CC BY
3
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ
БИОХИМИЯ
DOI - 10.32 743/UniChem.2024.117.3.16839
ИССЛЕДOВАНИЕ ПOКАЗАТЕЛЕЙ ЛИПИДНОГО OБМЕНА В ТКАНИ МOЗГА ЖИВОТНЫХ С РОТЕНОНОВОЙ МОДЕЛЬЮ ПАРКИНСОНА
Мустафакулoв Мухаммаджoн Абдувалиевич
канд. биoл. наук, ст. науч. ттр. лабoратoрии метабoлoмики Института биофизики и биохимии, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mаil: mmustаfаkulоv@bk. т
Ишанходжаев Тохир Мухитдинович
канд. биол. наук, ст. науч. сотр. лаборатории метаболомики Института биофизики и биохимии, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Саатов Талат Саатович
д-р биол. наук, проф., акад., зав. лабораторией метаболомики Института биофизики и биохимии, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Ялалова Илмира Рафиковна
канд. биол. наук, ст. науч. сотр. лаборатории метаболомики Института биофизики и биохимии, Республика Узбекистан, г. Ташкент
STUDY OF LIPID METABOLISM INDICATORS IN THE BRAIN TISSUE OF ANIMALS WITH ROTENONE MODEL OF PARKINSON'S
Muhаmmаdjоn Mustаfаkulоv
PhD; Seniоr Researcher Lаbоrаtоry of Metabolomics, Institute of Biophysics аnd Biochemistry in Lаbоrаtоry of Metabolomics,
Institute of Biоphysics аnd Biochemistry, Republic qf Uzbekistan, Tashkent
^khir Ishаnkhоdzhаev
PhD; Senior Researcher Laboratory qf Metabolomics, Institute of Biophysics and Biochemistry in Laboratory of Metabolomics,
Institute of Biophysics and Biochemistry, Republic of Uzbekistan, Tashkent
Tаlаt Sааtоv
Dr. Biology. Sci, prof., acad. Laboratory of Metabolomics, Institute of Biophysics and Biochemistry in Laboratory of Metabolomics,
Institute of Biophysics and Biochemistry, Republic of Uzbekistan, Tashkent
Библиографическое описание: ИССЛЕДOВAНИЕ ШКЛЗЛТЕЛЕЙ ЛИПИДТОШ OБМЕНA В ТКAНИ МOЗГA ЖИВOТНЫХ С РOТЕНOНOВOЙ МOдЕлЬЮ ПAРКИНСOНA // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Мустафакулов М.А. [и др.]. 2024. 3(117). URL: https://7universum. com/ru/nature/archive/item/16839
Ilmira Yalalova
PhD; Seniоr Researcher Lаbоrаtоry qf Metabolomics, Institute qf Biophysics аnd Biochemistry in Lаbоrаtоry qf Metabolomics,
Institute qf Biоphysics аnd Biochemistry, Republic qf Uzbekistan, Tashkent
АННОТАЦИЯ
В работе исследованы показатели липидного обмена, перекисного окисления липидов и ферментов антиокислительной системы ткани мозга при воспроизведении модели Паркинсона. Предпринята попытка обоснования поведенческой активности животных в разные сроки развития экспериментальной модели Паркинсона от изменений в липидном составе отделов мозга.
Установлено, что уже на вторые сутки после введения ротенона наблюдаются изменения в поведенческой активности животных, которые нарастают, достигая максимума на 4 сутки и затем снижаются до определенного уровня на 9 сутки наблюдения. Динамика поведенческой активности животных совпадает с изменениями в липидном составе ткани мозга в разные сроки воспроизведения нейродегенеративного состояния.
АБ8ТЯАСТ
The wоrk exаmined the МюаЮге оf lipid metаbоlism, lipid perоxidаtiоn аМ enzymes оf the аntiоxidаnt system оf brain tissue when reproducing the Pаrkinsоn's mоdel. An аttempt wаs mаde to substаntiаte the behаviоrаl аctivity оf аnimаls аt different stаges оf devetopment оf the experiment Pаrkinsоn's mоdel frоm chаnges in the lipid cоmpоsitiоn оf brаin regtons.
It wаs estаblished thаt аlreаdy оп the secоnd dаy fter the аdministrаtiоn оf rоtenоne, chаnges in the behаviоrаl аctivity оf аnimаls аre оbserved, which increаse, reаching а mаximum оп the 4th dаy аnd then decreаse tо а certаin level оп the 9th dаy оf оbservаtiоn. The dynаmics оf the behаviоrаl аctivity оf аnimаls cоincides with chаnges in the lipid cоmpоsitiоn оf brаin tissue аt different pertods оf reprоductiоn оf the neurodegenerative соМШоп.
Ключевые слова: нейродегенерация, Паркинсон, поведенческие тесты, стриатом, липиды, фосфолипиды, холестерин, ПОЛ, ферменты антиокислительной системы (АОС).
Keywоrds: neurоdegenerаtiоn, РагЫшоп, behаviоrаl tests, striаtum, lipids, phоsphоlipids, chоlesterоl, LPO, enzymes оf the аntiоxidаnt system (AOS).
Список сокращений: перекисное окисление липидов (ПОЛ), холестерин (ХС), лизоформы фос-фолипидов (ЛФ), сфингомиелин (СМ), общие фосфолипиды (ОФЛ), фосфатидилхолин (ФХ), фосфатидилэтаноламин (ФЭА), фосфатидилсерин (ФС), фосфатидилинозитол (ФИ), дифосфатидилг-лицерин (ДФГ), фосфатидная кислота (ФК), нейро-дегенеративное состояние (НС) Паркинсона (НСП), дофаминовые рецепторы (ДА).
Введение
Нейродегенеративные заболевания занимают всё более значимое место среди причин снижения трудоспособности и повышения смертности населения. Однако, не смотря на то, что на сегодняшний день накоплен огромный материал, касающийся факторов лежащих в основе возникновения этих заболеваний, понимание механизмов данного процесса далеко неполно. В качестве основных моментов развития нейродегенеративных состояний (НС) рассматривается внеклеточное отложение бета-амилоида с последующим формированием сенильных бляшек, которые индуцируют апоптоз, а также приводит к патологической активации микроглии и запуску процессов иммунного воспаления [9; 15; 18].
Обсуждается роль сфингомиелинового цикла в механизме смерти клеток и в возникновении НС [1; 3; 11]. В то же время, нет единной точки зрения, что является первопричиной возникновения НС, которое приводит в конечном счете к гибели клеток мозга. Одной из возможных причин возникновения
НС является, на наш взгляд, нарушение в обмене липидов, которое вызывает в свою очередь вторичные изменения: в биохимии амилоида бета, белка тау и в реакциях окислительного стресса. Учитывая это, настоящая работа посвящена исследованию механизмов, вызывающих синдромы Паркинсона (ПС) при воспроизведении экспериментальной модели и роли липидов, активности свободнорадикаль-ного окисления и антиокислительной системы в этих процессах.
Материалы и методы
В работе были использованы беспородные крысы весом 250-300 грамм, которые содержались на стандартной диете. До введения ротенона все животные прошли когнитивные тесты [2; 6]. Ротенон вводили в растительном масле в/брюшинно в дозе 2,5 мг на кг веса животного в течении 7 дней. Животные были разделены на три группы: интактная группа (ИГ), контрольная группа (КГ)-животным вводили в/брю-шинно растительное масло и экспериментальная группа, которым вводили ротенон (ЭГ). В работе были использованы следующие поведенческие тесты, которые проходили все группы животных: открытое поле, оценка неврологического статуса крыс по шкале Strоke-index McGrоw и другие наблюдения за поведенческой активностью животных в сроки: на 2, 4, 9 сутки после введения ротенона. Материалы для биохимических и гистологических исследований (область нигростриатома и стриатума) на 12 день после введения ротенона. Экстракцию общих
липидов проводили по Bligh E.G., Dyer W.J. [10], фракционирование отдельных классов липидов проводили тонкослойной хроматографей по М. Кейтс [5]. Пятна липидов проявляли парами йода и индецифицировали при помощи свидетелей и расчетов Rf. Количественное содержание фосфолипидов определяли, как описано [23]. Холестерин определяли по методу [8]. Белок по H8rtree E.F. [12]. Исходный уровень и наработку субстратов, реагирующих с тиобарбитуровой кислотой (ТБК) по методу [14], а также активность ферментов антиоксидантной свистемы: каталазы, СОД, глутатионредуктазы [4; 14, 16]. Оптические измерения проводили на спектрофотометре Cаry 60 Аgilent Texmtogy результаты исследования обработаны по t-критерию Стьюдента.
Результаты и обсуждение
В работу были отобраны животные, которые до воспроизведения модели Паркинсона (МП), прошли тесты по оценке поведенческой активности и соответствовали определенным параметрам. При осмотре животных в баллах оценивали основные (гипо-, бради- и олигокинезия, постуральная нестабильность, неустойчивость походки) и дополнительные (ригидность мышц, тремор) признаки паркинсонизма, которые не всегда присутствуют при экспериментальной НСП [19]. Оценивали также суммарную выраженность признаков синдрома Паркинсона (ПС) (1-18 баллов) [22].
Результаты исследования показали, что введение ротенона в течение 7 дней вызывает следующие изменения в поведенческой активности животных (см. табл. № 1 и рис. № 1).
Таблица 1.
Исследование поведенческой активности животных в тесте «Открытое поле»
Признаки поведенческой активности Группа животных (n=15)
ИГ КГ ЭГ
Латентный период (сек) 52,3±15,3 44,5±20,3 90,6±25,6**
Пройденный путь (м) 13,4±7,8 12,5±8,5 4,3±2,1
Число переходов 19,2±2,0 17,3±1,6 4,6±1,1**
Число пересеченных квадратов 54,5±16,4 52,3±18,3 8,6±4,2**
Число грумингов 2,5±0,5 2,4±0,3 1,6±0,2
Число норковых рефлексов 25,2±5,4 20,3±6,3 7,4±3,1**
Примечание: ** - наблюдаемые различия статистически значимы, уровень значимости р<0.05.
Результаты наблюдения поведенческой активности животных в тесте «Открытое поле» подтверждают симптомы ПС и согласуются с литературными данными, в которых отмечается, что при воспроизведении НСП введением ротенона наблюдается увеличение латентного периода адаптации животных к новым условиям, снижается пройденный путь в манеже и, как следствие, число переходов и пересеченных квадратов, а также норковых рефлексов в тесте «Открытое поле».
На рисунке 1 представлены результаты наблюдения поведенческой активности животных по шкале Strоke-index McGrоw. В частности, оценка основных признаков: олигокинезии, постуральной нестабильности, неустойчивости походки, и дополнительных: ригидность мышц и тремор покоя, в разные сроки после введения ротенона.
4 6
дни
контрольная группа (КГ) контрольная группа (КГ) экспериментальная групп
Примечание: по горизонтали дни проведения эксперимента, по вертикали суммарное количество баллов в когнитивном тесте.
Рисунок 1. Динамика изменений поведенческой активности животных в баллах (суммарные значения) по шкале Strоke-index McGrоw на 2, 4 и 9 день после введения ротенона
8
6
4
2
0
0
2
8
Результаты исследования показывают, что уже на вторые сутки после введения ротенона появляются первые симптомы ПС: замедление и уменьшение частоты движений, постуральная нестабильность, неустойчивость походки. Дополнительные признаки, в частности ригидность, проявляются на 4 сутки после введения ротенона, а тремор покоя встречается у 10 % животных на поздних стадиях развития модели НСП.
Таким образом, результаты исследования поведенческой активности животных контрольной и экспериментальных групп показали, что на четвертые и 9 сутки после введения ротенона наблюдаются признаки ПС характерные для этой болезни, как по основным симптомам, так и по дополнительным
признакам. Обнаруженная динамика в поведенческой активности животных на ранних стадиях воспроизведения модели НСП, очевидно, возникает вследствие изменений в липидном составе рафтов ДА-рецепторов и синаптических отделов, функциональные свойства которых во многом определяются липидным составом мембран нервных клеток.
Учитывая это, в следующих сериях экспериментов был исследован липидный состав, активность ПОЛ и ферментов АОС в ткани мозга животных при воспроизведении модели НСП. В таблице 2 представлены данные исследования липидного состава исследованной области ткани мозга животных контрольной и экспериментальной групп на 2, 4 и 9 дни после введения ротенона.
Таблица 2.
Липидный состав нигростриатумных и стриатумных отделов мозга животных на 2, 4 и 9 день
после введения ротенона
Наименование фосо фолипидов и липидов Контрольная группа (п=3) Экспериментальная группа (п=9)
Сроки после введения 2 день 4 день 9 день
мкг Р/г ткани мкг Р/г ткани мкг Р/г ткани мкг Р/г ткани
ЛФ 10,9±0,5 12,5±0,6 16,4±0,3** 13,1±0,4**
СМ 131,2±3.8 120,7±3,3 111,5±3,2** 118,1±3,1**
ФХ 589,38±28,6 571,6±25,6 554,0±21,3 560,0±20,6
ФС 197,4±9,5 177,7±6,5 167,8±5,6** 156,4±5,1**
ФИ 91,7±4,8 85,3±3,2 78,9±2,5 82,5±3,1
ФЭА 506,6±22,4 491,4±20,3 476,2±15,6 486,3±19,1
ДФГ 61,2±3,1 60,0±3,5 55,1±2,5 58,1±2,1
ФК 15,4±0,8 16,9±1,0 17,6±1,1 17,2±1,2
ОФЛ 1604,2±32,6 1536,1±30,3 1477,4±35,2** 1491,8±36,3*
ОХС в мг\г ткани 19,3±0,3 19,8±0,2 21,9±0,1** 21,0±0,3
Примечание: ** - наблюдаемые различия статистически значимы, уровень значимости р<0.05, *— наблюдаемые различия на границе статистической значимости, уровень значимости р=0.05
Результаты исследования липидного состава ткани мозга животных на 2 день после введения ро-тенона показало следующее: наблюдается тенденция в увеличении содержания холестерина, лизоформ фосфолипидов, ФК и уменьшение фракций сфингомиелинов, ФС и ФИ. Суммарное содержание фосфолипидов изменяется незначительно. На 4 день после введения ротенона (см. табл. 2) тенденция в изменении содержания фракций липидов сохраняется, однако амплитуда изменения значений выше, чем во 2 день. Так содержание холестерина увеличилось на 8 %, ЛФ на 50 % и ФК на 14 % соответственно, уровень сфингомиелинов и ФС уменьшился на 15 %, а фракций ФИ на 14 %. Общее содержание фосфолипидов при этом снизилось на 8 %.
На 9 день после введения ротенона содержание холестерина также было увеличено на 6 %, наблюдались изменения и во фракциях ЛФ и ФК, содержание которых было увеличено, а фракции СМ, ФС, ФИ были снижены по сравнению с контролем, но абсолютные значения их были ниже по сравнению с 4 днем введения ротенона. Менее значительные изменения в липидном составе ткани мозга на 9 сутки после
введения ротенона, возможно, вызваны меньшей доступностью субстратов для атак фосфолипаз и ПОЛ.
В настоящее время остается открытым вопрос о роли холестерина, фосфолипидов и перекисного окисления липидов в функции нейронов.
В ряде работ показана важная роль холестерина и фосфолипидов и других компонентов в нейропла-стичности, проводимости нервного сигнала и в апоптозе нервных клеток (20, 21, 22). Опубликованные в работе (23) данные, о том, что раздражение нервов приводит к уменьшению содержания фракций ФИ и ФЭА на 30,3 и 8,4 % соответственно по сравнению с нераздраженным нервом, свидетельствуют о тесной взаимосвязи между липидным компонентами мембран нервных клеток и проводимостью сигнала.
Обнаруженные нами изменения в содержании фосфолипидов вместе с уменьшением содержания их при раздражении нерва, очевидно, должны отразиться на нейропластичности синаптической части и проводимости сигнала нервными клетками, что, возможно, является одной из причин возникновения изменений в поведенческой активности животных
при воспроизведении модели НСП. Известно, что на липидный состав мембран клеток существенное влияние оказывает активность ПОЛ и ферментов ан-тиоксидантной системы организма. Учитывая это, в следующей серии экспериментов было исследовано содержание продуктов ПОЛ и активность
отдельных ферментов АОС в исследованной области мозга в различные сроки введения ротенона.
Суммарные результаты исследования показателей ПОЛ и активности ферментов АОС отделов мозга животных на 2, 4 и 9 день после введения ротенона представлены на рисунке 2.
КГ
%
250 200 150 "100 50
I
1
I
I
М ДА
Катал аза
ЕЕ1 сод
ш гр
2 сутки
4 сутки
9 сутки
Рисунок 2. Динамика изменений показателей ПОЛ и активности ферментов антиоксидантной системы в процентах к контролю в исследованном отделе мозга животных на 2, 4 и 9день после введения ротенона
0
Результаты исследования показали, что уже на вторые сутки после введения ротенона наблюдается активация ПОЛ, которая на 4 сутки еще больше стимулируется и на 9 сутки наблюдения несколько снижается. Возможным объяснением этого результата может быть изменение доступности субстратов для ПОЛ. Так как на фоне снижения общего уровня фосфолипидов при воспроизведении модели НСП, возможно, уменьшается содержание богатых ненасыщенными жирными кислотами фосфолипидов.
В работе [17] установлено, что при возбуждении нерва содержание продуктов ПОЛ возрастает, при этом уровень ДК и МДА превышает контрольное значение на 20,4 и 27,7 % соответственно. Это свидетельствует о том, что определенный уровень продуктов ПОЛ постоянно присутствует в нервной ткани и только превышение определенного порога концентрации приводит к нейродегенеративным состояниям.
На основании полученных данных можно заключить, что уже на ранних этапах воспроизведения экспериментальной модели НСП возникают изменения в липидном составе исследованных отделов мозга. Рост этих изменений со временем, возможно, оказывает большее влияние на рецепцию и передачу сигнала нервными клетками, что и приводит к изменениям в поведенческой активности животных при
воспроизведении модели НСП. Увеличение содержания холестерина в ткани мозга при данной модели НСП, возможно, связано с его уникальным свойством влиять на микровязкость мембран клеток, поддерживая ее на определенном уровне.
Таким образом, уровень холестерина и фосфо-липидов, а также активность ПОЛ и ферментов АОС являются важнейшими факторами влияющими на физические свойства мембран клеток, благодаря которым обеспечиваются оптимальные условия для работы рецепторной и синаптической части нейрона. Изменение этих параметров при воспроизведении модели нейродегенеративного состояния, очевидно, являются одной из причин возникновения изменений в поведенческой активности животных.
Заключение
1. На четвертые сутки после введения животным ротенона наблюдаются достоверные изменения в липидном составе ткани мозга и в поведенческой активности животных.
2. Одной из причин наблюдаемой поведенческой активности животных после введения ротенона является, возможно, изменения в липидном составе исследованной области ткани мозга.
Список литературы:
1. Алесенко А.В. Потенциальная роль сфинголипидов в нейропатогенезе болезни Альцгеймера // Биомедицинская химия. - 2013. - Т. 59. - Вып. 1. - С. 25-50.
2. Амикишиева А.В. Поведенческое фенотипирование: современные методы и оборудование // Информационный Вестник ВОГиС. - 2009. - № 3. - С. 529-542.
3. Ипатова О.М., Торховская Т.И., Захарова Т.С., Халилов Э.М. Сфинголипиды и клеточный сигналинг: участие в апоптозе и атерогенезе // Биохимия. - 2006. - № 71(7). - 713-722.
4. Королюк М.А., Иванова Л.И., Майорова И.Г., Токарева В.Е. Метод определения активности каталазы // Лабораторное дело. - 1988. -№ 1. - С. 16-19.
5. Кейтс М. Техника липидологии. - М.: Мир,1975. - 322 с.
6. Маркель Г.А., Хусанов Р.А. Метод комплексной регистрации поведенческих и вегетативных реакций у крыс при проведении теста «Открытое поле» // Журнал Высшей нервной деятельности. - 1976. - Т. 26. - № 6. -С. 1314-1318.
7. Мамадалиева Н.И., Мустафакулов М.А., Саатов Т.С. Влияние фактора нервного роста на показатели антиок-сидантной системы в тканях мозга крысы // Environment Science. - 2021. - Т. 723. - С. 022021.
8. Методы биохимических исследований / под. ред. М.И. Прохоровой. - Л.: Изд-во Ленинградский Университет, 1982. - С. 70-71.
9. Пчелина С.Н. Альфа-синуклеин как биомаркер болезни Паркинсона. Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН // Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова (Санкт-Петербург). - Т. 5. - № 4. - 2011. - С. 46-51.
10. Bligh E.G., Dyer W.J. А rapid metod оf tota1 lipid extractton and ршгйсайоп // Cаnаdа 1огпа1 о!" Brochemistry and Physbtogy. - 1959. -Уо1. 37. - № 8. - P. 911-917.
11. Наппшп У.А., Obeid L.M. Мапу ceramides // Jоurnа1 о! Вю^са1 Chemistry. - 2011. - Уо1. 286(32). - P. 2785527862.
12. Hartree E.F. Determinate о! protein: а mоdificаtiоn о! the Lоwry metod tot gives а 1inear p^terne^c respоnse // Апа^йса! Bbchemistry. - 1972. - Уо1. 48(2). - P. 422-427.
13. Irgаshevа S. et а1. Study оп cоmpоsitiоns о! 1ipids in tissues о! rats with а1imentаry оbesity // ЕМоспш Аbstгаcts. -B^denti^, 2019. - Т. 63.
14. Ishanktodjaev T. et а1. Study оп Effects о! Lipоsоmа1 Quercetin оп Biоchemicа1 Pагаmeters о! the Nigrostriata1 System о! Rаts with Experimentа11y Induced Neшrоdegenerаtive Diseаse // Атак о! the Rоmаniаn Sоciety for Ce11 Biо1оgy. -2021. - P. 6128-6143.
15. Jаck C.R., Wiste H.J., Knоpmаn D.S. et а1. Rаtes о! b-аmy1оid аccшmш1аtiоn аre independent о! hippоcаmpа1 neшrоdegenerаtiоn // Neшrо1оgy. - 2014. - Уо1. 82. - P. 1605-1612.
16. Mukhаmmаdjоn М. et а1. The effect о! ngi оп indicаtоrs о! the аntiоxidаnt system in rаt brаin tissue // Universum: химия и биология. - 2021. - №. 9 (87). - С. 82-86.
17. Mustafakutov M. et а1. Determinаtiоn о!" аntiоxidаnt prоperties оf 1-cysteine in the 1iver оf аllоxаn diаbetes mоdel rаts //Intemаtiоnа1 Jоumа1 о! Cоntempоrаry Scientific аnd Technicа1 Reseаrch. - 2023. - Speciа1 Issue. - P. 47-54.
18. Overk C.R., Mаs1iаh E. Pаthоgenesis о! synаptic degenerаtiоn in А1zheimer's diseаse аnd Lewy bоdy diseаse // Biоchemicа1 Phаrmаcо1оgy. 2014. - Ш. 88. - P. 508-516.
19. Sааtоv T. et а1. Аntiоxidаnt аnd hypоg1ycemic effects о! gоssitаn // Endоcrine Аbstrаcts. - B^dent^'ica, 2019. - Т. 63.
20. Sааtоv T. et а1. Cоrrectiоn о! оxidаtive stress in experimentа1 diаbetes me11itus by meаns о! nаturа1 аntiоxidаnts // Е^оог^ Аbstracts. - Biоscientiíicа, 2021. - Т. 73.
21. Saatоv T. et а1. Study оп antiоxidant and hypоg1ycemic effects о! natura1 pо1yphenо1s in the experimenta1 diabetes mоde1 //Endоcrine Аbstracts. - B^dent^^, 2018. - Т. 56.
22. Saatov T. et a1. Study оп hypоg1ycemic effect о! pо1yphenо1ic cоmpоunds isо1ated frоm the Euptorbia L. p1ants grоwing in uzbekistan // Endоcrine Аbstracts. - B^dent^^, 2020. - Т. 70.
23. Vasfovsky, V., E. Kоstetsky, and I. Vasendin. А universa1 reagent for p^sp^^d ana1ysis // Jоurпa1 о! Chrоmatоgraphy. - 1975. - Ш. 114. - P. 129-141.
