БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 5, с. 711–723
УДК 577.152.315
Мелатонин улучшает сниженную активность мембранных АТФаз и сохраняет ультраструктуру серого и белого вещества в модели ишемии/реперфузии головного мозга крыс
1 Department of Physiology, Hacettepe University Faculty of Medicine, 06100 Ankara, Turkey
2 Department of Anatomy, Koç University School of Medicine, 34450 Istanbul, Turkey
3 Department of Medical Biology, Faculty of Medicine, Yeditepe University, 34755 Istanbul, Turkey
Поступила в редакцию 11.11.2020
После доработки 22.03.2021
Принята к публикации 22.03.2021
DOI: 10.31857/S0320972521050079
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: малоновый диальдегид, мелатонин, Na+-K+/Mg2+-АТФаза, Ca2+/Mg2+-АТФаза, реперфузионное повреждение.
Аннотация
Ишемия/реперфузия (И/Р) является одной из наиболее частых неврологических проблем, и раннее вмешательство имеет решающее значение для снижения повреждений, уменьшения уровня смертности и заболеваемости. Основываясь на сообщениях о благотворном влиянии мелатонина, мы исследовали его влияние на активность Na+-K+/Mg2+-АТФазы и Ca2+/Mg2+-АТФазы, а также на ультраструктуру серого и белого вещества переднего мозга крыс в И/Р-модели. Взрослые крысы-альбиносы линии Wistar (n = 78) были случайным образом разделены на группы: контрольная, ишемия (И), ишемия/реперфузия (И/Р), группы с низкой (И/Р + мелатонин 400 мкг/кг), умеренной (И/Р + мелатонин 1200 мкг/кг) и высокой (И/Р + мелатонин 2400 мкг/кг) дозой мелатонина. Были проведены двухсосудистая окклюзия в сочетании с гипотонией (15 мин), индуцированной ишемией, и реперфузия (75 мин), достигнутая реинфузией крови. Была исследована активность мембраносвязанных ферментов, уровень малонового диальдегида в мозге и ультраструктура мозгового вещества в лобно-теменной коре. Мелатонин дозозависимо снижает выработку малонового диальдегида. Активность ферментов, ослабленная при И и И/Р, повышалась при введении мелатонина. И и И/Р серьёзно нарушали морфологию серого и белого мозгового вещества. Мелатонин во всех применяемых дозах уменьшал повреждения ультраструктуры как в сером, так и в белом веществе. Благоприятное действие мелатонина можно объяснить его антиоксидантными свойствами, предполагающими, что он может быть перспективным нейропротекторным агентом против повреждений, вызванных И/Р, эффективным как для серого, так и для белого вещества благодаря благоприятным биологическим свойствам.
Текст статьи
Сноски
* Адресат для корреспонденции.
Благодарности
Авторы благодарны профессору З. Дикле Балканчи, доктору медицины, профессору физиологии на пенсии, за её критический вклад в исследование, а также профессору А. Эргуну Караагаоглу, доктору философии, профессору биостатистики, за его участие в статистическом анализе.
Вклад авторов
Все авторы внесли свой вклад в концепцию и дизайн исследования. Подготовка материалов, сбор данных и анализ были выполнены Мельтемом Тунсером и Билге Пехливаноглу. Ультраструктурный анализ был выполнен Сельчук Суруджу, а биохимические измерения были выполнены Тургай Исбир. Первый вариант рукописи был написан Мельтемом Тунсером и Билге Пехливаноглу; все авторы внесли свои комментарии в предыдущие версии рукописи. Все авторы прочитали и одобрили окончательную рукопись.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в финансовой или иной сфере.
Соблюдение этических норм
Были соблюдены все применимые международные, национальные и/или институциональные инструкции по уходу и использованию животных.
Список литературы
1. Lee, R. H. C., Lee, M. H. H., Wu, C. Y. C., Couto, E. S. A., Possoit, H. E., et al. (2018) Cerebral ischemia and neuroregeneration, Neural Regen. Res., 13, 373-385, doi: 10.4103/1673-5374.228711.
2. Granger, D. N., and Kvietys, P. R. (2015) Reperfusion injury and reactive oxygen species: the evolution of a concept, Redox Biol., 6, 524-551, doi: 10.1016/j.redox.2015.08.020.
3. Li, Y., and Yang, G.-Y. (2017) Pathophysiology of ischemic stroke, in Translational Research in Stroke (Lapchak, P. A., and Yang, G.-Y., eds.) 1st Edn., Springer Singapore, pp. 51-75.
4. Kalogeris, T., Baines, C. P., Krenz, M., and Korthuis, R. J. (2012) Cell biology of ischemia/reperfusion injury, Int. Rev. Cell. Mol. Biol., 298, 229-317, doi: 10.1016/b978-0-12-394309-5.00006-7.
5. Godinho, J., de Sa-Nakanishi, A. B., Moreira, L. S., de Oliveira, R. M. W., Huzita, C. H., et al. (2018) Ethyl-acetate fraction of Trichilia catigua protects against oxidative stress and neuroinflammation after cerebral ischemia/reperfusion, J. Ethnopharmacol., 221, 109-118, doi: 10.1016/j.jep.2018.04.018.
6. Phaniendra, A., Jestadi, D. B., and Periyasamy, L. (2015) Free radicals: properties, sources, targets, and their implication in various diseases, Indian J. Clin. Biochem., 30, 11-26, doi: 10.1007/s12291-014-0446-0.
7. Rodrigo, R., Fernández-Gajardo, R., Gutiérrez, R., Matamala, J. M., Carrasco, R., et al. (2013) Oxidative stress and pathophysiology of ischemic stroke: novel therapeutic opportunities, CNS Neurol. Disord. Drug Targets, 12, 698-714, doi: 10.2174/1871527311312050015.
8. Weston, R. M., Jones, N. M., Jarrott, B., and Callaway, J. K. (2007) Inflammatory cell infiltration after endothelin-1-induced cerebral ischemia: histochemical and myeloperoxidase correlation with temporal changes in brain injury, J. Cereb. Blood Flow Metab., 27, 100-114, doi: 10.1038/sj.jcbfm.9600324.
9. Ma, Z., Xin, Z., Di, W., Yan, X., Li, X., et al. (2017) Melatonin and mitochondrial function during ischemia/ reperfusion injury, Cell. Mol. Life Sci., 74, 3989-3998, doi: 10.1007/s00018-017-2618-6.
10. Hu, S., Zhu, P., Zhou, H., Zhang, Y., and Chen, Y. (2018) Melatonin-induced protective effects on cardiomyocytes against reperfusion injury partly through modulation of IP3R and SERCA2a via activation of ERK1, Arq. Bras. Cardiol., 110, 44-51, doi: 10.5935/abc.20180008.
11. Lin, Y. W., Chen, T. Y., Hung, C. Y., Tai, S. H., Huang, S. Y., et al. (2018) Melatonin protects brain against ischemia/reperfusion injury by attenuating endoplasmic reticulum stress, Int. J. Mol. Med., 42, 182-192, doi: 10.3892/ijmm.2018.3607.
12. Blanco, S., Hernández, R., Franchelli, G., Ramos-Álvarez, M. M., and Peinado, M. (2017) Melatonin influences NO/NOS pathway and reduces oxidative and nitrosative stress in a model of hypoxic-ischemic brain damage, Nitric Oxide, 62, 32-43, doi: 10.1016/j.niox.2016.12.001.
13. Yawno, T., Mahen, M., Li, J., Fahey, M. C., Jenkin, G., and Miller, S. L. (2017) The beneficial effects of melatonin administration following hypoxia-ischemia in preterm fetal sheep, Front. Cell Neurosci., 11, 296, doi: 10.3389/fncel.2017.00296.
14. Chakravarty, S., and Rizvi, S. I. (2011) Circadian modulation of sodium-potassium ATPase and sodium – proton exchanger in human erythrocytes: in vitro effect of melatonin, Cell Mol. Biol. (Noisy-le-Grand), 57, 80-86.
15. Toklu, H. Z., Deniz, M., Yuksel, M., and Keyer-Uysal, M. (2009) The protective effect of melatonin and amlodipine against cerebral ischemia/reperfusion-induced oxidative brain injury in rats, Marmara Med. J., 22, 34-44.
16. Hoffmann, U., Sheng, H., Ayata, C., and Warner, D. S. (2016) Anesthesia in experimental stroke research, Transl. Stroke Res., 7, 358-367, doi: 10.1007/s12975-016-0491-5.
17. Smith, M. L., Bendek, G., Dahlgren, N., Rosén, I., Wieloch, T., and Siesjö, B. K. (1984) Models for studying long-term recovery following forebrain ischemia inthe rat. 2. A 2-vessel occlusion model, Acta Neurol. Scand., 69, 385-401, doi: 10.1111/j.1600-0404.1984.tb07822.x.
18. Ildan, F., Oner, A., Polat, S., Isbir, T., Göçer, A. I., et al. (1995) Correlation of alterations on Na+-K+/Mg+2 ATPase activity, lipid peroxidation and ultrastructural findings following experimental spinal cord injury with and without intravenous methylprednisolone treatment, Neurosurg. Rev., 18, 35-44, doi: 10.1007/bf00416476.
19. Ildan, F., Göçer, A. I., Tuna, M., Polat, S., Kaya, M., et al. (2001) The effects of the pre-treatment of intravenous nimodipine on Na+-K+/Mg+2 ATPase, Ca+2/Mg+2 ATPase, lipid peroxidation and early ultrastructural findings following middle cerebral artery occlusion in the rat, Neurol. Res., 23, 96-104, doi: 10.1179/016164101101198208.
20. Reading, H. W., and Isbir, T. (1980) The role of cation-activated ATPases in transmitter release from the rat iris, Q. J. Exp. Physiol. Cogn. Med. Sci., 65, 105-116, doi: 10.1113/expphysiol.1980.sp002495.
21. Peterson, M. E., Daniel, R. M., Danson, M. J., and Eisenthal, R. (2007) The dependence of enzyme activity on temperature: determination and validation of parameters, Biochem. J., 402, 331-337, doi: 10.1042/bj20061143.
22. Atkinson, A., Gatenby, A. D., and Lowe, A. G. (1973) The determination of inorganic orthophosphate in biological systems, Biochim. Biophys. Acta, 320, 195-204, doi: 10.1016/0304-4165(73)90178-5.
23. Reading, H. W., and Isbir, T. (1979) Action of lithium on ATPases in the rat iris and visual cortex, Biochem. Pharmacol., 28, 3471-3474, doi: 10.1016/0006-2952(79)90089-3.
24. Lowry, O. H., Rosebrough, N. J., Farr, A. L., and Randall, R. J. (1951) Protein measurement with the Folin phenol reagent, J. Biol. Chem., 193, 265-275.
25. Görgülü, A., Palaoğlu, S., Ismailoğlu, O., Tuncel, M., Sürücü, M. T., et al. (2001) Effect of melatonin on cerebral edema in rats, Neurosurgery, 49, 1434-1442, doi: 10.1097/00006123-200112000-00024.
26. Kaptanoglu, E., Palaoglu, S., Surucu, H. S., Hayran, M., and Beskonakli, E. (2002) Ultrastructural scoring of graded acute spinal cord injury in the rat, J. Neurosurg., 97, 49-56, doi: 10.3171/spi.2002.97.1.0049.
27. Lee, M. Y., Kuan, Y. H., Chen, H. Y., Chen, T. Y., Chen, S. T., et al. (2007) Intravenous administration of melatonin reduces the intracerebral cellular inflammatory response following transient focal cerebral ischemia in rats, J. Pineal Res., 42, 297-309, doi: 10.1111/j.1600-079X.2007.00420.x.
28. Ramis, M. R., Esteban, S., Miralles, A., Tan, D. X., and Reiter, R. J. (2015) Protective effects of melatonin and mitochondria-targeted antioxidants against oxidative stress: a review, Curr. Med. Chem., 22, 2690-2711, doi: 10.2174/0929867322666150619104143.
29. Cervantes, M., Moralí, G., and Letechipía-Vallejo, G. (2008) Melatonin and ischemia-reperfusion injury of the brain, J. Pineal Res., 45, 1-7, doi: 10.1111/j.1600-079X.2007.00551.x.
30. Gim, S. A., and Koh, P. O. (2015) Melatonin attenuates hepatic ischemia through mitogen-activated protein kinase signaling, J. Surg. Res., 198, 228-236, doi: 10.1016/j.jss.2015.05.043.
31. Santofimia-Castaño, P., Clea Ruy, D., Garcia-Sanchez, L., Jimenez-Blasco, D., Fernandez-Bermejo, M., et al. (2015) Melatonin induces the expression of Nrf2-regulated antioxidant enzymes via PKC and Ca2+ influx activation in mouse pancreatic acinar cells, Free Radic. Biol. Med., 87, 226-236, doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2015.06.033.
32. Reiter, R. J., Sainz, R. M., Lopez-Burillo, S., Mayo, J. C., Manchester, L. C., and Tan, D. X. (2003) Melatonin ameliorates neurologic damage and neurophysiologic deficits in experimental models of stroke, Ann. N.Y. Acad. Sci., 993, 35-47, doi: 10.1111/j.1749-6632.2003.tb07509.x.
33. Tütüncüler, F., Eskiocak, S., Başaran, U. N., Ekuklu, G., Ayvaz, S., and Vatansever, U. (2005) The protective role of melatonin in experimental hypoxic brain damage, Pediatr. Int., 47, 434-439, doi: 10.1111/j.1442-200x.2005.02085.x.
34. Reiter, R. J., Tan, D. X., Leon, J., Kilic, U., and Kilic, E. (2005) When melatonin gets on your nerves: its beneficial actions in experimental models of stroke, Exp. Biol. Med. (Maywood), 230, 104-117, doi: 10.1177/153537020523000205.
35. Tan, D. X., Manchester, L. C., Terron, M. P., Flores, L. J., and Reiter, R. J. (2007) One molecule, many derivatives: a never-ending interaction of melatonin with reactive oxygen and nitrogen species? J. Pineal Res., 42, 28-42, doi: 10.1111/j.1600-079X.2006.00407.x.
36. De Lores Arnaiz, G. R., and Ordieres, M. G. (2014) Brain Na+,K+-ATPase activity in aging and disease, Int. J. Biomed. Sci., 10, 85-102.
37. Harris, J. J., and Attwell, D. (2012) The energetics of CNS white matter, J. Neurosci., 32, 356-371, doi: 10.1523/jneurosci.3430-11.2012.
38. Domercq, M., Sánchez-Gómez, M. V., Sherwin, C., Etxebarria, E., Fern, R., and Matute, C. (2007) System xc- and glutamate transporter inhibition mediates microglial toxicity to oligodendrocytes, J. Immunol., 178, 6549-6556, doi: 10.4049/jimmunol.178.10.6549.
39. Micu, I., Jiang, Q., Coderre, E., Ridsdale, A., Zhang, L., et al. (2006) NMDA receptors mediate calcium accumulation in myelin during chemical ischaemia, Nature, 439, 988-992, doi: 10.1038/nature04474.
40. Wang, Y., Liu, G., Hong, D., Chen, F., Ji, X., and Cao, G. (2016) White matter injury in ischemic stroke, Prog. Neurobiol., 141, 45-60, doi: 10.1016/j.pneurobio.2016.04.005.
41. Matute, C., Domercq, M., Pérez-Samartín, A., and Ransom, B. R. (2013) Protecting white matter from stroke injury, Stroke, 44, 1204-1211, doi: 10.1161/strokeaha.112.658328.
42. Pappas, B. A., Davidson, C. M., Bennett, S. A., de la Torre, J. C., Fortin, T., and Tenniswood, M. P. (1997) Chronic ischemia: memory impairment and neural pathology in the rat, Ann. N.Y. Acad. Sci., 826, 498-501, doi: 10.1111/j.1749-6632.1997.tb48512.x.
43. Sozmen, E. G., Kolekar, A., Havton, L. A., and Carmichael, S. T. (2009) A white matter stroke model in the mouse: axonal damage, progenitor responses and MRI correlates, J. Neurosci. Methods, 180, 261-272, doi: 10.1016/j.jneumeth.2009.03.017.
44. Rossi, D. J., Brady, J. D., and Mohr, C. (2007) Astrocyte metabolism and signaling during brain ischemia, Nat. Neurosci., 10, 1377-1386, doi: 10.1038/nn2004.
45. Nedergaard, M., and Dirnagl, U. (2005) Role of glial cells in cerebral ischemia, Glia, 50, 281-286, doi: 10.1002/glia.20205.
46. Sekerdag, E., Solaroglu, I., and Gursoy-Ozdemir, Y. (2018) Cell death mechanisms in stroke and novel molecular and cellular treatment options, Curr. Neuropharmacol., 16, 1396-1415, doi: 10.2174/1570159×16666180302115544.