zurniimtpeМедицина труда и промышленная экологияRussian Journal of Occupational Health and Industrial Ecology1026-94282618-8945FSBSI “Izmerov Research Institute of Occupational Health”10.31089/1026-9428-2021-61-3-181-186zurniimtpe-2675Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESЭкспрессия защитных белков и морфологические изменения в головном мозге крыс при длительном воздействии на организм пылиExpression of protective proteins and morphological changes in the rat brain after prolonged exposure to dusthttps://orcid.org/0000-0002-4797-7842ЖуковаАнна ГеннадьевнаZhukovaAnna G.

Зав. лаб. молекулярно-генетических и экспериментальных исследований ФГБНУ «НИИ КПГПЗ», д-р биол. наук, доцент.

e-mail: nyura_g@mail.ru

The Head of molecular-genetic and experimental research laboratory, Research Institute for Complex Problems of Hygiene and Occupational Diseases, Dr. of Sci. (Biol.), Associate Professor.

e-mail: nyura_g@mail.ru

nyura_g@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3692-2616БугаеваМ. С.BugaevaMaria S.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8292-4810КазицкаяА. С.KazitskayaAnastasiya S.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5821-3100БондаревО. И.BondarevOleg I.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1127-6980МихайловаН. Н.MikhailovaNadezhda N.noemail@neicon.ruФГБНУ «Научно-исследовательский институт комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний»; Новокузнецкий институт (филиал) ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет»РоссияResearch Institute for Complex Problems of Hygiene and Occupational Diseases; Novokuznetsk Institute (Branch Campus) of the "Kemerovo State University"Russian FederationФГБНУ «Научно-исследовательский институт комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний»РоссияResearch Institute for Complex Problems of Hygiene and Occupational DiseasesRussian Federation202120042021613181186Copyright © Жукова А.Г., Бугаева М.С., Казицкая А.С., Бондарев О.И., Михайлова Н.Н., 20212021Жукова А.Г., Бугаева М.С., Казицкая А.С., Бондарев О.И., Михайлова Н.Н.Zhukova A.G., Bugaeva M.S., Kazitskaya A.S., Bondarev O.I., Mikhailova N.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.journal-irioh.ru/jour/article/view/2675Введение

Введение. Ключевыми механизмами патологической реакции организма на угольно-пылевое воздействие являются гипоксия, чрезмерная активация свободнорадикальных процессов и структурно-метаболические нарушения в разных органах. В ответ на повреждающие воздействия включаются органоспецифические молекулярные механизмы защиты в виде изменения уровня белков с антигипоксическими (HIF-3α), шаперонными (HSP72) и антиоксидантными функциями (HOx-1 — гем-оксигеназа, Prx-1 — пероксиредоксин), высокий уровень которых способствует либо восстановлению функционального состояния клеток, либо свидетельствует о значительных повреждениях в тканях. Известно, что гипоксия и свободнорадикальные процессы приводят к серьёзному повреждению мозга и поведенческим расстройствам. К настоящему времени мало известно об экспрессии защитных белков, а также о морфологических изменениях в головном мозге в условиях длительного воздействия угольно-породной пыли на организм.

Цель исследования — в эксперименте изучить уровень внутриклеточных защитных белков HIF-3α, HSP72, HOx-1, Prx-1 и морфологические изменения в головном мозге в динамике длительного пылевого воздействия.

Материалы и методы

Материалы и методы. Эксперименты проведены на 60 белых крысах-самцах Вистар массой 200–250 г одного возраста. Пылевое воздействие моделировали методом динамической ингаляционной затравки крыс угольно-породной пылью (уголь газово-жирной марки) в интермиттирующем режиме в течение 12 недель. Проводили морфологические исследования головного мозга через 1, 3, 6, 9 и 12 недель пылевого воздействия. В цитозольной фракции ткани головного мозга методом Western-блот анализа определяли уровень экспрессии HIF-3α, HSP72, HOx-1 и Prx-1. В ткани головного мозга определяли активность свободнорадикальных процессов.

Результаты

Результаты. При длительном воздействии угольно-породной пыли на организм на морфологическом уровне в головном мозге выявлены изменения, свидетельствующие о развитии гипоксии и активации свободнорадикальных процессов: микроваскулярные нарушения, перицеллюлярный отёк, выраженные дистрофические повреждения нейронов, очаговые выпадения нейронов и активация глиальных клеток. Активация защитных белков HIF-3α, HSP72, HOx-1 и Prx-1 на ранних сроках (1–3 неделя) угольно-пылевого воздействия обеспечивала компенсацию свободнорадикальных процессов в нейронах головного мозга. Увеличение сроков пылевого воздействия больше 6 недель характеризовалось низким уровнем HSP72, но высоким HIF-3α и Prx-1, что свидетельствовало об усилении гипоксических и свободнорадикальных повреждений в головном мозге.

Выводы

Выводы. Полученные результаты расширяют представления о морфологических и молекулярных механизмах, происходящих в ткани головного мозга при длительном пылевом воздействии на организм, что имеет важное значение для разработки способов органоспецифической фармакологической коррекции.

Этика

Этика. Содержание, кормление и выведение животных из эксперимента проводили в соответствии с требованиями Приказа МЗ РФ «Об утверждении Правил надлежащей лабораторной практики» (№ 199н от 01.04.2016 г.), а также Руководством по содержанию и использованию лабораторных животных (Guide for the Care and Use of Laboratory Animals, 1996). На проведение исследования было получено разрешение биоэтического комитета Научно-исследовательского института комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний (протокол № 2 от 25 октября 2018 г.).

Introduction

Introduction. The fundamental mechanisms of the body's pathological reaction to coal and dust exposure are hypoxia, excessive activation of free radical processes, structural and metabolic disorders in various organs. Organ-specific molecular defense mechanisms begin to function in the form of changes in the level of proteins with antihypoxic (HIF-3a), chaperone (HSP72), and antioxidant functions (HOx-1 — heme-oxygenase, Prx-1 — peroxiredoxin) under damaging effects.

Its high level contributes to the restoration of cells' functional state or indicates significant damage in tissues. Hypoxia and free radical processes are known to lead to severe brain damage and behavioral disorders. To date, little is known about the expression of protective proteins and morphological changes in the brain under prolonged exposure to coal-rock dust on the body.

The study aimed to learn the level of intracellular protective proteins HIF-3a, HSP72, HOx-1, Prx-1, and morphological changes in the brain in the dynamics of long-term dust exposure.

Materials and methods

Materials and methods. Sixty white male Wistar rats weighing 200-250 g of the same age took part in the experiment. Dust exposure was modeled by way of dynamic inhalation priming of rats with coal-rock dust (coal of a gas-fat brand) in an intermittent mode for 12 weeks. We perform morphological studies of the brain after 1, 3, 6, 9, and 12 weeks of dust exposure. The cytosolic fraction of brain tissue researchers determined the expression level of HIF-3a, HSP72, HOx-1, and Prx-1 by Western blot analysis. We selected the activity of free radical processes in the brain tissue.

Results

Results. Long-term exposure to coal-rock dust on the body at the morphological level in the brain revealed changes that indicate the development of hypoxia and activation of free radical processes: microvascular disorders, pericellular edema, severe dystrophic damage to neurons, focal loss of neurons, activation of glial cells. Activation of the protective proteins HIF-3a, HSP72, HOx-1, and Prx-1 in the early stages (1–3 weeks) of coal-dust exposure provided compensation for free radical processes in brain neurons. An increase in the duration of dust exposure of more than six weeks influences a low level of HSP72, but high HIF-3a and Prx-1, indicating an increase in hypoxic and free radical damage brain.

Conclusions

Conclusions. The results obtained to expand the understanding of the morphological and molecular mechanisms that occur in the brain tissue during prolonged dust exposure to the body are essential for developing methods for organ-specific pharmacological correction.

Ethics

Ethics. We keep, fed and remove the animals from the experiment by the requirements of the guidelines of the Ministry of Health and Social Development of the Russian Federation "On Approval of the Rules of Laboratory Practice" (No. 199n of 01.04.2016), as well as the Guide for the Care and Use of Laboratory Animals (Guide for the Care and Use of Laboratory Animals, 1996). The study was approved by the Bioethical Committee of the Research Institute of Complex Problems of Hygiene and Occupational Diseases (Protocol No. 2 of October 25, 2018).

угольно-породная пыльголовной мозгморфологияHIF-3αHSP72HOx-1Prx-1coal-rock dustbrainmorphologyHIF-3αHSP72HOx-1Prx-1ReferencesЧеботарёв А.Г. Современные условия труда на горнодобывающих предприятиях и пути их нормализации. Горн. пром-сть. 2012; (2): 84-8.Chebotarev A.G. Current working environment at mines and ways of its improvement. Gornaya promyshlennost’. 2012; (2): 84–8 (in Russian).Коротенко О.Ю., Филимонов Е.С., Блажина О.Н., Уланова Е.В. Частота хронической общесоматической патологии у работников основных профессий угледобывающих предприятий юга Кузбасса. Мед. в Кузбассе. 2019; 18(4): 16-20.Korotenko O.Yu., Filimonov E.S., Blazhina O.N., Ulanova E.V. Frequency of chronic common somatic pathology in the workers of main professions of coal mining enterprises of the South of Kuzbass. Meditsina v Kuzbasse. 2019; 18(4): 16–20 (in Russian).Zakharenkov V.V., Mikhailova N.N., Zhdanova N.N., Gorokhova L.G., Zhukova A.G. Experimental study of the mechanisms of intracellular defense in cardiomyocytes associated with stages of anthracosilicosis development. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2015; 159(4): 431-5. https://doi.org/10.1007/s10517-015-2983-9Zakharenkov V.V., Mikhailova N.N., Zhdanova N.N., Gorokhova L.G., Zhukova A.G. Experimental study of the mechanisms of intracellular defense in cardiomyocytes associated with stages of anthracosilicosis development. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2015; 159(4): 431–5. https://doi.org/10.1007/s10517-015-2983-9Жукова А.Г., Казицкая А.С., Жданова Н.Н., Горохова Л.Г., Михайлова Н.Н., Сазонтова Т.Г. Роль дигидрокверцетина в молекулярных механизмах защиты миокарда при пылевой патологии. Мед. труда и пром. экол. 2020; 60(3): 178-83. https://doi.org/10.31089/1026-9428-2020-60-3-178-183Zhukova A.G., Kazitskaya A.S., Zhdanova N.N., Gorokhova L.G., Mikhailova N.N., Sazontova T.G. The role of dihydroquercetin in the molecular mechanisms of myocardial protection in dust-induced pathology. Med. truda i prom. ekol. 2020; 60(3): 178–83. https://doi.org/10.31089/1026-9428-2020-60-3-178-183 (in Russian)Zhukova A.G., Mikhailova N.N., Zhdanova N.N., Kazitskaya A.S., Bugaeva M.S. et al. Participation of free-radical processes in structural and metabolic disturbances in the lung tissues caused by exposure to coal-rock dust and their adaptogenic correction. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2020; 168(4): 439-43. http://dx.doi.org/10.1007/s10517-020-04727-7Zhukova A.G., Mikhailova N.N., Zhdanova N.N., Kazitskaya A.S., Bugaeva M.S. et al. Participation of free-radical processes in structural and metabolic disturbances in the lung tissues caused by exposure to coal-rock dust and their adaptogenic correction. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2020; 168 (4): 439–43. https://doi.org/10.1007/s10517-020-04727-7Строев С.А., Глущенко Т.С., Тюлькова Е.И., Миеттинен М.Т., Самойлов М.О. Многократная умеренная гипобарическая гипоксия индуцирует экспрессию тиоредоксина-1 в гиппокампе и неокортексе крыс. Нейрохимия. 2018; 35(1): 23-33. https://doi.org/10.7868/S1027813318010144Stroev S.A., Glushchenko T.S., Tyul’kova E.I., Miettinen M.T., Samoilov M.O. Multiple mild hypobaric hypoxia induces expression of thioredoxin-1 in the hippocampus and neocortex of rats. Neyrokhimiya. 2018; 35(1): 23–33. https://doi.org/10.7868/S1027813318010144 (in Russian)Новоселов В.И. Роль пероксиредоксинов при окислительном стрессе в органах дыхания. Пульмонология. 2012; (1): 83-7.Novoselov V.I. A role of peroxiredoxins in oxidative stress in the respiratory system. Pul’monologiya. 2012; (1): 83–7 (in Russian).Гарбуз Д.Г., Евгеньев М.Б. Эволюция генов теплового шока и характер экспрессии кодируемых ими белков у видов, обитающих в контрастных температурных условиях. Генетика. 2017; 53(1): 12-30. https://doi.org/10.7868/S0016675817010064Garbuz D.G., Evgen’ev M.B. The Evolution of Heat Shock Genes and Expression Patterns of Heat Shock Proteins in the Species from Temperature Contrasting Habitats. Genetika. 2017; 53(1): 12–30. https://doi.org/10.7868/S0016675817010064 (in Russian)Соседова Л.М., Новиков М.А., Титов Е.А., Рукавишников В.С. Оценка биологических эффектов воздействия наносеребра на ткань головного мозга экспериментальных животных. Мед. труда и пром. экол. 2015; (4): 26-30.Sosedova L.M., Novikov M.A., Titov E.A., Rukavishnikov V.S. Evaluation of biologic effects caused by nano-silver influence on brain tissue of experimental animals. Med. truda i prom. ekol. 2015; (4): 26–30 (in Russian).Semenza G.L. Hydroxylation of HIF-1: oxygen sensing at the molecular level. Physiology (Bethesda). 2004; 19: 176-82. https://doi.org/10.1152/physiol. 00001.2004Semenza G.L. Hydroxylation of HIF-1: oxygen sensing at the molecular level. Physiology (Bethesda). 2004; 19: 176–82. https://doi.org/10.1152/physiol. 00001.2004Баранова К.А., Рыбникова Е.А., Самойлов М.О. Динамика экспрессии HIF1α в мозге крыс на разных этапах формирования экспериментального посттравматического стрессового расстройства и его коррекция умеренной гипоксией. Нейрохимия. 2017; 34(2): 137-45. https://doi.org/10.7868/S1027813317020029Baranova K.A., Rybnikova E.A., Samoilov M.O. The dynamics of HIF-1α expression in the rat brain at different stages of experimental posttraumatic stress disorder and its correction with moderate hypoxia. Neyrokhimiya. 2017; 34(2): 137–45. https://doi.org/10.7868/S1027813317020029 (in Russian)Ravenna L., Salvatori L., Russo M. HIF3α: the little know. FEBS Journal; 2016; 283: 993-1003. https://doi.org/10.1111/febs.13572Ravenna L., Salvatori L., Russo M. HIF3α: the little know. FEBS Journal; 2016; 283: 993–1003. https://doi.org/10.1111/febs.13572Pasanen A., Heikkilä M., Rautavuoma K., Hirsilä M., Kivirikko K.I., Myllyharju J. Hypoxia-Inducible Factor (HIF)-3alfa is subject to extensive alternative splicing in human tissues and cancer cells and is regulated by HIF-1 but not HIF-2. J. Biochem. Cell. Biol. 2010; 42(7): 1189-1200. https://doi.org/10.1016/j.biocel.2010.04.008Pasanen A., Heikkilä M., Rautavuoma K., Hirsilä M., Kivirikko K.I., Myllyharju J. Hypoxia-Inducible Factor (HIF)-3alfa is subject to extensive alternative splicing in human tissues and cancer cells and is regulated by HIF-1 but not HIF-2. J. Biochem. Cell. Biol. 2010; 42(7): 1189–200. https://doi.org/10.1016/j.biocel.2010.04.008Duan C. Hypoxia-inducible factor 3 biology: Complexities and emerging themes. Am J Physiol Cell Physiol. 2016; 310(4): C260-9. https://doi.org/10.1152/ajpcell.00315.2015Duan C. Hypoxia-inducible factor 3 biology: Complexities and emerging themes. Am J Physiol Cell Physiol. 2016; 310(4): C260–9. https://doi.org/10.1152/ajpcell.00315.2015Tolonen J.-P., Heikkilä M., Malinen M., Lee H.-M., Palvimo J.J., Wei G.-H., Myllyharju J. A long hypoxia-inducible factor 3 isoform 2 is a transcription activator that regulates erythropoietin. Cell. Mol. Life Sci. 2020; 77: 3627-42. https://doi.org/10.1007/s00018-019-03387-9Tolonen J.-P., Heikkilä M., Malinen M., Lee H.-M., Palvimo J.J., Wei G.-H., Myllyharju J. A long hypoxia-inducible factor 3 isoform 2 is a transcription activator that regulates erythropoietin. Cell. Mol. Life Sci. 2020; 77: 3627–42. https://doi.org/10.1007/s00018-019-03387-9Шарапов М.Г., Равин В.К., Новоселов В.И. Пероксиредоксины - многофункциональные ферменты. Молекулярная биология. 2014; 48(4): 600-28. https://doi.org/10.7868/S0026898414040120Sharapov M.G., Ravin V.K., Novoselov V.I. Peroxiredoxins as multifunctional enzymes. Molekulyarnaya biologiya. 2014; 48(4): 600–28. https://doi.org/10.7868/S0026898414040120 (in Russian)Neumann C.A., Cao J., Manevich Ye. Peroxiredoxin 1 and its role in cell signaling. Cell Cycle. 2009; 8(24): 4072-78. https://doi.org/10.4161/cc.8.24.10242Neumann C.A., Cao J., Manevich Ye. Peroxiredoxin 1 and its role in cell signaling. Cell Cycle. 2009; 8(24): 4072–78. https://doi.org/10.4161/cc.8.24.10242Горохова Л.Г., Бугаева М.С., Уланова Е.В., Фоменко Д.В., Кизиченко Н.В., Михайлова Н.Н.: Способ затравки лабораторных животных пылью промышленного происхождения для моделирования силикоза. Патент № 2546096 Рос. Федерация; 2015.Gorokhova L.G., Bugaeva M.S., Ulanova E.V., Fomenko D.V., Kizichenko N.V., Mikhailova N.N. Method of priming laboratory animals with industrial dust for modeling silicosis. Patent № 2546096; 2015 (in Russian).Архипенко Ю.В., Диденко В.В., Сазонтова Т.Г., Меерсон Ф.З. Сравнительная оценка влияния иммобилизационного стресса на динамику устойчивости к индукции перекисного окисления липидов внутренних органов и головного мозга. Доклады АН СССР. 1989; 304(6): 1500-03.Arkhipenko Yu.V., Didenko V.V., Sazontova T.G., Meerson F.Z. Comparative assessment of the effect of immobilization stress on the dynamics of resistance to induction of lipid peroxidation of internal organs and the brain. Doklady AN SSSR. 1989; 304(6): 1500–3 (in Russian).Kikugava K., Kojima T., Yamaki S. et al. Interpretation of the thiobarbituric acid reactivity of rat liver and brain homogenates in the presence of ferric ion and ethylenediaminetetraacetic acid. Anal. Biochem. 1992; 202: 249-55. https://doi.org/10.1016/0003-2697(92)90102-dKikugava K., Kojima T., Yamaki S. et al. Interpretation of the thiobarbituric acid reactivity of rat liver and brain homogenates in the presence of ferric ion and ethylenediaminetetraacetic acid. Anal. Biochem. 1992; 202: 249–55. https://doi.org/10.1016/0003-2697(92)90102-dReeg S., Jung T., Castro J.P., Davies K.J.A., Henze A., Grune T. The molecular chaperone Hsp70 promotes the proteolytic removal of oxidatively damaged proteins by the proteasome. Free Radic. Biol. Med. 2016; 99: 153-66. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2016.08.002Reeg S., Jung T., Castro J.P., Davies K.J.A., Henze A., Grune T. The molecular chaperone Hsp70 promotes the proteolytic removal of oxidatively damaged proteins by the proteasome. Free Radic. Biol. Med. 2016; 99: 153–66. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2016.08.002Сазонтова Т.Г., Глазачев О.С., Болотова А.В., Дудник Е.Н., Стряпко Н.В., Бедарева И.В., Анчишкина Н.А., Архипенко Ю.В. Адаптация к гипоксии и гипероксии повышает физическую выносливость: роль активных форм кислорода и редокс сигнализации. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2012; 98(6): 793-807.Sazontova T.G., Glazachev O.S., Bolotova A.V., Dudnik E.N., Stryapko N.V., Bedareva I.V., Anchishkina N.A., Arhipenko Yu.V. Adaptation to hypoxia and hyperoxia improves physical endurance: the role of reactive oxygen species and redox-signaling (Experimental and Applied Study). Rossiyskiy fiziologicheskiy zhurnal im. I.M. Sechenova. 2012; 98(6): 793–807 (in Russian).Nakaso K., Kitayama M., Mizuta E., Fukuda H., Ishii T., Nakashima K., Yamada K. Co-induction of heme oxygenase-1 and peroxiredoxin I in astrocytes and microglia around hemorrhagic region in the rat brain. Neurosci. Lett. 2000; 293: 49-52.Nakaso K., Kitayama M., Mizuta E., Fukuda H., Ishii T., Nakashima K., Yamada K. Co-induction of heme oxygenase-1 and peroxiredoxin I in astrocytes and microglia around hemorrhagic region in the rat brain. Neurosci. Lett. 2000; 293: 49–52.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.