Annals of Clinical and Experimental NeurologyAnnals of Clinical and Experimental NeurologyАнналы клинической и экспериментальной неврологии2075-54732409-2533Eco-Vector70010.25692/ACEN.2020.4.7Original articlesОригинальные статьиUnknownPreconditioning with ouabain reduces the neurological deficit in rats caused by compression-induced cerebral ischemiaПрекондиционирование уабаином снижает вызванный компрессионной ишемией головного мозга неврологический дефицит у крысStelmashookElena V.СтельмашукЕлена Викторовна
Russian Federation
estelmash@mail.ruGenrikhsElizaveta E.ГенрихсЕлизавета Евгеньевна
Russian Federation
estelmash@mail.ruIsaevNikolay K.ИсаевНиколай Константинович
Russian Federation
estelmash@mail.ruNovikovaSvetlana V.НовиковаСветлана Викторовна
Russian Federation
estelmash@mail.ruKhaspekovLeonid G.ХаспековЛеонид Георгиевич
Russian Federation
estelmash@mail.ruResearch Center of NeurologyФГБНУ «Научный центр неврологии»26122020144546026122020Copyright ©; 2020, Stelmashook E.V., Genrikhs E.E., Isaev N.K., Novikova S.V., Khaspekov L.G.Copyright ©; 2020, Stelmashook E.V., Genrikhs E.E., Isaev N.K., Novikova S.V., Khaspekov L.G.2020Stelmashook E.V., Genrikhs E.E., Isaev N.K., Novikova S.V., Khaspekov L.G.Stelmashook E.V., Genrikhs E.E., Isaev N.K., Novikova S.V., Khaspekov L.G.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://annaly-nevrologii.com/pathID/article/view/700

Ischaemic brain damage is a major neurobiological and medical social problem, making experimental research of the pathogenesis of cerebral ischemia and the search for ways to minimize its consequences particularly relevant.

The aim of the study was to determine the possibility of reducing the neurological deficit and functional limb asymmetry in laboratory rats through ischaemic tolerance using ouabain, a Na+/K+- ATPase inhibitor.

Materials and methods. Cerebral ischemia was modeled using 20-minute focal compression of the left sensorimotor cortex in the rat brain. To induce tolerance, laboratory animals were given a single intravenous injection of 0.7 mg/kg of the Na+/K+-ATPase inhibitor ouabain 24 or 72 hours before the ischaemic event. Functional impairment was assessed with tests for neurological deficits in the limbs and a test for forelimb performance in laboratory animals.

Results. Preliminary ouabain administration prevented the development of functional impairment due to compression-induced ischemia of the sensorimotor cortex, with a decrease in limb asymmetry and the severity of motor dysfunction.

Conclusion. In animals, pharmacological preconditioning with ouabain increases the brain's resistance to subsequent compression-induced ischemia, preventing functional asymmetry and improving both right and left limb function. The obtained data expand the possibilities of using Na+/K+-ATPase inhibitors to treat cerebral ischemia.

Ишемическое повреждение головного мозга является важнейшей нейробиологической и медико-социальной проблемой, поэтому экспериментальное исследование патогенеза церебральной ишемии и поиск возможных способов минимизации ее последствий особенно актуальны.

Цель работы — выявить возможность снижения неврологического дефицита и функциональной асимметрии работы конечностей экспериментальных крыс посредством ишемической толерантности, вызванной действием блокатора Na+/K+-АТФазы уабаина.

Материалы и методы. Церебральную ишемию моделировали с помощью 20-минутной фокальной компрессии сенсомоторной коры левого полушария головного мозга крысы. Для индуцирования толерантности экспериментальным животным однократно внутривенно вводили ингибитор Na+/K+-АТФазы уабаин за 24 или 72 ч до ишемического воздействия. Для оценки функциональных нарушений использовали тесты определения неврологического дефицита конечностей и оценки работоспособности передних конечностей экспериментальных животных.

Результаты. Предварительное введение блокатора Na+/K+-АТФазы уабаина (0,7 мг/кг) препятствовало развитию функциональных нарушений, вызванных компрессионной ишемией ткани сенсомоторной коры головного мозга: асимметрия работы конечностей уменьшалась, степень нарушений их двигательных функций снижалась.

Заключение. Фармакологическое прекондиционирование уабаином повышает устойчивость мозга животных к последующей компрессионной ишемии, препятствуя возникновению асимметрии работы и улучшая функционирование как правых, так и левых конечностей. Полученные данные расширяют перспективу терапевтического использования блокаторов Na+/K+-АТФазы при церебральной ишемии.

compression-induced ischemiaischaemic tolerancefunctional deficitкомпрессионная ишемияишемическая толерантностьфункциональный дефицитDonnan G.A., Fisher M., Macleod M., Davis S.M. Stroke. Lancet 2008; 371: 1612–1623. DOI: 10.1016/S0140-6736(08)60694-7. PMID: 18468545.Korchagin V.I., Mironov K.O., Dribnokhodova O.P. et al. [A role of genetic factors in the development of individual predisposition to ischemic stroke]. Annals of Clinical and Experimental Neurology 2016; 10(1): 65–75. (In Russ.)Корчагин В.И., Миронов К.О., Дрибноходова О.П. и др. Роль генетических факторов в формировании индивидуальной предрасположенности к ишемическому инсульту. Анналы клинической и экспериментальной неврологии 2016; 10(1): 65–75.Bakeeva L.E., Barskov I.V., Egorov M.V. et al. [Mitochondria-targeted plastoquinone derivatives as tools to interrupt execution of the aging program. 2. Treatment of some ROS- and age-related diseases (heart arrhythmia, heart infarctions, kidney ischemia, and stroke)]. Biochemistry 2008; 73(12): 1288–1299. DOI: 10.1134/s000629790812002x. PMID: 19120015. (In Russ.)Бакеева Л.Е., Барсков И.В., Егоров М.В. и др. Производное пластохинона, адресованное в митохондрии, как средство, прерывающее программу старения. 2. Терапия некоторых старческих патологий, опосредованных АФК (сердечной аритмии, инфарктов сердца и почки и инсульта головного мозга). Биохимия 2008; 73(12): 1288–1299. DOI: 10.1134/s000629790812002x. PMID: 19120015.Genrikhs E.E., Stelmashook E.V., Isaev N.K. Method for assessing neurological limb deficiency in experimental rats. Patent RF No. 2697791 for invention. 2019. (In Russ.)Генрихс Е.Е., Стельмашук Е.В., Исаев Н.К. Способ оценки неврологического дефицита конечностей у экспериментальных крыс. Патент РФ № 2697791 на изобретение. 2019.Genrikhs E.E., Stelmashook E.V., Kapkaeva M.R. et al. [Modeling of focal injury in the left hemisphere of rat brain and functional assessment depending on the severity of damage in the posttraumatic period]. Asimmetriya 2016; 10(4): 26–33. (In Russ.)Генрихс Е.Е., Стельмашук Е.В., Капкаева М.Р. и др. Моделирование фокальной травмы левого полушария головного мозга крыс и оценка функционального состояния в посттравматическом периоде в зависимости от тяжести полученного повреждения. Асимметрия 2016; 10(4): 26–33.Genrikhs E.E., Stelmashook E.V., Isaev N.K. Method for evaluating the performance of the forelimbs in experimental animals. Patent RF No. 2714479 for invention. 2020. (In Russ.)6. Генрихс Е.Е., Стельмашук Е.В., ИсаевН.К. «Способ оценки работоспособности передних конечностей у экспериментальных животных». Патент РФ № 2714479 на изобретение. 2020.Genrikhs E.E., Stelmashook E.V., Kapkaeva M.R. et al. [The change of functional limb asymmetry in modelling the unilateral traumatic brain injury of varying severity]. Asimmetriya 2018; 12(2): 5–17. DOI: 10.18454/asy.2018.2.14181. (In Russ.)7. Генрихс Е.Е., Стельмашук Е.В., Капкаева М.Р. и др. Изменение функциональной асимметрии конечностей при моделировании односторонней черепно-мозговой травмы различной степени тяжести. Асимметрия 2018; 12(2): 5–17. DOI: 10.18454/asy.2018.2.14181.Genrikhs E.E., Kapkaeva M.R., Novikova S.V.et al. [Dependence of volume of brain tissue damage from the severity of traumatic brain injury] Asimmetriya 2018; 12(4): 154–159. DOI: 10.18454/ASY.2018.12.4.007. (In Russ.)Генрихс Е.Е., Капкаева М.Р., Новикова С.В. и др. Зависимость объема повреждения ткани головного мозга от тяжести черепно-мозговой травмы. Асимметрия 2018; 12(4): 154–159. DOI: 10.18454/ASY.2018.12.4.007.Kitagawa K., Matsumoto M., Tagaya M. et al. 'Ischemic tolerance' phenomenon foundin the brain. Brain Res 1990; 528: 21–24. DOI: 10.1016/0006-8993(90)90189-i. PMID: 2245337.Weih M., Bergk A., Isaev N.K. et al. Induction of ischemic tolerance in rat cortical neurons by 3-nitropropionic acid: chemical preconditioning. Neurosci Lett 1999; 272: 207–210. DOI: 10.1016/s0304-3940(99)00594-7. PMID: 10505617.Zhai X., Lin H., Chen Y. et al. Hyperbaric oxygen preconditioning ameliorates hypoxia-ischemia brain damage by activating Nrf2 expression in vivo and in vitro. Free Radic Res 2016; 50: 454–466. DOI: 10.3109/10715762.2015.1136411. PMID: 26729624.Pylova S.I., Majkowska J., Hilgier W. et al. Rapid decrease of high affinity ouabain binding sites in hippocampal CA1 region following short-term global cerebral ischemia in rat. Brain Res 1989; 490: 170–173. DOI: 10.1016/0006-8993(89)90446-0. PMID: 2547499.Nagafuji T., Koide T., Takato M. Neurochemical correlates of selective neuronal loss following cerebral ischemia: role of decreased Na+, K+-ATPase activity. Brain Res 1992; 571: 265–271. DOI: 10.1016/0006-8993(92)90664-u. PMID: 1535268.Bruer U., Weih M.K., Isaev N.K. et al. Induction of tolerance in rat corticalneurons: hypoxic preconditioning. FEBS Lett 1997; 414: 117–121. DOI: 10.1016/s0014-5793(97)00954-x. PMID: 9305743.Lopachev A.V., Lopacheva. O.M., Kulichenkova K.N. et al. [The effect of ouabain and bufalin on neurons primary culture of the cerebral cortex of the rat brain under conditions of glucose-oxygen deprivation]. Voprosy biologicheskoy, meditsinskoy i farmatsevticheskoy khimii 2019; 22(10): 19–24. DOI: 10.29296/25877313-2019-10-03. (In Russ.)15. Лопачев А.В., Лопачева О.М., Куличенкова К.Н. и др. Действие уабаина и буфалина на нейроны первичной культуры коры больших полушарий мозга крысы в условиях глюкозо-кислородной депривации. Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии 2019; 22(10): 19–24. DOI: 10.29296/25877313-2019-10-03.Stelmashuk 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]. Byulleten’ eksperimental’noy biologii i meditsiny 1996; 122(8): 163–166. PMID: 9081467. (In Russ.)16. Стельмашук Е.В., Исаев Н.К., Андреева Н.А., Викторов И.В. Уабаин модулирует токсическое действие глутамата в диссоциированных культурах клеток-зерен мозжечка крыс. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины 1996; 122(8): 163–166. PMID: 9081467.Stelmashuk E.V., Isaev N.K., Genrikhs E.E.et al. [The transient inhibition of Na+/К+-атpase activity reduces glutamate-induced calcium overload of cultured cerebellar granule cells]. Asimmetriya 2018; 12(4): 476–481. DOI:10.18454/ASY.2018.12.4.016. (In Russ.)17. Стельмашук Е.В., Исаев Н.К., Генрихс Е.Е. и др. Транзиторное ингибирование Na+/К+-АТФазы снижает индуцированную глутаматом кальциевую перегрузку культивированных зернистых нейронов мозжечка. Асимметрия 2018; 12(4): 476–481. DOI:10.18454/ASY.2018.12.4.016.Lopachev A.V., Lopacheva O.M., Kulikova O.I., Fedorova T.N. [Oubain decreases the excitotoxic effect of kainate and the number of kainate KA2 receptors in the primary culture of the rat cortical neurons]. Asimmetriya 2019; 13(4): 14–21. DOI: 10.25692/ASY.2019.13.4.002. (In Russ.)18. Лопачев А.В., Лопачева О.М., Куликова О.И., Федорова Т.Н. Уабаин уменьшает эксайтотоксический эффект каината и количество каинатных KA2 рецепторов в первичной культуре нейронов больших полушарий мозга крысы. Асимметрия 2019; 13(4): 14–21. DOI: 10.25692/ASY.2019.13.4.002.Stelmashuk E.V., Isaev N.K., Genrikhs E.E., Khaspekov L.G. [The effect of modulation of Na+/К+-АТPase activity on viability of cerebellar granule cells exposed to oxidative stress In Vitro]. Annals of Clinical and Experimental Neurology 2018; 12(4): 52–56. DOI: 10.25692/ACEN.2018.4.7. (In Russ.)Стельмашук Е.В., Исаев Н.К., Генрихс Е.Е., Хаспеков Л.Г. Влияние модуляции активности Na+/К+-АТФазы на жизнеспособность зернистых нейронов мозжечка при индукции окислительного стресса In Vitro. Анналы клинической и экспериментальной неврологии 2018; 12(4): 52–56. DOI: 10.25692/ACEN.2018.4.7.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. DOI: 10.1016/s0304-3940(00)00903-4. PMID: 10729629.Lopachev A.V., Lopacheva O.M., Nikiforova K.A. et al. [Comparative action of cardiotonic steroids on intracellular processes in rat cortical neurons]. Biokhimiya 2018; 83: 140–151. DOI: 10.1134/S0006297918020062. PMID: 29618300. (In Russ.)21. Лопачев А.В., Лопачева О.М., Никифорова К.А. и др. Сравнительное действие кардиотонических стероидов на внутриклеточные процессы в нейронах коры головного мозга крысы. Биохимия 2018; 83(2): 238–250. DOI: 10.1134/S0006297918020062. PMID: 29618300.Garcia I.J.P., Kinoshita P.F., Silva L.N.D.E et al. Ouabain attenuates oxidative stress and modulates lipid composition in hippocampus of rats in lipopolysaccharide-induced hypocampal neuroinflammation in rats. J Cell Biochem 2019; 120: 4081–4091. DOI: 10.1002/jcb.27693. PMID: 30260008.de Souza Gonçalves B., de Moura Valadares J.M., Alves S.L.G. et al. Evaluation of neuroprotective activity of digoxin and semisynthetic derivatives against partial chemical ischemia. J Cell Biochem 2019; 120: 17108–17122. DOI: 10.1002/jcb.28971. PMID: 31310381.Sibarov D.A., Bolshakov A.E., Abushik P.A. et al. Na+,K+-ATPase functionally interacts with the plasma membrane Na+,Ca2+ exchanger to prevent Ca2+ overload and neuronal apoptosis in excitotoxic stress. J Pharmacol Exp Ther 2012; 343: 596–607. DOI: 10.1124/jpet.112.198341. PMID: 22927545.Stelmashook E.V., Weih M., Zorov D. et al. Short-term block of Na+/K+-ATPase in neuro-glial cell cultures of cerebellum induces glutamate dependent damage of granule cells. FEBS Lett 1999; 456: 41–44. DOI: 10.1016/s0014-5793(99)00922-9. PMID: 10452526.Lopachev A.V., Lopacheva O.M., Osipova E.A. et al. Ouabain-induced changes in MAP kinase phosphorylation in primary culture of rat cerebellar cells. Cell Biochem Funct 2016; 34: 367–377. DOI: 10.1002/cbf.3199. PMID: 27338714.Peng K., Tan D., He M. et al. Studies on cerebral protection of digoxin against hypoxic-ischemic brain damage in neonatal rats. Neuroreport 2016; 27: 906–915. DOI: 10.1097/WNR.0000000000000630. PMID: 27362436.de Souza Wyse A.T., Streck E.L., Worm P. et al. Preconditioning prevents the inhibition of Na+,K+-ATPase activity after brain ischemia. Neurochem Res 2000; 25: 971–975. DOI: 10.1023/a:1007504525301. PMID: 10959493.Watanabe S., Hoffman J.R., Craik R.L. et al. A new model of localized ischemia in rat somatosensory cortex produced by cortical сompression. Stroke 2001; 32: 2615–2623. DOI: 10.1161/hs1101.097384. PMID: 11692026.