Open Access

Florian Tesch

• Until today, more than 17% of the population in Mecklenburg Western-Pomerania suffer from chronic kidney disease (CKD) which was revealed by the SHIP study (Study of Health in Pomerania). 20% of CKD cases can be traced back to glomerulopathies. One common characteristic of glomerulopathies is the morphologic change of the glomerular filtration barrier which consists of endothelial cells, the glomerular basement membrane and podocytes. Under healthy conditions, the foot processes of the podocytes interdigitate with the foot processes of the neighboring podocytes with a filtration slit in between. Apart from the slit membrane protein nephrin, typical adherens junction proteins like occludin or JAM-A are also expressed at this cell-cell junction. This junction is therefore considered to be a specialized type of adherens junction, necessary to maintain the size-selectivity of the filtration barrier. During podocyte injury, podocyte foot processes lose their characteristic morphology and the typical meandering filtration slit becomes linearized, a process which is described as foot process effacement. Since morphological change is directly linked to change or loss of function, ultrastructural analysis of the foot processes is necessary for diagnostics and research. By using 3D-structured illumination microscopy (3D-SIM), we quantified these morphological changes as well as studied a possible biomarker, the tight junction protein claudin 5 (CLDN5). Our study showed a spatially restricted up-regulation of CLDN5 in effaced filtration slit areas in biopsies of patients suffering from minimal change disease (MCD), focal and segmental glomerulosclerosis (FSGS) as well as in mice after NTS injection and in the uninephrectomy DOCA-salt mouse model. CLDN5/nephrin ratios of biopsies from patients with glomerulopathies and of tissue received from NTS-treated mice were significantly higher compared to controls. We found that in patients the CLDN5/nephrin ratios were negatively correlated with the filtration slit density. Since CLDN5 up-regulation was observed in several areas of high filtration slit density, we hypothesized that CDLN5 upregulation preceded visible foot process effacement. Taken together, we suggest that CLDN5 could be a helpful biomarker to identify an early change of the foot process morphology in addition to filtration slit density measurement. Additionally, correlation analysis of foot process effacement with patient data showed a significant negative correlation of the filtration slit density with proteinuria in MCD patients.
• Mehr als 17 % der Bevölkerung Mecklenburg-Vorpommerns leidet nach Daten der SHIP-Studie (Study of Health in Pomerania) an chronischen Nierenerkrankungen, von denen rund 20 % durch Glomerulopathien verursacht werden. Ein gemeinsames Merkmal der Glomerulopathien sind morphologische Veränderungen der glomerulären Filtrationsbarriere, die aus Endothelzellen, der glomerulären Basalmembran und den Podozyten aufgebaut ist. Unter physiologischen Bedingungen interdigitieren die Fußfortsätze der Podozyten mit denen benachbarter Podozyten und sind über die Schlitzmembran mit diesen verbunden. Neben dem Schlitzmembranprotein Nephrin exprimieren Podozyten typische Adhärenzproteine wie Occludin oder JAM-A, die eine entscheidende Rolle in der Größenselektivität des renalen Filters spielen. Werden Podozyten geschädigt, kommt es zum Podozyten-Effacement, bei dem die Podozytenfußfortsätze ihre charakteristische dreidimensionale Struktur verlieren und der Filtrationsschlitz linearisiert wird. Da mit diesen strukturellen Veränderungen Funktionsverluste einhergehen, ist die ultrastrukturelle Analyse der Fußfortsatzmorphologie Gegenstand von Diagnostik und Forschung. In dieser Arbeit untersuchten wir das Tight Junction Protein Claudin 5 (CLDN5) und seine Rolle als potentieller Biomarker. Wir konnten eine Hochregulation von CLDN5 in Schlitzmembran-Bereichen zeigen, die von Podozyten-Effacement betroffen waren. Dies zeigte sich sowohl in Biopsien von Patienten, die an Minimal Change Glomerulopathie (MCD) und Fokal-segmentaler Glomerulosklerose (FSGS) leiden, als auch in Glomeruli von Mäusen des NTS-Mausmodells und des DOCA-Salz-Heminephrektomie Hypertonie-Mausmodells. In Biopsien von MCD- und FSGS-Patienten sowie in Nierenproben des NTS-Mausmodells zeigten sich signifikant erhöhte CLDN5/Nephrin-Verhältnisse verglichen mit den Kontrollproben. In den untersuchten Patienten zeigte sich eine signifikante negative Korrelation der CLDN5/Nephrin-Verhältnisse mit der Schlitzmembrandichte. Zudem konnte in einigen Schlitzmembranarealen mit einer normalen Schlitzmembrandichte bereits eine Hochregulation von CLDN5 beobachtet werden. Dies deutet darauf hin, dass die CLDN5-Hochregulation vor dem Podozyten-Effacement beginnt und CLDN5 somit ein möglicher früher Biomarker in Ergänzung zur Messung der Schlitzmembrandichte sein könnte. Des Weiteren zeigte unsere Untersuchung von Podozyten-Effacement und Proteinurie-Daten in MCD-Patienten eine signifikante negative Korrelation von Schlitzmembrandichte und Proteinurie.