CC BY
6
DOI 10.29254/2077-4214-2019-1-2-149-126-129 УДК 577.112.386:612.826.33.015.22 Геруш I. В., Луг'ш'м Н. М. ВПЛИВ 14 ДОБОВОГО ВВЕДЕННЯ МЕЛАТОН1НУ НА ПРОДУКЦ1Ю Г1ДРОГЕН СУЛЬФ1ДУ У ПЕЧ1НЦ1 ЩУР1В З АЛОКСАН1НДУКОВАНИМ ЦУКРОВИМ Д1АБЕТОМ Вищий державний навчальний заклад УкраУни «Буковинський державний медичний ушверситет» (м. Чернiвцi)
nlevytska@ukr.net
Зв'язок публшацм' з плановими науково-дослщ-ними роботами. Досл1дження проводилося в рамках науково-дослщно! роботи кафедри бюоргашчноУ i бюлопчноУ xiMiï та клГшчноТ б1ох1мГГ «Стресшдукова-Hi морфофункцГональнГ та бГохГмГчнГ змГни структур хроноперюдичноУ i гепаторенальноУ систем у ссав-ц!в», № державноУ реестраци 0114U002472.
Вступ. Гiдроген сульФГд (H2S), поряд з монооксидом вуглецю (СО) та монооксидом азоту (NO), нале-жить до газотрансмiттерiв та е ключовою ендоген-ною газоподГбною сигнальною молекулою [1,2,3]. ВГдомо, що печiнка е важливим органом, що забез-печуе розщеплення сГрковмГсних амшокислот i утво-рення гiдроген сульфщу. БГльшГсть дослiджень, при-свячених ферментативнш продукцп H2S, зосередженi на основних ферментах його синтезу: цистатюнш-у-лiазi (CSE, К.Ф. 4.4.1.1), цистатiонiн-ß-синтазi (CBS, КФ 4.2.1.22), 3-меркаптотруват-сульфуртрансфераз! (3MST, КФ 2.8.1.2) i цистеУнамшотрансфераз! (CAT, КФ 2.6.1.3) [4].
Останшм часом зГ сприйняття гiдроген сульФГду як газотрансмггтера, прийшли до розумГння того, що H2S ендогенного походження е важливим компонентом багатьох бюхГмГчних процеав в органГзмГ. Отже, Гнтерес до можливих механГзмГв, за допомогою яких синтезуеться H2S i вГдповГдно до його фГзюлопчних функцГй в нормГ i при рГзних патологГчних станах вирк [5].
Цукровий дГабет (ЦД) е захворюванням, яке по-ширюеться в глобальному масштабГ i розглядаеться як етдемГя. ЦД мае численн ускладнення, включа-ючи патологГчнГ змши в печГнцГ, пов'язанГ з дисбалансом окисно-вГдновного статусу [6]. Однак роль пдроген сульфГду при цукровому дГабетГ вивчена не-достатньо.
МелатонГн (MLT), як гормон епГфГзу, бере участь у регуляци рГзних фГзГологГчних функцш [7]. У тому числГ у регуляци циркадГального ритму, мГтохондри альноУ функци, мае нейропротекторний i Гмуномо-дулюючий ефекти та е потужним антиоксидантом. Вивчення можливих шляхГв його впливу на бГохГмГчн1 процеси пщ час дГабету цГкаво з огляду на те, що ме-таболГзм глюкози регулюеться також циркадГальною системою [8].
Таким чином, дана робота мае наступну мету: до-слГдити вплив 14 добового введення мелатоншу на концентрацГю i продукцГю пдроген сульфГду, а також актившсть ферментГв його синтезу в печГнцГ щурГв з алоксанГндукованим цукровим дГабетом.
Об'ект i методи дослщжень. ДослГди проведен! на бтих безпородних статевозрГлих щурах-самцях з масою тГла - 0,15-0,18 кг. Цукровий дГабет був ви-кликаний внутрГшньоочеревинним введенням 5% розчину моногГдрату алоксану в доз! 150 мг/кг [9]. Дослщш щур! були роздГлен! на групи: 1) контроль-
н! щур!; 2) алоксандГабетичн! щур! (базальна глГкемГя 15,7-26,4 ммоль/л); 3) алоксандГабетичн! щур!, яким Гнтрагастрально вводили мелатонш (Merck, НГмеччи-на) в доз! 10 мг/кг о 800 щодня упродовж 14 днГв.
Кров у щурГв отримували шляхом декаттаци п!д легким ефГрним наркозом з дотриманням вимог за-гальних етичних принцишв експериментГв на твари-нах, ухвалених на Першому нацГональному конгрес! УкраУни з бюетики (Кшв, 2001), бвропейськоУ конвен-ци Гз захисту хребетних тварин, яких використовують з експериментальною та науковою метою (Страсбург, 1986). Печшку швидко вирГзали, промивали в охолодженому льодом фГзюлопчному розчинГ, промокали, заморожували в рГдкому азот! i зберГгали при температур! -20 °С до використання.
В кров! рГвень глюкози визначали глюкозоок-сидазним методом з використанням стандартного аналГтичного набору „ФтГат-ДГагностика" (УкраУ-на). ПродукцГю i концентрацГю H2S вимГрювали, як описано ранГше [10,11]. H2S продукуючу активнГсть ферментГв CSE, CBS i CAT визначали спектрофотоме-трично в постмп"охондр!альнш фракцГГ гомогенатГв печГнки [10]. ВарГацГйно-статистичне опрацювання даних здшснювали з використанням програмного пакета для персональних комп'ютерГв Microsoft Excel з використанням непараметричних методГв варГацш-ноУ статистики: розрахунок середнГх значень (М), по-хибки середнГх значень (m), U-критерш УГлкоксона. ВГрогГдною вважали рГзницю при р<0,05. Для пере-вГрки лГнГйно зв'язку м!ж рГвнем H2S i ферментами його синтезу були розрахован кореляци СпГрмена.
Результати дослщження та ïx обговорення. Про-веденими дослГдженнями встановлено зниження на 21% концентраци H2S i збтьшення на 76% про-дукцГГ H2S у печГнцГ дГабетичних щурГв, порГвняно з контрольною групою (таблиця). H2S продукуюча активнГсть CSE на 23%, CBS на 90% i CAT на 60% в алок-сандГабетичних щурГв була пГдвищеною порГвняно з показниками контрольно! групи щурГв.
Як видно Гз даних, представлених в таблиц у алоксандГабетичних щурГв, як! отримували мелато-н!н, зростала на 19% концентрацГя H2S i знижувалася на 24% продукцГя H2S порГвняно з дГабетичною групою тварин. Також спостерГгалось зниження активностей CSE на 21%, CBS на 24% i CAT на 19% в печшц! в порГвнянн з алоксандГабетичною групою.
Необхщно вщзначити, що поряд з нормалГзацГею концентраци H2S i активност! CSE, продукцГя H2S та активност! CBS i CAT, тсля введення мелатонГну, не досягали рГвня показникГв контрольно! групи i досто-вГрно в!д них вщрГзнялись.
Ми проаналГзували кореляцГйн! зв'язки м!ж до-слГджуваними показниками в печшщ щурГв (концентрацГя H2S, продукцГя H2S, CSE, CBS, CAT) (рис.). Знайден позитивн! кореляци м!ж CSE-CBS (r = 0,56),
CAT-CBS (r = 0,823), продукцiя H2S-CBS (r = 0,521), продукщя H2S-CAT (r = 0,5б3) у печiнцi щурiв з алоксаншдукованим ЦД, що е пщтвер-дженням прямого зв'язку продукцiею H2S та ферментами його синтезу (CBS, CAT). Виявлеш кореляцп мiж CSE-CBS, CAT-CBS вказують на зв'язок активностей цих ферменлв та шд-вищення синтезу H2S можливо за рахунок Тх активацп, оскiльки це H2S-генеруючi ферменти. Не виявлеш кореляцiйнi зв'язки мiж дослщжу-ваними показниками не показанi.
ЦД супроводжуеться суттевими порушення-ми обмшу речовин. Серед метаболiчних змiн можна вщзначити дисбаланс обмiну H2S, зо-крема в нашому дослiдженнi виявлеш змши концентраци H2S та активностей ферменлв його синтезу, що можна пов'язати з пперглше-мiчним стресом органiзму. Недавнi дослщжен-ня виявили ктька потенцiйних ролей для H2S в патофiзiологiчних функцiях. H2S шпбуе окси-дативний стрес [3,12], сприяе стимуляци KATP каналiв, завдяки чому впливае на кл^инний метаболiзм [13].
Вщомо, що при високому рiвнi глюкози в кровi, вiдбуваеться насамперед, ТТ депонування в печiнцi шляхом перетворення на глiкоген. Оскiльки мелато-нiн пов'язаний з транспортом глюкози у печшщ, вiн
Таблиця.
Вплив 14 добового введення мелатонiну на показники рiвня i ферментативно' продукцп H2S в печiнцi щурiв за умов алоксашндукованого ЦД (M±m)
^^^^^^^^ Групи Показники^^^^ Група 1 (n=40) Група II (n=19) Група III (n=18)
Концентрац1я H2S, мкмоль/л 35,74±1,15 28,2±0,81 ** 33,6±1,67 ##
Продукц1я H2S, нмоль/хв/мг б1лка 29,2±1,26 51,41±1,59 ** 38,88±2,86**##
CSE, нмоль/хв/мг б1лка 16,35±0,65 20,13±1,76 * 15,98±0,82 #
CBS, нмоль/хв/мг б1лка 27,01±1,02 51,43±4,52 ** 38,91±3,03 **#
CAT, нмоль/хв/мг б1лка 23,65±1,31 37,75±2,51 ** 30,63±1,52 **#
Примггки: * - p < 0.05, ** p < 0.01 рiзниця вiрогiдна в порiвняннi з контрольною групою, # p < 0.05, ## p < 0.01 рiзниця вiрогiдна в порiвняннi з алоксан-дiабетичною групою.
сприяе вщновленню гл1когену в цьому орган! i тому знижуе рiвень глюкози в кровi при цукровому Aia-6eTi [14]. Експериментальнi дослiдження показують, що мелатонш е протектором ß-клiтин шдшлунково! залози, посилюе передачу сигналу шсулшовими рецепторами i покращуе толерантшсть до глюкози [7]. MLT е потужним природним антиоксидантом i сиг-
Рис. Кореляцшш зв'язки м^ж дослщжуваними показниками в печшц щур^в з алоксаншдукованим ЦД: (A) CSE-CBS (r = 0,56), (B) CAT-CBS (r = 0,823), (C) продукция H2S-CBS (r = 0,521), (D) продукция H2S-CAT (r = 0,563). Показана индивидуальна група зразшв була
статистично значущою (р <0,05).
цп H2S у печшцГ при цьому ймовiрно зменшуеться S-сульфгiдрацiя пiруват карбоксилази, що призво-
нальною молекулою, який прямо або опосередкова- Висновки. Гiперглiкемiя при ЦД е ключовою лан-
но знешкоджуе вiльнi радикали, i таким чином про- кою розвитку дисбалансу в обмшГ H2S. Мелатонiн
тидГе розвитку оксидативного стресу [15]. На нашу нормалiзуе концентрацiю H2S i активнiсть CSE в пе-
думку, захисш ефекти мелатонiну проти ЦД, можуть чiнцi алоксандiабетичних щурiв, що сприяе знижен-
бути пов'язанi саме з його впливом на оксидативний ню ргвня глюкози в кр°ш, проте виявлене зниження
стресом та збереженням антиоксидантного захисту продукц" H2S та активностей CBS i CAT не досягав
органiзму в цтому [8,14]. При введеннi мелатонiну рiвня показникiв контрольноТ групи. Такий ефект
нами вiдмiчено зниження активностi CSE та продук- мелатонГну може бути пов'язаний з пГдвищенням
антиоксидантного захисту оргашзму. Знайденi ко-
реляцп вказують як на зв'язок мiж концентрацГею i продукцiею HS та актившстю ферментiв його син-дить до зниження и активностi. В свою чергу пригнi- тезу, так i на з2в'язок мiж цими ферментами, що дае чення активностi труват карбоксилази послаблюе основу для подальшого вивчення системи регуляцГТ процес глюконеогенезу i знижуе утворення глюкози та активацГТ ферментiв синтезу H2S та дослГдження Тх в печiнцi [3,16]. Так механiзми зумовлювали зни- взаемозв'язку.
ження рГвня глюкози в кровГ щурГв з алоксанiндуков- Перспективи подальших дослщжень. Необхщ-ним цукровим дiабетом, яким вводили мелатонiн, нГ подальшГ дослiдження механiзмiв за допомогою що було нами виявлено у попередшх дослГдженнях яких мелатонГн впливае на показники обмшу пдро-[17]. ген сульфщу при алоксанГндукованому ЦД.
Лггература
1. Kashfi K, Olson KR. Biology and therapeutic potential of hydrogen sulfide and hydrogen sulfide-releasing chimeras. Biochem Pharmacol. 2013;85(5):689-703. DOI: 10.1016/j.bcp.2012.10.019
2. Pouokam E, Althaus M. Epithelial electrolyte transport physiology and the gasotransmitter hydrogen sulfide. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2016; Article ID 4723416:13. Available from: http://dx.doi.org/10.1155/2016/4723416
3. Cheung SH, Lau JYW. Hydrogen sulfide mediates athero-protection against oxidative stress via S-sulfhydration. PLoS ONE. 2018;13(3):e0194176. Available from: https://doi.org/10.1371/journal. pone.0194176
4. Kang J, Neill DL, Xian M. Phosphonothioate-based hydrogen sulfide releasing reagents: chemistry and biological applications. Frontiers in Pharmacology. 2017;8:Article 457. DOI: 10.3389/fphar.2017.00457
5. Perridon BW, Leuvenink H, Hillebrands JL, Goor H, Bos EM. The role of hydrogen sulfide in aging and age-related pathologies Aging. 2016;8(10):2264-89.
6. Mohamed J, Nazratun Nafizah, Zariyantey AH, Budin AH. Mechanisms of diabetes-induced liver damage the role of oxidative stress and inflammation. Sult. Qaboos Univ. Med. J. 2016;16(2):132-41.
7. Kamath A, Rather ZA. Melatonin for atypical antipsychotic-induced metabolic adverse effects: a meta-analysis of randomized controlled trials. BioMed Research International. 2018; Article ID 4907264:8. Available from: https://doi.org/10.1155/2018/4907264
8. Song J, Whitcomb DJ, Kim BC. The role of melatonin in the onset and progression of type 3 diabetes. Molecular Brain. 2017;10:35. DOI: 10.1186/s13041-017-0315-x
9. Akinola O, Gabriel M, Suleiman AA, Olorunsogbon F. Treatment of alloxan-induced diabetic rats with metformin or glitazones is associated with amelioration of hyperglycaemia and neuroprotection. The Open Diabetes Journal. 2012;5:8-12.
10. Stipanuk MH, Beck PW. Characterization of the enzymic capacity for cysteine desulphhydration in liver and kidney of the rat. Biochem J. 1982;206:267-77.
11. Yang G, Yang W, Wu L, Wang R. H2S, Endoplasmic reticulum stress, and apoptosis of insulin-secreting beta cells. J Biol Chem. 2007;282:16567-76.
12. Gao C, Chang P, Yang L, Wang YI, Zhu S, Shan H, et al. Neuroprotective effects of hydrogen sulfide on sodium azide-induced oxidative stress in PC12 cells international. Journal of molecular medicine. 2018;41:242-50.
13. Sun A, Wang Y, Liu J, Yu X, Sun Y, Yang F, et al. Exogenous H2S modulates mitochondrial fusion-fission to inhibit vascular smooth muscle cell proliferation in a hyperglycemic state. Cell & Bioscience. 2016;6(36):18. DOI: 10.1186/s13578-016-0102-x
14. Li T, Ni L, Zhao Z, Liu X, Lai Z, Di X, et al. Melatonin attenuates smoking-induced hyperglycemia via preserving insulin secretion and hepatic glycogen synthesis in rats. J Pineal Res. 2018;64:e12475:13. DOI: org/10.1111/jpi.12475
15. Tan DX, Zheng X, Kong J, Manchester LC, Hardeland R, Kim SJ, et al. Fundamental issues related to the origin of melatonin and melatonin isomers during evolution: relation to their biological functions. Int J Mol Sci. 2016;17:2124. DOI: 10.3390/ijms17122124
16. Ju Y, Untereiner A, Wu L, Yang G. H2S-induced S-sulfhydration of pyruvate carboxylase contributes to gluconeogenesis in liver cells. Biochim Biophys Acta. 2015 Nov;1850(11):2293-303.
17. Luhinich N, Herush I, Yaremii I, Davydova N. Vplyv 14 dobovoho vvedennia melatoninu na metabolizm hlutationu v pechintsi shchuriv pry aloksanovomu tsukrovomu diabeti. Naukovi zapysky Ternopilskoho natsionalnoho pedahohichnoho universytetu imeni Volodymyra Hnatiuka. Seriia: Biolohiia. 2018;3-4(74):71-5. [in Ukrainian].
ВПЛИВ 14 ДОБОВОГО ВВЕДЕННЯ МЕЛАТОН1НУ НА ПРОДУКЦ1Ю Г1ДРОГЕН СУЛЬФ1ДУ У ПЕЧ1НЦ1 ЩУР1В З АЛОКСАН1НДУКОВАНИМ ЦУКРОВИМ Д1АБЕТОМ Геруш I. В., Лупшч Н. М.
Резюме. H2S ендогенного походження е важливим компонентом багатьох бюхГмГчних процеав в оргашзмк Однак роль пдроген сульфщу при цукровому дГабетГ вивчена недостатньо. Метою роботи було дослГдити вплив 14 добового введення мелатоншу на концентрацш i продукцГю пдроген сульфГду, а також актившсть ферментГв його синтезу в печшцГ щурГв з алоксаншдукованим цукровим дГабетом. ДослГди проведет на бтих безпородних статевозртих щурах-самцях з масою тша - 0,15-0,18 кг. Цукровий дГабет був викликаний внутрГшньоочеревинним введенням 5% розчину монопдрату алоксану. МелатонГн вводили штрагастрально щодня упродовж 14 дшв. Встановлено зниження концентрацп H2S i збтьшення продукцп H2S у печшцГ дГабетичних щурГв, порГвняно з контрольною групою. H2S продукуюча актившсть CSE, CBS i cAt в алоксандГабетичних щурГв була пщвищеною порГвняно з показниками контрольноТ групи щурГв. У алоксандГабетичних щурГв, як отримували мелатонГн, зростала концентрацГя H2S i знижувалася продукцГя H2S
порiвняно з дiабетичною групою тварин. Також спостер^алось зниження активностей CSE, CBS i CAT в печiнцi в порiвняннi з алоксандiабетичною групою. Знайденi позитивы кореляци мiж дослщжуваними показниками, що вказують як на зв'язок мiж концентрацieю i продукцieю H2S та актившстю ферментiв його синтезу, так i на зв'язок мiж цими ферментами. Введення мелатоншу нормалiзуe концентрацш H2S i активнiсть CSE в печшц алоксандiабетичних щурiв, що сприяе зниженню рiвня глюкози в кров^ проте виявлене зниження продукци H2S та активностей CBS i CAT не досягало рiвня показникiв контрольно! групи. Позитивний ефект мелатоншу може бути пов'язаний з пщвищенням антиоксидантного захисту оргашзму.
Ключовi слова: цукровий дiабет, щури, мелатонiн, печiнка, пдроген сульфiд.
ВЛИЯНИЕ 14 СУТОЧНОГО ВВЕДЕНИЯ МЕЛАТОНИНА НА ПРОДУКЦИЮ ГИДРОГЕН СУЛЬФИДА В ПЕЧЕНИ КРЫС С АЛЛОКСАН-ИНДУЦИРОВАННЫМ САХАРНЫМ ДИАБЕТОМ
Геруш И. В., Лугинич Н. М.
Резюме. H2S эндогенного происхождения является важным компонентом многих биохимических процессов в организме. Однако роль гидроген сульфида при сахарном диабете изучена недостаточно. Целью работы было исследовать влияние 14 суточного введения мелатонина на концентрацию и продукцию гидроген сульфида, а также активность ферментов его синтеза в печени крыс с аллоксан-индуцированным сахарным диабетом. Опыты проведены на белых беспородных половозрелых крысах-самцах с массой тела — 0,15-0,18 кг. Сахарный диабет был вызван внутрибрюшинным введением 5% раствора моногидрата аллоксана. Мела-тонин вводили интрагастрально ежедневно в течение 14 дней. Определено снижение концентрации H2S и увеличение продукции H2S в печени диабетических крыс по сравнению с контрольной группой. H2S продуцирующая активность CSE, CBS и CAT в аллоксандиабетических крыс была повышенной по сравнению с показателями контрольной группы крыс. В аллоксандиабетических крыс, получавших мелатонин, росла концентрация H2S и снижалась продукция H2S по сравнению с диабетической группой животных. Также наблюдалось снижение активностей CSE, CBS и CAT в печени по сравнению с аллоксандиабетической группой. Найденные положительные корреляции между исследуемыми показателями, указывают как на связь между концентрацией и продукцией H2S и активностью ферментов его синтеза, так и на связь между этими ферментами. Введение мелатонина нормализует концентрацию H2S и активность CSE в печени аллоксандиабетических крыс, способствует снижению уровня глюкозы в крови, однако выявленное снижение продукции H2S и активностей CBS и CAT не достигало уровня показателей контрольной группы. Положительный эффект мелатонина может быть связан с повышением антиоксидантной защиты организма.
Ключевые слова: сахарный диабет, крысы, мелатонин, печень, гидроген сульфид.
EFFECTS OF 14 DAYS MELATONIN INTRODUCTION ON THE HYDROGEN SULFIDE PRODUCTION IN THE LIVER OF ALLOXAN-INDUCED DIABETES MELLITUS
Gerush I. V., Luhinich N. M.
Abstract. Recently, with the perception of hydrogen sulfide as a gasotransmitter, it came to the understanding that endogenous H2S is an important component of many biochemical processes in organism. Diabetes mellitus (DM) is a disease that is expanding globally and is considered an epidemic. DM has many complications, including pathological changes in the liver, associated with oxidative stress. However, the role of hydrogen sulfide in diabetes mellitus is insufficiently studied. Melatonin is a potent, naturally occurring antioxidant and a signaling molecule based on its primary and secondarily-evolved functions in organisms.
Thus, this study has the following purpose: to examine the role of melatonin introduction on the hydrogen sulfide production in the liver of alloxan induced diabetic rats.
Experiments were conducted on white outbred sexually mature male rats with the body weight - 0,15-0,18 kg. Diabetes was induced by a single intraperitoneal injection of freshly prepared alloxan monohydrate (150 mg/kg body weight). The rats were divided into the following groups: controls rats; diabetes; diabetes + melatonin (animals with diabetes were introduced the melatonin (Merck, Germany) intragastrically in the dose of 10 mg/kg at 8 a.m. daily during 14 days). In the liver was determined content of H2S concentration, H2S production and activities of CSE, CBS and CAT. 2 2
It was found that alloxan diabetes was observed an decrease H2S concentration and an increase H2S production in the liver compared to control group. The activities of CSE, cBs and CAT in alloxan diabetic rats was higher compared to controls rats. Introduction of the melatonin increased H2S concentration and decreased content of H2S production compared to diabetic group. There was also a decrease the activities of CSE, CBS and CAT in the liver compared to the alloxan diabetic rats.
We have also found the positive correlations between investigated parameters, which indicate connection between concentration and production of H2S and the enzyme activities of its synthesis, and the relationship between these enzymes.
The administration of melatonin normalizes concentration of H2S and CSE activity in the liver of alloxan diabetic rats, which contributes to lowering glucose levels in the blood, but the reduction of H2S production, CBS and CAT activities did not have level of control group. The positive effect of melatonin may be due to increased antioxidant protection of organism.
Further research will be study the mechanisms of melatonin effects on the exchange indicators of hydrogen sulfide at alloxane-induced diabetes.
Key words: diabetes mellitus, rats, melatonin, liver, hydrogen sulfide.
Рецензент - проф. Бобирьова Л. 6.
Стаття надшшла 26.02.2019 року
