Deleterious effects of gadolinium in the proximal tubule: potential risks from the use of gadolinium-based contrast agents

Abstract

Os agentes de contraste que contêm gadolínio [Gd (III)] são utilizados há mais de 3 décadas, permitindo melhorar a qualidade e especificidade das imagens obtidas por ressonância magnética, usada no diagnóstico e monitorização do tratamento de diferentes patologias. Inicialmente considerados biologicamente inertes, estudos recentes têm demonstrado que o Gd (III) se liberta destes agentes e deposita-se em diferentes tecidos, causando toxicidade a curto e a médio prazo quando entra de novo em circulação. A via de excreção da maioria destes agentes é renal, e tem sido descrita uma toxicidade exacerbada em doentes renais, podendo mesmo conduzir ao desenvolvimento de fibrose nefrogénica sistémica, uma complicação grave e muitas vezes fatal, que resulta da libertação a longo prazo do Gd (III). Apesar das evidências de bioacumulação de Gd (III) e dos seus efeitos tóxicos, os mecanismos subjacentes à sua toxicidade, particularmente à nefrotoxicidade, são ainda pouco conhecidos. Este trabalho teve como objetivo avaliar os mecanismos celulares e moleculares de nefrotoxicidade do Gd (III), utilizando um modelo in vitro de células tubulares proximais humanas (linha celular HK-2). Observou-se diminuição da viabilidade celular de forma dependente da concentração e do tempo de exposição ao Gd (III). As concentrações inibitórias (CIs) que provocam 1 a 50 % de morte celular, após 24 horas de exposição, oscilaram entre 3,4 e 340,5 μM. Nas concentrações tóxicas, a exposição ao Gd (III) desencadeou alterações no equilíbrio redox, disfunção mitocondrial, morte celular por apoptose, necrose nas concentrações mais altas, e ativação autofágica. Para CIs de baixa toxicidade observou-se perturbação do metabolismo lipídico, com acumulação de vesículas lipídicas, e desregulação de genes relacionados com a lipogénese e a lipólise. A exposição ao Gd (III), mesmo a um nível subtóxico, promoveu um aumento da expressão de marcadores envolvidos em várias vias de sinalização associadas com o desenvolvimento de inflamação, hipoxia e fibrose. Mesmo a baixas concentrações, o Gd (III) pode desencadear uma resposta complexa e nociva nas células do túbulo proximal renal, com envolvimento de múltiplos fatores de risco comuns ao desenvolvimento e progressão de doença renal. É por isso crucial reavaliar o balanço entre os riscos e benefícios de exposição a este tipo de agentes de contraste, quer na população geral, quer nos doentes renais em particular.

Gadolinium [Gd (III)]-based contrast agents (GBCA) have been used for more than 30 years to improve the quality and specificity of magnetic resonance imaging, a crucial tool for medical diagnosis and treatment monitoring across multiple clinical settings. Initially considered biologically inert, recent studies have demonstrated that Gd (III) dechelates from these agents and undergoes tissue deposition in several organs, causing short- and long-term toxicity when released back into circulation. Most GBCA are excreted by the kidney, and exacerbated toxicity has been described in renal patients, sometimes leading to the development of nephrogenic systemic fibrosis. This is a severe complication, often fatal, associated to the long-term release of free Gd (III) from tissues in renal patients. Despite observations of the bioaccumulation of Gd (III) and its deleterious effects, data on Gd (III) toxicity mechanisms, particularly nephrotoxicity, are still relatively scarce. This study aimed at unveiling the cellular and molecular mechanisms of nephrotoxicity of Gd (III), using an in vitro model of human proximal tubular cells (HK-2 cell line). According to our results, cell viability declined in a concentration- and time-dependent manner after exposure to Gd (III). The estimated inhibitory concentrations (ICs) eliciting 1 to 50 % of cell death, after 24 h of exposure, ranged from 3.4 to 340.5 µM. At toxic concentrations, exposure to Gd (III) led to disruption of the redox status, mitochondrial dysfunction, cell death by apoptosis, switching to necrosis at higher levels, and autophagic activation. Disturbance of the lipid metabolism was already observed at low-toxicity ICs, with accumulation of lipid droplets, and upregulation of genes related to both lipogenesis and lipolysis. Gd (III)-exposure, even at the subtoxic IC01, increased the expression of modulators of various signalling pathways involved in the development and progression of renal disease, including inflammation, hypoxia and fibrosis. This work showed that, even at low levels, Gd (III) has the potential to trigger an intricate and deleterious response in the renal proximal tubule, that encompasses multiple risk factors that are known to underlie the development and progression of renal disease. It is crucial to reassess the balance between the risks and benefits of the exposure to GBCA, both in the general population and particularly in renal patients.