Морфофункциональная характеристика почек крыс при потреблении питьевой воды с повышенной жесткостью

Введение. Здоровье человека в значительной степени зависит от качества потребляемой питьевой воды, в частности от содержания в ней необходимых минеральных веществ, которые участвуют практически во всех биологических процессах [1–3]. Баланс биоэлементов обусловлен их важной ролью в процессах жизнедеятельности [4, 5]. Избыточное поступление в организм эссенциальных элементов может вызывать токсические эффекты и провоцировать серьезные заболевания [6, 7]. В публикациях [8] показано неблагоприятное влияние на организм избыточного потребления ионов Na+, Ca2+, Mg2+. Указанные катионы создают повышенную жесткость воды, которая имеет место во многих источниках водоснабжения на территории Российской Федерации [6].

Болезни почек занимают одно из ведущих мест среди заболеваний внутренних органов, вызываемых несоответствием качества питьевой воды нормам СанПиН [9]. В наших предыдущих исследованиях было показано, что длительное потребление питьевой воды с избыточным содержанием Ca2+ и Mg2+ приводит к изменениям осмо- и ионорегулирующей функ- ций почек как у детей [10], так и в хроническом эксперименте на крысах [11]. Однако механизм этих изменений недостаточно понятен.

Цель исследования. Изучить морфологические особенности почек крыс в условиях длительного потребления питьевой воды с повышенными концентрациями Ca²⁺ и Mg²⁺.

Материалы и методы. Экспериментальная часть работы выполнена на крысах, выращенных в ЦКП «Виварий конвенциональных животных» ФИЦ Института цитологии и генетики СО РАН, содержавшихся на стандартном рационе со свободным доступом к питьевой воде.

Эксперименты проведены на белых половозрелых самцах крыс линии Wistar (n=110) с начальной массой тела 200–250 г. За неделю до начала эксперимента крыс акклиматизировали к стандартным условиям лабораторного вивария: температура 20–22 °С, световой режим 12:12 ч (включение света в 8:00, выключение – в 20:00). На протяжении всего срока адаптации, а также в период проведения экспериментов (6 мес.) животных содержали группами по 5 особей в общих клетках [12].

Все животные были разделены на 5 групп. Крысы контрольной группы содержались в стандартных условиях со свободным доступом к сухому корму и воде с концентрацией Ca2+ 20 мг/дм3 и Mg2+ 7 мг/дм3 (n=22); крысы 1-й экспериментальной группы (ЭГ) – Ca2+ – 60 мг/дм3, Mg2+ – 7 мг/дм3 (n=20); крысы 2-й ЭГ – Ca2+ – 120 мг/дм3, Mg2+ – 7 мг/дм3 (n=24); крысы 3-й ЭГ – Mg2+ – 35 мг/дм3, Ca2+ – 20 мг/дм3 (n=20); крысы 4-й ЭГ – Mg2+ – 70 мг/дм3, Ca2+ – 20 мг/дм3 (n=24).

Таким образом, в условиях хронического эксперимента концентрации кальция в воде крыс 1-й ЭГ и магния в воде крыс 3-й ЭГ соответствовали оптимальной гигиенической норме. Уровень указанных катионов в воде крыс 2-й и 4-й ЭГ был равен верхней границе допустимой гигиенической нормы (СанПиН 2.1.4.1116-02. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества (с изменениями от 28.06.2010)).

Для морфологического изучения почек у крыс всех групп в конце эксперимента извлекали данный орган и фиксировали в 10 % рас- творе нейтрального формалина (C3H7OH) в течение 4–7 сут. Исследуемые образцы заливали в гистомикс, вырезали блоки и укрепляли их на пластиковых держателях. Серийные срезы толщиной 5–7 мкм изготавливали на ротационном полуавтоматическом микротоме SLEE CUT 5062 (Германия), монтировали на предметные стекла смесью белка и глицерина в пропорции 1:1. Изучение общей морфологической картины осуществляли на обзорных препаратах, окрашенных гематоксилином Бе-мера и эозином [13, 14]. Гистологические препараты почек контрольной и всех опытных групп изучали в проходящем свете с помощью микроскопа Axio Imager.M2 c программным обеспечением для анализа изображений AxioVision Z2 M2 (CARL ZEISS, Германия). Съемку изображений осуществляли CCD-камерой AxioCam HR c программным обеспечением Zen Lite (CARL ZEISS, Германия). На всех снимках отображена масштабная линейка.

Результаты и обсуждение. Результаты морфометрического анализа почек крыс позволили выявить следующие особенности. В исследуемых образцах почек крыс 2-й ЭГ площадь почечных клубочков была увеличена по сравнению с контролем практически в 2 раза, а площадь сосудистого клубочка – в 2,5 раза, тогда как в 1-й ЭГ эти изменения были выражены в меньшей степени (табл. 1).

Несмотря на то что площадь мочевого пространства в образцах почек крыс 1-й ЭГ превышала данный показатель в контроле на 800 мкм2, на светооптическом уровне это не согласуется с морфологической картиной увеличения его просвета (рис. 1 А). Поэтому становится совершенно очевидным факт, что при интерпретации структурно-функциональных изменений изучаемого объекта статистические данные морфометрического анализа и результаты светооптического наблюдения должны рассматриваться в единой связи. На обзорных препаратах почки крыс 1-й ЭГ заметно, что капилляры почечного клубочка и мезангия практически полностью заполняют собой пространство, ограниченное париетальным и висцеральным листками капсулы клубочка. Капилляры клубочка чрезмерно расширены и заполнены кровью. Обращает на себя внимание многоклеточность мезангиальных клеток. Клетки эндотелия выглядят набухшими. Эритроциты имеют признаки сладж-фе-номена, что указывает на потерю или снижение заряда мембраны данных клеток (рис. 1 А). Как известно, надмембранный комплекс, или гли-кокаликс, представлен отрицательно заряженными молекулами гликозаминогликанов, ко- торые препятствуют агглютинации эритроцитов в норме. Набухание эндотелия, равно как и повышенная пролиферация мезангиальных клеток, является стереотипной неспецифической реакцией клеток на повреждение. Потеря заряда мембраны эритроцитов может быть обусловлена действием катионов Ca2+.

Таблица 1

Table 1

Морфометрические параметры структурных элементов почечного тельца

При анализе гистологических срезов почек крыс 2-й ЭГ обнаружено достоверное увеличение параметров всех структурных компонентов почечного тельца более чем в 2,5 раза по сравнению с контролем. В совокупности с депозитами белка в мочевом пространстве почечных клубочков и пролиферацией клеток париетального листка капсулы Шумлянского– Боумена эти изменения являются признаками

глубоких нарушений базальной гломерулярной мембраны в образцах почек (рис. 1 В). Клинически данный вариант соответствует нарушению фильтрационного процесса в нефроне.

В группе крыс, потреблявших питьевую воду с содержанием Mg2+ 35 мг/дм3 (3-я ЭГ), все исследуемые параметры почечных телец достоверно не отличались от контроля. На обзорных препаратах, окрашенных гематокси-

Morphometric parameters of the renal corpuscle structure elements

Структура почечного тельца Renal corpuscle structure	Контрольная группа (Са2+ – 20 мг/дм3; Mg2+ – 7 мг/дм3) Control group (Са2+=20 mg/dm3; Mg2+=7 mg/dm3)	1-я ЭГ (Са2+ – 60 мг/дм3) Experimental Group 1 (Са2+=60 mg/dm3)	2-я ЭГ (Са2+ – 120 мг/дм3) Experimental Group 2 (Са2+=120 mg/dm3)	3-я ЭГ (Mg2+ – 35 мг/дм3) Experimental Group 3 (Mg2+=35 mg/dm3)	4-я ЭГ (Mg2+ – 70 мг/дм3) Experimental Group 4 (Mg2+=70 mg/dm3)
Площадь почечного тельца, 2 мкм 2 Renal corpuscle area, mkm 2	6536,5±544,5	13953,8±887,9*	17253,7±1038,6*	7654,5±642,2	15396,2±1107,3*
Площадь сосудистого клубочка, 2 мкм 2 Vascular glomerulus area, mkm 2	4688,7±316,3	11303,2±691,4*	12194,3±732,2*	5282,7±373,5	10896,6±826,5*
Площадь мочевого пространства, мкм 2 Urinary space area, mkm 2	1847,8±228,2	2650,6±196,5*	5059,4±306,5*	1771,8±268,8	4499,6±180,9*

Примечание. * – p<0,05 по отношению к контрольной группе.

Notes. * – the differences are significant in contrast to control group (p<0.05).

лином и эозином, состояние капилляров почечного клубочка, мезангиума, а также клеток висцерального и париетального листков капсулы Шумлянского–Боумена не имели выраженных морфологических различий от контрольных образцов (рис. 1 Б).

У крыс 4-й ЭГ обнаружено увеличение исследуемых параметров почечного клубочка по сравнению с контролем более чем в 2 раза

(табл. 1). В совокупности с чрезмерным расширением капилляров клубочка и признаками сладж-феномена эритроцитов эти признаки указывают на изменение ионного заряда данных клеток крови, что может привести к нарушению осмо- и ионорегулирующей функций почек. Данные структурно-функциональные характеристики отчетливо демонстрируются на рис. 1 Г.

A – 1 экспериментальная группа (Са2+=60 мг/дм3);

Б – 3 экспериментальная группа (Mg2+=35 мг/дм 3);

В – 2 экспериментальная группа (Са2+=120 мг/дм3);

Г – 4 экспериментальная группа (Mg2+=70 мг/дм 3);

Д – Конртрольная группа

(Са2+=20 мг/дм 3; Mg2+=7 мг/дм 3)

A – Experimental group 1 (Са2+=60 mg/dm3);

Б – Experimental group 3 (Mg2+=35 mg/dm3);

В – Experimental group 2 (Са2+=120 mg/dm3)

Г – Experimental group 4 (Mg2+=70 mg/dm3);

Д – Control group

(Са2+=20 mg/dm3; Mg2+=7 mg/dm3)

Рис. 1. Структурная организация капиллярного клубочка почки крыс.

Примечание. Темной стрелкой обозначен сладж-феномен эритроцитов; головка стрелки – набухшие эндотелиальные клетки; темная пунктирная стрелка – белок в мочевом пространстве; светлая пунктирная стрелка – клетки париетального листка капсулы Шумлянского–Боумена

Fig. 1. Structural organization of the kidney capillary glomerulus in rats.

Note. The dark arrow indicates red cell adherence; the head of the arrow indicates swollen endothelial cells; the dark dotted arrow shows protein in the urinary space; the light dotted arrow shows parietal layer cells of Bowman’s capsule

Заключение. Полученные результаты свидетельствуют о том, что потребление питьевой воды с повышенными концентрациями Ca²⁺ и Mg²⁺ вызывает морфологические изменения в клубочках нефронов. Они проявляются в набухании мезангиальных клеток, расширении капиллярного клубочка и появлении признаков сладж-феномена эритроцитов, что

может быть связано с прямым действием катионов на структурные компоненты рецепторно-барьерно-транспортной системы клеток почечного тельца и компоненты межклеточного вещества мезангиального матрикса. Можно полагать, что обнаруженные морфологические изменения оказывают влияние на осмо- и ионорегулирующую функции почек.