ZN-аккумулирующая функция эпителия простаты крыс в норме и при холодовой адаптации

Размещено на http://www.allbest.ru/

ZN-АККУМУЛИРУЮЩАЯ ФУНКЦИЯ ЭПИТЕЛИЯ ПРОСТАТЫ КРЫС В НОРМЕ И ПРИ ХОЛОДОВОЙ АДАПТАЦИИ

И.Ю. Саяпина, А.А. Зубов, А.К. Полянская

ФГБОУ ВО Амурская ГМА Минздрава

России г. Благовещенск

Резюме

Высокий уровень цинка (Zn) в тканях и секрете простаты свидетельствует о важной роли данного катиона в гистофизиологии железы. Метаболический эффект Zn обеспечивает выработку и секрецию эпителиоцитами цитрата, антипролиферативное действие предотвращает гиперплазию эпителия и опухолевый рост, антиоксидантные свойства Zn защищают клетки от активных метаболитов кислорода. Исходя из важности биологической роли Zn, научный интерес представляет изучение способности простатического эпителия аккумулировать Zn в условиях действия на организм экстремальных факторов среды. Цель настоящего экспериментального исследования изучить Zn-аккумулирующую функцию простатического эпителия крыс в норме и в динамике адаптации организма животных к экстремально низким температурам.

Содержание хелатируемого Zn определяли на парафиновых срезах простаты по реакции с дитизоном. Активность гистохимической реакций оценивали количественным методом по оптической плотности продуктов реакции в эпителии простаты с использованием программного обеспечения для количественного анализа ВидеоТесТ-Морфология 5.0. Результаты исследования показали, что в эпителии и секрете простаты интактных крыс наблюдается высокое содержание хелатируемого Zn. При адаптации к низкой температуре нарушается способность секреторных эпителиоцитов аккумулировать катионы Zn, что приводит к снижению концентрации хелатируемого Zn в эпителии и секрете простаты, достигающей критического уровня после 4-й недели адаптации. Угнетение способности эпителиоцитов аккумулировать Zn может оказать негативное влияние на метаболическое состояние клеток, необходимое для накопления и секреции в просвет концевых отделов простаты цитрата, играющего ключевую роль в обеспечении выживаемости сперматозоидов в эякуляте. Метаболическая трансформация эпители простаты, обусловленная снижением Zn-аккумулирующей функции эпителиальных клеток, может быть основополагающим фактором в развитии патологических изменений простаты.

Ключевые слова: простата, секреторные эпителиоциты, Zn-аккумулирующая функция, адаптация, экстремальные факторы среды, низкая температура.

ZN-ACCUMULATING FUNCTION OF RATS' PROSTATE EPITHELIUM IN NORMAL AND COLD ADAPTATION

I.Yu. Sayapina, A.A. Zubov, A.K. Polyanskaya

Abstract

The high level of zinc (Zn) in the tissues and secretions of the prostate indicates the important role of Zn in the histophysiology of the gland. The metabolic effect of Zn ensures the production and secretion of citrate by epithelial cells, the anti-proliferative effect prevents epithelial hyperplasia and tumor growth, and the antioxidant properties of Zn protect cells from active oxygen metabolites. Proceeding from the importance of the biological role of Zn, it is of scientific interest to study the ability of the prostatic epithelium to accumulate Zn under the action of extreme environmental factors on the body. The purpose of this experimental work is to study the Zn-accumulating function of the prostae epithelium of rats in normal conditions and in the dynamics of adaptation of the animal organism to extremely low temperatures.

The content of chelated Zn was determined on paraffin sections of the prostate by reaction with dithizone. The activity of histochemical reaction was assessed by a quantitative method according to the optical density of the reaction products in the epithelium of the prostate using the software for quantitative analysis VideoTesT Morphology 5.0. The results of the study showed that a high content of chelated Zn is observed in the epithelium and secretion of the prostate of intact rats. Adaptation to low temperatures impairs the ability of secretory epithelial cells to accumulate Zn cations, that leads to a decrease in the concentration of chelated Zn in the epithelium and prostate secretion, which reaches a critical level after the 4th week of adaptation. Inhibition of the ability of epithelial cells to accumulate Zn can have a negative effect on the metabolic state of cells, which is necessary for the accumulation and secretion into the lumen of the end sections of the prostate of citrate, which plays a key role in ensuring the survival of spermatozoa in the ejaculate. Metabolic transformation of the prostate epithelium, caused by a decrease of the Zn-accumulating function of epithelial cells, may be a fundamental factor in the development of pathological changes in the prostate.

Key words: prostate, secretory epithelial cells, Zn-accumulating function, adaptation, extreme environmental factors, low temperature.

Введение

Простата человека и млекопитающих характеризуется высоким содержанием цинка (Zn), что обусловлено важнейшей ролью данного катиона в гистофизиологии железы. Основное количество Zn в тканях простаты человека сконцентрировано в периферической зоне, где локализуются главные простатические железы, но самые высокие концентрации Zn выявляются в секрете простаты [5, 7].

Клетками простатического эпителия, способными аккумулировать катионы Zn, являются секреторные эпителиоциты, однако основная функция этих клеток выработка и секреция цитрата в количестве, более чем в тысячу раз превышающем его содержание в плазме крови [5, 7, 11]. Специализация секреторных эпителиоцитов на выработку и секрецию цитрата есть результат уникальной метаболической способности клеток минимизировать окисление цитрата в митохондриях. Низкий уровень окисления цитрата достигается через угнетение митохондриальной аконитазы, что приводит к накоплению цитрата в матриксе митохондрий, откуда он попадает в цитозоль, а затем через апикальную поверхность эпителиоцитов поступает в просвет ацинуса и накапливается в секрете простаты [6, 7, 14]. Специфическим ингибитором митохондриальной аконитазы являются катионы Zn, аккумулированные секреторными эпителиоцитами [6, 7]. Таким образом, между концентрацией катионов Zn и концентрацией цитрата в тканях и секрете простаты существует прямая зависимость. Способность секреторных эпителиоцитов аккумулировать Zn обеспечивается транспортными белками семейства ZIP, которые переносят Zn из внеклеточного матрикса в цитоплазму и отвечают за его накопление в цитозоле клеток [8, 11, 12].

Катионы Zn, обладая мощным антипролиферативным действием, участвуют в поддержании структурного гомеостаза простаты, препятствуя развитию гиперплазии эпителия. Антипролиферативная активность Zn тесно связана с его способностью ингибировать митохондриальную аконитазу. Установлено, что в процессе малигнизации эпителиоциты простаты утрачивают способность аккумулировать Zn, в результате чего цитрат усиленно окисляется в цикле Кребса, обеспечивая образование АТФ в количестве, достаточном для опухолевой прогрессии [5, 6, 7, 12, 14]. Таким образом, эпителиоциты первоначально подвергаются метаболической трансформации, которая, в свою очередь, индуцирует опухолевый рост.

Значительная часть Zn в эпителиоцитах простаты входит в состав Zn-зависимой супероксиддисмутазы (Zn-СОД), катализирующей реакцию дисмутации супероксидного радикала [13], что делает Zn мощным фактором антиоксидантной защиты простатического эпителия от активных метаболитов кислорода. Снижение концентрации Zn вызывает усиление процессов клеточного дыхания в эпителиальных клетках простаты, что, в свою очередь, приводит к увеличению продукции свободных радикалов цепью транспорта электронов [8], исходя из этого, следует, что дефицит Zn может индуцировать окислительный стресс в тканях простаты.

Исходя из важной роли катионов Zn в гистофизиологии простаты, научный интерес представляет изучение способности простатического эпителия аккумулировать Zn в условиях действия на организм экстремальных факторов среды. Актуальность проблемы обусловлена стратегическими национальными интересами России в сфере экономики и геополитики, связанными с освоением Арктической зоны. Осуществление хозяйственной деятельности в экстремальных климатических условиях арктического региона требует разработки новых принципов профилактики заболеваний человека, эффективность которых будет зависеть о того, насколько полно учтены особенности функционирования органов и систем в новых условиях. Для решения данной научной проблемы широко применяются методы экспериментального моделирования с разработкой адекватной модели, позволяющей экстраполировать результаты исследований на человека. В связи с этим цель настоящего экспериментального исследования изучить Zn-аккумулирующую функцию простатического эпителия крыс в норме и в динамике адаптации организма животных к экстремально низким температурам.

Материалы и методы

Исследование было проведено на 100 нелинейных половозрелых белых крысах-самцах с массой тела 200-250 г. Интактные животные, которые содержались в стандартных температурных условиях вивария, составили группу контроля. Крыс экспериментальных групп охлаждали при температуре -15° С по 3 часа ежедневно в течение 7, 14 и 28 дней соответственно.

Все животные содержались в виварии при соблюдении 12-ти часового светового режима, на стандартном пищевом рационе, при свободном доступе к пище и воде. Все манипуляции c животными проводились в соответствии с «Международными рекомендациями по проведению медико-биологических исследований с использованием животных» и приказу Минздрава РФ № 267 от 19.06.2003 «Об утверждении правил лабораторной практики».

Из урогенитального комплекса крыс выделяли дорсолатеральные доли простаты (ДЛП), являющиеся морфологическим и биохимическим эквивалентом главных простатических желез человека [3, 13]. ДЛП фиксировали и заливали в парафин согласно стандартной гистологической схеме. Содержание хелатируемого Zn определяли на парафиновых срезах по реакции с дитизоном [1]. Активность гистохимической реакции оценивали количественным методом по оптической плотности продуктов реакции в эпителии простаты с использованием программного обеспечения для количественного анализа ВидеоТесТ-Морфология 5.0.

Принимая во внимание роль транспортных белков семейства ZIP в способности клеток аккумулировать катионы Zn, оценивали состояние аппарата белкового синтеза секреторных эпителиоцитов ДЛП методом трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ). Подготовка образцов ДЛП для ТЭМ включала фиксацию в 2,5% растворе глютаральдегида с постфиксацией в 1% растворе осмиевой кислоты, обезвоживание в спиртах восходящей концентрации, заливку в смесь эпона и аралдита. Ультратонкие срезы после контрастирования раствором уранилацетата и цитрата свинца изучали на трансмиссионном электронном микроскопе «Tecnai G2 Spirit TWIN» (FEI Company, Нидерланды).

Для статистической обработки количественных данных использовали программное обеспечение Statistica 6.0. Для проверки гипотезы нормальности распределения значений в выборках использовали тест Колмогорова-Смирнова, для оценки достоверности различий в выборках оптической плотности продуктов реакции с дитизоном использовали параметрический t-критерий Стьюдента. Достоверным считали различие между сравниваемыми выборками с уровнем достоверной вероятности 95% (р < 0,05).

Результаты и обсуждение

В эпителии ДЛП интактных крыс выявляется высокая активность реакции с дитизоном, свидетельствующая о высокой концентрации хелатируемого Zn. Продукты реакции повсеместно присутствуют в цитоплазме секреторных эпителиоцитов, но наибольшая плотность продуктов реакции ярко-малинового цвета наблюдается в апикальных частях клеток и в секрете ДЛП, находящемся в просвете ацинусов (рис. 1, а), что согласуется с литературными данными [1]. Результаты количественной оценки активности гистохимической реакции с дитизоном представлены в условных единицах оптической плотности (рис. 2).

По данным ТЭМ в цитоплазме секреторных эпителиоцитов ДЛП выявляется хорошо развитый синтетический аппарат, представленный многочисленными цистернами гранулярной эндоплазматической сети (грЭПС). Уплощенные профили грЭПС располагаются параллельно друг другу в виде четких и правильных линий, на наружной поверхности мембран располагаются многочисленные рибосомы (рис. 3). В зоне Гольджи присутствуют компактные уплощенные мембраны диктиосом, не имеющие определенной ориентации в пространстве.

В эпителии ДЛП и секрете простаты после 1-й недели адаптации к низким температурам отмечается снижение активности реакции с дитизоном, что указывает на снижение концентрации хелатируемого Zn. Количественная оценка показала снижение оптической плотности продуктов реакции на 63% (р < 0,05) (рис. 2).

В эпителии ДЛП после 2-х недель адаптации визуально отмечается снижение интенсивности реакции с дитизоном, более выраженное в цитоплазме эпителиальных клеток, оптическая плотность продуктов реакции снижена на 56% (р < 0,05) (рис. 2).

После 4-х недель адаптации в эпителии ДЛП и в секрете железы, находящемся в просвете ацинусов, наблюдается снижение активности реакции с дитизоном (рис. 1, б), оптическая плотность продуктов реакции на 65% ниже (р < 0,05) по сравнению с ДЛП интактных крыс (рис. 2).

Рисунок. 1. Іистохимическачя реакция с дитизоном. Увеличение: 10х20. а) ДЛП интактной крысы; б) ДЛП крысы после 4-х недель адаптации к холоду.

Таким образом, в условиях адаптации к экстремально низкой температуре нарушается способность секреторных эпителиоцитов аккумулировать катионы Zn, что приводит к снижению концентрации хелатируемого Zn в эпителии и секрете ДЛП, достигающей критического уровня после 4-й недели адаптации. Обнаруженное угнетение способности эпителиоцитов ДЛП аккумулировать Zn может оказать негативное влияние на метаболическое состояние клеток, необходимое для накопления и секреции в просвет концевых отделов ДЛП цитрата, играющего ключевую роль в обеспечении выживаемости сперматозоидов в эякуляте [5, 7].

Рисунок. 2. Оптическая плотность (усл. ед.) продуктов реакции с дитизоном в эпителии ДЛп. * различия статистически значимы по сравнению с группой контроля (р < 0,05).

В предыдущих работах нами были описаны реактивные изменения эпителия ДЛП, индуцированные холодовой адаптацией, в числе которых можно отметить усиление полиплоидии и очаговую гиперплазию эпителия [4]. Согласно имеющимся литературным данным, катионы Zn препятствуют развитию гиперплазии эпителия простаты через целый ряд механизмов [3, 9, 10, 12], и усиление пролиферативной активности эпителиоцитов ДЛП при холодовой адаптации может быть ассоциировано со снижением способности клеток эпителия аккумулировать катионы Zn.

Обнаруженный в настоящем исследовании дефицит Zn может быть одним из причинных факторов развития окислительного стресса в тканях простаты, так как, по данным литературы, значительная часть хелатируемого Zn входит в состав Zn-зависимой супероксиддисмутазы, защищающей эпителиоциты простаты от активных метаболитов кислорода [13].

По данным ТЭМ, на 1-й неделе адаптации появляются ультраструктурные признаки усиления функциональной активности секреторных эпителиоцитов в виде вакуолизации зоны Гольджи и гиперплазии элементов пластинчатого комплекса. На фоне гиперсекреторного состояния появляются признаки секвестрации цитоплазмы, указывающие на ускоренную деградацию органелл, задействованных в синтезе белка. После 4-х недель адаптации в цитоплазме секреторных эпителиоцитов отмечается вакуолизация элементов грЭПС, замещение профилей грЭПС свободными рибосомами и единичными розетками полисом (рис. 4). Практически завершаются процессы секвестрации цитоплазмы секреторных эпителиоцитов, подтверждением чего являются гигантские вакуоли, содержащие остатки мембранных органелл (рис. 5). Обнаруженные ультраструктурные изменения являются следствием регенераторно-пластической недостаточности эпителия ДЛП, характерной для холодовой адаптации [4].

Феномен регенераторно-пластической недостаточности эпителия простаты, формирующийся при адаптации к экстремально низким температурам, может быть причинным фактором нарушения синтеза транспортеров Zn, в том числе белков из семейства ZIP, обеспечивающих перенос и накопление катионов Zn в цитоплазме секреторных эпителиоцитов.

Рисунок. 3. ДЛП интактной крысы. Фрагмент ядра (Я) и цитоплазмы секреторного эпителиоцита. грЭПС цистерны гранулярной эндоплазматической сети. Окрашивание уранилацетатом и цитратом свинца. Увеличение: 25000

Рисунок. 4. ДЛП после 4-х недель адаптации. а) Фрагмент ядра (Я) и цитоплазмы секреторного эпителиоцита. грЭПС вакуолизированная гранулярная эндоплазматическая сеть. б) Гигантские вакуоли в цитоплазме секреторного эпителиоцита, содержащие мембранные структуры и пластинчатые осмиофильные тельца. Окрашивание уранилацетатом и цитратом свинца. Увеличение: 25000.

Заключение

простата патология регион арктический

Таким образом, при адаптации к низким температурам нарушается способность секреторных эпителиоцитов ДЛП аккумулировать ионы Zn, приводящая к снижению концентрации хелатируемого Zn, дефицит которого достигает критического уровня после 4-й недели адаптации. Одной из причин недостаточного накопления Zn может быть нарушение синтеза транспортеров Zn в условиях регенераторно-пластической недостаточности эпителиоцитов ДЛП. Данная гипотеза требует дальнейшего изучения при помощи выявления и количественного анализа м-РНК белков семейства ZIP. Метаболическая трансформация эпителия ДЛП, обусловленная снижением Zn-аккумулирующей функции эпителиальных клеток, может быть основополагающим фактором в развитии патологических изменений простаты.

Литература

1. Ещенко Ю.В., Новицкий В.В., Бовт В.Д. Действие хелатирующих агентов на предстательную железу у крыс // Бюллетень сибирской медицины. 2010. № 3. С. 65-67. DOI: https://doi.org/10.20538/16820363-2010-3-65-67

2. Саяпина И.Ю., Целуйко С.С. Долевая специфика ультраструктурной организации простаты крыс в норме и при остром холодовом стрессе // Дальневосточный медицинский журнал. 2012. № 2. С. 108-113. DOI: https://doi.org/10.24412/Fd4-L2zlPzs

3. Саяпина И.Ю., Целуйко С.С., Чередниченко О.А. Биологическая роль цинка в предстательной железе (молекулярные аспекты) // Дальневосточный медицинский журнал. 2015. № 2. С. 137-143.

4. Саяпина И.Ю., Целуйко С.С., Чередниченко О.А. Реактивные изменения эпителия предстательной железы, индуцированные холодовой адаптацией // Дальневосточный медицинский журнал. 2016. № 1. С. 78-82.

5. Costello L.C., Feng P., Milon B., et al. Role of zinc in the pathogenesis and treatment of prostate cancer: critical issues to resolve // Prostate Cancer Prostatic Dis. 2004. Vol. 7, № 2. P. 111-117. DOI: 10.1038/ sj.pcan.4500712

6. Costello L.C., Franklin R.B, Feng P. Mitochondrial function, zinc, and intermediary metabolism relationships in normal prostate and prostate cancer // Mitochondrion. 2005. Vol. 5, № 3. P. 143-153.

7. Costello L.C., Franklin R.B. Cytotoxic/tumor suppressor role of zinc for the treatment of cancer: an enigma and an opportunity // Expert. Rev. Anticancer Ther. 2012. Vol. 12, № 1. P. 121-128. DOI:10.1016/j. mito.2005.02.001

8. Franklin R.B., Milon B., Feng P., et al. Zinc and zinc transporters in normal prostate and the pathogenesis of prostate cancer // Front. Biosci. 2005. Vol. 10. P. 22302239.

9. Golovine K., Uzzo R.G., Makhov P. Depletion of intracellular zinc increases expression of tumorigenic cytokines VEGF, IL-6 and IL-8 in prostate cancer cells via NF-kappaB-dependent pathway // Prostate. 2008. Vol. 68, № 13. P. 1443-1449. DOI: 10.1002/pros.20810

10. Huang L., Kirschke C.P, Zhang Y. Decreased intracellular zinc in human tumorigenic prostate epithelial cells: a possible role in prostate cancer progression // Cancer Cell Int. 2006. Vol. 6, № 10. P. 1-13. DOI: 10.1186/1475-2867-6-10

11. Johnson L.A., Kanak M.A., Kajdacsy-Balla A., et al. Differential zinc accumulation and expression of human zinc transporter 1 (hZIP1) in prostate glands // Methods. 2010. Vol. 52. P. 316-321. DOI: 10.1016/j.

12. Kolenko V., Teper E., Kutikov A., et al. Zinc and zinc transporters in prostate carcinogenesis // Nat. Rev. Urol. 2013. Vol. 10, № 4. P. 219-226. DOI: 10.1038/ nrurol.2013.43

13. Pechenino A.S., Brown T.R. Superoxide dismutase in the prostate lobes of aging Brown Norway rats // Prostate. 2006. Vol. 66, № 5. P. 522-535. DOI: 10.1002/pros.20364

14.Singh K.K., Desouki M.M., Franklin R.B., et al. Mitochondrial aconitase and citrate metabolism in malignant and nonmalignant human prostate tissues // Mol. Cancer. 2006. Vol. 5, № 14. DOI: 10.1186/14764598-5-14

References

2.Sayapina I.Y., Tseluyko S.S. Lobe-specificy of the ultrastructural features of the intact rat prostate and under short-term cold stress // Far East Medical Journal. 2012. № 2. P. 108-113. (In Russ.) DOI: https://doi.org/10.24412/ Fd4-L2zlPzs

3.Sayapina I.Yu., Tseluyko S.S., Cherednichenko O.A. Biological role of zinc in the prostate (molecular aspects) // Far East Medical Journal. 2015. № 2. P. 137-143. (In Russ.)

4.Sayapina I.Yu., Tseluyko S.S., Cherednichenko O.A. Reactive changes in the prostate epithelium induced by adaptation to cold //Far East Medical Journal. 2016. № 1. P. 78-82. (In Russ.)

5. Costello L.C., Feng P., Milon B., et al. Role of zinc in the pathogenesis and treatment of prostate cancer: critical issues to resolve // Prostate Cancer Prostatic Dis. 2004. Vol. 7, № 2. P. 111-117. DOI: 10.1038/sj.pcan.4500712

6. Costello L.C., Franklin R.B, Feng P. Mitochondrial function, zinc, and intermediary metabolism relationships in normal prostate and prostate cancer // Mitochondrion. 2005. Vol. 5, № 3. P. 143-153. DOI:10.1016/j.mito.2005.02.001

7. Costello L.C., Franklin R.B. Cytotoxic/tumor suppressor role of zinc for the treatment of cancer: an enigma and an opportunity // Expert. Rev. Anticancer Ther. 2012. Vol. 12, № 1. P. 121-128. DOI: 10.1586/ era.11.190

8. Franklin R.B., Milon B., Feng P., et al. Zinc and zinc transporters in normal prostate and the pathogenesis of prostate cancer // Front. Biosci. 2005. Vol. 10. P. 22302239.

9. Golovine K., Uzzo R.G., Makhov P. Depletion of intracellular zinc increases expression of tumorigenic cytokines VEGF, IL-6 and IL-8 in prostate cancer cells via NF-kappaB-dependent pathway // Prostate. 2008. Vol. 68, № 13. P. 1443-1449. DOI: 10.1002/pros.20810

10. Huang L., Kirschke C.P, Zhang Y Decreased intracellular zinc in human tumorigenic prostate epithelial cells: a possible role in prostate cancer progression // Cancer Cell Int. 2006. Vol. 6, № 10. P. 1-13. DOI: 10.1186/1475-2867-6-10

11. Johnson L.A., Kanak M.A., Kajdacsy-Balla A., et al. Differential zinc accumulation and expression of human zinc transporter 1 (hZIP1) in prostate glands // Methods. 2010. Vol. 52. P. 316-321. DOI: 10.1016/j. ymeth.2010.08.004

12. Kolenko V., Teper E., Kutikov A., et al. Zinc and zinc transporters in prostate carcinogenesis // Nat. Rev. Urol. 2013. Vol. 10, № 4. P. 219-226. DOI: 10.1038/ nrurol.2013.43

13. Pechenino A.S., Brown T.R. Superoxide dismutase in the prostate lobes of aging Brown Norway rats // Prostate. 2006. Vol. 66, № 5. P. 522-535. DOI: 10.1002/ pros.20364

14.Singh K.K., Desouki M.M., Franklin R.B., et al. Mitochondrial aconitase and citrate metabolism in malignant and nonmalignant human prostate tissues // Mol. Cancer. 2006. Vol. 5. № 14. DOI: 10.1186/14764598-5-14

Размещено на Allbest.ru