Purpose: Indoxyl sulfate and p-cresyl sulfate are important protein-bound uremic retention solutes whose levels can be partially reduced by renal replacement therapy. These solutes originate from intestinal bacterial protein fermentation and are associated with cardiovascular outcomes and chronic kidney disease progression. The aims of this study were to investigate the levels of indoxyl sulfate and p-cresyl sulfate as well as the effect of probiotics on reducing the levels of uremic toxins in pediatric patients on dialysis. Methods: We enrolled 20 pediatric patients undergoing chronic dialysis; 16 patients completed the study. The patients underwent a 12-week regimen of VSL#3, a high-concentration probiotic preparation, and the serum levels of indoxyl sulfate and p-cresyl sulfate were measured before treatment and at 4, 8, and 12 weeks after the regimen by using fluorescence liquid chromatography. To assess the normal range of indoxyl sulfate and p-cresyl sulfate we enrolled the 16 children with normal glomerular filtration rate who had visited an outpatient clinic for asymptomatic microscopic hematuria that had been detected by a school screening in August 2011. Results: The baseline serum levels of indoxyl sulfate and p-cresyl sulfate in the patients on chronic dialysis were significantly higher than those in the children with microscopic hematuria. The baseline serum levels of p-cresyl sulfate in the peritoneal dialysis group were significantly higher than those in the hemodialysis group. There were no significant changes in the levels of these uremic solutes after 12-week VSL#3 treatment in the patients on chronic dialysis. Conclusion: The levels of the uremic toxins p-cresyl sulfate and indoxyl sulfate are highly elevated in pediatric patients on dialysis, but there was no significant effect by probiotics on the reduction of uremic toxins in pediatric dialysis patients. Therefore, studies for other medical intervention to reduce uremic toxins are also necessary in pediatric patients on dialysis.
BACKGROUND/OBJECTIVES: Increased levels of uremic toxins and decreased antioxidant capacity have a significant impact on the progression of chronic kidney disease (CKD). However, it remains unclear whether they interact with each other to mediate the damage of kidney function. The purpose of this study was to investigate whether uremic toxins (i.e., homocysteine and indoxyl sulfate [IS]), as well as glutathione-dependent antioxidant enzyme activities are dependently or independently associated with kidney function during different stages of CKD patients. SUBJECTS/METHODS: One hundred thirty-two patients diagnosed with CKD at stages 1 to 5 participated in this cross-sectional study. RESULTS: Patients who had reached an advanced CKD stage experienced an increase in plasma uremic toxin levels, along with decreased glutathione peroxidase (GSH-Px) activity. Plasma homocysteine, cysteine, and IS concentrations were all positively associated with each other, but negatively correlated to GSH-Px activity levels after adjusting for potential confounders in all CKD patients. Although plasma homocysteine, cysteine, IS, and GSH-Px levels were significantly associated with kidney function, only plasma IS levels still had a significant association with kidney function after these parameters were simultaneously adjusted. In addition, plasma IS could interact with GSH-Px activity to be associated with kidney function. CONCLUSIONS: IS plays a more dominant role than homocysteine and GSH-Px activity in relation to kidney function.
Shiga toxins (Stxs) are major virulence factors from the enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC), a subset of Stx-producing Escherichia coli. Stxs are multi-functional, ribosome-inactivating proteins that underpin the development of hemolytic uremic syndrome (HUS) and central nervous system (CNS) damage. Currently, therapeutic options for the treatment of diseases caused by Stxs are limited and unsatisfactory. Furthermore, the pathophysiological mechanisms underpinning toxin-induced inflammation remain unclear. Numerous works have demonstrated that the various host ribotoxic stress-induced targets including p38 mitogen-activated protein kinase, its downstream substrate Mitogen-activated protein kinase-activated protein kinase 2, and apoptotic signaling via ER-stress sensors are activated in many different susceptible cell types following the regular retrograde transportation of the Stxs, eventually leading to disturbing intercellular communication. Therapeutic options targeting host cellular pathways induced by Stxs may represent a promising strategy for intervention in Stx-mediated acute renal dysfunction, retinal damage, and CNS damage. This review aims at fostering an in-depth understanding of EHEC Stxs-mediated pathogenesis through the toxin-host interactions.
Jeongtae Kim;Jun Bong Lee;Jaewon Park;Chiwan Koo;Moo-Seung Lee
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.33
no.5
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pp.559-573
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2023
Shiga toxin (Stxs)-producing enterohaemorrhagic Escherichia coli (EHEC) and Shigella dysenteriae serotype 1 are major causative agents of severe bloody diarrhea (known as hemorrhagic colitis) and hemolytic uremic syndrome (HUS) associated with extraintestinal complications such as acute renal failure and neurologic impairment in infected patients under 9 years of age. Extreme nephrotoxicity of Stxs in HUS patients is associated with severe outcomes, highlighting the need to develop technologies to detect low levels of the toxin in environmental or food samples. Currently, the conventional polymerase chain reaction (PCR) or immunoassay is the most broadly used assay to detect the toxin. However, these assays are laborious, time-consuming, and costly. More recently, numerous studies have described novel, highly sensitive, and portable methods for detecting Stxs from EHEC. To contextualize newly emerging Stxs detection methods, we briefly explain the basic principles of these methods, including lateral flow assays, optical detection, and electrical detection. We subsequently describe existing and newly emerging rapid detection technologies to identify and measure Stxs.
In this study, we aim to investigate the precise alterations in the gut microbiota during the onset and advancement of diabetic nephropathy (DN) and examine the impact of Ruminococcus gnavus (R. gnavus) on DN. Eight-week-old male KK-Ay mice were administered antibiotic cocktails for a duration of two weeks, followed by oral administration of R. gnavus for an additional eight weeks. Our study revealed significant changes in the gut microbiota during both the initiation and progression of DN. Specifically, we observed a notable increase in the abundance of Clostridia at the class level, higher levels of Lachnospirales and Oscillospirales at the order level, and a marked decrease in Clostridia_UCG-014 in DN group. Additionally, there was a significant increase in the abundance of Lachnospiraceae, Oscillospiraceae, and Ruminococcaceae at the family level. Moreover, oral administration of R. gnavus effectively aggravated kidney pathology in DN mice, accompanied by elevated levels of urea nitrogen (UN), creatinine (Cr), and urine protein. Furthermore, R. gnavus administration resulted in down-regulation of tight junction proteins such as Claudin-1, Occludin, and ZO-1, as well as increased levels of uremic toxins in urine and serum samples. Additionally, our study demonstrated that orally administered R. gnavus up-regulated the expression of inflammatory factors, including nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor pyrin domain-containing protein 3 (NLRP3) and Interleukin (IL)-6. These changes indicated the involvement of the gut-kidney axis in DN, and R. gnavus may worsen diabetic nephropathy by affecting uremic toxin levels and promoting inflammation in DN.
Lee, Moo-Seung;Kwon, Haenaem;Nguyen, Loi T.;Lee, Eun-Young;Lee, Chan Yong;Choi, Sang Ho;Kim, Myung Hee
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.26
no.2
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pp.432-439
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2016
Shiga toxins (Stxs) produced by Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) strains are major virulence factors that cause fatal systemic complications, such as hemolytic uremic syndrome and disruption of the central nervous system. Although numerous studies report proinflammatory responses to Stx type 1 (Stx1) or Stx type 2 (Stx2) both in vivo and in vitro, none have examined dynamic immune regulation involving cytokines and/or unknown inflammatory mediators during intoxication. Here, we showed that enzymatically active Stxs trigger the dissociation of lysyl-tRNA synthetase (KRS) from the multi-aminoacyl-tRNA synthetase complex in human macrophage-like differentiated THP-1 cells and its subsequent secretion. The secreted KRS acted to increase the production of proinflammatory cytokines and chemokines. Thus, KRS may be one of the key factors that mediate transduction of inflammatory signals in the STEC-infected host.
Shiga toxins (Stxs) are the main virulence factors expressed by the pathogenic Stx-producing bacteria, namely, Shigella dysenteriae serotype 1 and certain Escherichia coli strains. These bacteria cause widespread outbreaks of bloody diarrhea (hemorrhagic colitis) that in severe cases can progress to life-threatening systemic complications, including hemolytic uremic syndrome (HUS) characterized by the acute onset of microangiopathic hemolytic anemia and kidney dysfunction. Shiga toxicosis has a distinct pathogenesis and animal models of Stx-associated HUS have allowed us to investigate this. Since these models will also be useful for developing effective countermeasures to Stx-associated HUS, it is important to have clinically relevant animal models of this disease. Multiple studies over the last few decades have shown that mice injected with purified Stxs develop some of the pathophysiological features seen in HUS patients infected with the Stx-producing bacteria. These features are also efficiently recapitulated in a non-human primate model (baboons). In addition, rats, calves, chicks, piglets, and rabbits have been used as models to study symptoms of HUS that are characteristic of each animal. These models have been very useful for testing hypotheses about how Stx induces HUS and its neurological sequelae. In this review, we describe in detail the current knowledge about the most well-studied in vivo models of Stx-induced HUS; namely, those in mice, piglets, non-human primates, and rabbits. The aim of this review is to show how each human clinical outcome-mimicking animal model can serve as an experimental tool to promote our understanding of Stx-induced pathogenesis.
BACKGROUND/OBJECTIVES: Patients with chronic kidney disease (CKD) have a high concentration of uremic toxins in their blood and often experience muscle atrophy. Indoxyl sulfate (IS) is a uremic toxin produced by tryptophan metabolism. Although an elevated IS level may induce muscle dysfunction, the effect of IS on physiological concentration has not been elucidated. Additionally, the effects of ursolic acid (UA) on muscle hypertrophy have been reported in healthy models; however, it is unclear whether UA ameliorates muscle dysfunction associated with chronic diseases, such as CKD. Thus, this study aimed to investigate whether UA can improve the IS-induced impairment of mitochondrial biogenesis. MATERIALS/METHODS: C2C12 cells were incubated with or without IS (0.1 mM) and UA (1 or 2 μM) to elucidate the physiological effect of UA on CKD-related mitochondrial dysfunction and its related mechanisms using real-time reverse transcription-polymerase chain reaction, western blotting and enzyme-linked immunosorbent assay. RESULTS: IS suppressed the expression of differentiation marker genes without decreasing cell viability. IS decreased the mitochondrial DNA copy number and ATP levels by downregulating the genes pertaining to mitochondrial biogenesis (Ppargc1a, Nrf1, Tfam, Sirt1, and Mef2c), fusion (Mfn1 and Mfn2), oxidative phosphorylation (Cycs and Atp5b), and fatty acid oxidation (Pdk4, Acadm, Cpt1b, and Cd36). Furthermore, IS increased the intracellular mRNA and secretory protein levels of interleukin (IL)-6. Finally, UA ameliorated the IS-induced impairment in C2C12 cells. CONCLUSIONS: Our results indicated that UA improves the IS-induced impairment of mitochondrial biogenesis by affecting differentiation, ATP levels, and IL-6 secretion in C2C12 cells. Therefore, UA could be a novel therapeutic agent for CKD-induced muscle dysfunction.
Go, Gyeongyun;Yoon, Yeo Min;Yoon, Sungtae;Lee, Gaeun;Lim, Ji Ho;Han, Su-Yeon;Lee, Sang Hun
Biomolecules & Therapeutics
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v.30
no.1
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pp.28-37
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2022
Treatment options for patients with chronic kidney disease (CKD) are currently limited; therefore, there has been significant interest in applying mesenchymal stem/stromal cell (MSC)-based therapy to treat CKD. However, MSCs harvested from CKD patients tend to show diminished viability and proliferation due to sustained exposure to uremic toxins in the CKD environment, which limits their utility for cell therapy. The application of melatonin has been demonstrated to improve the therapeutic efficacy of MSCs derived from and engrafted to tissues in patients suffering from CKD, although the underlying biological mechanism has not been elucidated. In this study, we observed overexpression of hexokinase-2 (HK2) in serum samples of CKD patients and MSCs harvested from an adenine-fed CKD mouse model (CKD-mMSCs). HK2 upregulation led to increased production levels of methylglyoxal (MG), a toxic metabolic intermediate of abnormal glycolytic processes. The overabundance of HK2 and MG was associated with impaired mitochondrial function and low cell proliferation in CKD-mMSCs. Melatonin treatment inhibited the increases in HK2 and MG levels, and further improved mitochondrial function, glycolytic metabolism, and cell proliferation. Our findings suggest that identifying and characterizing metabolic regulators such as HK2 in CKD may improve the efficacy of MSCs for treating CKD and other kidney disorders.
Purpose : Infection with Shiga-like toxin (SLT)-producing Escherichia coli, an emerging human pathogen found particularly in young children under 5 years of age, causes a spectrum of illnesses with high morbidity and mortality, ranging from diarrhea to hemorrhagic colitis and hemolytic uremic syndrome. Host mediators play an important role in the pathogenesis of SLT-I toxicity. The experiments described here were designed to investigate the effect of SLT-I on TNF-${\alpha}$ production and to understand the effect of TNF-${\alpha}$ on GB3 expression. We also further examine the relationship between the Gb3 level and the differential susceptibility of cells to the cytotoxic action of SLT-I. Methods : The effect of purified SLT-1 from E. coli O157 : H7 (ATCC 43890) on tumor necrosis factor-${\alpha}$ (TNF-${\alpha}$) production in Raw264.7 cells was investigated. Many mediators regulate endothelial cell membrane expression of the glycolipid globotriaosyleramide (Gb3), which serves as the toxin receptor, suggesting that the host response to the toxin or other bacterial products may contribute to pathogenesis by regulating target cell sensitivity to the toxins. Therefore, the relationships between Gb3 expression and cytotoxicity against SLT-I on three types of cells were evaluated. Results : Detectable levels of TNF-${\alpha}$ were produced as early as six hours after induction and continued to increase during 48 hours by SLT-I. It was also found that Vero cells and dendritic cells (DC2.4 cells) expressed high levels of Gb3, 83% and 68%, respectively, and that Raw264.7 cells had a low level of Gb3 (29%) and appeared refractory to cytotoxicity against SLT-I. Vero cells and DC2.4 cells expressing high levels of Gb3 were highly susceptible to SLT-I. Furthermore, macrophages showed a resistance to SLT-I cytotoxicity, despite the fact that Gb3 expression was enhanced. Conclusion : These results strongly suggest that the expression of Gb3 is necessary but not sufficient to confer sensitivity of macrophages to SLT-I and further underpin the important role of SLT-I and its Gb3 receptors in the pathogenesis of E. coli O157 infection.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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