Bone Morphogenetic Protein-7 attenuates metabolic damage of kidney and pancreas under STZ-induced type 1 Diabetes model

Abstract

Diabetes has various complications. Diabetic nephropathy is a representative microvascular complication, and about 30% of diabetic patients progressto diabetic nephropathy. Rental tubule damage by TGF-β1 is known to be a factor in diabetic nephropathy, and induces renal fibrosis, but the etiological mechanism has not yet been fully elucidated. Recently, it has been reported that a new type of cell death by iron metabolism called ferroptosis is involved in several kidney diseases. Ferroptosis is characterized by the accumulation of lipid peroxides and occurs when cystine uptake is inhibited or glutathione peroxidase is inhibited. It has been reported that ferroptosis is partly involved in kidney damage in animal of diabetic nephropathy, and it has been reported that ferroptotic condition is induced by stimulation of TGF-β1 in vitro study. Therefore, this study aimed to find out that renal damage caused by ferroptosis is alleviated by BMP7 and endogenous antagonist of TGF-β1. In addition, based on the study that BMP7 is effective in regenerating pancreatic beta cells in diabetic animal models, we wanted to find out that pancreatic damage is alleviated. We used the micellized prodrug type of BMP7(mPTD-BMP7) to facilitate delivery. In proximal tubular cell (NRK52E) of rodents (rat), it was proved that the lipid peroxidation was increased and glutathione was inhibited by TGF-β1 and Erastin, which was significantly improved by mPTD-BMP7. In addition, mPTD-BMP7 mitigated the inhibition of Gpx4, Gpx3, cystine transporter of proximal tubular cell (Slc7a9), and mitigated damage to iron metabolism markers Ffh1 and Hspb1 under ferropotsis. Further, it was demonstrated that markers of fibrosis in NRK52E were increased by stimulation of TGF-β1, but significantly decreased by mPTD-BMP7. A diabetic animal model was induced using sterptozotocin, a drug that destroys pancreatic islets, particularly beta cells, and mPTD-BMP7 was delivered intraperitoneally to the treatment group for 16 weeks. In the kidney of diabetic animal model, lipid peroxidation was increased, and glutathione level and iron metabolism was inhibited, but these changes were improved by administration of mPTD-BMP7. Like the cell experiments, inhibition of Gpx3, Gpx4 and Slc7a9 was alleviated by mPTD-BMP7 in the diabetic kidney, and changes of Fth1 and Hspb1 was also mitigated. In addition, it was confirmed through staining and qPCR that renal fibrosis was suppressed though administration of mPTD-BMP7, and it was confirmed through qPCR that the index of diabetes was significantly improved in the diabetic pancreas. Ferroptosis seems to be involved in the process of renal injury and fibrosis in diabetes, which is expected to be alleviated by BMP7. In addition, it was confirmed that administration of BMP7 prevents continuous damage to the pancreas of diabetic patients and is also effective in regenerating the pancreas. Through this study, administration of BMP7 suggested that possibility of alleviating the metabolic damage of the pancreas as well as kidney in diabetic patients.

당뇨는 여러가지 합병증을 가지는데 당뇨병성 신증은 대표적인 모세혈관계의 합병증으로, 약 30%의 당뇨환자에서 당뇨병성 신증으로 진행된다. TGF-β1 에 의한 신장 세뇨관의 손상은 당뇨병성 신증의 요인으로 알려져 있으며, 동시에 신장 섬유화를 유도하지만 병인론적인 기전은 아직 완벽히 밝혀지지 않았다. 최근에 ferroptosis라는 철 이온에 의한 새로운 형태의 세포 사멸이 여러 신장의 질병들에 연관되어 있다는 보고가 되었다. Ferroptosis는 지질 과산화물의 축적이 특징이며, 시스테인의 유입이 저해되거나, glutathione peroxidase가 저해되며 나타난다. 최근, 당뇨병성 신증 동물 모델에서 신장의 손상 과정에 ferroptosis가 일부 관련되어 있다는 보고가 있었고, 세포 실험에서 TGF-β1의 자극은 ferroptosis가 일부 유도되는 것이 보고 되었다. 따라서, TGF-β1의 내인성 길항제인 BMP7에 의해 ferroptosis에 의한 신장 손상이 완화되는 것을 밝히고자 하였으며, 더불어 BMP7이 당뇨 동물 모델에서 췌장의 베타 세포 재생에 효과적이라는 연구를 바탕으로 췌장의 손상도 완화 되는 것을 밝히고자 하였다. 이 실험에서 전구체 약물 형태의 mPTD-BMP7을 사용하여 전달을 용이하게 하였다. 설치류(Rat)의 근위세뇨관 세포(NRK52E)에서 TGF-β1과 Erastin에 의해 지질 과산화가 증가하고 글루타치온이 저해되는 것을 확인하였으며, 이는 mPTD-BMP7에 의해 유의하게 개선되었다. 또한 mPTD-BMP7은 ferroptosis 상태에서 Gpx4, Gpx3와 신장 세뇨관의 시스테인 유입 경로인 Slc7a9의 저해를 완화시켰으며, 철 대사 지표인 Fth1과 Hspb1의 손상도 완화시켰다. 그리고 TGF-β1를 장시간 적용하여 세뇨관 세포에서 섬유화의 지표들이 증가하였다가, mPTD-BMP7에 의해 유의한 감소를 보이는 것도 확인하였다. 당뇨 동물 모델은 Streptozotocin이라는 췌장의 랑거한스섬과 베타 세포를 파괴하는 약물을 사용하여 유도하였으며, 치료 군은 16주 동안 mPTD-BMP7을 복강을 통해 전달하였다. 당뇨병성 동물 모델에서도 신장에서 지질 과산화가 증가되고 글루타치온 수준과 철의 대사가 저해되었으나, mPTD-BMP7의 적용으로 이 현상이 개선되었다. 세포 실험에서와 마찬가지로 mPTD-BMP7에 의해 당뇨 쥐의 신장에서 Gpx3, Gpx4, Slc7a9의 저해를 완화시켰고 Ffh1과 Hspb1의 변화의 개선을 확인하였다. 또한, mPTD-BMP7의 적용을 통해 신장에서 섬유화가 억제되는 것을 염색과 qPCR을 통해 확인하였으며, 췌장에서도 당뇨의 지표가 유의하게 개선 되는 것을 qPCR을 통해 확인하였다. 당뇨에서 신장의 손상과 섬유화의 과정에 ferroptosis가 관련되어 있으며, 이는 BMP7에 의해 완화가 가능한 것으로 보인다. 뿐만 아니라 BMP7의 적용은 당뇨 환자에서 췌장의 지속적인 손상을 방지하며, 췌장의 재생에도 효과가 있음을 확인하였다. 본 연구를 통해 BMP7의 적용은 당뇨 환자에서 신장뿐만 아니라 췌장의 대사 손상을 완화할 수 있는 가능성을 제시하였다.