Влияние модуляции активности Na+/К+-АТФазы на жизнеспособность зернистых нейронов мозжечка при индукции окислительного стресса in vitro

Elena V. Stelmashook1, Nikolay K. Isaev1, Elizaveta E. Genrikhs1, Leonid G. Khaspekov1
1ФГБНУ «Научный центр неврологии», Москва, Россия

Аннотация


Введение. Окислительный стресс является важным патогенетическим фактором ишемии головного мозга, которая среди различных форм церебральной патологии занимает одно из ведущих мест по смертности и инвалидизации трудоспособного населения. Один из путей снижения повреждений и смертности от инсультов – изучение механизмов ишемии с помощью моделирования ее повреждающих факторов и способов защиты in vitro.

Цель исследования: выявить влияние химического прекондиционирования, индуцируемого транзиторным ингибированием активности Na+/K+-АТФазы, на толерантность культивированных зернистых нейронов мозжечка к действию окислительного стресса на разных стадиях их дифференцировки in vitro.

Материалы и методы. Активность Na+/K+-АТФазы ингибировали уабаином, который добавляли на 3–4-й и 7–8-й день in vitro к культурам клеток мозжечка 7-дневных крыс в концентрации 0,1 мМ на 24 ч перед индукцией окислительного стресса Н2О2 (0,05 и 0,075 мМ, 4 ч) или паракватом (0,15 и 0,2 мМ, 24 ч).

Результаты. Окислительный стресс, индуцированный паракватом, вызывает наиболее выраженную гибель культивированных зернистых нейронов в незрелых (3–4-дневных) культурах (выживаемость 44,0±2,5% нейронов) по сравнению со зрелыми (7–8-дневными), в которых выживаемость составляла 61,0±5,4%. Предварительная обработка уабаином оказывает защитный эффект, наиболее значительный в зрелых культурах. Под воздействием Н2О2 в зрелых культурах погибает более 90% нейронов, а предобработка уабаином повышает выживаемость на 44%. В то же время в незрелых культурах повреждающее действие Н2О2 и защитный эффект уабаина менее выражены.

Заключение. Показана возможность индукции толерантности культивированных зернистых нейронов мозжечка к окислительному стрессу путем транзиторной модуляции активности Na+/K+-АТФазы уабаином. Выявлена прямая зависимость эффективности защитного действия уабаина от степени морфохимической дифференцировки нейронов in vitro. 

 

Литература

1. Dirnagl U., Lindauer U., Them A. et al. Global cerebral ischemia in the rat: online monitoring of oxygen free radical production using chemiluminescence in vivo. J Cereb Blood Flow Metab 1995; 15: 929–940. DOI: 10.1038/jcbfm.1995.118. PMID: 7593353.
2. McGowan J.E., Chen L., Gao D. et al. Increased mitochondrial reactive oxygen species production in newborn brain during hypoglycemia. Neurosci Lett 2006; 399: 111–-114. DOI: 10.1016/j.neulet.2006.01.034. PMID: 16490311.
3. Hernandez-Fonseca K., Cardenas-Rodriguez N., Pedraza-Chaverri J., Massieu L. Calcium-dependent production of reactive oxygen species is involved in neuronal damage induced during glycolysis inhibition in cultured hippocampal neurons. J Neurosci Res 2008; 86: 1768–1780. DOI: 10.1002/jnr.21634. PMID: 18293416.
4. Kaur G., Arora S.K. Acetylcholinesterase and Na+,K+-ATPase activities in different regions of rat brain during insulin-induced hypoglycemia. Mol Chem Neuropathol 1994; 21: 83–93. PMID: 8179774.
5. Mrsić-Pelcić J., Pelcić G., Vitezić D. et al. Hyperbaric oxygen treatment: the influence on the hippocampal superoxide dismutase and Na+,K+-ATPase activities in global cerebral ischemia-exposed rats. Neurochem Int 2004; 44: 585–594. DOI: 10.1016/j.neuint.2003.10.004. PMID: 15016473.
6. Стельмашук Е.В., Исаев Н.К., Андреева Н.А., Викторов И.В. Уабаин модулирует токсическое действие глутамата в диссоциированных культурах клеток-зерен мозжечка крыс. Бюл. экспер. биол. мед. 1996; 122(8): 163–166.
7. Isaev N.K., Stelmashook E.V., Halle A. et al. Inhibition of Na+,K+-ATPase activity in cultured rats cerebellar granule cells prevents the onset apoptosis induced by low potassium. Neurosci Lett 2000; 283: 41–44. PMID: 10729629.
8. Стельмашук Е.В., Андреева Н.А, Исаев Н.К. Различие действия стауроспорина на зрелые и незрелые культуры клеток-зерен мозжечка крыс. Нейрохимия 2004; 21(1): 68–71.
9. Стельмашук Е.В., Беляева Е.А., Исаев Н.К. Влияние ацидоза, окислительного стресса и глутаматной токсичности на жизнеспособность клеток-зерен в зрелых и незрелых клеточных культурах. Нейрохимия 2006; 23(2): 131–135.
10. Isaev N.K., Avilkina A., Golyshev S.A. et al. N-acetyl-L-cysteine and Mn2+ attenuate Cd2+-induced disturbance of the intracellular free calcium homeostasis in cultured cerebellar granule neurons. Toxicology 2018; 393: 1–8. DOI: 10.1016/j.tox.2017.10.017. PMID: 29100878.
11. Isaev N.K., Genrikhs E.E., Voronkov D.N. et al. Streptozotocin toxicity in vitro depends on maturity of neurons. Toxicol Appl Pharmacol 2018; 348: 99–104. DOI: 10.1016/j.taap.2018.04.024. PMID: 29684395.
12. Cui X., Xie Z. Protein interaction and Na/K-ATPase-mediated signal transduction. molecules. 2017; 22: pii: E990. DOI: 10.3390/molecules22060990. PMID: 28613263.
13. Tauskela J.S., Aylsworth A., Hewitt M. et al. Preconditioning induces tolerance by suppressing glutamate release in neuron culture ischemia models. J Neurochem 2012; 122: 470–481. DOI:10.1111/j.1471-4159.2012.07791.x. PMID: 22607164.
14. Orlov S.N., Taurin S., Thorin-Trescases N. et al. Inversion of the intracellular Na+/K+ ratio blocks apoptosis in vascular smooth muscle cells by induction of RNA synthesis. Hypertension 2000; 35: 1062–1068. PMID: 10818065.
15. Liu J., Tian J., Hass M. et al. Ouabain interaction with cardiac Na+/K+ ATPase initiates signal cascades independent of changes in intracellular Na+ and Ca2+ concentrations. J Biol Chem 2000; 275: 27,838–27,844. DOI: 10.1074/jbc.M002950200. PMID: 10874029.
16. Xie Z., Askari A. Na+/K+-ATPase as a signal transducer. Eur J Biochem 2002; 269: 2434–2439. PMID: 12027880.
17. Golden W.C., Martin L.J. Low-dose ouabain protects against excitotoxic apoptosis and up-regulates nuclear Bcl-2 in vivo. Neuroscience 2006; 137: 133–144. DOI: 10.1016/j.neuroscience.2005.10.004. PMID: 16297565.
18. Zhu C., Qiu L., Wang X. et al. Involvement of apoptosis-inducing factor in neuronal death after hypoxia-ischemia in the neonatal rat brain. J Neurochem 2003; 86: 306–317. PMID: 12871572.
19. Hu B.R., Liu C.L., Ouyang Y. et al. Involvement of caspase-3 in cell death after hypoxia-ischemia declines during brain maturation. J Cereb Blood Flow Metab 2000; 20: 1294–1300. DOI: 10.1097/00004647-200009000-00003. PMID: 10994850.
20. Polster B.M., Robertson C.L., Bucci C.J. et al. Postnatal brain development and neural cell differentiation modulate mitochondrial Bax and BH3 peptide-induced cytochrome c release. Cell Death Differ 2003; 10: 365–370. DOI: 10.1038/sj.cdd.4401158. PMID: 12700636.
21. Inoue N., Matsui H., Tsukui H., Hatanaka H. The appearance of a highly digitalis-sensitive isoform of Na+,K+-ATPase during maturation in vitro of primary cultured rat cerebral neurons. J Biochem 1988; 104: 349–354. PMID: 2853703.
22. Habiba A., Blanco G., Mercer R.W. Expression, activity and distribution of Na,K-ATPase subunits during in vitro neuronal induction. Brain Res 2000; 875: 1–13. PMID: 10967293.
23. Corthésy-Theulaz I., Mérillat A.M., Honegger P., Rossier B.C. Na(+)-K(+)-ATPase gene expression during in vitro development of rat fetal forebrain. Am J Physiol 1990; 258: C1062–С1069. DOI: 10.1152/ajpcell.1990.258.6.C1062. PMID: 1694395.



Ключевые слова

культивированные зернистые нейроны мозжечка; Na+/K+-АТФаза; уабаин; окислительный стресс

Полный текст:

PDF

Литература

Dirnagl U., Lindauer U., Them A. et al. Global cerebral ischemia in the rat: online monitoring of oxygen free radical production using chemiluminescence in vivo. J Cereb Blood Flow Metab 1995; 15: 929–940. DOI: 10.1038/jcbfm.1995.118. PMID: 7593353.

McGowan J.E., Chen L., Gao D. et al. Increased mitochondrial reactive oxygen species production in newborn brain during hypoglycemia. Neurosci Lett 2006; 399: 111–-114. DOI: 10.1016/j.neulet.2006.01.034. PMID: 16490311.

Hernandez-Fonseca K., Cardenas-Rodriguez N., Pedraza-Chaverri J., Massieu L. Calcium-dependent production of reactive oxygen species is involved in neuronal damage induced during glycolysis inhibition in cultured hippocampal neurons. J Neurosci Res 2008; 86: 1768–1780. DOI: 10.1002/jnr.21634. PMID: 18293416.

Kaur G., Arora S.K. Acetylcholinesterase and Na+,K+-ATPase activities in different regions of rat brain during insulin-induced hypoglycemia. Mol Chem Neuropathol 1994; 21: 83–93. PMID: 8179774.

Mrsić-Pelcić J., Pelcić G., Vitezić D. et al. Hyperbaric oxygen treatment: the influence on the hippocampal superoxide dismutase and Na+,K+-ATPase activities in global cerebral ischemia-exposed rats. Neurochem Int 2004; 44: 585–594. DOI: 10.1016/j.neuint.2003.10.004. PMID: 15016473.

Stel'mashuk E.V., Isaev N.K., Andreeva N.A., Viktorov I.V. [Ouabain modulates the toxic effect of glutamate in dissociated cultures of granular cells in the rat cerebellum]. Bull Exp Biol Med 1996; 122: 163–166. PMID: 9081467. (In Russ.)

Isaev N.K., Stelmashook E.V., Halle A. et al. Inhibition of Na+,K+-ATPase activity in cultured rats cerebellar granule cells prevents the onset apoptosis induced by low potassium. Neurosci Lett 2000; 283: 41–44. PMID: 10729629.

Stel'mashuk E.V., Andreeva N.A., Isaev N.K. [Difference in staurosporine effect on mature and immature rat cerebellar granule cells in culture]. Neirokhimiya 2004; 21(1): 68–71. (In Russ.)

Stelmashuk E.V., Belyaeva E.A., Isaev N.K. [Effect of acidosis, oxidative stress, and glutamate toxicity on the survival of mature and immature cultured cerebellar granule cells] Neirokhimiya 2006; 23(2): 131–135. (In Russ.)

Isaev N.K., Avilkina A., Golyshev S.A. et al. N-acetyl-L-cysteine and Mn2+ attenuate Cd2+-induced disturbance of the intracellular free calcium homeostasis in cultured cerebellar granule neurons. Toxicology 2018; 393: 1–8. DOI: 10.1016/j.tox.2017.10.017. PMID: 29100878.

Isaev N.K., Genrikhs E.E., Voronkov D.N. et al. Streptozotocin toxicity in vitro depends on maturity of neurons. Toxicol Appl Pharmacol 2018; 348: 99–104. DOI: 10.1016/j.taap.2018.04.024. PMID: 29684395.

Cui X., Xie Z. Protein interaction and Na/K-ATPase-mediated signal transduction. molecules. 2017; 22: pii: E990. DOI: 10.3390/molecules22060990. PMID: 28613263.

Tauskela J.S., Aylsworth A., Hewitt M. et al. Preconditioning induces tolerance by suppressing glutamate release in neuron culture ischemia models. J Neurochem 2012; 122: 470–481. DOI:10.1111/j.1471-4159.2012.07791.x. PMID: 22607164.

Orlov S.N., Taurin S., Thorin-Trescases N. et al. Inversion of the intracellular Na+/K+ ratio blocks apoptosis in vascular smooth muscle cells by induction of RNA synthesis. Hypertension 2000; 35: 1062–1068. PMID: 10818065.

Liu J., Tian J., Hass M. et al. Ouabain interaction with cardiac Na+/K+ ATPase initiates signal cascades independent of changes in intracellular Na+ and Ca2+ concentrations. J Biol Chem 2000; 275: 27,838–27,844. DOI: 10.1074/jbc.M002950200. PMID: 10874029.

Xie Z., Askari A. Na+/K+-ATPase as a signal transducer. Eur J Biochem 2002; 269: 2434–2439. PMID: 12027880.

Golden W.C., Martin L.J. Low-dose ouabain protects against excitotoxic apoptosis and up-regulates nuclear Bcl-2 in vivo. Neuroscience 2006; 137: 133–144. DOI: 10.1016/j.neuroscience.2005.10.004. PMID: 16297565.

Zhu C., Qiu L., Wang X. et al. Involvement of apoptosis-inducing factor in neuronal death after hypoxia-ischemia in the neonatal rat brain. J Neurochem 2003; 86: 306–317. PMID: 12871572.

Hu B.R., Liu C.L., Ouyang Y. et al. Involvement of caspase-3 in cell death after hypoxia-ischemia declines during brain maturation. J Cereb Blood Flow Metab 2000; 20: 1294–1300. DOI: 10.1097/00004647-200009000-00003. PMID: 10994850.

Polster B.M., Robertson C.L., Bucci C.J. et al. Postnatal brain development and neural cell differentiation modulate mitochondrial Bax and BH3 peptide-induced cytochrome c release. Cell Death Differ 2003; 10: 365–370. DOI: 10.1038/sj.cdd.4401158. PMID: 12700636.

Inoue N., Matsui H., Tsukui H., Hatanaka H. The appearance of a highly digitalis-sensitive isoform of Na+,K+-ATPase during maturation in vitro of primary cultured rat cerebral neurons. J Biochem 1988; 104: 349–354. PMID: 2853703.

Habiba A., Blanco G., Mercer R.W. Expression, activity and distribution of Na,K-ATPase subunits during in vitro neuronal induction. Brain Res 2000; 875: 1–13. PMID: 10967293.

Corthésy-Theulaz I., Mérillat A.M., Honegger P., Rossier B.C. Na(+)-K(+)-ATPase gene expression during in vitro development of rat fetal forebrain. Am J Physiol 1990; 258: C1062–С1069. DOI: 10.1152/ajpcell.1990.258.6.C1062. PMID: 1694395.




DOI: http://dx.doi.org/10.25692/ACEN.2018.4.7