Карнозин восстанавливает активацию сигнальных каскадов и соотношение белков-регуляторов апоптоза в приочаговой зоне при необратимой фокальной ишемии мозга у крыс

Olga M. Lopacheva1, Alexander V. Lopachev1, Kseniya N. Kulichenkova1, Alexander A. Devyatov1, Daniil S. Berezhnoy1, Sergey L. Stvolinsky1, Olga I. Kulikova1, Svetlana A. Gavrilova2, Mariya P. Morozova2, Tatiana N. Fedorova1
1ФГБНУ «Научный центр неврологии», Москва, Россия; 2МГУ имени М.В. Ломоносова, Россия

Аннотация


Резюме

Введение. Ишемический инсульт – одно из самых распространенных и социально-значимых заболеваний, в патогенезе которого важная роль отводится окислительному стрессу. Изучение механизмов нейропротекторного действия природного антиоксиданта карнозина представляется перспективным для разработки лекарственных препаратов на его основе.

Цель исследования. Изучение влияния карнозина на уровень белков-регуляторов апоптоза семейства Bcl-2 и уровень активации протеинкиназы B (Akt) и MAP киназ ERK1/2, p38 и JNK в мозге крыс, перенесших 24-часовую необратимую фокальную ишемию мозга.

Материалы и методы. В модели необратимой фокальной ишемии головного мозга, вызванной окклюзией средней мозговой артерии, у крыс линии Wistar методом вестерн-блоттинг оценивали уровень экспрессии белков семейства Bcl-2 и фосфорилирования киназ Akt, ERK1/2, p38 и JNK в приочаговой зоне коры ишемизированного полушария и симметричного участка контралатерального полушария, а также аналогичных участков мозга интактных животных. Карнозин вводили животным внутрибрюшинно в дозах 50 мг/кг и 500 мг/кг массы тела в постишемическом периоде.

Результаты. При необратимой фокальной ишемии головного мозга у крыс в приочаговой зоне повышалось количество Bax и, в меньшей степени, Bcl-2, смещая соотношение Bcl-2/Bax в сторону проапоптотического сигнала, а также наблюдалось снижение активации Akt и рост активации ERK1/2. Введение карнозина восстанавливало уровень активации Akt и соотношение Bcl-2/Bax, однако не влияло на повышенную активацию ERK1/2. Существенных изменений уровня белков Bak, Bcl-xL и Bcl-w и активации киназ p38 и JNK в приочаговой зоне не было обнаружено.

Заключение. Нейропротекторное действие карнозина в условиях необратимой фокальной ишемии головного мозга у крыс сопровождается восстановлением активации Akt и соотношения Bcl-2/Bax в приочаговой зоне до уровня, наблюдаемого у интактных животных, что препятствует развитию апоптоза.


Ключевые слова

карнозин; необратимая фокальная ишемия головного мозга; приочаговая зона; семейство Bcl-2; Akt; MAP киназы

Полный текст:

PDF

Литература

Piradov M.A., Tanashyan M.M., Domashenko M.A. et al. [Neuroprotection in cerebrovascular diseases: is it the search for life on Mars or a promising trend of treatment? Part 1. Acute stroke]. Annals of clinical and experimental neurology 2015; 9(1): 41–50. (in Russ.)

Green D.R., Reed J.C. Mitochondria and apoptosis. Science 1998; 281(5381): 1309–1312. PMID: 9721092.

Niizuma K., Endo H., Chan P.H. Oxidative stress and mitochondrial dysfunction as determinants of ischemic neuronal death and survival. J Neurochem 2009; 109 Suppl 1: 133–138. DOI: 10.1111/j.1471-4159.2009.05897.x. PMID: 19393019.

Atlante A., Calissano P., Bobba A. et al. Glutamate neurotoxicity, oxidative stress and mitochondria. FEBS Lett 2001; 497(1): 1–5. PMID: 11376653.

Babot Z., Cristofol R., Sunol C. Excitotoxic death induced by released glutamate in depolarized primary cultures of mouse cerebellar granule cells is dependent on GABAA receptors and niflumic acid-sensitive chloride channels. Eur J Neurosci 2005; 21(1): 103–112. DOI: 10.1111/j.1460-9568.2004.03848.x. PMID: 15654847.

Lu Y.M., Yin H.Z., Chiang J., Weiss J.H. Ca(2+)-permeable AMPA/kainate and NMDA channels: high rate of Ca2+ influx underlies potent induction of injury. J Neurosci 1996; 16(17): 5457–5465. PMID: 8757258.

Parsons M.P., Raymond L.A. Extrasynaptic NMDA receptor involvement in central nervous system disorders. Neuron 2014; 82(2): 279–293. DOI: 10.1016/j.neuron.2014.03.030. PMID: 24742457.

Rajendran P., Nandakumar N., Rengarajan T. et al. Antioxidants and human diseases. Clin Chim Acta 2014; 436: 332–347. DOI: 10.1016/j.cca.2014.06.004. PMID: 24933428.

Boldyrev A.A. Carnosine: new concept for the function of an old molecule. Biochemistry (Mosc) 2012; 77(4): 313–326. DOI: 10.1134/S0006297912040013. PMID: 22809149.

Boldyrev A.A., Aldini G., Derave W. Physiology and pathophysiology of carnosine. Physiol Rev 2013; 93(4): 1803–1845. DOI: 10.1152/physrev.00039.2012. PMID: 24137022.

Dobrota D., Fedorova T., Stvolinsky S. et al. Carnosine protects the brain of rats and Mongolian gerbils against ischemic injury: after-stroke-effect. Neurochem Res 2005; 30(10): 1283–1288. DOI: 10.1007/s11064-005-8799-7. PMID: 16341589.

Boldyrev A.A., Stvolinsky S.L., Fedorova T.N., Suslina Z.A. Carnosine as a natural antioxidant and geroprotector: from molecular mechanisms to clinical trials. Rejuvenation Res 2010; 13(2-3): 156–158. DOI: 10.1089/rej.2009.0923. PMID: 20017611.

Park H.S., Han K.H., Shin J.A. et al. The neuroprotective effects of carnosine in early stage of focal ischemia rodent model. J Korean Neurosurg Soc 2014; 55(3): 125–130. DOI: 10.3340/jkns.2014.55.3.125. PMID: 24851146.

Bae O.N., Serfozo K., Baek S.H. et al. Safety and efficacy evaluation of carnosine, an endogenous neuroprotective agent for ischemic stroke. Stroke 2013; 44(1): 205–212. DOI: 10.1161/STROKEAHA.112.673954. PMID: 23250994.

Fedorova T.N., Gavrilova S.A., Morozova M.P. et al. [The neuroprotective effect of the carnosine in a focal cerebral ischemia]. Voprosy biologicheskoj, medicinskoj i farmacevticheskoj himii 2017; 20(4): 25–31. (in Russ.)

Sariev A.K., Abaimov D.A., Tankevich M.V. et al. [Experimental study of the basic pharmacokinetic characteristics of dipeptide carnosine and its efficiency of penetration into brain tissues]. Eksp Klin Farmakol 2015; 78(3): 30–35. PMID: 26036009. (in Russ.)

Lopachev A.V., Lopacheva O.M., Abaimov D.A. et al. Neuroprotective Effect of Carnosine on Primary Culture of Rat Cerebellar Cells under Oxidative Stress. Biochemistry (Mosc) 2016; 81(5): 511–520. DOI: 10.1134/S0006297916050084. PMID: 27297901.

Graham S.H., Chen J., Clark R.S. Bcl-2 family gene products in cerebral ischemia and traumatic brain injury. J Neurotrauma 2000; 17(10): 831–841. DOI: 10.1089/neu.2000.17.831. PMID: 11063051.

Broughton B.R., Reutens D.C., Sobey C.G. Apoptotic mechanisms after cerebral ischemia. Stroke 2009; 40(5): e331–339. DOI: 10.1161/STROKEAHA.108.531632. PMID: 19182083.

Ferrer I., Planas A.M. Signaling of cell death and cell survival following focal cerebral ischemia: life and death struggle in the penumbra. J Neuropathol Exp Neurol 2003; 62(4): 329–339. PMID: 12722825.

Zhang L.M., Zhao X.C., Sun W.B. et al. Sevoflurane post-conditioning protects primary rat cortical neurons against oxygen-glucose deprivation/resuscitation via down-regulation in mitochondrial apoptosis axis of Bid, Bim, Puma-Bax and Bak mediated by Erk1/2. J Neurol Sci 2015; 357(1-2): 80–87. DOI: 10.1016/j.jns.2015.06.070. PMID: 26152828.

Lu Q., Wang J., Jiang J. et al. rLj-RGD3, a Novel Recombinant Toxin Protein from Lampetra japonica, Protects against Cerebral Reperfusion Injury Following Middle Cerebral Artery Occlusion Involving the Integrin-PI3K/Akt Pathway in Rats. PLoS One 2016; 11(10): e0165093. DOI: 10.1371/journal.pone.0165093. PMID: 27768719.

Cheng C.Y., Tang N.Y., Kao S.T., Hsieh C.L. Ferulic Acid Administered at Various Time Points Protects against Cerebral Infarction by Activating p38 MAPK/p90RSK/CREB/Bcl-2 Anti-Apoptotic Signaling in the Subacute Phase of Cerebral Ischemia-Reperfusion Injury in Rats. PLoS One 2016; 11(5): e0155748. DOI: 10.1371/journal.pone.0155748. PMID: 27187745.

Bright R., Raval A.P., Dembner J.M. et al. Protein kinase C delta mediates cerebral reperfusion injury in vivo. J Neurosci 2004; 24(31): 6880–6888. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.4474-03.2004. PMID: 15295022.

Niizuma K., Yoshioka H., Chen H. et al. Mitochondrial and apoptotic neuronal death signaling pathways in cerebral ischemia. Biochim Biophys Acta 2010; 1802(1): 92–99. DOI: 10.1016/j.bbadis.2009.09.002. PMID: 19751828.

Chen H., Yoshioka H., Kim G.S. et al. Oxidative stress in ischemic brain damage: mechanisms of cell death and potential molecular targets for neuroprotection. Antioxid Redox Signal 2011; 14(8): 1505–1517. DOI: 10.1089/ars.2010.3576. PMID: 20812869.

Karkishchenko N.N., Grachev S.V. (ed.). Rukovodstvo po laboratornym zhivotnym i al'ternativnym modelyam v biomedicinskih tekhnologiyah. [Guide to laboratory animals and alternative models in biomedical technology] Moscow. Profile, 2010. (in Russ.)

Chen S.T., Hsu C.Y., Hogan E.L. et al. A model of focal ischemic stroke in the rat: reproducible extensive cortical infarction. Stroke 1986; 17(4): 738–743. PMID: 2943059.

Gavrilova S.A., Samoylenkova N.S., Pirogov Yu.A. et al. [Neuroprotective effect of hypoxic preconditioning in focal ischemia of rat brain]. Patogenez 2008; 6(3): 13–17. (in Russ.)

Wang J.P., Yang Z.T., Liu C. et al. L-carnosine inhibits neuronal cell apoptosis through signal transducer and activator of transcription 3 signaling pathway after acute focal cerebral ischemia. Brain Res 2013; 1507: 125–133. DOI: 10.1016/j.brainres.2013.02.032. PMID: 23454231.

Cheng J., Wang F., Yu D.F. et al. The cytotoxic mechanism of malondialdehyde and protective effect of carnosine via protein cross-linking/mitochondrial dysfunction/reactive oxygen species/MAPK pathway in neurons. Eur J Pharmacol 2011; 650(1): 184–194. DOI: 10.1016/j.ejphar.2010.09.033. PMID: 20868662.

Minami M., Jin K.L., Li W. et al. Bcl-w expression is increased in brain regions affected by focal cerebral ischemia in the rat. Neurosci Lett 2000; 279(3): 193–195. PMID: 10688062.

Ouyang Y.B., Giffard R.G. Cellular neuroprotective mechanisms in cerebral ischemia: Bcl-2 family proteins and protection of mitochondrial function. Cell Calcium 2004; 36(3–4): 303–311. DOI: 10.1016/j.ceca.2004.02.015. PMID: 15261486.

Mattson M.P., Culmsee C., Yu Z.F. Apoptotic and antiapoptotic mechanisms in stroke. Cell Tissue Res 2000; 301(1): 173–187. PMID: 10928290.

Yaidikar L., Thakur S. Punicalagin attenuated cerebral ischemia-reperfusion insult via inhibition of proinflammatory cytokines, up-regulation of Bcl-2, down-regulation of Bax, and caspase-3. Mol Cell Biochem 2015; 402(1–2): 141–148. DOI: 10.1007/s11010-014-2321-y. PMID: 25555468.

Moore J.G., Hibbard L.T., Growdon W.A., Schifrin B.S. Urinary tract endometriosis: enigmas in diagnosis and management. Trans Pac Coast Obstet Gynecol Soc 1979; 46: 61–71. PMID: 542976.

Xie R., Wang P., Ji X., Zhao H. Ischemic post-conditioning facilitates brain recovery after stroke by promoting Akt/mTOR activity in nude rats. J Neurochem 2013; 127(5): 723–732. DOI: 10.1111/jnc.12342. PMID: 23777415.

Zhu X., Castellani R.J., Takeda A. et al. Differential activation of neuronal ERK, JNK/SAPK and p38 in Alzheimer disease: the 'two hit' hypothesis. Mech Ageing Dev 2001; 123(1): 39–46. PMID: 11640950.

Zamora-Martinez E.R., Edwards S. Neuronal extracellular signal-regulated kinase (ERK) activity as marker and mediator of alcohol and opioid dependence. Front Integr Neurosci 2014; 8: 24. DOI: 10.3389/fnint.2014.00024. PMID: 24653683.

Ha S., Redmond L. ERK mediates activity dependent neuronal complexity via sustained activity and CREB-mediated signaling. Dev Neurobiol 2008; 68(14): 1565–1579. DOI: 10.1002/dneu.20682. PMID: 18837011.

Luo T., Wu W.H., Chen B.S. NMDA receptor signaling: death or survival? Front Biol (Beijing) 2011; 6(6): 468–476. DOI: 10.1007/s11515-011-1187-6. PMID: 23144645.

Morrison R.S., Kinoshita Y., Johnson M.D. et al. Neuronal survival and cell death signaling pathways. Adv Exp Med Biol 2002; 513: 41–86. PMID: 12575817.

Cheung E.C., Slack R.S. Emerging role for ERK as a key regulator of neuronal apoptosis. Sci STKE 2004; 2004(251): PE45. DOI: 10.1126/stke.2512004pe45. PMID: 15383672.

Okami N., Narasimhan P., Yoshioka H. et al. Prevention of JNK phosphorylation as a mechanism for rosiglitazone in neuroprotection after transient cerebral ischemia: activation of dual specificity phosphatase. J Cereb Blood Flow Metab 2013; 33(1): 106–114. DOI: 10.1038/jcbfm.2012.138. PMID: 23032483.




DOI: http://dx.doi.org/10.25692/ACEN.2018.1.6