Экспрессия защитных белков и морфологические изменения в головном мозге крыс при длительном воздействии на организм пыли

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. 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. 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. 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. 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.).

1. Чеботарёв А.Г. Современные условия труда на горнодобывающих предприятиях и пути их нормализации. Горн. пром-сть. 2012; (2): 84-8.

2. 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.

3. 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/s10517-015-2983-9

4. Жукова 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/10.31089/1026-9428-2020-60-3-178-183

5. 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. https://doi.org/10.1007/s10517-020-04727-7

6. Строев 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/S1027813318010144

7. Новоселов В.И. Роль пероксиредоксинов при окислительном стрессе в органах дыхания. Пульмонология. 2012; (1): 83-7.

8. 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/S0016675817010064

9. 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.

10. 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. 00001.2004

11. Баранова 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/S1027813317020029

12. Ravenna L., Salvatori L., Russo M. HIF3α: the little know. FEBS Journal; 2016; 283: 993-1003. https://doi.org/10.1111/febs.13572

13. Pasanen 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.2010.04.008

14. Duan 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.00315.2015

15. Tolonen 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/s00018-019-03387-9

16. Шарапов М.Г., Равин В.К., Новоселов В.И. Пероксиредоксины - многофункциональные ферменты. Молекулярная биология. 2014; 48(4): 600-28. https://doi.org/10.7868/S0026898414040120

17. 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.8.24.10242

18. Горохова 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.

19. 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.

20. 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-d

21. Reeg 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.2016.08.002

22. Сазонтова 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.

23. 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.