Effects of SGLT2 Inhibitor on Cellular Senescence in the Kidneys of Type 2 Diabetes Animal Model

Abstract

Introduction Sodium-glucose cotransporter 2 (SGLT2) inhibitors prevent the progression of diabetic kidney disease. However, the mechanisms underlying this renoprotective benefit are not completely understood. I evaluated whether SGLT2 inhibition reduces cellular senescence in the kidney and investigated the molecular pathways involved in the renoprotective effect.

Methods Dapagliflozin (1 mg/kg), glimepiride (2.5 mg/kg), or vehicle was administered daily via oral gavage for 8 weeks in db/db mice. Expression levels of aging marker genes (p21, p16, p53, γH2AX) were measured in the kidney using real-time RT-PCR, immunohistochemistry, and western blot analysis. For in vitro analysis, HK-2 cells, a human renal tubular epithelial cell line, were pretreated with H2O2 to induce cellular senescence, and the levels of aging markers were measured after treatment with β-hydroxybutyrate (β-HB) or NRF2-specific siRNA.

Results Mesangial expansion was ameliorated in the dapagliflozin-treated db/db (db/db+SGLT2i) group. Besides, in the db/db+SGLT2i group, the size of the glomerulus was smaller, and albuminuria was markedly reduced compared with the vehicle-treated db/db (db/db+vehicle) group. Expression levels of aging marker genes (p21, p16, p53, γH2AX) in the kidney were increased in the db/db+vehicle group compared with the db/+ group, and this increase was markedly reversed in the db/db+SGLT2i group, but not in the glimepiride-treated db/db (db/db+SU) group. In the kidneys of mice in the db/db+SGLT2i group, oxidative stress was also reduced compared with those in the db/db+vehicle and db/db+SU groups. Dapagliflozin increased plasma β-HB, which reduced H2O2-induced DNA damage and senescence in HK-2 cells. β-HB-induced NRF2 nuclear translocation mediated anti-senescent effects by inducing antioxidant pathways.

Conclusion Dapagliflozin, an SGLT2 inhibitor, prevented the progression of diabetic kidney disease by inhibiting cellular senescence and oxidative stress in the kidneys via ketone-induced NRF2 activation.

서론 Sodium-glucose cotransporter 2 (SGLT2) 억제제는 당뇨병성 신증의 진행을 억제한다고 알려져 있다. 그러나 그 기전에 대해서는 아직 완전히 밝혀져 있지 않다. 본 연구에서는 SGLT2 억제제가 신장 세포의 노화를 억제하는 지 알아보고, 그 분자적 기전을 밝히고자 한다.

방법 Dapagliflozin (1 mg/kg/day), glimepiride (2.5 mg/kg/day), 또는 vehicle을 db/db 생쥐에 8 주간 경구로 투약했다. db/db 생쥐의 신장 세포 노화는 p21, p16, p53, γH2AX 유전자를 real-time RT-PCR, 면역염색, 웨스턴 블롯 등의 방법으로 측정하였다. 또한, in vitro에서 HK-2 신장 세포를 H2O2로 전처리하여 세포 노화를 유도하고, β-hydroxybutyrate (β-HB) 또는 siNRF2를 처리하여 노화 관련 표현형을 조사하였다.

결과 Dapagliflozin은 db/db 생쥐의 신장에서 메산지움 확장을 억제하였고, 사구체의 크기를 줄였으며, 알부민 배설을 감소시켰다. 노화 마커인 p21, p16, p53, γH2AX 유전자의 신장 내 발현 수준은 db/+ 그룹과 비교하여, db/db+vehicle 그룹에서 증가하였고, 이 증가는 db/db+SGLT2i 그룹에서 감소하였지만, db/db+SU 그룹에서는 감소하지 않았다. 또한, db/db+SGLT2i 그룹의 산화 스트레스 수준은 db/db+vehicle, db/db+SU 그룹과 비교하여 유의하게 감소하였다. Dapagliflozin은 혈장 β-HB 농도를 증가시켰고, β-HB는 HK-2 세포에서 H2O2로 유도된 DNA 손상 및 노화 현상을 감소시켰다. 또한, β-HB 처리는 NRF2를 핵 내로 이동시켰고, 이는 항산화 경로를 활성화하여 항노화 효과를 매개하였다.

결론 SGLT2 억제제인 dapagliflozin은 혈중 케톤 농도 증가를 통해 신장 세포의 NRF2 활성화를 매개하여 산화 스트레스를 억제함으로써 신장 세포의 노화를 방지하고, 이에 따라 당뇨병성 신증의 진행을 억제하였다.