백서의 실험적 당뇨병에서 신사구체 변화와 그 기전에 관한 연구

Abstract

[영문]

[한글]

당뇨병은 인체의 주요 대사성 질환으로 insulin결핍에 의해 많은 대사장애를 일으킨다.

신병변은 당뇨병의 주요 합병증 중 하나로 병변의 경중은 당뇨병의 발병기간 및 경중도,

임상 및 검사소견과도 밀접히 관련된다.

진행된 당뇨병성 사구체 병변에 대해서는 많이 보고되었으며 잘 알려져 있으나 당뇨병

초기의 사구체 병변에 대한 연구는 드물고 최근에 와서야 시작되었을 뿐이다. 당뇨병의

유발약물로 streptozotocin과 alloxan이 사용되어 왔으며, 이중 streptozotocin은 생쥐,

백서, guinea pig 및 개의 취장의 β세포를 파괴시킴으로써 당뇨를 유발시키며, alloxan

은 기전은 다르나 역시 당뇨병을 유발시킨다.

당뇨병의 조기변화로는 신비후 및 사구체여과율증가, 사구체 맥관막기질의 증가, 사구

체 기저막의 비후등이 보고되어 있으며 이러한 변화중 형태학적으로 어느 것이 선행하는

가가 당뇨병에서 신기능과의 연관성 및 병인을 밟히는데 도움이 될 것이라 생각하여, 본

연구에서는 사람에서와 매우 유사한 병변을 유발할 수 있는 백서에 당뇨병을 유발시킨 후

그 변화를 관찰, 비교하여 조기변화와 기전을 알아보고자 하였다.

실험동물은 체중 250gm내외의 웅성백서 314마리로 대조군, streptozotocin투여군, allo

xan 투여군으로 대별하였다. 제 Ⅰ군은 1 cc의 acidified saline을 꼬리정맥에 1회 주사

하였고, 제 Ⅱ군은 streptozotocin 55 mg/kg을 주사하였으며, 제 Ⅲ군은 alloxan 45mg/kg

을 주사하였다. 약물투여군은 2일 및 10일후에 reagent strip(Ames회사 제품)으로 뇨당

을 검사하여 당뇨병 유발을 확인하였고, 2주, 1개월, 2개월, 3개월 및 4개월에 각각 5마

리씩 도살하였으며 대조군은 각 2마리씩 도살하였다. 도살직전 뇨당, 뇨단백, 뇨케톤체와

혈당을 측정하였다. 광학현미경 검사로는 통상의 과정을 거쳐 4∼5μ으로 박절한 신장조

직을 hematoxylin-eosin, PAS, PAMS, trichrome, alcian blue염색을 시행하였으며 취장조

직은 hematoxylin-eosin염색만 시행하였다. 전자현미경검사는 통상의 과정을 거쳐 Hitach

i H-500투과형 전자현미경으로 검경하여 맥관막 기질 및 사구체 기저막의 두께를 측정,

비교함으로써 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 혈당치는 대조군에서 75mg%내지 105mg%였으며 streptozotocin 및 alloxan투여군에서

는 2주군부터 현저히 상승하여 4개월군까지 지속되었으며 그 범위는 342∼942mg%였다.

2. 당뇨는 streptozotocin투여군 및 alloxan 투여군의 2주군부터 현저하여 4개월군까지

지속되었으며 단백뇨는 streptozotocin투여 1 및 2개월군에서는 ±내지 1+였으며 3개월

군에서는 전예에서 1+였다. 뇨케톤은 alloxan투여 2주군에서 1마리만 양성이었고 strepto

zotocin투여군을 포함하여 나머지는 모두 음성이었다.

3. 광학현미경 소견상 사구체 맥관막은 streptozotocin투여 2주, 1, 2개월군에서 대조

군과 의의있는 차이가 없었으나 streptozotocin투여 3개월, 4개월군과 alloxan투여 1개월

군부터 국소적인 맥관막확장 및 PAS양성의 맥관막 기질의 증가가 관찰되었다.

사구체 기저막은 streptozotocin투여 및 alloxan투여 2주, 1, 2, 3개월군에서 대조군과

의의있는 차이가 없었으며 streptozotocin투여 및 alloxan투여 4개월군에서는 국소적인

기저막의 비후가 의심되었다.

4. 전자현미경 소견상 사구체 기저막의 두께는 streptozotocin투여 2주와 1개월군에서

는 대조군이 비해 의의있는 차이가 없었으나, 2개월군부터 비후가 관찰되며 특히 lamina

densa의 비후 및 국소적인 lamina rara interns의 moth-eaten양상을 보였다.

Alloxan투여 4개월군에서도 사구체 기저막의 비후를 관찰할 수 있었으며 streptozotoci

n투여군과 유사한 형태학적 소견을 보였다.

5. 전자현미경 검사상 streptozotocin투여군과 alloxan 투여군의 사구체맥관막의 백관

세포수는 대조군과 비교하여 별 차이가 없었다. 맥관막 기질은 streptozotocin투여 3개월

및 4개월군에서 41.5%와 40.9%로 대조군의 34.5%에 비해 증가되어 있었으며 alloxan투여

1개월군에서도 37.6% 맥관막 기질의 증가를 관찰할 수 있었다.

이상의 결과를 종합하여 보면 당뇨병에서 신장의 조기 형태학적 변화는 기저막의 비후

및 맥관막 기질의 증가로 나타난다고 생각되며, 이 두 변화는 거의 동시에 일어나지만 이

중 맥관세포의 기능장애로 인한 맥관막 기질의 증가가 더욱 중요한 의미를 가질 것으로

사료된다.

A Stuty of Glomerular Changes and Its Mechanism in Experimental Diabetes of Rats

Sang Hak Park

Department of Medical Science The Graduate School, Yonsei University

(Directed by Professor In Joon Choi, M.D.)

Diabetic nephropathy, one of the major complications of diabetes mellitus, is

related to its duration, severity, and clinical and laboratory findings. It

manifests various morphologic features such as nodular and diffuse

glomerulosclerosis, exudative lesion, pyelonephritis, and fatty change of

convoluted tubules in advanced stage. Until recently, the changes and mechanisms of

glomerulopathy in early and incipient stage of diabetes mellitus have not been

reported and understood systematically.

Experimental diabetes has been induced by streptozotocin or alloxan. The former

is cytotoxic for the pancreatic beta-cell of mice, rats, guinea pigs, and dogs, and

manifests similar morphologic features to those of the human beings. The latter

induces diabetes by acting on the beta-cell membrane.

Present study is aimed toward the investigation of early changes and possible

mechanisms of diabetic glomerulopathy. A total of 314 male rats, weighing about 25O

gm, were divided into normal control, streptozotocin-treated, and alloxan-treated

groups. The first group was injected once with acidified saline 1cc through the

tail vein. The second group was injected once with streptozotocin 55 mg/kg,

dissolved in 0.9% saline and acidified with 0.05 M citric acid. Finally the third

group was injected with alloxan monohydate 45 mg/kg. The induction of the diabetes

was confirmed by examination of urine sugar using reagent strip 2 and 10 days after

the drug administration.

Animals were killed 2 weeks, 1 month, 2 months, 3 months, and 4 months after the

administration and the specimens were obtained from the kidney and pancreas. The

urine and blood sampling were also done for the detection of glycosuria,

proteinuria, ketonuria and hyperglycemia. For light microscopic examination

paraffin blocks were sectioned at thickness of 5 microns, and stained with

hematoxylin-eosin, PAS, PAMS, trichrome, and alcian blue techniques. For electron

microscopic examination conventional procedures were applied and the observation

was made with Hitachi H-500 transmission electron microscope. The measurement of

the ratio of mesangial matrix to mesangial area and of the thickness of glomerular

capillary basement membrane was done by the φsterby method(1975).

Results obtained were as follows :

1. The blood sugar was within normal range in the control group, while in the

streptozotocin-and alloxan-treated groups, hyperglycemia was noted and maintained

in the range of 342 to 942 mg%.

2. Glycosuria was noted in all cases of the streptozotocin and alloxan-treated

groups, proteinuria became positive in all cases of the streptozotocin-treated

3-month group, and ketonuria was detectable in only one case of alloxan-treated

group.

3. By light microscopical examination, mesangial widening and an increase of

mesangial matrix were observed in the streptozotocin-treated 3-month and 4-month

groups, and in the alloxan-treated 4-month groups.

4. By electron microscopical examination thickening of the glomerular capillary

basement membrane was noted in the streptozotocin-treated 2 month group, in

association with focal rarefaction of lamina rara interna and appreciable

thickening of lamina densa. In the alloxan-treated 4-month group, similar changes

were observed.

5. The ratio of mesangial matrix to mesangial area was increased to 41.5% and

40.9% respectively in the streptozotocin-treated 3-month groups, as compared with

that of the control group(34.5%). In the alloxan-treated 4-month group the ratio

was slightly increased.

In summary it is thought that the early morphologic changes in

streptozotocin-induced diabetes in rat are glomerular basement membrane thickening

and increased mesangial matrix. These occur simultaneously, but the mesangial

dysfunction due to overloaded trapping of circulating macromolecules in mesangial

matrix is considered to be more important in the evolution of diabetic

glomerulopathy. However, the possibility of complex changes of endothelial,

epithelial and mesangial cells in diabetic milieu resulting in glomerular and

mesangial changes must also be considered.