Effects of High Glucose and Advanced Glycosylation Endproducts(AGE) on the in vitro Permeability Model

당과 후기당화합물의 생체 외 사구체여과율 모델에 대한 역할

Purpose : We describe the changes of rat glomerular epithelial cells when exposed to high levels of glucose and advanced glycosylation endproducts(AGE) in the in vitro diabetic condition. We expect morphological alteration of glomerular epithelial cells and permeability changes experimentally and we may correlate the results with a mechanism of proteinuria in DM. Methods : We made 0.2 M glucose-6-phsphate solution mixed with PBS(pH 7.4) containing 50 mg/mL BSA and pretense inhibitor for preparation of AGE. As control, we used BSA. We manufactured and symbolized five culture dishes as follows; B5 - normal glucose(5 mM) + BSA, B30 - high glucose(30 mM) + BSA, A5 - normal glucose(5 mM) + AGE, A30 - high glucose(30 mM) + AGE, A/B 25 - normal glucose(5 mM) + 25 mM of mannitol(osmotic control). After the incubation period of both two days and seven days, we measured the amount of heparan sulfate proteoglycan(HSPG) in each dish by ELISA and compared them with the B5 dish at 2nd and 7th incubation days. We observed the morphological changes of epithelial cells in each culture dish using scanning electron microscopy(SEM). We tried the permeability assay of glomerular epithelial cells using cellulose semi-permeable membrane measuring the amount of filtered BSA through the apical chamber for 2 hours by sandwich ELISA. Results : On the 2nd incubation day, there was no significant difference in the amount of HSPG between the 5 culture dishes. But on the 7th incubation day, the amount of HSPG increased by 10% compared with the B5 dish on the 2nd day except the A30 dish(P<0.05). Compared with the B5 dish on the 7th day the amount of HSPG in A30 and B30 dish decreased to 77.8% and 95.3% of baseline, respectively(P>0.05). In the osmotic control group (A/B 25) no significant correlation was observed. On the SEM, we could see the separated intercellular junction and fused microvilli of glomerular epithelial cells in the culture dishes where AGE was added. The permeability of BSA increased by 19% only in the A30 dish on the 7th day compared with B5 dish on the 7th day in the permeability assay(P<0.05). Conclusion: We observed not only the role of a high level of glucose and AGE in decreasing the production of HSPG of glomerular epithelial cells in vitro, but also their additive effect. However, the role of AGE is greater than that of glucose. These results seems to correlate with the defects in charge selective barrier. Morphological changes of the disruption of intercellular junction and fused microvilli of glomerular epithelial cells seem to correlate with the defects in size-selective barrier. Therefore, we can explain the increased permeability of glomerular epithelial units in the in vitro diabetic condition.

목적 : 생체 외 당뇨병 상태로서 고농도의 당을 포함하는 배양액과 후기당화합물을 적용하여 세포배양하고 이때에 나타나는 병리적 변화, 즉, 세포외 기질의 변화와 형태학적 변화와 함께 투과성(여과율)의 변화를 살펴보았고 동시에 당뇨병성 신증에서의 단백뇨의 기전을 설명하고자 하였다. 방법 : 후기당화합물의 준비를 위해 50mg/mL BSA(Fraction V, Sigma)와 pretense inhibitor를 포함한 PBS(pH 7.4)에 glucose-6-phosphate를 섞어 0.2 M의 용액을 만들었다. BSA를 대조군으로 하였으며, 후기당화합물과 BSA를 $5{\mu}g/cm^2$ surface area의 농도가 되도록 붓고 다음과 같은 비교 대상의 culture dishes를 만들었다(B5; BSA만 첨가 - 5 mM, B30; BSA만 첨가 - 30mM, A5; 후기당화합물만 첨가 - 5 mM, A30; 후기당화합물만 첨가 - 30 mM, A/B 25: osmotic control - 25 mM mannitol). 이틀 배양 후와 일 주 배양 후 각각의 culture dishes에 있는 heparan sulfate proteoglycan (HSPG)양을 ELISA를 이용하여 측정하고 B5를 대준군으로 하여 각각 비교하였다. 각각의 colture dishes에 있는 사구체 상피세포를 scanning EM(Hitachi S-570, Japan)을 이용하여 형태학적 관찰을 하였다. Cellulose semi-permeable membrane을 이용하여 각각의 culture dishes에서 두 시간 동안 apical chamber를 통해 여과되는 BSA양을 sandwich ELISA method로 측정하여 투과성에 대한 분석을 하였다. 결과 : 이틀 동안 배양 후 측정한 대조군을 포함한 다섯 culture dishes의 HSPG양은 통계학적 차이는 없었다. 일 주 배양 후에 이틀 동안 배양한 B5 dish에 비해서 일 주 배양한 A30 dish를 제외한 일 주 배양한 모든 dishes에서 10% 이상의 HSPG양의 증가를 보였다(P<0.05) 일 주 배양한 B5 dish에 비해선 일 주 배양한 A30과 B30 dish에서 각각 HSPG양이 각각 77.8%와 95.3%로 감소하였고(P>0.05), osmotic control group(A/B 25)에선 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다(P>0.05). 후기당화합물이 첨가된 경우에 SEM상 분리된 세포사이이음(intercellular junction)과 융합된 미세융모를 관찰할 수 있었다. BSA의 투과성은 일 주 배양 후 A30 dish에서만 일 주 배양 후 B5 dish에 비해 19% 증가하는 소견을 보였으나 통계적인 유의성은 없었다(P>0.05). 결론 : 사구체 상피세포의 HSPG 형성의 감소에 고농도의 당과 후기당화합물은 서로 부가적인 역할을 하고 후기당화합물이 더 큰 역할을 함을 알 수 있다. HSPG 감소 소견과 더불어 SEM상 장기간 고혈당을 유지하면 사구체 여과기전에서 size-selective와 charge-selective 장벽에 결함을 유발할 수 있으며 당뇨병에서의 단백뇨의 기전 중 하나로 생각된다.