Pathomorphology of adaptive changes in the remaining kidney in the early postoperative period after nephrectomy

Cover Page
  • Authors: Shormanov I.S.1, Los M.S.2, Kosenko M.V.3, Shormanova N.S.1
  • Affiliations:
    1. Yaroslavl State Medical University of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation
    2. Regional Clinical Hospital
    3. Federal State Budgetary Educational Institutionof Higher Education "Yaroslavl State Medical University" of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation
  • Issue: Vol 10, No 1 (2020)
  • Pages: 19-24
  • Section: Original articles
  • URL: https://journals.eco-vector.com/uroved/article/view/13378
  • DOI: https://doi.org/10.17816/uroved10119-24
  • Cite item

Abstract


Objective. To study the adaptive capacity of a single remaining kidney in the early postoperative period of nephrectomy in an experiment.

Materials and methods. The experiment involved 35 laboratory white rats, which were divided into three experimental groups. Group 1 (n = 5) intact animals, group 2 (n = 15) animals underwent nephrectomy on the left; group 3 (n = 15) animals underwent nephrectomy and additionally were created 90 minute hypoxic hypoxia. Histological material was collected on the 5th, 21st and 60th days after surgery.

Results. Characteristic morphological changes in the only remaining kidney were an increase in the size of the glomeruli and a decrease in their number. Nephron fibrosis was detected, accompanied by increased production of antigens by the tubular epithelium, which is likely a response to a cascade increase in oxidative stress and increased release of cytokines that stimulate the production of intrarenal collagen.

Conclusion. Nephrectomy and hypoxia are provocateurs for the development of systemic distress syndrome, the result of which is the formation of a “vicious pathogenetic circle”, which reduces the functionality of the renal tissue. This can be considered as one of the early preclinical mechanisms for the initiation of single kidney disease in the future.


Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Первая успешная нефрэктомия человеку была выполнена Густавом Симоном в 1869 г. В настоящее время основными показаниями к удалению почки являются ее опухоли и травматические повреждения. С конца XIX в. изучали сроки и механизмы восстановления функции единственной почки после удаления противоположной, характер адаптационных процессов, а также качество и продолжительность жизни пациентов с единственной почкой. Согласно полученным данным, в первые часы после нефрэктомии возникает интенсивная венозная конгестия почечной паренхимы — картина, весьма сходная с острым воспалением. Вскоре появляется лейкоцитарная инфильтрация интерстиция и дилатация сосудов. Через 72 ч эпителий канальцев набухает, отмечается интенсивное митотическое деление, практически закрывающее просвет канальцев. Спустя 4–10 дней гиперемия исчезает, оставляя ненормально расширенными в отдельных местах клубочки и канальцы с окаймляющими их большими эпителиальными клетками. В ходе морфологических исследований была показана зависимость скорости и степени компенсаторной гипертрофии почки от возраста пациента: у больных до 30 лет наблюдается значительное ускорение гипертрофии почки, что может быть выявлено рентгенологически через 1 мес. после нефрэктомии. По функциональным возможностям единственная почка у лиц в 30-летнем возрасте соответствует работе двух почек у лиц старше 60 лет. Функция канальцев здоровой единственной почки достигает нормального уровня в течение довольно короткого времени после нефрэктомии и не зависит от степени анатомической гипертрофии, однако полное ее восстановление происходит намного позднее того времени, которое необходимо для устранения анатомических нарушений почечной ткани. Увеличение почки у лиц старше 50 лет едва заметно даже спустя год после нефрэктомии [1–3]. Клубочковая фильтрация оставшейся единственной почки так же ухудшается с возрастом. A. Schlichter et al. [4] вывели пропорциональную зависимость между функцией оставшейся почки и возрастом. Резервные возможности почки зависят от количества «спящих» нефронов. В единственной почке после контрлатеральной нефрэктомии не происходит образования новых гломерул и канальцев, но возникает гипертрофия функционирующих нефронов. Несмотря на это, независимо от возраста больного и времени, прошедшего с момента операции, функциональная способность единственной почки, как правило, оказывается сниженной [5, 6]. При этом именно объем функционирующей паренхимы (клубочков и канальцев почки), предопределяющий уровень фильтрации в почке, многими исследователями рассматривается как ключевой предиктор функциональных нарушений в почке в послеоперационном периоде, даже независимо от длительности нарушений почечного кровоснабжения непосредственно во время операции [7–10]. Отсутствие полноценного восстановления фильтрационной способности единственной почки предопределяет в дальнейшем высокую частоту (достигающую 87 %) ее заболеваний, которые развиваются на фоне ежегодной прогрессирующей потери клубочковой фильтрации примерно на 2 % в течение 1–7 лет и более 5 % в год через 7 и более лет после нефрэктомии [11, 12]. Уменьшение функциональной способности единственной оставшейся почки сопровождается снижением общей адаптационной способности организма [13].

Цель исследования — изучить адаптационные возможности единственной почки в раннем послеоперационном периоде после нефрэктомии в эксперименте.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В эксперименте участвовало 35 лабораторных белых крыс. Все животные были разделены на 3 группы. Группа 1 (n = 5) — интактные животные; группа 2 (n = 15) — крысы, которым выполняли нефрэктомию слева; группа 3 (n = 15) — крысы, которым выполняли нефрэктомию и дополнительно создавали 90-минутную гипоксическую гипоксию. Длительность патоморфологического экспериментального исследования составила 60 сут. Забор гистологического материала производили на 5, 21 и 60-е сутки. Предметом прицельного изучения стали структурные компоненты нефрона на всем его протяжении. Определяли количество и средний размер гломерул почек, оценивали целостность и структуру базальных мембран клубочков, выраженность склеротических изменений в гломерулах, степень изменения эндотелия сосудов почек в ответ на повреждение, пролиферативную активность в зависимости от этапа эксперимента, степень повреждения эпителия канальцев проксимального и дистального типов, сохранность их базальных мембран, выраженность воспалительной инфильтрации. Препараты окрашивали гематоксилином и эозином, для гистохимического исследования — трихромом в модификации Массона (выявление соединительнотканного компонента и степени зрелости коллагеновых волокон) и PAS (оценка структуры базальных мембран и сосудистой стенки). Наиболее чувствительными к токсическим воздействиям и гипоксии в первую очередь являются эндотелий сосудов и эпителий канальцев почки. Степень повреждения сосудистой стенки, именно ее набухание, отек эндотелия и диссоциация его элементов, оценивали по уровню и интенсивности экспрессии Podoplanin и CD34 на эндотелии лимфатических и кровеносных сосудов соответственно. Для идентификации и определения линии дифференцировки элементов воспалительного инфильтрата проводили иммуногистохимические исследования с моноклональными антителами к CD3 (Т-линия дифференцировки) и CD20 (В-линия дифференцировки). Уровень пролиферативной активности в ответ на повреждение оценивали по реакциям с Ki-67 из расчета количества клеток с позитивной ядерной экспрессией на 100 элементов аналогичного морфологического ряда. Для визуализации сохранности и изменяемости эпителия канальцев почки проводили реакцию с panCK (AE1/AE3).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Размеры почек крыс 1-й группы в среднем были 1,5 см в продольном разрезе и 1,0 см — в поперечном. Структура почечной ткани прослеживалась четко. Клубочки располагались в коре. В одном поле зрения 1 мм2 число клубочков составляло от 8 до 13 (среднее количество 10,6). Размеры клубочков из расчета на 100 шт. — от 57,0 до 108,6 мкм (средний размер 75,6 мкм). Клубочки правильного гистологического строения. PAS-позитивные базальные мембраны капсулы не расщеплены, однослойные. Капилляры (CD34+) формируют густую сеть, полнокровны. Признаков пролиферации мезангия не выявлено. Эпителий проксимальных и дистальных канальцев однослойный, без признаков метаболических повреждений. Организация хроматина в ядрах и цитоплазме без признаков некробиотических изменений, гомогенная. Базальные мембраны канальцев замкнутые, тонкие на всем протяжении. Оба типа канальцев плотно прилежат друг к другу, расстояние между ними не увеличено. Просвет канальцев пуст или щелевидный, включения не выявлены. Оба типа канальцев экспрессируют panCK, с более интенсивной реакцией в проксимальном отделе. Фиброз нефронов при окраске трихромом по Массону не выявлен. Воспалительная инфильтрация не выражена, в срезе визуализируются 1–2 лимфоцита (CD3/CD20), без эпителиотропизма. Артериолы (CD34+) без признаков пролиферации эндотелия, стенка не гиалинизирована, не склерозирована (рис. 1).

 

Рис. 1. Гистологическая структура ткани и размер гломерул единственной почки интактной крысы (1-я группа). Окраска гемотоксилином и эозином, ×200

Fig. 1. The histological structure of the tissue of a single kidney and the size of the glomeruli of the intact rat (1st group). Hematoxylin-eosin, ×200

 

На 5-е сутки после нефрэктомии у животных 2-й группы почки имели продольный размер 1,6–1,7 см и поперечный — 1,0–1,1 см. В одном поле зрения 1 мм2 число клубочков составляло от 7 до 12 (среднее количество 9,2). Размеры клубочков из расчета на 100 шт. — от 50,6 до 128,6 мкм (средний размер 78,8 мкм). В остальном гистологическое строение и результаты гистохимических окрасок и иммуногистохимического исследования аналогичны таковым в интактных почках крыс 1-й группы.

У крыс 3-й группы продольный размер почек составил 1,7–1,8 см, поперечный — 1,1 см. В одном поле зрения 1 мм2 число клубочков составляло от 7 до 10 (в среднем — 8,5). Размеры клубочков из расчета на 100 штук — от 63,5 до 107,7 мкм (средний размер 94,2 мкм). Таким образом, отмечена тенденция к снижению плотности клубочков и увеличение их размеров. Уменьшение количества клубочков обусловлено умеренным отеком интерстиция и расширением просвета артериол. Последние характеризовались чуть набухшим CD34-позитивным эндотелием и незначительно утолщенными стенками. Клубочки полнокровны, признаков пролиферации мезангия не выявлено. Базальные мембраны как в клубочках, так и в канальцах обоих типов сохранны на всем протяжении. Эпителий канальцев дистального типа со склонностью к увеличению объема цитоплазмы, отмечается апикальная ее вакуолизация. Признаков конденсации в цитоплазме и хроматина в ядрах не отмечается. Просвет канальцев проксимального типа расширен, эпителий их уплощен. Некоторые проксимальные канальцы имели вытянутую форму, компремированы за счет отека. В просвете канальцев включения не визуализировались. Эпителий panCK-позитивен со смещением интенсивности реакции к проксимальному отделу. Воспалительная инфильтрация не выражена. Пролиферативная активность повышена в зоне формирования собирательных трубочек, где составляет порядка 15 % (рис. 2).

 

Рис. 2. Гистологическая структура ткани и размер гломерул единственной почки крысы 3-й группы, 5-е сутки эксперимента. Окраска гематоксилином и эозином, ×200

Fig. 2. The histological structure of the tissue of a single kidney and the size of the glomeruli of the rat of the 3rd group, on the 5th day of the experiment. Hematoxylin-eosin, ×200

 

На 21-е сутки после нефрэктомии у крыс группы 2 продольные размеры почек составили 1,8 см, поперечные — 1,3 см. В одном поле зрения 1 мм2 число клубочков составляло от 4 до 7 (среднее количество 5,2). Размеры клубочков из расчета на 100 шт. — от 54,8 до 119,0 мкм (средний размер 93,9 мкм). По сравнению с пятым днем существенные изменения произошли лишь в увеличении размеров гломерул и снижении их количества на площадь поверхности среза. Повреждения эпителиоцитов в канальцах выражены в дистальных их отделах в виде вакуолизации и очаговой конденсации цитоплазмы. Данные изменения подкреплялись сниженной иммунореактивностью эпителия к panCK по сравнению с эпителием проксимальных канальцев, где реакция была яркой и интенсивной. Некротических изменений не выявлено. Воспалительная инфильтрация за счет CD3+ единичных лимфоцитов в интерстиции без склонности к эпителиотропизму. Признаков пролиферации эндотелия сосудов не выявлено (CD34). Базальные мембраны как клубочков, так и канальцев сохранны на всем протяжении и на всей площади срезов. Пролиферативная активность порядка 20 % в собирательном аппарате почки (рис. 3).

 

Рис. 3. Гистохимическое исследование почки крысы 2-й группы, 21-е сутки эксперимента. PAS-реакция, ×200

Fig. 3. Histochemical examination of the kidney of the rat of the 2nd group, the 21st day of the experiment. PAS reaction, ×200

 

У животных 3-й группы продольные размеры почек составляли в среднем 2,1 см, поперечные — 1,3 см. В одном поле зрения 1 мм2 число клубочков составляло от 5 до 8 (в среднем 6,5). Размеры клубочков из расчета на 100 шт. — от 72,5 до 115,1 мкм (средний размер 93,4 мкм). Структурных изменений в ткани почки по сравнению с пятым днем не выявлено. Отмечается полнокровие интерстициальных капилляров без признаков дистрофических изменений в их эндотелии. Фокально в отдельных полях зрения отмечается визуализируемый трихромом по Массону периваскулярный (вокруг артериол) и перигломерулярный нежный фиброз (рис. 4.).

 

Рис. 4. Гистологическая структура ткани и размер гломерул единственной почки крысы 3-й группы, 21-е сутки эксперимента. Окраска гематоксилином и эозином, ×200

Fig. 4. The histological structure of the tissue of a single kidney and the size of the glomeruli of the rat of the 3rd group, on the 21st day of the experiment. Hematoxylin-eosin, ×200

 

Через 60 сут. после нефрэктомии у крыс 2-й группы продольные размеры единственной оставшейся почки составили 2,0–2,1 см, поперечный — 1,3 см. В одном поле зрения 1 мм2 число клубочков составляло от 6 до 8 (среднее количество 6,9). Размеры клубочков из расчета на 100 штук — от 55,13 до 122,7 мкм (средний размер 86,73 мкм) (рис. 5).

 

Рис. 5. Гистологическая структура ткани и размер гломерул единственной почки крысы из 2-й группы, 60-е сутки эксперимента. Окраска гематоксилином и эозином, ×100

Fig. 5. The histological structure of the tissue of a single kidney and the size of the glomeruli of the rat of the 2nd group, on the 60th day of the experiment. Hematoxylin-eosin, ×100

 

Морфологические характеристики гломерул остаются неизменными: капиллярная сеть богатая, признаков пролиферации мезангия не выявлено; базальные мембраны одноконтурные. Фиброз и склероз не выражены. Со стороны канальцевого аппарата изменения по сравнению с 5-ми и 21-ми сутками выражены лишь в эпителии проксимальных канальцев. Просвет их расширен, эпителий высокий, цитоплазма увеличена в объеме. Форма эпителиоцитов от кубической, до формы по типу «шляпка гвоздя» (придает эпителию вид «булыжной мостовой»). Синусоиды и артериолы полнокровны. Эндотелий интактен. Реактивность в отношении panCK снижена как в эпителии дистальных, так и проксимальных канальцев. В дистальных канальцах реакция слабая, очаговая, в проксимальных — диффузная во всех структурах, интенсивность менее выражена по сравнению с таковой на 21-е сутки эксперимента. Пролиферативная активность на данном этапе отмечена в единичных элементах эпителия дистальных канальцев. Неспецифическое связывание получено на эпителии канальцев проксимального типа.

У крыс 3-й группы на 60-е сутки после нефрэктомии продольные размеры оставшейся почки 2,1–2,2 см, поперечные — 1,4–1,5 см. В одном поле зрения 1 мм2 число клубочков составляло от 2 до 9 (среднее количество 5,3). Размеры клубочков из расчета на 100 шт. — от 63,9 до 126,2 мкм (средний размер 97,9 мкм). Морфологические характеристики и иммунофенотип аналогичны таковым на 21-й день эксперимента (рис. 6).

 

Рис. 6. Гистологическая структура ткани и размер гломерул единственной почки крысы из 3-й группы, 60-е сутки эксперимента. Окраска гематоксилином и эозином, ×100

Fig. 6. The histological structure of the tissue of a single kidney and the size of the glomeruli of the rat of the 3rd group, on the 60th day of the experiment. Hematoxylin-eosin, ×100

 

Результаты проведенного исследования показали, что характерными морфологическими изменениями в единственной оставшейся почке являются увеличение размеров клубочков почки и уменьшение их количества. Эти изменения имеют тенденцию к нарастанию с течением времени, прошедшего после нефрэктомии. На фоне дефицита количества и качества клубочков развивались интраренальный фиброз нефронов. Последний вызывает нарушение архитектоники почечной ткани и сопровождается повышением выработки антигенов эпителием канальцев в ответ на каскадное усиление окислительного стресса и повышенного высвобождения цитокинов (в частности, трансформирующего фактора роста фибробластов), стимулирующих выработку интраренального коллагена. Указанные изменения в наибольшей степени были выражены у крыс 3-й группы, у которых неблагоприятные условия системного дистресс-синдрома были индуцированы нефрэктомией и гипоксией. Таким образом, формируется «порочный патогенетический круг», который может рассматриваться как один из ранних доклинических механизмов инициации заболеваний единственной почки в будущем.

ВЫВОДЫ

Нефрэктомия и гипоксия вызывают изменения оставшейся почки, повышают риск снижения функциональных возможностей почечной ткани и проявляются рядом характерных морфологических признаков. Эти изменения могут рассматриваться как одни из ранних доклинических механизмов инициации заболеваний единственной почки в будущем.

About the authors

Igor Sergeevich Shormanov

Yaroslavl State Medical University of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation

Email: i-s-shormanov@yandex.ru

Russian Federation, Yaroslavl

Doctor of Medical Sciences, Professor, Head of the Department of Urology with Nephrology

Marina S. Los

Regional Clinical Hospital

Author for correspondence.
Email: 922099@mail.ru

Russian Federation, Yaroslavl

Candidate of Medical Sciences, Urologist

Maxim V. Kosenko

Federal State Budgetary Educational Institutionof Higher Education "Yaroslavl State Medical University" of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation

Email: Maxim.kosenko76@yandex.ru

Russian Federation, Yaroslavl

Senior Lecturer, Department of Physical Culture and Sports

Natalia S. Shormanova

Yaroslavl State Medical University of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation

Email: i-s-shormanov@rambler.ru

Russian Federation, Yaroslavl

Assistant of the Department of Pathological Anatomy

References

  1. Иванов А.П., Тюзиков И.А. Нефрэктомия в современных условиях: причины и дальнейшая судьба больных с единственной почкой // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 7. – С. 64–66. [Ivanov AP, Tyuzikov IA. Nefr·ektomiya v sovremennykh usloviyakh: prichiny i dal’neyshaya sud’ba bol’nykh s edinstvennoy pochkoy. Fundamental research. 2011;(7):64-66. (In Russ.)]
  2. Тюзиков И.А., Греков Е.А., Мартов А.Г. Заболевания единственной почки: научная история и эволюция проблемы // Урология. – 2013. – № 6. – С: 103–110. [Tyuzikov IA, Grekov EA, Martov AG Diseases of solitary kidney: the history and evolution of scientific issues. Urologiia. 2013;(6):103-110. (In Russ.)]
  3. Rabkin R, Fervenza FC. Renal Hypertrophy and Kidney Disease in Diabetes. Diab Metab Rev. 1996;12(3):217-241. https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-0895(199610)12:3<217::AID-DMR165>3.0.CO;2-C.
  4. Schlichter A, Wunderlich H, Junker K, et al. Where are the limits of elective nephron-sparing surgery in renal cell carcinoma? Eur Urol. 2000;37(5):517-520. https://doi.org/10.1159/000020187.
  5. Ghoneim TP, Sjoberg DD, Lowrance W, et al. Partial nephrectomy for renal tumors in solitary kidneys: postoperative renal function dynamics. World J Urol. 2015;33(12):2023-2029. https://doi.org/10.1007/s00345-015-1581-9.
  6. Sharma N, Zhang Z, Mir MC, et al. Comparison of 2 computed tomography-based methods to estimate preoperative and postoperative renal parenchymal volume and correlation with functional changes after partial nephrectomy. Urology. 2015;86(1):80-86. https://doi.org/10.1016/j.urology.2015.04.029.
  7. Takagi T, Mir MC, Campbell RA, et al. Assessment of outcomes in partial nephrectomy incorporating detailed functional analysis. Urology. 2014;84(5):1128-1133. https://doi.org/10.1016/j.urology.2014.07.008.
  8. Zargar H, Autorino R, Kaouk JH. Nephron-sparing surgery for tumors in a solitary kidney. Curr Opin Urol. 2014;24(5):459-465. https://doi.org/10.1097/MOU.0000000000000082.
  9. Zargar H, Bhayani S, Allaf ME, et al. Comparison of perioperative outcomes of robot-assisted partial nephrectomy and open partial nephrectomy in patients with a solitary kidney. J Endourol. 2014;28(10):1224-1230. https://doi.org/10.1089/end.2014.0297.
  10. Salevitz DA, Patton MW, Tyson MD, et al. The impact of ischemia on long-term renal function after partial nephrectomy in the two kidney model. J Endourol. 2015;29(4):474-478. https://doi.org/10.1089/end.2014.0476.
  11. Иванов А.П., Тюзиков И.А. Влияние заболеваний единственной почки на ее функциональное состояние в отдаленном периоде после нефрэктомии // Российский медицинский журнал. – 2012. – № 1. – С. 24–26. [Ivanov AP, Tyuzikov IA. Impact of diseases of a solitary kidney on its functional status in the late period of nephrectomy. Russian medical journal. 2012;(1):24-26. (In Russ.)]
  12. Иванов А.П., Тюзиков И.А., Фатеев Д.М. Современная этиологическая структура заболеваний единственной почки после нефрэктомии // Военно-медицинский журнал. – 2011. – Т. 332. – № 9. – С. 69–71. [Ivanov AP, Tyuzikov IA, Fateev DM. The modern etiological structure of single kidney diseases after nephrectomy. Military medical journal. 2011;332(9):69-71. (In Russ.)]
  13. Шорманов И.С., Лось М.С., Косенко М.В. Расстройства адаптации, вызванные нефрэктомией // Урологические ведомости. – 2019. – Т. 9. – № 2. – С. 23–28. [Shormanov IS, Los MS, Kosenko MV. Adaptation disorders caused by nephrectomy. Urologicheskie vedomosti. 2019;9(2):23-28. (In Russ.)]. https://doi.org/10.17816/uroved9223-28.

Supplementary files

Supplementary Files Action
1.
Fig. 1. The histological structure of the tissue of a single kidney and the size of the glomeruli of the intact rat (1st group). Hematoxylin-eosin, ×200

View (405KB) Indexing metadata
2.
Fig. 2. The histological structure of the tissue of a single kidney and the size of the glomeruli of the rat of the 3rd group, on the 5th day of the experiment. Hematoxylin-eosin, ×200

View (427KB) Indexing metadata
3.
Fig. 3. Histochemical examination of the kidney of the rat of the 2nd group, the 21st day of the experiment. PAS reaction, ×200

View (453KB) Indexing metadata
4.
Fig. 4. The histological structure of the tissue of a single kidney and the size of the glomeruli of the rat of the 3rd group, on the 21st day of the experiment. Hematoxylin-eosin, ×200

View (406KB) Indexing metadata
5.
Fig. 5. The histological structure of the tissue of a single kidney and the size of the glomeruli of the rat of the 2nd group, on the 60th day of the experiment. Hematoxylin-eosin, ×100

View (595KB) Indexing metadata
6.
Fig. 6. The histological structure of the tissue of a single kidney and the size of the glomeruli of the rat of the 3rd group, on the 60th day of the experiment. Hematoxylin-eosin, ×100

View (620KB) Indexing metadata

Statistics

Views

Abstract - 30

PDF (Russian) - 7

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2020 Shormanov I.S., Los M.S., Kosenko M.V., Shormanova N.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies