Biological effects of patient-derived light chain protein states in a cell culture model of renal amyloidogenic light chain (AL) amyloidosis
Creators: name: Krieglstein, Nathalie
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: Amyloidoses are protein misfolding diseases in which monomeric protein misfolds into fibrils and accumulates in different organs. In light chain (AL) amyloidosis, fibrils are formed from amyloidogenic antibody light chains (LCs). AL amyloidosis is often diagnosed at a late stage and only chemotherapy targeting the LC-producing plasma cell dyscrasia is available but no treatment targeting the amyloid deposits. The organs most commonly affected by AL amyloid are the kidney and the heart, with mesangial cells playing a crucial role in renal AL amyloidosis as both victims and perpetrators of LC fibrillation. Still, the underlying mechanisms and signalling pathways, as well as the potential role of the organ environment in the pathology are widely unknown. To investigate the response of kidney cells to AL protein states, primary human and rat proximal tubular cells and mesangial cells were treated with AL protein states from two patients (Patient1 and Patient2) and their corresponding wild type protein states: LC, LC variable domains (VL), in vitro fibrils generated from VL, and ex vivo fibrils, which had been purified from five explanted patient hearts. Surprisingly, LC treatment did not result in a loss of cell viability measured as redox activity but the exact opposite, a dose-dependent increase. When cells were treated with a physiological concentration of Patient1 AL protein states, cell death rate was not affected but an increased redox activity, proliferation, and respiratory reserve capacity were observed. Lysosomal number was increased when cells were treated with AL protein states, hinting towards a successful uptake. Moreover, a new subgroup of cells with drastically increased mitochondrial staining was observed. This subgroup was characterised by elevated levels of lysosomal staining in proximal tubular cells but decreased or unchanged lysosomal staining in mesangial cells and still requires further characterisation. Kidney cells were treated with Patient2 protein at a higher concentration and also displayed increased redox activity, as well as respiratory reserve capacity but instead of increased proliferation, cytotoxicity was observed. Co-incubation with Patient2 AL protein states altered the expression of genes related to fibrosis and innate immune response, especially Serpin Family E member 1 (SERPINE1). Gene expression changes indicate the beginning of the remodelling of extracellular matrix and minor dysregulation of the local complement system. In vitro and ex vivo fibrils based on the same patient sequence differ in their effects. Together, these results show that different AL protein states from different patients have unique biological effects and the effect sizes differ between human and rodent kidney cells. Although no oxidative stress was observed, a potentially crucial role of mitochondria was identified. Still, the intracellular signalling and metabolic changes require further investigations.
description: Amyloidosen sind Proteinfehlfaltungskrankheiten, bei denen fehlgefaltete Proteinmonomere zu Fibrillen aggregieren, die sich wiederum in Organen ansammeln. Wenn diese Fibrillen aus Antikörper-Leichtketten (LC) gebildet werden, spricht man von Leichtketten- Amyloidose (AL-Amyloidose). AL Amyloidose wird häufig erst im späten Stadium diagnostiziert und alle verfügbaren Therapien richten sich gegen den LC- produzierenden Plasmazellklon und nicht gegen das im Gewebe abgelagerte Amyloid. Die am häufigsten von AL-Amyloid betroffenen Organe sind Herz und Niere, wobei Mesangiumzellen in der Niere eine entscheidende Rolle als Opfer und Verursacher von LC-Fibrillierung spielen sollen. Doch die zugrundeliegenden Mechanismen und Signalwege, sowie die potentielle Rolle des renalen Milieus in der Pathologie der AL-Amyloidose sind weitestgehend unbekannt. Um die Reaktion der Nierenzellen auf AL-Protein zu untersuchen, wurden primäre menschliche und aus Ratten stammende, proximale Tubulus- und Mesangiumzellen mit AL-Protein von zwei Patienten, Patient1 und Patient2, sowie der zugehörigen Wildtyp-Proteine behandelt: LC, deren variable Domäne (VL), in vitro- Fibrillen, die aus VL hergestellt wurden, sowie ex vivo- Fibrillen, die aus explantierten Herzen von fünf verschiedenen Patienten aufgereinigt wurden. Erstaunlicherweise, führte die Behandlung mit LC nicht zu einem Verlust der Redox-Aktivität und somit zellulären Funktionsfähigkeit, sondern im Gegenteil zu deren Dosis-abhängigem Anstieg. Wenn Zellen mit physiologischen Konzentrationen von Patient1- Proteinen behandelt wurden, blieb die Zellsterblichkeit unbeeinflusst aber es wurden eine erhöhte Redox-Aktivität, Proliferation und respiratorische Reservekapazität beobachtet. Nach der Behandlung mit AL-Proteinen war die Anzahl der Lysosomen erhöht, was auf eine erfolgreiche Aufnahme in Zellen hinweist. Des Weiteren wurde eine neue Subpopulation von Zellen mit drastisch erhöhter mitochondrialer Färbung identifiziert, die sich in proximalen Tubuluszellen durch erhöhte, aber in Mesangiumzellen durch verringerte oder unveränderte Lysosomenzahl auszeichnete und weiterer Charakterisierung bedarf. Nierenzellen, die mit einer höheren Konzentration von Patient2-Protein behandelt wurden, zeigten ebenfalls erhöhte Redox-Aktivität und respiratorische Reservekapazität, aber statt erhöhter Proliferation wurde Zytotoxizität beobachtet. Behandlung mit Patient2- Proteinen veränderte zudem leicht die Expression von Genen der Fibrose und angeborenen Immunantwort, insbesondere Serpin Familie E Mitglied 1 (SERPINE1). Die veränderte Genexpression deutete dennoch den Beginn einer Remodellierung der extrazellulären Matrix und eine leichte Dysregulation des lokalen Komplementsystems an. In vitro- und ex vivo- Fibrillen unterscheiden sich in ihren biologischen Effekten, selbst wenn sie von demselben Patienten stammen. Zusammen zeigen die beschriebenen Ergebnisse, dass unterschiedliche AL-Proteine von verschiedenen Patienten einzigartige biologische Effekte haben können und dass die Effektgröße bei Rattenzellen von der in humanen Zellen beobachteten abweicht. Obwohl keine Anzeichen von oxidativen Stress gefunden wurden, konnte den Mitochondrien eine entscheidende Rolle zugewiesen werden. Dennoch bedürfen die durch AL-Proteine angestoßenen intrazellulären Signalwege und metabolischen Veränderungen genauere Aufklärung.