CC BY
17
И 111^1
Б01: 10.18413/2658-6533-2022-8-3-0-7 УДК 616-092.9:615.21/26
Коррекция митохондриальной дисфункции
коричными кислотами при экспериментальной гиперцитокинемии
Д.И. Поздняков
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный медицинский университет», пл. Павших борцов, д. 1, г. Волгоград, 400131, Российская Федерация Автор для переписки: Д.И. Поздняков ([email protected])
Резюме
Актуальность: Митохондриальная дисфункция является существенной составляющей патогенеза гиперцитокиновой нейротоксичности и представляет собой перспективную фармакоте-рапевтическую мишень. Цель исследования: Оценить влияние коричных кислот на изменение митохондриальной функции в ткани головного мозга у крыс в условиях экспериментальной гиперцитокинемии. Материалы и методы: Гиперцитокинемию моделировали у крыс путем внутрибрюшинного введения липополисахарида в дозе 10 мг/кг. Исследуемые соединения (коричную, феруловую, кумаровую, кофейную, синаповую кислоты) и препарат сравнения (этилметилгидроксипиридина сукцинат) вводили в дозе 100 мг/кг, перорально на протяжение 14 дней с момента введения липополисахарида. Далее у крыс оценивали изменение неврологического дефицита и в митохондриальной фракции головного мозга определяли активность сукцинатдегидрогеназы и цитохром-с-оксидазы, концентрацию митохондриального перок-сида водорода и супероксид-радикала. Результаты: Применение препарата сравнения, кофейной и кумаровой кислот и в меньшей степени коричной кислоты способствовало уменьшению неврологического дефицита у крыс (на 38,5%; 42,3% 40,4% и 21,2% соответственно, все показатели р<0,05 относительно группы животных негативного контроля), при увеличении активности сукцинатдегидрогеназы (на 23,0% (р<0,05); 30,0% (р<0,05) и 20,0% (р<0,05), коричная кислота значимого влияния на активность фермента не оказала) и цитохром-с-оксидазы (на 22,2%; 34,4%; 32,2%; и 22,2% соответственно, все показатели р<0,05 относительно группы животных негативного контроля), а также снижении концентрации супероксид радикала (на 38,8%; 48,8%;46,3%;и 33,4% соответственно, все показатели р<0,05 относительно группы животных негативного контроля) и пероксида водорода (на 25,0% (р<0,05); 54,2% (р<0,05); 50,4% и 27,9% (р<0,05) соответственно). При этом, антирадикальная активность и изменение активности сукцинатдегидрогеназы коррелировало с нормальным градиентом молекул. Заключение: Исследование показало возможность применения коричных кислот, содержащих свободные гидроксильные группы в ароматическом кольце, для коррекции постгиперцитокиновой нейротоксичности.
Ключевые слова: коричные кислоты; нейротоксичность; митохондриальная дисфункция; ги-перцитокинемия
Для цитирования: Поздняков ДИ. Коррекция митохондриальной дисфункции коричными кислотами при экспериментальной гиперцитокинемии. Научные результаты биомедицинских исследований. 2022;8(3):351-364. DOI:10.18413/2658-6533-2022-8-3-0-7
Correction of mitochondrial dysfunction with cinnamic acids in experimental hypercytokinemia
Dmitry I. Pozdnyakov
Volgograd State Medical University, 1 Pavshikh Bortsov Sq., Volgograd, 400131, Russia Corresponding author: Dmitry I. Pozdnyakov ([email protected])
Abstract
Background: Mitochondrial dysfunction is an essential component of the hypercytokine neurotoxi-city pathogenesis and is a promising pharmacotherapeutic target. The aim of the study: To evaluate the effect of cinnamic acids on changes in mitochondrial function in brain tissue of rats under experimental hypercytokinemia. Materials and methods: Hypercytokinemia was modeled in rats by in-traperitoneal injection of lipopolysaccharide at a dose of 10 mg/kg. The test compounds (cinnamic, ferulic, coumaric, caffeic, synapic acids) and the reference medicine (ethylmethylhydroxypyridine succinate) were administered at a dose of 100 mg/kg, orally for 14 days from the moment of lipopol-ysaccharide injection. Further, changes of neurological deficits in rats and the activity of succinatede-hydrogenase and cytochrome-c-oxidase were assessed, the concentration of mitochondrial hydrogen peroxide and superoxide radical were determined in the mitochondrial fraction of the brain. Results: The use of the reference, caffeic and coumaric acids and, to a lesser extent, cinnamic acid contributed to a decrease in neurological deficit in rats (by 38.5%; 42.3%, 40.4% and 21.2%, respectively, all indicators p<0.05 relative to the negative control group of animals), with an increase in succinate dehydrogenase activity (by 23.0% (p<0.05); 30.0% (p<0.05) and 20.0% (p<0.05), cinnamic acid had no significant effect on enzyme activity) and cytochrome- c-oxidase (by 22.2%; 34.4%; 32.2%; and 22.2%, respectively, all indicators p<0.05 relative to the group of negative control animals), as well as a decrease in the concentration of superoxide radical (by 38.8%; 48.8%; 46.3%; and 33.4%, respectively, all indicators p<0.05 relative to the negative control group of animals) and hydrogen peroxide (by 25.0% (p<0.05); 54.2% (p<0.05); 50.4% and 27.9% (p<0.05), respectively). At the same time, the antiradical activity and the change in the activity of succinatedehydrogenase correlated with the normal gradient of the molecules. Conclusion: The study showed the possibility of using cin-namic acids containing free hydroxyl groups in the aromatic ring to correct posthypercytokine neu-rotoxicity.
Keywords: cinnamic acids; neurotoxicity; mitochondrial dysfunction; hypercytokinemia
For citation: Pozdnyakov DI. Correction of mitochondrial dysfunction with cinnamic acids in experimental hypercytokinemia. Research Results in Biomedicine. 2022;8(3):351-364. Russian. DOI: 10.18413/2658-6533-2022-8-3-0-7
Введение. Гипперцитокиновые расстройства, такие как «цитокиновый шторм» наносят огромный ущерб организму человека. В результате массированного выброса в системный кровоток провоспалительных цитокинов отмечается развитие полиорганной недостаточности, в ходе которой прежде всего повреждаются сердечно-сосудистая, дыхательная и выделительная системы [1]. Также было установлено, что гиперпродукция цитокинов (фактор некроза опухоли -а (ФНО-а), интерлейкин-6 (ИЛ-6) и интерлейкин 1-Р (ИЛ-1Р)) и вызываемые ими эффекты негативно отражаются на структурно-функциональной целостности нейронов головного мозга, запуская процессы нейровоспаления [2]. Активация процессов воспаления мозговой ткани приводит к повреждению эндотелия мозговых сосудов, увеличению проницаемости гемато-энцефалического барьера, эксайтотоксич-ности, дегенерации аксонов, нейромедиа-торному дисбалансу и ухудшению клеточного метаболизма [3].
Также, воспалительные процессы в ткани головного мозга могут активироваться не только провоспалительными ци-токинами или хемокинами. Не последнюю роль в нейровоспалении играют активные формы кислорода (АФК), провоспалитель-ные ферменты, такие как индуцибельная синтаза оксида азота (iNOS) и вторичные мессенджеры. На сегодняшний день установлено, что повышению интенсивности нейровоспалительных реакций способствуют «неклассические» соединения, например, вещества, образующиеся в ходе деструкции митохондрий клетки [4]. Митохондрии содержат целый ряд потенциально сильных провоспалительных агентов, таких как митохондриальная ДНК (мтДНК), цитохром С, кардиолипин, формилпеп-тиды, которые в определенных условиях могут приобретать иммуногенные свойства. Одной из таковых причин является окислительная модификация митохондрий под действием прооксидантов с последующей их гибелью [5]. В результате лизиса митохондрий окисленная мтДНК иниции-
рует вторичный выброс цитокинов/хемоки-нов глиальными клетками, усиливая нейро-воспалительные процессы. Также клетки глии могут активироваться избытком молекул АТФ, увеличивая экспрессию гена ИЛ-6 [6].
В этой связи можно предположить, что сохранение целостности митохондрий, а также стабилизации их функции может уменьшить негативное влияние цитокинов на клетки головного мозга [7].
В коррекции митохондриальных нарушений все большую актуальность приобретают соединения природного происхождения, которые выгодно отличаются от веществ, полученных синтетическим путем, оптимальным соотношением эффективность/безопасность. Установлено положительное влияние на изменение функциональной активности митохондрий ресвера-трола, диосмина, куркумина, ди/ и тритепе-ноидов, гераниола и ряда других соединений [8]. В литературе приводятся сведения о митохондриотропной активности производных коричной кислоты, в частности, модифицированная трифенилфосфониевым катионом кофейная кислота проявляла свойства эффективного антиоксиданта, подавляя образование митохондриального пе-роксида водорода [9]. Также ранее проведенные исследования показали, что применение производных коричной кислоты при ишемии мозга способствовало восстановлению активности ферментов митохондри-ального происхождения - аконитазы, цит-ратсинтазы и а-кетоглутаратдегидрогеназы [10]. Таким образом, можно предположить, что на фоне введения коричных кислот будет отмечаться снижение степени повреждения головного мозга, опосредованного гиперпродукцией цитокинов.
Цель исследования. Оценить влияние производных коричной кислоты на изменение митохондриальной функции в головном мозге у крыс в условиях экспериментальной гиперцитокинемии.
Материалы и методы исследования. Исследование выполнено на 80 крысах-самцах линии Wistar (половозрелые, масса тела - 200-220 грамм). Животные
были получены из лаборатории живых систем Пятигорского медико-фармацевтического института и на время исследования содержались в контролируемых условиях экспериментального вивария при температуре воздуха 18-22 С, относительной влажности 50-60% и 12-ти часовой смене суточного цикла. Дизайн исследования, биометодологические техники и содержание животных соответствовали принципам ARRIVE 2.0. [11]. Гиперцитокинемию у крыс воспроизводили путем интраперитонеального введения липолисахарида E.coli в дозе 10 мг/кг [12]. В ходе проведения исследования экспериментальные группы формировались методом рандомизации по массе тела. Были выделены следующие группы животных: ИН - интактные животные, НК - негативный контроль, группа животных, которой вводили референтный препарат этилметилгидроксипиридина сукцинат (Мексидол, ФАРМАСОФТ, Россия) в дозе 100 мг/кг (per os) и группы крыс, получавших изучаемые соединения - коричную кислоту, кофейную кислоту, кумаровую кислоту, синаповую и феруловою кислоты в дозе 100 мг/кг (per os) каждое соединение [10]. Выбор препарата сравнения основан на исследовании, проведенном Кировой Ю.И., с соавт. 2020, в котором показано, что применение этилметилгидроксипири-дина сукцината увеличивает митохондрио-генез в головном мозге, посредством взаимодействия с регуляторным сукцинатным рецептором SUCNRi. [13].
Исследуемые объекты были предоставлены Hunan Warrant Pharmaceuticals (КНР). Препарат сравнения и анализируемые вещества вводили на протяжение 14 дней с момента введения бактериального липополисахарида. Продолжительность введения исследуемых соединений и референта обусловлена особенностями экспериментальной модели гиперцитокинемии. Далее у животных оценивали изменение неврологического дефицита по шкале McGraw [14], производили забор биоматериала и осуществляли оценку изменения митохондриальной функции в ткани головного мозга.
Митохондриальную фракцию головного мозга получали путем градиентного центрифугирования гомогената головного мозга, для чего головной мозг гомогенизировали в среде 1 ммоль ЭГТА + 215 ммоль маннита + 75 ммоль сахарозы + 0,1% раствор БСА + 20 ммоль HEPES, при рН 7,2. Гомогенат центрифугировали в течение 2 минут при ускорении 1100g. Супернатант переносили в пробирки Эппендорф и наслаивали 10%-раствор перколла (Sigma-Aldrich). Полученную смесь повторно центрифугировали в течение 10 минут при ускорении 18000g. Надосадочную жидкость отбрасывали, осадок ресуспендиро-вали в 1 мл изолирующей среды и центрифугировали в течение 5 минут при 10 000 g. [15].
Полученную надосадочную фракцию удаляли для определения активности цито-хром-с-оксидазы и сукцинатдегидроге-назы, а также концентрации митохондри-ального пероксида водорода и супероксид-радикала. Активность цитохром-с-окси-дазы определяли в митохондриальной фракции по изменению оптической плотности среды реакции окисления цитохрома С (II) в присутствии KCN при 500 нм. [16]. Активность сукцинатдегидрогеназы оценивали спектрофотометрически в реакции сукцинат-зависимого восстановления ди-хлорфенолиндофенола при добавлении в анализируемую среду ротенона при 600 нм. [17]. Оптическую плотность смесей регистрировали на спектрофотометре ПРОМ-ЭКОЛАБ ПЭ-5300В в кюветах с длиной оптического пути 10 мм. Активность ферментов выражали в Ед/мг белка. Содержание белка в анализируемых образцах оценивали по методу Бредфорда. Концентрацию мито-хондриального пероксида водорода измеряли по изменению флуоресцентного сигнала, окрашенного резоруфина при длине волны возбуждения/эмиссии 570/585 нм. Содержание супероксид-радикала в анализируемых образцах определяли по изменению флуоресцентного сигала дигидроэти-дий бромида при длине волны возбуждения/эмиссии 480/610 нм. [18]. С целью вы-
явления некоторых закономерностей соотношения структура-активность в ряду исследуемых веществ был произведен расчет квантово-химических параметров, характеризующих целевые свойства молекул: теплота образования (ккал/моль), общая энергия (ЕВ), электронная энергия (ЭВ), энергия межъядерного взаимодействия (ЕВ), нормальный градиент, дипольный момент, потенциал ионизации (ЕВ), энергия наивысшей занятой молекулярной орби-тали (ЕВ) и энергия низшей занятой молекулярной орбитали (ЕВ). Расчет произведен с применением программного обеспечения MOPAC 2016 c протоколом PM7.
Статистическую обработку полученных результатов осуществляли с применением программного пакета STATISTICA 6.0 (StatSoft). Данные выражали в виде M±SEM (среднее ± стандартная ошибка среднего). Нормальность распределения оценивали с помощью критерия Шапиро-Уилка, однородность дисперсия -
с применением критерия Левена. Статистическую значимость отличий между группами проводили методом однофакторного дисперсионного анализа с пост-обработкой Ньюмена-Кейсла при критическом уровне значимости p<0,05. Корреляционный анализ выполнен согласно критерию Пирсона.
Результаты исследования. В ходе оценки изменения неврологического дефицита (рис. 1) было установлено, что у НК группы крыс по отношению к ИН крысам наблюдалось повышение суммарного балла неврологического дефицита в 12,1 раза ф<0,05). На фоне введения Мексидола отмечено снижение степени выраженности неврологической симптоматики в сравнении с НК группой на 38,5% ф<0,05), в то время как при применении изучаемых соединений - коричной, кофейной, феруло-вой, кумаровой и синаповой кислот данный показатель уменьшился на 21,2% ф<0,05), 42,3% ф<0,05), 23,1 %ф<0,05),40,4% ф<0,05) и 25,0 % ф<0,05) соответственно.
Примечание: # - статистически достоверно относительно ИН группы; * - статистически достоверно относительно НК группы. Во всех случаях критерий Ньюмена-Кейсла p<0,05. Рис. 1. Влияние изучаемых соединений и препарата сравнения на изменение неврологического дефицита у животных в условиях гиперцитокинемии Note: # - statistically significant relative to the group ID; * - statistically significant relative to the NC group. In all cases, the Newman-Keuls test p<0.05.
Fig. 1. Effect of the studied compounds and the reference medicine on the change of neurological deficit in animals under conditions of hypercytokinemia
Дальнейший ход исследования показал, что концентрация митоходриального пероксида водорода (рис. 2) и супероксид-радикала (рис. 3) в мозговой ткани у крыс НК группы была выше такового у ИН группы животных в 3,0 (p<0,05) и 4,0 (p<0,05) раза соответственно. Применение Мексидола способствовало уменьшение содержания в митохондриальной фракции, как пероксида водорода, так и супероксид-радикала по отношению к НК группе животных на 25,0% (p<0,05) и 38,8% (p<0,05) соответственно.
В ряду изучаемых веществ наиболее выраженные антирадикальные свойства были установлены для кофейной и кумаро-вой кислот, введение которых способствовало уменьшению концентрации пероксида водорода на 54,2% (p<0,05) и 50,4%
(p<0,05) соответственно, а супероксид-радикала на 48,8 % (p<0,05) и 46,3% (p<0,05) соответственно. Несколько меньшую активность проявляла коричная кислота, на фоне применения которой содержание ми-тохондриального пероксида водорода и супероксид-радикала уменьшилось на 27,9% (p<0,05) и 33,4% (p<0,05) в сравнении с показателями НК группы крыс. При этом, концентрация пероксида водорода при применении кофейной и кумаровой кислот была ниже, чем у группы крыс, получавшей Мексидол на 38,8 (p<0,05) и 33,3% (p<0,05) соответственно. Стоит отметить, что применение феруловой и синаповой кислот значимого влияния на изменение содержания пероксида водорода и супероксид-радикала в митохондриальной фракции головного мозга не оказало.
3
и
.|||||||
ИН НК Мексидол Коричная Кофейная Феруловая Кумаровая Сннаповая
кислота кислота кислота кислота кислота
Примечание: # - статистически достоверно относительно ИН группы; * - статистически достоверно относительно НК группы; Д - статистически достоверно, относительно животных, которым вводили Мексидол. Во всех случаях критерий Ньюмена-Кейсла p<0,05. Рис. 2. Влияние изучаемых соединений и препарата сравнения на изменение концентрации пероксида водорода в митохондриальной фракции головного мозга у животных
в условиях гиперцитокинемии Note: # - statistically significant relative to the group ID; * - statistically significant relative to the NC group; Д - statistically significant, relative to the animals that were injected with Mexidol. In all cases, the Newman-Keuls test p<0.05. Fig. 2. Effect of the studied compounds and the reference medicine on the change in the concentration of hydrogen peroxide in the mitochondrial fraction of the brain in animals under conditions
of hypercytokinemia
ИН НК Мексидол Коричная Кофейная Феруловяя Кумяровяя Синаповяя
КИСЛОТЯ КИСЛОТЯ КИСЛОТЯ КИСЛОТЯ КИСЛОТ!
Примечание: # - статистически достоверно относительно ИН группы; * - статистически достоверно относительно НК группы. Во всех случаях критерий Ньюмена-Кейсла p<0,05. Рис. 3. Влияние изучаемых соединений и препарата сравнения на изменение концентрации супероксид-радикала в митохондриальной фракции головного мозга у животных
в условиях гиперцитокинемии Note: # - statistically significant relative to the group ID; * - statistically significant relative to the NK group. In all cases, the Newman-Keuls test p<0.05.
Fig. 3. Effect of the studied compounds and the reference medicine on the change in the concentration of the superoxide radical in the mitochondrial fraction of the brain in animals under conditions
of hypercytokinemia
Анализ изменения активности сукци-натдегидрогеназы (рис.4) позволил установить, что у крыс НК отмечено снижение активность данного энзима относительно ИН группы на 38,9% ф<0,05), при уменьшении активности цитохром-с-оксидазы (рис. 4) в 2,0 раза ф<0,05). Применение Мексидола способствовало повышению активности сукцинатдегидрогеназы и цитохром-с-ок-сидазы в сравнении с НК группой животных на 23,6% ф<0,05) и 22,2% ф<0,05) соответственно. Также каталитические свойства сукцинатдегидрогеназы и цитохром-с-оксидазы увеличились при введении животным кофейной кислоты (на 30,0%
ф<0,05) и 34,4%ф<0,05) соответственно) и кумаровой кислоты (на 20,0 %ф<0,05) и 32,2% ф<0,05) соответственно). У крыс, получавших коричную кислоту отмечено повышение активности цитохром-с-окси-дазы в сравнении с показателем НК группы на 22,2%ф<0,05).
Проведенный в дальнейшем корреляционный анализ взаимосвязи активности и изменения квантово-химических параметров молекул (табл. 1) позволил установить, что в ингибирующая активность в отношение супероксид-радикала в наибольшей степени зависит от нормального градиента (Г=-0,96587).
\ Il II II I. I ...
■ ПН ■ НК ■ Мексидол ■ Коричная кислота ■ Кофейная кислота ■ Феруловая кислота ■ Кумаровая кислота ■ Синаповая кислота
Примечание: СДГ - сукцинатдегидрогеназа; СОХ - цитохром-с-оксидаза; # - статистически достоверно относительно ИН группы; * - статистически достоверно относительно НК группы. Во всех случаях критерий Ньюмена-Кейсла p<0,05.
Рис. 4. Влияние изучаемых соединений и препарата сравнения на изменение активности сукцинатдегидрогеназы и цитохром-с-оксидазы в митохондриальной фракции головного мозга у животных в условиях гиперцитокинемии Note: СДГ - succinate dehydrogenase; СОХ - cytochrome c oxidase; # - statistically significant relative to the group ИН; * - statistically significant relative to the НК group. In all cases, the Newman-Keuls test p<0.05. Fig. 4. Effect of the studied compounds and the reference medicine on the change in the activity of succinatedehydrogenase and cytochrome-c oxidase in the mitochondrial fraction of the brain in animals under conditions of hypercytokinemia
Таблица 1
Квантово-химические параметры, используемые при проведении
корреляционного анализа
Table 1
Quantum-chemical parameters used in the correlation analysis
Параметр Коричная кислота Кофейная кислота Феруловая кислота Кумаровая кислота Синаповая кислота
Теплота образования, ккал/моль -46,881 -138,52093 -92,08089 -165,61028 -133,52933
Общая энергия, ЕВ 1803,48678 -2394,44371 -2098,94702 -2988,56099 -2543,95571
Электронная энергия, ЕВ 8793,15092 -12030,2032 -10324,3609 17459,3008 -13664,3484
Энергия межядерного взаимодействия, ЕВ 6989,66414 9635,75953 8225,4139 14470,73981 11120,39266
Нормальный градиент 0,68336 0,9593 0,75388 0,89961 0,91461
Дипольный момент 5,04333 3,71918 6,25115 6,90021 4,48361
Потенциал ионизации, ЕВ 10,05844 9,031399 9,517903 8,945714 8,851467
Энергия наивысшей занятой молекулярной орбитали, ЕВ -10,058 -9,031 -9,518 -8,946 -8,851
Энергия низшей занятой молекулярной орбитали, ЕВ -0,847 -0,465 -0,852 -0,485 -0,35
Сильная корреляция была установлена между способностью изучаемых веществ ингибировать образование пероксида водорода и нормальным градиентом
(r=-0,802155). Также с изменением нормального градиента сильно коррелировало изменение активности сукцинатдегидрогеназы (r=0,864808). Стоит отметить, что выражен-
ных взаимосвязей между квантово-химиче- изменением активности цитохром-с-окси-
скими параметрами исследуемых веществ и дазы не прослеживалось (табл. 2).
Таблица 2
Значение полученных коэффициентов корреляции
Table 2
The value of the obtained correlation coefficients
Параметр Супероксид, нмоль/мл Пероксид водорода, нмоль/мл СДГ, Ед/л СОХ, Ед/л
Теплота образования, ккал/моль 0,400171 0,771782 -0,659831 -0,278867
Общая энергия, ЕВ 0,337788 0,690160 -0,492990 -0,275793
Электронная энергия, ЕВ -0,513381 -0,455051 0,031248 0,426591
Энергия межъядерного взаимодействия, ЕВ -0,310128 -0,634297 0,394323 0,284858
Нормальный градиент -0,96587 -0,802155 0,864808 0,340750
Дипольный момент -0,082382 0,169051 -0,568228 -0,207693
Потенциал ионизации, ЕВ 0,156184 0,636947 -0,650265 -0,092914
Энергия наивысшей занятой молекулярной орбитали, ЕВ -0,155949 -0,636922 0,650514 0,092973
Энергия низшей занятой молекулярной орбитали, ЕВ -0,095511 -0,660227 0,746693 0,280159
Обсуждение результатов. Гиперци-токинемия как самостоятельный патологический синдром, так и как часть патогенеза других заболеваний сопровождается значительной смертностью населения, в ряде случаев составляющей более 40%. Установлено, что провоспалительные цитокины оказывают неспецифическое повреждающее действие практически на все органы и ткани, что приводит к полиорганной недостаточности. Высокая степень цитокин-опосредованных нарушений отмечается прежде всего в органах с интенсивным метаболизмом, например, в головном мозге, что выражается в развитии нейротоксиче-ского эффекта [19].
Повреждение головного мозга, вызываемое цитокинами, в основном происходит за счет индукции нейровоспаления, в ходе которого отмечается развитие каскада взаимосвязанных реакций, таких как, повреждение гемато-энцефалического барьера, развитие отеков цитотоксического и вазогенного типа, лактат-ацидоз, окислительный стресс, энергодефицит [20]. В связи с высокой патогенетической ролью нейровоспаления данный патогенетический механизм все чаще становиться мишенью для целенаправленного фармакологического вмешательства, в том числе и в
условиях системой гиперцитокинемии. Так, Yang, et al., 2020 было показано, что применение дигидротестростерона у животных с экспериментальной гиперцитоки-немией способствовало уменьшению степени повреждающего действия на мозговую ткань провоспалительных цитокинов -ИЛ-1, ИЛ-6 и ФНО-а. Также в данном исследовании продемонстрирована связь воспаления и апоптотического каскада, что является характерной особенностью липопо-лисахарида как индуктора гиперцитокине-мии [21]. Известно, что введение бактериального липополисахарида приводит к выраженной нейротоксичности за счет повышенного образования провоспалительных цитокинов и индукции нисходящих провос-палительных сигнальных путей, контролируемых NfkB, что приводит к инициированию программы апоптоза, развитию окислительного стресса в нейронах и клетках глии, приводя к их гибели с развитием клинических проявлений поражения ЦНС [22]. Одним из основных медиаторов липополи-сахарид-индуцированной нейротоксично-сти являются митохондриальные активные формы кислорода (АФК), представленные, как правило, суперокотд-радикалом и пе-роксидом водорода [23]. АФК считаются токсичными интермедиатами аэробного
метаболизма и основной причиной клеточного повреждения. Высокая интенсивность окислительных процессов, происходящих в митохондриях, делают данные органеллы основными продуцентами АФК. В митохондриях идентифицировано 11 сайтов генерации АФК, образующихся при утечке протонов в митохондриальной дыхательной цепи [24]. Важное значение в образовании митохондриальных АФК играет изменение активность комплексов митохондри-альной дыхательной цепи, в том числе мак-ромолекулярными комплексами сукцинат-дегидрогеназы и цитохром-с-оксидазы. Сукцинатдегидрогеназа или митохондри-альный комплекс II генерирует значительное количество АФК, связанных с дефицитом флавопротеина. Цитохром-с-оксидаза (комплекс IV) менее склонна к генерации АФК, но образующиеся радикалы могут инициировать альтернативные каскады клеточного повреждения [25]. В этой связи наблюдаемое на фоне введения изучаемых соединений - кофейной и кумаровой кислот повышение активности сукцинатдегид-рогеназы и цитохром-с-оксидазы может являться причиной снижения интенсивности реакций образования АФК, что было подтверждено в ходе оценки изменения концентрации митохондриального пероксида водорода и супероксид-радикала. Кроме того, данные ферментативные комплексы (сукцинатдегидрогеназа и цитохром-с-ок-сидаза) служат маркерами митохондриаль-ного биогенеза и повышение их активности свидетельствует о повышении синтеза митохондрий de novo [26]. При этом, увеличение биогенеза митохондрий в условиях ли-пополисахарид-индуцированной нейроток-сичности может иметь решающее значение для выживаемости нейронов, поскольку вновь образующиеся митохондрии содержат на порядок меньше дефектной ДНК и менее склонны к генерации АФК и инициированию апоптоза [27]. Также немаловажно, что при введении исследуемых соединений отмечено снижение выраженности неврологического дефицита. Стоит отметить, что наибольший уровень активно-
сти продемонстрировали соединение, содержащие в своей структуре свободные гидроксильные группы в ароматическом кольце. В этой связи был проведен корреляционный анализ, на основе методов вычислительной химии, целью которого являлось установить наличие определенных закономерностей изменения фармакологического эффекта от квантово-химических параметров молекул, наиболее полно характеризующих их состояние. Квантово-химические дескрипторы играют фундаментальную роль в химии и биомедицинских исследованиях, поскольку они определяют корреляции между химическими структурами и свойствами молекул (количественное соотношение структура-активность). Данные параметры могут предоставить исчерпывающую информацию о пространственно-геометрических, электростатических и реакционных свойствах молекул. Таким образом, многие дескрипторы отражают свойства молекул и могут дать представление о химической природе соединений, что несомненно важно в ходе целенаправленного синтеза новых родственных веществ.
Проведенный корреляционный анализ показал, что радикал-ингибирующие свойства в большей степени коррелируют с изменением нормального градиента (r=-0,96587 для супероксид-радикала и r=-0,802155 для пероксида водорода), что и отражает вклад гидрокси групп в изменение плотности электронного заряда в ароматическом кольце [28]. Стоит отметить, что активность сукцинатдегидрогеназы также коррелировало с изменением нормального градиента (r=0,864808), в то время как в отношение цитохром-с-окси-дазы существенных корреляционных взаимосвязей не установлено.
Заключение. Проведенное исследование показало, что в условиях липополи-сахарид-индуцированной нейротоксично-сти применение кумаровой и кофейной кислот способствовало восстановлению мито-хондриальной функции, что отразилось в повышении активности сукцинатдегидро-геназы и цитохром-с-оксидазы, снижению генерации митохондриальных активных
форм кислорода, что в итоге привело к уменьшению степени выраженности неврологического дефицита.
Информация о финансировании
Финансирование данной работы не проводилось.
Financial support
No financial support has been providedfor this work.
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interests
The author has no conflict of interest to declare.
Список литературы
1. Fajgenbaum DC, June CH. Cytokine Storm. New England Journal of Medicine. 2020;383(23):2255-2273. DOI: https://doi.org/10.1056/NEJMra2026131
2. Kempuraj D, Selvakumar GP, Ahmed ME, et al. COVID-19, Mast Cells, Cytokine Storm, Psychological Stress, and Neuroinflammation. Neuroscientist. 2020;26(5-6):402-414. DOI: https://doi.org/10.1177/1073858420941476
3. Yang QQ, Zhou JW. Neuroinflammation in the central nervous system: Symphony of glial cells. GLIA. 2019;67(6):1017-1035. DOI: https://doi.org/10.1002/glia.23571
4. Garabadu D, Agrawal N, Sharma A, et al. Mitochondrial metabolism: a common link between neuroinflammation and neurodegeneration. Behavioural Pharmacology. 2019;30(8):642-652. DOI:
https://doi.org/10.1097/FBP.0000000000000505
5. Swerdlow RH. Mitochondria and Mitochondrial Cascades in Alzheimer's Disease. Journal of Alzheimer's Disease. 2018;62(3):1403-1416. DOI: https://doi.org/10.3233/JAD-170585
6. Wilkins HM, Swerdlow RH. Relationships Between Mitochondria and Neuroinflammation: Implications for Alzheimer's Disease. Current Topics in Medicinal Chemistry. 2016;16(8):849-57. DOI: https://doi.org/10.2174/156802661566615082709 5102
7. DiSabato DJ, Quan N, Godbout JP. Neuroinflammation: the devil is in the details. Journal of Neurochemistry. 2016;139(S2):136-153. DOI: https://doi.org/10.1111/jnc.13607
8. Stacchiotti A, Corsetti G. Natural Compounds and Autophagy: Allies Against Neurodegeneration. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 2020;8:555409. DOI: https://doi.org/10.3389/fcell.2020.555409
9. Teixeira J, Soares P, Benfeito S, et al. Rational discovery and development of a mitochondria-targeted antioxidant based on cinnamic acid scaffold. Free Radical Research. 2012;46(5):600-11. DOI: https://doi.org/10.3109/10715762.2012.662593
10. Воронков АВ, Поздняков ДИ, Аджи-ахметова СЛ, др. Влияние некоторых производных коричной кислоты на изменение активности ферментов цикла трикарбоновых кислот у крыс в условиях ишемии головного мозга. Медицинский академический журнал. 2020;20(2):27-32. DOI: https://doi.org/10.17816/MAJ33994
11. Percie du Sert N, Hurst V, Ahluwalia A, et al. The ARRIVE guidelines 2.0: Updated guidelines for reporting animal research. PLoS Biology. 2020;18(7):e3000410. DOI: https://doi.org/10.1371/j ournal.pbio.3000410
12. Zhang H, Sha J, Feng X, et al. Dexme-detomidine ameliorates LPS induced acute lung injury via GSK-3P/STAT3-NF-kB signaling pathway in rats. International Immunopharmacology. 2019;74:105717. DOI: https://doi.org/10.1016/j .intimp.2019.105717
13. Кирова ЮИ, Шакова ФМ, Германова ЭЛ, и др. Влияние Мексидола на церебральный митохондриогенез в молодом возрасте и при старении. Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2020;120(1):62-69. DOI: https://doi.org/10.17116/jnevro202012001162
14. Vasilevskaya E, Makarenko A, Tolma-cheva G, et al. Local Experimental Intracerebral Hemorrhage in Rats. Biomedicines. 2021;9(6):585. DOI: https://doi.org/10.3390/biomedi-cines9060585
15. Воронков АВ, Поздняков ДИ, Аджи-ахметова СЛ, и др. Митохондриальная дисфункция при нейродегенеративных и ишемиче-ских поражениях головного мозга. Экспериментальные и фармакологические аспекты. К: Бук; 2020.
16. Hill MD, Goyal M, Menon BK, et al. Efficacy and safety of nerinetide for the treatment of acute ischaemic stroke (ESCAPE-NA1): a multicentre, double-blind, randomised controlled trial. The Lancet. 2020;395(10227):878-887. DOI: https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30258-0
17. Fargualy AM, Habib NS, Ismail KA, et al. Synthesis, biological evaluation and molecular docking studies of some pyrimidine derivatives. European Journal of Medicinal Chemistry. 2013;66:276-95. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2013.05.028
18. Zhu Z, Guo R, Li Y, et al. Comparison of three analytical methods for superoxide produced by activated immune cells. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 2020;101:106637. DOI: https://doi.org/ 10.1016/j .vascn.2019.106637
19. Norelli M, Camisa B, Barbiera G, et al. Monocyte-derived IL-1 and IL-6 are differentially required for cytokine-release syndrome and neuro-toxicity due to CAR T cells. Nature Medicine. 2018;24(6):739-748. DOI: https://doi.org/10.1038/s41591-018-0036-4
20. Mukhara D, Oh U, Neigh GN. Neuroinflammation. Handbook of Clinical Neurology. 2020;175:235-259. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-444-64123-6.00017-5
21. Yang L, Zhou R, Tong Y, et al. Neuroprotection by dihydrotestosterone in LPS-induced neuroinflammation. Neurobiology of Disease. 2020;140:104814. DOI: https://doi.org/ 10.1016/j .nbd.2020.104814
22. Alhadidi Q, Shah ZA. Cofilin Mediates LPS-Induced Microglial Cell Activation and Associated Neurotoxicity Through Activation of NF-kB and JAK-STAT Pathway. Molecular Neurobiology. 2018;55(2):1676-1691. DOI: https://doi.org/10.1007/s12035-017-0432-7
23. Park J, Min JS, Kim B, et al. Mitochondrial ROS govern the LPS-induced pro-inflammatory response in microglia cells by regulating MAPK and NF-kB pathways. Neuroscience Letters. 2015;584:191-6. DOI: https://doi.org/10.1016Zj.neulet.2014.10.016
24. Cadenas S. Mitochondrial uncoupling, ROS generation and cardioprotection. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. 2018;1859(9):940-950. DOI: https: //doi .org/ 10.1016/j.bbabio.2018.05.019
25. Zhao RZ, Jiang S, Zhang L, et al. Mito-chondrial electron transport chain, ROS generation and uncoupling (Review). International Journal of Molecular Medicine. 2019;44(1):3-15. DOI: https://doi.org/10.3892/ijmm.2019.4188
26. Jornayvaz FR, Shulman GI. Regulation of mitochondrial biogenesis. Essays in Biochemistry. 2010;47:69-84. DOI: https://doi.org/10.1042/bse0470069
27. Stetler RA, Leak RK, Yin W, et al. Mitochondrial biogenesis contributes to ischemic neuroprotection afforded by LPS pre-conditioning. Journal of Neurochemistry. 2012;123(S2):125-37. DOI: https://doi.org/ 10.1111/j. 1471 -4159.2012.07951.x
28. Оганесян ЭТ, Шатохин СС. Использование квантово-химических параметров для прогнозирования антирадикальной (но) активности родственных структур, содержащих цин-намоильный фрагмент. III. халконы, флаваноны и флавоны с флороглюциновым типом кольца "А". Фармация и фармакология. 2020;8(6):446-455. DOI: https://doi.org/10.19163/2307-9266-2020-8-6-446-455
References
1. Fajgenbaum DC, June CH. Cytokine Storm. New England Journal of Medicine. 2020;383(23):2255-2273. DOI: https://doi.org/10.1056/NEJMra2026131
2. Kempuraj D, Selvakumar GP, Ahmed ME, et al. COVID-19, Mast Cells, Cytokine Storm, Psychological Stress, and Neuroinflammation. Neuroscientist. 2020;26(5-6):402-414. DOI: https://doi.org/10.1177/1073858420941476
3. Yang QQ, Zhou JW. Neuroinflammation in the central nervous system: Symphony of glial cells. GLIA. 2019;67(6):1017-1035. DOI: https://doi.org/10.1002/glia.23571
4. Garabadu D, Agrawal N, Sharma A, et al. Mitochondrial metabolism: a common link between neuroinflammation and neurodegeneration. Behavioural Pharmacology. 2019;30(8):642-652. DOI:
https://doi.org/10.1097/FBP.0000000000000505
5. Swerdlow RH. Mitochondria and Mitochondrial Cascades in Alzheimer's Disease. Journal of Alzheimer's Disease. 2018;62(3):1403-1416. DOI: https://doi.org/10.3233/JAD-170585
6. Wilkins HM, Swerdlow RH. Relationships Between Mitochondria and Neuroinflammation: Implications for Alzheimer's Disease. Current Topics in Medicinal Chemistry. 2016;16(8):849-57. DOI: https://doi.org/10.2174/156802661566615082709 5102
7. DiSabato DJ, Quan N, Godbout JP. Neuroinflammation: the devil is in the details. Journal of Neurochemistry. 2016;139(S2):136-153. DOI: https://doi.org/10.1111/jnc.13607
8. Stacchiotti A, Corsetti G. Natural Compounds and Autophagy: Allies Against Neurodegeneration. Frontiers in Cell and Developmental
Biology. 2020;8:555409. DOI:
https://doi.org/10.3389/fcell.2020.555409
9. Teixeira J, Soares P, Benfeito S, et al. Rational discovery and development of a mitochondria-targeted antioxidant based on cinnamic acid scaffold. Free Radical Research. 2012;46(5):600-11. DOI: https://doi.org/10.3109/10715762.2012.662593
10. Voronkov AV, Pozdnyakov DI, Adjiakhmetova SL, et al. The effect of some cin-namic acid derivatives on the change in the activity of enzymes of the tricarboxylic acid cycle in rats under conditions of cerebral ischemia. Medical Academic Journal. 2020;20(2):27-32. Russian. DOI: https://doi.org/10.17816/MAJ33994
11. Percie du Sert N, Hurst V, Ahluwalia A, et al. The ARRIVE guidelines 2.0: Updated guidelines for reporting animal research. PLoS Biology. 2020;18(7):e3000410. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000410
12. Zhang H, Sha J, Feng X, et al. Dexme-detomidine ameliorates LPS induced acute lung injury via GSK-3ß/STAT3-NF-KB signaling pathway in rats. International Immunopharmacology. 2019;74:105717. DOI: https://doi.org/ 10.1016/j .intimp.2019.105717
13. Kirova YU, Shakova FM, Germanova EL, et al. The effect of Mexidol on cerebral mito-chondriogenesis at a young age and during aging. Zhurnal Nevrologii i Psikhiatrii imeni S.S. Korsa-kova. 2020;120(1):62-69. 2020;120(1):62-69. Russian. DOI: https://doi.org/ 10.17116/jnevro202012001162
14. Vasilevskaya E, Makarenko A, Tolma-cheva G, et al. Local Experimental Intracerebral Hemorrhage in Rats. Biomedicines. 2021;9(6):585. DOI: https://doi.org/10.3390/biomedi-cines9060585
15. Voronkov AV, Pozdnyakov DI, Adjiakhmetova SL, et al. Mitochondrial dysfunction in neurodegenerative and ischemic brain lesions. Experimental and pharmacological aspects. K: Buk; 2020. Russian.
16. Hill MD, Goyal M, Menon BK, et al. Efficacy and safety of nerinetide for the treatment of acute ischaemic stroke (ESCAPE-NA1): a multicentre, double-blind, randomised controlled trial. The Lancet. 2020;395(10227):878-887. DOI: https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30258-0
17. Fargualy AM, Habib NS, Ismail KA, et al. Synthesis, biological evaluation and molecular docking studies of some pyrimidine derivatives. European Journal of Medicinal Chemistry. 2013;66:276-95. DOI: https://doi.org/10.1016Zj.ejmech.2013.05.028
18. Zhu Z, Guo R, Li Y, et al. Comparison of three analytical methods for superoxide produced by activated immune cells. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 2020;101:106637. DOI: https://doi.org/10.1016/j.vascn.2019.106637
19. Norelli M, Camisa B, Barbiera G, et al. Monocyte-derived IL-1 and IL-6 are differentially required for cytokine-release syndrome and neurotoxicity due to CAR T cells. Nature Medicine. 2018;24(6):739-748. DOI: https://doi.org/10.1038/s41591-018-0036-4
20. Mukhara D, Oh U, Neigh GN. Neuroinflammation. Handbook of Clinical Neurology. 2020;175:235-259. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-444-64123-6.00017-5
21. Yang L, Zhou R, Tong Y, et al. Neuroprotection by dihydrotestosterone in LPS-induced neuroinflammation. Neurobiology of Disease. 2020;140:104814. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nbd.2020.104814
22. Alhadidi Q, Shah ZA. Cofilin Mediates LPS-Induced Microglial Cell Activation and Associated Neurotoxicity Through Activation of NF-kB and JAK-STAT Pathway. Molecular Neurobiology. 2018;55(2):1676-1691. DOI: https://doi.org/10.1007/s12035-017-0432-7
23. Park J, Min JS, Kim B, et al. Mitochondrial ROS govern the LPS-induced pro-inflammatory response in microglia cells by regulating MAPK and NF-kB pathways. Neuroscience Letters. 2015;584:191-6. DOI: https://doi.org/10.1016/j.neulet.2014.10.016
24. Cadenas S. Mitochondrial uncoupling, ROS generation and cardioprotection. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. 2018;1859(9):940-950. DOI: https://doi.org/10.1016/j .bbabio.2018.05.019
25. Zhao RZ, Jiang S, Zhang L, et al. Mito-chondrial electron transport chain, ROS generation and uncoupling (Review). International Journal of Molecular Medicine. 2019;44(1):3-15. DOI: https://doi.org/10.3892/ijmm.2019.4188
26. Jornayvaz FR, Shulman GI. Regulation of mitochondrial biogenesis. Essays in Biochemistry. 2010;47:69-84. DOI: https://doi.org/10.1042/bse0470069
27. Stetler RA, Leak RK, Yin W, et al. Mi-tochondrial biogenesis contributes to ischemic neuroprotection afforded by LPS pre-conditioning. Journal of Neurochemistry. 2012;123(S2):125-37. DOI: https://doi.org/ 10.1111/j. 1471 -4159.2012.07951.x
28. Oganesyan ET, Shatokhin S. The use of quantum-chemical parameters for predicting the antiradical (but-) activity of related structures containing a cinnamoyl fragment. III. chalcones, fla-vonones and flavones with the phloroglucin type of the "A" ring. Pharmacy & Pharmacology. 2020;8(6):446-455. DOI:
https://doi.org/10.19163/2307-9266-2020-8-6-446-455
Статья поступила в редакцию 30 августа 2021 г.
Поступила после доработки 22 января 2022 г. Принята к печати 16 апреля 2022 г.
Received 30 August 2021 Revised 22 January 2022 Accepted 16 April 2022
Информация об авторе
Дмитрий Игоревич Поздняков, кандидат фармацевтических наук, доцент кафедры фармакологии с курсом клинической фармакологии, Пятигорский медико-фармацевтический институт - филиал ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный медицинский университет», г. Пятигорск, Российская Федерация, E-mail: [email protected], ORCID:
https://orcid.org/0000-0002-5595-8182.
Information about the author Dmitry I. Pozdnyakov, Cand. Sci. (Pharmacy), Associate Professor at the Department of Pharmacology with a Course in Clinical Pharmacology, Pyatigorsk Medical and Pharmaceutical Institute -Branch of Volgograd State Medical University, Pyatigorsk, Russia, E-mail: [email protected], ORCID: https:// orcid.org/0000-0002-5595-8182.
