CC BY
99
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ ♦ морфология ♦
УДК 619: 615.273.4
Влияние лекарственных препаратов с различной химической природой соединений железа на морфологию почек крыс
А.А. Антипов, кандидат ветеринарных наук ([email protected]), А.А. Дельцов, кандидат биологических наук Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И. Скрябина» (Москва).
Алиментарная железодефицитная анемия является наиболее распространенным заболеванием обмена веществ у свиней. Для лечения и профилактики дефицита железа ветеринарные специалисты назначают лекарственные препараты двух- и трехвалентного железа. Применение препаратов двухвалентного железа способствует развитию альтеративных процессов в почках животных, что обнаруживается при морфологическом исследовании.
Ключевые слова: анемия, железо, морфология, обмен веществ, почки, токсичность, патология
Введение
Алиментарная железодефицитная анемия представляет собой одно из самых распространенных заболеваний поросят, что обусловлено малым запасом железа в организме новорожденного поросенка и высокой потребностью в этом микроэлементе интенсивно растущего животного. Развитию анемии способствует многоплодие и скороспелость свиней, и тот факт, что молоко свиньи бедно железом [4, 5, 7, 8].
Дефицит железа приводит к угнетению кроветворения и расстройству ферментных систем организма, в результате чего развиваются смешанная гипоксия, метаболические и функциональные нарушения в органах, тканях и клетках [5, 7].
В настоящее время для лечения и профилактики железодефицитной анемии применяют препараты железа для энтерального и парентерального (внутримышечного и внутривенного) введения, которые, в свою очередь, могут содержать двух- или трехвалентное железо, а также быть монокомпонентными или комбинированными, то есть иметь в составе другие микроэлементы, необходимые для кроветворения, например, медь и кобальт [7].
Однако в последние годы появились публикации отечественных и зарубежных авторов, в которых утверждается, что увеличение количества железа в организме посредством применения препаратов железа ведет к усилению перекисного окисления липидов. По результатам некоторых исследований, восстановление ионов Fe3+ до Fe2+ с последующим переносом электронов с Fe2+ на перекись водорода приводит к появлению гидроксильного радикала, являющегося наиболее активным компонентом оксидативного стресса. Даже незначительное повышение концентрации свободных ионов металлов переходной группы в организме провоцирует нежелательные реакции молекулярного кислорода, что выступает в качестве одного из патогенетических факторов при заболеваниях,
связанных с так называемым окислительным стрессом [3, 10, 12, 14].
Закономерно возникает вопрос о безопасности применения препаратов железа для профилактики желе-зодефицита и о возможных побочных эффектах при их назначении.
Как известно, инициация перекисного окисления липидов приводит, прежде всего, к повреждению эндотелия сосудов, что служит причиной развития дисцир-куляторных нарушений во многих внутренних органах [9]. Работа почек напрямую связана с состоянием кровеносных сосудов, которые выполняют не только трофическую функцию как элемент стромы органа, но и непосредственно участвуют в процессе фильтрации, являясь структурно-функциональной частью почечного тельца. Повреждение сосудистого клубочка часто заканчивается полным склерозом почечного тельца, что может привести к хронической почечной недостаточности. Именно поэтому очень важно оценить воздействие препаратов, содержащих железо, на морфологию почек.
Недостаточная изученность развивающихся морфологических изменений под действием препаратов железа служит причиной невозможности прогнозирования и разработки критериев безопасности продукции, содержащей в своем составе этот микроэлемент.
Цель исследования
Изучить морфологические изменения почек крыс после энтерального введения лекарственных препаратов с различной химической природой соединений железа (минеральные соли, хелатные комплексы, железо-декстриновые коллоиды).
Материалы и методы
Исследования проведены на половозрелых белых крысах обоего пола, массой тела 180...200 г. На всем протяжении опыта животных содержали раздельно, в одинаковых условиях и на одинаковом рационе.
В опытах были использованы основные виды лекарственных препаратов на основе соединений железа,
представленные в настоящее время на фармацевтическом рынке ветеринарных противоанемических средств: 1 — минеральная соль (сульфат железа); 2 — хелатный комплекс железа (комплекс этилендиаминдиянтар-ной кислоты и лизина с железом); 3 — железо-декстриновый коллоид.
Препараты вводили однократно внутрижелудочно при помощи зонда с оливой, в объемах, рекомендованных для изучения острой токсичности, в соответствии с руководством по проведению доклинических исследований лекарственных средств.
В соответствии с задачами исследования лабораторные животные были разделены на 4 группы (по п=20): животным 1-й опытной группы вводили 2%-й раствор сульфата железа в объеме 5 мл (1 мл содержит 20 мг железа), крысам 2-й опытной группы — коллоидный раствор комплекса этилендиаминдиянтарной кислоты и лизина с железом в объеме 5 мл (1 мл содержит 20 мг железа), 3-й опытной — коллоидный раствор железодекстрина в объеме 5 мл (1 мл содержит 50 мг железа). Крысам контрольной группы вводили стерильный изотонический раствор натрия хлорида в эквивалентном объеме.
Наблюдение вели в течение 14 дней, отмечали наступление и исчезновение симптомов отравления животных, их гибель, изменение общего состояния, потребление корма и воды, отправление физиологических потребностей.
По окончании срока наблюдения всех животных подвергали эвтаназии с последующими патолого-анатоми-ческими и гистологическими исследованиями. Материалом для гистологического исследования служили образцы тканей почек крыс, из которых готовили гистологические препараты по общепринятым методикам с окрашиванием для обзорных целей гематоксилином и эозином, а также на железо (III) по Перлсу.
Результаты
При патолого-анатомическом вскрытии трупов экспериментальных лабораторных животных в почках были найдены следующие изменения.
В контрольной и 3-й опытной группах по окончании эксперимента не было выявлено существенных нарушений в анатомической структуре почек. Орган был не увеличен, имел характерный для него темно-коричневый цвет и плотную консистенцию. Капсула почек снималась легко, а на разрезе граница между корковым и мозговым слоем четко дифференцировалась.
При патоморфологическом изучении трупов животных 1-й опытной группы в почках были обнаружены изменения, характерные для шокового состояния органа, что выражалось в местных нарушениях кровообращения. Почки были увеличены в размере, дряблой консистенции, имели темно-красно-коричневый цвет, при этом корковый и мозговой слои не различались по цвету, в результате граница между ними абсолютно не визуализировалась. Поверхность разреза почек была очень влажной. Капсула органа снималась легко.
Структурные изменения почек животных 2-й опытной группы несколько отличались от морфологической картины этого органа животных 1-й опытной группы, но также характеризовались гемодинамическими нарушениями. Почки были увеличены, но в меньшей
Рис. 1.
Гистоархитектоника почек крыс 3-й опытной группы, получавших железодекстриновый коллоид. Окраска
гематоксилином и эозином, ок. 40, об. 10
степени, чем у животных 1-й опытной группы. Капсула снималась легко, обнажая поверхность органа, усеянную отдельными точечными кровоизлияниями. Поверхность разреза почек также была очень влажной, но граница между корковым и мозговым слоем определялась гораздо лучше, что было связано с различием в цвете коркового слоя и мозгового. Корковый слой был серо-коричневого цвета с отдельными точечными кровоизлияниями, мозговой слой — насыщенного темно-синюшно-красного. Консистенция почек была дряблой.
Микроскопическое строение почек контрольной и 3-й опытной группы сохранено (рис. 1). Общее мор-фофункциональное состояние органа отражает их физиологическое благополучие и полноценное функционирование.
С поверхности орган покрыт относительно толстой, хорошо развитой соединительнотканной капсулой. Строма органа слабо развита и хорошо выявляется только вокруг крупных (дуговых) кровеносных сосудов. Клеточных элементов в строме немного. Почечные тельца нефронов округлой формы, приблизительно одинакового размера, лишь юкстамедуллярные клубочки, располагающиеся на границе между корковым и мозговым слоями, более крупные. Почечные тельца состоят из хорошо различимых сосудистых клубочков, капилляры которых находятся в практически спавшемся состоянии, просветы их пусты или содержат лишь небольшое количество эритроцитов. Эндотелиальные клетки, образующие стенки сосудов, уплощенной формы, с темными плоскими гиперхромными базофиль-ными ядрами и без признаков повреждения. Гломе-рулярные базальные мембраны не утолщены. Между петлями капилляров видны немногочисленные мезан-гиальные клетки. Наружная стенка капсулы Боумена-Шумлянского не утолщена, полость капсулы хорошо различима, представляет собой умеренно расширенную щель в форме полумесяца. Внутренний листок капсулы почечного тельца образован одним слоем уплощенных клеток — подоцитов. Наружный слой капсулы представлен плоскими эпителиальными клетками, которые у места перехода в главный отдел становятся более высокими, кубическими.
Проксимальные канальцы, представленные однослойным кубическим каемчатым эпителием, имеют большой диаметр, толстую стенку и широкий просвет. Границы между клетками хорошо различимы, цитоплазма их оксифильная, окрашена относительно равномерно, иногда встречается небольшая зернистость. Ядра крупные, четко просматриваются, округлой или овальной формы, располагаются преимущественно в центре клеток. Контуры их ровные, окрашены базо-
А.А. Антипов, А.А. Дельцов
Рис. 2.
Гистоархитектоника почек крыс 1-й опытной группы, получавших сульфат железа. Окраска
гематоксилином и эозином, ок. 40, об. 10
фильно и неравномерно за счет глыбок гетерохромати-на, располагающегося преимущественно диффузно по всему объему ядра, содержат одно хорошо различимое ядрышко. В почечных канальцах единичные мелкие белковые цилиндры. Дистальные канальцы, образованные однослойным кубическим и низким призматическим эпителием, меньшего диаметра, имеют тонкую стенку, их клетки низкие призматические и лишены щеточной каемки. Форма просвета канальцев — округлая. Строение нефроцитов дистальных канальцев сходно с морфологией этих клеток в проксимальных отделах нефрона, и отличается лишь незначительными изменениями цитоплазмы, которые характеризуются более выраженной ее зернистостью. Петли нефрона образованы однослойным плоским эпителием, который содержит бледную оксифильную цитоплазму с очень слабой зернистостью. Ядра клеток уплощены, базофиль-ны и гипохромны. Собирательные почечные трубочки образованы однослойным кубическим (низкопризматическим) эпителием. Они содержат среднего размера круглые базофильные ядра с диффузно расположенным гетерохроматином.
Вокруг почечных канальцев располагаются периту-булярные капилляры, стенка их образована уплощенной формы эндотелиоцитами с темными плоскими ядрами и без признаков повреждения. Кровенаполнение сосудов слабое в контрольной группе животных и умеренное, а иногда и сильное у животных 3-й опытной группы.
Окраска по Перлсу отрицательная, то есть соединения трехвалентного железа в тканях почек животных контрольной и 3-й опытной групп не выявляются.
У животных 1-й опытной группы (рис. 2) отмечены наиболее выраженные патогистологические изменения почек. Основные изменения наблюдались в кровеносной системе органа, затрагивая при этом сосуды как почечных телец, так и стромы органа. Почечные тельца нефронов были резко увеличены в размере, округлой или овальной формы. Капилляры сосудистых клубочков резко расширены и переполнены кровью. Эндотелиальные клетки, образующие стенки сосудов, крупные, набухшие, с темными овальными и округлыми гиперхромными базофильными ядрами. Капсула Боумена-Шумлянского представляет собой узкую, иногда практически не различимую щель в форме полумесяца.
Вокруг почечных канальцев располагаются многочисленные перитубулярные капилляры в состоянии острого кровенаполнения. Стенка их образована набухшими эндотелиоцитами с темными плоскими ядрами. Эндотелий крупных дуговых и междолевых сосудов
Рис. 3.
Гистоархитектоника почек крыс 2-й опытной группы, получавших хелатный комплекс железа. Окраска
гематоксилином и эозином, ок. 40, об. 10
поврежден. Диаметр как крупных, так и мелких сосудов резко расширен, а просвет их переполнен густо расположенными клетками крови, в основном эритроцитами, находящимися в состоянии гемолиза. Такие эритроциты имели крупный размер и шаровидную форму, вследствие чего у них не наблюдался внутренний контур, свойственный этим клеткам. Цитоплазма эритроцитов содержала очень мало гемоглобина, из-за чего была практически прозрачной. Кровенаполнение сосудов сильное как в корковом, так и в мозговом слое. Часто встречались небольшие пери-васкулярные кровоизлияния вокруг крупных и мелких сосудов.
В нефроцитах проксимальных и дистальных канальцев отмечены альтеративные процессы в виде зернистой и гидропической дистрофии. Границы между клетками плохо различимы, цитоплазма их оксифильная, мутная, часто зернистая или пенистая, окрашена неравномерно, сами клетки набухшие.
Соединения железа при окраске по Перлсу выявлялись в немногочисленных мезангиальных клетках отдельных клубочков в виде мелких гранул.
В почках животных 2-й опытной группы, которым давали хелатный препарат железа, структурные изменения в органе были схожи с морфологической картиной почек животных 1-й опытной группы (рис. 3). Основные отличия заключались лишь в степени выраженности патологических процессов, среди которых дистрофические изменения эндотелия сосудов и нефроцитов канальцев превалировали над процессами расстройства гемодинамики — гиперемией лишь крупных сосудов с менее выраженными явлениями стаза крови и гемолиза эритроцитов. Также значительным отличием можно назвать с трудом выявляемые просветы большинства проксимальных и дистальных канальцев, которые были закупорены рыхлыми аморфными белковыми массами, гиалиновыми пробками и эритроцитами.
При окраске по Перлсу соединения железа обнаруживались в виде крупных зерен в цитоплазме макрофагов интерстициальной ткани и мезангиальных клетках клубочков.
Обсуждение
В результате проведенных исследований получены данные, свидетельствующие о том, что препараты железа в виде соли и хелатного комплекса оказывают негативное влияние на структуру почек лабораторных животных, в то время как полисахаридный комплекс железа вызывает лишь незначительные изменения, не носящие патологического характера.
Основные изменения в почках животных 1-й и 2-й опытных групп характеризуются повреждением эндотелия сосудов, а также их дилатацией. Одновременно с этим развиваются альтеративные процессы в клетках крови, что сопровождается гемолизом эритроцитов. Повреждение сосудов с изменением их проницаемости приводит к нарушению клубочковой фильтрации, полиурии, протеинурии и даже гематурии. Указанные морфологические изменения более выражены в органах животных 2-й опытной группы, в то время как в почках крыс 1-й опытной группы к наиболее существенным изменениям нужно отнести нарушение тонуса сосудов с их резким расширением, что в итоге приводит к перераспределению крови в организме и падению кровяного давления с развитием коллапса и шока [6]. Учитывая, что аналогичные изменения мы наблюдали и в других органах животных этих групп [1, 2], можно сделать заключение, что нарушения гемодинамики служат механизмом непосредственной причины смерти животных в случаях попадания в организм токсических доз препаратов железа в виде соли и хе-латного комплекса.
Известно, что ионы железа при взаимодействии с клеточными мембранами стимулируют избыточное образование активных форм кислорода и усиливают интенсивность процесса перекисного окисления липидов [3, 10, 12, 14]. Активация и стимулирование этих процессов приводит к повреждению клеточных мембран, что сопровождается нарушением их избирательной проницаемости. Кроме того, ионы железа могут непосредственно влиять на активность внутриклеточных ферментов после проникновения внутрь клетки [11]. Взаимодействуя с ферментами, они способны вызывать конформационные изменения в третичной и четвертичной структуре белковых молекул. В совокупности эти процессы приводят к развитию дистрофии и некроза клеток различных тканей и органов. Данные свойства ионов железа объясняют установленную в эксперименте высокую степень альтеративных процессов, приводящих к нарушению структуры изученных органов.
Морфология почек животных 3-й опытной группы практически не отличалась от структуры этого органа у животных контрольной группы за исключением умеренно развитой гиперемии сосудов. Некоторые исследователи считают, что препараты, содержащие трехвалентное железо, вследствие особенностей химической структуры и обусловленных ими особенностей фармакокине-тики не требуют окисления и, следовательно, не приводят к образованию свободных радикалов, то есть не обладают прооксидантными свойствами [13]. Ориентируясь на данные наших исследований, можно утверждать, что препараты трехвалентного железа действительно обладают минимальной токсичностью и не вызывают грубых морфологических изменений в почках.
Выводы
Таким образом, полученные нами данные свидетельствуют о том, что наименьшее патологическое влияние на почки оказывает железо в виде трехвалентного иона в комплексе с полисахаридами (железодекстрин). В то время как соли и хелатные соединения железа характеризуются более высокой токсичностью, вызывая грубые нарушения в морфологии почек.
Библиография
1. Антипов, А.А. Влияние энтеральных лекарственных препаратов железа на клиническое состояние крыс и морфологию кишечника в эксперименте по изучению острой токсичности / А.А. Антипов, А.А Дельцов // РВЖ.СХЖ. — 2014. — № 1. — С. 16-19.
2. Антипов, А.А. Сравнительное морфологическое исследование влияния на печень крыс энтеральных лекарственных препаратов с различной химической природой соединений железа / А.А. Антипов, А.А. Дельцов, Д.Н. Уразаев // Актуальные вопросы ветеринарной биологии. — 2014. — № 3. — С. 59-64.
3. Владимиров, Ю.А. Свободные радикалы в биологических системах / Ю.А. Владимиров // Соросовский образовательный журнал. — 2000. — Т. 6. — №12. — С. 13-19.
4. Георгиевский, В.И. Минеральное питание животных / В.И. Георгиевский, Б.Н. Анненков, В.Т. Самохин. — М.: Колос, 1979. — 471 с.
5. Карелин, А.И. Анемия поросят / А.И. Карелин. — М.: Россельхозиздат, 1983. — 166 с.
6. Пермяков, Н.К. Узловые вопросы общей патологии и патологической анатомии шока / Н.К.Пермяков // Архив патологии. — 1983. — № 12. — С. 3-12.
7. Уразаев, Д.Н. Биологическая роль железа. Применение железосодержащих препаратов в ветеринарной медицине: монография / Д.Н. Уразаев,
A.А. Дельцов, Л.П. Парасюк, Р.Д. Уразаева. — М.: Колос, 2010. — 104 с.
8. Шахов А.Г. Проблемы сохранности свиней и пути их решения / А.Г. Шахов,
B.Д. Мисайлов, Р.А. Шундулаев // Свиноводство. — 2004. — № 3. — С. 31-34.
9. Drueke, T. Iron therapy, advanced oxidation protein products, and carotid artery intima-media thick ness in end-stage renal disease / T. Drueke, V. Witko-Sarsat, Z. Massy, et al. // Circulation. — 2002. — N. 106. — P. 2212-2217.
10. Jacobs, A. The pathology of iron overload. In Iron in Biochemistry and Medicine / A. Jacobs and M. Worwood, editors. — London. IIA Academic Press, 1980. — P. 427-459.
11. Koneracka, M. Immobilization of proteins and enzymes to fine magnetic particles / M. Koneracka, P. Kopcansky, M. Antalik et al. // J. of Magnetism and Magnetic Materials. — 1999. — V. 201. — P. 427-430.
12. Kurtoglu, E. Effect of iron supplementation on oxidative stress and antioxidant status in iron-deficiency anemia / E. Kurtoglu, A. Ugur, A.K. Baltaci, L. Undar // Biol. Trace Elem. Res. — 2003. — V. 96. — N. 1-3. — P. 117-123.
13. Santiago, P. Ferrous versus Ferric Oral Iron Formulations for the Treatment of Iron Deficiency: A Clinical Overview / P. Santiago // The Scientific World Journal. — 2012. — V. 2012. — Article ID 846824.
14. Wills, E.D. Effects of iron overload on lipid peroxide formation and oxidative demethylation by the liver endoplasmic reticulum / E.D. Wills // Biochem. Pharmacol. — 1972. — N. 21. — P. 239-247.
SUMMARY
A.A. Antipov, A.A. Deltsov
Moscow State Academy of Veterinary Medicine and Biotechnology named after K.I. Skryabin (Moscow).
Effects of Medications with Different Chemical Nature of the Compound of Iron on the Rat Kidney Morphology. Nutritional iron deficiency anemia is the most common metabolic disease in pigs. For the treatment and prevention of iron deficiency veterinary specialists use ferrous and ferric iron. The use of drugs ferrous promotes alterative processes in the kidneys of animals that are found in the morphological study.
«Российский ветеринарный журнал. Мелкие домашние и дикие животные» — научно-практическое издание для специалистов в области ветеринарной медицины и биотехнологии.
Главный редактор — д-р вет. наук, профессор, руководитель Центра ветеринарной хирургии «ВетПрофАльянс» — С.А. Ягников. Издается с 2005 г. при поддержке «УМО высших учебных заведений РФ по образованию в области зоотехнии и ветеринарии», входит в Перечень ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.
Подписка на журнал осуществляется через редакцию и каталог Почта России.
Издательский дом «Логос Пресс», 127018, Москва, ул. 2-я Ямская, д. 2. Http://logospress.ru/, e-mail: [email protected]. Тел/факс: +7 (495) 220-48-16, +7 (495) 689-85-16.
