Le diabète maternel est un facteur de risque majeur pour le développement de malformations congénitales. Dans le syndrome de l’embryopathie diabétique, l’exposition prolongée du fœtus à de hautes concentrations ambientes de glucose induit des dommages qui peuvent affecter plusieurs organes, dont les reins. Les malformations rénales sont la cause de près de 40 pourcent des cas d’insuffisance rénale infantile. L’hyperglycémie constitue un environnement utérin adverse qui nuit à la néphrogenèse et peut causer l’agenèse, la dysplasie (aplasie) ou l’hypoplasie rénale. Les mécanismes moléculaires par lesquels les hautes concentrations ambientes de glucose mènent à la dysmorphogenèse et aux malformations demeurent toutefois mal définis. Le diabète maternel prédispose aussi la progéniture au développement d’autres problèmes à l’âge adulte, tels l’hypertension, l’obésité et le diabète de type 2. Ce phénomène appelé ‘programmation périnatale’ a suscité l’intérêt au cours des dernières décennies, mais les mécanismes responsables demeurent mal compris. Mes études doctorales visaient à élucider les mécanismes moléculaires par lesquels le diabète maternel ou un environnement in utero hyperglycémique affecte la néphrogenèse et programme par la suite la progéniture a développer de l’hypertension par des observations in vitro, ex vivo et in vivo. Nous avons utilisé les cellules MK4, des cellules embryonnaires du mésenchyme métanéphrique de souris, pour nos études in vitro et deux lignées de souris transgéniques (Tg) pour nos études ex vivo et in vivo, soient les souris HoxB7-GFP-Tg et Nephrin-CFP-Tg. Les souris HoxB7-GFP-Tg expriment la protéine fluorescente verte (GFP) dans le bourgeon urétérique (UB), sous le contrôle du promoteur HoxB7. Les souris Nephrin-CFP expriment la protéine fluorescente cyan (CFP) dans les glomérules, sous le contrôle du promoteur nephrin spécifique aux podocytes. Nos études in vitro visaient à déterminer si les hautes concentrations de glucose modulent l’expression du gène Pax2 dans les cellules MK4. Les cellules MK4 ont été traitées pendant 24h avec du milieu contenant soit 5mM D-glucose et 20mM D-mannitol ou 25mM D-glucose et avec ou sans antioxydants ou inhibiteurs de p38 MAPK, p44/42 MAPK, PKC et NF-kB. Nos résultats ont démontré que le D-glucose élevé (25mM) augmente la génération des espèces réactives de l’oxygène (ROS) dans les cellules MK4 et induit spécifiquement l’expression du gène Pax2. Des analogues du glucose tels le D-mannitol, L-glucose ou le 2-Deoxy-D-glucose n’induisent pas cette augmentation dans les cellules MK4. La stimulation de l’expression du gène Pax2 par le D-glucose dans les cellules MK4 peut être bloquée par des inhibiteurs des ROS et de NF-kB, mais pas par des inhibiteurs de p38 MAPK, p44/42 MAPK ou PKC. Ces résultats indiquent que la stimulation de l’expression du gène Pax2 par les concentrations élevées de glucose est due, au moins en partie, à la génération des ROS et l’activation de la voie de signalisation NF-kB, et non pas via les voies PKC, p38 MAPK et p44/42 MAPK. Nos études ex vivo s’intéressaient aux effets d’un milieu hyperglycémique sur la morphogenèse de la ramification du bourgeon urétérique (UB). Des explants de reins embryonnaires (E12 à E18) ont été prélevés par micro-dissection de femelles HoxB7-GFP gestantes. Les explants ont ensuite été cultivés dans un milieu contenant soit 5mM D-glucose et 20mM D-mannitol ou 25mM D-glucose et avec ou sans antioxydants, catalase ou inhibiteur de PI3K/AKT pour diverses durées. Nos résultats ont démontré que le D-glucose stimule la ramification du UB de manière spécifique, et ce via l’expression du gène Pax2. Cette augmentation de la ramification et de l’expression du gène Pax2 peut être bloquée par des inhibiteurs des ROS et de PI3K/AKT. Ces études ont démontré que les hautes concentrations de glucose altèrent la morphogenèse de la ramification du UB via l’expression de Pax2. L’effet stimulant du glucose semble s’effectuer via la génération des ROS et l’activation de la voie de signalisation Akt. Nos études in vivo visaient à déterminer le rôle fondamental du diabète maternel sur les défauts de morphogenèse rénale chez la progéniture. Dans notre modèle animal, le diabète maternel est induit par le streptozotocin (STZ) chez des femelles HoxB7-GFP gestantes (E13). Les souriceaux ont été étudiés à différents âges (naissants et âgés de une, deux ou trois semaines). Nous avons examiné leurs morphologie rénale, nombre de néphrons, expression génique et les événements apoptotiques lors de cette étude à court terme. La progéniture des mères diabétiques avait un plus faible poids, taille et poids des reins, et possédait des glomérules plus petits et moins de néphrons par rapport à la progéniture des mères contrôles. La dysmorphogenèse rénale observée est peut-être causée par l’augmentation de l’apoptose des cellules dans la région du glomérule. Nos résultats ont montré que les souriceaux nés de mères diabétiques possèdent plus de podocytes apoptotiques et plus de marquage contre la caspase-3 active dans leurs tubules rénaux que la progéniture des mères contrôles. Les souriceaux des mères diabétiques montrent une augmentation de l’expression des composants du système rénine angiotensine (RAS) intrarénal comme l’angiotensinogène et la rénine, ainsi qu’une augmentation des isoformes p50 et p65 de NF-kB. Ces résultats indiquent que le diabète maternel active le RAS intrarénal et induit l’apoptose des glomérules, menant à une altération de la morphogenèse rénale de la progéniture. En conclusion, nos études ont permis de démontrer que le glucose élevé ou l’environnement in utero diabétique altère la morphogenèse du UB, qui résulte en un retard dans la néphrogenèse et produit des reins plus petits. Cet effet est dû, au moins en partie, à la génération des ROS, à l’activation du RAS intrarénal et à la voie NF-kB. Nos études futures se concentreront sur les mécanismes par lesquels le diabète maternel induit la programmation périnatale de l’hypertension chez la progéniture adulte. Cette étude à long terme porte sur trois types de progénitures : adultes nés de mères contrôles, diabétiques ou diabétiques traitées avec insuline pendant la gestation. Nous observerons la pression systolique, la morphologie rénale et l’expression de divers gènes et protéines. Nous voulons de plus déterminer si la présence d’un système antioxydant (catalase) peut protéger la progéniture des effets néfastes des ROS causés par l’environnement in utero hyperglycémique. Les souris Catalase-Tg expriment la catalase spécifiquement dans les tubules proximaux et nous permettrons d’explorer notre hypothèse sur le rôle des ROS dans notre modèle expérimental de diabète maternel. / Maternal diabetes is a major risk factor for congenital malformations. When the fetus is exposed to high, sustained, ambient glucose levels, widespread fetal damage may affect multiple organs, including the kidneys, evoking diabetic embryopathy syndrome. Renal malformations account for up to 40% of childhood renal failure cases. Hyperglycemia constitutes an adverse in utero environment that dynamically impairs nephrogenesis, resulting in renal agenesis, dysplasia, aplasia or hypoplasia. However, the molecular mechanisms by which high, ambient glucose levels lead to renal dysmorphogenesis and birth defects have not yet been delineated. Maternal diabetes also programs the offspring to develop other problems later in life, such as hypertension, obesity and type 2 diabetes. This phenomenon, called ‘perinatal programming’, has attracted worldwide attention in recent decades, yet the mechanisms by which it occurs are incompletely understood. My PhD studies are designed to elucidate the underlying molecular pathways by which maternal diabetes or hyperglycemic environments in utero impair nephrogenesis and subsequently make the offspring develop perinatal programming of hypertension in vitro, ex vivo and in vivo. We employed mouse embryonic metanephric mesenchyme cells, namely MK4 cells, for our in vitro experiments, and 2 transgenic (Tg) mouse lines, Hoxb7-GFP-Tg and Nephrin-CFP-Tg mice, for ex vivo and in vivo investigations. Hoxb7-GFP-Tg mice specifically express green fluorescent protein (GFP) in ureteric buds (UB), driven by the Hoxb7 promoter. Nephrin-CFP-Tg mice express cyan fluorescent protein (CFP) in glomeruli, driven by the podocyte-specific nephrin promoter. In our in vitro studies, we examined whether high glucose alters Pax2 gene expresson in MK4 cells. The cells were treated with either 5 mM D-glucose plus 20 mM D-mannitol or 25 mM D-glucose media with or without reactive oxygen species (ROS) blockers (DPI, rotenone), and inhibitors of p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) (SB203580), p44/22 MAPK (PD98059), protein kinase C (PKC) (GF109203X), or nuclear factor kappa B (NK-kB) (PDTC) for 24-hr incubation. Our data showed that high D-glucose (25 mM) increased ROS generation and specifically induced Pax2 gene expression, but not other glucose analogs such as D-mannitol, L-glucose or 2-deoxy-D-glucose in MK4 cells. The stimulatory effect of high D-glucose on Pax2 gene expression could be blocked by ROS and NF-kB inhibitors in MK4 cells but not by inhibitors of p38 MAPK (SB203580), p44/22 MAPK (PD98059), and PKC (GFX) in MK4 cells. These data indicated that the stimulatory effect of high glucose on Pax2 gene expression is mediated, at least in part, via ROS generation and activation of NF-κB, but not via the PKC, p38 MAPK and p44/42 MAPK signalling pathways. In our ex vivo studies, we investigated the influence of a high-glucose milieu on UB branching morphogenesis. Kidney explants (E12 to E18) were microdissected from timed-pregnant Hoxb7-GFP mice and cultured with either 5 mM D-glucose plus 20 mM D-mannitol or 25 mM D-glucose media with or without ROS blockers (DPI, rotenone), catalase and phosphoinositide-3-kinase (PI3K)/AKT inhibitor at different time points, depending on the experiment. We found that high D-glucose specifically stimulated UB branching in a time-dependent manner. High D-glucose stimulation of UB branching morphogenesis was mediated via Pax2 gene expression. High D-glucose-induced UB branching and Pax2 gene expression could be blocked by ROS and PI3K/AKT inhibitors. These studies demonstrated that high glucose alters UB branching morphogenesis via Pax2 gene and protein expression. The stimulatory effect of high glucose seems to be mediated via ROS generation and activation of the AKT signalling pathway. In our in vivo studies, we explored the fundamental role of maternal diabetes on renal morphogenesis impairment in offspring. In our experimental model, maternal diabetes was induced by streptozotocin in pregnant Hoxb7-GFP mice at embryonic day 13. The offspring were examined at several time points after birth (neonatal, 1 week, 2 weeks, and 3 weeks) with follow-up of kidney morphology, nephron number, gene expression, and apoptotic events in this short-term postnatal experiment. We observed that the offspring of diabetic mice had lower body weight, body size, kidney weight, small volume of glomeruli and a reduced number of nephrons in comparison to non-diabetic control offspring. Renal dysmorphogenesis may have been the result of increased cell apoptosis in glomeruli. Our findings showed that the offspring of diabetic mice displayed significantly more apoptotic podocytes as well as augmented active caspase-3 immunostaining in renal tubules compared to control mice offspring. Diabetic mice offspring presented heightened expression of intrarenal renin-angiotensin system (RAS) components, such as angiotensinogen and renin, with upregulation of p50 and p65 NF-kB isoforms. These data indicated that maternal diabetes activates the intrarenal RAS and induces glomerular apoptosis, resulting in impairment of renal morphogenesis in diabetic offspring. In conclusion, our findings indicated that a high-glucose milieu in utero or maternal diabetic alters UB morphogenesis, culminating in retardation of nephrogenesis with smaller kidney size. The underlying mechanism(s) is mediated, at least in part, via ROS generation and activation of the intrarenal RAS and NF-kB pathways. In the future, we aim to investigate the underlying mechanism(s) of how maternal diabetes induces perinatal programming of adult hypertension in offspring in vivo. This long-term postnatal study will be undertaken in 3 groups: adult offspring (20 weeks) of control mice, adult offspring of diabetic pregnant mice, and adult offspring of insulin-treated, diabetic, pregnant mice. We will follow-up by tracking hypertension, kidney morphology, and gene expression. Furthermore, we also plan to determine whether an antioxidant system (catalase) can protect against an hyperglycemic environment in utero that affects embryonic organogenesis via an increase in ROS generation. Catalase-Tg mice that specifically overexpress catalase in proximal tubules will be tested. Such Tg mice with catalase overexpression represent a model for exploring our hypothesis on the role of ROS in gestational diabetes.

Das distale Nephron spielt eine herausragende Rolle in der Elektrolyt- und Volumenhomöostase. In jüngerer Zeit ist es gelungen einige Proteine, die entscheidend in den tubulären Natriumtransport involviert sind, zu klonieren und auf Tubulusebene zu lokalisieren. Dabei ist das Expressionsmuster dieser Proteine während der Morphogenese weitgehend unbekannt. Die vorliegende Studie beschreibt den Ablauf renaler Differenzierung durch Lokalisation von Natriumtransport-assoziierten Proteinen während der Nephrogenese in der Rattenniere. Der Expressionsnachweis des Na+-Phosphat Kotransporters Typ 2 (NaPi2), des Bumetanid-sensitiven Na+-K+-2Cl--Kotransporters (NKCC2), des Thiazid-sensitiven Na+-Cl--Kotranspor-ter (NCC), des basolateralen Na+/Ca++-Austauscher (NaCa), des epithelialen Na+-Kanals der Ratte (rENaC) und des Enzyms 11b-Hydroxysteroiddehydrogenase Typ 2 (11HSD) erfolgte mittels kombinierter RNA-In situ Hybridizierung und hochauflösender Immunhistochemie. Parallel dazu wurde die morphologische Entwicklung des distalen Nephrons analysiert, um die funktionelle Reifung mit der strukturellen Reifung korrelieren zu können. Die Expression der untersuchten Proteine begann in post-S-shaped Stadien. Die Expression von NKCC2 wurde zuerst in der Macula densa Region lokalisiert und dehnte sich später in den aufsteigenden Schenkel der Henle´schen Schleife (TAL) aus, während die Differenzierung des proximalen Teils der Henle´schen Schleife, wie durch die Expression von NaPi2 gezeigt, erst später erfolgte. NCC wurde zunächst am distalen Ende des auswachsenden distalen Konvolutes (DCT) gefunden und dehnte sich später in Richtung des Überganges zum TAL aus. Nach einer Entwicklungsperiode, in der sich die Propotionen des DCT noch verändern, zeigte sich eine Subsegmentierung des DCT in einen proximalen Teil, der NCC alleine exprimiert, und eine distalen Teil, der NCC zusammen mit NaCa exprimiert. Eine starke Expression von rENaC und 11HSD wurde im jungen Verbindungstubulus und in den Sammelrohren und später auch im distalen Segment des DCT gefunden. Anhand der gewonnenen Daten ist es gelungen, ein detailliertes Expressionsmuster für die entscheidenden Na+-Transport-assoziierten Proteine des distalen Nephrons und des Sammelrohrsystems während der Ontogenese zu erarbeiten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, daß einerseits die strukturelle Entwicklung des Nephrons der Expression dieser Proteine bis zu einem gewissen Grad vorausgeht. Andererseits aber auch, daß die Proteinexpression teilweise deutlich vor Beginn der glomerulären Filtration startet. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit einer speziellen Funktion der untersuchten Proteine während der Nephrondifferenzierung, die über ihre spätere Rolle als harnmodifizierende Elemente hinausgeht. Die histotopographische Darstellung der Befunde beschreibt die normale Entwicklung der Nephronreifung und bildet damit eine wichtige Grundlage für die Erforschung funktioneller und morphologischer Abweichungen in der renalen Differenzierung. / The mammalian distal nephron plays a pivotal role adjusting urinary sodium excretion. During the past several years, sites of expression of sodium transport proteins in tubules from adult kidneys have been described and correlated with functional properties. Less information is available concerning sites of expression during tubule morphogenesis. In the current studies, patterns of renal axial differentiation were defined by mapping the expression of ion transport pathways during neprhogenesis in the rat. Combined in situ hybridization and immunohistochemistry were used to localize the Na-Pi cotransporter type 2 (NaPi2), the bumetanide-sensitive Na-K-2Cl cotransporter (NKCC2), the thiazide-sensitive Na-Cl cotransporter (NCC), the Na/Ca exchanger (NaCa), the epithelial sodium channel (rENaC), and the 11 b-hydroxysteroid dehydrogenase (11HSD). In parallel the morphologic development of the distal nephron was analyzed to correlate functional and structural properties. The onset of expression of the investigated proteins began in post-S-shape stages. NKCC2 was initially expressed at the macula densa region later extended into the nascent ascending limb of the loop of Henle (TAL), whereas differentiation of the proximal tubular part of the loop of Henle showed a comparatively retarded onset when probed for NaPi2. The NCC was initially found at the distal end of the nascent distal convoluted tubule (DCT) and later extended toward the junction with the TAL. After a period of changing proportions, subsegmentation of the DCT into a proximal part expressing NCC alone and a distal part expressing NCC together with NaCa was evident. Strong coexpression of rENaC and 11HSD was observed in early nascent connecting tubule (CNT) and collecting ducts and later also in the distal portion of the DCT. These data present a detailed analysis of the relations between the anatomic differentiation of the developing renal tubule and the expression of tubular transport proteins.

Le diabète maternel est un facteur de risque majeur pour le développement de malformations congénitales. Dans le syndrome de l’embryopathie diabétique, l’exposition prolongée du fœtus à de hautes concentrations ambientes de glucose induit des dommages qui peuvent affecter plusieurs organes, dont les reins. Les malformations rénales sont la cause de près de 40 pourcent des cas d’insuffisance rénale infantile. L’hyperglycémie constitue un environnement utérin adverse qui nuit à la néphrogenèse et peut causer l’agenèse, la dysplasie (aplasie) ou l’hypoplasie rénale. Les mécanismes moléculaires par lesquels les hautes concentrations ambientes de glucose mènent à la dysmorphogenèse et aux malformations demeurent toutefois mal définis. Le diabète maternel prédispose aussi la progéniture au développement d’autres problèmes à l’âge adulte, tels l’hypertension, l’obésité et le diabète de type 2. Ce phénomène appelé ‘programmation périnatale’ a suscité l’intérêt au cours des dernières décennies, mais les mécanismes responsables demeurent mal compris. Mes études doctorales visaient à élucider les mécanismes moléculaires par lesquels le diabète maternel ou un environnement in utero hyperglycémique affecte la néphrogenèse et programme par la suite la progéniture a développer de l’hypertension par des observations in vitro, ex vivo et in vivo. Nous avons utilisé les cellules MK4, des cellules embryonnaires du mésenchyme métanéphrique de souris, pour nos études in vitro et deux lignées de souris transgéniques (Tg) pour nos études ex vivo et in vivo, soient les souris HoxB7-GFP-Tg et Nephrin-CFP-Tg. Les souris HoxB7-GFP-Tg expriment la protéine fluorescente verte (GFP) dans le bourgeon urétérique (UB), sous le contrôle du promoteur HoxB7. Les souris Nephrin-CFP expriment la protéine fluorescente cyan (CFP) dans les glomérules, sous le contrôle du promoteur nephrin spécifique aux podocytes. Nos études in vitro visaient à déterminer si les hautes concentrations de glucose modulent l’expression du gène Pax2 dans les cellules MK4. Les cellules MK4 ont été traitées pendant 24h avec du milieu contenant soit 5mM D-glucose et 20mM D-mannitol ou 25mM D-glucose et avec ou sans antioxydants ou inhibiteurs de p38 MAPK, p44/42 MAPK, PKC et NF-kB. Nos résultats ont démontré que le D-glucose élevé (25mM) augmente la génération des espèces réactives de l’oxygène (ROS) dans les cellules MK4 et induit spécifiquement l’expression du gène Pax2. Des analogues du glucose tels le D-mannitol, L-glucose ou le 2-Deoxy-D-glucose n’induisent pas cette augmentation dans les cellules MK4. La stimulation de l’expression du gène Pax2 par le D-glucose dans les cellules MK4 peut être bloquée par des inhibiteurs des ROS et de NF-kB, mais pas par des inhibiteurs de p38 MAPK, p44/42 MAPK ou PKC. Ces résultats indiquent que la stimulation de l’expression du gène Pax2 par les concentrations élevées de glucose est due, au moins en partie, à la génération des ROS et l’activation de la voie de signalisation NF-kB, et non pas via les voies PKC, p38 MAPK et p44/42 MAPK. Nos études ex vivo s’intéressaient aux effets d’un milieu hyperglycémique sur la morphogenèse de la ramification du bourgeon urétérique (UB). Des explants de reins embryonnaires (E12 à E18) ont été prélevés par micro-dissection de femelles HoxB7-GFP gestantes. Les explants ont ensuite été cultivés dans un milieu contenant soit 5mM D-glucose et 20mM D-mannitol ou 25mM D-glucose et avec ou sans antioxydants, catalase ou inhibiteur de PI3K/AKT pour diverses durées. Nos résultats ont démontré que le D-glucose stimule la ramification du UB de manière spécifique, et ce via l’expression du gène Pax2. Cette augmentation de la ramification et de l’expression du gène Pax2 peut être bloquée par des inhibiteurs des ROS et de PI3K/AKT. Ces études ont démontré que les hautes concentrations de glucose altèrent la morphogenèse de la ramification du UB via l’expression de Pax2. L’effet stimulant du glucose semble s’effectuer via la génération des ROS et l’activation de la voie de signalisation Akt. Nos études in vivo visaient à déterminer le rôle fondamental du diabète maternel sur les défauts de morphogenèse rénale chez la progéniture. Dans notre modèle animal, le diabète maternel est induit par le streptozotocin (STZ) chez des femelles HoxB7-GFP gestantes (E13). Les souriceaux ont été étudiés à différents âges (naissants et âgés de une, deux ou trois semaines). Nous avons examiné leurs morphologie rénale, nombre de néphrons, expression génique et les événements apoptotiques lors de cette étude à court terme. La progéniture des mères diabétiques avait un plus faible poids, taille et poids des reins, et possédait des glomérules plus petits et moins de néphrons par rapport à la progéniture des mères contrôles. La dysmorphogenèse rénale observée est peut-être causée par l’augmentation de l’apoptose des cellules dans la région du glomérule. Nos résultats ont montré que les souriceaux nés de mères diabétiques possèdent plus de podocytes apoptotiques et plus de marquage contre la caspase-3 active dans leurs tubules rénaux que la progéniture des mères contrôles. Les souriceaux des mères diabétiques montrent une augmentation de l’expression des composants du système rénine angiotensine (RAS) intrarénal comme l’angiotensinogène et la rénine, ainsi qu’une augmentation des isoformes p50 et p65 de NF-kB. Ces résultats indiquent que le diabète maternel active le RAS intrarénal et induit l’apoptose des glomérules, menant à une altération de la morphogenèse rénale de la progéniture. En conclusion, nos études ont permis de démontrer que le glucose élevé ou l’environnement in utero diabétique altère la morphogenèse du UB, qui résulte en un retard dans la néphrogenèse et produit des reins plus petits. Cet effet est dû, au moins en partie, à la génération des ROS, à l’activation du RAS intrarénal et à la voie NF-kB. Nos études futures se concentreront sur les mécanismes par lesquels le diabète maternel induit la programmation périnatale de l’hypertension chez la progéniture adulte. Cette étude à long terme porte sur trois types de progénitures : adultes nés de mères contrôles, diabétiques ou diabétiques traitées avec insuline pendant la gestation. Nous observerons la pression systolique, la morphologie rénale et l’expression de divers gènes et protéines. Nous voulons de plus déterminer si la présence d’un système antioxydant (catalase) peut protéger la progéniture des effets néfastes des ROS causés par l’environnement in utero hyperglycémique. Les souris Catalase-Tg expriment la catalase spécifiquement dans les tubules proximaux et nous permettrons d’explorer notre hypothèse sur le rôle des ROS dans notre modèle expérimental de diabète maternel. / Maternal diabetes is a major risk factor for congenital malformations. When the fetus is exposed to high, sustained, ambient glucose levels, widespread fetal damage may affect multiple organs, including the kidneys, evoking diabetic embryopathy syndrome. Renal malformations account for up to 40% of childhood renal failure cases. Hyperglycemia constitutes an adverse in utero environment that dynamically impairs nephrogenesis, resulting in renal agenesis, dysplasia, aplasia or hypoplasia. However, the molecular mechanisms by which high, ambient glucose levels lead to renal dysmorphogenesis and birth defects have not yet been delineated. Maternal diabetes also programs the offspring to develop other problems later in life, such as hypertension, obesity and type 2 diabetes. This phenomenon, called ‘perinatal programming’, has attracted worldwide attention in recent decades, yet the mechanisms by which it occurs are incompletely understood. My PhD studies are designed to elucidate the underlying molecular pathways by which maternal diabetes or hyperglycemic environments in utero impair nephrogenesis and subsequently make the offspring develop perinatal programming of hypertension in vitro, ex vivo and in vivo. We employed mouse embryonic metanephric mesenchyme cells, namely MK4 cells, for our in vitro experiments, and 2 transgenic (Tg) mouse lines, Hoxb7-GFP-Tg and Nephrin-CFP-Tg mice, for ex vivo and in vivo investigations. Hoxb7-GFP-Tg mice specifically express green fluorescent protein (GFP) in ureteric buds (UB), driven by the Hoxb7 promoter. Nephrin-CFP-Tg mice express cyan fluorescent protein (CFP) in glomeruli, driven by the podocyte-specific nephrin promoter. In our in vitro studies, we examined whether high glucose alters Pax2 gene expresson in MK4 cells. The cells were treated with either 5 mM D-glucose plus 20 mM D-mannitol or 25 mM D-glucose media with or without reactive oxygen species (ROS) blockers (DPI, rotenone), and inhibitors of p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) (SB203580), p44/22 MAPK (PD98059), protein kinase C (PKC) (GF109203X), or nuclear factor kappa B (NK-kB) (PDTC) for 24-hr incubation. Our data showed that high D-glucose (25 mM) increased ROS generation and specifically induced Pax2 gene expression, but not other glucose analogs such as D-mannitol, L-glucose or 2-deoxy-D-glucose in MK4 cells. The stimulatory effect of high D-glucose on Pax2 gene expression could be blocked by ROS and NF-kB inhibitors in MK4 cells but not by inhibitors of p38 MAPK (SB203580), p44/22 MAPK (PD98059), and PKC (GFX) in MK4 cells. These data indicated that the stimulatory effect of high glucose on Pax2 gene expression is mediated, at least in part, via ROS generation and activation of NF-κB, but not via the PKC, p38 MAPK and p44/42 MAPK signalling pathways. In our ex vivo studies, we investigated the influence of a high-glucose milieu on UB branching morphogenesis. Kidney explants (E12 to E18) were microdissected from timed-pregnant Hoxb7-GFP mice and cultured with either 5 mM D-glucose plus 20 mM D-mannitol or 25 mM D-glucose media with or without ROS blockers (DPI, rotenone), catalase and phosphoinositide-3-kinase (PI3K)/AKT inhibitor at different time points, depending on the experiment. We found that high D-glucose specifically stimulated UB branching in a time-dependent manner. High D-glucose stimulation of UB branching morphogenesis was mediated via Pax2 gene expression. High D-glucose-induced UB branching and Pax2 gene expression could be blocked by ROS and PI3K/AKT inhibitors. These studies demonstrated that high glucose alters UB branching morphogenesis via Pax2 gene and protein expression. The stimulatory effect of high glucose seems to be mediated via ROS generation and activation of the AKT signalling pathway. In our in vivo studies, we explored the fundamental role of maternal diabetes on renal morphogenesis impairment in offspring. In our experimental model, maternal diabetes was induced by streptozotocin in pregnant Hoxb7-GFP mice at embryonic day 13. The offspring were examined at several time points after birth (neonatal, 1 week, 2 weeks, and 3 weeks) with follow-up of kidney morphology, nephron number, gene expression, and apoptotic events in this short-term postnatal experiment. We observed that the offspring of diabetic mice had lower body weight, body size, kidney weight, small volume of glomeruli and a reduced number of nephrons in comparison to non-diabetic control offspring. Renal dysmorphogenesis may have been the result of increased cell apoptosis in glomeruli. Our findings showed that the offspring of diabetic mice displayed significantly more apoptotic podocytes as well as augmented active caspase-3 immunostaining in renal tubules compared to control mice offspring. Diabetic mice offspring presented heightened expression of intrarenal renin-angiotensin system (RAS) components, such as angiotensinogen and renin, with upregulation of p50 and p65 NF-kB isoforms. These data indicated that maternal diabetes activates the intrarenal RAS and induces glomerular apoptosis, resulting in impairment of renal morphogenesis in diabetic offspring. In conclusion, our findings indicated that a high-glucose milieu in utero or maternal diabetic alters UB morphogenesis, culminating in retardation of nephrogenesis with smaller kidney size. The underlying mechanism(s) is mediated, at least in part, via ROS generation and activation of the intrarenal RAS and NF-kB pathways. In the future, we aim to investigate the underlying mechanism(s) of how maternal diabetes induces perinatal programming of adult hypertension in offspring in vivo. This long-term postnatal study will be undertaken in 3 groups: adult offspring (20 weeks) of control mice, adult offspring of diabetic pregnant mice, and adult offspring of insulin-treated, diabetic, pregnant mice. We will follow-up by tracking hypertension, kidney morphology, and gene expression. Furthermore, we also plan to determine whether an antioxidant system (catalase) can protect against an hyperglycemic environment in utero that affects embryonic organogenesis via an increase in ROS generation. Catalase-Tg mice that specifically overexpress catalase in proximal tubules will be tested. Such Tg mice with catalase overexpression represent a model for exploring our hypothesis on the role of ROS in gestational diabetes.

Abstract Kidney diseases affect an increasing number of people worldwide, and there is a growing demand to develop new treatments and increase the number of transplantable organs. New treatments can be designed when new knowledge is gained by studying the details of kidney development. The ex vivo culture techniques have been used for over a century to study the development of kidneys, but they are not optimal for long-term imaging and following the nephrogenesis process over time. Kidney organoids, which are cellular aggregates resembling the in vivo kidney, together with intact embryonic kidneys, present a platform for these studies. However, there are limitations when working with primary embryonic kidney cells. Primary embryonic metanephric mesenchymal cells are usually low in number and lose the ability to undergo nephrogenesis rapidly. New ways to culture, biobank, and transfect cells can offer ways for functional testing of the effects of different genes on the nephrogenesis. This study presents new tools for studying nephrogenesis. Time-lapse imaging of organ development may be enhanced by using a Fixed Z-direction (FiZD) culture system where the kidney explant is grown in a restricted 70μm space. The technique enables the segmentation of the individual cells in a two-dimensional image and a dynamic analysis of the time-lapse data. This study also presents a technique of dissociation and reaggregation of the uninduced kidney metanephric mesenchyme (MM). With this novel method of culturing the dissociated MM cells in a growth factor medium for 24 hours, the cells can keep their competence for nephrogenesis. This technique allows the genetic manipulation of the MM cells before the induction to form nephrons, allowing functional testing of genes in the metanephric mesenchyme. This study further presents different techniques for gene editing of MM cells and introduces biobanking of primary kidney cells. It is shown here that the MM and ureteric bud (UB) cells have the capability to remember their fates and build nephron-like structures or continue branching after the cryopreservation in the liquid nitrogen. The methods introduced here provide new ways to create kidney organoids, manipulate their genome, and biobank the primary embryonic kidney cells. The developed FiZD culture system enhances the imaging of kidney development compared to the previously used culture methods. Using this method, the morphogenesis of the developing kidney can be followed more precisely, even in a single cell level. This culture method may also be used to culturing other organs, such as ovary, and may help provide insights into the development of other tissues as well. / Tiivistelmä Munuaissairauksiin sairastuvien määrä on lisääntynyt maailmanlaajuisesti, ja se on aikaansaanut tarpeen uusien hoitokeinojen sekä siirtoelimien kehitykseen. Näiden kehittämiseksi tarvitsemme uutta tietoa munuaisen kehityksestä ja toiminnasta. Munuaisen kehitystä on tutkittu ex vivo -viljelyn avulla jo yli vuosisadan ajan, mutta nykyiset elinviljelytekniikat eivät ole kuitenkaan optimaalisia pitkäkestoiseen time-lapse-kuvaukseen. Tässä työssä käytetään munuaisen kehityksen tutkimiseen hiiren alkion munuaisia sekä munuaisorganoideja, jotka ovat munuaissoluista koostuvia ja aitoa munuaista mallintavia soluaggregaatteja. Primaaristen munuaissolujen käyttöön sisältyy rajoitteita, ja tämä luo tarpeen uusien organoiditekniikoiden kehitykseen ja optimointiin. Primaarisia munuaissoluja on yleensä käytettävissä pieniä määriä, ja ne eivät myöskään sovellu pitkäkestoiseen kasvatukseen, koska ne menettävät nopeasti kykynsä muodostaa nefroneita. Uusien tekniikoiden avulla voidaan parantaa näiden solujen kasvatusta, säilytystä ja transfektointia ja edistää eri geenien vaikutuksia tutkivat funktionaaliset testaukset. Tässä tutkimuksessa esitetään uusia työkaluja nefrogeneesin tutkimiseen. Elinten kehitystä seuraavan time-lapse-kuvauksen laatua voidaan parantaa käyttämällä tässä työssä esitettyä FiZD-kasvatusmenetelmää, jossa munuaiseksplantti kasvaa rajoitetussa 70μm:n tilassa. Kuvat ovat korkealaatuisia, ja se mahdollistaa 2D-kuvan yksittäisten solujen segmentoinnin ja solujen liikkeiden dynaamisen analyysin. Lisäksi tässä tutkimuksessa esitetään ei-indusoidun munuaismesenkyymin käsittelyyn kehitetty dissosiaatio- ja reaggregaatiomenetelmä. Munuaisen kehityksen alkuvaiheessa on mahdollistaerottaa nefroneja muodostava metanefrinen mesenkyymi (MM) sekä munuaisen kokoajaputkiston muodostava ureterin silmu. Metanefrinen mesenkyymi voidaan hajottaa yksisolususpensioksi, säilyttää 24 tuntia kasvutekijämediumissa ja tämän jälkeen reaggregoida ja indusoida muodostamaan nefroneita. Tämä tekniikka mahdollistaa MM-solujen geneettisen muokkauksen, ennen kuin munuaisen kehitys alkaa. Tämä tekniikka mahdollistaa myös dissosioitujen MM solujen geneettiset muokkaukset. Geenien yliekspression tai hiljentämisen avulla voidaan tehdä funktionaalisia kokeita näiden muutosten vaikutuksesta nefrogeneesiin. Lisäksi tässä työssä esitetään munuaisprogenitorisolujen säilömistä syväjäädytyksellä. Munuaisprogenitorisolut voidaan säilöä nestetyppeen, minkä jälkeen ne ovat edelleen kykeneviä muodostamaan nefronirakenteita tai haarautumaan. Tässä väitöskirjatyössä esitettyjen menetelmien avulla on tulevaisuudessa mahdollista saada lisätietoa munuaisten kehitysprosessista. Kehitetty FiZD-kasvatusmenetelmä parantaa munuaisen kehityksen kuvantamista ja mahdollistaa yksittäisten solujen seuraamisen. Tämä kasvatusmenetelmä sopii myös muiden elinten, kuten munarauhasten, ja kudosten kasvatukseen, ja sen avulla voidaan saada tietoa myös niiden kehityksestä.

<p>The kidney regulates the excretion of water and electrolytes, which maintains homeostasis and enables control of arterial blood pressure. Hyaluronan, a large negatively charged interstitial glucosaminoglycan, is heterogeneously distributed within the kidney, primarily found in the medulla.</p><p>Medullary hyaluronan content changes depending on the state of body hydration and plays a part in fluid regulation through its water binding and viscoelastic properties. </p><p>The aim of this thesis was to provide new insight into the regulation of intrarenal hyaluronan during different states of body hydration, during completion of kidney development, and during diabetes mellitus.</p><p>Dehydration reduces medullary interstitial hyaluronan in parallel with reduced hyaluronan synthase 2 gene expression and increased urinary hyaluronidase activity. Acute hydration results in an increase in medullary hyaluronan, an increase that requires nitric oxide and prostaglandins. Urinary hyaluronidase activity decreases during hydration. The elevation of hyaluronan is important for reducing water permeability of the interstitium i.e. favoring diuresis.</p><p>Changes in hyaluronan concentration constitute a morphoregulatory pathway that plays a key role in nephrogenesis. The reduction in neonatal hyaluronan depended on an angiotensin II mediated process that does not appear dependent on lymph vessel formation. If angiotensin II is blocked with an ACE inhibitor, hyaluronan accumulates, which results in structural and functional abnormalities in the kidney. </p><p>Renomedullary hyaluronan is elevated during uncontrolled diabetes, which coincides with induction of hyaluronan synthase 2 mRNA, hyperglycemia, glucosuria, proteinuria and overt diuresis. The levels of hyaluronan are probably at a <i>terminus ad quem</i> as no further response was seen during hydration. The higher interstitial expression of hyaluronan during diabetes may be involved in the progression of diabetic nephropathy.</p><p>This thesis in physiology provides new mechanistic insights into the regulation of renal hyaluronan during various aspects of fluid handling.</p>

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

No description available.

The kidney regulates the excretion of water and electrolytes, which maintains homeostasis and enables control of arterial blood pressure. Hyaluronan, a large negatively charged interstitial glucosaminoglycan, is heterogeneously distributed within the kidney, primarily found in the medulla. Medullary hyaluronan content changes depending on the state of body hydration and plays a part in fluid regulation through its water binding and viscoelastic properties. The aim of this thesis was to provide new insight into the regulation of intrarenal hyaluronan during different states of body hydration, during completion of kidney development, and during diabetes mellitus. Dehydration reduces medullary interstitial hyaluronan in parallel with reduced hyaluronan synthase 2 gene expression and increased urinary hyaluronidase activity. Acute hydration results in an increase in medullary hyaluronan, an increase that requires nitric oxide and prostaglandins. Urinary hyaluronidase activity decreases during hydration. The elevation of hyaluronan is important for reducing water permeability of the interstitium i.e. favoring diuresis. Changes in hyaluronan concentration constitute a morphoregulatory pathway that plays a key role in nephrogenesis. The reduction in neonatal hyaluronan depended on an angiotensin II mediated process that does not appear dependent on lymph vessel formation. If angiotensin II is blocked with an ACE inhibitor, hyaluronan accumulates, which results in structural and functional abnormalities in the kidney. Renomedullary hyaluronan is elevated during uncontrolled diabetes, which coincides with induction of hyaluronan synthase 2 mRNA, hyperglycemia, glucosuria, proteinuria and overt diuresis. The levels of hyaluronan are probably at a terminus ad quem as no further response was seen during hydration. The higher interstitial expression of hyaluronan during diabetes may be involved in the progression of diabetic nephropathy. This thesis in physiology provides new mechanistic insights into the regulation of renal hyaluronan during various aspects of fluid handling.

No description available.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal