БИОХИМИЯ, 2025, том 90, вып. 10, с. 1463–1473

УДК 612.841.1

Трансмембранный транспорт воды и мочевины в клетках эндотелия роговицы крысы

© 2025 Л.Е. Каткова 1,2#, Г.С. Батурина 1,2#, И.А. Искаков 3, Е.И. Соленов 1,4*eugsol@bionet.nsc.ru, ile@academposter.ru

1 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук» (ИЦиГ СО РАН), 630090 Новосибирск, Россия

2 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет» (НГУ), 630090 Новосибирск, Россия

3 Федеральное государственное автономное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр „Межотраслевой научно-технический комплекс «Микрохирургия глаза имени акад. С.Н. Федорова»“» Минздрава России, Новосибирский филиал (ФГАУ «НМИЦ „МНТК «МГ» имени акад. С.Н. Федорова“» МЗ РФ, Новосибирский филиал), 630096 Новосибирск, Россия

4 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский государственный технический университет» (НГТУ), 630087 Новосибирск, Россия

Поступила в редакцию 03.07.2025
После доработки 12.09.2025
Принята к публикации 25.09.2025

DOI: 10.31857/S0320972525100044

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: эндотелий роговицы, трансмембранный транспорт, водная проницаемость, проницаемость для мочевины, флоретин.

Аннотация

В работе исследовали проницаемости апикальной и базолатеральной мембраны клеток эндотелия роговицы крысы для воды и мочевины. Показали, что кажущаяся водная проницаемость базолатеральной мембраны клеток эндотелия (4,43E−05 ± 7,57E−07 см/с) более чем в 3 раза превышает проницаемость апикальной мембраны (1,21E−05 ± 1,03E−07 см/с). Проницаемость для мочевины базолатеральной мембраны клеток эндотелия (1,23E−04 ± 1,56E−06 см/с) статистически значимо превышала проницаемость апикальной мембраны (9,52E−05 ± 1,02E−06 см/с) в пределах 30%. Изучали вклад флоретин-ингибируемого транспорта мочевины через апикальную и базолатеральную мембрану в этих клетках. Флоретин в концентрации 0,1 мМ статистически значимо снижал проницаемость для мочевины более чем на 20% как апикальной, так и базолатеральной мембран. Полученные результаты позволяют предположить, что составы транспортёров, участвующих в переносе воды в апикальной и базолатеральной мембранах, различаются значительно. Высказывается предположение, что высокая кажущаяся водная проницаемость базолатеральной мембраны клеток эндотелия обусловлена вкладом сопутствующего переноса воды с ионами, участвующими в процессах активного транспорта. Показано присутствие флоретин-чувствительных транспортёров мочевины в плазматической мембране клеток эндотелия, по‑видимому, участвующих в её трансклеточном переносе. Результаты исследования указывают на возможное значение мочевины для функционирования роговицы.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

# Авторы внесли равный вклад в работу.

Вклад авторов

Каткова Л.Е., Батурина Г.С. – равный вклад, получение экспериментальных данных, обсуждение результатов исследования, написание текста статьи; Искаков И.А. – обсуждение результатов исследования; Соленов Е.И. – концепция, получение экспериментальных данных, написание текста статьи.

Финансирование

Работа сделана в рамках госзадания ИЦиГ СО РАН «Механизмы генетического контроля развития, физиологических процессов и поведения животных» FWNR-2022-0019.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в финансовой или какой-либо иной сфере.

Соблюдение этических норм

Все процедуры, выполненные в исследованиях с участием животных, регламентировались следующими документами: «Правила надлежащей лабораторной практики в Российской Федерации», утверждённые приказом Министерства здравоохранения РФ № 199н от 01.04.2016; межгосударственные стандарты ГОСТ 33215-2014 «Руководство по содержанию и уходу за лабораторными животными» (Правила оборудования помещений и организации процедур, дата введения 01.07.2015). Условия содержания животных и проведённые экспериментальные процедуры были одобрены Комиссией по биоэтике ИциГ СО РАН (протокол № 115 от 20.12.2021).

Список литературы

1. Riley, M. V., Winkler, B. S., Peters, M. I., and Czajkowski, C. A. (1994) Relationship between fluid transport and in situ inhibition of Na+-K+ adenosine triphosphatase in corneal endothelium, Invest. Ophthalmol. Vis. Sci., 35, 560-567.

2. Riley, M. V., Winkler, B. S., Starnes, C. A., Peters, M. I., and Dang, L. (1998) Regulation of corneal endothelial barrier function by adenosine, cyclic AMP, and protein kinases, Invest. Ophthalmol. Vis. Sci., 39, 2076-2084.

3. Maurice, D. M. (1972) The location of the fluid pump in the cornea, J. Physiol., 221, 43-54, https://doi.org/10.1113/jphysiol.1972.sp009737.

4. Verkman, A. S., Ruiz-Ederra, J., and Levin, M. H. (2008) Functions of aquaporins in the eye, Prog. Retin. Eye Res., 27, 420-433, https://doi.org/10.1016/j.preteyeres.2008.04.001.

5. Hampel, U., Chinnery, H. R., Garreis, F., Paulsen, F., de Iongh, R., Bui, B. V., Nguyen, C., Parry, L., and Huei Leo, C. (2020) Ocular phenotype of relaxin gene knockout mice, Curr. Eye Res., 45, 1211-1221, https://doi.org/10.1080/02713683.2020.1737714.

6. Echevarría, M., Windhager, E. E., and Frindt, G. (1996) Selectivity of the renal collecting duct water channel aquaporin-3, J. Biol. Chem., 271, 25079-25082, https://doi.org/10.1074/jbc.271.41.25079.

7. Miller, E. W., Dickinson, B. C., and Chang, C. J. (2010) Aquaporin-3 mediates hydrogen peroxide uptake to regulate downstream intracellular signaling, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107, 15681-15686, https://doi.org/10.1073/pnas.1005776107.

8. Bonanno, J. A., Guan, Y., Jelamskii, S., and Kang, X. J. (1999) Apical and basolateral CO2-HCO3− permeability in cultured bovine corneal endothelial cells, Am. J. Physiol., 277, C545-C553, https://doi.org/10.1152/ajpcell.1999.277.3.C545.

9. Velamakanni, G. S., Sharma, A., Batra, H. S., Velamakanni, S. M., Khan, M., and Gupta, S. (2021) Evaluation of tear film urea level as a diagnostic marker of dry eye disease: a pilot study, J. Lab. Physicians, 14, 43-46, https://doi.org/10.1055/s-0041-1739537.

10. Shayakul, C., and Hediger, M. A. (2004) The SLC14 gene family of urea transporters, Pflugers Arch., 447, 603-609, https://doi.org/10.1007/s00424-003-1124-x.

11. Shei, W., Liu, J., Htoon, H. M., Aung, T., and Vithana, E. N. (2013) Differential expression of the Slc4 bicarbonate transporter family in murine corneal endothelium and cell culture, Mol. Vis., 19, 1096-1106.

12. Alvarez, B. V., Piché, M., Aizouki, C., Rahman, F., Derry, J. M. J., Brunette, I., and Casey, J. R. (2021) Altered gene expression in slc4a11−/− mouse cornea highlights SLC4A11 roles, Sci. Rep., 11, 20885, https://doi.org/10.1038/s41598-021-98921-w.

13. Habtemariam, S. (2023) The molecular pharmacology of phloretin: anti-inflammatory mechanisms of action, Biomedicines, 11, 143, https://doi.org/10.3390/biomedicines11010143.

14. Hytti, M., Ruuth, J., Kanerva, I., Bhattarai, N., Pedersen, M. L., Nielsen, C. U., and Kauppinen, A. (2023) Phloretin inhibits glucose transport and reduces inflammation in human retinal pigment epithelial cells, Mol. Cell. Biochem., 478, 215-227, https://doi.org/10.1007/s11010-022-04504-2.

15. Bagnasco, S. M., Peng, T., Janech, M. G., Karakashian, A., and Sands, J. M. (2001) Cloning and characterization of the human urea transporter UT-A1 and mapping of the human Slc14a2 gene, Am. J. Physiol. Renal Physiol., 281, F400-F406, https://doi.org/10.1152/ajprenal.2001.281.3.F400.

16. Brahm, J., Dziegiel, M. H., and Leifelt, J. (2023) Urea and water are transported through different pathways in the red blood cell membrane, J. Gen. Physiol., 155, e202213322, https://doi.org/10.1085/jgp.202213322.

17. Tsukaguchi, H., Shayakul, C., Berger, U. V., Mackenzie, B., Devidas, S., Guggino, W. B., van Hoek, A. N., and Hediger, M. A. (1998) Molecular characterization of a broad selectivity neutral solute channel, J. Biol. Chem., 273, 24737-24743, https://doi.org/10.1074/jbc.273.38.24737.

18. Tsukaguchi, H., Weremowicz, S., Morton, C. C., and Hediger, M. A. (1999) Functional and molecular characterization of the human neutral solute channel aquaporin-9, Am. J. Physiol., 277, F685-F696, https://doi.org/10.1152/ajprenal.1999.277.5.F685.

19. Haddoub, R., Rützler, M., Robin, A., and Flitsch, S. L. (2009) Design, synthesis and assaying of potential aquaporin inhibitors, Handb. Exp. Pharmacol., 190, 385-402, https://doi.org/10.1007/978-3-540-79885-9_19.

20. Kuseina, I. M., Katkova, L. E., Baturina, G. S., Palchikova, I. G., Iskakov, I. A., and Solenov, E. I. (2024) Corneal endothelial cell volume regulation disorders in keratoconus, Biochem. Moscow Suppl. Ser. A, 18, 44-50, https://doi.org/10.1134/S1990747824700065.

21. Solenov, E. I., Nesterov, V. V., Baturina, G. S., Khodus, G. R., and Ivanova, L. N. (2003) Effect of dDAVP on basolateral cell surface water permeability in the outer medullary collecting duct, Eur. Biophys. J., 32, 614-619, https://doi.org/10.1007/s00249-003-0308-9.

22. Solenov, E., Watanabe, H., Manley, G. T., and Verkman, A. S. (2004) Sevenfold-reduced osmotic water permeability in primary astrocyte cultures from AQP-4-deficient mice, measured by a fluorescence quenching method, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 286, C426-C432, https://doi.org/10.1152/ajpcell.00298.2003.

23. Zarogiannis, S. G., Ilyaskin, A. V., Baturina, G. S., Katkova, L. E., Medvedev, D. A., Karpov, D. I., Ershov, A. P., and Solenov, E. I. (2013) Regulatory volume decrease of rat kidney principal cells after successive hypo-osmotic shocks, Math. Biosci., 244, 176-187, https://doi.org/10.1016/j.mbs.2013.05.007.

24. Price, M. O., Mehta, J. S., Jurkunas, U. V., and Price, F. W. Jr. (2021) Corneal endothelial dysfunction: evolving understanding and treatment options, Prog. Retin. Eye Res., 82, 100904, https://doi.org/10.1016/j.preteyeres.2020.100904.

25. Иляскин А.В., Батурина Г.С., Медведев Д.А., Ершов А.П., Соленов Е.И. (2011) Исследование реакции главных клеток собирательных трубок почки на гипотонический шок. Эксперимент и математическое моделирование, Биофизика, 56, 550-560.

26. Fischbarg, J., and Lim, J. (1974) Role of cations, anions, and carbonic anhydrase in fluid transport across rabbit corneal endothelium, J. Physiol., 241, 647-675, https://doi.org/10.1113/jphysiol.1974.sp010676.

27. Riley, M. V., Winkler, B. S., Czajkowski, C. A., and Peters, M. I. (1995) The roles of bicarbonate and CO2 in transendothelial fluid movement and control of corneal thickness, Invest. Ophthalmol. Vis. Sci., 36, 103-112.

28. Winkler, B., Riley, M., Peters, M., and Williams, F. (1992) Chloride is required for fluid transport by the rabbit corneal endothelium, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 262, C1167-C1174, https://doi.org/10.1152/ajpcell.1992.262.5.C1167.

29. Bogner, B., Schroedl, F., Trost, A., Kaser-Eichberger, A., Runge, C., Strohmaier, C., Motloch, K. A., Bruckner, D., Hauser-Kronberger, C., Bauer, H. C., and Reitsamer, H. A. (2016) Aquaporin expression and localization in the rabbit eye, Exp. Eye Res., 147, 20-30, https://doi.org/10.1016/j.exer.2016.04.013.

30. Nautscher, N., Bauer, A., Steffl, M., and Amselgruber, W. M. (2016) Comparative morphological evaluation of domestic animal cornea, Vet. Ophthalmol., 19, 297-304, https://doi.org/10.1111/vop.12298.

31. Yu, D., Thelin, W. R., Randell, S. H., and Boucher, R. C. (2012) Expression profiles of aquaporins in rat conjunctiva, cornea, lacrimal gland and Meibomian gland, Exp. Eye Res., 103, 22-32, https://doi.org/10.1016/j.exer.2012.07.005.

32. Thiagarajah, J. R., and Verkman, A. S. (2002) Aquaporin deletion in mice reduces corneal water permeability and delays restoration of transparency after swelling, J. Biol. Chem., 277, 19139-19144, https://doi.org/10.1074/jbc.M202071200.

33. Melnyk, S., and Bollag, W. B. (2024) Aquaporins in the cornea, Int. J. Mol. Sci., 25, 3748, https://doi.org/10.3390/ijms25073748.

34. Kuang, K., Yiming, M., Wen, Q., Li, Y., Ma, L., Iserovich, P., Verkman, A. S., and Fischbarg, J. (2004) Fluid transport across cultured layers of corneal endothelium from aquaporin-1 null mice, Exp. Eye Res., 78, 791-798, https://doi.org/10.1016/j.exer.2003.11.017.

35. Allnoch, L., Beythien, G., Leitzen, E., Becker, K., Kaup, F. J., Stanelle-Bertram, S., Schaumburg, B., Mounogou Kouassi, N., Beck, S., Zickler, M., Herder, V., Gabriel, G., and Baumgärtner, W. (2021) Vascular inflammation is associated with loss of aquaporin 1 expression on endothelial cells and increased fluid leakage in SARS-CoV-2 infected golden Syrian hamsters, Viruses, 13, 639, https://doi.org/10.3390/v13040639.

36. Dikstein, S., and Maurice, D. M. (1972) The metabolic basis to the fluid pump in the cornea, J. Physiol., 221, 29-41, https://doi.org/10.1113/jphysiol.1972.sp009736.

37. Sun, X. C., and Bonanno, J. A. (2002) Expression, localization, and functional evaluation of CFTR in bovine corneal endothelial cells, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 282, C673-C683, https://doi.org/10.1152/ajpcell.00384.2001.

38. Sun, X. C., Bonanno, J. A., Jelamskii, S., and Xie, Q. (2000) Expression and localization of NaHCO3 cotransporter in bovine corneal endothelium, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 279, C1648-C1655, https://doi.org/10.1152/ajpcell.2000.279.5.C1648.

39. Kuang, K., Li, Y., Wen, Q., Wang, Z., Li, J., Yang, Y., Iserovich, P., Reinach, P. S., Sparrow, J., Diecke, F. P., and Fischbarg, J. (2001) Corneal endothelial NKCC: molecular identification, location, and contribution to fluid transport, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 280, C491-C499, https://doi.org/10.1152/ajpcell.2001.280.3.C491.

40. Vilas, G. L., Loganathan, S. K., Liu, J., Riau, A. K., Young, J. D., Mehta, J. S., and Vithana, E. N. (2013) Transmembrane water-flux through SLC4A11: a route defective in genetic corneal diseases, Hum. Mol. Genet., 22, 4579-4590, https://doi.org/10.1093/hmg/ddt307.

41. Myers, E. J., Marshall, A., Jennings, M. L., and Parker, M. D. (2016) Mouse Slc4a11 expressed in Xenopus oocytes is an ideally selective H+/OH− conductance pathway that is stimulated by rises in intracellular and extracellular pH, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 311, C945-C959, https://doi.org/10.1152/ajpcell.00259.2016.

42. Kao, L., Azimov, R., Abuladze, N., Newman, D., Kurtz, I., and Pushkin, A. (2020) SLC4A11 function: evidence for H+(OH−) and NH3-H+ transport, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 318, C392-C405, https://doi.org/10.1152/ajpcell.00425.2019.

43. Vithana, E. N., Morgan, P., Sundaresan, P., Ebenezer, N. D., Tan, D. T., Mohamed, M. D., Anand, S., Khine, K. O., Venkataraman, D., Yong, V. H., Salto-Tellez, M., Venkatraman, A., Guo, K., Hemadevi, B., Srinivasan, M., Prajna, V., Khine, M., and Casey, J. R. (2008) SLC4A11 mutations in Fuchs endothelial corneal dystrophy, Hum. Mol. Genet., 17, 656-666, https://doi.org/10.1093/hmg/ddm337.

44. Roy, S., Praneetha, D. C., and Vendra, V. P. (2015) Mutations in the corneal endothelial dystrophy-associated gene SLC4A11 render the cells more vulnerable to oxidative insults, Cornea, 34, 668-674, https://doi.org/10.1097/ICO.0000000000000421.

45. Alka, K., and Casey, J. R. (2018) Molecular phenotype of SLC4A11 missense mutants: setting the stage for personalized medicine in corneal dystrophies, Hum. Mutat., 39, 676-690, https://doi.org/10.1002/humu.23401.

46. Li, S., Kim, E., Bonanno, J. A., and Vithana, E. N. (2019) R125H, W240S, C386R, and V507I SLC4A11 mutations associated with corneal endothelial dystrophy affect the transporter function but not trafficking in PS120 cells, Exp. Eye Res., 180, 86-91, https://doi.org/10.1016/j.exer.2018.12.003.

47. Malhotra, D., Loganathan, S. K., Chiu, A. M., Lukowski, C. M., Casey, J. R., and Vithana, E. N. (2020) Defective cell adhesion function of solute transporter, SLC4A11, in endothelial corneal dystrophies, Hum. Mol. Genet., 29, 97-116, https://doi.org/10.1093/hmg/ddz259.

48. Wang, Y., Klein, J. D., and Sands, J. M. (2023) Phosphatases decrease water and urea permeability in rat inner medullary collecting ducts, Int. J. Mol. Sci., 24, 6537, https://doi.org/10.3390/ijms24076537.

49. Tamma, G., Procino, G., Svelto, M., and Valenti, G. (2012) Cell culture models and animal models for studying the patho-physiological role of renal aquaporins, Cell. Mol. Life Sci., 69, 1931-1946, https://doi.org/10.1007/s00018-011-0903-3.

50. Huber, V. J., Tsujita, M., Yamazaki, M., Sakimura, K., and Nakada, T. (2007) Identification of arylsulfonamides as Aquaporin 4 inhibitors, Bioorg. Med. Chem. Lett., 17, 1270-1273, https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2006.12.010.

51. Kabutomori, J., Pina-Lopes, N., and Musa-Aziz, R. (2020) Water transport mediated by murine urea transporters: implications for urine concentration mechanisms, Biol. Open, 9, bio051805, https://doi.org/10.1242/bio.051805.

52. Fenton, R. A., Chou, C. L., Stewart, G. S., Smith, C. P., and Knepper, M. A. (2004) Urinary concentrating defect in mice with selective deletion of phloretin-sensitive urea transporters in the renal collecting duct, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 101, 7469-7474, https://doi.org/10.1073/pnas.0401704101.