Behandlung vererbbarer Nierenerkrankungen In den Arterien des Körper- und Lungengefäßsystems herrscht eine pulsierende Strömung mit pulsierendem Druckgefälle vor. Die Arterienwände sind nicht starr, sondern elastisch. Druckveränderungen und Flüssigkeitsverschiebungen pflanzen sich dadurch wellenförmig mit bestimmter Geschwindigkeit als Pulswelle fort. Die Pulswelle entsteht primär durch den Blutstrom aus der sich kontrahierenden linken bzw. rechten Kammer in die arteriellen Teile des Körper- bzw. Lungenkreislaufs. Dadurch erfolgt am Eingang des Kreislaufsystems ein lokaler Druckanstieg, der durch die Beschleunigung des Blutes zu Beginn der Systole unter Überwindung der Massenträgheit entsteht. Die Folge ist eine Dehnung der elastischen Gefäßwand und eine örtliche Querschnittszunahme des Gefäßdurchmessers, die ein Ausweichen eines Teils der einströmenden Flüssigkeit nach sich zieht. Die Wanddehnung bewirkt eine Volumenspeicherung der Flüssigkeit im frei werdenden Raum. Die gesamte Flüssigkeitssäule wird damit im arteriellen System nicht gleichzeitig beschleunigt, sondern die Beschleunigung erstreckt sich vorerst nur auf den ersten Abschnitt des Systems. Zerlegt man eine Welle in mehrere Teile von jeweils kurzer Zeitdauer, so erfolgt die Flüssigkeitsbeschleunigung vorerst in einem kurzen Abschnitt am Eingang des Systems, so daß hier der Druck erhöht und der Querschnitt vergrößert wird. Die gedehnte Wand zieht sich daraufhin wieder elastisch zusammen und drückt das gespeicherte Flüssigkeitsvolumen in den angrenzenden Abschnitt weiter, in dem sich der gleiche Vorgang wiederholt. Auf diese Weise pflanzt sich die Welle über die ganze Arterienlänge fort. Die Welle kann in der Arterie durch drei charakteristische Merkmale beschrieben werden: den zeitlichen Ablauf des Wellendrucks (Druckpuls), den zeitlichen Ablauf der Wellenströmung (Strompuls) und den zeitlichen Ablauf der Querschnittsveränderung (Volumenpuls). Jens Nürnberger Klinik für Nieren- & Hochdruckkrankheiten Universitätsklinikum Essen

Polyzystische Nierenerkrankung Zilien Vasopressin - Rezeptoren mTOR-Signalweg Zukünftige Therapiestrategien

Pathologie der verschiedenen PKD Formen Zystenbildung bei der Erwachsenenform der PKD (autosomal-dominant) Zystenbildung bei der Kindesform der PKD (autosomal-rezessiv) Normale Niere nach: Wilson P. , N Engl J Med, 2004

Erwachsenenform der PKD Abdomen-MRT bei Patient nach: Wilson P. , N Engl J Med, 2004

Lasermikroskopie bei Mausmodell Kindesform der PKD Lasermikroskopie bei Mausmodell aus: C.Phillips et al. J Am Soc Neph, 2004 nach: Wilson P. , N Engl J Med, 2004

Nierenepithelzellen sind mit haarförmigen Zellorganellen (Zilien) ausgestattet Dieses Rasterelektronenmikroskopische Bild zeigt, daß es diese Organellen wirklich gibt. Mann kann erkennen, daß jede Zelle ein Zilium besitzt, welches zentral an der apikalen Zelloberfläche liegt. Welche Aufgabe könnte ein solches Zellorganell bei der Niere besitzen ? Mausniere (Tag 5 postnatal) Raster-Elektronenmikroskopie, Vergrößerung: 5500x Nürnberger & Phillips, 2002

Die Produkte von verschiedenen beim Menschen mutierten Genen sind in Zilien lokalisiert Protein Klinische Form Verlauf Referenz PKD1 Polyzystin-1 Zystennieren, Erwachsenenform Niereninsuff. 40-60 Lj. Yoder, J Am Soc Neph, 2002 PKD2 Polyzystin-2 50-70 Lj PKHD1 Fibrozystin, Polyductin Kindesform Variabel, hohe Mortalität im Kindesalter Ward, Hum Mol Genet, 2003 NPHP1 Nephrozystin-1 Nephronophtise, juveniler Typ Niereninsuffizienz in Jugend Fliegauf, J Am Soc Neph, 2006 INVS, NPHP2 Inversin Nephrozystin-2 infantiler Typ Niereninsuffizienz im Frühkindesalter Nürnberger, J Am Soc Neph, 2004 NPHP5 Nephrozystin-5 Nephronophtise (Senior-Loken Syndrom) Adoleszenz Otto, J Am Soc Neph, 2005 NPHP6 Nephrozystin-6 Nephronophtise Typ 6 (Joubert Syndrom) Sayer, Nat Genetics, 2006 In Joubert syndrome (JBTS) NPHP is combined with retinal degeneration, cerebellar vermis aplasia, and mental retardation2. In Senior-Loken syndrome (SLSN) NPHP is associated with retinal degeneration. In Joubert syndrome (JBTS) NPHP is combined with retinal degeneration, cerebellar vermis aplasia, and mental retardation2.

Mögliche Funktion der Zilien bei der Nierenentwicklung Terminale Differenzierung mit Wachstumsstopp “Sensor” zum Erfassen des Urinflusses

Zilien arbeiten als mechanische Sensoren Schematic model of primary cilia in renal epithelial cells. Urine flow induces cilia bending, polycystins mechanosensation and subsequent rise in intracellular calcium (see text for details). Cystin may bind to the axoneme and the ciliary membrane, and help cilia stability. Polaris may bind microtubules and help cilia assembly. Inversin is not represented. http://ndt.oxfordjournals.org/cgi/content/full/18/9/1689/FIG1 Botenstoffe (cAMP) aus Joly et al. Nephrol Dial Transplant, 2003

Der Botenstoff cAMP führt zum Zystenwachstum im Reagenzglas Kultivierte Nierenepithelzellen bilden Zysten in Kollagen-Matrix + cAMP Tanner G et al., J Am Soc Nephrol, 1992

Der Polyzystin Signalweg reguliert die intrazelluläre Kalciumkonzentration Beugung des Ziliums führt zum Ca++ Anstieg igure 1. Polycystin pathway can influence intracellular regulation of Ca2+ and cAMP in collecting-duct epithelial cells from polycystic kidneys.Polycystin-1 (PC-1) acts as a sensor for extracellular signals. Polycystin-2 (PC-2) is regulated by polycystin-1 and acts as a Ca2+ channel that can induce the release of Ca2+ from intracellular stores. Disruption of the polycystin pathway results in reduced [Ca2+]i, which in turn stimulates adenylyl cyclase VI (AC VI), inhibits cAMP-dependent phosphodiesterases (PDE) and results in increased levels of intracellular cAMP. ER, endoplasmic reticulum; RyR, ryanodine receptor; R, G-protein-coupled receptor; PLC, phospholipase C; AQP-2, aquaporin-2; N, nucleus; PKA, protein kinase A; CREB, cAMP-responsive element binding protein. Abbildung aus: Gattone VH et al., Nat Medicine, 2003

Unterbrechung des Polyzystin-Signalweges führt zum Anstieg von cAMP igure 1. Polycystin pathway can influence intracellular regulation of Ca2+ and cAMP in collecting-duct epithelial cells from polycystic kidneys.Polycystin-1 (PC-1) acts as a sensor for extracellular signals. Polycystin-2 (PC-2) is regulated by polycystin-1 and acts as a Ca2+ channel that can induce the release of Ca2+ from intracellular stores. Disruption of the polycystin pathway results in reduced [Ca2+]i, which in turn stimulates adenylyl cyclase VI (AC VI), inhibits cAMP-dependent phosphodiesterases (PDE) and results in increased levels of intracellular cAMP. ER, endoplasmic reticulum; RyR, ryanodine receptor; R, G-protein-coupled receptor; PLC, phospholipase C; AQP-2, aquaporin-2; N, nucleus; PKA, protein kinase A; CREB, cAMP-responsive element binding protein. cAMP Anstieg u.a. durch - Stimulation der Adenylyl Zyklase VI - Inhibition von cAMP Phosphodiesterasen Gattone VH et al., Nat Medicine, 2003

cAMP stimuliert die Expression des Vasopressin-2 Rezeptors und bestimmter Aquaporine igure 1. Polycystin pathway can influence intracellular regulation of Ca2+ and cAMP in collecting-duct epithelial cells from polycystic kidneys.Polycystin-1 (PC-1) acts as a sensor for extracellular signals. Polycystin-2 (PC-2) is regulated by polycystin-1 and acts as a Ca2+ channel that can induce the release of Ca2+ from intracellular stores. Disruption of the polycystin pathway results in reduced [Ca2+]i, which in turn stimulates adenylyl cyclase VI (AC VI), inhibits cAMP-dependent phosphodiesterases (PDE) and results in increased levels of intracellular cAMP. ER, endoplasmic reticulum; RyR, ryanodine receptor; R, G-protein-coupled receptor; PLC, phospholipase C; AQP-2, aquaporin-2; N, nucleus; PKA, protein kinase A; CREB, cAMP-responsive element binding protein. Gattone VH et al., Nat Medicine, 2003

Blockade des Vasopressinrezeptors als Therapie ? igure 1. Polycystin pathway can influence intracellular regulation of Ca2+ and cAMP in collecting-duct epithelial cells from polycystic kidneys.Polycystin-1 (PC-1) acts as a sensor for extracellular signals. Polycystin-2 (PC-2) is regulated by polycystin-1 and acts as a Ca2+ channel that can induce the release of Ca2+ from intracellular stores. Disruption of the polycystin pathway results in reduced [Ca2+]i, which in turn stimulates adenylyl cyclase VI (AC VI), inhibits cAMP-dependent phosphodiesterases (PDE) and results in increased levels of intracellular cAMP. ER, endoplasmic reticulum; RyR, ryanodine receptor; R, G-protein-coupled receptor; PLC, phospholipase C; AQP-2, aquaporin-2; N, nucleus; PKA, protein kinase A; CREB, cAMP-responsive element binding protein. Rezeptor-Blockade Gattone VH et al., Nat Medicine, 2003

(humane Nephronophtise III) Die Vasopressin-2 Rezeptor Blockade (OPC-31260) senkt die Progression der Zystenbildung pck-Ratte (humane AR PKD) pcy-Maus (humane Nephronophtise III) OPC31260 bindet sehr spezifisch an den Vasopressin 2 Rezeptor von Nagetieren. In einer zweiten Studie wurde daher der Vasopressin-2 Rezeptor Antagonist OPC-41061 (Tolvaptan) undersucht, ein Antagonist, der bereits auch beim Menschen in klinisch-experimentellen Studien zur Therapie der Herzinsuffizienz eingesetzt wird. Gattone VH et al., Nat Medicine, 2003

Regulation von mTOR durch Polycystin-1 Aktivierung von mTOR mTOR reguliert die Zellproliferation Polyzystin interagiert mit dem Tuberin-mTOR Komplex, und senkt dabei die mTOR-Aktivität Zysten- wachstum aus Mostov, Proc. Natl. Acad. Sci., 2006

Senkt die Blockade von mTOR die Zystenbildung? mTOR reguliert die Zellproliferation Polyzystin interagiert mit dem Tuberin-mTOR Komplex, und senkt dabei die mTOR-Aktivität aus Mostov, Proc. Natl. Acad. Sci., 2006

mTOR-Inhibition senkt die Progression der Zystenbildung in 2 Mausmodellen bpk/bpk Maus orpk/orpk Maus unbehandelt OPC31260 bindet sehr spezifisch an den Vasopressin 2 Rezeptor von Nagetieren. In einer zweiten Studie wurde daher der Vasopressin-2 Rezeptor Antagonist OPC-41061 (Tolvaptan) undersucht, ein Antagonist, der bereits auch beim Menschen in klinisch-experimentellen Studien zur Therapie der Herzinsuffizienz eingesetzt wird. Rapamycin Shillingford et al., PNAS, 2006

Momentan durchgeführte Studien bei Patienten mit Zystennieren mTOR Inhibition: Everolimus (Deutschland, Österreich, Schweiz) Sirolimus (Schweiz) Vasopressin-Antagonist Tolvaptan (USA, Kanada, Süd-Amerika, Europa, Japan, Australien) Somatostatin Italien, kleine Studie (66 Teilnehmer) der klinischen Phase III

Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) der Nieren Wie kann mann Zystenwachstum richtig einschätzen ? Die CRISP Studie (Consortium of Radiologic Imaging Studies of Polycystic Kidney Disease) Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) der Nieren 232 Patienten mit AD PKD (15 - 46 Jahre) und erhaltener Nierenfunktion Jährliche Messung von: Nierenvolumen Zystenvolumen Bestimmung der Iothalamat-Clearance Follow-up über 3 Jahre Grantham J et al., N Engl J Med, 2006

Altersabhängige exponentielle Zunahme von Gesamtnierenvolumen und Zystenvolumen Grantham J et al., N Engl J Med, 2006

Zunahme von Nierengröße in Abhängigkeit vom Gendefekt Grantham J et al., N Engl J Med, 2006

Ergebnisse der CRISP Studie Zystennieren wachsen exponentiell Gleiche Wachstumsgeschwindigkeit beider Nieren MRT der Nieren gute Methode zur Untersuchung des Wachstums von Zystennieren Grantham J et al., N Engl J Med, 2006

Everolimus-Studie Deutschland-weite klinische Studie Phase III Etwa 300 Patienten Zeitdauer 2 Jahre Behandlung Studienbeginn: Dezember 2006 Untersuchungsziel: Nierengröße im MRT Sponsor: Novartis (Schweiz) Studiendesign: Multizentrisch (etwa 15 Zentren) Randomisiert Doppelblind Plazebo kontrolliert

Everolimus-Studie Einschlußkriterien Ausschlußkriterien Diagnose von Zystennieren Niereninsuffizienz Stadium II-III (Kreatinin-Clearance 30-90 ml/min) 18-65 Jahre Ausschlußkriterien Normale Nierenfunktion (Kreatinin-Clearance > 90 ml/min) Deutlich eingeschränkte Nierenfunktion (Kreatinin-Clearance < 30 ml/min) Stattgehabte Subarachnoidalblutung Stattgehabte lebensbedrohliche Infektionen Kontraindikation für MRT-Untersuchung (Herzschrittmacher, Metallimplantate)

Everolimus-Studie Potentielle Nebenwirkungen von Everolimus: Orale Aphten Ödemneigung Fettstoffwechselstörung Immunsuppression (Infekte)

Tolvaptan-Studie Weltweit durchgeführte klinische Studie Phase III Etwa 1500 Patienten Zeitdauer 3 Jahre Behandlung Studienbeginn: Mai 2007 Untersuchungsziel: Nierengröße im MRT Sponsor: Otsuka Pharmaceutical (Japan) Studiendesign: Multizentrisch (etwa 100 Zentren) Randomisiert Doppelblind Plazebo kontrolliert

Tolvaptan-Studie Einschlußkriterien Ausschlußkriterien Diagnose von Zystennieren Niereninsuffizienz Stadium II (Kreatinin-Clearance > 60 ml/min) 18-50 Jahre Ausschlußkriterien Normale Nierenfunktion (Kreatinin-Clearance > 90 ml/min) Deutlich eingeschränkte Nierenfunktion (Kreatinin-Clearance < 30 ml/min) Kontraindikation für MRT-Untersuchung (Herzschrittmacher, Metallimplantate)

Tolvaptan Nebenwirkungen: Harndrang (Polyurie): 3-4 Liter/die Durst Nächtliches Wasserlassen Mundtrockenheit Schwindel

Zusammenfassung In den letzten Jahren wurden bedeutsame Fortschritte bei der Aufdeckung der Pathogenese der Zystenbildung gemacht: Insbesondere scheinen dabei Zilien beteiligt zu sein, haarförmige apikale Zellorganellen, die eine Vielzahl zellulärer Prozesse steuern (Zellzyklus, Zellteilung, Proliferation, etc.). Die Entdeckung der zellbiologischen Veränderungen bei der Zystenbildung ermöglicht eine gezielte pharmakologische Intervention: Inzwischen sind verschiedene klinische Studien zur Therapie der PKD beim Menschen angelaufen.