Hemorrhagic Shock-Induced Changes in the Cathepsin D Activity in the Intestinal Wall and Blood Serum in Rats

Abstract

Hemorrhagic shock causes release of lysosomal proteolytic enzymes which contribute to intestinal wall destruction and can be moved into the circulation as well as into the gut lumen. The aim of the study was to examine the activity of cathepsin D in relation to the intestinal wall injury after 60 minutes of untreated hemorrhagic shock in rats. The total cathepsin D activity was investigated in duodenum, jejunum, ileum, cecum and colon, as well as in systemic and mesenteric blood serum, and the biochemical results were compared with morphological changes in the respective segments including immunohistochemical expression of cathepsin D. We found an increase in cathepsin D activity in duodenum and significant decrease in other parts of the gut in shocked rats. The enzyme activity increased also in blood serum, especially systemic (p<0.05) and insignificantly in mesenteric blood. However, sham-operated animals (oneside carotid artery occlusion) revealed a significant increase in cathepsin D activity measured in mesenteric blood. The shock resulted in lowering protein concentration in the intestinal wall and its increase in mesenteric blood. The contents of peptides and amino nitrogen, as potential proteolytic reaction products, changed in different ways in various segments of intestine. Morphologically, the most intensive destruction was observed in ileum, duodenum and jejunum. Lifting of epithelial layer from lamina propria was the most frequently observed lesion of the intestinal wall after 60 minutes of shock. More advanced lesions, such as denuded mucosa with disintegration of lamina propria, occurred rarely and were not observed in colon and rectum. By means of polyclonal antibodies against cathepsin D, we found that the strong expression of this enzyme was in epithelial layer - the part of intestinal wall which was partially detached into gut lumen due to hemorrhagic shock. The changes of cathepsin D activity after 60 minutes of hemorrhagic shock were correlated with signs of morphological damage to the intestinal wall. Cathepsin D liberation in the intestinal wall during shock indicates the lysosomal membranes impairment and can confirm involvement of proteases in the damage to the intestinal tissue. We conclude that liberation of intestinal cathepsin D is an early phenomenon during hemorrhagic shock which may contribute to the local wall disintegration and activation of systemic inflammatory response.

Zusammenfassung

Während eines hämorrhagischen Schocks werden lysosomale Proteasen freigesetzt, die zu einer Schädigung der Darmwand beitragen, aber auch in das Kreislaufsystem und das Darmlumen gelangen können.

Ziel der vorliegenden Studie war es, die Aktivität von Cathepsin D im Hinblick auf einen 60 Minuten anhaltenden, unbehandelten hämorrhagischen Schock an der Darmwand der Ratte zu untersuchen.

Die Gesamt-Cathepsin D-Aktivität wurde im Duodenum, Jejunum, Ileum, Zökum und Kolon untersucht, ebenso wie im systemischen Kreislauf und Mesenterialblut, und die biochemischen Ergebnisse wurden mit den morphologischen Veränderungen der einzelnen Darmsegmente verglichen. Wir fanden einen Anstieg der Cathepsin-D-Aktivität im Duodenum und einen signifikanten Abfall in anderen Darmsegmenten während des hämorrhagischen Schocks. Die Enzymaktivität stieg im Blutserum an, insbesondere im systemischen Kreislauf (p<0,05) jedoch unsignifikant im Mesenterialblut. Hingegen entwickelten scheinoperierte Tiere (einseitiger Verschluß der Arteria carotis) einen signifikanten Anstieg von Cathepsin D im Mesenterialblut. Der hämorrhagische Schock führte zu einer Senkung der Proteinkonzentration in der Darmwand und einem Anstieg im Mesenterialblut. Der Gehalt an Peptiden und Aminostickstoffen als mögliche proteolytische Reaktionsprodukte veränderte sich in den verschiedenen Darmsegmenten unterschiedlich. Die stärksten morphologischen Veränderungen wurden im Ileum, Duodenum und Jejunum beobachtet. Dabei wurde besonders oft eine Abhebung der Epithelschicht von der Lamina propria beobachtet. Seltener kam es zu einer weiteren Zerstörung mit vollständig denudierter Mukosa und Desintegration der Lamina propria mucosae, Veränderungen, die nicht im Kolon und Rektum beobachtet wurden. Mittels polyklonaler Antikörper gegen Cathepsin D konnte dieses Enzym besonders kräftig in der Epithelschicht nachgewiesen werden, d. h. dem Darmwandanteil, der aufgrund des hämorrhagischen Schocks in das Darmlumen abgestoßen wurde. Die Veränderungen der Cathepsin-D-Aktivität nach 60minütigem, hämorrhagischem Schock korrelierten mit den morphologischen Veränderungen der Darmwand. Die Cathepsin-D-Freisetzung in der Darmwand signalisiert eine Zerstörung der lysosomalen Membranen und bestätigt die Beteiligung von Proteasen bei der Schädigung der intestinalen Darmwand. Es kann daher gefolgert werden, daß die Freisetzung von intestinalem Cathepsin D ein Frühphänomen des hämorrhagischen Schocks ist, das zu lokalen Darmwandschädigungen und Aktivierung von systemischen Entzündungsparametern führen kann.

Key words

Cathepsin D - Hemorrhagic shock - Intestine - Immunohistochemistry - Ischemic injury - Mesenteric blood - Rats - Systemic blood

Schlüsselwörter

Cathepsin D - Hämorrhagischer Schock - Darmwandschädigung - Rattenexperiment