Preventive Effect of an Oxygen Free Radical Scavenger on Morphological and Functional Changes after Relief of Partial Bladder Outlet Obstruction in Rat Urinary Bladder

Abstract

To investigate the effect of a free radical scavenger (tempol) after relief of partial bladder outlet obstruction (pBOO) on bladder function in a rat model.

pBOO was induced in 50 eight-week-old female Sprague-Dawley rats and relieved three weeks later. The rats were divided randomly into five groups: sham-operated, tempol-treated for one week (Treat-1w) or three weeks (Treat-3w), and no treatment for one week (unTreat-1w) or three weeks (unTreat-3w). Awake cystometries were obtained one or three weeks after relief according to the grouping. The bladders were isolated and weighed. Oxidative stress was assessed using malondialdehyde. Hematoxylin and eosin, Massons trichrome and TUNEL staining were used to analyze histological changes. Expression of beta-3 adrenoreceptor was examined by Western blotting.

The tempol-treated groups showed significant decreases in the malondialdehyde concentrations at both one and three weeks after relief of pBOO. The thickness and collagen fiber deposition of the detrusor muscle layer were significantly decreased in the treated groups. The tempol-treated groups exhibited a significant decrease in the number of non-voiding contractions per voiding cycle (unTreat-1w vs. Treat-1w, 1.2 ± 0.8 vs. 0.4 ± 0.4, P = 0.010

unTreat-3w vs. Treat-3w, 1.5 ± 0.7 vs. 0.2 ± 0.3, P = 0.002). Apoptosis was mainly observed in the urothelial cell layer, and the rate of apoptosis was significantly decreased in the treated groups (48.9 ± 3.4% vs. 32.7 ± 11.1%, P = 0.024

25.8 ± 4.7% vs. 15.7 ± 9.8%, P = 0.314). Expression of beta-3 adrenoreceptor was increased in tempol-treated rats.

Ischemia-reperfusion injury after relief of pBOO caused histological and functional changes in the bladder. Free radical scavenger treatment prevented this oxidative stress.

흰쥐 만성 부분 방광출구폐색 (partial bladder outlet obstruction, pBOO) 모델을 이용하여 폐색 해소 후 산소유리기제거제의 투여가 방광의 형태학적 및 기능적 변화에 미치는 효과를 알아보고자 하였다.

8주령 암컷 Sprague-Dawley 흰쥐 (200-250g) 40마리의 pBOO 모델을 만들고, 3주후 폐색 해소를 하였다. 폐색 해소 후 산소유리기제거제인 tempol로 1주 혹은 3주간의 치료군과 비치료군 각 10마리씩, 총 4군의 실험군과 Sham 수술 대조군을 비교 분석하였다. Awake cystometrogram (CMG)으로 방광의 기능적 변화를 평가하였다. CMG 직후 방광을 적출하여 무게를 측정하였다. 적출된 방광 조직에서 malondialdehyde (MDA)를 측정하여 산화 스트레스 정도를 확인하였다. 또한 hematoxylin and eosin (H&E) 염색과 Massons trichrome 염색으로 형태학적 변화를 관찰하였고, TUNEL 염색과 Western blot 실험으로 방광 변화의 기전을 파악하고자 하였다.

MDA로 측정한 폐색 해소 후 방광의 산화스트레스는 tempol 치료군에서 의미 있게 감소함을 치료 1주와 3주에서 모두 확인하였다. pBOO 유발 실험군의 방광 무게는 sham 군에 비해 증가하였으나, 치료 유무와 치료 기간에 따른 군간의 유의한 차이는 없었다. H&E 염색에서는 pBOO 유발 후 배뇨근의 비후가 명확하게 관찰되었고, 폐색 해소 3주 후에는 배뇨근 두께가 의미 있게 감소하였다. Tempol 1주 치료군과 3주 치료군 모두에서 배뇨근층의 두께가 비치료군에 비해 유의하게 감소하였다. 배뇨근층 사이의 콜라겐 섬유의 침착도 tempol 치료군에서 비치료군에 비해 의미 있게 감소함을 확인하였다. Awake CMG를 통해 확인한 방광의 기능적 변화는 Tempol 치료군에서 비치료군에 비해 배뇨주기당 non-voiding contraction의 발생이 유의하게 감소하였다 (1주 비치료군 vs. 치료군, 1.2 ± 0.8 vs. 0.4 ± 0.4, P = 0.010

3주 비치료군 vs. 치료군, 1.5 ± 0.7 vs. 0.2 ± 0.3, P = 0.002). TUNEL 염색으로 관찰한 세포고사는 요로상피층에서 주로 관찰되었고, 1주와 3주 모두에서 고사된 요로상피세포의 비율이 치료군에서 유의하게 감소하였다. Western blotting으로 확인한 베타-3 수용체의 발현은 pBOO를 유발한 실험군에서 sham군에 비해 증가함을 관찰하였다. 폐색 해소 1주 후에는 베타3 수용체 발현이 치료군과 비치료군에서 차이가 없었으나, 폐색해소 3주 후에는 치료군에서 베타3 수용체 발현이 유의하게 증가되어 있음이 확인되었다.

산소유리기제거제는 부분 방광출구폐색 해소 과정에서 발생하는 산화스트레스에 의한 방광의 변화들을 예방하였다. 형태학적으로 배뇨근의 비후와 배뇨근층 사이의 콜라겐 섬유의 침착을 감소시켰고, 기능적으로 방광과민성을 예방하였다. 이 과정에 방광 요로상피층의 세포고사와 베타-3 수용체의 발현이 관여하는 것을 확인하였다.