New biomarkers in patients with chronic kidney disease, after kidney transplantation, in kidney donors and in acute myocardial infarction

Abstract

Nye markører på nyreskade hos nyretransplanterte, nyre donorer, hos pasienter med nyresvikt og hos pasienter med akutt hjerteinfarkt

Bakgrunn: Kronisk nyresvikt affiserer mange mennesker. Både insidens og prevalens øker i hele verden. Pasienter med nyresykdom har økt sykelighet og dødelighet, og hjerte- kar sykdom er hovedårsaken til dette, med både økt arteriosklerose og hjertesvikt. Kronisk nyresvikt fører til endret mineralmetabolisme, redusert beintetthet og kalsifisering av kar og bløtvev.

Pasienter med ende-stadium nyresvikt trenger nyreerstattende behandling. Nyreerstattende behandling betyr dialyse eller nyretransplantasjon. Hos gamle og skrøpelige kan man velge en konservativ tilnærming. Dialyse gjennomføres enten som hemodialyse eller peritoneal dialyse. Nyretransplantasjon er den formen for nyreerstattende behandling med best overlevelse og livskvalitet. Etter transplantasjon, må pasientene stå på immundempende medisiner resten av livet, og de har økt risiko for infeksjoner, kreft og hjerte- kar sykdom sammenlignet med resten av befolkningen. Noen pasienter med ESRD kan ikke transplanteres som følge av komorbiditet som for eksempel høy body mass index, aktiv kreftsykdom eller alvorlig hjerte- og karsykdom. Ventelisten for nyretransplantasjon øker, og levende nyredonorer er nødvendig for å holde ventelisten stabil. En levende giver må gjennom et kirurgisk inngrep som ikke er medisinsk nødvendig, og donorens potensielle risiko er viktig både på kort og lang sikt. En potensiell donor går gjennom en grundig screening. Dersom man avdekker risiko for hjerte- kar sykdom eller nyresvikt blir donoren avslått. Tidligere studier fant at nyredonorer ikke hadde økt risiko for nyresykdom eller død når man sammenlignet med den generelle befolkningen. I nyere studier hvor man sammenligner donorer med en like frisk kontrollgruppe, ser man en økt risiko for hypertensjon, nyresvikt og noe redusert levetid etter lengre oppfølgingstid.

Mål: Nyrefunksjon er nyrens evne til å filtrere urin. Nefrologer bruker kreatinin, GFR og albuminuri til oppfølging av pasienter med nyresvikt i vanlig klinisk praksis. Disse metodene er unøyaktige og nye, bedre metoder til evaluering av nyrefunksjon og til å forutse sykdomsprogresjon hadde vært nyttig. I denne avhandlingen har vi sett på flere nye biomarkører i ulike pasient grupper for å øke kunnskapen om disse biomarkørene i ulike sammenhenger. Biomarkørene som er inkludert i avhandlingen er NGAL, sKlotho, iFGF23, iPTH, 25(OH)D og kollagen markører.

Metode: Studie 1 var en enkelt-senter, tverrsnitts observasjonsstudie som inkluderte pasienter med nyresvikt i stadium 3-5, nyredonorer som hadde donert nyre for >5 år siden samt friske kontroller. Målsetningen var å fastsette nivåene til biomarkørene NGAL, sKlotho, iFGF23 og vitamin D i disse ulike gruppene. Studie 2 var en prospektiv, kohort observasjonsstudie som inkluderte alle førstegangs nyretransplanterte i Norge fra oktober 2007 til oktober 2012. Studien undersøkte sammenhengen mellom D vitamin målt 10 uker etter transplantasjonen og langtids nyre- og pasient overlevelse. Studie 3 var en enkelt-senter observasjonsstudie som inkluderte pasienter med førstegangs ST-elevasjons hjerteinfarkt. Studien så på utviklingen av iFGF23 og infarktstørrelse, venstre ventrikkel remodellering og systemiske inflammasjons- og kollagen markører gjentatte ganger i løpet av det første året etter hjerteinfarktet. Studie 4 var en nasjonal, prospektiv observasjonsstudie som inkluderte 132 nyretransplanterte i perioden november 2012 til oktober 2013. Målet var å kartlegge sammenhenger mellom vitamin D, sKlotho og iFGF23 målt 8 uker og 1 år etter transplantasjon, med langtids nyre- og pasientoverlevelse.

Resultat: Studie 1 viste økt NGAL nivå hos nyredonorer sammenlignet med friske kontroller. Dette skyldes hyperfiltrasjonen etter nefrektomi, men det kan også ha sammenheng med redusert nyrefunksjon. Konsentrasjonen av iFGF23 og sKlotho var lik hos donorer og kontroller. Hos pasientene med nyresvikt økte iFGF23 og NGAL mens sKlotho falt etter hvert som nyresvikten økte.

I studie 2 fant vi en sammenheng mellom normal vitamin D 10 uker etter nyretransplantasjon og bedre nyre- og total overlevelse, bedre nyrefunksjon og mindre fibrose i nyrebiopsi tatt etter 1 år, sammenlignet med de transplanterte med vitamin D mangel eller utilstrekkelig vitamin D nivå. Assosiasjonene mellom vitamin D nivå og overlevelse vedvarte etter korrigering for kjente risikofaktorer.

I studie 3 fant vi redusert iFGF23 nivå i forkant av og 2 dager etter revaskularisering hos pasienter med akutt hjerteinfarkt. iFGF23 nivået ble normalisert etter 7 dager hos pasientene som ikke utviklet post-infarkt hjertesvikt. iFGF23 steg til over normalen i året som fulgte i pasientgruppen med tegn til hjertesvikt.

I studie 4 fant vi at pasientene med vitamin D mangel hadde signifikant dårligere både nyre- og total overlevelse sammenlignet med de andre 2 gruppene 8 uker etter transplantasjon. iFGF23 nivå falt signifikant mens sKlotho nivå økte signifikant fra 8 uker til 1 år etter transplantasjon. iFGF23 og sKlotho nivåene var ikke signifikant assosiert med langtids nyre- og total overlevelse.

Konklusjon: Hos pasienter med kronisk nyresvikt kan biomarkører hjelpe oss til å vurdere risiko for progresjon av nyresvikten, kardiovaskulær risiko og metabolske forstyrrelser. Patofysiologien ved kronisk nyresvikt er kompleks, og involverer mange prosesser etterhvert som nyresvikten progredierer. Bruk av en enkelt biomarkør er sannsynligvis utilstrekkelig, men i framtiden kan man tenke seg bruk av et panel med biomarkører. Forbedret forståelse av alle aspekter innenfor utviklingen av kronisk nyresvikt og utvikling av hjerte- og kar sykdom vil hjelpe til i prosessen med å utvikle nye terapeutiske strategier for å redusere risikoen for progresjon og bedre prognosen for sykelighet og dødelighet assosiert med kronisk nyresvikt. Dette vil kunne bidra til optimalisering av den enkeltes behandling.

Background: Chronic kidney disease (CKD) affects many people, and the incidence and prevalence is increasing worldwide. Patients with kidney disease have increased mortality and morbidity, and cardiovascular disease is the main reason for the increased risk of death and disability, with both accelerated arteriosclerosis and heart failure. Chronic kidney disease leads to disturbed mineral metabolism, reduced bone density and calcificalion of vessels and soft tissue.

Patients with end-stage renal disease (ESRD) need renal replacement therapy (RRT). RRT means dialysis or kidney transplantation. If the patients are old and frail, a conservative approach is an alternative. Dialysis is given as either hemodialysis or peritoneal dialysis. Kidney transplantation is the form of RRT with best survival and quality of life. After transplantation the patients need immunosuppression for the rest of their lives, and they have increased risk of infections, cancer and cardiovascular disease (CVD) when comparing with the general population. Some patients with ESRD do not meet the requirements of kidney recipients due to comorbidities, high body mass index or other factors, these patients receive dialysis for many years. The waiting list for kidney transplantation is increasing, and living kidney donors is necessary to keep the waiting list stable. A living donor must undergo a medically unnecessary procedure, and donor safety is a concern in the short and in the long term. A potential donor undergo a thorough screening, and any known risk factor for kidney or cardiovascular disease leads to rejection of the donor. Earlier studies claimed that kidney donors did not have increased risk of kidney disease or death when comparing with the general population. Newer studies matching donors with equally healthy controls suggest increased long-term morbidity and mortality.

Objectives: Kidney function is a term that describes the kidney’s ability to filter urine. Nephrologists use creatinine and glomerular filtration rate (GFR), as well as albuminuria to assess kidney function in everyday practice. The standardized tests are inaccurate, and new, improved methods to assess and predict outcome in patients with kidney disease would be welcome. In this thesis, we have explored several new biomarkers in different patient-categories with an aim to increase the knowledge about these biomarkers in different settings. The included biomarkers in this thesis are neutrophil gelatinase associated lipocalcin (NGAL), soluble Klotho (sKlotho), intact fibroblast growth factor 23 (iFGF23), intact parathyroid hormone (iPTH), 25-hydroxy-vitamin D (25(OH)D) and collagen markers.

Methods: Study 1 was a cross-sectional observational single-center study that included patients with CKD stages 3-5, long-term kidney donors and healthy controls with an aim to establish the levels of NGAL, sKlotho, iFGF23 and vitamin D in these groups. Study 2 was a national prospective, observational cohort study of all first-time kidney transplant recipient in Norway from October 2007 to October 2012 that explored the association between vitamin D status 10 weeks post kidney transplantation and long-term graft- and patient survival. Study 3 was a single center observational study including patient with a first-time myocardial ST-elevation infarction investigating the time-dependent changes in iFGF23 the first year post myocardial infarction (MI), and the relationship between iFGF23 levels and infarct size, left ventricular (LV) remodeling and systemic biomarkers of inflammation and collagen turnover following acute MI. Study 4 was a national, prospective observational cohort study that included 132 kidney transplant recipients from November 2012 to October 2013, exploring the relationship between vitamin D, sKlotho and iFGF23 measured 8 weeks and 1 year post-transplant, and long-term graft- and patient survival.

Results: Study 1 showed increased levels of NGAL in kidney donors compared with healthy controls, which may reflect renal hyperfiltration or the reduced kidney function seen after kidney donation. iFGF23 and sKlotho did not significantly differ between donors and controls. As expected, in the patients with CKD, iFGF23 levels increased, sKlotho levels decreased and NGAL levels increased when estimated glomerular filtration rate (eGFR) declined.

In study 2, we found that vitamin D sufficiency 10 weeks post-transplant was associated with better graft and overall patient survival, better kidney graft function, and significantly less interstitial fibrosis in the kidney grafts, compared with patients with vitamin D deficiency or insufficiency. Furthermore, the association between vitamin D levels and all outcomes persisted in adjusted analysis with predetermined conventional risk markers.

In study 3, we found that iFGF23 levels were significantly decreased prior to, and at 2 days following revascularization in subjects with a first-time MI. iFGF23 levels normalized on day 7 in patients without heart failure. There was a gradual increase in iFGF23 levels, above normal, during one-year follow-up in patients with signs and/or symptoms of heart failure during the acute phase of the MI.

In study 4 we found that patients with vitamin D deficiency (<30 nmol/L) at 8 weeks post-transplant showed reduced graft- and patient survival compared with the patients having higher vitamin D levels in the early post-transplant phase. sKlotho levels increased and iFGF23 levels decreased from 8 weeks to 1 year post transplant. sKlotho and iFGF23 levels did not influence graft- and patient survival.

Conclusion: In patients with CKD, biomarkers can help us estimate the risk of CKD progression, assess cardiovascular risk and determine metabolic abnormalities. The pathophysiology in CKD is complex, and involves many processes during its progression. A single biomarker is probably insufficient to meet all of those expectations, but maybe a panel of biomarkers could be useful in the future. Improved understanding in all aspects of CKD development and CVD risk is likely to enable the development of novel therapeutic interventions capable of reducing the risks associated with CKD, and to optimize the treatment for the individual patient.