Effect of inhibition of Loxl2 on inflammasome expression in diabetic nephropathy

Abstract

Diabetic nephropathy (DN) is a leading cause of end-stage renal disease (ESRD) worldwide and represents a major burden in patients with long-standing diabetes. Podocyte injury has emerged as a pivotal early event in the pathogenesis of DN, contributing to proteinuria, glomerulosclerosis, and irreversible loss of renal function. However, the molecular mechanisms driving podocyte dysfunction in diabetic conditions remain incompletely understood. Lysyl oxidase-like 2 (Loxl2), a copper-dependent amine oxidase, plays an essential role in extracellular matrix (ECM) remodeling by catalyzing the covalent cross-linking of collagen and elastin. Beyond its enzymatic function, Loxl2 has been implicated in various pathological processes, including epithelial-to-mesenchymal transition (EMT), tissue fibrosis, and cancer metastasis. Although Loxl2 has been primarily studied in hepatic, pulmonary, and oncologic contexts, its relevance in renal pathology, particularly in podocyte biology under hyperglycemic conditions, remains largely unexplored. In the present study, we sought to delineate the functional significance of Loxl2 in diabetic nephropathy, with a particular focus on its expression in podocytes and its interaction with inflammatory signaling pathways. Using a combination of in vitro approaches with CRISPR/Cas9-mediated Loxl2 knockout human podocytes and in vivo experiments employing podocyte-specific Loxl2-deficient mice (Nphs2-Cre; Loxl2flox/flox), we demonstrated that Loxl2 expression is significantly upregulated in diabetic kidneys and in cultured podocytes exposed to high glucose and lipopolysaccharide (LPS). Podocyte-specific deletion of Loxl2 in diabetic mice led to a marked attenuation of glomerular injury, including reduced mesangial expansion, basement membrane thickening, and macrophage infiltration, accompanied by improved albumin-to-creatinine ratio (ACR). Moreover, mechanistic investigations revealed that Loxl2 deficiency downregulated key components of the Nlrp3 inflammasome pathway, including caspase-1 and interleukin-1β, thereby mitigating the pro-inflammatory milieu within the diabetic glomerulus. Immunofluorescence analysis further confirmed that Loxl2 was predominantly localized in podocytes and co-expressed with synaptopodin, suggesting its direct involvement in cytoskeletal integrity and filtration barrier maintenance. Importantly, Loxl2 depletion preserved podocyte marker expression under diabetic stress without evidence of compensatory structural damage, indicating a potential protective role of Loxl2 suppression in maintaining podocyte homeostasis. Together, these findings identify Loxl2 as a previously underrecognized mediator of both structural injury and inflammation in diabetic nephropathy. The dual role of Loxl2 in ECM remodeling and inflammasome activation underscores its therapeutic relevance. Our data suggest that selective inhibition of podocyte-derived Loxl2 may serve as a novel strategy to attenuate the progression of diabetic kidney disease by targeting both fibrotic and inflammatory pathways. Further studies using pharmacologic inhibitors of Loxl2 are warranted to evaluate its translational potential as a disease-modifying target in diabetic nephropathy. 당뇨병성 신증(Diabetic nephropathy, DN)은 제1형 및 제2형 당뇨병 환자에게서 흔히 발생하는 미세혈관 합병증 중 하나로, 전 세계적으로 말기 신부전(End-stage renal disease, ESRD)의 가장 주된 원인 질환으로 알려져 있다. 당뇨병성 신증은 시간이 경과함에 따라 점진적인 사구체 여과율 감소와 지속적인 단백뇨, 신장 섬유화 및 기능 저하를 유발하며, 한 번 진행되기 시작하면 회복이 거의 불가능하다는 점에서 조기 병태기전의 규명과 표적치료 전략의 개발이 무엇보다도 중요하다. 사구체 내에서 여과 장벽을 구성하는 핵심 세포인 족세포(podocyte)는 기저막의 구조적 안정성을 유지하고, 단백질 여과를 조절하는 데 필수적인 역할을 수행하는 세포로, 당뇨병에 의한 대사 스트레스 및 면역 반응의 영향을 직접적으로 받는 취약한 세포군이다. 족세포 손상은 단백뇨의 직접적 원인일 뿐 아니라, 이후 발생하는 섬유화와 염증성 재구조화 과정의 주요 기전적 출발점이 되기 때문에 족세포 수준에서의 병인 규명은 DN의 근본적 이해를 위해 필수적이다. 최근 다양한 섬유화성 질환 및 종양 모델에서 Lysyl oxidase-like 2(Loxl2)는 세포외기질 성분의 교차결합 및 리모델링 과정에 중요한 역할을 하며, 염증 반응과 세포 내 신호전달 경로의 조절에 관여한다는 사실이 밝혀지고 있다. 특히, Loxl2는 TGF-β 경로를 포함한 섬유화 유도 사이토카인 신호의 상류 조절자로 기능하며, 조직 수준에서 구조적 변화와 염증성 환경을 동시에 유도하는 병리적 메커니즘의 중심에 존재할 가능성이 제기되고 있다. 그럼에도 불구하고, 당뇨병성 신증에서 Loxl2의 세포 특이적 발현 양상과 병태생리학적 기능, 그리고 염증성과 섬유화 간 연계된 병리 과정에서의 역할은 거의 연구되지 않았으며, 특히 족세포에 특이적으로 작용하는 메커니즘에 대한 분자 수준의 이해는 미흡한 실정이다. 이에 본 연구는 당뇨병 조건에서 족세포 내 Loxl2의 발현 변화를 확인하고, 해당 유전자가 질환의 진행 과정에 미치는 영향을 체계적으로 규명하고자 하였다. 이를 위해 인간 족세포 및 유전자 조작 마우스 모델을 기반으로 대사 스트레스 및 염증 자극에 대한 반응에서 Loxl2의 병태생리학적 역할을 규명하고, 염증 반응 및 세포외기질 리모델링과의 연관성을 분석하였다. 본 연구는 기존의 단순한 병변 억제 접근이 아닌, 세포 특이적 유전자 조절을 통해 질환의 근본적 병인 기전을 조절하려는 시도로서 의의가 있으며, 구조적 손상과 면역 반응이 복합적으로 얽혀 있는 당뇨병성 신증의 복잡한 병태기전에 대해 새로운 시각을 제시한다. 궁극적으로 본 연구는 Loxl2가 당뇨병성 신증에서 사구체 병변의 형성, 염증 유도성 면역 반응의 증폭, 그리고 섬유화 과정의 유지에 기여하는 주요 인자임을 제안하며, 족세포 특이적 Loxl2 억제 전략이 향후 질환의 진행을 지연시키거나 차단하는 데 효과적인 중재점이 될 수 있음을 보여주고자 한다. 또한 Loxl2를 표적으로 한 치료 전략은 기존 치료법들이 가지는 제한점들 예컨대 단백뇨의 부분적 개선이나 섬유화의 비가역성 등을 보완할 수 있는 새로운 접근으로서, 후속 약리학적 연구 및 임상 적용 가능성에 대한 기반자료를 제공한다. 더 나아가, 본 연구를 통해 규명된 Loxl2 중심의 병태 기전은 당뇨병성 신증뿐 아니라 다양한 만성 신장질환 및 대사성 질환의 치료 표적 탐색에도 확대 적용될 수 있는 학술적·임상적 가치를 지닌다.