CC BY
20
cadmium and resulting hazards for human health. Journal 13. Wang B, Du Y. Cadmium and its neurotoxic of Occupational Medicine and Toxicology. 2006;1:22. effects. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. doi: 10.1186/1745-6673-1-22. 2013;898034. doi: 10.1155/2013/898034.
12. Thevenod F, Lee WK. Toxicology of cadmium and its damage to mammalian organs. Metal Ions in Life Sciences. 2013;11:415-90. doi: 10.1007/978-94-007-5179-8_14.
OraTTa Hagmm^a go pegaKmi' 13.03.2017
♦
УДК 612.82:612.397:616.441
О.Г. Родинський, ГАЛЬМШНИЙ МЕХАН1ЗМ ВПЛИВУ
О.М. Демчеако, ТИРЕО1ДНИХ ГОРМОН1В
о т Кондратьева, НА КОГН1ТИВН1 ФУНКЦП МОЗКУ
А.М. Г олубка,
Д. С. Ярошенко
ДЗ «Дтпропетровська медична академiя МОЗ Украти» кафедра фiзiологii
(зав. - д. мед. н., проф. О.Г. Родинський)
вул. Вернадського, 9, Днiпро, 49044, Украна
SE «Dnipropetrovsk medical academy of Health Ministry of Ukraine»
Department or Physiology
Vernadsky str., 9, Dnipro, 49044, Ukraine
e-mail: nphys@dsma. dp. ua
Ключовi слова: гтертиреоз, гтотиреоз, ЦНС, ГАМК, ненасичеш жирш кислоти, гiпокамп Key words: hyperthyroidism, hypothyroidism, CNS, GABA, unsaturated fatty acids, hippocampus
Реферат. Тормозной механизм влияния тиреоидных гормонов на когнитивные функции мозга. Родинский А.Г., Демченко А.Н., Кондратьева Е.Ю., Голубка А.Ю., Ярошенко Д.С. В экспериментах на молодых крысах изучали изменения жирнокислотного спектра фракции свободных жирных кислот (СЖК) неокортекса и гиппокампа в условиях дисфункции щитовидной железы. Повышенный уровень тиреоидных гормонов вызвал накопление полиненасыщенных линолевой и линоленовой кислот в неокортексе в 2 раза, в гиппокампе на 52%. Состояние гипотиреоза способствовало также повышению С18:2,зв неокортексе на 74,4%%. Рост доли ненасыщенной фракции среди жирнокислотного состава неокортекса сопровождался также уменьшением содержания насыщенных С16:0 и С21:0 на 25% и 36% соответственно. Увеличение уровня ненасыщенной фракции СЖК коры больших полушарий, возможно, связано со снижением «ненасыщенности» структуры липидов, в свою очередь, может усиливать серотонинергическую синаптическую активность. Исследование концентрации нейромедиаторных аминокислот неокортекса выявило увеличение содержания серотонина как в условиях гипертиреоза (НС), так и в условиях гипотиреоза (НС). При гипертиреозе наблюдалось также повышение содержания ГАМК. Активность серотонин- и ГАМК-эргичных нейро-медиаторных систем мозга при гипертиреоидном статусе можно рассматривать как наращивание тормозных процессов на фоне возбуждающего эффекта ТГ по принципу обратной связи. В условиях экспериментального гипотиреоза одним из путей уменьшения метаболизма, возможно, является углубление тормозных эффектов серотониновой системы ЦНС.
17/ Том XXII/ 2
9
Abstract. Inhibitory mechanism of influence of thyroid hormones on cognitive function of the brain. Rodynsky A.G., Demchenko E.M, Kondratieva E.J., Goliibka A.J., Yaroshenko D.S. In experiments on young rats there were studied changes in the fatty acid spectrum of fraction of free fatty acids (FFA) of neocortex and hippocampus in conditions of thyroid dysfunction. Elevated levels of thyroid hormones caused accumulation ofpolyunsaturated linoleic and linolenic acids in the neocortex by 2 times, in the hippocampus - by 52%. State of hypothyroidism also contributed to the increase of C18:2,3 in the neocortex by 74.4%. Growth of share of unsaturated fatty acid fraction in the content of fatty acid spectrum of neocortex also was accompanied by decrease in saturated C16:0 and C21:0 by 25% and 36% respectively. Increase of the level of unsaturated fatty acids fraction of the cerebral cortex is possibly associated with the decrease in "unsaturation" structure of lipids, which in its turn may enhance serotonergic synaptic activity. Research of concentration of neuromediator amino acids in neocortex showed increase of serotonin content both in conditions of hyperthyroidism and hypothyroidism. In conditions of hyperthyroidism increased content of GABA was observed. Activity of serotonin- and GABA- ergic neurotransmitter systems of the brain in conditions of hyperthyroidism can be considered as increase of inhibitory processes in the effect offeedback. In conditions of experimental hypothyroidism activation of the inhibitory effects of CNS serotonergic system may be one of the ways to reduce the metabolism.
Вищi функци мозку визначаються дiяльнiстю нервово! та ендокринно! систем. Тирео!дш гормони, що вщповщають за становлення ЦНС у пренатальному перюд^ забезпечують подальше формування когштивно! функци впродовж всього життя [1]. Але мехашзм впливу ТГ на ЦНС та, зокрема, формування псж!чно! акти-вност мозку не з'ясоваш. Вщомо, що свш вплив на когштивш функцп ТГ можуть виявляти як прямо на негеномному рiвнi, модифшуючи ре-цепторну функщю мембран, так i на геномному рiвнi, модулюючи кл^инний метаболiзм, що також змшюе синаптичну актившсть нейрошв вщповщно до !х медiаторно! належност [7]. Bi-домо, що ТГ, у першу чергу, модулюють ак-тивнють основних збуджуючих, зокрема глу-тамат- i моноамшерпчних систем мозку. Мiж тим, за останш роки модулящя ТГ гальмiвно! ГАМК-ерпчно! системи ЦНС набувае все бшь-шо! уваги [4,9].
Тому визначення ролi ТГ у регуляци вмюту окремих нейромедiаторних амшокислот гальмiв-ного характеру е актуальною проблемою на шляху з'ясування механiзмiв дп цих гормонiв на формування когштивно! функци ЦНС.
МАТЕР1АЛИ ТА МЕТОДИ ДОСЛ1ДЖЕНЬ
Дослiдження проводили на 30 бших щурах лiнi! Wistar (n=30). Експерименти проведенi вщ-повщно до Свропейсько! конвенци про захист хребетних тварин, що використовуються для дослщних та iнших наукових цшей (Страсбург, 1986) та Закону Укра!ни «Про захист тварин вiд жорстокого поводження» (вiд 21.02.2006 р., № 3447 - IV).
Гшертирео!'дний стан моделювали шляхом введення з !жею подрiбнених до порошку таблеток L-тироксину („Berlin-Chemie AJ", Hi-меччина) впродовж двох тижшв у дозах, яю поступово пiдвищували, що пов'язано з шак-тивацiею екзогенного тироксину. На початку експерименту доза препарату була вищою за
добову продукщю тироксину (3-5 мкг/тварину) i становила 10 мкг/добу. Щодобово концентрацiю тироксину пiдвищували на 5 мкг порiвняно з по-передньою. Гiпотирео!дний стан створювали вве-денням з !жею мерказолiлу в дозi 10 мг/кг впродовж двох тижшв. Biрогiднiсть створених моделей тдтверджували визначенням у кiнцi експерименту концентрацш тироксину (Т4) та тиреотропного гормону (ТТГ) в плазмi кровi шддослщних щурiв та оцiнкою клiнiчного статусу тварин: маса тша, ЧСС, рухливють, збудли-вiсть, емоцiйнiсть.
З метою визначення рiвня окремих вшьних жирних кислот (ВЖК) у лшщах мозку тварин декапiтували, брали мозок на холодi (0-2°С) та видшяли кору великих пiвкуль i гшокамп. Екстракцiю лiпiдiв проводили за методом Фолча [5]. Тканини мозку гомогешзували в 3,5 мл сум^ хлороформ-метанол у пропорци 1:2. Ме-тилювання ВЖК проводили за допомогою 5% розчину диметилсульфату в метанолi. Цю фрак-цiю розчиняли в 1 мл хлороформу й виявляли методом газохроматографiчного аналiзу на хроматографi „Chrom 5" (Чех1я). Умови газор> динно! хроматограф^: скляна колонка 1 м*3 мм, нерухома фаза 5% SP-2100 на хроматон N-Super (0,16 - 0,20 мм); газ носш - азот (осч), розходу-вання - 60 мл/хв. Температура випаровувача -230°С; температура полум'яно-юшзацшного детектора - 250°С; запрограмований режим температури - вщ 150°С до 270°С зi швидкiстю 5°/хв. Якiсний аналiз метилових ефiрiв жирних кислот проводили за часом утримування стан-дартiв. Кiлькiсну ощнку спектра жирних кислот лiпiдiв проводили за методом нормування площин i визначали у вiдсотках.
Визначення концентраци глiцину, ГАМК, глутамату в гомогенат неокортекса проводили хроматографiчним методом, заснованим на под^ глiцину, ГАМК та глутамату в системi н-бутанол: оцтова кислота: вода в тонкому шарi
сорбента з наступним кшьюсним визначенням по реакцп з аллоксаном [6]. На стартову лшю плас-тини «сшуфол» наносили 0,2 мл тканинного екс-тракту i хроматографували в системi н-бутанол : оцтова кислота: вода у сшввщношенш 8:2:1. По^м пластину висушували i проявляли 1% розчином аллоксану в ДМФА при 100°С. Плями, вщповщш ГАМК, глщину, глутамату, вирiзали й еллюiрували в 3 мл ДМФА протягом 3 годин. По^м проби центрифугували при 2500 об/хв протягом 30 хв. (при температурi 15°С), пiсля чого !х спектрофотометрували при довжинi хвилi 540 нм. Вмiст ГАМК, глщину i глутамату розра-хували за калiбрувальною кривою з перерахунком на навюку тканини i виражали в мкмоль/г тканини.
Результати дослiджень оброблеш за допо-могою параметричних методiв статистики з ви-користанням ^критерда Стьюдента для малих вибiрок [2]. Змши показникiв вважали вiроriд-ними при р<0,05.
РЕЗУЛЬТАТИ ТА IX ОБГОВОРЕННЯ
Частка естерифiкованих ЖК становить 40% вше! маси лшщв мозку. О^м ЖК, що входять у структуру лшщв, у тканинi мозку е невеликий фонд ВЖК, що по вщношенню до загального вмюту ЖК дорiвнюе 1-1,5%. Незважаючи на такий незначний об'ем, щ кислоти мають ви-сокий ступiнь обмшюваносп, що в 8-10 разiв перевищуе питому активнiсть лiпiдiв мозку. Фракщю ВЖК можна розглядати як фонд, що забезпечуе синтез лшщв, як анюнний фонд. 1х
Таке суттеве збiльшення вмюту цих полше-насичених жирних кислот (ПНЖК) за вщсут-ност змш у piBHi шших дослiджyваних ВЖК, зокрема насичених, може вщбуватися за двох причин. По-перше, якщо вважати фракцiю ВЖК за депо для синтезу фосфолшщв у нейронах de novo, то зростання долi цих ненасичених ЖК може бути результатом зменшення !х ви-користання в стрyктyрi лiпiдiв мембран. Подруге, менш ймовiрно, але можливо ця фракцiя
поверхнева актившсть може бути важливою для функцш мембран i мембранних ферментiв, ре-цепторiв. Аналiз численного лiтературного мате-рiалу дозволив висловити судження, що полярна частина молекули фосфолшщв визначае !х загальнi властивостi, а склад ЖК надае молекулам специфiчного характеру, що впливае на особливосп !х бiологiчних функцiй.
Вплив ТГ на обмш лiпiдiв мозку вщомий лише на рiвнi загального кл^инного обмiну, тобто його прискорення при переважанш ката-болiчних процесiв. Специфiчнiсть процесу по-лягае в тому, що лшщи в мозку практично ви-конують роль пластичного ресурсу та, зокрема, забезпечують пiдтримання i модифшащю мем-бранно! структури та, як наслщок, 11 сигнальну функцiю. Тому дослщження рiвня вiльних жирних кислот ВЖК кори i гiпокампа за умов гшертиреозу дозволить дослiдити роль ТГ у регуляци якiсного та кшьюсного складу фосфолiпiдiв нервово! тканини.
Дослщження жирнокислотного спектру л> пщв кори i гiпокампа молодих щурiв пiд-твердило основне припущення про участь ТГ у регуляци обмiну ненасичених ЖК та, як на-слiдок, у змш проникностi мембран i !х в'яз-кiсних властивостей. За умов гшертирео!дного стану спостерiгалось значне накопичення лшо-лево! та лшоленово! ЖК на 145% в неокортекс та на 83% в гшокамт (р<0,05) (табл. 1).
Таблиця 1
(%)
г1пертиреоз (n=10)
7,55±0,86*
вибiрково видаляеться зi структури ФЛ у процес гiдролiзy фосфолiпазами. Таку роль може ви-конувати, наприклад, фосфолiпаза А2, яка роз-щеплюе в процес пластичного обмiнy ФЛ у другому положены, де, як правило, знаходяться ненасичеш ЖК. Таким чином, обидва процеси -зменшення синтезу i збiльшення розпаду ФЛ вiдносно фракцп ПНЖК призводять до зниження долi «ненасиченосп» в складi мембранних лшщв, що шдвищуе в'язкiсть та жорстюсть мембран.
Зм1ни вм1сту в1льни\ лшолевот та лшоленовот кислот у мозку щур1в за умов г1пертиреозу
ВЖК
Кора (%)
контроль (п=10)
гшертиреоз (n=10)
Гшокамп
контроль (п=10)
1,67±0,11
3,42±0,98**
4,96±0,64
Примiтки: *- достовiрнiсть рiзниць вiдносно контрольно! групи р<0,05;**- р<0,01.
С
18:2,3
17/ Том XXII/ 2
11
Як вщомо з лтературних джерел, така мо-дифiкацiя жирнокислотного складу ФЛ може посилювати синаптичну активнiсть, зокрема серотонiнергiчну передачу [3]. Це припущення
пiдтвердилося результатами визначення вмiсту окремих нейромедiаторних амiнокислот у неокортекс молодих щурiв (табл. 2).
Таблиця 2
Концентращя нейромед1аторних амшокислот у неокортекс1 щур1в (M±m)
Група тварин ГАМК мкмоль/г тканин Серотон1н мкмоль/г тканин Гл1цин мкмоль/г тканин
Ппертиреоз (n=10) 10,04±1,24 8,10±0,62 18,80±0,62
Ппотиреоз (n=10) 7,24±0,78 8,34±0,71 18,80±0,59
Контроль (n=10) 6,62±0,62 6,09±0,67 16,01±0,68
Примаки: *- достов1рн1сть р1зниць вщносно контрольно! групи р<0,05;**- р<0,01.
У корi великих пiвкуль концентрацiя се-ротоншу збiльшувалась на 33%. Окрiм цього нейромедiаторного пулу, збiльшувався вмiст ГАМК на 51% та глщину на 18%. Таю змши на структурному рiвнi вiдображалися й на системному функцюнальному рiвнi. У рашше прове-дених дослiдженнях харчово! просторово! по-ведiнки молодих щурiв з тдвищеним тирео!дним статусом було показано покращення виконання !жодобувних реакцiй у 8-променевому лабiринтi. З лiтературних даних вщомо, що навчання тварин з позитивним шдкршленням вiдбуваeться за активно! участ серотонiнергiчно!' модулюючо! нейромедiаторно!' системи [8]. Цiкавою, на наш погляд, була б i така концепщя. Можливо, посилення активностi серотонiново! системи, що бшьшою мiрою виконуе роль гальмiвного меха-нiзму в мозку, е результатом захисного зво-ротнього мехашзму у вiдповiдь на збуджуючий характер дi! ТГ на ЦНС.
За умов дефiциту ТГ вщбувалися змiни, по-дiбнi за направленням та суттевiшi за своею ви-разнiстю. У неокортексi молодих щурiв вщ-
значалося зростання рiвня вшьних ПНЖК на 95%, що в цшому призводило до пiдвищення вмюту сумарних ненасичених ЖК на 42%. Такий характер змш посилювався й зменшенням на-сичених ВЖК - С16:о та С21:0 на 27% i 33% вщ-повiдно. У гшокамш, на вiдмiну вiд гшерти-реозу, в концентрацi! ПНЖК суттевих перебудов не спостерiгалось. Але зменшився вмют наси-чених ВЖК - С16:0, С18:0 та С21:0, загальних лiпiдiв та ненасичено! С18:1 в межах 22% - 58% (табл. 3). Такий суттевий перерозподш спектру депоно-ваних ВЖК у корi великих пiвкуль, що направлений на зменшення використання його ненасичено! фракцп в процесах синтезу ФЛ de novo, може значно корегувати проникнють i в'язкiсть мембран та регулювати стан. Одно-часно з цим, як i за умов гшертиреозу, тдви-щувався вмют серотошну в неокортексi на 40% (табл. 2). Щодо впливу гшотиреозу на просто-рову пам'ять, можна зауважити про попршення ступеня виконання харчових реакцш при навчаннi у 8-променевому лабiринтi.
Таблиця 3
Змши жирнокислотного складу лшщ1в у мозку щур1в за умов г1потиреозу, %
ВЖК Кора (%) Ппокамп (%)
контроль (n=10) г1потиреоз (n=10) контроль (n=10) г1потиреоз (n=10)
Cl6:0 11,51±0,81 8,61±0,82* 7,59±0,78 4,82±0,78* *
Cl8:0 5,38±0,25 6,20±0,67 6,74±1,12 2,89±0,88**
Cl8:1 7,70±0,80 10,37±1,60 6,84±0,95 3,73±1,10*
Cl8:2,3 1,68±0,11 2,93±0,48* 4,96±0,84 4,65±1,53
С21:0 6,95±0,72 4,47±0,61 * 5,76±0,86 2,75±0,89*
^'нена синен! 8,08±0,80 11,84±1,12* 10,68±1,10 8,09±0,86
П р и м i тк и : *-достсшршсть рiзниць вiдносно контрольно! групи р<0,05;**- р<0,01.
ЩДСУМОК
Анатзуючи данi проведених дослiджень, можна вивести, що на фонi гшертиреозу по-силення активностi гальмiвних нейромедiа-торних систем неокортексу, можливо за принципом зворотнього зв'язку, буде формувати адаптивну реакцiю у вiдповiдь на переважаючий збуджуючий вплив ТГ на ЦНС. Активацiя се-ротонiн- та ГАМК-ерпчно1 нейротрансмiссiï буде сприяти балансу збуджуючих та гальмiвних
процесiв у неокортекш, що е специфiчною адаптивною модифшащею в iнтегративнiй дiяль-ност ЦНС. За умов гiпотиреозу, який характеризуемся зменшенням метаболiзму мозку, поси-лення серотонiновоï дифузноï системи неокор-тексу, навпаки, е результатом загального галь-мiвного ефекту, особливо щодо формування про-сторовоï пам'ятi.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Демченко О.М. Психо-емоцшний статус щур1в за умов дисфункци щитовидно! залози / О.М. Демченко // Медичш перспективи. - 2014. - Т. 19, № 1. -С. 10 - 15.
2. Кокунин В.А. Статистическая обработка данных при малом числе опытов / В.А. Кокунин // Укр. биохим. журнал. - 1975. - Т 47, № 6. - С. 776 - 791.
3. Лычкова А.Э. Нервная регуляция функций щитовидной железы / А.Э. Лычкова // Вестник РАМН.
- 2013. - № 6.- С. 49 - 54.
4. Пептидная регуляция специфических лиганд-рецепторных взаимодействий ГАМК на плазматических мембранах нервных клеток / Т.В. Вьюнова, Л.А. Андреева, К.В. Шевченко [и др.]. // Нейрохимия.
- 2014. - Т. 31, № 4. - С. 300 - 306.
5. Прохорова М.И. Методы биохимических исследований (липидный и енергетический обмен) / М.И. Прохорова - Ленинград: Изд-во Ленингр. ун-та, 1982. - 250 с.
6. Уровень моноаминов и их метаболитов в структурах мозга крыс с експерементальным тревожно-депрессивным состоянием, вызванным введе-ним ингибитора дипептидилпептидазы IV в раннем постнатальном периоде / Е.Ю. Кушнарёва, Н.А. Кру-пина, Н.Н. Хлебникова [и др.] // Нейрохимия. - 2012.
- Т. 29, № 2. - С. 139-144.
7. Decreased pain threshold and enhanced synaptic transmission in the anterior cingulate cortex of experimental hypothyroidism mice / Y. Jun, Z. Jian-yong, W. Shan [et al]. // Molecular pain. - 2014. - N 10. - Р. 10-38.
8. Flamant F. Editorial: "Thyroid hormone in brain and brain cells" / F. Flamant, N. Koibuchi, J. Bernal // Frontiers of Endocrinology. - 2015. - N 6 (99). - Р. 10-14.
9. Intracellular blockade of GABAa receptors in the rat hippocampal neurons / I. Khalilov, X. Leinekugel, M. Mukhtarov, R. Khazipov // Биол. мембраны. - 2014.
- Т. 31, N 1. - С. 25-32.
REFERENCES
1. Demchenko OM. [Psycho-emotional status of rats under thyroid dysfunction]. Medicni perspektivi. 2014;19(1):10-15. Ukrainian.
2. Kokunin VA. [Statistical data processing with a small number of trails]. Ukrai'ns'kiy biokhimichniy zhur-nal. 1975;47(6):776-91. Russian.
3. Lychkova AE. [Nervous regulation of thyroid function]. Vestnik RAMN. 2013;6:49-54. Russian.
4. V'yunova TV., Andreeva LA., Shevchenko KV., Shevchenko VP.,Myasoedov NF. [Peptide-specific regulation of receptor-ligand interactions at GABA on membranes of nerve cells]. Nejrohimija. 2014;31(4):300-306. Russian.
5. Prochorova MI. [Methods of biochemical research (lipid and energy exchange)]. Izdatelstvo Leningrad. 1982;250. Russian.
6. Kushnareva EIu, Krupina NA, Khlebnikova NN. [Level of monoamines and their metabolites in the structures of rats' brain with experimental anxiety-depressive state, caused by introduction of inhibitor of dipep-tidilpeptidase IV in early postnatal period]. Nejrohimija. 2012;29(2):139-44. Russian.
7. Jun Y, Jian-yong Z, Wei Z, Shan W, Zhi-fu Y, Ke-feng D. Decreased pain threshold and enhanced synaptic transmission in the anterior cingulate cortex of experimental hypothyroidism mice. Molecular pain. 2014;10:10-38.
8. Flamant F, Koibuchi N, Bernal J. Editorial: "Thyroid hormone in brain and brain cells". 2015;6(99):10-14.
9. Khalilov I, Leinekugel X, Mukhtarov M, Khazipov R. [Intracellular blockade of GABAA receptors in the rat hippocampal neurons]. Biologicheskie membrany. 2014;31(1):25-32. Russian.
OraTTa Hagmm^a go pegaKmi' 31.03.2017
♦
17/ Том XXII/ 2
13
