y compañero de trabajo, Nicolás Kouyoumdzian, por su enorme colaboración y por la hermosa amistad que formamos, por ser un gran profesional y, fundamentalmente, una gran persona. A mi amiga y compañera de trabajo de los primeros años de beca, Cecilia Kravetz, por su enorme colaboración y por su amistad, que perdura hoy en día. 4 A los futuros profesionales de salud Edgardo Oscar Rouvier, Gabriel Damián Robbesaul y María Álvarez Primo por ayudarme con los experimentos. Al Profesor Doctor Belisario Fernández, por las enseñanzas brindadas a lo largo de estos años, así como por los invaluables consejos aportados durante la escritura de esta tesis. A mi director adjunto de tesis, el Profesor Doctor Jorge Toblli, y a su equipo de trabajo del Laboratorio de Medicina Experimental del Hospital Alemán, por su ayuda en diferentes técnicas desarrolladas en este trabajo de tesis. A mi director de tesis, director de becas estímulo, mentor y “padre científico”, el Profesor Doctor Marcelo Choi, por su enorme aporte a mi formación a lo largo de todos estos años, por contagiarme su pasión por la ciencia y el conocimiento, y por sus consejos aportados durante la escritura de esta tesis. A toda mi familia, fundamentalmente a Hernan, mamá, papá, hermanas, abuelas y tías. A mis amigas del colegio y de la facultad. Gracias por haberme acompañado y apoyado desde el momento en que decidí dedicarme a la investigación. 5 Parte de los resultados obtenidos en esta Tesis Doctoral se encuentran incluidos en el siguiente trabajo de investigación: Rukavina Mikusic NL, Kouyoumdzian NM, Del Mauro JS, Cao G, Trida V, Gironacci MM, Puyó AM, Toblli JE, Fernández BE, Choi MR. Effects of chronic fructose overload on renal dopaminergic system: alteration of urinary L-dopa/dopamine index correlates to hypertension and precedes kidney structural damage. J Nutr Biochem; 51:47-55, 2017. Además, durante el período de ejecución de mi Doctorado participé en la elaboración de los siguientes trabajos de investigación y revisión relacionados con este trabajo de tesis: Choi MR, Citarella MR, Lee BM, Kouyoumdzian NM, Rukavina Mikusic NL, Fernández BE. Urodilatin regulates renal dopamine metabolism. J Nephrol; 26(6):1042-1048, 2013. Choi MR, Rukavina Mikusic NL, Kouyoumdzian N, Kravetz MC, Fernández B. Atrial Natriuretic Peptide and Renal Dopaminergic System: A Positive Friendly Relationship? Biomed Res Int; 2014:710781, 2014. Rukavina Mikusic NL, Kravetz MC, Kouyoumdzian NM, Della Penna SL, Rosón MI, Fernández BE, Choi MR. Signaling pathways involved in renal oxidative injury: role of the vasoactive peptides and the renal dopaminergic system. J SignalTrans; 2014:731350, 2014. Choi MR, Kouyoumdzian NM, Rukavina Mikusic NL, Kravetz MC, Rosón MI, Rodriguez Fermepin M, Fernández BE. Renal dopaminergic system: pathophysiology implications and clinical perspectives. World J Nephrol; 4(2):196-212, 2015. Kouyoumdzian NM, Rukavina Mikusic NL, Kravetz MC, Lee BM, Carranza MA, Del Mauro JS, Pandolfo M, Gironacci MM, Gorzalczany SB, Toblli JE, Fernández BE, Choi MR. Atrial natriuretic peptide stimulates dopamine tubular transport by organic cation transporters: a novel mechanism to enhace renal sodium excretion.” PLoS One; 11(7): e0157487, 2016. Rukavina Mikusic NL, Kouyoumdzian NM, Rouvier E, Gironacci MM, Toblli JE, Fernández BE, Choi MR. Regulation of dopamine uptake by vasoactive peptides in the kidney. Scientifica (Cairo); 2016:6302376, 2016. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23661592 http://www.hindawi.com/68072096/ http://www.hindawi.com/58109297/ http://www.hindawi.com/13451023/ http://www.hindawi.com/67803463/ http://www.hindawi.com/20126361/ 6 Abreviaturas 3-MT: 3-metoxitiramina A: Adrenalina AA: Ácido araquidónico AC: Adenilato ciclasa Acetil-coA: Acetil coenzima A ACTN4: α-actinina-4 ADA: Asa delgada ascendente de Henle ADD: Asa delgada descendente de Henle ADH: Hormona antidiurética ADP: Adenosín difosfato AGA: Asa gruesa ascendente de Henle AGEs: Productos de glicosilación avanzada AGT: Angiotensinógeno AMP: Adenosín monofosfato AMPc: Adenosín 3´,5´-monofosfato cíclico ANP: Péptido natriurético atrial Ang 1-7: Angiotensina 1-7 Ang II: Angiotensina II APUD: Decarboxilación y captación de precursores de aminas ARA II: Antagonista del receptor tipo 1 para Angiotensina II ARNi: Ácido ribonucleico de interferencia ARNm: Ácido ribonucleico mensajero ATP: Adenosín trifosfato ATP-III: Panel de Tratamiento en Adultos III BFG: Barrera de filtrado glomerular BK: Bradiquinina c-LDL: Colesterol-LDL c-HDL: Colesterol-HDL CAMKII: Calmodulina quinasa II ChREBP: Proteína de unión al elemento de respuesta a hidratos de carbono Cd2ad: Proteínas asociadas a Cd2 CML: Células musculares lisas COMT: Catecol-O-metil transferasa7 DA: Dopamina DAG: Diacilglicerol DAPI: 4´,6-diamino-2-fenilindol DCAA: Decarboxilasa de aminoácidos aromáticos D-22: Disprocymium 22 DOPAC: Ácido 3,4-dihidroxifenilacético ECA: Enzima convertidora de angiotensina ECV: Enfermedad cardiovascular eNOS: Óxido nítrico sintasa endotelial ERC: enfermedad renal crónica EROs: Especies reactivas del oxígeno ESM: Error estándar de la media ET-1: Endotelina 1 FAK: Quinasas de adhesión focal FF: Fracción de filtración FG: Filtrado glomerular FCR: Flujo cortical renal FSR: Flujo sanguíneo renal GLUT: Transportadores de glucosa GMPc: Guanosin 3´,5´-monofosfato cíclico HOMA-IR: Índice de resistencia a la insulina usando el modelo homeostático para evaluar resistencia a la insulina HPLC: Cromatografía líquida de alta resolución HTA: Hipertensión arterial HVA: Ácido homovanílico IDF: Federación Internacional de Diabetes IECA: Inhibidor de la enzima convertidora de angiotensina IFNɣ: Interferón ɣ IG: Índice glucémico IL-1β: Interleuquina 1β IL-6: Interleuquina 6 INF2: Formina invertida-2 iNOS: Óxido nítrico sintasa inducible Intercambiador NHE3: Intercambiador Na+/H+ tipo 3 8 IP3: Inositol 1,4,5-trifosfato IP3K: Inositol 1,4,5-trifosfato quinasa IR: Resistencia a la insulina JAK: Quinasas Janus JMAF: Jarabe de maíz de alta fructosa KIM-1: Molécula de injuria renal 1 L-dopa: L-dihidroxi-fenil-alanina LDN: Lipogénesis de novo LAT: Transportador de L-aminoácidos MAO: Monoamino oxidasa MAPKs: Proteinquinasas activadas por mitógenos MBG: Membrana basal glomerular MCP-1: Proteína quimioatrayente de monocitos 1 MATE: Transportadores de extrusión de multidrogas y toxinas MEC: Matriz extracelular MLV: Músculo liso vascular NA: Noradrenalina NADPH: Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato Na+,K+-ATPasa: Bomba de sodio, potasio-ATPasa NF-κB: Factor nuclear de transcripción kappa B NO: Óxido nítrico NOS: Óxido nítrico sintasa OCT: Transportadores de cationes orgánicos electrogénicos OCT-N: Transportadores de cationes orgánicos electroneutros PAD: Presión arterial diastólica PAS: Presión arterial sistólica PBS: Buffer fosfato salino PCB: Presión hidrostática en la cápsula de Bowman Pf: Presión neta de filtración PgP: Glicoproteína G PGs: Prostaglandinas PhC: Presión hidrostática capilar Pi: Fósforo inorgánico PKA: Proteinquinasa A 9 PKB/Akt: Proteinquinasa B PKC: Proteinquinasa C PKG: Proteinquinasa G PLA2: Fosfolipasa A2 PLC: Fosfolipasa C PO: Presión oncótica del plasma PPAR: Receptor activado de proliferación de peroxisomas PTH: Hormona paratiroidea Receptor AT1: Receptor tipo 1 de angiotensina II Receptor AT2: Receptor tipo 2 de angiotensina II Receptor D1: Receptor subtipo 1 de dopamina Receptor D2: Receptor subtipo 2 de dopamina Receptor D3: Receptor subtipo 3 de dopamina Receptor D4: Receptor subtipo 4 de dopamina Receptor D5: Receptor subtipo 5 de dopamina SDR: Sistema dopaminérgico renal SHR: Ratas espontáneamente hipertensas SM: Síndrome metabólico SNA: Sistema nervioso autónomo SNS: Sistema nervioso simpático SRA: Sistema renina angiotensina SRAA: Sistema renina angiotensina aldosterona SREBP-1c: Proteína de unión al elemento de respuesta a esteroles 1c TBARS: Sustancias reactivas del ácido tiobarbitúrico TC: Túbulo colector TCC: Túbulo colector cortical TCD: Túbulo contorneado distal TCP: Túbulo contorneado proximal TD: Túbulo distal TFG: Tasa de filtrado glomerular TGF-β1: Factor de crecimiento transformante β-1 TNF-α: Factor de necrosis tumoral α TP: Túbulo proximal TRITC: Tetrametil rodamina isotiocianato 10 TRP: Túbulo recto proximal TRPC6: Canal catiónico del receptor de potencial transitorio-6 VLDV: Lipoproteínas de muy baja densidad VMAT: Transportadores vesiculares de monoaminas Fórmulas químicas utilizadas C6H12O6: Glucosa Ca2+: Ion calcio Cl-: Ion cloruro CO2: Dióxido de carbono H+: Ion hidrógeno HCO3 -: Ion bicarbonato H2O2: Peróxido de hidrógeno K+: Ion potasio Mg2+: Ion magnesio Na+: Ion sodio NH4 +: Ion amonio NO: Óxido nítrico O2: Oxígeno PO4 3-: Ion fosfato 11 Contenido Resumen ...................................................................................................................................... 17 1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 21 1.1 EL RIÑÓN ........................................................................................................................... 21 1.1.1 Anatomía e Histología renal ..................................................................................... 21 1.1.2 Fisiología renal .......................................................................................................... 30 1.1.3 Regulación de la Presión Arterial………………………………………………………………………….41 1.1.4 Sistema Renina Angiotensina ................................................................................... 42 1.1.5 Sistema Dopaminérgico Renal.................................................................................. 46 1.1.6 Interacción entre Sistema Renina Angiotensina y Sistema Dopaminérgico renal ... 56 1.1.7 Bomba Na+, K+-ATPasa .............................................................................................. 57 1.2 SÍNDROME METABÓLICO .................................................................................................. 59 1.2.1 Definición ................................................................................................................. 59 1.2.2 Resistencia a la Insulina ............................................................................................ 61 1.2.3 Impacto de la Insulinorresistencia a nivel renal ....................................................... 62 1.2.4 Sistema Renina Angiotensina Renal e Insulinorresistencia ...................................... 63 1.2.5 Sistema Dopaminérgico Renal e Insulinorresistencia .............................................. 63 1.3 HIPERTENSIÓN ARTERIAL .................................................................................................. 64 1.3.1 Definición, clasificación y epidemiología ................................................................. 64 1.3.2 Papel del riñón en el desarrollo de Hipertensión Arterial........................................ 65 1.3.3 Sistema Renina Angiotensina Renal e Hipertensión Arterial ................................... 67 1.3.4 Sistema Dopaminérgico Renal e Hipertensión Arterial ............................................ 69 1.4 ENFERMEDAD RENAL CRÓNICA ........................................................................................ 70 1.4.1 Definición y clasificación .......................................................................................... 70 1.4.2 Síndrome Metabólico, Insulinorresistencia y Enfermedad Renal Crónica ............... 72 1.4.3 Hipertensión Arterial y Enfermedad Renal Crónica ................................................. 73 1.4.4 Marcadores de daño renal ....................................................................................... 74 1.4.5 Sistema Renina Angiotensina y daño renal .............................................................. 75 12 1.4.6 Sistema Dopaminérgico y daño renal ...................................................................... 76 1.5 SOBRECARGA DE FRUCTOSA EN LA DIETA ........................................................................77 1.5.1 Papel de la dieta en el desarrollo del Síndrome Metabólico ................................... 77 1.5.2 Fructosa .................................................................................................................... 78 1.5.3 Metabolismo de la Fructosa ..................................................................................... 83 1.5.4 Sobrecarga de Fructosa como modelo de Síndrome Metabólico ............................ 89 1.5.5 Sobrecarga de Fructosa y daño renal…………………………………………………………………...97 2. HIPÓTESIS Y OBJETIVOS ......................................................................................................... 101 2.1 HIPÓTESIS ........................................................................................................................ 101 2.1.1 Hipótesis principal .................................................................................................. 101 2.1.2 Hipótesis secundarias ............................................................................................. 102 2.2 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 103 2.2.1 Objetivos generales ................................................................................................ 103 2.2.2 Objetivos específicos .............................................................................................. 103 3. MATERIALES Y METODOLOGÍA ............................................................................................. 106 3.1 DROGAS Y REACTIVOS ..................................................................................................... 106 3.2 PROTOCOLO EXPERIMENTAL .......................................................................................... 108 3.2.1 Animales de experimentación. Resguardo de las normas de ética ....................... 108 3.2.2 Diseño experimental .............................................................................................. 108 3.2.3 Control del peso corporal y de la presión arterial .................................................. 110 3.2.4 Determinación del consumo de bebida, alimento e ingesta calórica ................... 111 3.3 RECOLECCIÓN Y PROCESAMIENTO DE MUESTRAS DE ORINA ........................................ 112 3.3.1 Determinación de microalbuminuria como marcador de daño renal ................... 112 3.3.2 Ensayo de determinación de L-dopa y dopamina en orina ................................... 112 3.4 RECOLECCIÓN Y PROCESAMIENTO DE MUESTRAS DE SANGRE ...................................... 113 3.5 CÁLCULO DE PARÁMETROS DE FUNCIÓN RENAL ............................................................ 114 3.6 RECOLECCIÓN Y PROCESAMIENTO DE TEJIDO RENAL.................................................... 115 13 3.6.1 Proteínas y marcadores evaluados a nivel renal .................................................... 116 3.6.2 Análisis de expresión proteica por Western Blot ................................................... 117 3.6.3 Análisis de expresión proteica por Inmunofluorescencia ...................................... 120 3.6.4 Análisis de expresión proteica por Inmunohistoquímica ....................................... 120 3.6.5 Determinación del contenido de colágeno renal por Tinción con Sirius Red ........ 121 3.6.6 Determinación de actividad específica de la Na+, K+-ATPasa ................................. 122 3.7 ANÁLISIS ESTADÍSTICO .................................................................................................... 123 4. RESULTADOS ......................................................................................................................... 125 4.1 PARÁMETROS FISIOLÓGICOS Y METABÓLICOS ............................................................... 125 4.1.1 Valores de ingesta de bebida, alimento y calorías. Peso corporal ......................... 125 4.1.2 Valores de insulinemia, glucemia y perfil lipídico .................................................. 127 4.1.3 Conclusiones parciales ........................................................................................... 129 4.2 PARÁMETROS HEMODINÁMICOS Y DE FUNCIÓN RENAL ............................................... 130 4.2.1 Estudio de la función renal ..................................................................................... 130 4.2.2 Niveles de presión arterial sistólica ........................................................................ 132 4.2.3 Conclusiones parciales ........................................................................................... 133 4.3 EVALUACIÓN DEL SISTEMA RENINA ANGIOTENSINA RENAL .......................................... 133 4.3.1 Expresión renal de Ang II ........................................................................................ 133 4.3.2 Expresión renal del receptor AT1 de Ang II ............................................................. 136 4.3.3 Conclusiones parciales ........................................................................................... 137 4.4 EVALUACIÓN DEL SISTEMA DOPAMINÉRGICO RENAL .................................................... 137 4.4.1 Excreción urinaria de L-dopa y dopamina .............................................................. 137 4.4.2 Asociación entre el cociente urinario L-dopa/dopamina y los niveles de PAS ...... 140 4.4.3 Expresión renal de transportadores de L-dopa: LAT-1 y LAT-2 .............................. 141 4.4.4 Expresión renal de transportadores de dopamina: OCT-2, OCT-N1, OCT-N1/2/3 143 4.4.5 Expresión renal del receptor D1 de dopamina ....................................................... 146 4.4.6 Conclusiones parciales ........................................................................................... 147 4.5 ESTUDIO DE LA ENZIMA Na+,K+-ATPASA RENAL .............................................................. 148 14 4.5.1 Determinación de la actividad enzimática de Na+, K+-ATPasa renal ...................... 148 4.5.2 Determinación de la expresión renal de la enzima Na+, K+-ATPasa ....................... 149 4.5.3 Conclusiones parciales ........................................................................................... 152 4.6 ESTUDIO DE BIOMARCADORES DE DAÑO RENAL ........................................................... 153 4.6.1 Expresión renal de marcadores proinflamatorios: NF-kB, IL-6, TNF-α .................. 153 4.6.2 Evaluación de fibrosis ............................................................................................. 160 4.6.3 Microalbuminuria ................................................................................................... 166 4.6.4 Expresión renal de nefrina ..................................................................................... 166 4.6.5 Conclusiones parciales ........................................................................................... 167 4.7 EVALUACIÓN TEMPORAL DE LOS EFECTOS DE LOS TRATAMIENTOS CON FRUCTOSA Y LOSARTAN ............................................................................................................................. 168 4.7.1 Valores de ingestas y peso corporal ....................................................................... 168 4.7.2 Características y severidad delSíndrome Metabólico ........................................... 168 4.7.3 Funcionalidad renal ................................................................................................ 170 4.7.4 Sistema Renina Angiotensina renal ........................................................................ 170 4.7.5 Sistema Dopaminérgico renal ................................................................................ 171 4.7.6 Enzima Na+,K+-ATPasa renal ................................................................................... 172 4.7.7 Biomarcadores de daño renal ................................................................................ 173 4.7.8 Conclusiones parciales ........................................................................................... 174 5. DISCUSIÓN ............................................................................................................................. 177 5.1 EFECTOS DE LA SOBRECARGA DE FRUCTOSA EN LA DIETA ............................................. 177 5.1.1 Desarrollo del Síndrome Metabólico por sobrecarga de fructosa ......................... 177 5.1.2 Efectos de la sobrecarga de fructosa sobre la funcionalidad renal ....................... 181 5.1.3 Evaluación del Sistema Renina Angiotensina Renal ............................................... 183 5.1.4 Evaluación del Sistema Dopaminérgico Renal ....................................................... 184 5.1.5 Desbalance entre Sistema Renina Angiotensina y Sistema Dopaminérgico Renal 188 5.1.6 Enzima Na+, K+-ATPasa renal .................................................................................. 189 5.1.7 Daño renal .............................................................................................................. 190 15 5.1.8 Resumen de los efectos de la sobrecarga de fructosa en la dieta ....................... 193 5.2 EFECTOS DEL TRATAMIENTO CON LOSARTAN ................................................................ 194 5.2.1 Características del Síndrome Metabólico .............................................................. 194 5.2.2 Función renal .......................................................................................................... 198 5.2.3 Sistema Renina Angiotensina Renal ....................................................................... 199 5.2.4 Sistema Dopaminérgico renal ................................................................................ 200 5.2.5 Desbalance entre Sistema Renina Angiotensina y Sistema Dopaminérgico Renal 202 5.2.6 Enzima Na+, K+-ATPasa renal .................................................................................. 202 5.2.7 Daño renal .............................................................................................................. 203 5.2.8 Resumen de los efectos del tratamiento con losartan .......................................... 205 5.3 RESUMEN FINAL DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS ....................................................... 207 5.4 ÍNDICE L-DOPA/DOPAMINA COMO BIOMARCADOR DE DAÑO RENAL¡Error! Marcador no definido. 6. CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 214 6.1 VALIDEZ DE LAS HIPÓTESIS Y CUMPLIMIENTO DE LOS OBJETIVOS ................................. 214 6.2 ADECUACIÓN DE LA METODOLOGÍA UTILIZADA PARA CUMPLIR CON LOS OBJETIVOS 215 6.3 APORTE DE NUEVOS CONOCIMIENTOS .......................................................................... 216 6.4 POSIBILIDADES FUTURAS DE APLICACIÓN Y CONTINUACIÓN DE LOS ESTUDIOS INICIADOS ............................................................................................................................................... 217 7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................. 220 16 RESUMEN 17 Resumen La hipertensión arterial (HTA) es la patología crónica de mayor prevalencia e incidencia mundial, y constituye una de las principales causas de enfermedad cardiovascular (Guzman, 2012). El manejo renal del sodio es determinante en la regulación de los niveles de presión arterial y es controlado por diversos factores endocrinos, autocrinos y neurogénicos (Aperia, 2000). El riñón es uno de los órganos blanco de la HTA, siendo actualmente la microalbuminuria un indicador precoz de nefropatía y predictor de cardiopatía isquémica (Tanaka y col., 2013). Cerca del 30 al 50% de los pacientes con HTA esencial presenta insulinorresistencia, existiendo una fuerte correlación entre el desarrollo de hiperinsulinemia y la microalbuminuria (DeFronzo y Ferrannini, 1991). Muchos factores que regulan el transporte de sodio a nivel renal son también capaces de mediar la respuesta inmune, participando en los procesos de inflamación, fibrosis y daño renal (Segerer y Schlöndorff, 2007). En este contexto, el sistema renina angiotensina (SRA) y el sistema dopaminérgico renal (SDR) son capaces de modificar el manejo renal del sodio y de modular la inflamación, controlando funciones cuyas alteraciones conducen al desarrollo de la HTA y al daño renal (Rukavina Mikusic y col., 2014). El presente trabajo de tesis doctoral tuvo como objetivo demostrar la hipótesis que planteaba la existencia de un desbalance entre el SRA y el SDR como evento fisiopatogénico para el desarrollo de HTA y daño renal inflamatorio en un modelo experimental de síndrome metabólico (SM) por sobrecarga de fructosa llevado a cabo en ratas Sprague-Dawley macho. Asimismo, y para confirmar nuestra hipótesis, nos propusimos establecer la prevención de los procesos nocivos, mediante la inhibición farmacológica del SRA por tratamiento con losartan. Por último, estudiamos el comportamiento del índice urinario L-dopa/dopamina, con el propósito de postularlo como potencial biomarcador bioquímico de disfunción renal, asociando su alteración a la aparición posterior de daño renal estructural por sobrecarga de fructosa, así como también, evaluando su respuesta al tratamiento con losartan. Para cumplir con estos objetivos, se procedió a estudiar los efectos de la sobrecarga de fructosa en la dieta durante períodos de 4, 8 y 12 semanas, sobre: parámetros nutricionales (ingesta de alimento, bebida, calorías y peso corporal), metabólicos (glucemia, insulinemia, colesterol y triglicéridos plasmáticos), hemodinámicos (presión arterial sistólica) y de función renal (clearence de creatinina, diuresis, excreción urinaria de sodio y excreción fraccional de sodio). También se evaluaron los efectos de la sobrecarga de fructosa sobre la expresión renal de componentes del SRA (angiotensina II y su receptor AT1) y del SDR (cociente urinario L- dopa/dopamina, transportadores tubulares de L-dopa y dopamina y el receptor D1). Por 18 último, se evaluaron los efectos de la sobrecarga de fructosa sobre la actividad y expresión de la Na+, K+-ATPasa, así como sobre la expresión de marcadores proinflamatorios: NF-kB, TNF-α e IL-6; profibróticos: TGF-β1 y colágeno (mediante tinción con Sirius Red); y de daño estructural renal (microalbuminuria y nefrina). De la misma manera, se evaluó el efecto del tratamiento con losartan sobre todos los parámetros anteriormente mencionados. Asimismo, se llevó a cabo un análisis comparativo de los efectos temporales de la sobrecarga de fructosa y del tratamiento con losartan en los períodos experimentales: 4, 8 y 12 semanas. Los resultados obtenidos permiten establecer la existencia de un desbalance entre elSRA y el SDR en el modelo de SM por sobrecarga de fructosa, comprobado por una sobre- expresión del SRA junto con una inhibición de la producción endógena de la dopamina, a partir de la semana 4, en adelante. El desbalance entre ambos sistemas se asoció a la reducción de la natriuresis y desarrollo de HTA, a partir del mismo período experimental. Como consecuencia de la sobrecarga de fructosa en la dieta y del desbalance entre el SRA y el SDR, se desarrolló un proceso inflamatorio renal que condujo progresivamente a la aparición de fibrosis y daño renal estructural, puesto en evidencia por la presencia de microalbuminuria y reducción de la expresión de nefrina en la semana 12. Es de recalcar que los efectos de la sobrecarga de fructosa en la dieta a nivel metabólico, hemodinámico, funcional renal y sobre el desbalance entre el SRA y el SDR, resultaron ser tiempo-dependientes. El tratamiento con losartan tuvo efectos preventivos sobre el desarrollo de insulinorresistencia, dislipemia e HTA por sobrecarga de fructosa. Asimismo, ejerció un efecto preventivo sobre la inhibición del SDR asociada al consumo de fructosa, demostrando la relación antagónica entre este sistema y el SRA, mediante la cual, la modificación de un sistema puede afectar el estado del otro sistema a nivel renal. El tratamiento con losartan presentó un efecto renoprotector, al prevenir la aparición de daño renal estructural asociado al consumo crónico de fructosa en la semana 12. Por último, la alteración del cociente urinario L-dopa/dopamina fue precoz a la aparición de inflamación y daño renal por sobrecarga de fructosa, mientras que demostró responder adecuadamente al tratamiento con losartan. Los resultados obtenidos en esta tesis aportan nuevas evidencias acerca de los mecanismos mediante los cuales un sistema prohipertensivo y proinflamatorio como el SRA puede regular en menos a otro sistema antihipertensivo y antiinflamatorio como el SDR, estableciendo un circuito de retroalimentación positiva para el desarrollo de la HTA y la 19 inflamación renal en el contexto del SM. Finalmente, los resultados de este trabajo de tesis permiten postular al índice L-Dopa/dopamina como posible biomarcador bioquímico diagnóstico y como predictor de la respuesta al tratamiento y seguimiento de la HTA y el daño renal inflamatorio. 20 INTRODUCCIÓN 1 21 1. INTRODUCCIÓN 1.1 EL RIÑÓN Los riñones son órganos vitales cuya función primaria consiste en la regulación del balance de fluidos y electrolitos con el objetivo de crear un ambiente estable para el metabolismo tisular y celular. Esta función se cumple mediante la regulación del transporte de solutos y agua, de la excreción de productos metabólicos, de la conservación de nutrientes y del estado ácido base corporal a través de la formación de la orina. Asimismo, estos órganos desempeñan una función endocrina, al ser responsables de la síntesis de eritropoyetina, hormona que estimula la producción de eritrocitos en la médula ósea, de renina, que participa en la regulación de los niveles de presión arterial y de renalasa, enzima que metaboliza catecolaminas, y por lo tanto, se encuentra implicada en la regulación de la función cardiovascular. Por último, los riñones afectan el metabolismo del calcio, al convertir al precursor de la vitamina D en su forma más activa, la 1,25-dihidroxi-vitamina D. 1.1.1 Anatomía e Histología renal El sistema urinario está compuesto por dos riñones, dos uréteres, una vejiga urinaria y la uretra. Los riñones son órganos pares retroperitoneales cubiertos por tres capas de tejido. La capa más profunda, la capa fibrosa, es una capa lisa y transparente de tejido conectivo que ayuda a proteger al riñón de traumatismos y a mantener su forma. La capa intermedia, la cápsula adiposa, es una masa de tejido adiposo que rodea a la cápsula fibrosa, otorgando protección y sustento. La capa superficial, la fascia renal, es una fina capa de tejido conectivo denso que fija al riñón a las estructuras que lo rodean y a la pared abdominal. Cuando el uréter penetra en el riñón por el hilio, se dilata formando una cavidad infundibuliforme llamada pelvis renal, de la que derivan dos o tres ramas principales, los cálices mayores, cada uno de los cuales se subdivide en tres o cuatro cálices menores. Al corte frontal, el parénquima renal está constituido por dos secciones: el sector más externo o corteza y el más interno o médula (Figura 1). La corteza es un área superficial lisa de color rojizo. La médula renal comprende una región profunda de color pardo-rojizo que se encuentra dividida en porciones cónicas llamadas pirámides renales. Un lóbulo renal está constituido por una pirámide renal junto con el tejido cortical que se superpone a su base y que recubre sus lados. El vértice de cada pirámide es la 22 papila renal, y cada papila está rodeada por un cáliz menor. Las pirámides medulares están separadas por secciones de corteza llamadas columnas de Bertin. Figura 1. Corte frontal de riñón derecho. Modificado de Tortora GJ y Derrickson BH. Principles of Anatomy and Physiology, Thirteenth Edition, Ed. John Wiley & Sons, 2011. - Unidad funcional Cada riñón está formado por alrededor de 1.200.000 unidades funcionales, llamadas nefronas. La nefrona es la unidad básica estructural y funcional de los riñones, en donde se producen los mecanismos básicos de formación de orina. Cada nefrona se constituye por un corpúsculo renal, en donde se filtra el plasma sanguíneo, en comunicación con un túbulo renal, hacia el cual pasa el líquido filtrado. A lo largo de la nefrona se observan varios segmentos distintos, cada uno con una configuración especial y con una posición definida en la corteza y en la médula renal. Cada segmento se encuentra recubierto por un tipo de epitelio morfológicamente diferenciado para desempeñar un papel particular en la formación de la orina. El conocimiento de las distintas regiones de la nefrona ha sido posible gracias al estudio 23 de cortes seriados y posteriores reconstrucciones de las estructuras tubulares y, fundamentalmente, a investigaciones realizadas mediante la técnica de microsección. Históricamente, el túbulo urinífero fue dividido en 4 segmentos: túbulo proximal (TP), asa de Henle, túbulo distal (TD) y túbulo colector (TC). Dependiendo de la profundidad a la que se encuentren dentro de la masa renal, las nefronas se clasifican en nefronas corticales y yuxtamedulares. Las nefronas corticales poseen glomérulos situados en la parte externa de la corteza y un asa de Henle corta con un breve recorrido dentro de la médula. Las nefronas yuxtamedulares presentan glomérulos situados profundamente en la corteza, con un asa de Henle larga que penetra hasta la médula interna desembocando en las papilas renales y representan alrededor del 20-30% de las nefronas. - Corpúsculo renal El corpúsculo renal está compuesto por la cápsula de Bowman y por el ovillo de capilares o glomérulo (Figura 2). La cápsula de Bowman es un extremo modificado de los túbulos que rodea a los capilares mediante una hoja visceral separada de una hoja parietal por el espacio capsular. El glomérulo está formado por una red anastomosada de capilares que se originan en la arteriola aferente y confluyen en la arteriola eferente, que emerge del glomérulo para formar la red capilar peritubular. Todo el ovillo glomerular descansa sobre las células mesangiales situadas entre los capilares. El espacio ocupado por tejido conectivo con células mesangiales entre los capilares glomerulares se denomina mesangio. La pared de los capilares glomerulares constituye la barrera de filtración glomerular (BFG) y está formada por las siguientes estructuras (Figura 3): - Una finacapa de células endoteliales fenestradas, con poros de aproximadamente 70 a 100 nm de diámetro. - Una membrana basal glomerular (MBG) con una gruesa capa central electrondensa, la lámina densa, y unas capas periféricas más finas y electronlúcidas, la lámina rara interna y la lámina rara externa. La MBG está formada por colágeno, principalmente de tipo IV, laminina, proteoglicanos polianiónicos, fibronectina, entactina y otras glicoproteínas. El colágeno tipo IV forma una supraestructura en forma de red a la que se unen otras glicoproteínas. - Una capa de células epiteliales viscerales o podocitos, los que son células estructuralmente complejas dotadas de expansiones digitiformes adherentes e incrustadas en la MBG. Estas prolongaciones podocíticas llamadas pedicelos están separadas entre sí por poros de filtración de 20 a 30 nm de ancho, unidos entre sí por un fino diafragma en forma de puente. 24 Figura 2. Vista interna y externa del corpúsculo renal. Modificado de Tortora GJ y Derrickson BH. Principles of Anatomy and Physiology, Thirteenth Edition, Ed. John Wiley & Sons, 2011. Figura 3. Barrera de filtración glomerular. Modificado de Tortora GJ y Derrickson BH. Principles of Anatomy and Physiology, Thirteenth Edition, Ed. John Wiley & Sons, 2011. 25 - Túbulo urinífero Actualmente, se reconoce que el túbulo urinífero presenta 4 segmentos: el TP, el túbulo intermedio, el TD y el sistema colector. Cada uno de ellos se subdivide a su vez en dos o más segmentos. Estos cambios con respecto a la descripción tradicional de la porción tubular de la nefrona son el resultado del avance en el conocimiento de su ultraestructura mediante el uso de microscopía electrónica así como de sus funciones mediante la utilización de nuevas técnicas de estudio. Se ha demostrado que el TP se subdivide en dos segmentos: el túbulo contorneado proximal (TCP, pars convoluta), situado en la corteza, y el túbulo recto proximal (TRP, pars recta) que se extiende desde la corteza hasta la médula. El TP se continua con el túbulo intermedio, que forma una gran curvatura subdividida a su vez en el asa delgada descendente (ADD, pars descendens) que atraviesa la médula externa y se extiende en profundidad hasta la médula interna, y en una porción recurrente denominada asa delgada ascendente (ADA, pars ascendens). El ADA se continúa con el asa gruesa ascendente (AGA) que atraviesa la médula externa hasta alcanzar la corteza, en donde se convierte en el túbulo contorneado distal (TCD). En la corteza, el TD se une al TC, a través de un túbulo de conexión, que desciende hacia la papila renal, hasta los cálices menores. La formación de orina comienza en la corteza renal y continúa a través de los túbulos hacia el sistema colector, desemboca en los cálices y pelvis renal y finalmente abandona el riñón a través del uréter hacia la vejiga. - Túbulo proximal Se inicia en el glomérulo y está formado por células cilíndricas con una membrana luminal en la que existen numerosas microvellosidades. Esta disposición recibe el nombre de “ribete en cepillo” y aumenta enormemente la superficie de contacto de las células tubulares con el líquido tubular. El TP tiene un trayecto contorneado en la corteza (TCP, pars convulta) que se vuelve rectilíneo hacia la región medular (TRP, pars recta). Los bordes celulares de las células tubulares de la membrana luminal están unidos por uniones estrechas, muy permeables, que permiten el pasaje de agua y solutos desde la luz del túbulo hacia los capilares peritubulares por una vía paracelular. En la membrana basolateral se encuentra localizada la enzima Na+, K+-ATPasa, principal responsable de la reabsorción de sodio, mientras que en la luminal se localizan la anhidrasa carbónica y otras enzimas como la aminopeptidasa y fosfatasa alcalina. Estudios de microscopía electrónica han permitido identificar la existencia de tres segmentos especializados morfológicamente y diferenciables ultraestructuralmente en el TP de todas las especies de mamíferos estudiadas hasta el momento, denominados S1, S2 y S3. El segmento S1 se corresponde con la pars convulta y sus células contienen un citoplasma 26 abundante y acidófilo, con mitocondrias grandes y numerosas y un borde en ribete bien desarrollado. La transición de S1 a S2 es gradual y se evidencia por una reducción de la complejidad estructural. El segmento S2, que incluye la porción distal de la pars convoluta y el comienzo de la pars recta, presenta células que se vuelven más cúbicas, con menos microvellosidades y mitocondrias más pequeñas. La transición al segmento S3, el que representa el resto de la pars recta, es súbita. Las células del segmento S3 tienen una configuración cilíndrica baja y muestran sólo unas pocas prolongaciones laterales que se entremezclan. Sus mitocondrias son relativamente escasas y se orientan al azar. De manera acorde a su ultraestructura, los estudios fisiológicos en TP aislados han demostrado que el ritmo del transporte de sodio es mayor en S1 y disminuye progresivamente en S2 y S3. - Túbulo intermedio Corresponde al segmento delgado del asa de Henle, formado por una porción ascendente, el ADD y otra ascendente, el ADA. En la zona de transición entre el TP y el ADD, el ribete en cepillo se interrumpe y el epitelio cilíndrico bajo se convierte en un epitelio plano con pocas microvellosidades cortas. Las asas de Henle originadas en glomérulos corticales son cortas y descienden hacia la parte externa de la médula, en estas nefronas no existe ADA (Figura 4). Las asas de los glomérulos de las porciones profundas de la médula (nefronas yuxtamedulares) se internan profundamente hasta el vértice de la papila renal (Figura 5). En diversas especies de mamíferos se ha confirmado la existencia de cuatro segmentos morfológicamente diferentes en el segmento delgado del asa de Henle. En el riñón humano, también se han descripto patrones morfológicos, aunque su relación con los segmentos delgados y descendentes no ha sido completamente dilucidada. El ADD presenta una elevada permeabilidad para el agua mientras que el ADA de las nefronas de curvatura larga presenta una menor permeabilidad para el agua. 27 Figura 4. Esquema de una nefrona cortical. Modificado de Tortora GJ y Derrickson BH. Principles of Anatomy and Physiology, Thirteenth Edition, Ed. John Wiley & Sons, 2011. Figura 5. Esquema de una nefrona yuxtamedular. Modificado de Tortora GJ y Derrickson BH. Principles of Anatomy and Physiology, Thirteenth Edition, Ed. John Wiley & Sons, 2011. 28 - Túbulo distal Se inicia en la banda interna de la médula externa, como una transición abrupta del asa delgada de Henle hacia su AGA pars recta, que presenta una porción inicial medular seguida por una porción cortical. En la zona en que el AGA cortical establece contacto con el polo vascular del corpúsculo renal, su epitelio contiene una placa de células especializadas denominada mácula densa. Distalmente a esta región, se continúa una región llamada TCD pars convoluta. Las células epiteliales son cúbicas y bien delimitadas, con ausencia de ribete en cepillo. Las mismas presentan uniones estrechas entre los bordes celulares, pero de permeabilidad más baja que en el TP, permitiendo que se formen gradientes electroquímicos superiores. El AGA es casi impermeable al agua. Su principal función es la reabsorción de sodio y cloro del filtrado glomerular, presentando sus células actividad de Na+, K+-ATPasa. La llegada de un exceso de sodio y cloro a este segmento induce un incremento en la actividad de Na+, K+- ATPasa en la superficie basolateral de las células que lo componen. Estudios inmunocitoquímicos han demostrado la presencia de la proteína Tamm-Horsfall en la membrana luminal de la pars recta del TD, tanto en roedores como en humanos.Su significado funcional es desconocido, aunque se cree que contribuiría a la formación de cilindros intratubulares capaces de ocluir los túbulos en algunas enfermedades renales. - Túbulo colector Presenta una porción cortical y otra medular que incluye al túbulo recto y al conducto papilar o de Bellini. El TC recto se localiza en la zona medular externa, mientras que el papilar aparece en la zona interna y alcanza la papila renal. El epitelio del TC es cuboideo en la zona cortical y va aumentando su altura hasta ser columnar en la zona medular. Se distinguen dos tipos ultraestructurales de células tubulares colectoras, unas principales o claras, sensibles a la acción de la hormona antidiurética (ADH) y a aldosterona, y otras intercaladas u oscuras, que participan en la homeostasis del pH sanguíneo al secretar iones hidrógeno (H+). Los túbulos colectores drenan en conductos papilares largos, revestidos por epitelio cilíndrico simple. - Aparato yuxtaglomerular Está constituido por componentes tubulares y vasculares de la nefrona y desempeña una función endocrina con influencias sobre la presión arterial sistémica y el ritmo de filtrado glomerular. Sus componentes son: 29 - Células yuxtaglomerulares: son células musculares lisas (CML) granulares y modificadas de la capa media de la arteriola aferente que contienen renina. - Mácula densa: es una región especializada de la porción del TD que regresa hacia el polo vascular del glomérulo, donde las células epiteliales tubulares son más delgadas y están más estrechamente agrupadas. Se han observado prolongaciones celulares que se extienden hasta alcanzar las células yuxtaglomerulares a nivel de la arteriola aferente. Esta relación sugiere que la mácula densa desempeña una función de tipo sensorial que influye en la actividad de las células yuxtaglomerulares. - Células no granulosas: se encuentran en la zona limitada por la arteriola aferente, el glomérulo y la mácula densa. - Intersticio renal El intersticio renal está representado por los espacios que quedan por fuera de las láminas basales de los túbulos, rodeando al glomérulo, túbulos, vasos y nervios. Está constituido por un pequeño número de células de tipo fibroblástico, células mononucleares y pequeños haces de fibras de colágeno, situados en una matriz de proteoglicanos fuertemente hidratada. Los elementos intersticiales celulares observados en la corteza renal son de dos tipos: los más numerosos muestran rasgos fibroblásticos, mientras que el segundo tipo lo constituyen elementos celulares de hábito mononuclear. Las células intersticiales corticales, a diferencia de las medulares, poseen escasas inclusiones lipídicas. Tanto la extensión del espacio intersticial como la cantidad de células contenidas en él, aumenta desde la corteza hacia la médula y papila, de modo que en estas últimas son muy prominentes. Varios autores han distinguido varios tipos de células intersticiales en la médula renal, según su morfología, orientación y contenido en lípidos. Las células intersticiales medulares parecen presentar capacidad fagocítica y se postula su participación en la síntesis de matriz extracelular (MEC). - Irrigación sanguínea Los riñones son órganos altamente vascularizados, recibiendo un flujo sanguíneo (FSR) de aproximadamente 1200 mL por minuto. Esto equivale a un 20-25% del gasto cardíaco en reposo. La arteria renal nace de la aorta y se ramifica en el hilio del riñón para dar origen a las arterias segmentarias, las que se ramifican al ingresar en el parénquima renal y pasan a través de las columnas entre las pirámides como arterias interlobulares. En la base de las pirámides, las arterias interlobulares se arquean entre la médula renal y la corteza, dando origen a las arterias arcuatas o arciformes. La división de estas arterias da lugar a una serie de arterias 30 interlobulillares. Al entrar en la corteza renal, las arterias interlobulillares dan las ramas conocidas como arteriolas aferentes. Cada nefrona recibe una arteriola aferente, que se divide en una red capilar profusa en forma de ovillo llamada glomérulo. Los capilares glomerulares luego se reúnen para formar la arteriola eferente, que transporta sangre fuera del glomérulo. Los capilares glomerulares son únicos dentro del organismo, al estar situados entre dos arteriolas, en lugar de anteponerse entre una arteriola y una vénula. Las arteriolas eferentes se ramifican para formar los capilares peritubulares que rodean a las porciones tubulares de la nefrona en la corteza renal. Las arteriolas eferentes de las nefronas yuxtamedulares originan vasos en forma de horquilla que se internan en la médula renal y corren paralelos a las asas de Henle. Estos vasos constituyen la vasa recta y, debido a la involución de algunos glomérulos yuxtamedulares, se originan directamente en las arterias interlobulares y constituyen las arteriolas rectas verdaderas. Los capilares peritubulares posteriormente se reúnen para formar las vénulas peritubulares y luego las venas interlobulillares, las que también reciben sangre de los vasos rectos. La sangre drena por las venas arcuatas en las venas interlobulares que transcurren entre las pirámides renales. La sangre abandona el riñón a través de una única vena renal que sale por el hilio y desemboca en la vena cava inferior. Los linfáticos se originan en la corteza renal entre los túbulos contorneados y confluyen siguiendo el trayecto de los vasos. - Inervación renal La mayor parte de los nervios renales se originan en el ganglio celíaco y pasan a través del plexo renal hacia los riñones junto con las arterias. Los nervios renales pertenecen a la división simpática del sistema nervioso autónomo (SNA). En gran medida son nervios vasomotores que regulan el flujo de sangre a través del riñón provocando vasoconstricción y vasodilatación de las arteriolas renales. 1.1.2 Fisiología renal Los riñones llevan a cabo un conjunto de funciones en el organismo: - Excreción de desechos y sustancias extrañas: mediante la formación de orina, los riñones excretan sustancias que carecen de una función útil en el organismo. Algunos de estos desechos son productos de reacciones metabólicas tales como el amoníaco y la urea provenientes del metabolismo de aminoácidos, la bilirrubina del catabolismo de la 31 hemoglobina, la creatinina de la degradación de fosfocreatina de las células musculares así como el ácido úrico del catabolismo de los ácidos nucleicos. Otros residuos que se excretan son sustancias que no pertenecen a la dieta, tales como fármacos y toxinas ambientales. - Regulación del volumen plasmático: los riñones regulan el volumen plasmático eliminando o conservando agua en la orina. Esto repercute sobre los niveles de presión arterial: un aumento en el volumen plasmático incrementa los niveles de presión arterial mientras que una reducción en el mismo disminuye los niveles de presión arterial. - Regulación de la composición iónica del plasma: los riñones participan en la regulación de las concentraciones plasmáticas de los iones sodio (Na+), potasio (K+), calcio (Ca2+), cloruro (Cl-), magnesio (Mg2+) y fosfato (PO4 3-). - Mantenimiento de la osmolaridad sanguínea: regulando tanto la pérdida de agua como de solutos por la orina, los riñones mantienen la osmolaridad del plasma relativamente constante (300 mOsm/l). - Regulación del equilibrio ácido-base: los riñones excretan una cantidad variable de iones H+ hacia la orina mientras que conservan los iones bicarbonato (HCO3 -), que son importantes para amortiguar los H+ de la sangre. Estas dos funciones contribuyen a regular el pH sanguíneo. - Función hormonal: los riñones poseen una función hormonal, al secretar diversas hormonas. La renina activa al sistema renina-angiotensina-aldosterona (SRAA), que regula la presión arterial.La renalasa actúa sobre el metabolismo de las catecolaminas, por lo que participa en la regulación de la función cardiovascular. Asimismo, los riñones participan en la activación de la vitamina D mediante la acción de la enzima 1-α-hidroxilasa, la que se encarga de la regulación de la homeostasis del calcio. Por otro lado, la eritropoyetina es producida en las células del intersticio medular y estimula la producción de eritrocitos en la médula ósea. - Mecanismo de formación de orina El mecanismo de formación de orina comprende a los procesos de filtración glomerular (FG) así como de reabsorción y secreción tubular (Figura 6). 32 Figura 6. Proceso de filtración glomerular. Modificado de Tortora GJ y Derrickson BH. Principles of Anatomy and Physiology, Thirteenth Edition, Ed. John Wiley & Sons, 2011. - Filtración glomerular La FG produce un ultrafiltrado de aproximadamente 180 litros en 24 horas. La fracción de plasma sanguíneo en las arteriolas aferentes que se transforma en filtrado glomerular se denomina fracción de filtración (FF). Más del 99% del filtrado glomerular retorna al torrente sanguíneo, por reabsorción tubular, de modo que sólo de 1 a 2 litros se excretan diariamente con la orina. El ultrafiltrado tiene la misma composición del plasma, con excepción de las proteínas. - Papel de la barrera de filtración glomerular La ultrafiltración del plasma en los riñones ocurre a través de la pared de los capilares glomerulares. La BFG está compuesta por una capa de células endoteliales fenestradas, por la MBG y por una capa de células epiteliales llamadas podocitos. Las moléculas presentes en el plasma son tamizadas a través de la BFG teniendo en cuenta su tamaño y, probablemente, su carga. Las principales características de la BFG son su elevada permeabilidad al agua y a solutos de tamaño pequeño tales como glucosa, aminoácidos y urea, así como su impermeabilidad a proteínas del tamaño de la albúmina (70 kDa) o mayores. Para el mismo diámetro, las moléculas cargadas negativamente se filtran con más dificultad que las neutras o las cargadas positivamente. Esto se debe a la existencia de moléculas cargadas negativamente como el ácido siálico unidas a proteínas en la MBG. La selectividad basada en tamaño se encuentra universalmente aceptada, mientras que la selectividad basada en carga eléctrica ha sido cuestionada en los últimos años por diversos estudios demostrando que la ausencia de agrina 33 y heparán sulfato (moléculas dadoras de cargas negativas) no han alterado la permeabilidad selectiva de la BFG (Patrakka y Tryggvason, 2010). Se ha demostrado que los podocitos juegan un papel esencial en el mantenimiento de la función de BFG ya que su diafragma poroso ofrece una barrera de difusión distal tamaño- selectiva para la filtración de proteínas, mientras que estas células son las principales responsables de la síntesis de los componentes de la MBG. Dentro del diafragma de filtración, se han identificado una serie de proteínas importantes (Figura 7). La nefrina es una proteína transmembrana con una amplia porción extracelular constituida por dominios similares a los de las inmunoglobulinas. Las moléculas de nefrina se extienden hacia cada una de las prolongaciones de podocitos vecinas y se dimerizan a través del diafragma poroso. Dentro del citoplasma de los podocitos, la nefrina establece conexiones moleculares con la podocina y con el citoesqueleto de actina. Dos clases de proteínas intracelulares, las proteínas asociadas a Cd2 (Cd2ad) y las proteínas Nck, actúan como intermediarios y son esenciales en la unión de la nefrina al citoesqueleto de actina. Proteínas como la formina invertida-2 (INF2) y la α-actinina- 4 (ACTN4) cumplen un rol fundamental en el mantenimiento del citoesqueleto de actina, mientras que las integrinas contribuyen al anclaje de los podocitos a la MBG. La podocina es una proteína integral de membrana con sus dos segmentos terminales dirigidos hacia el espacio intracelular. La podocina interactúa directamente con la nefrina así como con las proteínas Cd2ad, y parece ser esencial para el reclutamiento de la nefrina al diafragma de filtración. La podocalixina es la principal proteína ubicada en la membrana apical de las terminaciones de los podocitos. La podocalixina es una proteína O-glicosilada y unida a ácido siálico responsable de la carga negativa del dominio de membrana apical. Se ha demostrado que esta proteína es necesaria para el desarrollo normal de la arquitectura de los podocitos y de la BFG. Si bien se destaca el papel esencial de los podocitos, diversos estudios recientes sugieren que las tres capas intactas serían necesarias para mantener una función de filtración normal (Patrakka y Tryggvason, 2010). 34 Figura 7. Principales componentes moleculares de los podocitos y del diafragma de filtración. Modificado de Pollak y col. Renal Physiology, Clin J Am Soc Nephrol, 2014. ACTN4: α-actinina-4; INF2: formina invertida-2; TRPC6: canal catiónico del receptor de potencial transitorio-6 - Presión neta de filtración La FG depende de tres presiones principales (Figura 8). Una presión promueve la filtración, mientras que las otras dos se oponen a ella. La presión hidrostática capilar (PhC) es la presión sanguínea en los capilares glomerulares. Su valor suele ser de 55 mmHg. Promueve la filtración forzando la salida de agua y solutos del plasma sanguíneo a través de la BFG. La presión hidrostática en la cápsula de Bowman (PCB) es la ejercida contra la BFG por el líquido presente en el espacio capsular y túbulo renal. La PCB se opone a la filtración y representa una “presión retrógrada” de cerca de 15 mmHg. La presión oncótica del plasma (PO) está dada por la presencia de proteínas como albúmina, globulinas, fibrinógeno y se opone a la filtración. El promedio de PO en los capilares es de 30 mmHg. La presión oncótica en la cápsula de Bowman se desprecia, teniendo en cuenta que su valor es de 0 mmHg en condiciones normales. La presión neta de filtración (Pf) es la presión total que promueve la filtración y se determina de la siguiente forma: Pf= PhC - (PO + PCB) PhC = Presión hidrostática capilar PCB = Presión hidrostática en la cápsula de Bowman PO= Presión oncótica del plasma Sustituyendo por los valores expresados anteriormente, la Pf es de 10 mmHg. 35 Figura 8. Presión neta de filtración glomerular. Modificado de Tortora GJ y Derrickson BH. Principles of Anatomy and Physiology, Thirteenth Edition, Ed. John Wiley & Sons, 2011. Existen tres mecanismos que regulan la FG: el mecanismo de autorregulación renal, la regulación neural y la hormonal. - Autorregulación renal La capacidad de los riñones de mantener el FSR y la FG constantes a pesar de los cambios normales diarios en la presión arterial se denomina autorregulación renal y comprende dos mecanismos: el mecanismo miogénico y la retroalimentación o feedback túbulo-glomerular. El mecanismo miogénico ocurre cuando el estiramiento desencadena la contracción de las fibras musculares lisas en las paredes de las arteriolas aferentes. Normalmente, la FG se eleva frente a un incremento en los niveles de presión arterial. La presión elevada distiende las paredes de la arteriola aferente. En respuesta, se contraen las células musculares lisas de la pared de la arteriola aferente, lo cual disminuye la luz de la misma, con reducción del FSR y por lo tanto de la FG aumentada. Si la presión baja sucede el mecanismo inverso. El mecanismo miogénico normaliza el FSR y la FG en cuestión de segundos luego de un cambio de presión arterial. 36 Por otro lado, el mecanismo de retroalimentación túbulo-glomerular es llevado a cabo por células de la mácula densa del aparato yuxtaglomerular. Cuando la FG está por encima de los valores normalescomo consecuencia de la presión arterial sistémica elevada, el líquido filtrado fluye con mayor velocidad a través de los túbulos renales. De esta manera, las células tubulares del TCP y asa de Henle tienen menos tiempo para reabsorber los iones Na+, Cl- y agua. Se cree que las células de la mácula densa detectan el aumento en la llegada de Na+, Cl- y agua, generando una contracción de las arteriolas aferentes. Este mecanismo opera más lentamente que el miogénico. Aunque aún no se encuentra completamente dilucidada cuál sería la señal enviada por la mácula densa a la arteriola aferente, se ha demostrado que la angiotensina II (Ang II) estimula y el óxido nítrico (NO) inhibe la eficacia de la retroalimentación túbulo-glomerular. - Regulación neural Los vasos sanguíneos renales presentan inervación simpática del SNA que libera noradrenalina (NA). La NA produce vasoconstricción a través de los receptores α1- adrenérgicos, que son particularmente abundantes en las CML de las arteriolas aferentes. En reposo, la estimulación simpática es baja, las arteriolas aferentes y eferentes están dilatadas y prevalece la autorregulación de la FG. Con la estimulación simpática moderada, las arteriolas aferente y eferente se contraen en el mismo grado. El flujo de sangre que ingresa y egresa del glomérulo disminuye en igual proporción, por lo que la FG cambia muy poco. En cambio, en situaciones de estimulación simpática intensa, predomina la constricción de la arteriola aferente. Como resultado, el flujo sanguíneo hacia los capilares glomerulares desciende en gran medida y la FG se reduce. Este descenso de FSR tiene dos consecuencias: disminución de la excreción de orina, lo que ayuda a conservar el volumen sanguíneo y esto, a su vez, permite redireccionar un mayor flujo sanguíneo a otras partes del organismo. - Regulación hormonal Diversas hormonas son capaces de regular la FG. Se ha demostrado que el péptido natriurético atrial (ANP) aumenta la FG dilatando a la arteriola aferente y contrayendo a la eferente. Este péptido es sintetizado y secretado por las aurículas cardíacas en respuesta a la distensión, como puede ocurrir frente a un aumento del volumen sanguíneo. La Ang II es un potente vasoconstrictor de la arteriola eferente y aumenta la sensibilidad al mecanismo de retroalimentación túbulo-glomerular, produciendo una caída en la FG. La endotelina 1 (ET-1) y la ADH producen vasoconstricción de la arteriola aferente, disminuyendo la FG. Las 37 prostaglandinas (PGs) producen vasodilatación de la arteriola eferente. La liberación de las mismas es estimulada por distintos factores que estimulan la producción de vasoconstrictores como la hemorragia, depleción aguda de volumen o insuficiencia cardíaca. Las PGs se oponen localmente a los efectos de los agentes vasoconstrictores como Ang II, catecolaminas, endotelina y ADH para mantener la FG. - Reabsorción tubular La reabsorción tubular es la segunda función básica de la nefrona (Figura 9). Normalmente, cerca del 99% del agua filtrada se reabsorbe. Las células epiteliales a lo largo de los túbulos renales llevan a cabo esta función, si bien las células del TCP hacen la mayor contribución. Los solutos tales como glucosa, aminoácidos e iones como Na+, K+, Ca2+, Cl-, HCO3 - y PO4 3- pueden reabsorberse por mecanismos de transporte activos o pasivos. Una vez que el líquido atraviesa el TCP, las células situadas más distalmente regulan los procesos de reabsorción para mantener el equilibrio homeostático del agua y de ciertos iones. - Secreción tubular La secreción tubular consiste en la transferencia de sustancias desde la sangre y las células tubulares hacia el líquido tubular (Figura 9). Las sustancias secretadas son iones H+, K+ y amonio (NH4 +), creatinina y ciertos fármacos. La secreción tubular tiene dos objetivos importantes: la secreción de iones H+ ayuda a controlar el pH sanguíneo mientras que la secreción de otras sustancias ayuda a eliminarlas del organismo. - Reabsorción y secreción en el túbulo contorneado proximal La mayor parte de la reabsorción de solutos y agua tiene lugar a nivel del TCP. En condiciones normales, toda la glucosa filtrada, los aminoácidos, ácido láctico, vitaminas hidrosolubles y otros nutrientes se reabsorben a nivel del TCP. Existe un mecanismo de transporte activo (bomba Na+, K+-ATPasa) en la membrana basolateral y varios sistemas de transporte pasivo como el intercambiador H+/HCO3 -, uniportadores de glucosa así como transportadores de cationes y aniones orgánicos. A nivel apical se encuentran los cotransportadores Na+/glucosa, Na+/aminoácidos, Na+/PO3 4- y el intercambiador Na+/H+ tipo 3 (NHE3). La enzima anhidrasa carbónica cataliza la reacción del dióxido de carbono (CO2) con agua para formar ácido carbónico, que se disocia en H+ y HCO3 -. Este mecanismo se encarga de la reabsorción del 80-90% de los iones HCO3 - filtrados. El Na+ se introduce en las células desde la luz mediante un mecanismo de difusión facilitada a través de la membrana plasmática, y es 38 eliminado de las células mediante mecanismos activos a través de las membranas basolaterales y hacia el fluido intersticial. En el gradiente electroquímico que se crea de esta manera, el agua y el Cl- siguen al Na+ para mantener el equilibrio osmótico. Por lo tanto, además de llevar a cabo la reabsorción de iones Na+, los cotransportadores de Na+ y el intercambiador Na+/H+ promueven la ósmosis de agua y la reabsorción de otros solutos. Normalmente, los solutos orgánicos como la glucosa y aminoácidos se reabsorben en un 100%, mientras que se recupera el 80-90% del HCO3 -, 65% del agua, Na+ y K+, 50% del Cl- y una cantidad variable de Ca2+, Mg2+ y HPO4 2-. En la segunda mitad del TCP, los gradientes electroquímicos de Cl-, Ca2+, K+, Mg2+ y urea promueven la difusión pasiva hacia los capilares peri-tubulares por las vías paracelular y transcelular. Entre estos iones, el Cl- es el que se encuentra en mayor concentración. La difusión del Cl- cargado negativamente hacia el líquido intersticial vuelve al líquido intersticial más negativo que el tubular. Esta negatividad estimula la reabsorción pasiva paracelular de cationes como el Ca2+, K+, Mg2+. Cada soluto reabsorbido aumenta la osmolaridad, primero dentro de la célula tubular, luego en el líquido intersticial y luego, en la sangre. Es decir que la reabsorción de solutos crea un gradiente osmótico que promueve la reabsorción de agua por ósmosis. - Reabsorción y secreción en el asa de Henle El asa de Henle reabsorbe entre el 20 y 30% de Na+, K+ y Ca2+, 10-20% de HCO3 -, 35% de Cl-, y el 15% de agua. La ADD es muy permeable al agua y moderadamente permeable al Na+ y Cl- y a la urea. A partir de la AAD, el asa de Henle presenta baja permeabilidad al agua. Esta característica se extiende a la AGD, TCD y TC. El asa ascendente tiene un sistema apical de cotransporte de Na+:2Cl-:K+ que reabsorbe simultáneamente un ion Na+, un ion K+ y dos iones Cl-. La disposición en horquilla genera un gradiente de concentración desde las zonas más profundas (papila) hasta las más superficiales. Como el ADA es impermeable al agua, el Cl- y Na+ pasan al asa descendente y al intersticio sin acompañarse de agua. Este mecanismo se conoce como mecanismo de contracorriente. El Mg2+ y el Iodo se reabsorben en el asa de Henle en casi su totalidad. A nivel basolateral se encuentra presente la bomba Na+, K+-ATPasa, que genera un potencial electronegativo que favorece la entrada de Na+ apical por el transportador Na+:2Cl-:K+. El ADD de Henle presenta una gran permeabilidad para el agua pero no para la sal. Allí se reabsorben Ca2+ y Mg2+. 39 - Reabsorción y secreción en túbulo contorneado distal A medida que el líquido fluye a lo largo del TCD, la reabsorción de Cl- y Na+ continúa gracias a la acción de cotransportadores Cl-/Na+de las membranas apicales. La porción inicial del TCD es impermeable al agua e insensible a la acción de la ADH. El Na+ penetra por la membrana luminal por el cotransportador con Cl-, y es expulsado del interior de la célula por la bomba Na+, K+-ATPasa. El Cl- lo sigue pasivamente y difunde al espacio peritubular por un canal específico localizado en la membrana basolateral. La bomba Na+, K+-ATPasa y los canales de conductividad de Cl- en la membrana basolateral permiten la reabsorción de Na+ y Cl- en los capilares peritubulares. El TCD es el principal sitio en donde la hormona paratiroidea (PTH) estimula la reabsorción de Ca2+. La porción final del TCD tiene características similares a las del TC. Es sensible a la acción de ADH, que permite que en esta porción, las células del TCD reabsorban del 10 al 15% del agua filtrada. - Reabsorción y secreción en el túbulo colector Para el momento en que el líquido llega al final del TCD, el 90-95% del agua y los solutos filtrados retornaron al torrente sanguíneo. Las células principales son sensibles a la acción de la ADH y aldosterona, reabsorben Na+ y secretan K+, mientras que las células intercalares poseen una bomba H+-K+ en la membrana luminal, reabsorben K+ y HCO3 - y secretan H+. 40 Figura 9. Reabsorción y secreción tubular en los distintos segmentos de la nefrona. Modificado de Tortora GJ y Derrickson BH. Principles of Anatomy and Physiology, Thirteenth Edition, Ed. John Wiley & Sons, 2011. ADH: hormona antidiurética; Ca 2+ : Ion calcio; Cl - : Ion cloruro; H + : Ion hidrógeno; HCO3 - : Ion bicarbonato; K + : Ion potasio; Mg 2+ : Ion magnesio; Na + : Ion sodio; NH4 + : Ion amonio; PO4 3- : Ion fosfato; TCP: túbulo contorneado proximal Las presentes secciones de este capítulo han sido elaboradas con información obtenida de los siguientes libros de texto: Brenner BM. El Riñón. Tratado de nefrología de Brenner y Rector, 7° edición, Ed. Saunders Elsevier, 2005. Cingolani HE, Houssay AB. Fisiología Humana de Houssay, 7° edición, Ed. El Ateneo, 2002. Guyton AC, Hall JE. Tratado de Fisiología Médica, 11ª edición, Ed. Elsevier, 2006. Tortora GJ y Derrickson BH. Principles of Anatomy and Physiology, Thirteenth Edition, Ed. John Wiley & Sons, 2011. Zeidel ML y col. Clinical Journal of the American Society of Nephrology (CJASN). Renal Physiology for the Clinician, 2016. 41 1.1.3 Regulación de la Presión Arterial El riñón es un órgano extremadamente sensible a los cambios en la presión arterial sistémica que responde de diferentes maneras, con el objetivo de modificar el balance de fluidos y electrolitos de modo de mantener la homeostasis circulatoria y restaurar los niveles de presión arterial normales (Raine, 1994). El principal mecanismo de regulación de la presión arterial por parte del riñón consiste en el fenómeno de presión-natriuresis, descripto por Guyton, mediante el cual un incremento en la presión de perfusión renal produce un incremento en el flujo urinario y en la excreción de sodio (Guyton y col., 1972). Mediante este mecanismo de control, cuando los niveles de presión arterial se elevan por sobre valores normales, el exceso de presión conduce a los riñones a excretar más agua y sodio que la cantidad que ingresa al organismo. El volumen sanguíneo disminuye, haciendo que se reduzca la presión arterial. De manera opuesta, cuando los niveles de presión arterial caen por debajo de los valores normales, el riñón se encarga de que el fluido que se excreta sea menor al que ingresa al organismo, y de esta manera, la presión arterial se incrementa (Guyton y col., 1972). El preciso mecanismo del fenómeno de presión-natriuresis no se conoce certeramente, si bien se sabe que no es debido a cambios en el FSR o en la tasa de filtración glomerular (TFG) del plasma. Se postula que este fenómeno es mediado por una reducción en la reabsorción tubular de sodio, cuya base no se encuentra completamente explicada pero se cree que en parte se debe a un aumento en la presión hidrostática del intersticio, especialmente a nivel de corteza y papila renal (Raine, 1994). En adición al fenómeno de “presión-natriuresis”, varios factores endocrinos, autocrinos y neurogénicos actúan a nivel renal en respuesta a cambios percibidos en la presión arterial o volumen intravascular, para reajustar la excreción de sodio apropiadamente (Raine, 1994). Ellos incluyen al SRA y al sistema nervioso simpático (SNS), los cuales incrementan la reabsorción de sodio a nivel de túbulo proximal mediante la acción de la Ang II así como por la activación simpática mediada por los receptores α1-adrenérgicos. Otros factores tales como la dopamina (DA) renal y el ANP actúan de manera opuesta, promoviendo la excreción de sodio en respuesta a aumentos de presión arterial o a expansión de volumen corporal. La sensibilidad del riñón a los cambios en los niveles de presión arterial implica que alteraciones relativamente profundas de la función y estructura renal deben tener lugar en el desarrollo de la hipertensión arterial (HTA). Asimismo, teniendo en cuenta las funciones desempeñadas por estos órganos, la participación de los mismos en la fisiopatología de la HTA ha sido descripta y se encuentra ampliamente aceptada desde hace muchos años. 42 1.1.4 Sistema Renina Angiotensina El SRA constituye uno de los sistemas más importantes en el control de la función cardiovascular (Steven y col., 2012). Actualmente se conoce que el SRA posee 2 ejes diferentes y opuestos entre sí (Figura 10) (Bader, 2010). El eje clásico presor es representado por la Ang II, la enzima convertidora de angiotensina (ECA) y el receptor de Ang II tipo 1 (AT1), responsable de los efectos vasoconstrictores, proliferativos, hipertensivos, oxidantes, proinflamatorios y profibróticos del SRA, cuya sobre-activación está asociada con el desarrollo de HTA y enfermedad cardiovascular (ECV) (Kim y Hiroshi, 2003; Benigni y col., 2010). El otro eje está representado por la Ang-(1-7), la ECA 2, el receptor de Ang II tipo 2 (AT2) y el receptor de Ang-(1-7) o receptor Mas, siendo la Ang-(1-7) el producto de la degradación de la Ang II por acción de la enzima ECA 2. Se ha demostrado que este eje induce efectos cerebro, reno, cardio y vasoprotectores así como antihipertensivos, regulando de esta manera al eje presor del SRA (Ferrario y Chapell, 2004). El SRA no ejerce sus funciones únicamente a nivel circulatorio, sino también localmente en los tejidos a partir de precursores y sustratos expresados localmente o importados de la circulación. Se ha descripto la existencia de diversos SRA locales presentes a nivel renal, cardíaco, cerebral y a nivel de vasos sanguíneos y tejido adiposo, con funciones tejido-específicas, que son regulados independientemente del SRA sistémico si bien poseen la capacidad de interactuar con este último (Bader, 2010). 43 Figura 10. Esquema del Sistema Renina Angiotensina. Modificado de Benigni y col., EMBO Mol Med; 2(7): 247–257, 2010. La renina, una proteasa producida en el riñón, produce la ruptura del angiotensinógeno para generar el decapéptido inactivo angiotensina I. La ruptura de la angiotensina I por la enzima convertidora de angiotensina o alternativamente por la quimasa da origen al octapéptido activo angiotensina II, que actúa a través de los receptores tipo AT1 y AT2. Los niveles de angiotensina II son también regulados por la enzima convertidora de angiotensina II, que produce la ruptura de este péptido para dar origen al heptapéptido vasodilatador angiotensina 1-7. AGT: angiotensinógeno; Ang I: angiotensina I; Ang II: angiotensina II: Ang 1-7: angiotensina 1-7; AT1R: receptor AT1; AT2R: receptor AT2; ECA: enzima convertidora de angiotensina; ECA 2: enzima convertidora de angiotensina 2 - SRA Renal Se ha demostrado que el SRA
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