CC BY
28
ПОСЛЕДСТВИЯ КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНОВ Pb2+, Cd2+ И Cu2+ НА ОРГАНИЗМ СВОБОДНОЖИВУЩЕЙ ПОЧВЕННОЙ НЕМАТОДЫ CAENORHABDITIS ELEGANS
УДК 574.24+615.916
А.В. Егорова, А.Ф. Гатиятуллина, Т.Б. Калинникова
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, [email protected]
ПОСЛЕДСТВИЯ КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНОВ Pb2+, Cd2+ И Cu2+ НА ОРГАНИЗМ СВОБОДНОЖИВУЩЕЙ ПОЧВЕННОЙ НЕМАТОДЫ CAENORHABDITIS ELEGANS
Проведено сравнительное исследование токсического действия ионов свинца, кадмия и меди на организм почвенной нематоды Caenorhabditis elegans линии дикого типа N2. Двухчасовая экспозиция нематод к растворам Pb(NO3)2, Cu(NO3)2 или Cd(NO3)2 в концентрации 10 и 20 мМ повышала чувствительность моторной программы плавания, индуцированного механическим стимулом, к агонисту никотиновых рецепторов ацетилхолина левамизолу в концентрации 2, 4 и 8 мкМ. Повышение чувствительности локомоции C. elegans к левамизолу проявлялось в снижении доли нематод, сохранивших способность поддерживать плавание в течение 10 с после стимула. В условиях экспериментов наиболее сильное токсическое действие на нематод оказывал нитрат меди, наименее токсичным был нитрат свинца. 30-минутная экспозиция C. elegans к Pb(NO3)2, Cu(NO3)2 или Cd(NO3)2 в концентрации 10 и 20 мМ с последующим восстановлением нематод в течение 24 часов на среде выращивания с бактериями также повышала чувствительность моторной программы плавания к левамизолу. Выявленное повышение чувствительности локомоции C. elegans к левамизолу после кратковременной экспозиции к ионам Pb2+, Cd2+ и Cu2+ не может быть следствием накопления этих токсикантов во внутренней среде из-за наличия у нематод кутикулы, ограничивающей проникновение токсикантов во внутреннюю среду организма. Кратковременная экспозиция нематод к высоким дозам Pb(NO3)2 могла вызвать гибель части дофаминер-гических нейронов, что привело к снижению уровня эндогенного дофамина. Снижение уровня эндогенного дофамина, в свою очередь, могло привести к повышению содержания эндогенного ацетилхолина и, как следствие, повышению чувствительности никотиновых холинорецепторов к их агонисту левамизолу. Возможным объяснением выявленного в работе повышения чувствительности локомоции C. elegans к левамизолу после кратковременного действия Cd(NO3)2 и Cu(NO3)2 может быть изменение функций холинергических и ГАМКергических нейронов в системе нейронов, участвующей в реализации моторной программы плавания нематод.
Ключевые слова: Caenorhabditis elegans; тяжелые металлы; нейротоксичность.
DOI: https://doi.org/10.24852/2411-7374.2022.4.84.90
Введение
Тяжелые металлы являются поллютантами с токсическим действием на организмы человека и животных. Самой чувствительной мишенью действия тяжелых металлов на организмы Metazoa является их нервная система (Chen et al., 2013; Mendez-Armenta, Rios, 2007; Sanders et al., 2009; Wang, Du, 2013; Zhang et al., 2010). В зависимости от продолжительности действия на организм и дозы, тяжелые металлы вызывают широкий спектр нарушений интегративных функций нервной системы, включающих в себя нарушения памяти, поведения и индукцию процессов дегенерации нейронов (Chen et al., 2013; Sanders et al., 2009; Wang, Du, 2013). В качестве основных механизмов действия тяжелых металлов на нервную систему рассматриваются их прямое негативное влияние на ионные каналы в мембранах нейронов (Vijverberg et al., 1994; Zhang et al., 2010) и
индукция процессов образования широкого спектра реактивных форм кислорода (окислительный стресс) (Chen et al., 2013; Valko et al., 2005).
Удобным модельным организмом для исследований в нейротоксикологии и экотоксикологии является свободноживущая почвенная нематода Caenorhabditis elegans. Преимуществами C. elegans перед другими модельными организмами является простота и дешевизна выращивания в лаборатории, безопасность для исследователя, быстрая смена поколений и высокая плодовитость (Avila et al., 2012; Brenner, 1974; Choi, 2008). Организм C. elegans состоит из 959 соматических клеток, включая 302 нейрона (Brenner, 1974). В нервной системе C. elegans имеется 890 электрических синапсов, 1410 нервно-мышечных синапсов и 6393 химических синапса, использующих нейротрансмиттеры, присутствующие в организмах позвоночных (ацетилхолин, дофамин,
84
российский журннл прииной экологии
серотонин, глутамат, у-аминомасляная кислота) (Avila et al., 2012). При этом у нематоды отсутствуют циркуляторная система и орган внешнего дыхания (Brenner, 1974), что значительно облегчает интерпретацию результатов токсикологических экспериментов.
В настоящее время накоплено большое количество клинических и экспериментальных данных о влиянии острого и хронического отравления тяжелыми металлами на нервную систему. При этом остается открытым вопрос о возможных отдаленных нарушениях в организме после однократного кратковременного действия ионов тяжелых металлов.
Целью данной работы явилось изучение последствий кратковременного действия ионов Pb2+, Cd2+ и Cu2+ на нервную систему C. elegans.
Объекты и методы исследования
Эксперименты проводили с молодыми половозрелыми нематодами линии дикого типа N2, предоставленной Caenorhabditis Genetics Center. C. elegans выращивали по стандартной методике при 22°C (Brenner, 1974). Эксперименты проводили в NG буфере (pH 7.0). Перед каждым экспериментом нематод отмывали от среды выращивания, бактерий и метаболитов: два раза 10 мл NG буфера и один раз 85 мМ NaCl. После этого по 200 особей C. elegans переносили в стеклянные центрифужные пробирки, в которые добавляли 1 мл раствора Pb(NO3)2, Cu(NO3)2 или Cd(NO3)2 в концентрации 10 и 20 мМ. В контрольные пробирки добавляли 1 мл дистиллированной воды. В первом варианте эксперимента нематод инкубировали в растворе нитрата свинца, нитрата кадмия или нитрата меди в течение двух часов при 22°C, отмывали их 10 мл 85 мМ NaCl и рассаживали поодиночке в пробирки с 1 мл NG буфера с добавлением агониста никотиновых рецепторов ацетилхолина левамизола в концентрации 2, 4 и 8 мкМ. Во втором варианте эксперимента C. elegans после 30-минутной инкубации с токсикантами отмывали 10 мл 85 мМ NaCl, переносили в чашки Петри со средой выращивания нематод и E. coli 0P50 и инкубировали при 22°C. Через 24 часа нематод отмывали как описано выше и рассаживали по одной особи в пробирки с 1 мл NG буфера, куда добавляли левамизол. В качестве критерия токсического действия ионов Pb2+, Cd2+ и Cu2+ на нервную систему C. elegans использовали потерю нематодами способности поддерживать плавание в течение 10 секунд после механического стимула. Плавание нематод фиксировали с использованием стереоскопического микроскопа SMZ-05. Эксперименты проводили в пяти повторностях с
использованием 40 нематод в каждом варианте. Статистическую обработку результатов проводили с использованием углового преобразования Фишера ф*.
Результаты и их обсуждение
Известно, что нервная система является самой чувствительной мишенью действия токсикантов на организмы беспозвоночных. Нервная система С. elegans состоит из 302 нейронов, две трети которых являются холинергическими. В реализации моторной программы плавания С. elegans принимают участие как холинергические нейроны, так и нейроны, секретирующие у-аминомас-ляную кислоту (ГАМКергические) (Sambongi et а1., 1999). Ранее нами было показано, что ионы РЬ2+, Cd2+ и Си2+ в концентрации до 120 мкМ не оказывают негативного влияния на поведение нематод, но усиливают токсическое действие агониста никотиновых рецепторов ацетилхолина левамизола и ингибитора ацетилхолинэстеразы алдикарба (Егорова и др., 2019а, 2019б; Егорова и др., 2021). Для выяснения вопроса о том, как долго сохраняются изменения в нервной системе, вызванные кратковременным действием высоких концентраций РЬ(Ш3)2, Си(Ш3)2 и Cd(NO3)2 были проведены эксперименты, в которых исследовалась чувствительность плавания С. elegans к левамизолу после кратковременной экспозиции нематод к этим токсикантам.
Двухчасовая инкубация С. elegans в среде без тяжелых металлов не оказывала влияния на чувствительность плавания нематод к левамизолу в концентрации 2-8 мкМ в течение 120 мин. В этот период все нематоды сохраняли способность к плаванию, индуцированному механическим стимулом. Предварительная двухчасовая инкубация С. elegans с 10 мМ нитрата свинца повышала чувствительность моторной программы плавания к левамизолу. Уже через 30 мин доля нематод, сохранивших способность к плаванию, снижалась до 92, 83 и 67% при концентрации левамизола 2, 4 и 8 мкМ соответственно. Увеличение времени экспозиции к левамизолу до 120 мин приводило к еще большему снижению доли нематод, сохранивших способность к плаванию (табл. 1). Двухчасовая инкубация нематод в среде с 20 мМ нитрата свинца оказывала более сильное действие на чувствительность плавания нематод к левами-золу. При концентрации левамизола 2, 4 и 8 мкМ доля нематод, сохранивших способность к плаванию, составила 87, 75 и 58% через 30 мин и 31, 27 и 12% после 120-минутной инкубации.
Предварительная двухчасовая инкубация с 10 мМ Cd(NO3)2 существенно повышала чувстви-
4/2122
85
ПОСЛЕДСТВИЯ КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНОВ Pb2+, Cd2+ И Cu2+ НА ОРГАНИЗМ СВОБОДНОЖИВУЩЕЙ ПОЧВЕННОЙ НЕМАТОДЫ CAENORHABDITIS ELEGANS
Таблица 1. Чувствительность C. elegans к левамизолу после двухчасовой экспозиции в растворе Pb(NOJ2, Cd(NOJ2 и Cu(NOJ2 Table 1. The C. elegans sensitivity to levamisole after 2-hours exposition in Pb(NO)2, Cd(NO)2 or Cu(NO)2
Условия эксперимента Experimental conditions Доля нематод, сохранивших способность к плаванию, %% The percentage of nematodes retained the ability to swimming, %%
30 мин 30 min 30 мин 30 min 30 мин 30 min 30 мин 30 min
10 мМ Pb(NO3)2
Левамизол 2 мкМ / Levamisole 2цМ 92±4 85±5 75±6 75±6
Левамизол 4 мкМ / Levamisole 4цМ 83±5 73±6 59±7 52±7
Левамизол 8 мкМ / Levamisole 8цМ 67±6 46±7 25±6 25±6
20 мМ Pb(NO3)2
Левамизол 2 мкМ / Levamisole 2цМ 87±5 60±7 37±7 31±6
Левамизол 4 мкМ / Levamisole 4цМ 75±6 35±6 31±6 27±6
Левамизол 8 мкМ / Levamisole 8цМ 58±7 25±6 17±5 12±4
10 мМ Cd(NO3)2
Левамизол 2 мкМ / Levamisole 2цМ 75±6 75±6 75±6 75±6
Левамизол 4 мкМ / Levamisole 4цМ 65±7 65±7 65±7 65±7
Левамизол 8 мкМ / Levamisole 8цМ 47±7 47±7 47±7 47±7
20 мМ Cd(NO3)2
Левамизол 2 мкМ / Levamisole 2цМ 52±7 52±7 52±7 52±7
Левамизол 4 мкМ / Levamisole 4цМ 40±7 40±7 40±7 40±7
Левамизол 8 мкМ / Levamisole 8цМ 40±8 40±8 40±8 40±8
10 мМ Cu(NO3)2
Левамизол 2 мкМ / Levamisole 2цМ 45±7 45±7 45±7 45±7
Левамизол 4 мкМ / Levamisole 4цМ 30±7 30±7 30±7 30±7
Левамизол 8 мкМ / Levamisole 8цМ 20±6 20±6 20±6 20±6
20 мМ Cu(NO3)2
Левамизол 2 мкМ / Levamisole 2цМ 20±6 20±6 20±6 20±6
Левамизол 4 мкМ / Levamisole 4цМ 15±5 15±5 15±5 15±5
Левамизол 8 мкМ / Levamisole 8цМ 2±2 2±2 2±2 2±2
тельность С. elegans к левамизолу. Уже через 30 мин инкубации в среде с 2, 4 и 8 мкМ левамизола доля нематод, сохранивших способность к плаванию, снижалась до 75, 65 и 47%, соответственно. Через 120 мин доля нематод, способных к плаванию, снижалась до 15-27% (табл. 1). Преинкуба-ция в среде с 20 мМ Cd(NO3)2 еще сильнее повышала чувствительность С. elegans к левамизолу. Доля нематод, сохранивших способность к плаванию, снижалась в среде с левамизолом по сравнению с контролем в два раза через 30 мин и в 8-10 раз через 120 мин (табл. 1).
Наиболее сильное влияние на чувствительность моторной программы плавания нематод к левамизолу оказали ионы меди. Двухчасовая пре-инкубация в среде с 10 мМ Си^03)2 привела к снижению доли нематод, сохранивших способность к локомоции после 30-минутной экспозиции к левамизолу до 20-45%. Предварительная экспозиция С. elegans к 20 мМ Си^03)2 вызвала полную потерю способности к плаванию уже по-
сле 90-минутной инкубации нематод в среде с левамизолом (табл. 1).
Во второй серии экспериментов нематод инкубировали в среде с 10 или 20 мМ Pb(NO3)2, Cu(NO3)2 или Cd(NO3)2 в течение 30 мин. Чувствительность локомоции к левамизолу оценивали в NG буфере (pH 7.0) после 24-часового восстановления на среде выращивания с E. coli. У C. elegans, не подвергавшихся предварительному действию тяжелых металлов, левамизол в концентрации 2, 4 и 8 мкМ не вызывал потери способности к плаванию.
В условиях этого эксперимента левами-зол вызывал потерю способности к локомо-ции у части нематод, предварительно инкубированных в среде с Pb(NO3)2, Cu(NO3)2 или Cd(NO3)2. Чувствительность моторной программы плавания нематод к негативному действию левамизола была наименьшей после инкубации с нитратом кадмия, и наибольшей - после инкубации с нитратом меди (табл. 2).
Нервная система является одной из самых чувствительных мишеней действия токсикантов на организмы человека и животных (Chen et al., 2013; Sanders et al., 2009; Wang, Du, 2013). Механизмами токсического действия ионов Pb2+, Cd2+ и Cu2+ на нервную систему могут быть индукция окислительного стресса, прямое влияние на ионные каналы в мембранах нейронов, снижение уровня ацетилхолинэстеразы в холинергических синапсах, снижение уровня эндогенного дофамина за счет дегенерации дофаминергических нейронов (Chen et al., 2013; de Lima et al., 2013; NourEddine et al., 2004; Phyu, Tangpong, 2014; Sanders et al., 2009; Valko et al., 2005; Vijverberg et al., 1994; Zhang et al., 2010). Особенностью организмов нематод является отсутствие гема-
86
российский ЖУРНАЛ прикладной экологии
Таблица 2. Чувствительность C. elegans к левамизолу после 30-минутной экспозиции нематод к Pb(NO3)2, Cd(NO3)2 и Cu(NO3)2
с последующим восстановлением в течение 24 часов Table 2. The C. elegans sensitivity to levamisole after 30-min exposition to Pb(NO)2, Cd(NO3)2 и Cu(NO3)2 followed by 24-hours rehabilitation
Доля нематод, сохранивших способность к плаванию,
Условия эксперимента Experimental conditions The percentage of nematodes retained the ability to swimming, %%
30 мин 30 min 30 мин 30 min 30 мин 30 min 30 мин 30 min
10 мМ Pb(NO3)2
Левамизол 2 мкМ / Levamisole 2цМ 94±3 89±4 75±6 72±6
Левамизол 4 мкМ / Levamisole 4цМ 77±6 73±6 69±7 59±7
Левамизол 8 мкМ / Levamisole 8цМ 69±7 59±7 50±7 44±7
20 мМ Pb(NO3)2
Левамизол 2 мкМ / Levamisole 2цМ 87±4 81±5 76±6 69±7
Левамизол 4 мкМ / Levamisole 4цМ 75±6 72±6 64±7 59±7
Левамизол 8 мкМ / Levamisole 8цМ 59±7 50±7 31±6 16±5
10 мМ Cd(NO3)2
Левамизол 2 мкМ / Levamisole 2цМ 100 97±2 91±3 81±5
Левамизол 4 мкМ / Levamisole 4цМ 100 95±2 87±4 77±6
Левамизол 8 мкМ / Levamisole 8цМ 100 77±6 62±6 40±7
20 мМ Cd(NO3)2
Левамизол 2 мкМ / Levamisole 2цМ 83±5 72±6 68±6 58±7
Левамизол 4 ёмкМ / Levamisole 4цМ 77±6 64±6 60±7 43±7
Левамизол 8 мкМ / Levamisole 8цМ 43±7 28±6 21±5 9±4
10 мМ Cu(NO3)2
Левамизол 2 мкМ / Levamisole 2цМ 59±8 50±8 40±8 28±7
Левамизол 4 мкМ / Levamisole 4цМ 46±8 25±7 6±4
Левамизол 8 мкМ / Levamisole 8цМ 25±7 15±6
20 мМ Cu(NO3)2
Левамизол 2 мкМ / Levamisole 2цМ 59±8 28±7 9±5 3±3
Левамизол 4 мкМ / Levamisole 4цМ 25±7 9±5
Левамизол 8 мкМ / Levamisole 8цМ 25±7 16±6
тоневрального барьера, защищающего нервную систему от прямого действия на нее различных токсикантов. Отсутствие гематоневрального барьера, в свою очередь, компенсируется наличием кутикулы, ограничивающей проникновение токсикантов во внутреннюю среду организма. Поэтому выявленное повышение чувствительности C. elegans к левамизолу после кратковременной экспозиции к ионам Pb2+, Cd2+ и Cu2+ не может быть следствием накопления этих токсикантов во внутренней среде организма нематод.
В экспериментах нематоды подвергались кратковременному воздействию Pb(NO3)2 в концентрациях, значительно превышающих концентрации, вызывающие различные нарушения поведения C. elegans (Tiwari et al., 2020; Wang, Xing, 2008). Использованные концентрации нитрата свинца близки к дозам, вызывающим нейродегенера-цию у C. elegans (Akinyemi et al., 2019; Chen et al., 2013). Вероятно, кратковременная экспозиция нематод к высоким дозам Pb(NO3)2 индуцировала гибель части дофаминергических нейронов, что
привело к снижению уровня эндогенного дофамина. Известно, что дофамин снижает скорость секреции ацетилхолина холинергиче-скими нейронами C. elegans (Chase et al., 2004). Снижение уровня эндогенного дофамина в наших экспериментах могло привести к повышению содержания эндогенного ацетилхолина и, как следствие, повышению чувствительности никотиновых холинорецепторов к их аго-нисту левамизолу. Гиперактивация н-холинорецепто-ров повышенным уровнем эндогенного ацетилхолина привела к потере способности нематод к плаванию, индуцированному механическим стимулом.
Ионы Cu2+ и Cd2+ вызывают у C. elegans адаптивную реакцию избегания сред с высоким содержанием этих тяжелых металлов в результате активации полимодальных хемосенсорных амфид-ных нейронов ADL, ASE и ASH (Zhang et al., 2010).
Нейроны ADL, ASE и ASH являются холинергическими, они напрямую или опосредованно контактируют с AVA, AVD и AVE интернейронами, контролирующими у C. elegans движение тела назад (Zhang et al., 2010). Сигналы, поступающие из ADL, ASE и ASH нейронов, потенциально могут оказывать влияние на хо-линергическую трансмиссию в синапсах между нейронами или между моторными нейронами и мышцами тела для увеличения скорости избегания сред с тяжелыми металлами (Hilliard et al., 2002). Поэтому возможным объяснением выявленного повышения чувствительности плавания C. elegans к левамизолу после кратковременного действия Cd(NO3)2 и Cu(NO3)2 может быть изменение функций холинергических и ГАМКергиче-ских нейронов в системе нейронов, участвующей в реализации моторной программы плавания нематод.
Заключение
Большинство тяжелых металлов оказывают негативное действие на нервную систему. В пер-
4/2022
87
ПОСЛЕДСТВИЯ КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНОВ Pb2+, Cd2+ И Cu2+ НА ОРГАНИЗМ СВОБОДНОЖИВУЩЕЙ ПОЧВЕННОЙ НЕМАТОДЫ CAENORHABDITIS ELEGANS
вую очередь они изменяют функции холинерги-ческой системы, поскольку ацетилхолин является наиболее распространенным нейромедиатором. Токсическое действие металлов проявляется и в нарушении дофаминергической, серотонинер-гической и ГАМК-ергической синаптической трансмиссии (Gupta et al., 2015). Для выяснения механизма нейротоксического действия тяжелых металлов на организм C. elegans необходимы дополнительные исследования. Тем не менее, результаты работы показывают, что C. elegans может быть использована как удобный модельный организм для изучения механизмов нейротоксич-ности тяжелых металлов.
Список литературы
1. Егорова А.В., Гайнутдинов Т.М., Калинникова Т.Б., Гайнутдинов М.Х. Нейротоксичность тяжелых металлов для почвенной нематоды Caenorhabditis elegans // Научное обозрение. 2019а. №3. С. 17-21.
2. Егорова А.В., Калинникова Т.Б., Колсанова Р.Р., Гайнутдинов М.Х., Шагидуллин Р.Р. Сенситизация никотиновых рецепторов ацетилхолина почвенной нематоды Caenorhabditis elegans Maupas ионами Cu2+ и Cd2+ // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. 2019б. №3. С. 19-24.
3. Егорова А.В., Калинникова Т.Б., Шагидуллин Р.Р. Токсическое действие меди, кадмия и свинца на свободножи-вущих почвенных нематод Caenorhabditis elegans и Caenorhabditis briggsae // Токсикологический вестник. 2021. №1. С. 43-46. https://doi.org/10.36946/0869-7922-2021-1-43-46.
4. Akinyemi A.J., Miah M.R., Ijomone O.M., Tsatsakis A., Soares F. A.A., Tinkov A.A., Skalny A.V., Venkataramani V., Aschner M. Lead (Pb) exposure induces dopaminergic neurotoxicity in Caenorhabditis elegans: involvement of the dopamine transporter // Toxicological reports. 2019. V. 6. P. 833-840. https://doi.org/10.1016/j.toxrep.2019.08.001.
5. Avila D., Helmcke K., Aschner M. The Caenorhabditis el-egans model as a reliable tool in neurotoxicology // Human and experimental toxicology. 2012. V. 31. P. 236-243. https://doi. org/10.1177/0960327110392084.
6. Brenner S. The genetics of Caenorhabditis elegans // Genetics. 1974. V. 77. P. 71-94. https://doi.org/10.1093/genet-ics/77.1.71.
7. Chase D.L., Pepper J.S., Koelle M.R. Mechanism of extra-synaptic dopamine signaling in Caenorhabditis elegans // Nature neuroscience. 2004. V. 7. P. 1096-1103. doi: 10.1038/nn1316.
8. Chen P., Martinez-Finley E.J., Bomhorst J., Chakraborty S., Aschner M. Metal-induced neurodegeneration in C. elegans // Frontiers in Aging Neuroscience. 2013. V. 5. P. 1-11. https://doi. org/10.3389/fnagi.2013.00018.
9. Choi J. Caenorhabditis elegans as a biological model for multilevel biomarker analysis in environmental toxicology and risk assessment // Toxicological research. 2008. V. 24. P. 235243. https://doi.org/10.5487/tr.2008.24A235.
10. Gupta V.K., Singh S., Agrawal A., Siddiqi N.J., Sharma B. Phytochemicals mediated remediation of neurotoxicity induced by heavy metals // Biochemistry research international. 2015. Article 534769. P. 1-9. https://doi.org/10.1155/2015/534769.
11. Hilliard M.A., Bargmann C.I., Bazzicalupo P. C. elegans responds to chemical repellents by integrating sensory inputs from the head and the tail // Current biology. 2002. V. 12. P. 730734. https://doi.org/10.1016/s0960-9822(02)00813-8.
12. de Lima D., Roque G.M., de Almeida E.A. In vitro and in vivo inhibition of acetylcholinesterase and carboxylesterase by metals in zebrafish (Danio rerio) // Marine Environmental Research. 2013. V. 91. P. 45-51. http://dx.doi.org/10.10167j.maren-vres.2012.11.005
13. Mendez-Armenta M., Rios C. Cadmium neurotoxicity // Environmental toxicology and pharmacology. 2007. V. 23. P. 350-358. https://doi.org/10.1016/b978-0-444-52272-6.00381-0.
14. NourEddine D., Miloud S., Abdelkader A. Effect of lead exposure on dopaminergic transmission in the rat brain // Toxicology. 2005. V. 207. P. 363-368. https://doi.org/10.1016/j. tox.2004.10.016
15. Phyu M.P., Tangpong J. Sensitivity of acetylcholines-terase to environmental pollutants // Journal of health research. 2014. V. 28. P. 277-283.
16. Sambongi Y., Nagae T., Liu Y., Yoshimizu T., Takeda K., Wada Y., Futai M. Sensing of cadmium and copper ions by externally exposed ADL, ASE, and ASH neurons elicits avoidance response in Caenorhabditis elegans // NeuroReport. 1999. V. 10. P. 753-757. https://doi.org/10.1097/00001756-199903170-00017.
17. Sanders T., Liu Y., Buchner V., Tchounwou P.B. Neuro-toxic effects and biomarkers of lead exposure: A review // Reviews on environmental health. 2009. V. 24. P. 15-45. https://doi. org/10.1515/reveh.2009.24.1.15.
18. Tiwari S.S., Tambo F., Agarwal R. Assessment of lead toxicity on locomotion and growth in a nematode Caenorhabditis elegans // Journal of applied and natural science. 2020. V. 12. P. 36-41. https://doi.org/10.31018/jans.v12i1.2227.
19. Valko M., Morris H., Cronin M.T.D. Metals, toxicity and oxidative stress // Current medicinal chemistry. 2005. V. 12. P. 1161-1208. https://doi.org/10.2174/0929867053764635.
20. Vijverberg H.P.M., Oortgiesen M., Leinders T., van Kleef R.G.D.M. Metal interactions with voltage- and receptor-activated ion channels // Environmental health perspectives. 1994. V. 102 (Suppl. 3). P. 153-158. https://doi.org/10.2307/3431780.
21. Wang B., Du Y. Cadmium and its neurotoxic effect // Ox-idative medicine and cellular longevity. 2013. V. 2013. P. 1-12. http://dx.doi.org/10.1155/2013/898034.
22. Wang D., Xing X. Assessment of locomotion behavioral defects induced by acute toxicity from heavy metal exposure in nematode Caenorhabditis elegans // Journal of environmental sciences. 2008. V. 20. P. 1132-1137. https://doi.org/10.1016/ s1001-0742(08)62160-9.
23. Zhang Y., Ye B., Wang D. Effects of metal exposure on associative learning behavior in nematode Caenorhabditis elegans // Archives of environmental contamination and toxicology. 2010. V. 59. P. 129-136. https://doi.org/10.1007/s00244-009-9456-y.
References
1. Egorova A.V., Gainutdinov T.M., Kalinnikova T.B., Gainutdinov M.Kh. Neirotoxichnost tyazhelykh metallov dlya pochvennoi nematody Caenorhabditis elegans [Neurotoxicity of heavy metals for soil nematode Caenorhabditis elegans] // Nauchnoe obozrenie [Science-Review]. 2019a. No 3. P. 17-21.
2. Egorova A.V., Kalinnikova T.B., Kolsanova R.R., Gainut-dinov M.Kh., Shagidullin R.R. Sensitizatsiya nikotinovykh retseptorov atsetilkholina pochvennoi nematody Caenorhabditis elegans Maupas ionami Cu2+ i Cd2+ [Sensitization of nicotinic acetylcholine receptors of soil nematode Caenorhabditis ele-gans Maupas by Cu2+ and Cd2+ ions] // Sovremennaya nauka: aktual'nye problemy teorii i praktiki. Seriya: Estestvennye i tekh-nicheskie nauki [Modern Science: actual problems of theory and practice. Series of Natural and Technical Sciences]. 2019b. No 3. P. 19-24.
3. Egorova A.V., Kalinnikova T.B., Shagidullin R.R. Tox-
88
Российский ЖУРНАЛ ПРИКЛАДНОЙ экологии
icheskoe deistvie medi, kadmiya i svintsa na svobodnozhivush-chikh pochvennykh nematod Caenorhabditis elegans i Caenor-habditis briggsae [Toxic action of copper, cadmium and lead on organisms of free-living soil nematodes Caenorhabditis elegans and Caenorhabditis briggsae] // Toxikologicheskii vest-nik [Toxicological Review]. 2021. No 1. P. 43-46. https://doi. org/10.36946/0869-7922-2021-1-43-46.
4. Akinyemi A.J., Miah M.R., Ijomone O.M., Tsatsakis A., Soares F.A.A., Tinkov A.A., Skalny A.V., Venkataramani V., Aschner M. Lead (Pb) exposure induces dopaminergic neurotoxicity in Caenorhabditis elegans: involvement of the dopamine transporter // Toxicological reports. 2019. Vol. 6. P. 833-840. https://doi.org/10.1016/j.toxrep.2019.08.001.
5. Avila D., Helmcke K., Aschner M. The Caenorhabditis el-egans model as a reliable tool in neurotoxicology // Human and experimental toxicology. 2012. Vil. 31. P. 236-243. https://doi. org/10.1177/0960327110392084.
6. Brenner S. The genetics of Caenorhabditis elegans // Genetics. 1974. Vol. 77. P. 71-94. https://doi.org/10.1093/genet-ics/77.1.71.
7. Chase D.L., Pepper J.S., Koelle M.R. Mechanism of extrasynaptic dopamine signaling in Caenorhabditis elegans // Nature neuroscience. 2004. Vol. 7. P. 1096-1103. doi: 10.1038/ nn1316.
8. Chen P., Martinez-Finley E.J., Bomhorst J., Chakraborty S., Aschner M. Metal-induced neurodegeneration in C. elegans // Frontiers in aging neuroscience. 2013. Vol. 5. P. 1-11. https://doi. org/10.3389/fnagi.2013.00018.
9. Choi J. Caenorhabditis elegans as a biological model for multilevel biomarker analysis in environmental toxicology and risk assessment // Toxicological research. 2008. Vol. 24. P. 235243. https://doi.org/10.5487/tr.2008.24A235.
10. Gupta V.K., Singh S., Agrawal A., Siddiqi N.J., Sharma B. Phytochemicals mediated remediation of neurotoxicity induced by heavy metals // Biochemistry Research International. 2015. Article 534769. P. 1-9. https://doi.org/10.1155/2015/534769
11. Hilliard M.A., Bargmann C.I., Bazzicalupo P. C. elegans responds to chemical repellents by integrating sensory inputs from the head and the tail // Current biology. 2002. Vol. 12. P. 730-734. https://doi.org/10.1016/s0960-9822(02)00813-8.
12. de Lima D., Roque G.M., de Almeida E.A. In vitro and in vivo inhibition of acetylcholinesterase and carboxylesterase by metals in zebrafish (Danio rerio) // Marine Environmental Research. 2013. V. 91. P. 45-51. http://dx.doi.org/10.1016/). marenvres.2012.11.005
13. Mendez-Armenta M., Rios C. Cadmium neurotoxicity // Environmental toxicology and pharmacology. 2007. V. 23. P. 350-358. https://doi.org/10.1016/b978-0-444-52272-6.00381-0.
14. NourEddine D., Miloud S., Abdelkader A. Effect of lead exposure on dopaminergic transmission in the rat brain // Toxicology. 2005. Vol. 207. P. 363-368. https://doi.org/10.1016/). tox.2004.10.016.
15. Phyu M.P., Tangpong J. Sensitivity of acetylcholinesterase to environmental pollutants // Journal of health research. 2014. Vol. 28. P. 277-283.
16. Sambongi Y., Nagae T., Liu Y., Yoshimizu T., Takeda K., Wada Y., Futai M. Sensing of cadmium and copper ions by externally exposed ADL, ASE, and ASH neurons elicits avoidance response in Caenorhabditis elegans // NeuroReport. 1999. Vol. 10. P. 753-757. https://doi.org/10.1097/00001756-199903170-00017.
17. Sanders T., Liu Y., Buchner V., Tchounwou P.B. Neurotoxic effects and biomarkers of lead exposure: A review // Reviews on environmental health. 2009. Vol. 24. P. 15-45. https://doi.org/10.1515/reveh.2009.24.L15.
18. Tiwari S.S., Tambo F., Agarwal R. Assessment of lead toxicity on locomotion and growth in a nematode Caenorhabditis
elegans // Journal of applied and natural science. 2020. Vol. 12. P. 36-41. https://doi.org/10.31018/jans.v12i1.2227.
19. Valko M., Morris H., Cronin M.T.D. Metals, toxicity and oxidative stress // Current medicinal chemistry. 2005. Vol. 12. P. 1161-1208. https://doi.org/10.2174/0929867053764635
20. Vijverberg H.P.M., Oortgiesen M., Leinders T., van Kleef R.G.D.M. Metal interactions with voltage- and receptor-activated ion channels // Environmental health perspectives. 1994. Vol. 102 (Suppl. 3). P. 153-158. https://doi.org/10.2307/3431780.
21. Wang Bo, Du Y. Cadmium and its neurotoxic effect // Oxidative medicine and cellular longevity. 2013. Vol. 2013. P. 1-12. http://dx.doi.org/10.1155/2013/898034.
22. Wang D., Xing X. Assessment of locomotion behavioral defects induced by acute toxicity from heavy metal exposure in nematode Caenorhabditis elegans // Journal of environmental sciences. 2008. Vol. 20. P. 1132-1137. https://doi.org/10.1016/ s1001-0742(08)62160-9.
23. Zhang Y., Ye B., Wang D. Effects of metal exposure on associative learning behavior in nematode Caenorhabditis elegans // Archives of environmental contamination and toxicology. 2010. Vol. 59. P. 129-136. https://doi.org/10.1007/ s00244-009-9456-yl.
Egorova A.V., Gatiyatullina A.F., Kalinnikova T.B. The consequences of short-term action of Pb2+, Cd2+ and Cu2+ ions on organism of free-living soil nematode Caenorhabditis elegans.
The comparative study of toxic effects of lead nitrate, cadmium nitrate and copper nitrate on organism of soil nematode Caenorhabditis elegans of wild-type N2 strain was performed. 2-hours incubation of nematodes in solutions of Pb(NO3)2, Cu(NO3)2 или Cd(NO3)2 in concentrations of 10 or 20 mM increased the sensitivity of motor program of swimming, as induced by mechanical stimulus, to agonist of nicotinic acetylcholine receptors levami-sole in concentrations 2, 4 and 8 цМ. The increase in sensitivity of C. elegans locomotion to levamisole revealed in decrease of percentage of nematodes retained the ability to sustain swimming during 10 s after stimulus. In these experiments copper nitrate was the most toxic for nematodes while lead nitrate was the least toxic. 30-minutes exposition of C. elegans to Pb(NO3)2, Cu(NO3)2 or Cd(NO3)2 in concentrations of 10 or 20 mM followed by rehabilitation on growth medium with bacteria during 24 hours also increased the sensitivity of motor program of swimming to levamisole. The increase in sensitivity of C. elegans locomotion to levamisole after short-term exposition to Pb2+, Cd2+ и Cu2+ ions revealed in this work cannot be the consequence of accumulation of these toxicants in the internal environment because of the existence of cuticle which restrict the toxicants entering into internal environment of nematodes organism. The short-term exposition of nematodes to high doses of Pb(NO3)2 could cause the death of some dopami-nergic neurons, which could result in the decrease
4/2122
89
ПОСЛЕДСТВИЯ КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНОВ РЬ2+, С<12+ И Си2+ НА ОРГАНИЗМ СВОБОДНОЖИВУЩЕЙ ПОЧВЕННОЙ НЕМАТОДЫ СЛЕМОШАВОШВ ЕЕЕОШВ
of the endogenous dopamine level. The decrease of the endogenous dopamine level, in turn, could cause the increase in concentration of endogenous acetylcholine and, as a consequence, the rise in sensitivity of nicotinic cholinoreceptors to their agonist le-vamisole. The alteration of functions of cholinergic and GABAergic neurons in neural circuit regulating motor program of nematodes swimming may be the possible explanation of the increase of sensitivity of C. elegans locomotion to levamisole after short-term action of Cu(NO3)2 or Cd(NO3)2.
Keywords: Caenorhabditis elegans; heavy metals; neurotoxicity.
Pаскрытие информации о конфликте интересов: Aвтор заявляет об отсутствии конфликта интересов I Disclosure of conflict of interest information: The author claims no conflict of interest
Информация о статье / Information about the article
Поступила в редакцию I Entered the editorial office: 31.0S.2022
Одобрено рецензентами I Approved by reviewers: 15.09.2022
Принята к публикации I Accepted for publication: 29.09.2022
Информация об авторах
Егорова Aнастасия Васильевна, младший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования AН PX, 4200S7, Pоссия, г. Казань, ул. Даурская, 2S, E-mail: egorovanastassia @gmail.com.
Гатиятуллина Aлсy Фоатовна, младший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования AН PX, 4200S7, Pоссия, г. Казань, ул. Даурская, 2S , E-mail: [email protected].
Калинникова Татьяна Борисовна, кандидат биологических наук, заведующая лабораторией, Институт проблем экологии и недропользования AН PX, 4200S7, Pоссия, г. Казань, ул. Даурская, 2S, E-mail: [email protected].
Information about the authors
Anastasia V. Egorova, Junior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 2S, Daurskaya st., Kazan, 4200S7, Russia, E-mail: egorovanastassia @gmail.com.
Alsu F. Gatiyatullina, Junior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 2S, Daurskaya st., Kazan, 4200S7, Russia, E-mail: [email protected].
Tatiana B. Kalinnikova, Head of the Laboratory, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 2S, Daurskaya st., Kazan, 4200S7, Russia, E-mail: [email protected].
