Resumen
Para explorar los efectos de la ingravidez a largo plazo en el tejido renal, utilizamos el modelo de suspensión de cola de dos meses para simular la microgravedad e investigamos la microgravedad simulada en los daños morfológicos renales y los mecanismos moleculares relacionados. El examen microscópico de la estructura del tejido y la ultraestructura se realizó para los cambios histopatológicos de la morfología del tejido renal. La inmunohistoquímica, la PCR en tiempo real y la transferencia Western se realizaron para explorar los mecanismos moleculares asociados con las observaciones. La tinción de hematoxilina y eosina (HE) mostraron lesiones renales patológicas graves que incluyen atrofia glomerular, degeneración y necrosis de células epiteliales tubulares renales en ratas colgadas por la cola. Los estudios ultraestructurales de las células epiteliales tubulares renales demostraron que las laminas basales de los túbulos renales fueron ásperos e incasijaron con la hinchazón y la vacuolación de las mitocondrias. La apoptosis celular en el riñón monitoreado por la expresión de Bax/Bcl-2 y Caspase-3 acompañó estos daños patológicos causados por la microgravedad a largo plazo. El análisis de la expresión de la proteína HSP70 ilustró que la sobreexpresión de HSP70 podría desempeñar un papel crucial en la inducción de esos daños patológicos. La proteína 78 regulada por glucosa (GRP78), una de las chaperonas del retículo endoplásmico (ER), estaba regulado significativamente en el riñón de la rata de suspensión de la cola, lo que implicaba que el estrés ER estaba asociado con la apoptosis. Además, las vías CHOP y Caspase-12 se activaron en la apoptosis inducida por ER-Stress. El entrenamiento de resistencia no solo redujo la apoptosis de las células renales y la expresión de la proteína HSP70, sino que también puede atenuar el deterioro renal impuesto por la ingravidez. La optimización adecuada podría ser necesaria para la aplicación a largo plazo para la exploración espacial.
Introducción
La necesidad y las ventajas de los humanos en la exploración del espacio han sido destacados por muchas misiones espaciales exitosas en los últimos 50 años. (1). Pero a medida que los viajes espaciales humanos son más factibles en el siglo XXI, la salud y la seguridad de los exploradores espaciales se convierten en la pregunta más preocupada. Debido a que los experimentos espaciales son exigentes y costosos, hay varios modelos experimentales en la Tierra para simular la ingravidez. El modelo de suspensión de la cola de rata fue utilizado por la administración nacional de aeronáutica y espacio (NASA) para simular la ingravidez en la Tierra en condiciones de laboratorio. Primero fue introducido y utilizado por Morey-Holton (2) y luego mejoró por Morey-Holton y Globus (3). El modelo de suspensión de la cola se ha utilizado en estudios de atrofia muscular y osteoporosis en estados de microgravedad (4), (5), (6), (7). Además, el modelo de suspensión de la cola se considera un modelo para estudiar el efecto del cambio de fluido corporal que ocurrió en la condición de ingravidez (8).
En condición de microgravedad, hubo un cambio cefálico de fluidos en humanos (9). El riñón, el órgano principal que participa en el mantenimiento de los fluidos corporales y el equilibrio ácido-base, contribuye significativamente al control del volumen vascular y los metabolitos excretos. Varios estudios han demostrado que la función renal fue influenciada durante e inmediatamente después del vuelo espacial. Natochin et al descubrieron que la osmolalidad de la orina posterior al volante del astronauta siempre fue menor que los niveles previos a la línea de flujo de orina dada (10). Además, Gazenko y Natochin et al demostraron que la capacidad de excretar una carga de fluido parecía estar afectada después del vuelo espacial (10), (11). Zorbas et al estudiaron el efecto de la ingravidez en el riñón de las ratas y observaron un mayor peso de riñones y marcados cambios morfológicos en la estructura de las nefronas, particularmente en los túbulos recolectados (12).
Aunque hay algunos estudios que muestran claramente los cambios morfológicos y la apoptosis celular del riñón bajo microgravedad simulada, los daños histopatológicos en profundidad y los mecanismos apoptóticos no se investigan completamente. Además, un enfoque sugerente para minimizar el daño renal bajo microgravedad simulada ha sido una arena emergente.
Resultados
Peso corporal e índice renal
Se compararon varios parámetros, como el peso corporal y el índice renal, entre diferentes grupos bajo la influencia de la ingravidez. El peso corporal inicial del grupo de control, el grupo TS y el grupo TS & RT fue de 304.0 ± 8.7 g, 312.6 ± 5.7 gy 318.8 ± 5.2 g, respectivamente. No se registraron diferencias significativas del peso corporal inicial (Fig. 1 A). Las ratas del grupo TS fueron significativamente más ligeras que las del grupo de control durante el experimento de suspensión de la cola y la diferencia de peso entre los dos grupos se hizo más significativamente aparente después de 8 semanas en ratas consideradas por la cola (Fig. 1A). 3 semanas después de la suspensión de la cola, el peso de las ratas en el grupo TS y RT fue más ligero en comparación con el del grupo control o el grupo TS, y mantuvieron este peso corporal reducido para el resto del experimento (Fig. 1A).
R: Cambios dinámicos del peso corporal de las ratas en el grupo de control (CON), grupo suspendido de la cola (TS) y grupo de entrenamiento de resistencia y suspendido de la cola (TS y RT). B: El índice renal se obtuvo dividiendo el peso total del riñón izquierdo y derecho al peso corporal de las ratas sacrificadas. Los datos se muestran como medias ± DE. * Significativo PAG valores <0.05.
El índice renal se obtuvo dividiendo el peso total del riñón izquierdo y derecho al peso corporal de las ratas sacrificadas. El índice renal de rata en el grupo TS fue significativamente mayor que el del grupo control posiblemente debido a la hinchazón de riñón de rata en la ingravidez simulada (Fig. 1B). Sin embargo, no se detectaron diferencias significativas del índice renal entre el grupo TS y el grupo TS & RT.
La observación histopatológica del riñón con microscopía óptica
The results obtained by HE staining showed that in the rat kidney of TS group there were obvious pathological lesions characterized by glomerular atrophy, extension of the renal glomerulus capsular space, serious renal tubular epithelial cells degeneration and necrosis, abundant protein exudation in the renal tubular lumen, renal interstitial edema and haemorrhage (Fig. 2A2 y B2). En el riñón de las ratas del grupo TS y RT, estos daños patológicos fueron más ligeros que los del grupo TS, aunque la atrofia glomerular, el edema intersticial renal y la congestión, la degeneración de las células epiteliales tubulares renales también se observaron esporádicamente. Se redujo la gravedad del daño patológico (Fig. 2A3 y B3). No se encontraron cambios patológicos en el grupo de riñón de control (Fig. 2A1 y B1).
R: Cambios morfológicos de la corteza renal: la estructura normal del riñón de las ratas en el grupo de control (A1). En el grupo TS, la corteza renal de la rata mostró atrofia glomerular, distensión del espacio capsular glomérulo renal (punta de flecha) y edema intersticial (flecha, A2). En el grupo TS & RT, la corteza renal de la rata mostró atrofia moderadamente glomerular (punta de flecha) y congestión intersticial (flecha, A3). B: Cambios morfológicos de la médula renal: la estructura normal del riñón de las ratas en el grupo de control (B1). En el grupo TS, la médula renal de la rata ilustró abundantemente la degeneración y la necrosis de las células epiteliales tubulares renales (punta de flecha), la congestión intersticial (flecha) y la proteína y el fundido celular en los túbulos nefricos (B2). En el grupo TS y RT, la médula renal de la rata mostró degeneración dispersa y necrosis de células epiteliales tubulares renales (Arrowhead, B3). C&D: las secciones de parafina teñidas de Mallory Tricrome (C) y Sirius Red (D) mostraron diferentes niveles de proliferación de tejido fibroso renal en Con (C1, D1), TS (C2, D2) y grupos TS & RT (C3, D3) respectivamente. Las fibras de colágeno se tiñeron azules con tricromo y rojo de Mallory con Sirius Red respectivamente (flecha).
La tinción de tricromo de Mallory se usó ampliamente para detectar la fibroplasia, aunque podría manchar algunos componentes de la matriz (13). En el presente estudio, se observó abundante fibroplasia en el grupo de riñón de TS por la tinción de tricromo de Mallory, en comparación con el grupo de control de que se presentaron pocos tejidos fibrosos alrededor del vaso sanguíneo (Fig. 2C1 y C2). En el grupo TS y RT donde las ratas recibieron entrenamiento de resistencia, se observó que la fibroplasia en los riñones se redujo (Fig. 2C3) en comparación con el grupo TS. El grado relativo de fibroplasia en estos grupos fue confirmado por la tinción roja de Sirius que se ha utilizado para detectar el colágeno (Fig. 2d). El análisis semicuantitativo de la intensidad de tinción mostró que casi aumentó a 4 veces en el grupo TS en comparación con el grupo de control, y se observó que la fibroplasia en el grupo TS y RT disminuyó a 0.6 veces en el grupo TS (Tabla 1).
Observación microscópica electrónica de transmisión del riñón en un entorno de microgravedad simulado
Para investigar más a fondo la lesión renal en la condición de ingravidez, los cambios ultraestructurales del riñón de rata en los tres grupos se analizaron relativamente mediante microscopía electrónica de transmisión. En el grupo de control, no hubo daños aparentes según lo juzgado por la intactitud de la lámina basal de los túbulos renales del tejido renal de las ratas. Las mitocondrias esféricas y alargadas eran abundantes con las mitocondrias cristae y las cisternas del retículo endoplásmico eran lisos. Se observaron microvilos altos, delgados y paralelos en la superficie apical de las células epiteliales tubulares renales (Fig. 3A1 y B1).
A1 y B1: La lámina basal de los túbulos renales estaba intacta (flecha) y había abundancia de mitocondrias de forma esférica o alargada con cristas mitocondriales en el grupo de coneño (flecha) A2 y B2: las laminas basales de los túbulos de los túbulos basales eran ásperas e incasificadas (flecha), los túbulos proximales y los álbules distales tenían numerosos células (flotas renales). Las mitocondrias en el citoplasma denso en electrones de la célula se hincharon con cristas delgadas (punta de flecha) en el grupo TS. A3 y B3: El incasezado de los túbulos renales lámina basal (flecha) con hinchazón de mitocondrias (punta de flecha) en epitelios de túbulos renales del grupo TS y RT.
En el grupo TS, las laminas basales de los túbulos renales fueron ásperos e incasecientes, y se encontraron células muertas en túbulos proximales y túbulos distales. Las mitocondrias en el citoplasma denso en electrones de la célula se hincharon con cristas delgadas. El retículo endoplásmico era expansivo y el núcleo se encogió (Fig. 3A2 y B2). En el grupo TS y RT, se alivió el grado de hinchazón y vacuolación de las mitocondrias, aunque se observaron algunas células oscuras con núcleos encerrados oscuros en el epitelio tubular renal (Fig. 3A3 y B3). Los resultados demostraron que las ratas suspendidas de la cola produjeron daño patológico grave en las lesiones renales y patológicas inducidas por la ingravidez podrían reducirse a través del entrenamiento de resistencia.
La expresión de PCNA y HSP70 se asoció con cambios patológicos del riñón en un entorno de ingravidez simulado
El antígeno nuclear celular (PCNA) proliferante, el componente de la maquinaria de replicación y reparación, juega un papel esencial en el metabolismo del ácido nucleico (14). El aumento de la expresión de PCNA implicaba que las células estaban bajo una condición dañada y requirieron una respuesta de proliferación compensatoria (15). Los resultados inmunohistoquímicos mostraron que el PCNA era …
