Exopher-like vesicle formation as a novel pathomechanism in the kidney autoimmune disease membranous nephropathy

Abstract

Podocytes are specialized kidney cells essential for maintaining the glomerular filtration barrier. Their interdigitating foot processes (FPs) play a crucial role in filtering waste from the blood. In chronic kidney disease (CKD), a condition affecting one in ten people worldwide, podocytes are progressively damaged and ultimately lost. One major cause of CKD is the autoimmune disease membranous nephropathy (MN). MN is characterized by circulating autoantibodies that bind to podocyte foot processes proteins, forming antigen-autoantibody aggregates in the subepithelial space. Additionally, disturbances in proteostasis, driven by dysfunction of the ubiquitin-proteasome system (UPS), lead to the accumulation of damaged proteins, a process shown to correlate with disease progression in rodent models. Both immune complex deposition and proteostatic imbalance contribute to podocyte injury and compromise the integrity of the glomerular filtration barrier. The cellular mechanisms responsible for clearing immune complexes and maintaining proteostasis in podocytes remain largely unknown. Furthermore, it remains unclear why MN follows divergent clinical courses, with some patients progressing to end-stage renal disease while others enter spontaneous remission. Current diagnostic tools, including kidney biopsies and serum autoantibody measurements, do not provide direct insights into the extent of podocyte injury or enable reliable prognostic evaluation, which would be needed to unravel the differences in the disease courses. This study explores a promising diagnostic approach, the use of urinary extracellular vesicles (EVs) released by podocytes into the urine. These vesicles could offer a non-invasive means to study the two key mechanisms of podocyte injury, protein disturbances and immunecomplex accumulation clearance, as potential biomarkers to monitor podocyte health and disease progression in MN. Podocyte-derived urinary extracellular vesicles (p-uEVs) reflect podocyte proteostasis in a disease-specific manner. In mouse models the p-uEV abundance changes in a disease specific manner, depending on the underlying podocyte injury. The protein composition of the p-uEVs, particularly regarding the UPS, mirrors that of podocytes, making p-uEVs a powerful tool to assess the proteostatic status of podocytes non-invasively. This study further discovered that podocytes increase p-uEV release in response to stress, achieved by proteasomal inhibition or by autoimmune-mediated injury. In a THSD7A-associated MN mouse model and in patient urine, these p-uEVs were identified as a specific EV subtype called exopher-like vesicles (ELVs). Analyses revealed that the glomerular urinary space aggregates in patient biopsies resembled ELVs and were released into the urine. Additionally, prospective studies of patient ELVs allowed the identification of the disease-causing autoantibody bound to ELVs and thus facilitate the detection of immune activity in MN patients, even when standard diagnostics failed. This makes ELVs a highly sensitive and disease-specific biomarker for MN. Together, these findings highlight vesicle shedding via ELVs as a fundamental podocyte response mechanism, balancing immune complex removal and adaptation to proteostatic stress. Their discovery proposes a novel pathomechanism for MN: when podocytes are attacked by autoantibodies, the binding to foot process antigens leads to a deposition of immune complex aggregates. The podocyte responds with ELV formation, translocating the immune complex to the urinary space and releases them into the urine. These ELVs carry the autoantibody, and disease associated stressors, offering a clearance route for the podocyte to maintain function. ELV analysis opens new possibilities for the sensitive, non-invasive diagnosis and monitoring of MN. It also offers a unique window into the proteostatic health of podocytes. With further development, this approach could enhance prognostic accuracy and lead to novel therapeutic strategies for patients with glomerular disease.

Podozyten sind spezialisierte Nierenzellen, die für den Erhalt der glomerulären Filtrationsbarriere essenziell sind. Ihre verzahnten Fußfortsätze spielen eine entscheidende Rolle bei der Filtration von Abfallstoffen aus dem Blut. Bei chronischer Nierenerkrankung (chronic kidney disease, CKD), einer Erkrankung, die weltweit etwa jeden zehnten Menschen betrifft, werden Podozyten nach und nach geschädigt und schließlich verloren. Eine der Hauptursachen für CKD ist die Autoimmunerkrankung membranöse Nephropathie (MN). MN ist gekennzeichnet durch zirkulierende Autoantikörper, die an Proteine der Podozyten-Fußfortsätze binden und Antigen-Antikörper-Komplexe im subepithelialen Raum bilden. Zusätzlich führen Störungen der Proteostase, verursacht durch eine Dysfunktion des Ubiquitin-Proteasom-Systems (UPS), zur Anhäufung beschädigter Proteine, ein Prozess, der in Tiermodellen mit dem Fortschreiten der Erkrankung korreliert. Sowohl die Ablagerung von Immunkomplexen als auch das proteostatische Ungleichgewicht tragen zur Schädigung der Podozyten bei und beeinträchtigen die Integrität der glomerulären Filtrationsbarriere. Die zellulären Mechanismen, die für die Entfernung von Immunkomplexen und die Aufrechterhaltung der Proteostase in Podozyten verantwortlich sind, sind bislang weitgehend unbekannt. Darüber hinaus ist unklar, warum MN Patient:innen sehr unterschiedliche klinische Verläufe aufweisen. Während einige Patient:innen in ein terminales Nierenversagen übergehen, erreichen andere eine spontane Remission. Die derzeit verfügbaren diagnostischen Methoden, einschließlich Nierenbiopsien und der Messung von Autoantikörpern im Serum, liefern keine direkten Informationen über das Ausmaß der Podozytenschädigung und erlauben keine zuverlässige prognostische Einschätzung, die jedoch notwendig wäre, um die unterschiedlichen Krankheitsverläufe besser zu verstehen. Diese Studie untersucht eine vielversprechende Alternative: extrazelluläre Vesikel (EVs), die von Podozyten in den Urin abgegeben werden. Diese Vesikel bieten eine nicht-invasive Möglichkeit, die beiden zentralen Mechanismen der Podozytenschädigung, Störungen der Proteinregulation und die Entfernung von Immunkomplexen, zu analysieren und als potenzielle Biomarker für die Überwachung der Podozytengesundheit und des Krankheitsverlaufs bei MN zu nutzen. Von Podozyten stammende extrazelluläre Vesikel im Urin (p-uEVs) spiegeln die Proteostase der Podozyten krankheitsspezifisch wider. In Mausmodellen variiert die Menge dieser p-uEVs je nach Art und Ausmaß der Podozytenschädigung. Die Proteinzusammensetzung dieser Vesikel, insbesondere im Hinblick auf das UPS, entspricht weitgehend derjenigen der Podozyten selbst, was sie zu einem leistungsfähigen Instrument macht, um den proteostatischen Zustand der Zellen nicht-invasiv zu beurteilen. Die Studie zeigte außerdem, dass Podozyten unter Stress, ausgelöst durch Proteasom-Inhibition oder autoimmune Schädigung, die Ausschüttung von p-uEVs erhöhen. In einem THSD7A-assoziierten MN-Mausmodell sowie im Urin von Patient:innen konnten diese p-uEVs als spezifischer Subtyp identifiziert werden, sogenannte exopher-ähnliche Vesikel (exopher-like vesicles, ELVs). Analysen ergaben, dass die Aggregationen im glomerulären Urinraum von Patientenbiopsien Exopheren ähneln und mit dem Urin als ELVs ausgeschieden werden. Darüber hinaus ermöglichte die prospektive Untersuchung von ELVs aus Patient:innen Urin, die Identifikation der krankheitsverursachenden Autoantikörper gebunden an den ELVs, selbst in Fällen, in denen die Standarddiagnostik negative Ergebnisse erbrachte. Damit stellen ELVs einen hochsensitiven und krankheitsspezifischen Biomarker für MN dar. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Vesikelabgabe über ELVs als fundamentalen Podozyten-Mechanismus, um Immunkomplexe zu entfernen und auf proteostatischen Stress zu reagieren. Ihre Entdeckung legt einen neuen pathophysiologischen Mechanismus für MN nahe: Bei einem Angriff durch Autoantikörper binden diese an Antigene der Fußfortsätze, was zur Ablagerung von Immunkomplexen führt. Als Reaktion bilden Podozyten ELVs, um die Komplexe in den Urinraum zu transportieren und dort auszuscheiden. Diese ELVs enthalten sowohl die Autoantikörper als auch krankheitsassoziierte Stressoren und bieten so einen Weg der Entlastung, um die Zellfunktion zu erhalten. Die Analyse von ELVs eröffnet neue Möglichkeiten für eine sensitive, nicht-invasive Diagnose und Verlaufskontrolle der MN. Darüber hinaus bietet sie einen einzigartigen Einblick in den proteostatischen Zustand der Podozyten. Mit weiterer Entwicklung könnte dieser Ansatz die prognostische Genauigkeit verbessern und neue therapeutische Strategien für Patient:innen mit glomerulären Erkrankungen ermöglichen.