BDNF-опосредованная регуляция функционального состояния митохондрий клеток головного мозга в условиях гипоксии Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

DO

УДК 616 Поступила 03.05.2018 г.

Т.А. Астрах

ладший научный сотрудник лаборатории по разработке методов нейропротекции Центра трансляционных технологий1;

М.Д. Уразов, младший научный сотрудник лаборатории по разработке методов нейропротекции

нтра трансляционных технологий1; А.В. Усенко, магистр кафедры нейротехнологий Института биологии и биомедицины1; лаборант лаборатории по разработке методов нейропротекции Центра трансляционных технологий1; Е.В. Митрошина, к.б.н., доцент кафедры нейротехнологий Института биологии и биомедицины1; старший научный сотрудник лаборатории по разработке методов нейропротекции Центра трансляционных технологий1; старший научный сотрудник отдела молекулярно-клеточных технологий ЦНИЛ2;

Т.А. Мищенко, к.б.н., старший научный сотрудник лаборатории по разработке методов нейропротекции Центра трансляционных технологий1; старший научный сотрудник отдела молекулярно-клеточных технологий ЦНИЛ2;

Н.А. Щелчкова, к.б.н., доцент кафедры нейротехнологий Института биологии и биомедицины1; зав. отделом молекулярно-клеточных технологий ЦНИЛ2;

М.В. Ведунова, д.б.н., ведущий научный сотрудник Института биологии и биомедицины1; директор Института биологии и биомедицины1

Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Н. Новгород, 603950, проспект Гагарина, 23;

2Приволжский исследовательский медицинский университет, Н. Новгород, 603005, пл. Минина и Пожарского, 10/1

Цель исследования — изучить влияние TrkB-опосредованного действия нейротрофического фактора головного мозга (BDNF) на выживаемость животных и активность дыхательной цепи митохондрий при моделировании острой гипобарической гипоксии in vivo.

Материалы и методы. Эксперименты in vivo выполнены на мышах линии СВА массой 20-25 г. Для моделирования острой гипобарической гипоксии животных помещали в барокамеру, в которой создавали давление 220-240 мм рт. ст., что соответствует высоте 10 000 м над уровнем моря. Оценивали скорость потребления кислорода митохондриями клеток головного мозга при действии гипоксии с помощью респирометра высокого разрешения OROBOROS Oxygraph-2k (OROBOROS Instruments, Австрия).

Результаты. Установлено, что превентивное применение BDNF увеличивает выживаемость животных линии CBA после моделирования острой гипобарической гипоксии, а также оказывает положительное влияние на работу I комплекса дыхательной цепи митохондрий.

Заключение. Нейротрофический фактор BDNF повышает устойчивость животных к действию острой гипобарической гипоксии и оказывает влияние на работу дыхательной цепи митохондрий посредством TrkB-сигнализации. Антигипоксический эффект BDNF реализуется за счет сохранения активности NADH-зависимого пути окисления субстратов и синтеза АТФ.

Ключевые слова: нейротрофический фактор головного мозга; BDNF; TrkB-сигнализация; острая гипобарическая гипоксия; окислительное фосфорилирование; нейропротекция.

Как цитировать: Astrakhanova Т.А., Urazov M.D., Usenko A.V., Mitroshina E.V., Mishchenko Т.А., Schelchkova N.A., Vedunova M.V. BDNF-mediated regulation of the brain mitochondria functional state in hypoxia. Sovremennye tehnologii v medicine 2018; 10(3): 88-94, https://doi.org/10.17691/stm2018.10.3.10

Для контактов: Митрошина Елена Владимировна, e-mail: [email protected] /////////////////////^^^^

88 СТМ J 2018 J ТОМ 10 J №3 Т.А. Астраханова, М.А. Уразов, А.В. Усенко, Е.В. Митрошина, Т.А. Мищенко, Н.А. Щелчкова, М.В. Ведунова

BDNF-Mediated Regulation of the Brain Mitochondria Functional State in Hypoxia

Т.А. Astrakhanova, Junior Researcher, Laboratory for Neuroprotection Methods Development, Center for Translational Technologies1;

WI.D. Urazov, Junior Researcher, Laboratory for Neuroprotection Methods Development, Center for Translational Technologies1;

А.V. Usenko, Master, Department of Neurotechnologies, Institute of Biology and Biomedicine1; Laboratory Assistant, Laboratory for Neuroprotection Methods Development, Center for Translational Technologies1;

Е.V. Mitroshina, PhD, Associate Professor, Department of Neurotechnologies,

Institute of Biology and Biomedicine1; Senior Researcher, Laboratory for Neuroprotection Methods Development, Center for Translational Technologies1; Senior Researcher, Molecular and Cell Technologies Department, Central Scientific Research Laboratory2;

Т.А. Mishchenko, PhD, Senior Researcher, Laboratory for Neuroprotection Methods Development, Center for Translational Technologies1; Senior Researcher, Molecular and Cell Technologies Department, Central Scientific Research Laboratory2;

NA Schelchkova, PhD, Associate Professor, Department of Neurotechnologies, Institute of Biology and Biomedicine1; Head of Molecular and Cell Technologies Department, Central Scientific Research Laboratory2;

WI.V. Vedunova, DSc, Leading Researcher, Institute of Biology and Biomedicine1; Director of the Institute of Biology and Biomedicine1

1Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod, 23 Prospekt Gagarina, Nizhny Novgorod, 603950, Russia; 2Privolzhsky Research Medical University, 10/1 Minin and Pozharsky Square, Nizhny Novgorod, 603005, Russia

The aim of the study was to study the effect of TrkB-mediated action of the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) on animal survival and mitochondrial respiratory chain activity in acute hypobaric hypoxia model in vivo.

Materials and Methods. In vivo experiments were performed on mature male CBA mice weighing 20-25 g. In order to modulate acute hypobaric hypoxia, the animals were placed in the hypobaric chamber (220-240 mm Hg) which simulates conditions corresponding to the altitude of 10 000 m above sea level. The oxygen consumption rate by the brain mitochondria under the hypoxic influence was evaluated using a high-resolution OROBOROS Oxygraph-2k respirometer (OROBOROS Instruments, Austria).

Results. Preventive BDNF application has been established to increase the survival of the CBA-line animals after acute hypobaric hypoxia modeling and to influence favorably the work of mitochondrial respiratory chain complex I.

Conclusion. BDNF increases animal resistance to acute hypobaric hypoxia and influences the work of mitochondrial respiratory chain through TrkB-signaling mechanisms. Antihypoxic effect of BDNF is realized by maintaining the activity of NADH-dependent pathway of substrate oxidation and ATP synthesis.

Key words: brain-derived neurotrophic factor; BDNF; TrkB-signaling; acute hypobaric hypoxia; oxidative phosphorylation; neuroprotection.

English

Введение

Гипоксия является одним из ведущих факторов повреждения клеток головного мозга, сопровождающих травматические и ишемические процессы. Повышенная чувствительность ткани мозга к дефициту кислорода обусловлена большим расходом энергии на осуществление его функций. Мишенью для гипоксии/ишемии служат митохондрии. Снижение концентрации кислорода вызывает нарушения электрон-транспортной функции их дыхательной цепи и является фазным процессом (рис. 1). Причем повреждения неспецифичны, так как всегда начинаются в

области митохондриального ферментного комплекса I (NAD-зависимый участок дыхательной цепи) и затем распространяются на область цитохромов В, С и ци-тохромоксидазу [1-8].

Вопросы фармакологической коррекции гипоксии головного мозга в настоящее время относятся к числу приоритетных биолого-медицинских проблем. При разнообразии препаратов — антигипоксантов — существуют различные ограничения в их применении при патологиях головного мозга, обусловленные наличием большого количества побочных эффектов и сложностью прохождения через гематоэнцефалический барьер. Отметим, что большой научный интерес сегодня

BDNF-опосредованная регуляция функционального состояния митохондрий клеток головного мозга при гипоксии СТМ | 2018 | том 10 | №3 89

[\лпн г > Г i

комплекс

Сукцинат натрия

ч

55-65%

III

комплекс

[Сукцинат, г > II

[ натрия комплекс

Ínadh i

комплекс

1

/

25-30%

ч

II

комплекс

/

70-80%

IV комплекс

Г

га IV

комплекс комплекс i

Ог

02

Рис. 1. Схема работы митохондриальной дыхательной цепи:

а — в условиях нормоксии; б — в условиях гипоксии; ЦТК — цикл трикарбоновых кислот

а

б

представляют молекулы эндогенного происхождения, способные реализовать внутриклеточные молекулярные каскады с участием генетического аппарата клетки и не только запустить клеточные адаптационные механизмы, но и подкрепить их перестройкой энергетического обмена. Такое свойство позволяет потенциальным молекулам-антигипоксантам активировать необходимые процессы, например нейропротекции или нейропластичности.

Ряд исследований [9, 10] показал, что среди химических веществ, потенциально способных контролировать уровень метаболизма клетки в условиях сниженного содержания кислорода, выделяется ней-ротрофический фактор головного мозга (BDNF — brain-derived neurotrophic factor). В частности, установлено, что BDNF оказывает влияние на показатель дыхательного контроля митохондрий клеток головного мозга (увеличивается скорость окислительного фос-форилирования). Этот эффект опосредуется работой магистрального пути TrkB-сигнализации (сигнальный каскад, работающий при связывании BDNF с TrkB через митоген-активированную протеинкиназу — MAP) [9]. Также показано [10], что превентивное введение нейротрофического фактора повышает устойчивость животных к действию острой гипобарической гипоксии посредством увеличения времени жизни на высоте и предотвращает нарушение пространственной памяти в постгипоксический период.

В данной работе сделан акцент на изучение возможности BDNF модулировать эффекты гипоксии при регуляции функционального состояния митохондрий посредством связи BDNF — TrkB.

Цель исследования — изучить влияние TrkB-

опосредованного действия BDNF на выживаемость животных и работу I, II комплексов дыхательной цепи митохондрий клеток головного мозга при моделировании острой гипобарической гипоксии in vivo.

Материалы и методы

Эксперименты in vivo были выполнены на мышах (половозрелых самцах) линии СВА массой 20-25 г. Содержание животных в сертифицированном виварии Национального исследовательского Нижегородского государственного университета и исследовательская работа проводились в соответствии с требованиями приказов №1179 МЗ СССР от 11.10.1983 и №267 МЗ РФ от 19.06.2003, а также в соответствии с международными правилами «Guide for the Care and Use of Laboratory Animals», отвечали требованиям Европейской конвенции о защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей (Страсбург, 2006) и были согласованы с биоэтической комиссией Национального исследовательского Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Все животные были разделены на следующие группы: 1-я — интактные; 2-я — контрольные животные, подвергшиеся острой гипобарической гипоксии без введения изучаемых веществ; 3-я — животные с острой гипобарической гипоксией и превентивным введением (внутрибрюшинно) селективного блокато-ра TrkB-рецепторов ANA-12 в концентрации 0,5 мг/кг; 4-я — животные с острой гипобарической гипоксией и превентивным введением (интраназально) BDNF в концентрации 4 мкг/кг; 5-я — группа сравнения, жи-

//////////////////^

90 СТМ J 2018 J ТОМ 10 J №3 ТА. Астраханова, М.А. Уразов, А.В. Усенко, Е.В. Митрошина, Т.А. Мищенко, Н.А. Щелчкова, М.В. Ведунова

вотные с острой гипобарической гипоксией и превентивным введением 1% диметилсульфоксида (ДМСО) в комбинации с Twееn 20 для исключения влияния растворителей ANA-12 на исследуемые параметры. Выбор дозы используемых веществ был основан на результатах предшествующих исследований [10, 11]. Введение препаратов осуществляли за 45 мин до моделирования острой гипобарической гипоксии.

Для моделирования острой гипобарической гипоксии мышей помещали в барокамеру, в которой создавали давление 220-240 мм рт. ст., что соответствует высоте 10 000 м над уровнем моря [12].

Определение функциональной активности митохондрий проводили через 24 ч после моделирования острой гипобарической гипоксии. Выделение митохондрий осуществляли стандартным дифференциальным центрифугированием [13]. Все манипуляции выполняли на льду. Оборудование и среды выделения были охлаждены. После декапитации животных быстро вскрывали черепную коробку, иссекали головной мозг (не более 20 с), помещали его в предварительно охлажденную фарфоровую ступку и промывали ледяной средой выделения следующего состава: 70 мМ сахароза, 210 мМ маннитол, 30 мМ HEPES, 0,1 мМ ЭДТА (рН=7,4), после чего удаляли мозжечок. Большие полушария и стволовую часть мозга подвергали гомогенизации в среде выделения в стеклянной гомогенизаторной пробирке, помещенной в лед. Тефлоновый пестик гомогенизатора с клиренсом, исключавшим разрушение митохондрий, приводили в движение электромотором. Соотношение массы ткани и среды выделения — 1:7. Полученный гомогенат мозга подвергали предварительному центрифугированию при 2700 об./мин (температурный интервал от

-3 до 0°С, 10 мин). Супернатант сливали в пробирку и подвергали центрифугированию в течение 15 мин при 8500 g. Осажденные митохондрии промывали холодной (+4°С) средой выделения и ресуспендирова-ли в среде, содержавшей 210 мМ маннитола, 70 мМ сахарозы, 0,1 мМ ЭГТА, 10 мМ HEPES (pH=7,4), и вновь центрифугировали в течение 15 мин при 8500 g. Полученную суспензию митохондрий хранили на льду, не допуская замораживания. Определение содержания белка в изолированных митохондриях проводили по методу Брэдфорда.

Потребление кислорода изолированными митохондриями регистрировали полярографически при помощи респирометра высокого разрешения OROBOROS Oxygraph-2k (OROBOROS Instruments, Австрия) в 2 мл среды инкубации (маннит — 210 мМ, сахароза — 70 мМ, ЭГТА — 0,1 мМ, HEPES — 10 мМ, рН=7,4) при постоянном перемешивании. Скорость потребления кислорода выражали в пикомолях за 1 с в расчете на

I мг белка митохондрий.

Потребление кислорода в камере фиксировали с использованием программного обеспечения DatLab5 (OROBOROS Instruments, Австрия).

Состояние дыхательной цепи митохондрий оценивали, используя следующие параметры: скорость потребления кислорода митохондриями при высоком содержании в среде инкубации субстратов — 5 мМ глутамата и 5 мМ малата (субстраты I комплекса) (рис. 2, состояние 1); скорость окислительного фос-форилирования дыхательной цепи в присутствии 5 мМ аденозиндифосфата (АДФ) (рис. 2, состояние 2); ингибирование работы I комплекса 0,5 мкМ роте-ноном (рис. 2, состояние 3) и интенсивность работы

II комплекса дыхательной цепи при его стимулирова-

Рис. 2. Характерный пример регистрации скорости потребления кислорода митохондриями

Показано последовательное внесение компонентов дыхательной цепи к суспензии митохондрий, находящихся в среде инкубации: 1 — скорость потребления кислорода митохондриями при высоком содержании в среде инкубации субстратов I комплекса — 5 мМ глутамата и 5 мМ малата (переход электронов от атомов водорода NADH на ферменты дыхательной цепи); 2 — стимулирование окислительного фосфорилирования дыхательной цепи митохондрий внесением в среду инкубации митохондрий экзогенного 5 мМ АДФ (процесс окисления восстановленных эквивалентов NADH ферментами дыхательной цепи, сопровождающийся синтезом АТФ); 3 — ингибирование работы I комплекса 0,5 мкМ раствором ротенона (блокирование передачи электронов в I комплексе с железосерных кластеров на окисленный убихинон); 4 — сукцинатзависимый путь окисления субстратов (внесение в среду инкубации субстрата II комплекса дыхательной цепи сукцината)

BDNF-опосредованная регуляция функционального состояния митохондрий клеток головного мозга при гипоксии СТМ 1 2018 1 том 10 1 №3 91

ç©

g

Só I

> >

о к

X

к

X

о ra к

та

03

со о

га

>

£ о

В =

рз >

I

» 1

11 Я

3 i га §

I

1

Р= 1

I

от

i

ш. ■D

о s

Зэ p

о

а со о

s

ТЗ о го DD (Г ^ о

fi) £ X

X s ч

s го ТЗ о

а fi) ь

о о о s СГ

H о

ТЗ о

о H го

s< 0" D

-1 Z

s "П

ZI 0"

о E

G) о

fi) ТЗ s X s< а s > Z > 1

о X —ь

о X о s s 143

s< о

~1 s DU ti

ZI > ^

о о

X ZI о

о о

s о

s а о

о

СИ S

CD X

Y s -

í "О X

тз

0 ■ ü ' сг

1 сг

CD -и

=1 I

о ¿

ш I

СО S

Я X

Ф CD

о

s oí

s s

ш 5

s CD

СИ I

s °

3

^ О

ся -»■

CD СО ^ ^

Ш CD

О 00

О 1+ О

^ ^J

СП к. CD ^Г H CD

I»

CD

X -Ч

О

Р О CD

3 ю ш

=1

- I

¡3

N

S я

^ О >-&

~z_ о ir о £-8-

м -§ s

S ^

s

OD ТЗ О О ? И

ТП X

ТЗ ^

S О

0 О

' Ц

01 ш ^ СИ ^ ü О я

CD

Cl?

g M Ol

О CD

^ £

2 1+

g g

О J^

^ =1

СП г" CD

0 о X Ü

1 •

Ш ^

3 Ê

2 § X S ä-g

£ s

■чР X

о

s É CD ^

g I o

T3

S Ol о 2

Oí

Vм ш

I S

GO

I ço Ф X

x m

¡I

s< о

X Ш

CD о il ^ ^ -Я

X

0 О

sc q j=

il ¡I

1

S -S-

О О

3 °

О О

Ï § о s

S<T3

о

-П

Э ш Ü о Е

-1- о M

^ со

-1 ТЗ _i.

Ol CD s ^ Vj

:ь CD

X CD 1+

I s CD со со

^ К) о

0D

о z о

~n :ь

^^—^ СГ

M

со о

о Ú

^

"cd

M 1+ I ш

ж

-si

ai

о 1

Ol CD

о

^ ш

cr '—'

.—. s

о

Ú -1 ТЗ

:ь <

'----

I

Ш СГ

> о

X

тз

s

ti

<

со I

ш

X CD I

5 (D 3

о ^

ш

со со

X ш ^

X CD CD ^ I s

—I M о

2 -О о

^ S ® s

О I Ol

Ш ^ - _i

s CD CD Л

a i CD ^

X CD 1+3

M

s о

CD О

со oi о

CD

^ СИ СГ

? 5 X

í § Ш й ¡ =1 í O "g

O , j= (D

o o

-1 Q O

;< o

Ш

cr T3 o

СП

СП

СП =1 CD ТЗ t CD CD ti X CD S ^ CD ф X

s *

О О z X

s о =1 5 -о

о\ о

тз а s

CD I

О ТЗ ш

s ^ ^

CD

□ тз ся

О о CD

СП ^

о

ш

>13

о т S

0 о X К) ■

ш m

1 СП

ТЗ

0 :ь

СГ

1

о

о о\ о\

Ш Ш S СО "О

CD CT CD X X о S Ш sao

а ^ 0)

СП

^ g s

" "Я

ТЗ О

о

о ^

S CD х -g ^

О 8 5 тз Ч _е

^ s s

CD ^

О СП ^ £

ш

Cl?

3 о

g " i

^ Я -г,

H ТЗ CD

Ш CD со i

Щ ® E

05 X

Ш

5 í

§ 3

Ш -o

œ s

ТЗ ш CD =1

Ol о ^ ^

CD

1 8 CD

s t.

о О

^ СП

О Ю

ТЗ ^

ê § ш

а

СП

_ Z ^

ш ш ш

5 ^ Е

^ О s

M * X

"¿o ?

^ -I §

" i

ф CD

X SC

CD m

I ro

0

1 H

ТЗ

0 ^

СГ

1

о

Ii

о о

sc X

ш о

. . СГ

о -Е °

S t J= =1 ТЗ CD О S I

о

СП СП CD ti CD

-1 I

ТЗ <

— In

CD

-1 £

ш О

X X

CD CD

СП 00

-, о

тз 2

^ -п

3 I

§ СП

1 ®

* ®

Р о

=1 H

ТЗ О

О СП CD

H ^

ti

CD ^

s

ТЗ

0

СП

ш

1

СП СП

0 t s :ь

s

>

z >

1

M

ТЗ СП

о ш

^ X

о 5

О S

° я

H ш

Ш CD

СП S

со

N°

л H

о

СП К) ТЗ

ш

со

ш

N° S

СП

ш 3

€ Е

X il

Е о

^ g OD Q

^ь "Я

в

¡I

H s-g

СП s

Я é

-S -

CD St Ш

M

ш о

Г-

-I— n

I CD s<

ТЗ

о

ТЗ

я

CD TS

X

ш ^

CD ТЗ СП

о

СП CD X н

о m

—I ^

О CD

Î1 Ш СП Ш

OD I

о 3 ^ ê

СП

§ CD о

çp i Ф

i тз X

5 о ^

CD V ^

и I

^ I g q

St 05

11 g s

«s

I ï

О 05

^ i O i

: J= 05

о о

о s

p> 5

^ 05

■D

s

p

pi о

X

s о

s

H

о

(Г X

о о

-8-о о -8-о

ТЗ

ТЗ

о го fi)

Зэ

(Г X fi) H

о э

(Г

Окислительное фосфорилирование, пмоль/(с мл) на 1 мг белка

И I

05

05

f ^q

v< О s

S o ¿

ï 8

S w g

I ï

О 05

^ i

O i

о) 8 s

ago о» 2 "

H Í ^ fi) 0 -тз m

9 s

St J= -1 05

s «

11 CD

о о

0 s

01 п:

i s

X ï

fi) Si -fi-50

f s 0-8

s о

w q

0\ H

Ö" 0-

H H

g 3

« ro

T3

о

G)

G)

05

a

lî о

"ö I

fi) s

H a

S s

g s

»< о

—I и

fi) о

s ]3

fi) fi)

fi) s

"0

Ф

to

0)

T3 S 1=

T3 >

IA ^

-S

О ф

ел со ^

s

X

s

о <

ТЗ

11

СП ^

=1 s "g О

-I z¡

ТЗ тз

ш CD ^ t

s я ® s

сл ^

CQ S

3 =1

Ш ТЗ

12 s о. =i

о

3 1

^ CD

2 CD

CD 1+

Q

s ^

О Ш

О X

er Q)

s £

^ а

s о E s

s Ol

S s t

=1 s

0

■Э ° 11

1 Si

CD ^ J= T3 s CD X со Q)

^ о

СГ ^

и s

'S-s а 5

Ш ^

г Ф Û)

I = î

^ О Ш

S J I

о

ТЗ Q CD

s

R 1

g я

ТЗ о

? сл

H m ^

СГ ■ I

i o

=1 s тз

CD _

If

ЕЗ о

СП

:ь м

CD -

ï ° Е о о

^ о

й I -8 S

Скорость потребления 02 пмоль/(с мл) на 1 мг белка

«

п я

H

s

s

H

я

>

в4 я Е

H

s

n

n >

H >

о

ÜS

>

я я

12 000

О ¡я g 10 000

ш ^ s 8000

Q.S х

¡5 5 б

Q. ° С OSO

Осе

6000

4000

2000

0

I

Интактные Контроль BDNF ANA-12 ДМСО

Рис 6. Сукцинатзависимый путь окисления субстратов (активная работа II комплекса дыхательной цепи митохондрий при окислении сукцината)

II комплекса дыхательной цепи митохондрий (рис. 6). Интенсивность дыхания митохондрий клеток головного мозга при окислении сукцината в группах статистически значимо не отличалась от соответствующих контрольных значений (10 409,4±1329,1 пмоль/(с-мл) на 1 мг белка).

Обсуждение

Исследование влияния BDNF на устойчивость мышей линии СВА к повреждающему действию гипоксии показало, что данный фактор в концентрации 4 мкг/кг повышает выживаемость животных. Однако этот эффект нивелируется при блокаде TrkB-рецепторов. Можно предположить, что защитные механизмы BDNF, обусловленные способностью зрелой молекулы белка связываться с данным рецептором, активируют внутриклеточные сигнальные каскады, повышающие выживаемость нервных клеток в условиях гипоксии. Так, при активации белкового комплекса NF-kB (nuclear factor kappa B) экспрес-сируются антиапоптотические белки семейств Bcl2 и IAP. Данный эффект наряду с активацией других факторов (например, с-jun, cIAP1) служит основным тормозящим апоптоз агентом [10, 14, 15].

Молекулярные механизмы любой формы гипоксии связаны с подавлением аэробного синтеза энергии, энергозависимых функций и, как следствие, формированием функционально-метаболических нарушений, которые вызывают дисфункцию митохондриального аппарата, выражающуюся в фазных изменениях активности митохондриальных ферментативных комплексов [16].

Нами показано, что в условиях недостатка кислорода снижение окислительной способности NADH-зависимого звена дыхательной цепи митохондрий опосредовано BDNF-TrkB-сигнализацией. Было установлено, что в условиях острой гипобарической гипок-

сии скорость потребления кислорода при окислении глутамата и малата коррелирует с показателями скорости потребления кислорода с применением селективного блокатора ТгкВ-рецепторов ANA-12. Однако превентивное введение BDNF восстанавливает скорость практически до интактных значений. Схожие данные были получены в работах А. Магнат с со-авт. [9]. Ученые показали, что BDNF влияет на работу I комплекса дыхательной цепи митохондрий клеток головного мозга при окислении глутамата и малата за счет МАР-киназы (одного из трех сигнальных каскадов при связывании BDNF с ТгкВ). Они также выявили, что данный эффект специфичен для митохондрий клеток головного мозга (на препаратах печени аналогичные изменения отсутствовали).

Нейротрофический фактор головного мозга также оказывает влияние на окислительное фосфорилиро-вание посредством BDNF-TrkB-сигнализации, которое выражается в увеличении дыхательного контроля. Результаты наших исследований показывают, что в условиях острой гипобарической гипоксии BDNF поддерживает скорость синтеза АТФ в пределах интактных значений, но при этом блокада ТгкВ-рецепторов не влияет на изменение показателей окислительного фосфорилирования. Можно предположить, что при инактивации ТгкВ-рецепторов в условиях нехватки кислорода регуляция эндогенного BDNF опосредована за счет рецепторов ТгкА и ТгкС, которые находятся в активном состоянии.

Отсутствие достоверных изменений в значениях интенсивности дыхания по сукцинатзависимому пути окисления субстратов может быть связано с временным показателем постгипоксического периода. В литературе имеется немалое количество экспериментальных подтверждений нарушения электрон-транспортной функции I комплекса дыхательной цепи в условиях гипоксии, которая сохраняется первые 30 мин-2 ч реоксигенации. Нами показано, что через сутки после моделирования острой гипобарической гипоксии нормализуется работа II комплекса дыхательной цепи [1, 17].

Таким образом, способность BDNF положительно влиять на выживаемость и работу дыхательной цепи митохондрий клеток головного мозга демонстрирует его исключительную важность как компонента эндогенной антигипоксической системы защиты.

Заключение

Нейротрофический фактор головного мозга (BDNF) повышает устойчивость животных к действию острой гипобарической гипоксии и оказывает влияние на работу дыхательной цепи митохондрий посредством ТгкВ-сигнализации. Антигипоксический эффект реализуется за счет сохранения активности NADH-зависимого пути окисления субстратов.

Финансирование исследования. Исследование

тшшшшшштчшшшшшшшжшшшшшшшшшштчш^^

BDNF-опосредованная регуляция функционального состояния митохондрий клеток головного мозга при гипоксии СТМ | 2018 | том 10 | №3 93

экспериментальные исследования

выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект 17-75-10149).

Конфликт интересов. У авторов нет конфликта интересов.

Литература/References

1. Лукьянова Л.Д., Кирова Ю.И., Сукоян Г.В. Сигнальные механизмы адаптации к гипоксии и их роль в системной регуляции. Биологические мембраны 2012; 29(4): 238-252. Lukyanova L.D., Kirova Yu.I., Sukoyan G.V. Signaling mechanisms of adaptation to hypoxia and its role in systemic regulation. Biologicheskie membrany 2012; 29(4): 238-252.

2. Duchen M. Mitochondria in health and disease: perspectives on a new mitochondrial biology. Mol Aspects Med 2004; 25(4): 365-451, https://doi.org/10.1016/j.mam. 2004.03.001.

3. Wheaton W.W., Chandel N.S. Hypoxia. 2. Hypoxia regulates cellular metabolism. Am J Physiol Cell Physiol 2011; 300(3): 385-393, https://doi.org/10.1152/ajpcell.00485.2010.

4. Hernansanz-Agustín P., Ramos E., Navarro E., Parada E., Sánchez-López N., Peláez-Aguado L., Cabrera-García J.D., Tello D., Buendia I., Marina A., Egea J., López M.G., Bogdanova A., Martínez-Ruiz A. Mitochondrial complex I deactivation is related to superoxide production in acute hypoxia. Redox Biol 2017; 12: 1040-1051, https://doi. org/10.1016/j.redox.2017.04.025.

5. Görlach A., Dimova E.Y., Petry A., Martínez-Ruiz A., Hernansanz-Agustín P., Rolo A.P., Palmeira C.M., Kietzmann T. Reactive oxygen species, nutrition, hypoxia and diseases: рк^^^ solved? Redox Biol 2015; 6: 372-385, https://doi. org/10.1016/j.redox.2015.08.016.

6. Olmez I., Ozyurt H. Reactive oxygen species and ischemic cerebrovascular disease. Neurochem Int 2012; 60(2): 208-212, from: https://doi.org/10.1016/j.neuint.2011.11.009.

7. Chaturvedi R.K., Flint Beal M. Mitochondrial diseases of the brain. Free Radic Biol Med 2013; 63: 1-29, https://doi. org/10.1016/j.freeradbiomed.2013.03.018.

8. Galkin A., Abramov A.Y., Frakich N., Duchen M.R., Moncada S. Lack of oxygen deactivates mitochondrial complex I: implications for ischemic injury? J Biol Chem

284(52): 36055-36061, https://doi.org/10.1074/jbc.

9. Markham A., Cameron I., Franklin P., Spedding M. BDNF increases rat brain mitochondrial respiratory coupling at complex I, but not complex II. Eur J Neurosci 2004; 20(5): 1189-1196, https://doi.org/10.1111/j.1460-9568.2004.03578.x.

10. Vedunova IW.V., Sakharnova Т.А., Mitroshina E.V., Shishkina T.V., Astrakhanova T.A., Mukhina I.V. Antihypoxic and neuroprotective properties of BDNF and GDNF in vitro and in vivo under hypoxic conditions. Sovremennye tehnologii v medicine 2014; 6(4): 38-47.

11. Stragier E., Massart R., Salery M., Hamon M., Geny D., Martin V., Boulle F., Lanfumey L. Ethanol-induced epigenetic regulations at the Bdnf gene in C57BL/6J mice. Mol Psychiatry 2015; 20(3): 405-412, https://doi.org/10.1038/mp.2014.38.

12. Методические рекомендации по экспериментальному изучению препаратов, предлагаемых для клинического изучения в качестве антигипоксических средств. Под ред. Лукьяновой Л.Д. М; 1990. Metodicheskie rekomendatsii po eksperimental'nomu izucheniyu preparatov, predlagaemykh dlya klinicheskogo izucheniya v kachestve antigipoksicheskikh sredstv [Guidelines on experimental study of drugs offered for clinical study as antihypoxic agents]. Pod red. Lukyanovoy L.D. [Lukyanova L.D. (editor)]. Moscow; 1990.

13. Егорова М.В., Афанасьев С.А. Выделение митохондрий из клеток и тканей животных и человека: современные методические приемы. Сибирский медицинский журнал 2011; 26(1-1): 22-28. Egorova M.V., Afanasyev S.A. Isolation of mitochondria from cells and tissues of animals and human: modern methodical approaches. Sibirskij medicinskij zurnal 2011; 26(1-1): 22-28.

14. Vedunova M.V., Mishchenko T.A., Mitroshina E.V., Mukhina I.V. TrkB-mediated neuroprotective and antihypoxic properties of brain-derived neurotrophic factor. Oxid Med Cell Longev 2015; 2015: 453901, https://doi. org/10.1155/2015/453901.

15. Skaper S.D. Neurotrophic factors: an overview. Methods Mol Biol 2018; 1727: 1-17, https://doi.org/10.1007/978-1-4939-7571-6_1.

16. Kristian T. Metabolic stages, mitochondria and calcium in hypoxic/ischemic brain damage. Cell Calcium 2004; 36(3-4): 221-233, https://doi.org/10.1016/j.ceca.2004.02.016.

17. Лукьянова Л.Д. Сигнальная роль митохондрий при адаптации к гипоксии. Фiзiологiчний журнал 2013; 59(6): 141-154. Lukyanova L.D. Signal role of mitochondria in adaptation to hypoxia. Fiziologichniy zhurnal 2013; 59(6): 141-154.

94 СТМ J 2018 J том 10 Í №3

штш////ш?///?///?///?//^

Т.А. Астраханова, М.А. Уразов, А.В. Усенко, Е.В. Митрошина, Т.А. Мищенко, Н.А. Щелчкова, М.В. Ведунова