Influence of uremic toxins on microbial intestinal epithelial barrier translocation in chronic kidney disease

Abstract

Chronic kidney disease (CKD) is a general term for disorders affecting kidney structure and function. The progressive loss of renal function leads to the accumulation of toxins, the uremic toxins, normally cleared by the kidneys. It is under these circumstances that the “uremic state” is established. Recent studies relate uremic plasma to impaired intestinal barrier function and to depletion of the tight junctions (TJs) protein constituents. Within the intestinal lumen urea is hydrolyzed by microbial urease forming large quantities of ammonia, the major mediator of intestinal barrier disruption in uremic conditions, causing a depletion of the intestinal epithelial TJs proteins in CKD. When the microbial ecosystem is affected, harmful microbial species may overgrowth, as well their metabolism product, leading to an imbalance of the intestinal microbiome. Recent studies suggest that intestinal microbiome exert an influence over both the production of uremic toxins and the progression of CKD. In CKD, the impairment of the intestinal barrier function may allow the translocation of intestinal microorganisms, endotoxins, antigens and other microbial products from intestinal lumen to systemic circulation, contributing to the pathogenesis of systemic inflammation, cardiovascular risk and progress of CKD. Our main goal was to evaluate the application of two in vitro models of intestinal epithelial barrier for the study of microbial translocation and to evaluate the impact of different uremic conditions present in CKD on this microbial translocation. For that, we analyzed the effect of plasma of CKD patients and the uremic toxin urea on microbial intestinal translocation, as well as on integrity, permeability and localization and quantity of TJs proteins in the in vitro intestinal models, Caco-2 monoculture and Caco-2/HT29-MTX/Raji B triple model. The results showed that the experimental uremic conditions simulated in this study did not potentiate the microbial translocation, although interfered at some extent with the integrity and the permeability of intestinal epithelial barrier models. Microbial translocation was higher in Caco-2 monoculture than in triple model, suggesting that the triple model creates a more effective barrier and, therefore, apparently represents a more robust intestinal model of the human intestine. This study allowed to conclude that the uremic state influences the integrity of intestinal barrier, but this influence could not be directly translated in an increase in the microbial translocation through the intestinal epithelium in the in vitro models studied.

Doença renal crónica (DRC) é um termo geral para distúrbios que afetam a estrutura e a função do rim. A perda progressiva da função renal conduz à acumulação de toxinas, toxinas urémicas, normalmente excretadas pelos rins. É nessas circunstâncias que o "estado urémico" é estabelecido. Estudos recentes relacionam o plasma urémico ao dano da função da barreira intestinal e à depleção dos constituintes proteicos das junções de oclusão (JO). No lúmen intestinal, a ureia é hidrolisada pela urease microbiana, formando grandes quantidades de amónia, o principal mediador da disrupção da barreira intestinal em condições urémicas, causando uma depleção das proteínas das JO epiteliais intestinais na DRC. Quando o ecossistema microbiano é afetado, espécies microbianas prejudiciais podem crescer excessivamente, assim como os seus produtos do metabolismo, conduzindo a um desequilíbrio do microbioma intestinal. Estudos recentes sugerem que o microbioma intestinal exerce influência na produção de toxinas urémicas e na progressão da DRC. Na DRC, o dano da função da barreira intestinal pode permitir a translocação de microrganismos intestinais, endotoxinas, antigénios e outros produtos microbianos do lúmen intestinal para a circulação sistémica, contribuindo para a patogénese de inflamação sistémica, risco cardiovascular e progressão da DRC. O nosso principal objetivo foi avaliar a aplicação de dois modelos in vitro de barreira epitelial intestinal para o estudo da translocação microbiana e avaliar o impacto de diferentes condições urémicas presentes na DRC nessa translocação microbiana. Para isso, analisamos o efeito do plasma de doentes com DRC e da toxina urémica ureia na translocação intestinal microbiana, assim como na integridade, permeabilidade e localização e quantidade das proteínas das JO nos modelos intestinais in vitro, monocultura Caco-2 e modelo triplo Caco-2/HT29-MTX/Raji B. Os resultados mostraram que as condições urémicas experimentais simuladas neste estudo não potenciaram a translocação microbiana, embora tenham interferido em certa medida com a integridade e a permeabilidade dos modelos de barreira epitelial intestinal. A translocação microbiana foi maior na monocultura Caco-2 do que no modelo triplo, sugerindo que o modelo triplo cria uma barreira mais eficaz e, portanto, aparentemente representa um modelo intestinal mais robusto do intestino humano. Este estudo permitiu concluir que o estado urémico influencia a integridade da barreira intestinal, mas que essa influência pode não estar diretamente relacionada com um aumento da translocação microbiana através do epitélio intestinal nos modelos in vitro estudados.