THE USE OF OXIDATIVE STRESS COEFFICIENTS FOR THE INTEGRAL ASSESSMENT OF THE OXIDATIVE HOMEOSTASIS OF AN ORGANISM IN SECRETORY CARDIOMYOCYTE EXPOSURE

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОКСИДАТИВНОГО СТРЕССА ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ГОМЕОСТАЗА ОРГАНИЗМА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА СЕКРЕТОРНЫЕ КАРДИОМИОЦИТЫ

Научная статья

Борискин П.В.¹, Павлова О.Н.^2, *, Гуленко О.Н.³, Тулаева О.Н.⁴, Яремин Б.И.⁵

² ORCID: 0000-0002-8055-1958;

³ ORCID: 0000-0001-6338-7095;

⁵ ORCID: 0000-0001-5889-8675;

¹ ООО «ТестГен», Ульяновск, Россия;

^{2, 3} Самарский государственный университет путей сообщения, Самара, Россия;

⁴ Самарский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации, Самара, Россия;

⁵ Центр трансплантации печени НИИ скорой помощи имени Н.В. Склифосовского, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (casiopeya13[at]mail.ru)

Аннотация

При дисбалансе гомеостаза вы организме возникает оксидативный стресс. Интенсивность оксидативного стресса можно отслеживать с помощью коэффициентов оксидативного стресса. Цель исследования – интегральная оценка окислительного гомеостаза организма крыс на основе коэффициентов оксидативного стресса при воздействии на секреторные кардиомиоциты. Материалы и методы: использовано 420 крыс-самцов. Крысы были разделены на две группы – интактную и опытную по 210 животных в каждой. Для инициации оксидативного стресса крысам опытной группы проводили криодеструкцию правого предсердия. Для интегральной оценки окислительного гомеостаза у крыс использовали коэффициенты оксидативного стресса. Выводы: окислительный стресс, возникший при криодеструкции правого предсердия до 7 суток опыта, провоцирует снижение активности антиоксидантных ферментов и повышение концентрации продуктов окисления в скелетной мышечной ткани и тканях сердца крыс, но запуск репаративных процессов способствует восстановлению нарушенного окислительно-восстановительного равновесия в организме, что отражается в динамике коэффициентов оксидативного стресса.

Ключевые слова: оксидативный стресс, сердечно-сосудистая система, крысы, криодеструкция, кардиомиоциты, коэффициенты оксидативного стресса.

THE USE OF OXIDATIVE STRESS COEFFICIENTS FOR THE INTEGRAL ASSESSMENT OF THE OXIDATIVE HOMEOSTASIS OF AN ORGANISM IN SECRETORY CARDIOMYOCYTE EXPOSURE

Research article

Boriskin P.V.¹, Pavlova O.N.^2, *, Gulenko O.N.³, Tulaeva O.N.⁴, Yaremin B.I.⁵

² ORCID: 0000-0002-8055-1958;

³ ORCID: 0000-0001-6338-7095;

⁵ ORCID: 0000-0001-5889-8675;

¹ TestGen LLC, Ulyanovsk, Russia;

^{2, 3} Samara State Transport University, Samara, Russia;

⁴ Samara State Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation, Samara, Russia;

⁵ Liver Transplantation Center of the Sklifosovsky Research Institute for Emergency Medicine, Moscow, Russia

* Corresponding author (casiopeya13[at]mail.ru)

Abstract

An imbalance of homeostasis in an organism causes oxidative stress to occur. The intensity of oxidative stress can be tracked via oxidative stress coefficients. The aim of the study is an integral assessment of the oxidative homeostasis in rats based on the oxidative stress coefficients when affecting secretory cardiomyocytes. Materials and methods: the study utilized 420 male rats in total. The rats were divided into two groups – an intact group and an experimental group with 210 animals in each group. To initiate oxidative stress, the rats of the experimental group underwent cryodestruction of the right atrium. For the integral assessment of oxidative homeostasis, the coefficients of oxidative stress were used. Conclusion: the oxidative stress that occurred during cryodestruction of the right atrium before 7 days of the experiment provokes a decrease in the activity of antioxidant enzymes and an increase in the concentration of oxidation products in skeletal muscle tissue and heart tissues of rats, while the launch of reparative processes contributes to the restoration of the disturbed redox balance in the body, which is reflected in the dynamics of oxidative stress coefficients.

Keywords: oxidative stress, cardiovascular system, rats, cryodestruction, cardiomyocytes, oxidative stress coefficients.

Введение

Окружающая среда всегда избыточно и многофакторно воздействует на живые организмы. К таким воздействиям относятся практически все входящие потоки от материальных до информационно-энергетических, вызывающие как положительные, так и отрицательные изменения [1], [2]. При идеальном состоянии защитных систем организма несмотря на интенсивные внешние воздействия удается поддерживать гомеостатическое равновесие и нивелировать возможность развития патологических состояний. Однако, уже один только факт, что большая часть обменных процессов, обеспечивающих клетки энергией, относится к окислительно-восстановительным реакциям, ярко иллюстрирует хрупкость этого равновесия. При малейшем сбое в работе антиоксидантной системы начинается накопление активных форм кислорода (АФК), возникает дисбаланс при распределении продуктов окисления. Изменение концентрации АФК в сторону увеличения приводит к деструкции липидов, а значит к деградации мембранного комплекса клеток, на котором, собственно, и базируются все жизнеобеспечивающие процессы. Длительное состояние сбоя антиоксидантной защиты приводит к развитию оксидативного стресса, что в свою очередь приводит к веерному развитию патологических состояний, затрагивающих не только клеточный уровень, но и уровень систем органов [3], [4], [5].

Интенсивность оксидативного стресса можно отслеживать по активности антиоксидантных ферментов организме с помощью коэффициентов оксидативного стресса, но так как множественные литературные данные весьма противоречивы данная тематика не теряет своей актуальности.

Цель исследования – интегральная оценка окислительного гомеостаза организма крыс на основе коэффициентов оксидативного стресса при воздействии на секреторные кардиомиоциты.

Задачи исследования: установить динамику коэффициентов оксидативного стресса в тканях сердца и скелетной мышечной ткани интактных крыс и животных с индуцированным оксидативным стрессом путем криодеструкции правого предсердия в динамике.

Материалы и методы

В исследовании было использовано 420 крыс-самцов шестимесячного возраста, массой 230-250 г, которые содержались в виварии. Крысы были разделены на две группы – интактную (1) и опытную (2) по 210 животных в каждой. Для инициации оксидативного стресса крысам опытной группы проводили криодеструкцию правого предсердия. Подробная методика нашего эксперимента изложена в наших предыдущих публикациях [3], [4].

Для интегральной оценки окислительного гомеостаза у крыс использовали коэффициенты оксидативного стресса: коэффициент, выражающий отношение активности каталазы к активности супероксиддисмутазы (СОД); антиоксидантно-прооксидантный индекс (АПИ), выражающий соотношение активности каталазы к концентрации малонового диальдегида (МДА); коэффициент отношения концентрации МДА к концентрации диеновых конъюгатов (ДК) и локальны антиоксидантный индекс (ЛАИ) представляющий собой отношение произведения активностей каталазы и СОД к концентрации МДА. Коэффициенты рассчитывали для скелетной мышечной ткани и тканей сердца, в которых стандартными методами предварительно определяли активность каталазы, и СОД, а также концентрацию МДА и ДК [6], [7].

Исследование выполнено в соответствии с правилами лабораторной практики в Российской Федерации: приказ Минздрава СССР № 755 от 12.08.1977 г.; приказ МЗ РФ № 267 от 19.06.2003 г.; закон «О защите животных от жестокого обращения» гл. V, ст. 104679-ГД от 01.12.1999 г. На проведение эксперимента получено заключение Комитета по биоэтике при «Медицинском университете «Реавиз» № 167 от 18 сентября 2019 г.

Для анализа полученных данных использовали непараметрический статистический анализ.

Основные результаты

На рисунке 1 отражена динамика коэффициента каталаза/СОД в тканях сердца животных в течение эксперимента.

Рис. 1 – Динамика коэффициента каталаза/СОД в тканях сердца крыс интактной и опытной групп

 

Согласно представленным данным, в течение опыта отношение активности каталазы к активности СОД у интактных крыс оставалось неизменным, а у крыс экспериментальной группы на фоне криодеструкции правого предсердия и повреждении кардиомиоцитов планомерно снижалось до 7 суток опыта, а затем наметилась тенденция к стабилизации уровня коэффициента.

Динамика коэффициента каталаза/СОД в скелетной мышечной ткани крыс представлена на рисунке 2.

Рис. 2 – Динамика коэффициента каталаза/СОД в скелетной мышечной ткани крыс интактной и опытной групп

 

Значение коэффициента около 1, свидетельствует о высокой активности каталазы и СОД в скелетной мышечной ткани животных обеих групп. У крыс интактной группы значение коэффициента не менялось в течение опыта, а у крыс экспериментальной группы – менялось скачкообразно: до 3 суток наблюдалось падение значения (активность СОД существенно преобладала над активностью каталазы); на 7 сутки коэффициент вернулся практически к физиологической норме, но на 14 сутки установлено падение значения.

На рисунке 3 отражена динамика коэффициента каталаза/МДА в тканях сердца животных в течение эксперимента.

Рис. 3 – Динамика коэффициента каталаза/МДА в тканях сердца крыс интактной и опытной групп

 

Согласно представленным данным, в течение опыта отношение активности каталазы к концентрации МДА у интактных крыс оставалось неизменным, а у крыс экспериментальной группы снижалось до 7 суток опыта, а затем, на 14 сутки, существенно возросло.

Динамика коэффициента каталаза/МДА в скелетной мышечной ткани крыс представлена на рисунке 4.

Рис. 4 – Динамика коэффициента каталаза/МДА в скелетной мышечной ткани крыс интактной и опытной групп

 

Согласно графику, динамика коэффициента каталаза/МДА в скелетной мышечной ткани крыс интактной и опытной групп соответствовала таковой в тканях сердца.

На рисунке 5 отражена динамика коэффициента МДА/ДК в тканях сердца животных в течение эксперимента.

Рис. 5 – Динамика коэффициента МДА/ДК в тканях сердца крыс интактной и опытной групп

 

Из рисунка следует, что у интактных крыс коэффициент МДА/ДК на протяжении опыта не изменялся, а у крыс экспериментальной группы до 5 суток эксперимента возрастал, но к 14 суткам практически соответствовал исходному значению.

Динамика коэффициента МДА/ДК в скелетной мышечной ткани крыс представлена на рисунке 6.

Рис. 6 – Динамика коэффициента МДА/ДК в скелетной мышечной ткани крыс интактной и опытной групп

 

Согласно графику, динамика коэффициента МДА/ДК в скелетной мышечной ткани крыс интактной и опытной групп соответствовала таковой в тканях сердца.

На рисунке 7 отражена динамика коэффициента ЛАИ в тканях сердца животных в течение эксперимента.

Рис. 7 – Динамика коэффициента ЛАИ в тканях сердца крыс интактной и опытной групп

 

В течение эксперимента значение ЛАИ у интактных крыс оставалось неизменным, а у крыс опытной группы на фоне индуцированного оксидативного стресса интенсивно снижалось до 7 суток опыта, а затем установлена тенденция к стабилизации уровня коэффициента.

Динамика ЛАИ в скелетной мышечной ткани крыс представлена на рисунке 8.

Рис. 8 – Динамика коэффициента ЛАИ в скелетной мышечной ткани крыс интактной и опытной групп

 

Согласно графику, динамика коэффициента ЛАИ в скелетной мышечной ткани крыс интактной и опытной групп соответствовала таковой в тканях сердца.

Обсуждение

Криодеструкция миокарда правого предсердия провоцирует разрушение тканей и стимулирует окислительные процессы в организме. На фоне индуцированного оксидативного стресса снижается активность антиоксидантных ферментов и повышается концентрация продуктов окисления. Коэффициент, выражающий отношение активности каталазы к активности СОД, отражает дисбаланс работы антиоксидантной системы организма и является интегральным показателем функционирования ферментов антирадикальной защиты. Дело в том, что полнота антиоксидантной защиты обеспечивается совместным действием СОД и каталазы, так как при дисмутации супероксидного радикала образуется биологически активный интермедиат кислорода – перекись водорода, разрушаемая каталазой и пероксидазами. Соотношение активности каталазы к концентрации МДА является антиоксидантно-прооксидантным индексом (АПИ) и отражает дисбаланс в равновесии окислительно-восстановительных процессов. Коэффициент отношения концентрации МДК к концентрации ДК позволяет судить об общей направленности и интенсивности свободно-радикальных процессов и характеризует функциональное состояние антиоксидантной системы организма. Данный коэффициент позволяет судить об интенсивности перехода первичных продуктов окисления (ДК) в промежуточные и конечные продукты окисления (МДА).

Локальны антиоксидантный индекс (ЛАИ) представляет собой отношение произведения активностей каталазы и СОД к концентрации МДА и отражает состояние антиоксидантной системы.

Заключение

Окислительный стресс, возникший при криодеструкции правого предсердия до 7 суток опыта, провоцирует снижение активности антиоксидантных ферментов и повышение концентрации продуктов окисления в скелетной мышечной ткани и тканях сердца крыс, но запуск репаративных процессов способствует восстановлению нарушенного окислительно-восстановительного равновесия в организме, что отражается в динамике коэффициентов оксидативного стресса. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Drоge W. Free radicals in physiological control of cell function / W. Drоge // Physiol Rev 2002; 82: 47–95.
2. Ляхович В.В. Активная защита при окислительном стрессе. Антиоксидантреспонсивный элемент / В.В. Ляхович, В.А. Вавилин, Н.К. Зенков и соавт. // Биохимия. – 2006. –Т. 71, Вып. 9. – С. 1183–1197.
3. Борискин П.В. Адаптационнные изменения активности каталазы в тканях сердца и сыворотке крови крыс при воздействии на секреторные кардиомиоциты / П.В. Борискин, О.Н. Гуленко, О.Н. Павлова // Международный научно-исследовательский журнал. – 2020. – № 12 (102), часть II, декабрь. – С. 56-62.
4. Борискин П.В. Реактивные изменения активности каталазы в тканях печени крыс при воздействии на секреторные кардиомиоциты / П.В. Борискин, О.Н. Гуленко, О.Н. Павлова и др. // Международный научно-исследовательский журнал. – 2021. – № 2 (104), часть I, февраль. – С. 102-105
5. Луцкий М.А. Активность эндогенной системы антиоксидантной защиты в процессе жизнедеятельности организма. / М.А. Луцкий, Т.В. Куксова, М.А. Смелянец и др. // Успехи современного естествознания. – 2014. – № 12-1. – С. 20-23
6. Руководство по экспериментальному (доклиническому) изучению новых фармакологических веществ / Под общ. ред. Р.У. Хабриева. 2-изд., перераб. и доп. – М.: Медицина. – 2005. – С. 832.
7. Арутюнян А.В. Методы оценки свободнорадикального окисления и антиоксидантной системы организма / А.В. Арутюнян, Е.Е. Дубинина, Н.Н. Зыбина // Методические рекомендации. – СПб: ИКФ Фолиант, – 2000. – 102 с.

 Список литературы на английском языке / References in English

1. Drоge W. Free radicals in physiological control of cell function / W. Drоge //Physiol Rev 2002; 82: 47–95.
2. Ljahovich V.V. Aktivnaja zashhita pri okislitel'nom stresse. Antioksidantresponsivnyj jelement [Active protection under oxidative stress. Antioxidant-reactive element] / V.V. Ljahovich, V.A. Vavilin, N.K. Zenkov et al. // Biohimija [Biochemistry]. – 2006. –Vol. 71, Issue. 9. – P. 1183–1197. [in Russian]
3. Boriskin P.V. Adaptacionnnye izmenenija aktivnosti katalazy v tkanjah serdca i syvorotke krovi krys pri vozdejstvii na sekretornye kardiomiocity [Adaptation changes of catalase activity in heart tissue and serum of rats under exposure to secretory cardiomyocytes] / P.V. Boriskin, O.N. Gulenko, O.N. Pavlova // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Journal of Scientific Research]. – 2020. – № 12 (102), part II. – P. 56-62. [in Russian]
4. Boriskin P.V. Reaktivnye izmenenija aktivnosti katalazy v tkanjah pecheni krys pri vozdejstvii na sekretornye kardiomiocity [Reactive changes of catalase activity in rat liver tissues when exposed to secretory cardiomyocytes] / P.V. Boriskin, O.N. Gulenko, O.N. Pavlova et al. // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Scientific Journal]. – 2021. – № 2 (104), part I. – P. 102-105
5. Luckij M.A. Aktivnost' jendogennoj sistemy antioksidantnoj zashhity v processe zhiznedejatel'nosti organizma [Activity of endogenous antioxidant protection system in the process of organism life activity] / M.A. Luckij, T.V. Kuksova, M.A. Smeljanec et al. // Uspehi sovremennogo estestvoznanija [Advances in modern natural science] – 2014. – № 12-1. – P. 20-23 [in Russian]
6. Rukovodstvo po jeksperimental'nomu (doklinicheskomu) izucheniju novyh farmakologicheskih veshhestv [Guidelines for experimental (preclinical) study of new pharmacological substances] / ed. R.U. Habrieva. 2-nd. edition. - M.: Medicina. – 2005. – P. 832. [in Russian]
7. Arutjunjan A.V. Metody ocenki svobodnoradikal'nogo okislenija i antioksidantnoj sistemy organizma [Methods for evaluation of free-radical oxidation and antioxidant system of organism] / A.V. Arutjunjan, E.E. Dubinina, N.N. Zybina // Metodicheskie rekomendacii [Methodological recommendations]. – SPb: IKF Foliant, – 2000. – 102 p. [in Russian]