Tubulointerstitial fibrosis is the key histological predictor of the progression of declining renal function and the final common pathway of progressive kidney disease, regardless of aetiology. Despite its significance, there are currently no treatments available to abrogate this process and those that suffer with this burden eventually succumb to renal failure. Tubulointerstitial fibrosis is largely mediated by fibroblasts and myofibroblasts present in the interstitium. In response to injury, activated fibroblasts differentiate into myofibroblasts which serves as a histological hallmark of fibrosis. Myofibroblasts are characterised as the key contributors to interstitial volume and their presence ultimately leads to loss of renal function. The pathological entities leading to fibrosis inextricably depend on complex signalling pathways. Whilst many of the well-known growth factors that exert effects on renal fibroblasts (such as FGF, EGF and PDGF) involve the activation of receptor tyrosine kinases, the intracellular signalling events dictating the response of fibroblasts remain undefined. The kinase mTOR, responsible for integrating stress and amino acids and controlling cell growth, is increasingly recognised for its ability to integrate growth factor signals mediated through the upstream serine/threonine kinase PI3K. A number of recent studies have highlighted the role of PI3K and mTOR in the regulation of key events relevant to fibrosis, serving as a basis for Chapter 3: The role of PI3K and mTOR in the regulation of fibroblast proliferation and collagen synthesis, and the first part of Chapter 5: The role of PI3K and mTOR in the regulation of myofibroblast differentiation. These studies have identified a key role for PI3K and mTOR in the regulation of fibroblast proliferation, differentiation and collagen synthesis. The work described within has also attempted to examine the derivation of myofibroblasts via EMT. EMT is a process that is integral to embryogenesis and may act as an important source of myofibroblasts during fibrosis. This process is examined in Chapter 4: Development and validation of an ex vivo model of EMT. This model aims to better represent the in vivo environment and has also been used to identify novel regulators involved in EMT being utilised in the second part of Chapter 5: The role of PI3K and mTOR in EMT. Although cytokines and growth factors are thought to be chiefly responsible for tubulointerstitial fibrosis, we now know that serine proteases of the coagulation cascade may also play roles in renal disease. However, unlike their role in glomerular diseases, the role of coagulation in tubulointerstitial fibrosis is less well-known. The work described in Chapter 6: Constituents of the coagulation cascade are spatially and functionally related to experimental tubulointerstitial fibrosis has examined temporal and spatial in vivo relationships of coagulation factors and markers of fibrosis that aid our understanding of mechanisms of fibrosis. The aim of this thesis was to examine those facets of renal fibroblast function that are most devastating to renal function and culminate in an expansion of the renal interstitium during fibrosis. This work hopes to provide useful information to aid the understanding of the multifaceted mechanisms involved in renal tubulointerstitial fibrosis.

Les maladies rénales chroniques (MRC) et l'insuffisance rénale aiguë (IRA) sont des problèmes essentiels de santé publique en raison de l'augmentation continue de leur fréquence et du manque de solutions thérapeutiques contre ces maladies. L'acide lysophosphatidique (LPA) est un lysophospholipide bioactif qui induit un large éventail de réponses cellulaires par le biais de récepteurs membranaires spécifiques (LPA1 à LPA6) couplés aux protéines G. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés aux effets biologiques et au métabolisme du LPA dans les MRC et l'IRA. Des travaux antérieurs de l'équipe avaient montré que le LPA contribuait, via le récepteur LPA1, au développement de la fibrose tubulointerstitio (TIF) dans un modèle de MRC chez la souris : l'obstruction urétérale. Dans la première partie de la thèse nous avons étudié l'implication du LPA dans un modèle plus avancé de MRC: la néphrectomie subtotale (SNX) chez la souris. Nos travaux ont montré que 5 mois après chirurgie les souris (SNX) développaient une albuminurie massive associée à une TIF sévère et à une hypertrophie glomérulaire. Chez ces souris la concentration en LPA mesurée par chromatographie liquide en spectrométrie de masse en tandem était augmentée dans l'urine et étroitement corrélée à l'albuminurie et à la TIF. En parallèle, nous avons observé une diminution de l'expression rénale des Lipid-Phosphate Phosphatases (LPP 1, 2 et 3) responsables de l'inactivation du LPA. Nous avons également observé que l'expression rénale des récepteurs LPA1, 2, 3 et 4 était diminuée chez les souris Snx. Nous avons conclu que les effets délétères éventuels du LPA dans le développement de la MRC chez les souris SNX était vraisemblablement lié à une augmentation de sa production rénale plutôt qu'à une sensibilité accrue du rein au LPA. Des travaux antérieurs avaient montré que l'injection de LPA protégeait contre l'apparition des lésions rénales induites par ischémie/reperfusion chez la souris. Une autre étude avait montré que le LPA permettait d'atténuer l'inflammation systémique et les dommages aux organes induits par un choc septique. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié l'influence du LPA sur l'IRA induite par une endotoxémie au LPS (lipopolysaccharide) chez la souris. Nous avons observé que l'injection de LPA permettait d'atténuer l'élévation d'urée et de créatinine plasmatiques, ainsi que l'augmentation d'expression rénale de cytokines inflammatoires (IL-6, TNFa, MCP-1) induites par le LPS. Le LPA a également empêché la baisse d'expression rénale du facteur PGC1a ainsi que les altérations ultra-structurales des mitochondries rénales induites par le LPS. In vitro, le LPA atténue l'augmentation d'expression des cytokines pro-inflammatoires (TNFa et MCP-1) induite par le LPS dans les macrophages RAW264. Enfin, nos travaux ont montré que l'endotoxémie au LPS chez la souris entrainait une réduction de la concentration urinaire de LPA associée à une réduction des enzymes anaboliques LPA (autotaxine et acylglycérol kinase) et une élévation de l'expression de de LPP2, dans le cortex rénal. Nous en avons conclu que l'IRA associée à l'endotoxémie pourrait être liée, au moins en partie, à une réduction de la production rénale de LPA et, par voix de conséquence, de ses effets anti-inflammatoires protecteurs de la fonction rénale. En conclusion, notre travail montre que les variations de production rénale de LPA pourraient jouer un rôle important dans le développement des maladies rénales. L'augmentation du LPA dans les MRC favoriserait ses effets délétères (fibrose, inflammation). Sa réduction dans l'IRA réduirait ses effets anti-inflammatoires. Cibler le catabolisme LPA pourrait donc être une approche intéressante dans le traitement des maladies rénales. / Both chronic kidney diseases (CKD) with consecutive development of end stage renal disease (ESRD) and acute kidney injury (AKI) represent worrying problems for healthcare system due to its increased frequency and the lack of efficient treatments. Lysophosphatidic acid (LPA) is a bioactive lysophospholipid that elicits a wide range of cell responses (proliferation, migration, transformation, contraction etc.) through the activation of specific G protein-coupled receptors (LPA1 to LPA6). In this work we were interested in involvement of the LPA and changes in its metabolism in CKD and AKI. Previous works showed that LPA exerts pro-fibrotic activity and contributes to development of tubulointerstitioal fibrosis (TIF) after ureteral obstruction through activation of LPA1 receptors. In the first part of the thesis we were interested whether LPA signalization is involved in more advanced model of the disease. We found that 5 months after subtotal nephrectomy (SNX) mice develop massive albuminuria, TIF and glomerular hypertrophy compared to control animals. LPA concentration measured by liquid chromatography tandem mass spectrometry was increased in urine but not in plasma of animals. That increase in LPA significantly correlated with albuminuria and TIF. In addition we found a decreased renal expression of lipid phosphate phosphatases (LPP1, 2 and 3) that are responsible for the degradation of LPA by dephosphorylation. Moreover, the expression of LPA1-LPA4 receptors is down-regulated, whereas LPA5 and LPA6 are unchanged. We concluded here that the possible deleterious effect of LPA in the development of CKD in SNX mice was likely related to its increased production rather than an increased sensitivity of the kidney to LPA. Since LPA was reported previously to protect kidney damage in the course of ischemia/reperfusion injury, and that it was able to mitigate the systemic inflammation and organ damage in sepsis, we were interested in second part of the thesis to determine whether exogenous and/or endogenous LPA might protect against sepsis-associated AKI. C57BL/6 mice were treated with exogenous LPA 18:1 1 hour before being injected with the lipopolysaccharide (LPS) and AKI was analyzed after 24h. LPA pre-treatment significantly mitigated the LPS-induced elevation of plasma urea and creatinine, lessened the up-regulation of inflammatory cytokines (IL-6, TNFa, MCP-1) and completely prevented the down-regulation of peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha (PGC1a) in kidney. LPA also prevented LPS-mediated alterations of renal mitochondria ultrastructure. In vitro, pre-treatment with LPA 18:1 (10 µM) significantly attenuated LPS-induced up-regulation of the pro-inflammatory cytokines (TNFa and MCP-1) in RAW264 macrophages. In addition we found that LPS led to the reduction of urinary LPA concentration that was associated with a reduction in LPA anabolic enzymes (autotaxin and acylglycerol kinase), and an elevation in LPA catabolic enzyme (lipid phosphate phosphatase 2) expression in kidney cortex. We concluded hereby that exogenous LPA exerts protection against endotoxemia-induced kidney injury. Moreover, the observation that LPS reduces the renal production of LPA suggests that sepsis-associated AKI could be mediated, at least in part, by alleviation of the protective action of endogenous LPA. In general our work shows that LPA local metabolism is altered in both forms of kidney diseases. In course of sepsis-induced AKI LPS leads to increased local catabolism of LPA leading to low availability of the phospholipid and alleviating its protective effect whereas in advanced CKD the local catabolism of the phospholipid is decreased with subsequent increase of urine LPA that favors development of the disease. Targeting LPA catabolism can be an interesting approach in treatment of kidney diseases.

De nombreuses études ont bien démontré que l’activation du système rénine-angiotensine (RAS) joue un rôle important dans le développement de l’hypertension et de la néphropathie diabétique (DN). La découverte de l’enzyme de conversion de l’angiotensine-2 (ACE2) et l’identification du récepteur MAS, spécifique pour l’angiotensine 1-7 (Ang 1-7), ont permis d’identifier deux nouveaux membres du RAS. L’axe ACE2/Ang 1-7/MAS contrebalance les effets de l’axe ACE/Ang II/AT1. Plusieurs évidences impliquent la contribution du RAS intrarénal dans la DN. Des études réalisées dans notre laboratoire avec des souris transgéniques surexprimant l’angiotensinogène de rat dans les cellules de leurs tubules proximaux rénaux (RPTCs) ont permis de démontrer l’importance du RAS intrarénal dans l’induction de l’hypertension et les dommages rénaux. Nous avons également observé que l’expression rénale de l’ACE2 et les niveaux urinaires d’ANG 1-7 sont plus faibles chez les souris Akita (diabète de type 1) et qu’un traitement avec des bloqueurs du RAS permet de normaliser l’expression de l’ACE2 et de prévenir le développement de l’hypertension dans le modèle des souris Akita. Dans un milieu diabétique, à la fois la glycémie et l’angiotensine II (Ang II) peuvent induire la génération des espèces réactives de l’oxygène (ROS), contribuant ainsi aux dommages rénaux. Afin d’explorer la relation entre les ROS, ACE2 et la DN, nous avons créé des souris Akita transgéniques surexprimant la catalase (Cat) dans les RPTCs, en croisant des souris Akita diabétique de type 1 à notre modèle de souris transgéniques surexprimant la Cat de rat dans les RPTCs. Dans une seconde étude, des souris Akita ont été traitées avec l’Ang 1-7 ou une combinaison d’Ang 1-7 et de son antagoniste, A779, afin d’étudier la relation entre l’action de l’Ang 1-7, l’hypertension systolique (sHTN), le stress oxydatif, les dommages rénaux, ACE2 et l’expression du récepteur Mas. Nos résultats ont montré que la surexpression de Cat atténue le stress oxydatif rénal; prévient l’hypertension, améliore le taux de filtration glomérulaire, l’albuminurie, l’hypertrophie rénale, la fibrose tubulo-interstitielle et l’apoptose tubulaire; et supprime l’expression des gènes profibrotiques et proapoptotiques dans les RPTCs des souris Akita Cat-Tg lorsque comparées aux souris Akita. De plus, la surexpression de Cat dans les RPTC des souris Akita normalise l’expression rénale de l’ACE2 et les niveaux urinaires d’Ang 1-7. D’autre part, l’administration d’Ang 1-7 prévient l’hypertension systémique, normalise le ratio albumine/créatinine urinaire et atténue l’hyperfiltration glomérulaire des souris Akita, sans affecter la glycémie sanguine. De plus, le traitement avec l’Ang 1-7 atténue aussi le stress oxydatif et l’expression de la NADPH oxydase, Agt, ACE, TGF-β1 (transforming growth factor-β1) et collagène IV, tout en augmentant l’expression de l’ACE2 et du récepteur Mas dans les reins des souris Akita. Ces effets sont renversés par la co-admininstration d’A779. Ces résultats démontrent que la surexpression de Cat prévient l’hypertension et la progression de la néphropathie, en plus de mettre en lumière l’importance du stress oxydatif intrarénal et l’expression de l’ACE2 comme facteurs contribuant à l’hypertension et les dommages rénaux observés dans le diabète. En outre, nos données suggèrent que l’Ang 1-7 joue un rôle protecteur dans l’hypertension et les dommages aux RPTC dans le diabète, principalement en réduisant les voies de signalisations du stress oxydatif dans les reins et en normalisant l’expression de l’ACE2 et du récepteur Mas. Nos résultats indiquent aussi que l’Ang 1-7 pourrait agir comme un agent thérapeutique potentiel dans le traitement de l’hypertension systémique et les dommages rénaux observés dans le diabète. En conséquence, l’Ang 1-7 est responsable du rôle protecteur de l’ACE2 dans l’hypertension et la DN. / It is well accepted that renin-angiotensin system (RAS) activation plays an important role in the development of hypertension and diabetic nephropathy (DN). With the discovery of angiotensin-converting enzyme-2 (ACE2) and recognition of MAS as the receptor of Angiotensin 1-7 (Ang 1-7), new players in RAS, ACE2/Ang 1-7/MAS axis, have been identified to counteract the effect of ACE/Ang II/ AT1 axis. Evidence implicates the intrarenal RAS’s contribution to DN. Previous studies from our laboratory using transgenic mice overexpressing rat Angiotensinogen (Agt) in their renal proximal tubular cells (RPTCs) have demonstrated the importance of the intrarenal RAS in renal damage and the induction of hypertension. We also recently observed that renal ACE2 expression and urinary Ang 1–7 were lower in type 1 diabetic Akita mice and that treatment with RAS blockers normalized ACE2 expression and prevented hypertension development in these Akita mice. In the diabetic milieu, both glycemia and angiotensin II (Ang II) can induce reactive oxygen species (ROS) generation, which contributes to kidney injury. To explore the relationship among ROS, ACE2 and DN, we created Akita transgenic mice overexpressing catalase (Cat) in RPTCs by crossbreeding type I diabetic Akita mice with our established transgenic mice overexpressing rat Cat in RPTCs. In another study, Akita mice were treated with Ang 1-7 or combination of Ang 1-7 and its antagonist, A779, to investigate the relations between Ang 1-7 action, systolic hypertension (sHTN), oxidative stress, kidney injury, ACE2 and Mas receptor expression. Our results showed that overexpression of Cat attenuated renal oxidative stress; prevented hypertension; ameliorated glomerular filtration rate, albuminuria, kidney hypertrophy, tubulointerstitial fibrosis, and tubular apoptosis; and suppressed profibrotic and proapoptotic gene expression in RPTCs of Akita Cat-Tg mice compared with Akita mice. Furthermore, overexpression of Cat in RPTCs of Akita mice normalized renal ACE2 expression and urinary Ang 1–7 levels. On the other hand, Ang 1-7 administration prevented systemic hypertension, normalized urinary albumin/creatinine ratio and attenuated glomerular hyperfiltration without affecting blood glucose levels in Akita mice. Furthermore, Ang 1-7 treatment also attenuated oxidative stress and the expression of NADPH oxidase 4, Agt, ACE, transforming growth factor-β1 (TGF-β1) and collagen IV, and increased the expression of ACE2 and Mas receptor in Akita mouse kidneys. These effects were reversed by co-administration of A779. These data demonstrated that Cat overexpression prevents hypertension and progression of nephropathy and highlight the importance of intrarenal oxidative stress and ACE2 expression contributing to hypertension and renal injury in diabetes. Furthermore, our data suggest that Ang 1-7 plays a protective role in hypertension and RPTC injury in diabetes, predominantly through decreasing renal oxidative stress-mediated signaling and normalizing ACE2 and Mas receptor expression. Our results also indicate Ang 1-7 as a potential therapeutic agent for treatment of systemic hypertension and kidney injury in diabetes. Therefore, Ang 1-7 mediates the major protective role of ACE2 in the hypertension and DN.

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