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Gallo, Davide (2013) Studio del lisozima nel contesto della nefropatia diabetica. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

Study of lysozyme in the context of diabetic nephropathy

Lysozyme (LZ), enzyme known for its antimicrobial and immunomodulant activity, has recently shown to be effective in the context of diabetic nephropathy, one of the major complications associated to diabetes and one of the major cause of end stage kidney disease in Western countries. Experimental evidences strictly link the development and progression of the diabetic nephropathy to the enormous production and accumulation of Advanced Glycation Endproducts (AGEs).
AGEs are a chemically heterogeneous group of macromolecules which formation is dramatically increased in diabetic patient mainly due to chronic hyperglicaemia. Nevertheless, several factor, such oxidative and carbonyl stress and reduced renal clereance seem to be related to the increase of the production and accumulation of AGEs. The first step of AGEs formation starts in presence of reducing sugars, as glucose, which are able to interact with free amino group (Maillard reaction), forming Schiff base. The rearrangements from the Schiff base leads to the formation of Amadori products, that are eventually oxidazed, leading to the formation of AGEs. AGEs binding to structural proteins and deposition in tissues alter functions, leading to stiffening, enhanced local cytokine production and is a marker of cumulative metabolic stress. At cellular level, AGEs-induced events, depend mainly by their interaction with specific receptor, among which RAGE, is the most well characterized. AGE-RAGE interactions determine a number of events, such as an increased production of reactive oxygen species (ROS), induction of pro-inflammatory mediators, upregulation of RAGE receptor.
In the last decades, it has been shown that hen egg white LZ is able to act effectively as AGEs scavenger (Kd= 50 nM). In in vivo models it was demonstrated that orally administered microencapsulated LZ, can act prevent the insurgence of a number of relevant early manifestations of diabetic nephropathy, such as microalbuminuria and glomerular hypertrophy.
The aim of the present work is to develop an in vitro model for studying the molecular mechanisms responsible for the nephroprotective activity of LZ, through the identification and validation of an adequate cell line and a marker.
In order contribute to understand the higher in vivo effectiveness of microencapsulated LZ compared to an equidose of “free” LZ, a sophisticated model of incannulated rat will be developed.
Results and discussion
An adequate cell model was selected among three different cell lines: a primary culture of endothelial cells (ADMEC), due to the implication of vascular tissue in diabetes and two proximal tubular cell lines, LLC-PK1 (porcine cells) and HK-2 (human cells) due to the tubular involvement in the context of diabetic nephropathy. HK-2 cell line was selected on the basis of its dose-dependent sensibility to the AGE treatments, quantified, in terms of viability, by means of MTT test.
One of the most relevant AGE-induced effect is the induction of inflammatory response. A pivotal event in the context of inflammation is represented by macrophage recruitment. For this reason, it was performed a migration assay, using monocyte U937 differentiated in macrophage, toward a stimulus represented by supernatants obtained treating HK-2 cells with AGE e LZ. AGE treatment induced a significant increased (+50%) of the migrated macrophage. The co-treatment significantly prevented the migration induction. LZ treatment, as expected, did not modify migratory ratio.
It is known that cytokine play a crucial role in macrophage recruitment. Interleukin-6 (IL-6), for what diabetic nephropathy is concerned, has a pivotal role. On the basis of this evidence, the IL-6 mRNA levels after AGE and LZ treatments were measured. According with expectations, AGE induced a significant IL-6 mRNA increase after 24 h of treatment. LZ exposition did not induced any modifications, whereas the co-treatment with AGE and LZ showed that LZ prevented IL-6 mRNA increase. In order to confirm the effectiveness of LZ toward AGE-induced IL-6 increase, an ELISA assay was performed. LZ was able to significantly and dose-dependently reduce the AGE-induced release of IL-6 in the supernatants. Several mechanisms have been reported to be capable to induce IL-6 release. The mechanisms that determine IL-6 release are several. On the basis of the recognized crucial role attributed to RAGE receptor, it was tested the capacity of LZ to influence RAGE mRNA levels, by means of RT-PCR technique. The results showed no variations of RAGE levels after exposition to AGE and LZ for 24 up to 96 h. The induction of ROS represents one of the events attributable to AGEs. Nevertheless, on the cellular model employed, this parameter did not show any significant increase.
Considering that LZ activity is associated also to its AGE scavenging action, it was evaluated by means of confocal microscopy, if the presence of LZ could influence the AGE capacity to enter inside the cell. The images obtained by means of this technique showed that AGEs and LZ are both able to enter in the cells. In order to investigate the co-treatment effect a cytometry analysis was performed. The results suggest that LZ is not able, in this cellular model, to prevent the entrance on AGEs inside the cells, excluding that LZ scavenging action could be the cause of preventive action of in vitro IL-6 production.
Subsequent studies were performed on pathways potentially involved in the action of LZ toward AGEs, such as MAPK cascade (p38) and lysosomial degradation. Preliminary data showed a possible involvement of p38. In fact, AGEs showed the capacity to increase phosphorylation level of this protein, effect reduced by the co-treatment with an equimolar dose of LZ. Promising are also the first results obtained from the lysosomial localization study of AGE, in presence of LZ. In fact, the qualitative analysis of the obtained figures confirms the hypothesis that LZ is able to bring AGEs in lysosomes, supporting their degradation.
Taken together these data do not exclude stochastically that LZ action is mainly antidotic. However, the LZ capacity to act toward pivotal mediators of AGE-induced effects, such as IL-6 and p38, open new work perspectives for what LZ action is concerned, allowing to speculate its use as cooperating drug in the control of inflammation in the context of diabetic nephropathy.
In order to investigate if the higher effectiveness of orally administered microencapsulated LZ was due to the capacity of microparticles to deliver more efficiently the LZ in the blood stream an in vivo test was performed. The results showed that microparticles can contribute significantly to deliver LZ more efficiently to serum

Abstract (italian)

Studio del lisozima nel contesto della nefropatia diabetica

Il lisozima (LZ), enzima noto per la sua attività antibatterica ed immunomodulante, è stato recentemente identificato come principio attivo con potenzialità terapeutica nel contesto della nefropatia diabetica, una delle principali complicanze associate al diabete e principale causa di patologie renali terminali nell’Occidente sviluppato. Evidenze sperimentali correlano strettamente l’insorgenza e la progressione della nefropatia diabetica all’abnorme formazione ed accumulo di molecole note come prodotti finali della glicosilazione avanzata (Advanced Glycation Endproducts, AGE).
Gli AGE sono un gruppo chimicamente eterogeneo di macromolecole la cui formazione risulta drammaticamente incrementata nel paziente diabetico a causa dell’iperglicemia cronicizzata. La formazione degli AGE ha inizio in presenza di zuccheri riducenti, come il glucosio, i quali nella loro forma aperta sono in grado di interagire con gruppo amminici liberi (reazione di Maillard) formando le basi di Schiff. Tali composti si riarrangiano in prodotti di Amadori, dai quali derivano direttamente gli AGE. Gli effetti patologici AGE-indotti derivano dal loro deposito tissutale e dal legame con proteine a lento turnover, con conseguente riduzione della funzionalità e/o dell’elasticità degli stessi. Gli eventi AGE-indotti, a livello cellulare, dipendono principalmente dalla loro interazione con i propri recettori specifici, tra i quali il meglio caratterizzato è RAGE. L’interazione AGE-RAGE è alla base di numerosi eventi tra i quali un ruolo centrale spetta all’aumento di specie reattive dell’ossigeno (ROS), all’induzione del rilascio di stimoli pro-infiammatori e all’upregolazione del recettore RAGE stesso.
Recentemente, è stato dimostrato che il LZ da bianco d’uovo è in grado di fungere efficacemente da scavenger degli AGE (Kd= 50 nM). In modelli in vivo con diabete indotto, è stato dimostrato che il LZ microincapsulato, somministrato oralmente, è in grado di prevenire l’insorgenza di alcuni dei principali sintomi precoci della nefropatia diabetica, quali microalbuminuria ed ipertrofia glomerulare.
L’obiettivo di questo lavoro di dottorato è quello di sviluppare un modello in vitro per lo studio dei meccanismi molecolari alla base dell’attività nefroprotettiva del LZ attraverso l’individuazione e la validazione di una linea cellulare e di un marker adeguati. Per chiarire alcuni aspetti di ordine farmacocinetico è stata anche quantificata la concentrazione plasmatica di LZ, in seguito a somministrazione orale in forma microincapsulata, rispetto alla somministrazione in forma libera.
Risultati e discussione
La selezione di un modello cellulare adeguato ai successivi studi in vitro è avvenuta nell’ambito di tre linee cellulari potenzialmente adatte, ovvero: una coltura primaria di cellule endoteliali del microcircolo dermico (ADMEC), per via dell’implicazione del sistema vascolare nel diabete e due linee cellulare di tubulo prossimale renale, LLC-PK1 (di origine suina) e HK-2 (di origine umana), per via del coinvolgimento tubulare nel contesto della nefropatia diabetica. Una serie di esperimenti ha permesso di far ricadere la scelta sulle cellule HK-2, le quali hanno mostrato la maggior sensibilità ai trattamenti con AGE (decremento dose-dipendente e tempo-indipendente) in termini di vitalità misurata mediante MTT test e per questioni di ordine pratico e logistico. Uno dei principali effetti degli AGE nell’organismo è l’induzione della risposta infiammatoria. Un evento cruciale dell’infiammazione è rappresentato dal reclutamento macrofagico. Sulla base di questi presupposti è stato effettuato un saggio di migrazione dei monociti U937, differenziati a macrofagi, verso uno stimolo rappresentato da sovranatanti ottenuti trattando le cellule HK-2 con AGE e LZ. Il trattamento con AGE ha indotto un incremento significativo (+ 50%) dei macrofagi migrati. Il trattamento con il LZ, come atteso, non ha modificato il tasso migratorio mentre, in presenza di AGE, è stato in grado di prevenire significativamente l’induzione della migrazione. È noto che le citochine svolgono un ruolo fondamentale nel reclutamento macrofagico. Nell’ambito della nefropatia diabetica, l’interleuchina-6 (IL-6) risulta rivestire un ruolo rilevante. Si è quindi deciso di misurare i livelli di mRNA di IL-6 in seguito a trattamenti con AGE e LZ. In conformità alle nostre aspettative, gli AGE hanno indotto un incremento statisticamente significativo dei livelli di mRNA di IL-6 dopo 24 h di trattamento. L’esposizione al LZ non ha indotto modificazione, mentre il co-trattamento con AGE e LZ ha evidenziato la capacità del LZ di prevenire l’incremento dei livelli di IL-6, mantenendoli a valori comparabili a quelli dei controlli. Per confermare l’attività del LZ nei confronti di IL-6 AGE-indotto, è stato condotto un saggio ELISA che ha rafforzato i dati ottenuti mediante RT-PCR: il LZ è in grado di ridurre, in maniera dose-dipendente e statisticamente significativa, la quantità di IL-6 rilasciata AGE-indotta. I meccanismi che portano al rilascio di IL-6 sono molteplici. Nell’arco di questa ricerca, ci si è focalizzati su alcuni eventi direttamente correlati all’incremento del rilascio di IL-6. Visto il ruolo chiave attribuito al recettore RAGE negli effetti AGE-indotti, si è deciso di testare la capacità del LZ di influenzare i livelli di mRNA di RAGE, mediante RT-PCR. I risultati non hanno evidenziato variazioni dei livelli di RAGE dopo esposizione al LZ a 24 e 96 h. L’induzione delle ROS rappresenta uno degli eventi notoriamente attribuibili ad un’azione AGE-indotta. Tuttavia, nel modello cellulare da noi utilizzato, questo parametro non ha mostrato innalzamenti rispetto al controllo negativo, pur mostrandosi sensibile al trattamento con ABAP (induttore di ROS di riferimento).
Dal momento che l’attività del LZ è associata anche alla sua azione di scavenger degli AGE si è deciso di investigare, mediante microscopia confocale, se la presenza del LZ potesse influenzare la capacità degli AGE di penetrare all’interno della cellula. Le immagini acquisite con questa tecnica hanno permesso di stabilire che gli AGE e il LZ sono in grado di penetrare attraverso la membrana cellulare. Per quel che concerne il co-trattamento sono stati effettuati alcuni studi di citometria a flusso. I risultati suggeriscono che il LZ non è in grado, in questo modello cellulare, di ridurre l’ingresso degli AGE nella cellula, escludendo che l’azione di scavenger sia alla base della prevenzione della produzione di IL-6 in vitro.
Successivi studi, sono stati effettuati su due possibile vie coinvolte negli effetti AGE-indotti, quali la cascata delle MAPk, mediante p38, e la via di degradazione lisosomiale. I dati preliminari ottenuti hanno evidenziato un possibile ruolo i p38. Gli AGE si sono dimostrati capaci di incrementare i livelli di fosforilazione di questa proteina, effetto ridotto dalla contemporanea presenza di una dose equimolare di LZ. Promettenti sono anche i primi risultati ottenuti dallo studio di co-localizzazione degli AGE, in presenza di LZ, nei lisosomi. Le immagini acquisite confermano, infatti, l’ipotesi che il LZ sia in grado di veicolare gli AGE nei lisosomi, favorendone la degradazione.
Nel loro insieme i risultati ottenuti non escludono che l’azione del LZ nei confronti degli AGE e dei suoi effetti sia prettamente di tipo antidotico e di scavenging. Tuttavia, la capacità del LZ di agire su un mediatore chiave degli effetti AGE-indotti come IL-6 e p38, aprono una nuova finestra di studio per quel che concerne il LZ, permettendo di ipotizzare un suo possibile impiego come co-adiuvante per il controllo dell’infiammazione nella nefropatia diabetica.
Al fine di investigare se la maggior efficacia del lisozima microincapsulato sia dovuta alla capacità dei microsistemi di veicolare il LZ, nel torrente circolatorio di quanto non avvenga con la forma libera è stato messo a punto un modello in vivo nell’ambito del quale il LZ è stato somministrato oralmente microincapsulato oppure libero. Nel corso di tale prova è stato dimostrato che i microsistemi sono capaci di veicolare il lisozima a livelli serici superiori di quanto non avvenga dopo somministrazione di un’equidose di LZ in forma libera. Questi risultati dimostrano l’efficacia dei microsistemi orali per la veicolazione in circolo di principi biologicamente attivi

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Sava, Gianni
Supervisor:Cocchietto , Moreno
Data di deposito della tesi:23 January 2013
Anno di Pubblicazione:23 January 2013
Key Words:Lisozima, nefropatia diabetica, prodotti finali della glicosilazione avanzata (AGE), lysozyma, diabetic nephropathy, advanced glycation endproducts (AGE)
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 05 - Scienze biologiche > BIO/14 Farmacologia
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Scienze del Farmaco
Codice ID:5430
Depositato il:15 Oct 2013 10:50
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