The hexosamine pathway has been implicated in the pathogenesis of diabetic complications. We determined first that hyperglycemia induced a decrease in glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase activity in bovine aortic endothelial cells via increased production of mitochondrial superoxide and a concomitant 2.4-fold increase in hexosamine pathway activity. Both decreased glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase activity and increased hexosamine pathway activity were prevented completely by an inhibitor of electron transport complex II (thenoyltrifluoroacetone), an uncoupler of oxidative phosphorylation (carbonyl cyanide m -chlorophenylhydrazone), a superoxide dismutase mimetic [manganese (III) tetrakis(4-benzoic acid) porphyrin], overexpression of either uncoupling protein 1 or manganese superoxide dismutase, and azaserine, an inhibitor of the rate-limiting enzyme in the hexosamine pathway (glutamine:fructose-6-phosphate amidotransferase). Immunoprecipitation of Sp1 followed by Western blotting with antibodies to O- linked GlcNAc, phosphoserine, and phosphothreonine showed that hyperglycemia increased GlcNAc by 1.7-fold, decreased phosphoserine by 80%, and decreased phosphothreonine by 70%. The same inhibitors prevented all these changes. Hyperglycemia increased expression from a transforming growth factor-β 1 promoter luciferase reporter by 2-fold and increased expression from a (−740 to +44) plasminogen activator inhibitor-1 promoter luciferase reporter gene by nearly 3-fold. Inhibition of mitochondrial superoxide production or the glucosamine pathway prevented all these changes. Hyperglycemia increased expression from an 85-bp truncated plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1) promoter luciferase reporter containing two Sp1 sites in a similar fashion (3.8-fold). In contrast, hyperglycemia had no effect when the two Sp1 sites were mutated. Thus, hyperglycemia-induced mitochondrial superoxide overproduction increases hexosamine synthesis and O- glycosylation of Sp1, which activates expression of genes that contribute to the pathogenesis of diabetic complications.

Emerging evidence suggests that transforming growth factor-β (TGF-β) is an important mediator of diabetic nephropathy. We showed previously that short-term treatment with a neutralizing monoclonal anti-TGF-β antibody (αT) in streptozotocin-diabetic mice prevents early changes of renal hypertrophy and increased matrix mRNA. To establish that overactivity of the renal TGF-β system mediates the functional and structural changes of the more advanced stages of nephropathy, we tested whether chronic administration of αT prevents renal insufficiency and glomerulosclerosis in the db/db mouse, a model of type 2 diabetes that develops overt nephropathy. Diabetic db/db mice and nondiabetic db/m littermates were treated intraperitoneally with αT or control IgG, 300 μg three times per week for 8 wk. Treatment with αT, but not with IgG, significantly decreased the plasma TGF-β1 concentration without decreasing the plasma glucose concentration. The IgG-treated db/db mice developed albuminuria, renal insufficiency, and glomerular mesangial matrix expansion associated with increased renal mRNAs encoding α1(IV) collagen and fibronectin. On the other hand, treatment with αT completely prevented the increase in plasma creatinine concentration, the decrease in urinary creatinine clearance, and the expansion of mesangial matrix in db/db mice. The increase in renal matrix mRNAs was substantially attenuated, but the excretion of urinary albumin factored for creatinine clearance was not significantly affected by αT treatment. We conclude that chronic inhibition of the biologic actions of TGF-β with a neutralizing monoclonal antibody in db/db mice prevents the glomerulosclerosis and renal insufficiency resulting from type 2 diabetes.

Diabetic nephropathy is characterized by renal hypertrophy, thickening of basement membranes, and accumulation of extracellular matrix in the glomerular mesangium and the interstitium. Our previous investigations have shown that high glucose concentration increases transforming growth factor (TGF)-β1 mRNA in mesangial and proximal tubule cells and that treatment with anti-TGF-β antibody results in prevention of the effects of high glucose on cell growth (e.g., induction of cellular hypertrophy) and the stimulation of collagen biosynthesis. We evaluated in vivo the functional role of the renal TGF-β system in diabetic kidney disease by treatment of streptozotocin-induced diabetic mice with either a neutralizing monoclonal antibody against TGF-β1, -β2, and -β3 (αT) or nonimmune murine IgG for 9 days. Diabetic mice given IgG demonstrated total kidney and glomerular hypertrophy, significantly elevated urinary TGF-β1 protein, and increased mRNAs encoding TGF-β1, type II TGF-β receptor, α1(IV) collagen, and fibronectin. Treatment of diabetic mice with αT prevented glomerular hypertrophy, reduced the increment in kidney weight by ∼ 50%, and significantly attenuated the increase in mRNA levels without having any effect on blood glucose. The antibody was without significant effect on mRNA levels in nondiabetic mice. This is the first demonstration that the early characteristic features of diabetic renal involvement, which include hypertrophy and increased matrix mRNAs, are largely mediated by increased endogenous TGF-β activity in the kidney and that they can be significantly attenuated by treatment with neutralizing anti-TGF-β antibodies.

Previous investigations have demonstrated that growing mesangial cells in high glucose concentration stimulates extracellular matrix synthesis and also increases the expression of TGF-beta. We tested whether the stimulation of extracellular matrix production is mediated by autocrine activation of TGF-beta, a known prosclerotic cytokine. Addition of neutralizing anti-TGF-beta antibody, but not normal rabbit IgG, significantly reduced the high glucose-stimulated incorporation of 3[H]proline. Denaturing SDS-PAGE revealed that mainly collagen types I and IV were stimulated by high (450 mg/dl) D-glucose. This high glucose-mediated increase in collagen synthesis was reduced by the anti-TGF-beta antibody. Treatment of mesangial cells grown in normal (100 mg/dl) D-glucose with 2 ng/ml recombinant TGF-beta 1 mimicked the effects of high glucose. Furthermore, the anti-TGF-beta antibody significantly reduced the increase in mRNA levels encoding alpha 2(I) and alpha 1(IV) collagens induced by high glucose. Thus, the high glucose-stimulated increase of collagen production in mesangial cells is mediated, at least in part, by autocrine TGF-beta activation. We postulate that the interception of the glomerular activity of TGF-beta may be an effective intervention in the management of diabetic nephropathy.

Role of basic fibroblast growth factor-2 in epithelial-mesenchymal transformation.BackgroundEpithelial-mesenchymal transformation (EMT) plays an important role in embryonic development and tumorigenesis and has been described in organ remodeling during fibrogenesis. In the kidney, EMT can be induced efficiently in cultured proximal tubular epithelium by coincubation of transforming growth factor (TGF)-β1 and epidermal growth factor (EGF). Recently, we also have observed overexpression of basic fibroblast growth factor-2 (FGF-2) protein and mRNA in human kidneys with marked interstitial fibrosis. The aims of the present study were to compare the effects of FGF-2 as a facilitator of EMT in tubular epithelial cells with EGF and TGF-β1. We analyzed the morphogenic effects of the three cytokines on four different aspects of EMT: cell motility, expression and regulation of cellular markers, synthesis and secretion of extracellular matrix (ECM) proteins as well as matrix degradation.MethodsCell motility was studied by a migration assay and cell differentiation markers were analyzed by immunofluorescence and immunoblots. In addition, regulation of the epithelial adhesion molecule E-cadherin and fibroblast-specific protein 1 (FSP1) were analyzed by luciferase reporter constructs and stable transfections. ELISAs for collagen types I and IV and fibronectin were used for ECM synthesis, and zymograms were utilized for analysis of matrix degradation.ResultsFGF-2 induced cell motility across a tubular basement membrane in two tubular cell lines. All three cytokines induced the expression of vimentin and FSP1, but only FGF-2 and TGF-β1 reduced cytokeratin expression by immunofluorescence. These effects were most demonstrable in the distal tubular epithelial cell line and were confirmed by immunoblot analyses. Expression of E-cadherin was reduced by 61.5 ± 3.3% and expression of cytokeratin by 91 ± 0.5% by TGF-β1 plus FGF-2. Conversely, the mesenchymal markers α-smooth muscle actin (SMA) and FSP1 were induced with FGF-2 by 2.2 ± 0.1-fold and 6.8 ± 0.9-fold, respectively. Interestingly, de novo expression of the mesenchymal marker OB-cadherin was induced only by FGF-2 and EGF but not by TGF-β1. All three cytokines stimulated FSP1 and decreased E-cadherin promoter activity. FGF-2 also induced intracellular fibronectin synthesis but not secretion, the latter of which was stimulated exclusively by TGF-β1. Finally, zymographic analyses demonstrated that FGF-2 induced MMP-2 activity by 2.6 ± 0.5-fold and MMP-9 activity by 2.4 ± 0.1-fold, providing a mechanism for basement membrane disintegration and migratory access of transforming epithelium to the interstitium.ConclusionsFGF-2 makes an important contribution to the mechanisms of EMT by stimulating microenvironmental proteases essential for disaggregation of organ-based epithelial units. Furthermore, the expression of epithelial and mesenchymal marker proteins seems to be affected at the promoter level. Role of basic fibroblast growth factor-2 in epithelial-mesenchymal transformation. Epithelial-mesenchymal transformation (EMT) plays an important role in embryonic development and tumorigenesis and has been described in organ remodeling during fibrogenesis. In the kidney, EMT can be induced efficiently in cultured proximal tubular epithelium by coincubation of transforming growth factor (TGF)-β1 and epidermal growth factor (EGF). Recently, we also have observed overexpression of basic fibroblast growth factor-2 (FGF-2) protein and mRNA in human kidneys with marked interstitial fibrosis. The aims of the present study were to compare the effects of FGF-2 as a facilitator of EMT in tubular epithelial cells with EGF and TGF-β1. We analyzed the morphogenic effects of the three cytokines on four different aspects of EMT: cell motility, expression and regulation of cellular markers, synthesis and secretion of extracellular matrix (ECM) proteins as well as matrix degradation. Cell motility was studied by a migration assay and cell differentiation markers were analyzed by immunofluorescence and immunoblots. In addition, regulation of the epithelial adhesion molecule E-cadherin and fibroblast-specific protein 1 (FSP1) were analyzed by luciferase reporter constructs and stable transfections. ELISAs for collagen types I and IV and fibronectin were used for ECM synthesis, and zymograms were utilized for analysis of matrix degradation. FGF-2 induced cell motility across a tubular basement membrane in two tubular cell lines. All three cytokines induced the expression of vimentin and FSP1, but only FGF-2 and TGF-β1 reduced cytokeratin expression by immunofluorescence. These effects were most demonstrable in the distal tubular epithelial cell line and were confirmed by immunoblot analyses. Expression of E-cadherin was reduced by 61.5 ± 3.3% and expression of cytokeratin by 91 ± 0.5% by TGF-β1 plus FGF-2. Conversely, the mesenchymal markers α-smooth muscle actin (SMA) and FSP1 were induced with FGF-2 by 2.2 ± 0.1-fold and 6.8 ± 0.9-fold, respectively. Interestingly, de novo expression of the mesenchymal marker OB-cadherin was induced only by FGF-2 and EGF but not by TGF-β1. All three cytokines stimulated FSP1 and decreased E-cadherin promoter activity. FGF-2 also induced intracellular fibronectin synthesis but not secretion, the latter of which was stimulated exclusively by TGF-β1. Finally, zymographic analyses demonstrated that FGF-2 induced MMP-2 activity by 2.6 ± 0.5-fold and MMP-9 activity by 2.4 ± 0.1-fold, providing a mechanism for basement membrane disintegration and migratory access of transforming epithelium to the interstitium. FGF-2 makes an important contribution to the mechanisms of EMT by stimulating microenvironmental proteases essential for disaggregation of organ-based epithelial units. Furthermore, the expression of epithelial and mesenchymal marker proteins seems to be affected at the promoter level.

ACE-related carboxypeptidase (ACE2) may counterbalance the angiotensin (ANG) II–promoting effects of ACE in tissues where both enzymes are found. Alterations in renal ACE and ACE2 expression have been described in experimental models of diabetes, but ACE2 activity was not assessed in previous studies. We developed a microplate-based fluorometric method for the concurrent determination of ACE and ACE2 activity in tissue samples. Enzymatic activity (relative fluorescence unit [RFU] · μg protein−1 · h−1) was examined in ACE and ACE2 knockout mice and in two rodent models of diabetes, the db/db and streptozotocin (STZ)-induced diabetic mice. In kidney cortex, preparations consisting mainly of proximal tubules and cortical collecting tubules, ACE2 activity had a strong positive correlation with ACE2 protein expression (90-kDa band) in both knockout models and their respective wild-type littermates (r = 0.94, P < 0.01). ACE activity, likewise, had a strong positive correlation with renal cortex ACE protein expression (170-kDa band) (r = 0.838, P < 0.005). In renal cortex, ACE2 activity was increased in both models of diabetes (46.7 ± 4.4 vs. 22.0 ± 4.7 in db/db and db/m, respectively, P < 0.01, and 22.1 ± 2.8 vs. 13.1 ± 1.5 in STZ-induced diabetic versus untreated mice, respectively, P < 0.05). ACE2 mRNA levels in renal cortex from db/db and STZ-induced diabetic mice, by contrast, were not significantly different from their respective controls. In cardiac tissue, ACE2 activity was lower than in renal cortex, and there were no significant differences between diabetic and control mice (db/db 2.03 ± 0.23 vs. db/m 1.85 ± 0.10; STZ-induced diabetic 0.42 ± 0.04 vs. untreated 0.52 ± 0.07 mice). ACE2 activity in renal cortex correlated positively with ACE2 protein in db/db and db/m mice (r = 0.666, P < 0.005) as well as in STZ-induced diabetic and control mice (r = 0.621, P < 0.05) but not with ACE2 mRNA (r = −0.468 and r = −0.522, respectively). We conclude that in renal cortex from diabetic mice, ACE2 expression is increased at the posttranscriptional level. The availability of an assay for concurrent measurement of ACE and ACE2 activity should be helpful in the evaluation of kidney-specific alterations in the balance of these two carboxypeptidases, which are involved in the control of local ANG II formation and degradation.

Rationale & Objective

 The approved therapeutic indication for immune checkpoint inhibitors (CPIs) are rapidly expanding including treatment in the adjuvant setting, the immune related toxicities associated with CPI can limit the efficacy of these agents. The literature on the nephrotoxicity of CPI is limited. Here, we present cases of biopsy proven acute tubulointerstitial nephritis (ATIN) and glomerulonephritis (GN) induced by CPIs and discuss potential mechanisms of these adverse effects. 

Study design, setting, & participants

 We retrospectively reviewed all cancer patients from 2008 to 2018 who were treated with a CPI and subsequently underwent a kidney biopsy at The University of Texas MD Anderson Cancer Center. 

Results

 We identified 16 cases diagnosed with advanced solid or hematologic malignancy; 12 patients were male, and the median age was 64 (range 38 to 77 years). The median time to developing acute kidney injury (AKI) from starting CPIs was 14 weeks (range 6–56 weeks). The average time from AKI diagnosis to obtaining renal biopsy was 16 days (range from 1 to 46 days). Fifteen cases occurred post anti-PD-1based therapy. ATIN was the most common pathologic finding on biopsy (14 of 16) and presented in almost all cases as either the major microscopic finding or as a mild form of interstitial inflammation in association with other glomerular pathologies (pauci-immune glomerulonephritis, membranous glomerulonephritis, C3 glomerulonephritis, immunoglobulin A (IgA) nephropathy, or amyloid A (AA) amyloidosis). CPIs were discontinued in 15 out of 16 cases. Steroids and further immunosuppression were used in most cases as indicated for treatment of ATIN and glomerulonephritis (14 of 16), with the majority achieving complete to partial renal recovery. 

Conclusions

 Our data demonstrate that CPI related AKI occurs relatively late after CPI therapy. Our biopsy data demonstrate that ATIN is the most common pathological finding; however it can frequently co-occur with other glomerular pathologies, which may require immune suppressive therapy beyond corticosteroids. In the lack of predictive blood or urine biomarker, we recommend obtaining kidney biopsy for CPI related AKI.