Влияние ксенона на фосфорилирование киназы гликогенсинтазы-3ẞ и антиоксидантные ферменты в мозге крыс

Актуальность. Увеличение числа тяжелых повреждений головного мозга вследствие инсульта и черепно-мозговой травмы определяет необходимость изучения и разработки эффективных стратегий нейропротекции. В статье освещены новые механизмы нейропротекторного действия ингаляционного анестетика ксенона по данным собственных экспериментальных исследований.

Цель исследования. Оценить влияние наркоза ксеноном в концентрации 0,5 МАК (минимальная альвеолярная концентрация) на фосфорилирование киназы гликогенсинтазы-3β (ГСК-3β) и содержание ферментов антиоксидантной защиты в головном мозге крыс.

Материал и методы. Проведено изучение влияния ингаляционного наркоза ксеноном на фосфорилирование фермента ГСК-3β в сравнении с таковым хлорида лития, а также на содержание гемоксигеназы, каталазы и Mn-супероксиддисмутазы в гомогенатах головного мозга крыс методом иммуноблоттинга.

Результаты. Применение ксенона в концентрации 0,5 МАК вызывает почти двукратный рост содержания фосфорилированной формы фермента ГСК-3β по сравнению с контролем (р<0,05) и значимо увеличивает пул ферментов антиоксидантной защиты: гемоксигеназы на 50% (р<0,05) и Mn-супероксиддисмутазы на 60% (р<0,05).

Заключение. Проведенное экспериментальное исследование выявило новые молекулярные механизмы действия ингаляционного анестетика ксенона. Обнаружено влияние ксенона на пул ферментов, участвующих в защите мозга от окислительного дистресса. Полученные данные указывают на перспективность использования ксенона и требуют дальнейших исследований в данном направлении. выводы Применение ксенона в концентрации 50 об.% (0,5 МАК) в течение 30 минут не влияет на содержание фермента гликогенсинтазы-3β, в то же время вызывая почти двукратный рост его фосфорилированной формы — фермента гликогенсинтазы-3β, и сопровождается значимым увеличением содержания гемоксигеназы, Mn-супероксиддисмутазы и незначительным увеличением содержания каталазы в гомогенатах головного мозга крыс. Таким образом, результаты исследования позволяют предположить, что одним из возможных механизмов нейропротекторного действия ксенона является фосфорилирование гликогенсинтазы-3β, которое препятствует открытию митохондриальной поры, тормозя опосредованный гибелью митохондрий апоптоз нейронов и увеличивая в них уровень антиоксидантной защиты.

1. Виленский Б.С., Яхно Н.Н. Современное состояние проблемы инсульта. Вестник Российской АМН. 2006; (9–10):18–23.

2. Шевченко Е.В., Рамазанов Г.Р., Петриков С.С. Причины головокружения у больных с подозрением на острое нарушение мозгового кровообращения. Журнал им. Н.В. Склифосовского «Неот- ложная медицинская помощь». 2018;7(3):217–221. https://doi.org/10.23934/2223-9022-2018-7-3-217-221

3. Пирадов М.А., Крылов В.В., Белкин А.А., Петриков С.С. Инсульты. В кн.: Б.Р. Гельфанд, И.Б. Заболотских (ред.) Интенсивная терапия. Национальное руководство. Москва: ГЭОТАР-Медиа; 2017. Гл. 2. с. 288–309.

4. Крылов В.В., Петриков С.С., Талыпов А.Э., Пурас Ю.В., Солодов А.А., Левченко О.В. и др. Современные принципы хирургии тяжелой черепно-мозговой травмы. Журнал им. Н.В. Склифосовского «Неотложная медицинская помощь». 2013;(4):39–47.

5. Hackenberg K, Unterberg A. Schädel-Hirn-Trauma. Nervenarzt. 2016;87(2):203–216. PMID: 26810405 https://doi.org/10.1007/s00115-015-0051-3

6. Vella MA, Crandall ML, Patel MB. Acute Management of Traumatic Brain Injury. Surg Clin North Am. 2017;97(5):1015–1030. PMID: 28958355 https://doi.org/10.1016/j.suc.2017.06.003

7. Шабанов А.К., Картавенко В.И., Петриков С.С., Марутян З.Г., Разумный П.А., Черненькая Т.В. и др. Тяжелая сочетанная черепно- мозговая травма: особенности клинического течения и исходы. Журнал им. Н.В. Склифосовского «Неотложная медицинская помощь». 2017;6(4):324–330. https://doi.org/10.23934/2223-9022-2017-6-4-324-330

8. Janowitz T, Menon DK. Exploring new routes for neuroprotective drug development in traumatic brain injury. Sci Transl Med. 2010;2(27):27rv1. PMID: 20393189 https://doi.org/10.1126/scitranslmed.3000330

9. Острова И.В., Гребенчиков О.А., Голубева Н.В. Нейропротективное действие хлорида лития на модели остановки сердца у крыс (экспериментальное исследование). Общая реаниматология. 2019;15(3):73–82. https://doi.org/10.15360/1813-9779-2019-3-73-82

10. Campos-Pires R, Koziakova M, Yonis A, Pau A, Macdonald W, Harris K, et al. Xenon Protects against Blast-Induced Traumatic Brain Injury in an In Vitro Model. J Neurotrauma. 2018;35(8):1037–1044. PMID: 29285980 https://doi.org/10.1089/neu.2017.5360

11. Lavaur J, Le Nogue D, Lemaire M, Pype J, Farjot G, Hirsch EC, et al. The noble gas xenon provides protection and trophic stimulation to midbrain dopamine neurons. J Neurochem. 2017;142(1):14–28. PMID: 28398653 https://doi.org/10.1111/jnc.14041

12. Miao YF, Peng T, Moody MR, Klegerman ME, Aronowski J, Grotta J, et al. Delivery of xenon-containing echogenic liposomes inhibits early brain injury following subarachnoid hemorrhage. Sci Rep. 2018;8(1):450. PMID: 29323183 https://doi.org/10.1038/s41598-017-18914-6

13. Yang YW, Wang YL, Lu JK, Klegerman ME, Aronowski J, Grotta J, et al. Delayed xenon post-conditioning mitigates spinal cord ischemia/ reperfusion injury in rabbits by regulating microglial activation and inflammatory factors. Neural Regen Res. 2018;13(3):510–517. PMID: 29623938 https://doi.org/10.4103/1673-5374.228757

14. Veldeman M, Coburn M, Rossaint R, Clusmann H, Nolte K, Kremer B, et al. Xenon Reduces Neuronal Hippocampal Damage and Alters the Pattern of Microglial Activation after Experimental Subarachnoid Hemorrhage: A Randomized Controlled Animal Trial. Front Neurol. 2017;8:511. PMID: 29021779 https://doi.org/10.3389/fneur.2017.00511

15. Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. 3-е изд. Москва: БИНОМ. Лаборатория знаний; 2015. Т. 2. с. 233.

16. Lawrence JH, Loomis WF, Tobias CA, Turpin FH. Preliminary observations on the narcotic effect of xenon with a review of values for solubilities of gases in water and oils. J Physiol. 1946;105(3):197–204. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1946.sp004164

17. Cullen SC, Gross EG. The anesthetic properties of xenon in animals and human beings, with additional observations on krypton. Science. 1951;113(2942):580-582. PMID: 14834873 https://doi.org/10.1126/science.113.2942.580

18. Буров Н.Е., Потапов В.Н., Макеев Г.Н. Ксенон в анестезиологии. Москва: Пульс; 2000.

19. Wilhelm S, Ma D, Maze M, Franks NP. Effects of xenon on in vitro and in vivo models of neuronal injury. Anesthesiology. 2002;96(6):1485–1491. PMID: 12170064 https://doi.org/10.1097/00000542-200206000-00031

20. Homi HM, Yokoo N, Ma D, Warner DS, Franks NP, Maze M, et al. The neuroprotective effect of xenon administration during transient middle cerebral artery occlusion in mice. Anesthesiology. 2003;99(4):876–881. PMID: 14508320 https://doi.org/10.1097/00000542-200310000-00020

21. Banks P, Franks NP, Dickinson R. Competitive inhibition at the glycine site of the N-methyl-D-aspartate receptor mediates xenon neuroprotection against hypoxia-ischemia. Anesthesiology. 2010;112(3):614–622. PMID: 20124979 https://doi.org/10.1097/ALN.0b013e3181cea398

22. Franks NP, Dickinson R, de Sousa SL, Hall AS, Lieb WR. How does xenon produce anaesthesia? Nature. 1998;396(6709):324. PMID: 9845069 https://doi.org/10.1038/24525

23. Huang H, Liu S, Kornberg TB. Glutamate signaling at cytoneme synapses. Science. 2019;363(6430):948–955. PMID: 30819957 https://doi.org/10.1126/science.aat5053

24. Kaneko Y, Tuazon JP, Ji X, Borlongan CV. Pituitary Adenylate Cyclase Activating Polypeptide Elicits Neuroprotection Against Acute Ischemic Neuronal Cell Death Associated with NMDA Receptors. Cell Physiol Biochem. 2018;51(4):1982–1995. PMID: 30513524 https://doi.org/10.1159/000495722

25. Liu Y, Li AQ, Ma W, Gao YB, Deng LQ, Zhang C, et al. Limb Remote Ischemic Preconditioning Reduces Repeated Ketamine Exposure- Induced Adverse Effects in the Developing Brain of Rats. J Mol Neurosci. 2019;68(1):58–65. PMID: 30847723 https://doi.org/10.1007/s12031-019-01282-3

26. Andreasen SR, Lundbye CJ, Christensen TB, Thielsen KD, Schmitt- John T, Holm MM. Excitatory-inhibitory imbalance in the brain of the wobbler mouse model of amyotrophic lateral sclerosis substantiated by riluzole and diazepam. Neurosci Lett. 2017;658:85–90. PMID: 28823891 https://doi.org/10.1016/j.neulet.2017.08.033

27. Ladak AA, Enam SA, Ibrahim MT. A Review of the Molecular Mechanisms of Traumatic Brain Injury. World Neurosurg. 2019;131:126–132. PMID: 31301445 https://doi.org/10.1016/j.wneu.2019.07.039

28. Kim UJ, Lee BH, Lee KH. Neuroprotective effects of a protein tyrosine phosphatase inhibitor against hippocampal excitotoxic injury. Brain Res. 2019;1719:133–139. PMID: 31128098 https://doi.org/10.1016/j.brainres.2019.05.027

29. Bakthavachalam P, Shanmugam PST. Mitochondrial dysfunction – Silent killer in cerebral ischemia. J Neurol Sci. 2017;375:417–423. PMID: 28320180 https://doi.org/10.1016/j.jns.2017.02.043

30. Laitio R, Maze M. Xenon limits brain damage following cardiac arrest. ICU Management & Practice. 2018;18(3):192–195.

31. Wang H, Kumar A, Lamont RJ, Scott DA. GSK3β and the control of infectious bacterial diseases. Trends Microbiol. 2014;22(4):208–217. PMID: 24618402 https://doi.org/10.1016/j.tim.2014.01.009

32. Ko R, Lee SY. Glycogen synthase kinase 3β in Toll-like receptor signaling. BMB Rep. 2016;49(6):305–310. PMID: 26996345 https://doi.org/10.5483/BMBRep.2016.49.6.059

33. Parker PJ, Caudwell FB, Cohen P. Glycogen synthase from rabbit skeletal muscle; effect of insulin on the state of phosphorylation of the seven phosphoserine residues in vivo. Eur J Biochem. 1983;130(1):227–34. PMID: 6402364 https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.1983.tb07140.x

34. Juhaszova M, Zorov DB, Yaniv Y. Role of glycogen synthase kinase-3β in cardioprotection. Circ Res. 2009;104(11):1240–1252. PMID: 19498210 https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.109.19799650

35. Zuo Z. Are volatile anesthetics neuroprotective or neurotoxic? Med Gas Res. 2012;2(1):10. PMID: 22510328 https://doi.org/10.1186/2045-9912-2-10

36. Bantel C, Maze M, Trapp S. Neuronal preconditioning by inhalational anesthetics: evidence for the role of plasmalemmal adenosine triphosphate-sensitive potassium channels. Anesthesiology. 2009;110(5):986-995. PMID: 19352153 https://doi.org/10.1097/ALN.0b013e31819dadc735

37. Лихванцев В.В., Гребенчиков О.А., Плотников Е.Ю., Борисов К.Ю., Шайбакова В.Л., Шапошников А.А. и др. Механизмы фармакологического прекондиционирования мозга и сравнительная эффективность препаратов - ингибиторов гликоген-синтетазы-киназы-3β прямого и непрямого действия. Общая реаниматология. 2012;8(6):37–42. https://doi.org/10.15360/1813-9779-2012-6-37 9779-2012-6-37

38. Гребенчиков О.А., Аврущенко М.Ш., Борисов К.Ю., Ильин Ю.В. Лихванцев В.В. Нейропротекторные эффекты севофлурана на модели тотальной ишемии-реперфузии. Клиническая патофизиология. 2014;(2):57–64.

39. Острова И.В., Гребенчиков О.А., Голубева Н.В. Нейропротективное действие хлорида лития на модели остановки сердца у крыс (экспериментальное исследование). Общая реаниматология. 2019;15(3):73–82. https://doi.org/10.15360/1813-9779-2019-3-73-82

40. Rojo AI, Sagarra MR, Cuadrado A. GSK-3beta down-regulates the transcription factor Nrf2 after oxidant damage: relevance to exposure of neuronal cells to oxidative stress. J Neurochem. 2008;105(1):192–202. PMID: 18005231 https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.2007.05124.x

41. Jiang Y, Bao H, Ge Y, Tang W, Cheng D, Luo K, et al. Therapeutic targeting of GSK3β enhances the Nrf2 antioxidant response and confers hepatic cytoprotection in hepatitis C. Gut. 2015;64(1):168–179. PMID: 24811996 https://doi.org/10.1136/gutjnl-2013-30604359