CC BY
57
УДК 541.515-546.21-121-612.59
М.К. Осяева, А.К. Тихазе, В.З. Ланкин
ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС ПРИ ГИПЕРТЕРМИИ
ФГБУ «Российский кардиологический научно-производственный комплекс» Минздрава России, Москва,
Россия
Изучено влияние неблагоприятных факторов внешней среды на основные параметры окислительного стресса у практически здоровых испытуемых. Практически здоровые добровольцы были подвергнуты действию искусственно созданной гипертермии. Через поделенные интервалы времени у участников исследования определялиуровень МДА в плазме крови, активность ключевых антиоксидантных ферментов в эритроцитах. После 30 дней пребывания в условиях гипертермии у испытуемых было выявлено статистически значимое увеличение содержания МДА (на 62 %), а также снижение активности каталазы (на 11 %) и глутатионпероксидазы (на 19 %).
Ключевые слова: активные формы кислорода, свободнорадикальное окисление, малонилдиальдегид, ка-талаза, глутатионпероксидаза, супероксидисмутаза
OXIDATIVE STRESS IN HYPERTHERMIA
M.K. Osyaeva, A.K. Tikhaze, V.Z. Lankin
Russian Cardiology Research and Production Complex, Moscow, Russia
Oxidative stress is a risk factor for disease development and cardiovascular system, diabetes, neurodegenerative diseases, etc. The resulting product is thus free radical lipid peroxidation - malondialdehyde (MDA) is atherogenic modification of low density lipoproteins (LDL), so that they acquire the ability to be rapidly accumulated in the cells of the vessel walls, causing pre-aterosklerotic lipoid damages. The aim of this study was to investigate the effect of high temperature (one of the environmental factors) for key operating parameters: the content of secondary products of free radical oxidation polyene lipids - mDa in blood plasma and erythrocyte antioxidant activity of key enzymes. Hyperthermia was triggered in practically healthy volunteers (6 males, 22-46years). The analysis was made using a recording spectrophotometer Hitachi-557 (Japan). The statistical analysis was performed using the non-parametric Wilcoxon-test (AtteStat program). MDA levels in the blood plasma, the activity of key antioxidant enzymes in erythrocytes were determined through divided intervals in study participants. A significant increase in MDA content (62 %) and reduction of catalase activity (11 %) and glutathione peroxidase (19 %) were revealed after 30 days in the conditions of hyperthermia test.
Key words: reactive oxygen species, free radical oxidation, malondialdehyde, catalase, glutathione peroxidase
Нарушение регуляции свободнорадикальных реакций сопровождается неконтролируемым неферментативным окислением полиеновых липидов и автоокислением углеводов, а также окислительным повреждением белков и нуклеиновых кислот, что приводит к возникновению так называемого окислительного стресса (ОС) [4, 8], характеризующегося накоплением первичных (органические гидропе-роксиды) и вторичных (карбонильные соединения) высокотоксичных продуктов свободнорадикального окисления в крови и тканях вследствие усиленного генерирования активных форм кислорода (АФК), таких как супероксидный анион-радикал, перок-сид водорода и др. и/или подавления активности утилизирующих АФК антиоксидантных ферментов [4, 8, 12]. Кроме того, ОС является фактором риска возникновения и развития заболеваний сердечно-сосудистой системы, сахарного диабета, нейродегене-ративных болезней и др. [4, 3, 7, 13]. Образующийся при ОС продукт свободнорадикального окисления липидов - малоновый диальдегид (МДА) - вызывает атерогенную модификацию липопротеидов низкой плотности (ЛПНП), вследствие чего они приобретают способность ускоренно накапливаться в клетках стенки сосудов, вызывая предатеросклеротические липоидозные повреждения [5, 6, 9, 14]. Целью настоя-
щей работы было исследование влияния повышенной температуры (один из неблагоприятных факторов внешней среды) на ключевые параметры ОС: содержание вторичного продукта свободнорадикального окисления полиеновых липидов (МДА) в плазме крови и активность ключевых эритроцитарных антиоксидантных ферментов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В исследование, которое проводили на базе медико-технического комплекса (МТК) Института медико-биологических проблем РАН, включили 6 практически здоровых добровольцев мужского пола в возрасте 22-46 лет. Все участники эксперимента прошли предварительное медицинское обследование и подписали информированное согласие на включение в исследование. В течение 30 дней добровольцы проживали в ограниченной изоляции в искусственно созданных климатических условиях, имевших место в июле-августе 2010 г. в г. Москва. Температура в дневное время колебалась в пределах 30-38 °С при влажности 30-60 %; температура в ночное время составляла 23-31 °С при влажности 50-75 %. Все перемещения между помещениями были строго регламентированы для предотвращения нарушений установленных пара-
метров обитания; нормативный уровень микробной обсемененности газовой среды поддерживался за счет работы установки для обеззараживания воздуха. Взятие венозной крови проводили утром натощак в вакутейнеры фирмы Monovette, содержащие ЭДТА в качестве антиоксиданта и антикоагулянта. Содержание вторичных продуктов свободнорадикального окисления (преимущественно МДА) в плазме крови определяли по реакции с 2-тиобарбитуровой кислотой в кислой среде, анализируя количество образовавшегося триметинового комплекса при 532 нм [2]. Активность каталазы определяли по скорости утилизации пероксида водорода при 240 нм [1]. За единицу активности каталазы принимали количество фермента, необходимое для восстановления 1 мкмоля Н2О2/мин. Активность селен- содержащей глутатионпероксидазы (GSH-Рх) определяли в сопряженной глутатионредуктазной системе по скорости окисления NADPH при 340 нм [1]. При расчете начальной скорости вводили поправку на неферментативное окисление глутатиона за время реакции. За единицу активности GSH-Рх принимали количество фермента, необходимое для окисления 1 мкмоля GSH/мин. Активность антиоксидантных ферментов выражали в ед/гНЬ; результаты, представленные на рисунке 1, выражены в процентах от исходного уровня. Определения производили, используя регистрирующий спектрофотометр Н^сЫ-557 (Япония). Статистическую обработку результатов проводили, используя непараметрический критерий Вилкоксона (программа AtteStat).
%
190 170 150 130 110 90 70 50
Рис.
12 3
.....\
А ............... •j .......■ .
к—
1 J
10
сутки
20
30
1. Изменение содержания малонового диальдегида в плазме крови (3), а также активности глутатионпероксидазы (1), каталазы (2) в эритроцитах испытуемых при экспериментальной гипертермии.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Гипертермия может провоцировать повышенное генерирование АФК [10, 11]. При свободнорадикаль-ном окислении липидов в плазме крови накапливается МДА, который можно рассматривать в качестве маркера ОС [4, 8, 12]. Стационарная концентрация МДА в плазме крови определяется двумя факторами: во-первых, интенсификацией образования АФК и свободнорадикальных интермедиатов, иницииру-
ющих окисление липидного субстрата [4, 8, 12] и, во-вторых, снижением эффективности природных антиоксидантных систем, включая антиоксидантные ферменты, утилизирующие АФК и другие проокси-данты [4, 8, 12]. Результаты наших предшествующих исследований указывали на то, что увеличение уровня продукта свободнорадикального окисления МДА при одновременном подавлении активности антиоксидантных ферментов является надежным критерием наличия ОС [1, 2]. Природные дикарбо-нилы, в частности МДА, могут ингибировать анти-оксидантные ферменты, что должно приводить к увеличению стационарной концентрации токсичных альдегидов в плазме крови и усугублять проявления ОС вследствие снижения эффективности утилизации АФК [1]. Исходя из этого, в условиях гипертермии можно было ожидать проявления ОС, в частности увеличение содержания продуктов свободнорадикального окисления и одновременное снижение активности антиоксидантных ферментов в крови. За время исследования у испытуемых существенно вырос (на 62 %; р < 0,001) уровень одного из основных продуктов свободнорадикального окисления по-лиеновых липидов - МДА - в плазме крови (рис. 1) и одновременно в эритроцитах статистически значимо снизилась активность антиоксидантных ферментов каталазы (на 11 %; p < 0,01) и GSH-Px (на 19 %; p < 0,045), ответственных за утилизацию пероксида водорода и липогидропероксидов (рис. 1).
Следовательно, полученные данные однозначно доказывают, что при моделировании экстремальных условий природной среды у участников эксперимента развился ОС. Это подтверждается как существенным увеличением уровня продукта свободнорадикального окисления - МДА, - так и статистически значимым снижением активности ключевых антиоксидантных ферментных систем (каталазы и GSH-Рх), что, согласно данным ранее выполненных нами исследований [1, 2], является характерным проявлением ОС. В последние годы обсуждается возможность развития осложнений заболеваний сердечно-сосудистой системы, связанных с глобальным изменением климатических условий. Поскольку можно считать установленным, что ОС играет важную роль в этиологии и патогенезе атеросклероза и его осложнений [4, 7, 13], исходя из результатов настоящего исследования, негативное влияние аномальных повышений температуры окружающей среды в прогрессировании атеросклероза нельзя недооценивать.
ЛИТЕРАТУРА
REFERENCES
1. Ланкин В.З., Коновалова Г.Г., Тихазе А.К. Влияние атерогенных альдегидных соединений на активность антиоксидантных ферментов // Кардиологический вестник. - 2011. - Т. 6, № 2. - С. 26-30.
Lankin VZ, Konovalova GG, Tikhaze AK (2011). Influence of atherogenic aldehydes on antioxidant enzyme activity. [Vliyanie aterogennykh al'degidnykh soedineniy na aktivnost' antioksidantnykh fermentov]. Kardiologich-eskiy vestnik, 6 (2), 26-30.
0
2. Ланкин В.З., Коновалова Г.Г., Тихазе А.К., Недо-сугова Л.В. Глюкоза инициирует атерогенную окислительную модификацию липопротеидов низкой плотности in vitro и у больных сахарным диабетом типа 2 // Кардиологический вестник. - 2011. - Т. 6, № 1. - С. 16-22.
Lankin VZ, Konovalova GG, Tikhaze AK, Nedosugo-va LV (2011). Glucose triggers atherogenic oxidative modification of low-density lipoproteins in vitro and in diabetic patients [Glyukoza initsiiruet aterogennuyu okislitel'nuyu modifikatsiyu lipoproteidov nizkoy plotnosti in vitro i u bol'nykh sakharnym diabetom tipa 2]. Kardiologicheskiy vestnik, 6 (1), 16-22.
3. Ланкин В.З., Тихазе АК, Беленков ЮН. Анти-оксиданты в комплексной терапии атеросклероза: pro et contra // Кардиология. - 2004. - Т. 44, № 2. -С. 72-81.
Lankin VZ, Tikhaze AK, Belenkov YN (2004). Antioxidants in complex therapy of atherosclerosis: pro at contra [Antioksidanty v kompleksnoy terapii ateroskleroza: pro et contra]. Kardiologiya, 44 (2), 72-81.
4. Ланкин В.З., Тихазе А.К., Беленков Ю.Н. Свобод-норадикальные процессы при заболеваниях сердечно-сосудистой системы // Кардиология. - 2001. - Т. 40, № 7. - С. 48-61.
Lankin VZ, Tikhaze AK, Belenkov YN (2001). Free-radical process in cardiovascular deseases [Svo-bodnoradikal'nye protsessy pri zabolevaniyakh serdech-no-sosudistoy sistemy]. Kardiologiya, 40 (7), 48-61.
5. Ланкин В.З., Тихазе А.К., Капелько В.И., Ше-пелькова Г.С., Шумаев К.Б., Панасенко О.М., Коновалова Г.Г., Беленков Ю.Н. Механизм окислительной модификации липопротеидов низкой плотности при окислительном и карбонильном стрессе // Биохимия. - 2007. - Т. 72, № 10. - С. 1330-1341.
Lankin VZ, Tikhaze AK, Kapelko VI, Shepelkova GS, Shumaev KB, Panasenko OM, Konovalova GG, Belenkov YN (2007). Mechanism of oxidative modification of low-density lipoproteins in oxidative and carbonil stress [Mekhanizm okislitel'noy modifikatsii lipoproteidov nizkoy plotnosti pri okislitel'nom i karbonil'nom stresse]. Biokhimiya, 72 (10), 1330-1341.
6. Ланкин В.З., Тихазе А.К, Кумскова Е.М. Захват культивируемыми моноцитами-макрофагами человека липопротеидов низкой плотности, обогащенных первичными и вторичными продуктами свободнорадикального окисления липидов // Кардиологический вестник. - 2012. - Т. 7, № 1. - С. 18-22.
Lankin VZ, Tikhaze AK, Kumskova EM (2012). Uptake of lipohydroperoxide-rich and malonyldialdehyde-modi-fied low-density lipoproteins by human macrophages [Zak-hvat kul'tiviruemymi monotsitami-makrofagami cheloveka lipoproteidov nizkoy plotnosti, obogashchennykh per-vichnymi i vtorichnymi produktami svobodnoradikal'nogo okisleniya lipidov]. Kardiologicheskiy vestnik, 7 (1), 18-22.
7. Меньщикова Е.Б., Зенков Н.К., Ланкин В.З., Бондарь И.А., Труфакин В.А. Окислительный стресс. Патологические состояния и заболевания. - Новосибирск: АРТА, 2008. - 284 с.
Menshchikova EB, Zenkov NK, Lankin VZ, Bondar IA, Trufakin VA (2008). Oxidative stress. Pathologic condi-
tions and diseases [Okislitel'nyy stress. Patologicheskie sostoyaniya i zabolevaniya], 284.
8. Меньщикова Е.Б., Ланкин В.З., Зенков Н.К., Бондарь И.А., Круговых Н.Ф., Труфакин В.А. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты. - М.: Слово, 2006. - 556 с.
Menshchikova EB, Lankin VZ, Zenkov NK, Bondar IA, Krugovykh NF, Trufakin VA (2006). Oxidative stress. Pro-oxidants and antioxidants [Okislitel'nyy stress. Prooksi-danty i antioksidanty], 556.
9. Тихазе А.К., Вийгимаа М., Коновалова Г.Г., Кумскова Е.М., Абина Е., Земцовская Г., Янушевская Е.В., Власик Т.Н., Ланкин В.З. Взаимосвязь между наличием малонилдиальдегид-зависимой модификации и содержанием холестерина в липопротеидах низкой плотности // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 2010. - № 2. - С. 143-145.
Tikhaze AK, Viygimaa MA, Konovalova GG, Kumskova EM, Abina E, Zemtsovskaya G, Yanushevskaya EV, Vlasik TN, Lankin VZ (2010). Relation between malondi-aldehyde-depended modification and content of cholesterol in low-density lipoproteins [Vzaimosvyaz' mezhdu nalichiem malonildial'degid-zavisimoy modifikatsii i soderzhaniem kholesterina v lipoproteidakh nizkoy plot-nosti]. Byulleten' eksperimental'noy biologii i meditsiny, (2), 143-145.
10. Черников А.В., Гудков С.В., Штаркман И.Н., Брусков В.И. Кислородный эффект при тепловых повреждениях ДНК // Биофизика. - 2007. - Т. 52, Вып. 2. - С. 244-251.
Chernikov AV, Gudkov SV, Shtarkman IN, Bruskov VI
(2007). Oxygen effect in DNA heat injury [Kislorodnyy effekt pri teplovykh povrezhdeniyakh DNK]. Biofizika,
52 (2), 244-251.
11. Штаркман И.Н., Гудков С.В., Черников А.В., Брусков В.И. Образование перекиси водорода и гидроксильных радикалов в водных растворах L-аминокислот при воздействии рентгеновского излучения и тепла // Биофизика. - 2008. - Т. 53, Вып. 1. -С. 1-14.
Shtarkman IN, Gudkov SV, Chernikov AV, Bruskov VI
(2008). Hydric dioxide and hydroxyl radical formation in water solutions of L-aminoacids in case of X-ray and heat impact [Obrazovanie perekisi vodoroda i gidroksil'nykh radikalov v vodnykh rastvorakh L-aminokislot pri voz-deystvii rentgenovskogo izlucheniya i tepla]. Biofizika,
53 (1), 1-14.
12. Lankin VZ (2003). The enzymatic systems in the regulation of free radical lipid peroxidation. In: A. Tomasi, T. Özben, V. Skulachev (eds.). Free radicals, nitric oxide, and inflammation: molecular, biochemical, and clinical aspects. NATO Science Series, (344), 8-23.
13. Lankin VZ, Tikhaze AK (2003). Atherosclerosis as a free radical pathology and antioxidative therapy of this disease. In: A. Tomasi, T. Özben, V. Skulachev (eds.). Free radicals, nitric oxide, and inflammation: molecular, biochemical, and clinical aspects. NATO Science Series, (344), 218-231.
14. Lankin VZ, Tikhaze AK, Konovalova GG. (2011). Aldehyde-dependent modification of low density lipoproteins. Handbook of Lipoprotein Research, 85-107.
Сведения об авторах Information about the authors
Осяева Мария Константиновна - лаборант-исследователь отдела хронической ишемической болезни сердца ФГБУ «Российский кардиологический научно-производственный комплекс» Минздрава России (121552, г. Москва, ул. 3-я Черепковская, 15а; e-mail: [email protected])
Osyaeva Maria Konstantinovna - Clinical Research Assistant of the Department of Chronic Ischemic Heart Disease of Russian Cardiology Research and Production Complex (121552, Moscow, 3rd Cherepkovskaya str., 15a; e-mail: [email protected])
Ланкин Вадим Зиновьевич - доктор биологических наук, профессор, руководитель лаборатории биохимии свободнорадикальных процессов Института клинической кардиологии ФГБУ «Российский кардиологический научно-производственный комплекс» Минздрава России (e-mail: [email protected])
Lankin Vadim Zinovyevich - Doctor of Biological Sciences, Professor, Head of the Laboratory of Biochemistry of Free-Radical Processes of Institute of Clinical Cardiology of Russian Cardiology Research and Production Complex (e-mail: [email protected])
Тихазе Алла Карловна - доктор медицинских наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории биохимии свободнорадикальных процессов Института клинической кардиологии ФГБУ «Российский кардиологический научно-производственный комплекс» Минздрава России
Tikhaze Alla Karlovna - Doctor of Medical Sciences, Professor, Leading Research Officer of the Laboratory of Biochemistry of Free-Radical Processes of Institute of Clinical Cardiology of Russian Cardiology Research and Production Complex
