РОЛЬ HIFI-ЗАВИСИМОЙ РЕГУЛЯЦИИ ПЕНТОЗОФОСФАТНОГО ПУТИ В ОБЕСПЕЧЕНИИ РЕАКЦИЙ МОЗГА НА ГИПОКСИЮ
|
1. Введение 5
1.01. Актуальность темы исследования 5
1.02. Степень разработанности темы исследования 6
1.03. Цель работы 7
1.04. Методология и методы исследования 8
1.05. Научная новизна 9
1.06. Теоретическая и практическая значимость работы 9
1.07. Основные положения, выносимые на защиту 10
1.08. Апробация результатов 11
1.09. Личное участие автора в получении результатов 16
1.10. Структура и объем диссертации 16
1.11. Финансовая поддержка и благодарности 16
2. Обзор литературы 18
2.01. История изучения гипоксии 18
2.02. Понятие о гипоксии и механизмах ее негативного действия на мозг 19
2.03. Молекулярно-клеточные механизмы нейропротекции, индуцируемой умеренной
гипобарической гипоксией 23
2.04. Гипоксическое/ишемическое посткондиционирование 26
2.04.01. Нейропротективные механизмы, активируемые ишемическим посткондиционированием 28
2.04.02. Неинвазивные способы посткондиционирования 31
2.04.02.01. Гипоксическое посткондиционирование умеренной гипобарической
гипоксией 32
2.04.02.02. Механизмы нейропротективных эффектов нормобарического гипоксического посткондиционирования 33
2.05. Предполагаемые эффекторы нейропротекции, индуцируемой гипоксическим
посткондиционированием умеренной гипобарической гипоксией 35
2.05.01. Гипоксия-индуцируемый фактор (HIF1) 35
2.05.02. Цитокин эритропоэтин 38
2.05.03. Bcl-2 и регуляция апоптоза, опосредуемого митохондриями 40
2.05.04. Нейротропный фактор мозга (BDNF) 42
2.06. Пентозофосфатный путь как ключевой регулятор антиоксидантных функций 46
3. Материалы и методы исследования 48
3.01. Материалы 48
3.02. Модель гипобарической гипоксии 48
3.02.01. Режим тяжелой повреждающей гипоксии 49
3.02.02. Режим посткондиционирования умеренной гипобарической гипоксией 50
3.02.03. Режим трехкратной умеренной гипобарической гипоксии 50
3.03. Постановка экспериментов с использованием ингибитора HIF1 51
3.04. Гистохимические методы 51
3.04.01. Гистологическая обработка ткани и изготовление парафинизированных срезов мозга 51
3.04.02. Иммуногистохимический метод детекции белков 52
3.04.02.01. Иммуногистохимическое окрашивание срезов мозга 52
3.04.02.02. Количественная обработка результатов иммуногистохимического окрашивания с использованием системы компьютерного анализа изображений 54
3.04.03. Детекция апоптотических клеток методом TUNEL 55
3.05. Иммуноблоттинг 56
3.05.01. Пробоподготовка 56
3.05.02. Определение концентрации белка по методу Бредфорда 57
3.05.03. Электрофорез белков в ПААГ по методу Лэммли 57
3.05.04. Электроперенос белков с ПААГ на нитроцеллюлозную мембрану 58
3.05.05. Иммунодетекция белков на мембране 58
3.06. Выделение и электрофоретический анализ фрагментации ДНК для определения интенсивности процессов клеточной гибели 60
3.07. Спектрофотометрический метод определения содержания общего белка 60
3.08. Определение активности Г6ФДГ 61
3.09. Определение количества НАДФН 62
3.10. Экстракция цитозольной фракции из гиппокампа и неокортекса крыс 63
3.11. Измерение содержания восстановленных тиоловых групп и общего глутатиона...63
3.11.01. Измерение содержания тиоловых групп 64
3.11.02. Определение содержания общего глутатиона 65
3.12. Измерение количества продуктов перекисного окисления липидов 66
3.12.01. Анализ диеновых, триеновых конъюгатов и коэффициента Клейна 66
3.12.02. Измерение количества оснований Шиффа 66
3.12.03. Определение количества фосфора общих фосфолипидов 67
3.12.04. Определение количества ТБК-активных продуктов 67
3.13. Количественный анализ транскрипции Г6ФДГ методом ПЦР в реальном времени.. ..68
3.14. Статистическая обработка результатов 69
4. Результаты и обсуждение 70
4.01. Эффекты тяжелой гипоксии и тяжелой гипоксии в сочетании с
посткондиционированием умеренной гипобарической гипоксией на гиппокамп и неокортекс крыс 70
4.01.01. Анализ процессов клеточной гибели 70
4.01.01.01. Изучение динамики фрагментации ДНК 70
4.01.01.02. Изучение количества TUNEL позитивных клеток 71
4.01.02. Содержание проадаптивных белков Bcl-2 и BDNF 73
4.01.03. Иммуногистохимический анализ содержания HIFla и Г6ФДГ 78
4.01.03.01. Содержание HIFla в СА1 поле гиппокампа и втором слое неокортекса 78
4.01.03.02. Содержание Г6ФДГ в СА1 поле гиппокампа и втором слое неокортекса. 81 4.01.04. Анализ активности Г6ФДГ и количества НАДФН 82
4.01.05. Анализ окислительно-восстановительного статуса и количества общего
глутатиона 84
4.01.06. Определение интенсивности процессов перекисного окисления липидов 87
4.02. Изучение роли HIF1 в реализации эффектов тяжелой гипоксии в гиппокампе крыс 89
4.02.01. Количество TUNEL позитивных клеток в СА1 поле гиппокампа 89
4.02.02. Содержание HIF1a, эритропоэтина и Г6ФДГ в СА1 поле гиппокампа 91
4.02.03. Анализ активности Г6ФДГ и количества НАДФН 96
4.02.04. Анализ окислительно-восстановительного статуса, количества общего глутатиона и оснований Шиффа 97
4.03. Использование модели трехкратной умеренной гипобарической гипоксии для анализа роли HIF1 в регуляции транскрипции мРНК Г6ФДГ 99
5. Заключение 101
6. Выводы 104
7. Список сокращений 105
8. Список литературы 106
1.01. Актуальность темы исследования 5
1.02. Степень разработанности темы исследования 6
1.03. Цель работы 7
1.04. Методология и методы исследования 8
1.05. Научная новизна 9
1.06. Теоретическая и практическая значимость работы 9
1.07. Основные положения, выносимые на защиту 10
1.08. Апробация результатов 11
1.09. Личное участие автора в получении результатов 16
1.10. Структура и объем диссертации 16
1.11. Финансовая поддержка и благодарности 16
2. Обзор литературы 18
2.01. История изучения гипоксии 18
2.02. Понятие о гипоксии и механизмах ее негативного действия на мозг 19
2.03. Молекулярно-клеточные механизмы нейропротекции, индуцируемой умеренной
гипобарической гипоксией 23
2.04. Гипоксическое/ишемическое посткондиционирование 26
2.04.01. Нейропротективные механизмы, активируемые ишемическим посткондиционированием 28
2.04.02. Неинвазивные способы посткондиционирования 31
2.04.02.01. Гипоксическое посткондиционирование умеренной гипобарической
гипоксией 32
2.04.02.02. Механизмы нейропротективных эффектов нормобарического гипоксического посткондиционирования 33
2.05. Предполагаемые эффекторы нейропротекции, индуцируемой гипоксическим
посткондиционированием умеренной гипобарической гипоксией 35
2.05.01. Гипоксия-индуцируемый фактор (HIF1) 35
2.05.02. Цитокин эритропоэтин 38
2.05.03. Bcl-2 и регуляция апоптоза, опосредуемого митохондриями 40
2.05.04. Нейротропный фактор мозга (BDNF) 42
2.06. Пентозофосфатный путь как ключевой регулятор антиоксидантных функций 46
3. Материалы и методы исследования 48
3.01. Материалы 48
3.02. Модель гипобарической гипоксии 48
3.02.01. Режим тяжелой повреждающей гипоксии 49
3.02.02. Режим посткондиционирования умеренной гипобарической гипоксией 50
3.02.03. Режим трехкратной умеренной гипобарической гипоксии 50
3.03. Постановка экспериментов с использованием ингибитора HIF1 51
3.04. Гистохимические методы 51
3.04.01. Гистологическая обработка ткани и изготовление парафинизированных срезов мозга 51
3.04.02. Иммуногистохимический метод детекции белков 52
3.04.02.01. Иммуногистохимическое окрашивание срезов мозга 52
3.04.02.02. Количественная обработка результатов иммуногистохимического окрашивания с использованием системы компьютерного анализа изображений 54
3.04.03. Детекция апоптотических клеток методом TUNEL 55
3.05. Иммуноблоттинг 56
3.05.01. Пробоподготовка 56
3.05.02. Определение концентрации белка по методу Бредфорда 57
3.05.03. Электрофорез белков в ПААГ по методу Лэммли 57
3.05.04. Электроперенос белков с ПААГ на нитроцеллюлозную мембрану 58
3.05.05. Иммунодетекция белков на мембране 58
3.06. Выделение и электрофоретический анализ фрагментации ДНК для определения интенсивности процессов клеточной гибели 60
3.07. Спектрофотометрический метод определения содержания общего белка 60
3.08. Определение активности Г6ФДГ 61
3.09. Определение количества НАДФН 62
3.10. Экстракция цитозольной фракции из гиппокампа и неокортекса крыс 63
3.11. Измерение содержания восстановленных тиоловых групп и общего глутатиона...63
3.11.01. Измерение содержания тиоловых групп 64
3.11.02. Определение содержания общего глутатиона 65
3.12. Измерение количества продуктов перекисного окисления липидов 66
3.12.01. Анализ диеновых, триеновых конъюгатов и коэффициента Клейна 66
3.12.02. Измерение количества оснований Шиффа 66
3.12.03. Определение количества фосфора общих фосфолипидов 67
3.12.04. Определение количества ТБК-активных продуктов 67
3.13. Количественный анализ транскрипции Г6ФДГ методом ПЦР в реальном времени.. ..68
3.14. Статистическая обработка результатов 69
4. Результаты и обсуждение 70
4.01. Эффекты тяжелой гипоксии и тяжелой гипоксии в сочетании с
посткондиционированием умеренной гипобарической гипоксией на гиппокамп и неокортекс крыс 70
4.01.01. Анализ процессов клеточной гибели 70
4.01.01.01. Изучение динамики фрагментации ДНК 70
4.01.01.02. Изучение количества TUNEL позитивных клеток 71
4.01.02. Содержание проадаптивных белков Bcl-2 и BDNF 73
4.01.03. Иммуногистохимический анализ содержания HIFla и Г6ФДГ 78
4.01.03.01. Содержание HIFla в СА1 поле гиппокампа и втором слое неокортекса 78
4.01.03.02. Содержание Г6ФДГ в СА1 поле гиппокампа и втором слое неокортекса. 81 4.01.04. Анализ активности Г6ФДГ и количества НАДФН 82
4.01.05. Анализ окислительно-восстановительного статуса и количества общего
глутатиона 84
4.01.06. Определение интенсивности процессов перекисного окисления липидов 87
4.02. Изучение роли HIF1 в реализации эффектов тяжелой гипоксии в гиппокампе крыс 89
4.02.01. Количество TUNEL позитивных клеток в СА1 поле гиппокампа 89
4.02.02. Содержание HIF1a, эритропоэтина и Г6ФДГ в СА1 поле гиппокампа 91
4.02.03. Анализ активности Г6ФДГ и количества НАДФН 96
4.02.04. Анализ окислительно-восстановительного статуса, количества общего глутатиона и оснований Шиффа 97
4.03. Использование модели трехкратной умеренной гипобарической гипоксии для анализа роли HIF1 в регуляции транскрипции мРНК Г6ФДГ 99
5. Заключение 101
6. Выводы 104
7. Список сокращений 105
8. Список литературы 106
Нарушение кислородного снабжения мозга рассматривается в настоящее время как ключевой фактор в развитии множества неврологических заболеваний. Тяжелые формы гипоксического стресса, такие как ишемический инсульт, представляют собой одну из самых распространенных причин смерти и снижения качества жизни. Поэтому поиск путей повышения устойчивости мозга к гипоксии/ишемии представляет собой одну из важнейших задач современной биологии и медицины. Основные подходы для решения этой задачи включают не только разработку новых лекарственных средств, но и использование немедикаментозных методов мобилизации эндогенных защитных механизмов (Самойлов и др., 2012). Особого внимания среди таких немедикаментозных методов заслуживает посткондиционирование (ПостК) - предъявление экстремальных воздействий умеренной интенсивности особям, пережившим тяжелое повреждающее воздействие (Zhao et al., 2003).
Настоящее исследование направлено на изучение механизмов нейропротективного действия гипоксического посткондиционирования, а также на расширение представлений о механизмах метаболических перстроек мозга, лежащих в основе патологических и адаптивных реакций на гипоксию и реоксигенацию. В фокусе нашего внимания была роль гипоксия-индуцируемого фактора-1 (HIF1) в регуляции пентозофосфатного пути (ПФП) метаболизма глюкозы - основного источника НАДФН в мозге. В связи с тем, что без НАДФН невозможно восстановление таких антиоксидантов как тиоредоксины и глутатион, ПФП представляет собой ключевой регулятор эффективности антиоксидантных систем мозга. Поскольку опосредованная гипоксией гибель нейронов осуществляется с участием активных форм кислорода (АФК), изучение вопроса о возможной взаимосвязи между гипоксией/реоксигенацией в различных режимах, ключевым регулятором клеточного ответа на гипоксию, HIF1, пентозофосфатным путем и опосредованными им функциями является крайне важным как для понимания эндогенных механизмов адаптации мозга, так и для разработки подходов к таргетной терапии постгипоксических состояний.
1.02. Степень разработанности темы исследования
Ранее в лаборатории регуляции функций нейронов мозга Института физиологии им. И.П.Павлова РАН был разработан неинвазивный способ коррекции последствий тяжелой повреждающей гипоксии мозга сеансами умеренной гипобарической гипоксии (УГГ) - воздействия на организм пониженным атмосферным давлением, приводящим к ослаблению кислородного снабжения (патент РФ №2437164.). В моделях на крысах показано, что посткондиционирование (ПостК) трехкратной УГГ эффективно предотвращает индуцируемую тяжелой гипоксией гибель нейронов гиппокампа и неокортекса, способствует функциональной реабилитации после тяжелой гипобарической гипоксии (ТГ) или психоэмоциональных стрессов, нормализуя активность гипоталамо- гипофизарно адренокортикальной системы и поведение у крыс (Rybnikova et al., 2012). При этом в отличие от ишемических моделей (Gao et al., 2008), нейропротекция наблюдается даже в тех случаях, когда посткондиционирование производится в отдаленный период после повреждающего воздействия (1-3 дня). Однако, помимо описательных данных, информации о конкретных механизмах реализации протективного действия ПостК УГГ на сегодняшний день недостаточно.
Роль ключевого регулятора адаптации к гипоксии отводится гипоксия- индуцируемому фактору-1 (HIF1), в связи с чем в мировой литературе активно обсуждается возможность фармакологической активации HIF1 с целью терапии, в частности, постинсультных состояний. Однако, патогенез относительно непродолжительных острых форм гипоксии/ишемии в первую очередь реализуется в период реоксигенации (Nita et al., 2001), когда неконтролируемая активация данного фактора транскрипции на фоне дефицита активности киназ, ответственных за обеспечение правильного патттерна пост¬трансляционных модификаций HIF1 (Chen et al., 2003, Vetrovoy et al., 2015), потенциально способна оказывать дезадаптивный эффект, что может вносить неблагоприятный вклад в формирование постгипоксических патологий (Sun Y. et al., 2017). Поэтому вопрос о конкретной роли HIF1 в реализации эффектов тяжелых форм гипоксии также остается открытым.
1.03. Цель работы
Целью данной работы было изучение молекулярных механизмов, лежащих в основе нейропротективного действия гипоксического посткондиционирования при компенсации последствий тяжелой гипоксии мозга крыс, и оценить роль HIF1 в реализации эффектов тяжелой гипоксии.
Задачи:
1. Исследовать влияние гипоксического посткондиционирования на развитие процессов клеточной гибели в гиппокампе и неокортексе крыс, переживших тяжелую гипоксию.
2. Провести сравнительный анализ содержания нейропротективных белков Bcl-2 и BDNF в гиппокампе и неокортексе крыс, переживших тяжелую гипоксию и тяжелую гипоксию в сочетании с гипоксическим посткондиционированием.
3. Сравнить эффекты тяжелой гипоксии и гипоксического посткондиционирования на
активность пентозофосфатного пути и связанные с пентозофосфатным путем процессы регуляции окислительно-восстановительного статуса и
свободнорадикального окисления в гиппокампе и неокортексе крыс.
4. Изучить роль HIF1 в реализации процессов клеточной гибели в гиппокампе крыс, переживших тяжелую гипоксию.
5. Определить влияние HIF1 на активность пентозофосфатного пути и связанные с пентозофосфатным путем процессы регуляции окислительно-восстановительного статуса и свободнорадикального окисления в гиппокампе крыс, переживших тяжелую гипоксию.
6. В модели трехкратной умеренной гипобарической гипоксии проанализировать взаимосвязь между активностью HIF1 и транскрипцией ключевого фермента пентозофосфатного пути, глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы.
1.04. Методология и методы исследования
Исследование молекулярных механизмов адаптивных и патологических реакций мозга на гипоксию и реоксигенацию проведено с использованием разработанной в лаборатории регуляции функций нейронов мозга Института физиологии им. И.П.Павлова РАН модели гипобарической гипоксии in vivo на взрослых самцах крыс линии Wistar весом 200-250г в трех режимах: тяжелая повреждающая гипоксия, тяжелая гипоксия в сочетании с посткондиционированием трехкратной умеренной гипобарической гипоксией, а также трехкратная умеренная гипобарическая гипоксия.
Решение поставленных задач требовало применения ряда гистохимических, биохимических и молекулярно-биологических методов. Для проверки гипотезы о HIF1- зависимой регуляции экспрессии мРНК глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы (Г6ФДГ), ключевого фермента пентозофосфатного пути, использовали HIF1-позитивную модель трехкратной умеренной гипобарической гипоксии (Samoilov et al., 2015) с последующим анализом количества мРНК Г6ФДГ, нормированной на количество мРНК актина-бета, методом ПЦР в реальном времени. Для оценки количества и локализации белков интереса (Bcl-2, BDNF, HIFla, эритропоэтина, Г6ФДГ) был применен непрямой ABC иммуногистохимический метод, а для проверки качества антител - метод иммуноблоттинг. Для оценки активности Г6ФДГ и измерения количества продукта ПФП, НАДФН, в гиппокампе и неокортексе крыс были использованы коммерческие наборы для энзиматического колориметрического анализа в 96-луночных планшетах (Sigma Ald.). Для определения интенсивности процессов свободнорадикального окисления производили измерения концентрации продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ), а именно диеновых коньюгатов, триеновых коньюгатов, коэффициента Клейна, ТБК-активных продуктов, основным представителем которых является малоновый диальдегид (МДА), спектрофотометрическими методами и оснований Шиффа, маркеров взаимодействия МДА с белками, флуориметрическим методом. Количество восстановленных тиоловых групп, свидетельствующее об общем окислительно-восстановительном статусе, определяли при помощи красителя дитионитробензола колориметрическим методом. Количество общего глутатиона измеряли энзиматическим колориметрическим методом с применением глутатион редуктазы дрожжей и красителя дитионитробензола. Для выявления интенсивности процессов апоптотической клеточной гибели выделяли ДНК из клеток гиппокампа и производили анализ наличия фрагментации методом электрофореза, а также использовали гистохимический TUNEL метод для подсчета апоптотических клеток. С целью оценки вклада HIF1 в изучаемые процессы был использован ингибитор HIF1, топотекан, вводимый внутрибрюшинно за 10 минут до гипоксического сеанса.
Настоящее исследование направлено на изучение механизмов нейропротективного действия гипоксического посткондиционирования, а также на расширение представлений о механизмах метаболических перстроек мозга, лежащих в основе патологических и адаптивных реакций на гипоксию и реоксигенацию. В фокусе нашего внимания была роль гипоксия-индуцируемого фактора-1 (HIF1) в регуляции пентозофосфатного пути (ПФП) метаболизма глюкозы - основного источника НАДФН в мозге. В связи с тем, что без НАДФН невозможно восстановление таких антиоксидантов как тиоредоксины и глутатион, ПФП представляет собой ключевой регулятор эффективности антиоксидантных систем мозга. Поскольку опосредованная гипоксией гибель нейронов осуществляется с участием активных форм кислорода (АФК), изучение вопроса о возможной взаимосвязи между гипоксией/реоксигенацией в различных режимах, ключевым регулятором клеточного ответа на гипоксию, HIF1, пентозофосфатным путем и опосредованными им функциями является крайне важным как для понимания эндогенных механизмов адаптации мозга, так и для разработки подходов к таргетной терапии постгипоксических состояний.
1.02. Степень разработанности темы исследования
Ранее в лаборатории регуляции функций нейронов мозга Института физиологии им. И.П.Павлова РАН был разработан неинвазивный способ коррекции последствий тяжелой повреждающей гипоксии мозга сеансами умеренной гипобарической гипоксии (УГГ) - воздействия на организм пониженным атмосферным давлением, приводящим к ослаблению кислородного снабжения (патент РФ №2437164.). В моделях на крысах показано, что посткондиционирование (ПостК) трехкратной УГГ эффективно предотвращает индуцируемую тяжелой гипоксией гибель нейронов гиппокампа и неокортекса, способствует функциональной реабилитации после тяжелой гипобарической гипоксии (ТГ) или психоэмоциональных стрессов, нормализуя активность гипоталамо- гипофизарно адренокортикальной системы и поведение у крыс (Rybnikova et al., 2012). При этом в отличие от ишемических моделей (Gao et al., 2008), нейропротекция наблюдается даже в тех случаях, когда посткондиционирование производится в отдаленный период после повреждающего воздействия (1-3 дня). Однако, помимо описательных данных, информации о конкретных механизмах реализации протективного действия ПостК УГГ на сегодняшний день недостаточно.
Роль ключевого регулятора адаптации к гипоксии отводится гипоксия- индуцируемому фактору-1 (HIF1), в связи с чем в мировой литературе активно обсуждается возможность фармакологической активации HIF1 с целью терапии, в частности, постинсультных состояний. Однако, патогенез относительно непродолжительных острых форм гипоксии/ишемии в первую очередь реализуется в период реоксигенации (Nita et al., 2001), когда неконтролируемая активация данного фактора транскрипции на фоне дефицита активности киназ, ответственных за обеспечение правильного патттерна пост¬трансляционных модификаций HIF1 (Chen et al., 2003, Vetrovoy et al., 2015), потенциально способна оказывать дезадаптивный эффект, что может вносить неблагоприятный вклад в формирование постгипоксических патологий (Sun Y. et al., 2017). Поэтому вопрос о конкретной роли HIF1 в реализации эффектов тяжелых форм гипоксии также остается открытым.
1.03. Цель работы
Целью данной работы было изучение молекулярных механизмов, лежащих в основе нейропротективного действия гипоксического посткондиционирования при компенсации последствий тяжелой гипоксии мозга крыс, и оценить роль HIF1 в реализации эффектов тяжелой гипоксии.
Задачи:
1. Исследовать влияние гипоксического посткондиционирования на развитие процессов клеточной гибели в гиппокампе и неокортексе крыс, переживших тяжелую гипоксию.
2. Провести сравнительный анализ содержания нейропротективных белков Bcl-2 и BDNF в гиппокампе и неокортексе крыс, переживших тяжелую гипоксию и тяжелую гипоксию в сочетании с гипоксическим посткондиционированием.
3. Сравнить эффекты тяжелой гипоксии и гипоксического посткондиционирования на
активность пентозофосфатного пути и связанные с пентозофосфатным путем процессы регуляции окислительно-восстановительного статуса и
свободнорадикального окисления в гиппокампе и неокортексе крыс.
4. Изучить роль HIF1 в реализации процессов клеточной гибели в гиппокампе крыс, переживших тяжелую гипоксию.
5. Определить влияние HIF1 на активность пентозофосфатного пути и связанные с пентозофосфатным путем процессы регуляции окислительно-восстановительного статуса и свободнорадикального окисления в гиппокампе крыс, переживших тяжелую гипоксию.
6. В модели трехкратной умеренной гипобарической гипоксии проанализировать взаимосвязь между активностью HIF1 и транскрипцией ключевого фермента пентозофосфатного пути, глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы.
1.04. Методология и методы исследования
Исследование молекулярных механизмов адаптивных и патологических реакций мозга на гипоксию и реоксигенацию проведено с использованием разработанной в лаборатории регуляции функций нейронов мозга Института физиологии им. И.П.Павлова РАН модели гипобарической гипоксии in vivo на взрослых самцах крыс линии Wistar весом 200-250г в трех режимах: тяжелая повреждающая гипоксия, тяжелая гипоксия в сочетании с посткондиционированием трехкратной умеренной гипобарической гипоксией, а также трехкратная умеренная гипобарическая гипоксия.
Решение поставленных задач требовало применения ряда гистохимических, биохимических и молекулярно-биологических методов. Для проверки гипотезы о HIF1- зависимой регуляции экспрессии мРНК глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы (Г6ФДГ), ключевого фермента пентозофосфатного пути, использовали HIF1-позитивную модель трехкратной умеренной гипобарической гипоксии (Samoilov et al., 2015) с последующим анализом количества мРНК Г6ФДГ, нормированной на количество мРНК актина-бета, методом ПЦР в реальном времени. Для оценки количества и локализации белков интереса (Bcl-2, BDNF, HIFla, эритропоэтина, Г6ФДГ) был применен непрямой ABC иммуногистохимический метод, а для проверки качества антител - метод иммуноблоттинг. Для оценки активности Г6ФДГ и измерения количества продукта ПФП, НАДФН, в гиппокампе и неокортексе крыс были использованы коммерческие наборы для энзиматического колориметрического анализа в 96-луночных планшетах (Sigma Ald.). Для определения интенсивности процессов свободнорадикального окисления производили измерения концентрации продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ), а именно диеновых коньюгатов, триеновых коньюгатов, коэффициента Клейна, ТБК-активных продуктов, основным представителем которых является малоновый диальдегид (МДА), спектрофотометрическими методами и оснований Шиффа, маркеров взаимодействия МДА с белками, флуориметрическим методом. Количество восстановленных тиоловых групп, свидетельствующее об общем окислительно-восстановительном статусе, определяли при помощи красителя дитионитробензола колориметрическим методом. Количество общего глутатиона измеряли энзиматическим колориметрическим методом с применением глутатион редуктазы дрожжей и красителя дитионитробензола. Для выявления интенсивности процессов апоптотической клеточной гибели выделяли ДНК из клеток гиппокампа и производили анализ наличия фрагментации методом электрофореза, а также использовали гистохимический TUNEL метод для подсчета апоптотических клеток. С целью оценки вклада HIF1 в изучаемые процессы был использован ингибитор HIF1, топотекан, вводимый внутрибрюшинно за 10 минут до гипоксического сеанса.
В ходе выполнения настоящей работы, посвященной расшифровке нейропротективных механизмов гипобарического ПостК, а также оценке вклада HIF1 в реализацию постгипоксических эффектов, нами было показано, что тяжелая гипобарическая гипоксия (ТГ) аналогично ишемическим моделям приводит к ап-регуляции HIF1a через 1 день реокесигенации, однако в дальнейшем вызывая уменьшение его количества. Также в результате гистохимического анализа TUNEL+ клеток и электрофоретического анализа фрагментации ДНК нами подтверждены ранее полученные в нашей лаборатории данные о ТГ-зависимой индукции апоптоза (Rybnikova et al., 2006, 2012). При этом как инъекция ингибитора HIF1 перед ТГ, так и применение ПостК предотвращают развитие апоптотических процессов.
Важнейшим элементом метаболизма мозга, вовлеченным в поддержание антиоксидантных систем и обеспечение нормального окислительно-восстановительного статуса за счет генерации восстановленного НАДФ, признан пентозофосфатный путь (ПФП) метаболизма глюкозы (Fernandez-Fernandez et al., 2012, Ben-Yoseph et al., 1996). В частности, недавно была показана существенная роль ПФП в предотвращении последствий окислительного стресса, индуцированного депривацией кислорода и глюкозы in vitro (Sun S., et al. 2017). В настоящем исследовании, с использованием HIFl-позитивной модели трехкратной умеренной гипобарической гипоксии in vivo, мы показали обратную связь между активностью HIF1 и транскрипцией первого скорость-лимищеготирую фермента ПФП, Г6ФДГ, а также позитивную регуляцию экспрессии гена этого фермента гипоксией и реоксигенацией.
В модели ТГ краткосрочное увеличение количества HIF1a непосредственно после реоксигенации хоть и сопровождалось увеличением активности Г6ФДГ, но не приводило к эффективной наработке НАДФН, возможно за счет гиперактивации конкурирующего с ПФП за субстрат гликолиза, как HIF1 -зависимо на уровне транскрипции, так и вследствие опосредованной гипоксией стимуляции активности PFKFB-3 (Semenza, 2001, Fernandez- Fernandez et al., 2012). В свою очередь уменьшение количества и активности Г6ФДГ и снижение уровня НАДФН в отсроченный постгипоксический период сопровождалось формированием долгосрочного окислительного стресса в гиппокампе крыс, приводя к массированной клеточной гибели.
В связи с этим, ингибирование HIF1 перед ТГ, также, как и использование ПостК умеренной гипобарической гипоксией предположительно могли поспособствовать предотвращению патологии, индуцируемой тяжелой повреждающей гипоксией. В результате проведенных нами исследований установлено, что использование ингибитора HIF1 перед ТГ предотвращает краткосрочную стимуляцию этого транскрипционного фактора, нормализует работу ПФП, усиливая восстановление НАДФ и нивелируя окислительный стресс, способствуя снижению свободнорадикального окисления липидов и предотвращая запуск клеточной гибели по типу апоптоза. ПостК также стабилизирует функционирование ПФП, вероятно HIF1 -независимым путем, нормализует редокс статус, количество глутатиона и предотвращает развитие апоптотических процессов.
Функциональная значимость показанной нами роли ПФП в обеспечении защитных реакций мозга на последствия тяжелых форм гипоксии косвенно подтверждается недавно опубликованными данными о протективном эффекте введения НАДФН в ранний постинсультный период (Li et al., 2017). Полученные нами данные объясняют этиологию данного явления, расширяя современные представления о механизмах постгипоксических патологий и способствуя пониманию путей реализации антиапоптотического и антиоксидантного действия гипоксического посткондиционирования. Использование ингибиторов HIF1 в ранний постинсультный период, а также введение НАДФН пациентам, пережившим инсульт, может оказаться эффективной нейропротективной стратегией.
Важнейшим элементом метаболизма мозга, вовлеченным в поддержание антиоксидантных систем и обеспечение нормального окислительно-восстановительного статуса за счет генерации восстановленного НАДФ, признан пентозофосфатный путь (ПФП) метаболизма глюкозы (Fernandez-Fernandez et al., 2012, Ben-Yoseph et al., 1996). В частности, недавно была показана существенная роль ПФП в предотвращении последствий окислительного стресса, индуцированного депривацией кислорода и глюкозы in vitro (Sun S., et al. 2017). В настоящем исследовании, с использованием HIFl-позитивной модели трехкратной умеренной гипобарической гипоксии in vivo, мы показали обратную связь между активностью HIF1 и транскрипцией первого скорость-лимищеготирую фермента ПФП, Г6ФДГ, а также позитивную регуляцию экспрессии гена этого фермента гипоксией и реоксигенацией.
В модели ТГ краткосрочное увеличение количества HIF1a непосредственно после реоксигенации хоть и сопровождалось увеличением активности Г6ФДГ, но не приводило к эффективной наработке НАДФН, возможно за счет гиперактивации конкурирующего с ПФП за субстрат гликолиза, как HIF1 -зависимо на уровне транскрипции, так и вследствие опосредованной гипоксией стимуляции активности PFKFB-3 (Semenza, 2001, Fernandez- Fernandez et al., 2012). В свою очередь уменьшение количества и активности Г6ФДГ и снижение уровня НАДФН в отсроченный постгипоксический период сопровождалось формированием долгосрочного окислительного стресса в гиппокампе крыс, приводя к массированной клеточной гибели.
В связи с этим, ингибирование HIF1 перед ТГ, также, как и использование ПостК умеренной гипобарической гипоксией предположительно могли поспособствовать предотвращению патологии, индуцируемой тяжелой повреждающей гипоксией. В результате проведенных нами исследований установлено, что использование ингибитора HIF1 перед ТГ предотвращает краткосрочную стимуляцию этого транскрипционного фактора, нормализует работу ПФП, усиливая восстановление НАДФ и нивелируя окислительный стресс, способствуя снижению свободнорадикального окисления липидов и предотвращая запуск клеточной гибели по типу апоптоза. ПостК также стабилизирует функционирование ПФП, вероятно HIF1 -независимым путем, нормализует редокс статус, количество глутатиона и предотвращает развитие апоптотических процессов.
Функциональная значимость показанной нами роли ПФП в обеспечении защитных реакций мозга на последствия тяжелых форм гипоксии косвенно подтверждается недавно опубликованными данными о протективном эффекте введения НАДФН в ранний постинсультный период (Li et al., 2017). Полученные нами данные объясняют этиологию данного явления, расширяя современные представления о механизмах постгипоксических патологий и способствуя пониманию путей реализации антиапоптотического и антиоксидантного действия гипоксического посткондиционирования. Использование ингибиторов HIF1 в ранний постинсультный период, а также введение НАДФН пациентам, пережившим инсульт, может оказаться эффективной нейропротективной стратегией.



