CC BY
0
Проблемы здоровья и экологии / Health and Ecology Issues
2024;21(1):89-92
УДК 577.121:616.127-092.9]:614.876 https://doi.org/10.51523/2708-6011.2024-21-1-11
Изменения энергетического метаболизма миокарда крыс при воздействии ионизирующих излучений
Резюме
Цель исследования. Изучить воздействие на энергетический метаболизм миокарда белых крыс инкорпорированного 13^.
Материалы и методы. Работа проведена на 8 самцах белых крыс, распределенных на 2 экспериментальные группы, которым скармливали загрязненную 13^ продукцию в течение 7 суток. Методом полярографии исследовали скорость потребления кислорода тканевыми препаратами миокарда на эндогенных субстратах при внесении экзогенных янтарной и глутаминовой кислот и при добавлении разобщителя окислительного фосфо-рилирования 2,4-динитрофенола.
Результаты. Отмечено увеличение скорости дыхания на эндогенных субстратах, вызванное разобщением окислительного фосфорилирования. При этом статистически значимого изменения количества эндогенных субстратов не обнаружено.
Заключение. Выявленное нарушение энергообразования в миокарде экспериментальных животных вызвано разобщением окислительного фосфорилирования, что может объяснять развитие сердечно-сосудистой патологии при действии ионизирующих излучений.
Ключевые слова: полярография, окислительное фосфорилирование, миокард, ионизирующие излучения Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов. Источники финансирования. Исследование проведено без спонсорской поддержки. Для цитирования: Коваль АН. Изменения энергетического метаболизма миокарда крыс при воздействии ионизирующих излучений. Проблемы здоровья и экологии. Проблемы здоровья и экологии. 2024;21(1):89-92. DOI: https://doi.org/10.51523/2708-6011.2024-21-1-11
Changes in energy metabolism of rat myocardium during
exposure to ionizing radiation
Abstract
Objective. To study the effect of incorporated 137Cs on the energy metabolism of the myocardium of white rats. Materials and methods. The work was carried out on 8 male white rats divided into 2 experimental groups, which were fed products contaminated with 137Cs for 7 days. Polarography was used to study the rate of oxygen consumption by myocardial tissue preparations on endogenous substrates, with the addition of exogenous succinic and glutamic acids, and with the addition of an uncoupler of oxidative phosphorylation, 2,4-dinitrophenol.
Results. An increase in the rate of respiration on endogenous substrates caused by the uncoupling of oxidative phosphorylation was noted. At the same time, no statistically significant change in the amount of endogenous substrates was found.
Conclusion. The revealed violation of energy production in the myocardium of experimental animals is caused by the
uncoupling of oxidative phosphorylation, and can be explained by a change in the operation of potassium channels,
which can explain the development of cardiovascular pathology under the action of ionizing radiation.
Keywords: polarography, oxidative phosphorylation, myocardium, ionizing radiation
Conflict of interests. Author declares no conflict of interest.
Funding. The study was conducted without sponsorship.
For citation: Koval AN. Changes in energy metabolism of rat myocardium during exposure to ionizing radiation. Health and Ecology Issues. 2024;21(1):89-92. DOI: https://doi.org/10.51523/2708-6011.2024-21-1-11
© А. Н. Коваль, 2024
А. Н. Коваль
Гомельский государственный медицинский университет, г. Гомель, Беларусь
Alexander N. Koval
Gomel State Medical University, Gomel, Belarus
2024;21(1):89-92 Проблемы здоровья и экологии / Health and Ecology Issues
Введение
Воздействие ионизирующих излучений на миокард было описано у онкологических пациентов, перенесших радиотерапию на область грудной клетки, что обусловило появление термина «болезнь сердца, индуцированная радиацией» (RIHD — Radiation-induced heart disease), позже трансформировавшегося в «болезнь сердца и сосудов, индуцированная радиацией» (RICVD — Radiation-induced cardio-vascular disease) (J. R. Stewart, 1984) [1]. Это заболевание проявлялось по прошествии нескольких лет после облучения нарушениями липидного профиля крови, атеросклеротическими изменениями, развитием фиброза перикарда и миокарда, нарушениями сердечного ритма и проводимости, развитием патологии сердечных клапанов и др. [1]. После аварии на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС) также отмечался рост случаев сердечно-сосудистой патологии у населения, проживающего на территории, подвергнутой радиоактивному загрязнению [2], что и объясняет интерес к изучению этой проблемы.
Особенностью биоэнергетики миокарда является его регулируемость ионами щелочных и щелочноземельных металлов, в частности калия, и наличие широкого спектра калиевых каналов в митохондриях: митохондриальный АТФ-чувстви-тельный калиевый канал (mitoKATP), митохондриальный кальций-активируемый калиевый канал большой проводимости (mitoBKC!j), митохондриальный кальций-активируемый калиевый канал малой проводимости (mitoCKC!j), митохондриальный натрий-активируемый калиевый канал (mitoSlo2) и митохондриальный потенциал-регу-лируемый калиевый канал (mitoKV7.4) [3, 4]. Эти каналы характеризуются разной проводимостью для калия, а также чувствительностью к ряду фармакологических препаратов [4]. Предполагается, что калиевые каналы могут переносить и радионуклид 137Cs, что может способствовать его преимущественному распределению в миокарде и мышечной ткани при естественном поступлении [5].
В ряде научных публикаций, посвященных изучению гуаниновых квадруплексов (G4) нуклеиновых кислот, высказывается предположение о возможности G4 влиять на транспорт калия путем встраивания этих структур в мембраны ядра и митохондрий [6, 7], модуляции онкогенов, что может быть связано с канцерогенезом [8, 9]. В митохондриальной ДНК также обнаружены 28 потенциальных участков G4 [10].
Цель исследования
Изучить воздействие на энергетический метаболизм миокарда белых крыс инкорпорированного 137Cs.
Материалы и методы
В исследовании использовали 8 белых беспородных лабораторных крыс-самцов, возраст — 6-10 месяцев, масса — 230-250 г, разделенных на 2 экспериментальные группы, которые в течение 7 суток получали с рационом сушеные грибы с удельной активностью по 137Cs 43,5 кБк/кг в количестве 0,2 и 1,5 г на голову, в последующие 3 дня закорм не проводили. Удельная активность крыс составила 60 и 600 Бк/кг (использовали гамма-спектрометр LP-6900, Финляндия), что соответствовало поглощенным дозам 1,5 и 16 мкГр.
Поглощенные дозы внутреннего облучения оценивали по содержанию 137Cs в тушках крыс, используя формулу:
C(t) = (Кп х Ар) + (С0 - Кп х Ар) х exp(-0,693 х t/T),
где С0 — начальная концентрация 137Cs у экспериментальных животных, Бк/кг;
C(t) — удельная концентрация 137Cs в тушках крыс ко времени t, Бк/кг;
Кп — коэффициент перехода 137Cs из рациона в ткани животного, (Бк/кг)/(Бк/сут);
Ар — содержание 137Cs в суточном рационе, Бк/сут;
t — время, сут;
Т — период полуснижения содержания 137Cs в тканях, сут.
Мощность поглощенной дозы внутреннего облучения, обусловленного инкорпорированным 137Cs, рассчитывали по формуле:
P(t) = 1,38 х l0~8C(t) х E,
где P(t) — мощность дозы ко времени t, Гр/сут;
C(t) — удельная концентрация 137Cs в тканях крыс ко времени t, Бк/кг;
E — средняя энергия для ß-частиц, 0,195 МэВ [11].
Поглощенную дозу внутреннего облучения оценивали интегрированием мощностей доз по времени облучения.
После декапитации животных миокард извлекали, немедленно освобождали от соединительнотканных элементов, промывали в охлажденном физиологическом растворе и пропускали через плунжер с диаметром отверстий 0,5 мм. Затем тканевые препараты помещались в среду Хенкса и далее — в термостатируе-мую полярографическую ячейку объемом 2 мл при +25 °C, где с помощью закрытого электрода Кларка, подключенного к полярографу ПУ-1 (Республика Беларусь), с поляризующим напряжением 700 мВ, фиксировали скорость потребле-
Проблемы здоровья и экологии / Health and Ecology Issues 2024;21(1):89-92
ния кислорода препаратами миокарда в нмоль 02 х мин/мг белка. Время от забоя животного до начала измерения дыхательной активности препарата составляло не более 5 минут [2, 12].
Исследовали следующие параметры: скорость дыхания ткани на эндогенных субстратах (Чэнд), при добавлении экзогенных субстратов — янтарной (Уяк) и глутаминовой (Углу) кислот; разобщителя окислительного фосфорилирования — 2,4-динитрофенола, ДНФ ^днф). Рассчитывали коэффициенты стимулирующего действия янтарной кислоты (СД = V /V ), глутамино-
~ х "як як энд'' *
вой кислоты (СД = V /V ), динитрофенола
4 "глу глу энд'' " г- -г-
(СД ф = V ./V ).
4 "днф днф энд'
Последовательность внесения субстратов и ингибиторов в полярографическую ячейку показана на следующей схеме:
Эндогенное дыхание — як (10 ммоль) — ДНФ (100 мкмоль).
Эндогенное дыхание — глу (10 ммоль) — ДНФ (100 мкмоль).
Статистическая обработка полученных данных проводилась с помощью программы GraphPad Prism, v. 7.00, с использованием параметрических (однофакторный дисперсионный анализ [ANOVA], тест множественных сравнений Даннета) и непараметрических (Краскела - Уоллеса, тест множественных сравнений Данна) критериев в зависимости от результатов теста на нормальное распределение экспериментальных данных (тест Колмогорова - Смирнова). Результаты и обсуждение Приведенные в таблице 1 показатели тканевого дыхания свидетельствуют о значимом увеличении потребления кислорода на эндогенных субстратах ^энд) миокардом в обеих группах, а также тенденции к повышению показателей V и V ф.
як днф
Таблица 1. Показатели тканевого дыхания миокарда крыс на эндогенных и экзогенных субстратах при 7-дневном поступлении 137Cs
Table 1. Parameters of tissue respiration of the myocardium of rats on endogenous and exogenous substrates with a 7-day intake of 137Cs
Показатель n Контроль 60 Бк/кг 600 Бк/кг
V нмоль O,х мин/мг энд, 2 30-31 1,96±0,22 3,47±0,16* 4,05±0,15*
V нмоль O» мин/мг як, 2 8 5,24 4,99-7,38 6,23 5,70-7,32 7,02 5,38-10,8
V нмоль O* мин/мг глу, 2 8 3,28±0,58 4,46±0,44 5,42±0,25
V ...нмоль O,х мин/мг днф, 2 16 4,72±0,47 5,52±0,38 6,33±0,67
СД як 8 4,28±1,51 1,83±0,18 1,63±0,11
СД глу 7-8 1,33 1,14-1,68 1,25 1,07-1,31 1,21 1,08-1,31
СД днф 5-8 1,10±0,05 1,04±0,02 0,99 ± 0,04
*р < 0,0001 — значимость различий по отношению к контрольной группе, однофакторный дисперсионный анализ [ANOVA], тест множественных сравнений Даннета, тест Краскела - Уоллеса, тест множественных сравнений Данна. Примечание. Данные представлены в виде среднего ± ошибка среднего или медианы, 25-75 %.
Наблюдаемое увеличение потребления кислорода препаратом ткани миокарда характеризуется тенденцией к снижению показателей СДяк и СД что указывает на возможное увеличение потребления янтарной кислоты и наличия разобщения дыхания и фосфорилирования, которое может быть следствием активации процессов пе-рекисного окисления, повреждения митохондрий или открытия т^оКдтр-каналов.
В отмеченных изменениях предполагается роль Кдтр-каналов, локализованных на внутренней мембране митохондрий (mitoK^-каналы) в реализации защитных эффектов ишемического прекон-диционирования путем увеличения образования
АФК в митохондрии, инициируя пути сигналинга, контролирующие транскрипцию генов клеточного роста. Открытие mitoK^-каналов и увеличение концентрации К+ в митохондриях приводит к наблюдаемому разобщению окислительного фосфорилирования и снижению мембранного потенциала, стимулируя потребление кислорода клетками [4].
В итоге эти изменения приводят к ускоренному расходу кислорода и субстратов в миокарде без увеличения образования АТФ. Такие изменения энергетического метаболизма могут приводить к формированию сердечно-сосудистых патологий у населения, проживающего на загрязненной территории [12].
2024;21(1):89-92 Проблемы здоровья и экологии / Health and Ecology Issues
Заключение
Нарушения процессов энергообразования в миокарде, обнаруживаемые при воздействии инкорпорированного 137Cs у экспериментальных животных, могут являться признаками формирования сердечно-сосудистой патологии. Воз-
можными мишенями воздействия ионизирующих излучений на миокард могут являться митохон-дриальные калиевые каналы и другие структуры, участвующие в трансмембранном переносе ионов калия.
Список литературы / References
1. Stewart JR, Fajardo LF. Radiation-induced heart disease: an update. Progress in Cardiovascular Diseases. 1984;27(3):173-194.
DOI: https://doi.orq/10.1016/0033-0620(84)90003-3
2. Грицук А.И., Коваль А.Н., Грицук Н.А. Ионизирующая радиация как фактор риска развития сердечно-сосудистых заболеваний. Радиобиология: минимизация радиационных рисков: материалы международной научной конференции, Гомель, 29-30 сентября 2016 года. Гомель: Институт радиологии. 2016;63-66. [дата доступа 2022 Сентябрь 20]. Режим доступа: https://www.elibrarv.ru/wlxmfl
Gritsuk AI, Koval AN, Gritsuk NA. Ionizing radiation as a risk factor for the development of cardiovascular diseases. Radiobiology: minimizing radiation risks: Proceedings of the international scientific conference, Gomel, September 29-30, 2016. Gomel: Institute of Radiology. 2016;63-66. [date of access 2022 September 20]. Available from: https://www.elibrarv.ru/ wlxmfl
3. Hausenloy DJ, Schulz R, Girao H, et al. Mitochondrial ion channels as targets for cardioprotection. Journal of Cellular and Molecular Medicine. 2020;24(13).
DOI: https://doi.org/10.1111/jcmm.15341
4. Kulawiak B, Bednarczyk P, Szewczyk A. Multidimensional Regulation of Cardiac Mitochondrial Potassium Channels. Cells. 2021;10(6):1554. Published 2021 Jun 19.
DOI: https://doi.org/10.3390/cells10061554
5. Wester PO. Concentration of 17 elements in subcellular fractions of beef heart tissue determined by neutron activation analysis. Biochem. Biophys. Acta. 1965;109(1):268-283.
DOI: https://doi.org/10.1016/0926-6585(65)90111-1
6. Li C, Chen H, Yang X, Wang K, Liu J. An ion transport switch based on light-responsive conformation-dependent G-quadruplex transmembrane channels. Chem Commun (Camb). 2021;57(66):8214-8217.
DOI: https://doi.org/10.1039/d1cc03273a
7. Jana J, Vianney YM, Schröder N, Weisz K. Guiding the folding of G-quadruplexes through loop residue interactions. Nucleic Acids Research. 2022;50(12):7161-7175.
DOI: https://doi.org/10.1093/nar/gkac549
8. Balasubramanian S, Hurley LH, Neidle S. Targeting G-quadruplexes in gene promoters: a novel anticancer strategy? Nature Reviews Drug Discovery. 2011;10(4):261-275.
DOI: https://doi.org/10.1038/nrd3428
9. Vianney YM, Weisz K. First Tandem Repeat of a Potassium Channel KCNN4 Minisatellite Folds into a V-Loop G-Quadru-plex Structure. Biochemistry. 2021;60(17):1337-1346.
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.biochem.1c00043
10. Грицук А.И., Коваль А.Н. Роль гуаниновых квадруплексов как возможной мишени воздействия на митохон-дриальную ДНК при инкорпорации 137Cs. Радиобиология: актуальные проблемы. Матер. междунар. науч. конференции (27-28 сентября 2018 г.). Гомель, 2018;50-53.
Gritsuk AI, Koval AN. The role of guanine quadruplexes as a possible target for influencing mitochondrial DNA during 137Cs incorporation. Radiobiology: actual problems. Mater. intl. scientific conference (September 27-28, 2018). Gomel, 2018;50-53.
11. Моисеев А.А., Иванов В.И. Справочник по дозиметрии и радиационной гигиене. М.;1990. 252 с.
Moiseev AA., Ivanov VI. Reference book on dosimetry and radiation hygiene. М.;1990. 252 p.
12. Грицук А.И., Вернер А.И., Матюхина Т.Г. [и др.] Влияние инкорпорированных радионуклидов цезия на ультраструктуру и процессы тканевого дыхания митохондрий кардиомиоцитов. Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия медицинских наук. 2002;(2):63-70.
Gritsuk AI, Werner AI, Matyukhina TG, et al. Effect of incorporated cesium radionuclides on ultrastructure and processes of tissue respiration of mitochondria of cardiomyocytes. Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Medical series. 2023;20(1):42-57. 2002;(2):63-70.
Информация об авторе / Information about the author
Коваль Александр Николаевич, к.б.н., доцент кафедры биологической химии, УО «Гомельский государственный медицинский университет», Гомель, Беларусь ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0797-6554 e-mail: akovalj@ya.ru
Alexander N. Koval, Candidate of Biological Sciences., Associate Professor of the Department of Biological Chemistry, Gomel State Medical University, Gomel, Belarus
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0797-6554 e-mail: akovalj@ya.ru
Автор, ответственный за переписку / Corresponding author
Коваль Александр Николаевич Alexander N. Koval
e-mail: akovalj@ya.ru e-mail: akovalj@ya.ru
Поступила в редакцию /Received 07.10.2023 Поступила после рецензирования/Accepted 30.01.2024 Принята к публикации /Revised 22.02.2024
