식이단백질 수준이 나이 증가에 따른 신장기능 저하에 미치는 영향 : 노화모델로 한쪽 신장을 절제한 흰쥐 이용

Abstract

본 연구는 식이 단백질 수준이 나이 증가에 따라 신장 기능에 미치는 영향과 그 기전을 알아보기 위하여 행하여졌다. 또한 신장기능의 퇴화를 촉진하기 위하여 한쪽 신장을 절제한 흰쥐가 신장의 노화를 연구하는데 적합한 동물인가를 검증하였다. 12주령의 숫컷 흰쥐를 신장절제술(uninephrectomy)과 대조군으로 sham-operaton을 실시하여 4주간 회복시킨후, 각각 3군으로 나누어 8%, 15%, 40% casein 식이로 24주 동안 사육하였다. 신장 기능의 지표로는 사구체여과율, 뇨단백질 배설량, 뇨로 배설되는 무기질의 함량과 뇨농축능력을 측정하였고, 조직 변화를 관찰하였으며, 식이 단백질이 신장기능에 영향 미치는 기전을 알아보기 위하여 혈중 지질 농도, 혈액, 뇨, 및 신장조직내의 eicosanoids의 농도, 그리고 신장 brush-border membrane(BBM)에서의 지질 농도와 효소활성을 분석하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 식이 단백질 수준이 높을수록 식이섭취량과 체중이 증가하였고, 신장절제군의 성장률은 대조군과 차이가 없었다. 신장의 무게는 식이 단백질 수준이 높을수록 증가하였는데, 15%와 40% 단백질 식이를 먹인 신장절제군의 남은 한쪽 신장의 무게는 8%와 15% 단백질 식이를 먹인 대조군의 양쪽 신장무게의 합과 같은 수준으로 증가하여 뚜렷한 hypertrophy현상을 보였다. 식이 단백질 수준이 높을수록 혈청내 요소질소의 농도는 높았으나 뇨로 배설되는 요소질소의 양은 감소하였다. 뇨로 배설되는 무기질의 양은 식이 단백질 수준이 높을수록 Na과 K은 감소한 반면, P과 Ca은 증가하였다. 그러나 신장절제에 의한 영향은 Na, K, Mg, P, Cl, Ca에서 모두 같아서, 신장절제군이 대조군보다 배설량이 많았다. 사구체여과율과 뇨단백질 수준이 높을수록 높았다. 신장절제군이 대조군에 비하여 사구체여과율은 낮은 경향이었고, 뇨단백질 배설량은 높았다. 사육기간이 경과할수록 식이 단백질 수준에 따른 영향이 커져서 신장절제 여부와는 상관없이 고단백군에 뇨단백질 배설량이 증가했다. 물섭취량은 각 실험군간에 차이가 없었으나 뇨배설량은 고단백군에서 많았다. 뇨의 삼투질농도는 식이 단백질 수준이 높을수록 높아서 고단백질 섭취시 뇨농축능력이 증가함을 볼 수 있었다. 그러나 18시간 동안 탈수시킨 후 6시간 동안의 뇨를 받아 삼투질농도를 측정한 최대뇨농축능력(maximum urine concentrating ability)은 실험군간에 차이가 없었다. 광학현미경으로 조직 변화를 관찰한 결과, glomerular matrix 증가와 사구체 경화 현상이 주로 15%와 40% 단백질 식이를 섭취한 신장절제군과 40% 단백질을 섭취한 대조군에서 발견되었고, Interstitial fibrosis와 inflammation도 15%와 40% 단백질 식이를 섭취한 신장절제군에서 정도가 심한 경향을 보였다. Tubular atrophy를 보인 쥐 수도 신장절제군에서 많았으며 고단백군에서 정도가 심했다. 형광현미경으로 신장 조직의 immunoglobulin G(IgG)와 알부민의 축적을 관찰한 결과, 고단백질군과 신장절제군에서 mesangium과 capillary loops에 알부민의 축적 정도가 심한 것으로 관찰되었고, 모든 실험군에서 mesangium에 IgG가 축적된 것을 볼 수 있었다. 혈청내 총지방, 콜레스테롤, HDL-cholesterol은 15%와 40% 단백질군에서 높아서 식이 단백질 수준의 차이에 의해 혈중 지질농도가 변하는 것이 관찰되었다. 신장의 brush border membrance(BBM)의 콜레스테롤 함량은 고단백식이를 먹인 신장절제균에서 유의적으로 높았고, 인지질 함량은 신장절제군이 대조군보다 높았다. 신장의 BBM에 고착된 alkaline phosphatase, maltase, aminoacid arylamidase 등 세가지 효소의 활성을 살펴본 결과, 식이 단백질 수준에 의한 유의적인 차이는 없었으며, 신장절제에 의한 영향은 amino acidarylamidase에서만 유의적이어서 신장절제군이 대조군보다 활성이 컸다. Maltase는 신장절제군에서는 8% 단백질군이 활성이 가장 컸던 반면 대조군에서는 8% 단백질군이 활성이 가장 낮아, 식이와 신장절제 사이의 상화작용을 볼 수 있었다. 식이 단백질 수준이 높을수록 혈청내 thromboxane B_2(TXB_2)와 6-ketoprostaglandin F_1α(6-ketoPGF_1α)의 농도는 높은 경향이었고, 신장조직내 TXB_2의 양은 이와 반대 경향이었다. 신장절제에 의한 영향은 신장 피질의Prostaglandin E_2(PGE_2) 농도에서 유의적이어서 신장절제군이 대조군보다 낮았다. 뇨증의 PGE_2와 TXB_2의 배설량은 신장절제군에서 높은 경향을 보였으나 통계적인 유의성은 없었다. 이상의 결과들을 종합해 볼 때, 식이 단백질 수준이 높을수록 사구체여과율과 뇨단백질 배설량이 증가하여 식이 단백질 수준이 높으면 신장 기능의 저하가 촉진됨을 볼 수 있었다. 그리고 식이 단백질 수준이 높을수록 glomerularmatrix의 증식, 사구체경화, 조직내 알부민 축적 등과 같은 조직 변화가 심해서 이런 조직의 변화가 신장 기능의 변화와 관련있음을 알 수 있었다. 또한 혈중 총지방, 콜레스테롤, HDL-cholesterol의 농도가 식이 단백질 수준이 높을 수록 높았고, 신장 BBM의 콜레스테롤 농도가 고단백식이를 먹인 신장절제군에서 높았으며, 혈액과 신장조직내의 TXB_2농도가 식이 단백질 수준에 따라 변화하였다. 이러한 변화들은 신혈류와 압력에 영향을 미쳐 GFR등의 신장기능을 변화시킬수 있는 것들로써 식이 단백질에 의한 신장기능 및 조직의 변화가 지질 및 eicosanoids 대사와 신장 세포막의 성분을 변화시킴으로써 일어날 수 있음을 의미한다. 앞으로 이런 변화의 기전을 규명하기 위한 연구가 더 진행되어야 할 것으로 사료된다. 신장을 절제한 쥐는 식이 단백질에 수준증가에따른 단백뇨 배설과 같은 신장기능의 저하와 신장 조직의 병리학적 변화 등의 발현시기가 앞당겨지고 정도가 심해서 식이 단백질에 의한 신장의 노화를 연구하기 위한 동물모델로써의 장점을 확인할 수 있었다. ; This study was performed to investigate the effect of dietary protein level on renal senescence. The possibility of using uninephrectomized rats as aging model was also tested. Male rats of 337.8±5.7g body weight were undergone unilateral nephrectomy or sham-operation. The rats were divided into high protein(40% casein), normal protein(15% casein)and low protein(8% casein)diets, forming 6 experimental groups : uninephrectomized-40% protein(NH), uninephrectomized-15% protein(NM), uninephrectomized-8% protein(NL), sham operated-40% protein(SH), sham operated-15% ptotein(SM), sham operated-8% protein(SL). All experimental diets contained 0.4% Ca, 0.6% P. The rats were fed experimental diets ad libitum for 24 weeks. The results are summarized as follows. There was a hypertrophy of the remnant kidney of uninephrectomized rats of 40% or 15% protein group, coming up to the comparable weights of both kidneys of sham-operated rats. However, the hypertrophic effect was not seen in uninephrectomized rats of 8% protein group. Serum albumin was lower in uninephrectomized rats. Serum urea nitrogen was increased with increasing dietary protein level, whereas, urinary urea nitrogen excretion was decreased with increasing dietary protein level. Urinary solute excretion was higher in uninephrectomized group than sham-operation group. However, effect of dietary protein level on urinary solute excretion was different depending on the solutes tested. With increasing dietary protein level Na and K excretion were decreased, and P and Ca excretion were increased. However Mg and Cl excretion were not influenced by dietary protein level. GFR, measured every 4 weeks, and urinary protein excretion increased with feeding period and dietary protein level. Proteinuria was most severe in uninephrectomized rats fed 40% casein diet. There was no difference in daily water intake among the experimental groups and urine volume and urine osmolality were highter in high protein groups, suggesting higher urine concentrating ability of rats fed high protein diet. But maximum urine concentrating ability measured after dehydration was not differ among the experimental groups. Light microscopic examination showed that uninephrectomized rats fed 40% and 15% protein diet but not 8% diet, and those in sham-operated rats fed 40% diet had glomerulus with segmental sclerosis and glomerular mesangium with mild expansion by increasing matrix. Immunofluorescence studies revealed segmental deposits of albumin in the mesangium and capillary loops in high protein and uninephrectomized groups. Also immunofluorescence showed minimal granular deposition of IgG in the Serum TXB_2 and 6-ketoPGF_1αincreased with increasing dietary protein level. Serum PGE_2 was not affected by uninephrectomy or by dietary protein level. Urinary PGE_2 and TXB_2 excretion tended to lower in uninephrectomized groups. Renal tissue concentration of TXB_2 was lower in uninephrectomized groups and in high protein groups. Serum total lipid, cholesterol and HDL-cholesterol of rats in 15% and 40% casein groups were higher than those of 8% casein group. But serum triglyceride was affected neither by uninephrectomy nor by dietary protein level. In brush-border membrane(BBM) of renal cortex, cholesterol was norticeably higher in NH group. Phospholipid in BBM was higher in uninephrectomized groups. No difference was found in alkaline phosphatase activity in BBM. There was an interaction between uninephrectomy and dietary protein level in maltase activity. Amino acid arylamidase tended to increase in uninephrectomized groups. In conclusion, high protein intake accelerated deterioration of renal function and it was associated with morphological changes. Low protein intake was effective in preventing these changes. Dietary protein level affected serum lipid composition, BBM lipid concentration, BBM attatched enzyme activity and eicosanoids metabolism. These results suggest the possibility that the effects of altered dietary protein level on renal function could be due to changes in lipid and eicosanoids metabolism.