Регистрация изменения биохимических параметров in vivo в модели ишемического инсульта
- Авторы: Храмова Ю.В.1,2, Котова Д.А.2, Иванова А.Д.2, Почечуев М.С.1, Кельмансон И.В.2, Трифонова А.П.2,3, Судоплатов М.А.2,4, Катруха В.А.1,2, Сергеева А.Д.1,2, Раевский Р.И.2, Солотенков М.А.1, Федотов И.В.1,5, Федотов А.Б.1,5,6, Белоусов В.В.2,4,7,8, Билан Д.С.2,4
-
Учреждения:
- Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
- Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
- Московский физико-технический институт (Национальный исследовательский университет)
- Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова
- Российский квантовый центр «Сколково»
- Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»
- Федеральный центр мозга и нейротехнологий Федерального медико-биологического агентства
- Институт сердечно-сосудистой физиологии, Университетский медицинский центр Гёттингена, Университет Георга-Августа
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 487-490
- Раздел: Материалы конференции
- URL: https://bakhtiniada.ru/2313-1829/article/view/256251
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623461
- ID: 256251
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Аннотация
Инсульт является одним из важнейших социально значимых заболеваний. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, он занимает второе место среди болезней, приводящих к летальным исходам [1]. Исследование молекулярных механизмов патогенеза данного заболевания позволит разработать эффективные способы предотвращения развития инсульта и терапии, позволяющей минимизировать его негативные последствия. Несмотря на обилие экспериментальных данных, большая часть их получена косвенным методами, в то время как исследование динамики биохимических параметров в тканях головного мозга в режиме реального времени в острой фазе ишемического инсульта затруднены. Использование генетически кодируемых сенсоров открывает новые возможности для регистрации изменений различных биохимических и метаболических параметров в тканях in vivo.
В настоящем исследовании проводили изучение изменения рН, генерации перекиси водорода как одного из биологически значимых видов АФК, синтеза полисульфидов в различных типах клеток тканей мозга крыс SHR при развитии ишемического инсульта в режиме реального времени при помощи сенсоров SypHer3s (детекция рН), HyPer7 (детекция H2O2) и PersIc (детекция полисульфидов). Ишемический инсульт моделировали путем окклюзии средней мозговой артерии. Регистрацию сигналов сенсоров in vivo проводили при помощи оптоволоконной установки, собранной в лаборатории спектроскопии и нелинейной оптики МГУ.
В результате проведённых исследований было показано, что в острой фазе инсульта в цитоплазме нейронов хвостатого ядра — эпицентра ишемии — происходило развитие ацидоза, причем значение рН изменялось от 7,25±0,08 до 6,7±0,15 в первые секунды от начала окклюзии артерии. После резкого падения наблюдали постепенное повышение значения рН, которое продолжалось и во время реперфузии, однако восстановление рН до исходного значения происходило не у всех животных. В области зоны пенумбры наблюдали волнообразное изменение сигнала сенсора, в кто время как в здоровом полушарии сигнал сенсора не изменялся. Исследование динамики образования H2О2 в матриксе митохондрий нейронов хвостатого ядра показало, что в острой фазе инсульта происходит незначительное окисление сенсора как во врем ишемии, так и при реперфузии, что свидетельствует о слабой продукции АФК. Однако спустя 24 часа после проведения операции регистрировали существенное повышение сигнала сенсора. Таким образом, было подтверждено развитие окислительного стресса в больном полушарии, однако динамика его развития оказалась отличной от общепринятой точки зрения. Ранее считалось, что именно в острой фазе происходит чрезмерная продукция H2O2, приводящая к окислительному стрессу и связанной с этим гибелью клеток мозга. Сравнение динамики продукции перекиси водорода в нейронах и астроцитах выявило различия между этими популяциями клеток. Оказалось, что уже через 12 часов после окклюзии средней мозговой артерии сигнал сенсора в астроцитах нарастал интенсивнее, чем в нейронах. Данная тенденция сохранялась вплоть до окончания измерений через 40 часов после операции. Подобные различия могут быть связаны как с защитной функцией глиальных клеток, предотвращающих повреждающее действие перекиси водорода на нейроны и способствующих поддержанию структуры миелина в головном мозге, так и с ролью астроцитов в развитии нейровоспаления. Известно, что помимо активных форм кислорода в развитии патологических процессов также существенную роль играют активные формы серы. Измерение сигнала сенсора PersIc, детектирующего появление полисульфидов и персульфидов, не выявило различий между хвостатым ядром здорового полушария и полушария с очагом развития инсульта. Однако отдельный интерес представляет зона пенумбры, учитывая волны ацидоза, которые мы наблюдали с помощью сенсора SypHer3s, мы предполагаем, что они могут быть связаны как с распространяющейся деполяризацией и изменением концентрации кальция, так и с развитием нейровоспаления, что в свою очередь может приводить к синтезу полисульфидов, являющихся модуляторами воспалительных реакций.
Таким образом, полученные нами данные существенно дополняют имеющийся пул информации о метаболических изменениях, протекающих во время развития ишемического повреждения мозга.
Полный текст
Инсульт является одним из важнейших социально значимых заболеваний. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, он занимает второе место среди болезней, приводящих к летальным исходам [1]. Исследование молекулярных механизмов патогенеза данного заболевания позволит разработать эффективные способы предотвращения развития инсульта и терапии, позволяющей минимизировать его негативные последствия. Несмотря на обилие экспериментальных данных, большая часть их получена косвенным методами, в то время как исследование динамики биохимических параметров в тканях головного мозга в режиме реального времени в острой фазе ишемического инсульта затруднены. Использование генетически кодируемых сенсоров открывает новые возможности для регистрации изменений различных биохимических и метаболических параметров в тканях in vivo.
В настоящем исследовании проводили изучение изменения рН, генерации перекиси водорода как одного из биологически значимых видов АФК, синтеза полисульфидов в различных типах клеток тканей мозга крыс SHR при развитии ишемического инсульта в режиме реального времени при помощи сенсоров SypHer3s (детекция рН), HyPer7 (детекция H2O2) и PersIc (детекция полисульфидов). Ишемический инсульт моделировали путем окклюзии средней мозговой артерии. Регистрацию сигналов сенсоров in vivo проводили при помощи оптоволоконной установки, собранной в лаборатории спектроскопии и нелинейной оптики МГУ.
В результате проведённых исследований было показано, что в острой фазе инсульта в цитоплазме нейронов хвостатого ядра — эпицентра ишемии — происходило развитие ацидоза, причем значение рН изменялось от 7,25±0,08 до 6,7±0,15 в первые секунды от начала окклюзии артерии. После резкого падения наблюдали постепенное повышение значения рН, которое продолжалось и во время реперфузии, однако восстановление рН до исходного значения происходило не у всех животных. В области зоны пенумбры наблюдали волнообразное изменение сигнала сенсора, в кто время как в здоровом полушарии сигнал сенсора не изменялся. Исследование динамики образования H2О2 в матриксе митохондрий нейронов хвостатого ядра показало, что в острой фазе инсульта происходит незначительное окисление сенсора как во врем ишемии, так и при реперфузии, что свидетельствует о слабой продукции АФК. Однако спустя 24 часа после проведения операции регистрировали существенное повышение сигнала сенсора. Таким образом, было подтверждено развитие окислительного стресса в больном полушарии, однако динамика его развития оказалась отличной от общепринятой точки зрения. Ранее считалось, что именно в острой фазе происходит чрезмерная продукция H2O2, приводящая к окислительному стрессу и связанной с этим гибелью клеток мозга. Сравнение динамики продукции перекиси водорода в нейронах и астроцитах выявило различия между этими популяциями клеток. Оказалось, что уже через 12 часов после окклюзии средней мозговой артерии сигнал сенсора в астроцитах нарастал интенсивнее, чем в нейронах. Данная тенденция сохранялась вплоть до окончания измерений через 40 часов после операции. Подобные различия могут быть связаны как с защитной функцией глиальных клеток, предотвращающих повреждающее действие перекиси водорода на нейроны и способствующих поддержанию структуры миелина в головном мозге, так и с ролью астроцитов в развитии нейровоспаления. Известно, что помимо активных форм кислорода в развитии патологических процессов также существенную роль играют активные формы серы. Измерение сигнала сенсора PersIc, детектирующего появление полисульфидов и персульфидов, не выявило различий между хвостатым ядром здорового полушария и полушария с очагом развития инсульта. Однако отдельный интерес представляет зона пенумбры, учитывая волны ацидоза, которые мы наблюдали с помощью сенсора SypHer3s, мы предполагаем, что они могут быть связаны как с распространяющейся деполяризацией и изменением концентрации кальция, так и с развитием нейровоспаления, что в свою очередь может приводить к синтезу полисульфидов, являющихся модуляторами воспалительных реакций.
Таким образом, полученные нами данные существенно дополняют имеющийся пул информации о метаболических изменениях, протекающих во время развития ишемического повреждения мозга.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Источник финансирования. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 22-15-00299.
Об авторах
Ю. В. Храмова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: yul.khramova@gmail.com
Россия, Москва; Москва
Д. А. Котова
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
Email: yul.khramova@gmail.com
Россия, Москва
А. Д. Иванова
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
Email: yul.khramova@gmail.com
Россия, Москва
М. С. Почечуев
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: yul.khramova@gmail.com
Россия, Москва
И. В. Кельмансон
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
Email: yul.khramova@gmail.com
Россия, Москва
А. П. Трифонова
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук; Московский физико-технический институт (Национальный исследовательский университет)
Email: yul.khramova@gmail.com
Россия, Москва; Долгопрудный
М. А. Судоплатов
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук; Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова
Email: yul.khramova@gmail.com
Россия, Москва; Москва
В. А. Катруха
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
Email: yul.khramova@gmail.com
Россия, Москва; Москва
А. Д. Сергеева
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
Email: yul.khramova@gmail.com
Россия, Москва; Москва
Р. И. Раевский
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
Email: yul.khramova@gmail.com
Россия, Москва
М. А. Солотенков
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: yul.khramova@gmail.com
Россия, Москва
И. В. Федотов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Российский квантовый центр «Сколково»
Email: yul.khramova@gmail.com
Россия, Москва; Москва
А. Б. Федотов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Российский квантовый центр «Сколково»; Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»
Email: yul.khramova@gmail.com
Россия, Москва; Москва; Москва
В. В. Белоусов
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук; Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова; Федеральный центр мозга и нейротехнологий Федерального медико-биологического агентства; Институт сердечно-сосудистой физиологии, Университетский медицинский центр Гёттингена, Университет Георга-Августа
Email: yul.khramova@gmail.com
Россия, Москва; Москва; Москва; Гёттинген, Германия
Д. С. Билан
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук; Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова
Email: yul.khramova@gmail.com
Россия, Москва; Москва
Список литературы
- Pega F., Nafradi B., Momen N.C., et al. Global, regional, and national burdens of ischemic heart disease and stroke attributable to exposure to long working hours for 194 countries, 2000–2016: A systematic analysis from the WHO/ILO Joint Estimates of the Work-related Burden of Disease and Injury // Environment International. 2021. Vol. 154. P. 106595. doi: 10.1016/j.envint.2021.106595
Дополнительные файлы
