Algunas enfermedades, como la insuficiencia

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1 Medicina Universitaria 2006;8(31): Artículo de revisión Papel de las acuaporinas en los defectos de concentración y dilución del síndrome nefrótico Raúl Treviño Hernández,* Jesús Cruz Valdez* Resumen El síndrome nefrótico se relaciona con defectos en la concentración y dilución urinaria en animales y humanos. A diferencia de otros padecimientos, en los que se demostró incremento en la expresión renal de acuaporinas, como la insuficiencia cardiaca y la cirrosis hepática, diversos estudios demostraron disminución en la expresión renal tras la inducción del síndrome nefrótico, lo cual puede explicar, en parte, el fracaso en la concentración urinaria. La supresión de la expresión de transportadores no se limita a las acuaporinas, también comprende otros transportadores fundamentales para la concentración y dilución urinaria, y altera el funcionamiento del mecanismo multiplicador contracorriente. Los defectos en la dilución urinaria se relacionan con disminución en la expresión de diversos transportadores y en la reducción de la filtración glomerular. Palabras clave: síndrome nefrótico, acuaporinas. Abstract Nephrotic syndrome has been associated with defects in the urine concentration and dilution process in humans and animals. Contrary to other clinical situations, as in heart failure and hepatic cirrhosis, in which an increment in the renal expression of aquaporins has been demonstrated, diverse studies have shown a decrease in the renal expression of aquaporins after the inducement of nephrotic syndrome, giving an explanation for the failure to concentrate urine. The suppression of the expression of transporters is not limited to aquaporins, but to other fundamental transporters for the urine concentration and dilution process, altering the operation of the countercurrent multiplier mechanism. The defects in the urinary dilution process are related to the decrease in the expression of diverse transporters as well as in the reduction in the glomerular filtration. Key words: nephrotic syndrome, aquaporins Algunas enfermedades, como la insuficiencia cardiaca, la cirrosis hepática y el síndrome nefrótico, se distinguen por la expansión del volumen extracelular relacionado con la reabsorción renal excesiva de sodio y agua. La retención de sodio y agua en estos procesos no se comprende completamente, pero se cree que, en parte, está relacionada con la regulación anormal de solutos en los riñones y en los transportadores de agua. Se ha demostrado, en ratas con insuficiencia cardiaca e hiponatremia, que la expresión de acuaporina 2 está * Servicio de Nefrología, Facultad de Medicina y Hospital Universitario Dr. José Eleuterio González de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Correspondencia: Dr. Jesús Cruz Valdez. Servicio de nefrología del Hospital Universitario Dr. José E. González. Avenida Madero y Gonzalitos s/n, colonia Mitras Centro, CP 64460, Monterrey, Nuevo León, México. Tel.: (01-81) Recibido: noviembre, Aceptado: marzo, La versión completa de este artículo también está disponible en internet: incrementada notablemente, lo cual es una posible explicación a la excesiva reabsorción de agua libre en este estado. 1 Modelos de ratas cirróticas también tienen aumento en la expresión renal de acuaporina 2. 2 En el síndrome nefrótico se tienen defectos en la concentración y dilución urinaria en animales 3 y humanos. 4 A diferencia de la cirrosis y la insuficiencia cardiaca, se encontró disminución en la expresión de acuaporinas. En diversos estudios en ratas 3,5-8 se observó disminución en la expresión de acuaporinas en los túbulos colectores medulares después de la inducción del síndrome nefrótico. Sin embargo, la capacidad del riñón para conservar el agua no depende únicamente de la permeabilidad del conducto colector a través de las acuaporinas, también depende del mecanismo multiplicador contracorriente, el cual está alterado en modelos experimentales del síndrome nefrótico. 6 Los defectos de dilución urinaria se relacionan con defectos en transportadores de sodio en asa de Henle y con disminución en la filtración glomerular. Medicina Universitaria Volumen 8, Núm. 31, abril-junio,

2 Treviño Hernández R y Cruz Valdez J ACUAPORINAS EN EL RIÑÓN El movimiento del agua a través de las membranas celulares es fundamental para la vida. La masa corporal de la mayor parte de los organismos vivos está conformada por agua en aproximadamente 70%. Por lo tanto, se requiere que su distribución esté ordenada para mantener el equilibrio de líquidos en los diversos compartimientos anatómicos. Incluso cuando el agua puede difundir a través de las capas lipídicas, 9 esta difusión no es suficientemente rápida para muchos de los procesos fisiológicos. Para satisfacer sus necesidades, esta familia de proteínas evolucionó para poder transportar rápidamente el agua a través de las membranas biológicas. Las acuaporinas se encuentran en todas las formas de vida, como: eubacterias, hongos, plantas y filum animal. A partir del descubrimiento de las acuaporinas hace diez años por Agre y sus colaboradores (con lo cual ganó el Premio Nobel de Química con MacKinnon en el año 2003), se intentó entender cómo funcionan estas proteínas. La selectividad, permeabilidad y mecanismos de activación son tres propiedades que distinguen los canales proteicos. Las acuaporinas son muy selectivas para transportar el agua, incluso rechazan los iones hidronio (H3O+). Algunos miembros de la superfamilia de las acuaporinas son permeables a una variedad de solutos neutros pequeños como el glicerol o urea. 10 El transporte del agua o glicerol, a través de las acuaporinas, se lleva a cabo por difusión, la cual se facilita mediante gradientes osmóticos o de concentración. 9 La clonación de muchos de estos transportadores ha hecho posible preparar anticuerpos específicos para investigar los mecanismos patofisiológicos involucrados. Se conocen seis acuaporinas que se expresan en el riñón (AQP1, AQP2, AQP3, AQP4, AQP6 y AQP7), de las diez que se expresan en los humanos. 11,12 La acuaporina 1 es el arquetipo de la familia, es abundante en el túbulo proximal y en el segmento descendente delgado del asa de Henle. Es responsable de la elevada permeabilidad al agua de estas estructuras 13 y constituye casi 3% de las proteínas totales de la membrana en el riñón. 14 El transporte del agua en el túbulo colector se regula por la vasopresina a través de la acuaporina 2, 15 la cual se expresa en el túbulo colector. Se piensa que el transporte del agua por la membrana basolateral en las células del conducto colector puede ser mediado por la acuaporina La acuaporina 4 se expresa en la porción cortical del túbulo colector y la acuaporina 7 en la porción distal del túbulo proximal. El peso molecular de la acuaporina 1 es de 28,000; se encontró inicialmente en los eritrocitos y los túbulos proximales renales. 16 La acuaporina 1 permite el paso libre y bidireccional del agua, pero no el de iones o protones. La unidad funcional de la acuaporina 1 es un tetrámero y cada monómero contiene seis hélices trasmembranales que forman un poro de agua independiente. 16 La estructura de la acuaporina 1 proporciona al agua un mecanismo único y selectivo de permeabilidad a través del canal sin partes móviles. 17 La molécula tiene tres características que dan selectividad al agua: 9 a) restricción por tamaño: ocho angstroms por arriba del punto medio de la molécula, el poro se estrecha a un diámetro cercano a 2.8 angstroms (aproximadamente el diámetro de una molécula de agua); b) repulsión electrostática: un residuo (Arg-195) en la constricción más estrecha del poro impone una barrera a los cationes, incluso al agua protonada (H3O+); c) reorientación dipolar del agua: dos hélices parciales se encuentran en el punto medio del canal y proporcionan dos polos cargados positivamente, los cuales reorientan la molécula de agua mientras cruza este punto. Una sola columna de moléculas de agua pasa a través de un espacio de 20 angstroms dentro del canal. Las moléculas de agua saltan de sitio en sitio de manera similar a la conducción saltatoria de los axones mielinizados en los nodos de Ranvier. El transporte del agua a través de la acuaporina 1 (aproximadamente moléculas de agua por subunidad por segundo) 9 es considerablemente más rápido que otros canales descritos; el potasio pasa a velocidad de iones por segundo a través del canal KcsA, el cual está entre los canales del iones más rápidos. 9 La velocidad disminuiría si las moléculas de agua interaccionaran con otros sitios polares en el poro. La activación es fisiológicamente vital para muchos canales proteicos, aunque no es un rasgo general de las acuaporinas, un subconjunto puede ser activado. 9 La proteína intrínseca mayor del cristalino bovino (MIP, AQP0) es activada por ph bajo e inactivada por iones de calcio; la acuaporina 3 se inactiva por ph bajo y la acuaporina 6 en las vesículas intracelulares de células intercaladas se activa por ph bajo. 100 Medicina Universitaria Volumen 8, Núm. 31, abril-junio, 2006

3 Papel de las acuaporinas en los defectos de concentración y dilución del síndrome nefrótico Aun cuando las acuaporinas se especializan en el transporte rápido del agua, algunos miembros de la familia de acuaporinas también facilitan el transporte de otros solutos como el glicerol. Las acuaporinas se dividieron en dos grupos: 16 1) AQP0-AQP2, AQP4- AQP6 y AQP8, las cuales son permeables al agua pero no a moléculas orgánicas e inorgánicas pequeñas y 2) AQP3, AQP7 y AQP9, que son permeables al glicerol o urea y al agua. Ambos grupos son activos en muchas funciones fisiológicas. MECANISMO DE CONCENTRACIÓN Y DILUCIÓN URINARIA El mecanismo contracorriente permite al riñón excretar orina con osmolaridad mínima de 50 mosmol/kg y máxima de 900 a 1,400 mosmol/kg. El principal suceso en este proceso es el trasporte activo de NaCl fuera del segmento ascendente grueso del asa de Henle, a través de la bomba Na-K-ATP asa basolateral, el cotransportador de Na-K-2Cl y la bomba Na/H, hacia el intersticio medular, y diluye el líquido tubular e incrementa la osmolaridad del intersticio. El NaCl es responsable del 50 al 60% de la hiperosmolaridad medular, el resto sucede por la urea, la cual se reabsorbe en el túbulo colector medular interno a través del transportador de urea regulado por ADH y el UT1, y permite la difusión pasiva de la urea al intersticio. Como resultado, la osmolaridad de la orina que abandona el asa de Henle es aproximadamente de 100 mosmol/kg. En ausencia de ADH, los túbulos colectores son impermeables al agua y esta orina diluida se excreta como tal. Con ADH la permeabilidad al agua se incrementa y actúa a través de la acuaporina 2 en los túbulos colectores, la orina se equilibrará con el intersticio hipertónico medular creado por el mecanismo contracorriente y se excretará orina concentrada; por lo tanto, la osmolaridad final de la orina está determinada principalmente por la permeabilidad al agua de los túbulos colectores, determinada por el ADH. 18 ESTUDIOS EXPERIMENTALES EN EL SÍNDROME NEFRÓTICO Para determinar si el defecto de concentración en el síndrome nefrótico se relaciona con la disminución en la expresión de acuaporinas se utilizaron dos modelos animales de síndrome nefrótico: el inducido por el aminoglucósido puromicina 3,5,13 y por adriamicina, 6,13,7 junto con anticuerpos policlonales específicos contra acuaporinas para probar si se relaciona con la disminución en la expresión de las acuaporinas. Los estudios del síndrome nefrótico inducido con aminoglucósido puromicina demostraron que el defecto de concentración se relaciona con la marcada disminución en la expresión de acuaporina 2 y acuaporina 3 en el túbulo colector medular interno, 3,5,13 debido a que las concentraciones circulantes de vasopresina eran más altas en las ratas tratadas con aminoglucósido puromicina que en el control; era de esperarse la sobreexpresión y no la disminución en la expresión de acuaporina 2. El hallazgo de la disminución en la expresión sugiere que las concentraciones plasmáticas elevadas de vasopresina fueron ineficaces para incrementar la concentración intracelular de AMPc (intermediario en la expresión de acuaporina 2) o que algún otro factor no relacionado hubiese alterado el mecanismo mediado por AMPc. El receptor de la vasopresina (V2) es responsable de la regulación de la permeabilidad al agua en el túbulo colector a través de la acuaporina 2. Este receptor es una proteína integral de la membrana acoplada a la adenilciclasa a través una proteína G. La activación del receptor incrementa el AMPc intracelular y aumenta la permeabilidad al agua de dos maneras. 19 1) La regulación a corto plazo ocurre como resultado de la capacidad del AMP cíclico para activar la fusión de las vesículas intracelulares, que contienen acuaporina 2 con la membrana de plasmática apical; por consiguiente, aumenta la permeabilidad al agua. 2) La regulación a largo plazo es un incremento absoluto en el número de moléculas de acuaporina 2 en las células principales del túbulo colector. Se cree que esta respuesta es, en parte, el resultado de la regulación transcripcional mediada por la fosforilación de proteínas en respuesta al AMPc en el gen de la acuaporina El modelo del síndrome nefrótico inducido por adriamicina muestra disminución sustancial en la expresión de Gs [alfa] y adenil ciclasa en la médula interna. 7 Estas alteraciones podrían producir disminución en las concentraciones de AMP cíclico, y es posible que la disminución de la expresión de la acuaporina 2 sea resultado de la disminución crónica del AMPc intracelular. Medicina Universitaria Volumen 8, Núm. 31, abril-junio,

4 Treviño Hernández R y Cruz Valdez J Diversos estudios demostraron que la expresión de la acuaporina 3 se regula en respuesta a restricción de agua y a la infusión de vasopresina, de manera similar a la acuaporina 2. 21,22 Es decir, la acuaporina 3 se expresa en relación con concentraciones plasmáticas de vasopresina aumentadas, lo cual hace concluir que los cambios en la expresión de la acuaporina 3 pueden ser importantes en la regulación de la permeabilidad al agua del túbulo colector. Por lo tanto, la reducción en la expresión de la acuaporina 3, que se observa en el síndrome nefrótico inducido con aminoglucósido puromicina, puede ser responsable, en parte, del defecto de concentración relacionado. La expresión de acuaporina 4 no se afectó por la inducción del síndrome nefrótico por aminoglucósido puromicina. 13 En contraste, la acuaporina 1, que se encuentra en el segmento descendente del asa de Henle de la médula interna, muestra disminución moderada en su expresión y se observa que la disminución en la expresión de acuaporinas no se limita al túbulo colector en el síndrome nefrótico inducido por aminoglucósido puromicina. Se demostró que el síndrome nefrótico inducido por aminoglucósido puromicina se relaciona con nefritis tubulointersticial, 23 además de la glomerulopatía descrita. Puede ser que esta nefritis tubulointersticial dependa de la proteinuria grave relacionada con el síndrome nefrótico. No queda claro hasta qué grado la disminución en la expresión de acuaporinas se relaciona con la nefritis intersticial que, a su vez, está relacionada con el síndrome nefrótico inducido por aminoglucósido puromicina. Alteraciones similares se encontraron en el síndrome nefrótico inducido por adriamicina. 23 En resumen, el síndrome nefrótico inducido por aminoglucósido puromicina en ratas se relaciona con la marcada reducción en la expresión de acuaporinas 2 y 3 en el túbulo colector, lo cual explica en parte el defecto de concentración observado en el síndrome nefrótico inducido por aminoglucósido puromicina. Los modelos de síndrome nefrótico inducido por adriamicina también demostraron marcada disminución en la expresión de acuaporinas 1, 2, 3 y 4 en los túbulos colectores, 6,7 lo cual sugiere que la disminución en la expresión de acuaporinas 2 y 3 es un rasgo del síndrome nefrótico y no una respuesta idiosincrática a un modelo de síndrome nefrótico. Se demostró que la supresión de la expresión de transportadores no se limita a las acuaporinas, también se afectó al transportador de urea regulado por vasopresina, expresado en el túbulo colector medular interno. 7 Este transportador es importante en el mecanismo concentrador contracorriente porque proporciona urea al intersticio medular interno y mantiene el gradiente osmótico corticomedular de urea. El hallazgo de que las vías de trasporte de agua están suprimidas es consistente con la idea, generalmente aceptada, de que la retención hídrica en el síndrome nefrótico no depende del incremento en la reabsorción de agua en el túbulo colector, sino del aumento en la reabsorción de NaCl a lo largo de la nefrona. Por lo tanto, se especula que la supresión en la expresión de acuaporinas es una respuesta fisiológica apropiada a la expansión del volumen extracelular o, como lo refirieron Fernández-Llama y sus colaboradores, el precio que el riñón debe pagar por esta supresión apropiada de acuaporinas es la disminución en la capacidad de concentración y dilución urinaria, con limitación en la capacidad de mantener el equilibrio hídrico con el aumento de la ingestión de agua libre. En el modelo de síndrome nefrótico inducido por adriamicina también se investigó la expresión de los tres principales transportadores de sodio en la porción ascendente gruesa del asa de Henle, el cotransportador Na-K-2Cl (llamado BSC-1 o NKCC2), la bomba Na/H tipo 3 (NHE-3) y la subunidad alfa 1 de la Na-K-ATPasa. La bomba Na-K-2Cl se expresa exclusivamente en los segmentos ascendentes gruesos, al igual que la bomba Na/H tipo 3; 24 la bomba Na-K-ATPasa se expresa en toda la nefrona. Se encontró marcada disminución en la expresión de estos tres transportadores de sodio. 6 Al trabajar en conjunto, estos transportadores son responsables de la reabsorción de sodio por el segmento ascendente grueso. La supresión de la expresión de estos transportadores resultaría en absorción activa disminuida de NaCl y alteraría el mecanismo multiplicador contracorriente, el cual es fundamental para la concentración urinaria. 25 El proceso de dilución urinaria depende de la generación de un líquido tubular hipotónico por el segmento ascendente grueso cortical del asa de Henle, a través del trasporte activo de NaCl, por medio del cotransportador Na-K-2Cl. El hallazgo de la disminución en la expresión de este cotransportador en el síndrome nefrótico inducido por adriamicina 6 ofrece una explicación 102 Medicina Universitaria Volumen 8, Núm. 31, abril-junio, 2006

5 Papel de las acuaporinas en los defectos de concentración y dilución del síndrome nefrótico del defecto en la capacidad de dilución, debido a que el transporte de NaCl es responsable de la dilución del líquido tubular. La reducción de la filtración glomerular también puede afectar la capacidad de dilución urinaria al reducir la cantidad de líquido tubular que llega a la nefrona distal. El síndrome nefrótico inducido por adriamicina se relaciona con la disminución en la filtración glomerular. 6 La reabsorción incrementada de agua libre en el conducto colector cortical y en los conductos colectores medulares externos e internos, como resultado de las concentraciones aumentadas de vasopresina circulante, puede disminuir también la capacidad de dilución urinaria. 5 Algunos hallazgos interesantes en cultivos de células epiteliales del túbulo proximal humano, en los que se expusieron a dos componentes principales de la proteinuria del síndrome nefrótico (albúmina y trasferrina) e imitaron las condiciones del síndrome nefrótico, mostraron elevada expresión de acuaporinas 1 y 2. 8 Estos estudios in vitro contradicen las observaciones in vivo 6,7,13 que mostraron disminución en la expresión de acuaporinas 1, 2 y 3 en modelos animales. Estos hallazgos deben ser interpretados con reserva, debido a que los estudios in vitro e in vivo son difíciles de comparar, al igual que la extrapolación a humanos, lo cual hace necesaria la investigación posterior. CONCLUSIÓN Con base en estos estudios, se puede concluir que los defectos en la concentración y dilución urinaria del síndrome nefrótico son consecuencia de múltiples alteraciones en la expresión de diversos transportadores que alteran la generación de un intersticio medular hipertónico y el equilibrio osmótico en el túbulo colector. Aún no hay estudios en el síndrome nefrótico humano que muestren estas alteraciones; sin embargo, podrían esperarse alteraciones muy similares. Se requiere mayor investigación para poder comprender la patofisiología de estas alteraciones con el propósito de ofrecer un tratamiento mejor para esta enfermedad. REFERENCIAS 1. Xu DL, Martin PY, Ohara M, et al. Upregulation of aquaporin-2 water channel expression in chronic heart failure rat. 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6 Treviño Hernández R y Cruz Valdez J 22. Ecelbarger CA, Terris J, Frindt G, et al. Aquaporin-3 water channel localization and regulation in rat kidney. Am J Physiol 1995;269:F663-F Bertani T, Cutillo F, Zoja C, Broggini M, Remuzzi G. Tubulo-interstitial lesions mediate renal damage in adriamycin glomerulopathy. Kidney Int 1986;30: Amemiya M, Loffing J, Lotscher M, et al. Expression of NHE-3 in the apical membrane of the rat renal proximal tubule and thick ascending limb. Kidney Int 1995;48: Shapiro MD, Nicholls KM, Groves BM, Schrier RW. Role of glomerular filtration rate in the impaired sodium and water excretion of patients with the nephrotic syndrome. Am J Kidney Dis 1986;8: Medicina Universitaria Volumen 8, Núm. 31, abril-junio, 2006