Size and charge selective permeability defects induced in glomerular basement membrane by a polycation

Abstract Size and charge selective permeability defects induced in glomerular basement membrane by a polycation. Polyethyleneimine (PEI) was given intravenously to rats followed by native ferritin or one of three cationic ferritins. After 15 min kidneys were fixed for electron microscopy. Controls (C) received vehicle without PEI, followed by the appropriate ferritin. PEI-induced permeability change was measured as the ratio (PEI/C) of counted ferritin particles within the glomerular basement membrane (GBM) in the corresponding PEI and control groups. The ratio PEI/C for each tracer was: NF (pI = 4.5–4.8)–107; CF (pI = 7.5–8.2)–3.3; CF (pI = 8.0–8.7)–1.7; and CF (pI = 8.7–9.0)–0.9. When ferritin localization in the subendothelial layer of the GBM was examined separately, PEI/C was increased for all ferritins including the most cationic species. After PEI, GFR and RBF decreased proportionately by half; thus, filtration fraction remained constant. Reduction of renal perfusion pressure to 40 mm Hg showed no alteration of ferritin permeation into the GBM. Thus, PEI effects on ferritin localization in the GBM could not be ascribed to renal hemodynamic perturbations. If the effect of PEI on GBM permeability were to be mediated exclusively by neutralization of the charge barrier, the index PEI/C should be increased for NF, but decreased for all CF. The results show a marked effect of PEI on the charge barrier (PEI/C > 100 for NF). But, PEI also enhanced total GBM permeation by CF (7.5–8.2) and CF (8.0–8.7), and increased subendothelial GBM permeation for CF (8.7–9.0). An inverse relationship of the effect of PEI to the cationic charge on CF was evident. These paradoxical results can be explained if polycations (including CF) not only neutralize anionic sites, but distort GBM gel structure, thereby altering porosity. Defauts de permeabilite selective sur la taille et la charge induits dans la membrane basale glomerulaire par un polycation. Du polyethyleneimine (PEI) a ete donne par voie intraveineuse a des rats et suivi par de la ferritine native, ou par l'une de trois ferritines cationiques. Apres 15 min, les reins ont ete fixes pour microscopie electronique. Les controles (C) recevaient du vehicule sans PEI, suivi par la ferritine appropriee. La modification de permeabilite induite par le PEI etait mesuree par le rapport (PEI/C) des particules de ferritine comptees a l'interieur de la membrane basale glomerulaire (GBM) dans les groupes PEI correspondants et controles. Le rapport PEI/C pour chaque traceur etait: NF (pI = 4,5–4,8)–107; CF (pI = 7,5–8,2)–3,3; CF (pI = 8,0–8,7)–1,7; et CF (pI = 8,7–9,0)–0,9. Quand la localisation de la ferritine dans la couche sous endotheliale de la GBM etait examinee separement, PEI/C etait augmente pour toutes les ferritines, y compris les especes les plus cationiques. Apres PEI, le GFR et le RBF ont diminue proportionnellement de moitie; ainsi la fraction de filtration est restee constante. La reduction de la pression de perfusion renale a 40 mm Hg n'a pas montre d'alteration de la permeabilite a la ferritine dans la GBM. Ainsi, les effets de PEI sur la localisation de la ferritine dans la GBM ne pouvaient etre expliques par des perturbations de l'hemodynamique renale. Si l'effet de PEI sur la permeabilite de la GBM avait pour mediateur exclusif une neutralisation de la barriere de charge, l'index PEI/C devrait etre augmente pour NF, mais diminue pour toutes les CF. Les resultats indiquent un effet marque de PEI sur la barriere de charge (PEI/C > 100 pour NF). Cependant, PEI a egalement stimule la permeabilite de GBM totale pour FC (7,5–8,2) et CF (8,0–8,7) et a augmente la permeabilite sous-endotheliale de GBM pour CF (8,7–9,0). Une relation inverse entre l'effet de PEI et la charge cationique de CF etait evidente. Ces resultats paradoxaux peuvent etre expliques si les polycations (y compris CF) neutralisent non seulement les sites anioniques, mais modifient aussi la structure du gel de la GBM, alterant ainsi sa porosite.