Содержание оксида азота и меди в обонятельной луковице мозга крыс после моделирования ишемии головного мозга и интраназального введения мезенхимальных стволовых клеток

Введение. При снижении содержания кислорода во вдыхаемом воздухе, нарушениях церебрального кровотока наступает ишемия мозга, которая может завершиться ишемическим инсультом.
Цель – проведение сравнительного анализа интенсивности продукции оксида азота (NО) и содержания меди в тканях обонятельной луковицы мозга крыс-самцов линии «Вистар» после моделирования ишемического инсульта.
Материалы и методы. Моделирование ишемического инсульта лигированием на уровне бифуркации обеих общих сонных артерий и измерение содержания NО и меди методом ЭПР-спектроскопии.
Результаты. Относительное изменение количества NO-содержащих комплексов и содержания меди оценивали по интегральной интенсивности сигнала комплексов (ДЭТК)₂-Fe²⁺-NO и (ДЭТК)₂-Cu. В группе ишемизированных крыс обнаружено достоверное снижение содержания NO в обонятельной луковице мозга крыс на 47 % через 1 и на 57 % через 2 суток соответственно после моделирования ишемии. Уровень продукции NO у крыс, которым моделирование ишемии было проведено с одновременным интраназальным введением мезенхимальных стволовых клеток (МСК) также был сниженным – на 51 % через 1 и на 70 % через 2 суток соответственно после моделирования ишемии. Не выявлено достоверного отличия содержания NO у крыс, которым проводили моделирование ишемии с одновременным интраназальным введением МСК, относительно ишемизированных крыс. Содержание меди, которое соответствует уровню супероксиддисмутаз 1 и 3, в обонятельной луковице крысы имело тенденцию к увеличению после моделирования ишемии и сохранялось на протяжении 2 дней наблюдения (увеличение на 50 % в обоих случаях). Интраназальное введение МСК сопровождалось достоверным увеличением содержания Cu (на 89 %) через 1 день после моделирования ишемии, а через 2 дня – уменьшением его содержания на 36 % (по сравнению с контролем). У контрольных животных, которые не подвергались хирургическим операциям, изменений содержания NO и меди не наблюдалось.
Заключение. Проведенные опыты показали снижение содержания NO в обонятельной луковице мозга крыс в 2 раза через 1 и 2 суток после моделирования ишемии и продемонстрировали, что интраназальное введение МСК не влияет на интенсивность продукции NO на 1-й и 2-й дни после моделирования ишемии мозга, однако сопровождается повышением антиоксидантной защиты нервной ткани через 1 день после ишемии.

1. Кошелев В. Б. Механизмы регуляции артериального давления // Избранные лекции по современной физиологии. – Казань: ГОЭТАР, 2010. – С. 178–194. [Koshelev V.B. Mechanisms of blood pressure regulation. The digest Selected Lectures on Contemporary Physiology. Kazan, 2010:78–194. (In Russ.)].

2. Kumar H, Choi DK. Hypoxia inducible factor pathway and physiological adaptation: a cell survival pathway?. Mediators of Inflammation. 2015. Doi: 10.1155/2015/584758.

3. Manukhina EB, Malyshev IY, Smirin BV, Mashina SY, Saltykova VA, Vanin AF. Production and storage of nitric oxide in adaptation to hypoxia. Nitric Oxide. 1999;3(5):393–401. Doi: 10.1006/niox.1999.0244.

4. Воронина Т. А. Роль гипоксии в развитии инсульта и судорожных состояний. Антигипоксанты // Обзоры по клин. фармакологии и лекарств. терапии. – 2016. – Т. 14, № 1. – С. 63–70. [Voronina TA. The role of hypoxia in the development of stroke and convulsive conditions. Antihypoxants. Reviews on Clinical Pharmacology and Drug Therapy. 2016;14(1):63–70. (In Russ.)]. Doi: 10.17816/RCF14163-70.

5. Donnan GA, Fisher M, Macieod M, Davis SM. Stroke. Lancet. 2008;(371):1612–1623. Doi: 10.1016/S0140-6736(08)60694-7.

6. Ванин А. Ф. Динитрозильные комплексы железа и S-нитрозотиолы – две возможные формы стабилизации и транспорта оксида азота в биосистемах // Биохимия. – 1998. – Т. 63, № 7. – С. 924–938. [Vanin AF. Dinitrosyl complexes of iron and S-nitrosothiols - two possible forms of stabilization and transport of nitric oxide in biosystems. Biochemistry. 1998;63(7):924–938. (In Russ.)].

7. Vanin AF. Dinitrosyl iron complexes with thiol-containing ligands as a «working form» of endogenous nitric oxide. Nitric Oxide. 2016;(54):15–29. Doi: 10.1016/j.niox.2016.01.006.

8. Boehning D, Snyder SH. Novel neural modulators. Annu. Rev. Neurosci. 2003;(26):105–131.

9. Steinert JR, Chernova T, Forsythe ID. Nitric oxide signaling in brain function, dysfunction, and dementia. Neuroscientist. 2010;16(4):435–452. Doi: 10.1177/1073858410366481.

10. Lakomkin VL, Vanin AF, Timoshin AA, Kapelko VI, Chazov EI. Long-lasting hypotensive action of stable preparations of dinitrosyl-iron complexes with thiolcontaining ligands in conscious normotensive and hypertensive rats. Nitric Oxide: Biology and Chemistry. 2007;16(4):413–418. Doi: 10.1016/j.niox.2007.03.002.

11. Реутов В. П., Охотин В. Е., Шуклин А. В. и др. Оксид азота и цикл в миокарде: молекулярные, биохимические и физиологические аспекты // Успехи физиол. наук. – 2007. – Т. 38, № 4. – С. 39–58. [Reutov VP, Okhotin VE, Shuklin AV, Sorokina EG, Kositsyn NS, Gurin VN. Nitric oxide and the cycle in the myocardium: molecular, biochemical and physiological aspects. Advances in physiological sciences. 2007;38(4):39–58. (In Russ.)].

12. Андрианов В. В., Ситдиков Ф. Г., Гайнутдинов Х. Л. и др. Изменение содержания оксида азота в сердце интактных и десимпатизированных крыс в онтогенезе // Онтогенез. – 2008. – T. 39, № 6. – C. 437–442. [Andrianov VV, Sitdikov FG, Gainutdinov KhL, Yurtaeva SV, Obychny AA, Yafarova GG, Muranova LN, Karimov FK, Chiglintsev VM, Iyudin VS. Changes in nitric oxide content in the heart of intact and sympathetic rats during ontogenesis. Ontogenesis. 2008; 39(6):437–442. (In Russ.)].

13. Манухина Е. Б., Каленчук В. У., Гаврилова С. А. и др. Органоспецифичность депонирования оксида азота в стенках кровеносных сосудов при адаптации к гипоксии // Рос. физиол. журн. им. И. М. Сеченова. – 2008. – Т. 94. – № 2. – С. 198–205. [Manukhina EB, Kalenchuk VU, Gavrilova SA, Goryacheva AV, Malyshev IYu, Koshelev VB. Organ specificity of nitric oxide deposition in the walls of blood vessels during adaptation to hypoxia. Russian Physiological Journal. 2008;94(2):198–205. (In Russ.)].

14. Chen ZQ, Mou RT, Feng DX, Wang Z, Chen G. The role of nitric oxide in stroke. Med Gas Res. 2017;7(3):194–203.

15. Ситдикова Г. Ф., Зефиров А. Л. Газообразные посредники в нервной системе // Рос. физиол. журн. им. И. М. Сеченова. – 2006. –T. 92. – C. 872–882. [Sitdikova GF, Zefirov AL. Gaseous mediators in the nervous system. Russian Physiological Journal. 2006;(92):872–882. (In Russ.)].

16. Heinrich TA, da Silva RS, Miranda KM, Switzer CH, Wink DA, Fukuto JM. Biological nitric oxide signalling: chemistry and terminology. British Journal of Pharmacology. 2013;(169):1417–1429. Doi:10.1111/bph.12217.

17. Pacher P, Beckman JS, Liaudet L. Nitric oxide and peroxynitrite in health and disease. Physiol. Rev. 2007;(87):315–427.

18. Calabrese V, Cornelius C, Rizzarelli E, Owen JB, Dinkova-Kostova AT, Butterfield DA. Nitric oxide in cell survival: a janus molecule. Antioxidants and Redox Signaling. 2009;(11):2717–2739.

19. Салыкина М. А., Сорокина Е. Г., Красильникова И. А. и др. Влияние селективных ингибиторов нейрональной и индуцибельной NO-синтаз на содержание АТФ и выживаемость культивируемых нейронов мозжечка крысы при гиперстимуляции глутаматных рецепторов // Бюлл. эксперимент. биологии и мед. – 2013. – Т. 155, № 1. – C. 47– 50. [Salykina MA, Sorokina EG, Krasilnikova IA, Reutov VP, Pinelis VG. The effect of selective inhibitors of neuronal and inducible NO synthases on the ATP content and the survival of cultured neurons in the rat cerebellum during hyperstimulation of glutamate receptors. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2013;155(1):47–50. (In Russ.)].

20. Samdani AF, Dawson VL. Nitric oxide synthase in models of focal ischemia. Stroke. 1997; (28):1283–1288.

21. Iadecola C, Zhang F, Casey R, Nagayama M, Ross ME. Delayed reduction of ischemic brain injury and neurological deficits in mice lacking the inducible nitric oxide synthase gene. J. Neurosci. 1997;17(23):9157–9164.

22. Tominaga T, Sato S, Ohnishi T, Ohnishi ST. Electron paramagnetic resonance (EPR) detection of nitric oxide produced during forebrain ischemia of the rat. J. Cerebral Blood Flow and Metaholism. 1994;(14):715–722.

23. Dawson DA, Kusumoto K, Graham DI, McCulloch J, Macrae IM. Inhibition of nitric oxide synthesis does not reduce infarct volume in a rat model of focal cerebral ischaemia. Neuroscience Letters. 1992;142(2):151–154.

24. Yamamoto S, Golanov EV, Berger SB, Reis DJ. Inhibition of Nitric Oxide Synthesis Increases Focal Ischemic Infarction in Rat. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 1992;(12):717–726.

25. Willmot M, Gray L, Gibson C, Murphy S, Bath PM. A systematic review of nitric oxide donors and L-arginine in experimental stroke; effects on infarct size and cerebral blood flow. Nitric Oxide. 2005;(12):141–149.

26. Jung KH, Chu K, Ko SY, Lee ST, Sinn DI, Park DK, Kim JM, Song EC, Kim M, Roh JK. Early intravenous infusion of sodium nitrite protects brain against in vivo ischemiareperfusion injury. Stroke 2006;(37):2744–50.

27. Самойленкова Н. С., Гаврилова С. А., Кошелев В. Б. Защитный эффект гипоксического и ишемического прекондиционирования при локальной ишемии мозга крыс // Доклады академии наук. – 2007. – Т. 414, № 2. – C. 283–285. [Samoilenkova NS, Gavrilova SA, Koshelev VB. Protective effect of hypoxic and ischemic preconditioning in local cerebral ischemia in rats. Academy of Sciences reports. 2007; 414(2):283–285. (In Russ.)].

28. Shmonin AA, Baisa AE, Melnikova EV, Vavilov VN, Vlasov TD. Protective effects of early ischemic preconditioning in focal cerebral ischemia in rats: the role of collateral blood circulation. Neuroscience and Behavioral Physiology. 2012;42(6):643–650. Doi: 10.1007/s11055-012-9615-x.

29. Маслов Л. Н., Халиулин И. Г., Подоксенов Ю. К. Нейропротекторный и кардиопротекторный эффекты гипотермического прекондиционирования // Патолог. физиология и эксперимент. терапия. – 2012. – T. 1. C. 67– 72. [Maslov LN, Khaliulin IG, Podoksenov YuK. Neuroprotective and cardioprotective effects of hypothermic preconditioning. Pathological physiology and experimental therapy. 2012;(1):67–72. (In Russ.)].

30. Ding ZM, Wu B, Zhang WQ, Lu XJ, Lin YC, Geng YJ, Miao YF. Neuroprotective effects of ischemic preconditioning and postconditioning on global brain ischemia in rats through the same effect on inhibition of apoptosis. Int. J. Mol. Sci. 2012; 13(5):6089–6101. Doi: 10.3390/ijms13056089.

31. Щербак Н. С., Юкина Г. Ю., Сухорукова Е. Г., Томсон В. В. Влияние ишемического посткондиционирования на реакцию микроглии неркортекса при глобальной ишемии головного мозга у крыс // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. – 2020. – Т. 19, № 2. – С. 59–66. [Shcherbak NS, Yukina GYu, Sukhorukova EG, Thomson VV. Influence of ischemic postconditioning on the reaction of microglia of the nercortex in global cerebral ischemia in rats. Regional blood circulation and microcirculation. 2020; 19(2):59–66. (In Russ.)]. Doi: 10.24884/1682-6655-2020-19-2-59-66.

32. Дерягин О. Г., Гаврилова С. А., Буравков С. В. и др. Роль АТФ-чувствительных калиевых каналов и оксида азота в защитном эффекте прекондиционирования мозга // Журн. неврологии и психиатрии им. С. С. Корсакова. – 2016. – T. 116, № 8. – C. 17–23. [Deryagin OG, Gavrilova SA, Buravkov SV, Andrianov VV, Yafarova GG, Gainutdinov HL, Koshelev VB. The role of ATP-sensitive potassium channels and nitric oxide in the protective effect of brain preconditioning. Journal of Neurology and Psychiatry. 2016;116(8):17–23. (In Russ.)]. Doi: 10.17116/jnevro20161168217-23.

33. Kong Y, Xu R, Darabi MA, Zhong W, Luo G, Xing MM, Wu J. Fast and safe fabrication of a free-standing chitosan/ alginate nanomembrane to promote stem cell delivery and wound healing. Int. J. Nanomedicine. 2016;(11):2543–2555. Doi: 10.2147/IJN.S102861.

34. Harris L, Zalucki O, Oishi S, Burne TH, Jhaveri DJ, Piper M. A morphology independent approach for identifying dividing adult neural stem cells in the mouse hippocampus. Dev. Dyn. 2018;247(1):194–200. Doi: 10.1002/dvdy.24545.

35. Eggenhofer E, Luk F, Dahlke MH, Hoogduijn MJ. The life and fate of mesenchymal stem cells. Front. Immunol. 2014; (5):148. Doi: 10.3389/fimmu.2014.00148.

36. Harrell CR, Fellabaum C, Jovicic N, Djonov V, Arsenijevic N, Volarevic V. Molecular mechanisms responsible for therapeutic potential of mesenchymal stem cell-derived secretome. Cells. 2019;8(5):467. Doi:10.3390/cells8050467.

37. Kulchitsky V, Zamaro A, Shanko Y, Koulchitsky S. Positive and negative aspects of cell technologies in cerebral diseases. J. Neurol. Stroke. 2018;8(2):87–88. Doi: 10.15406/jnsk.2018.08.00286.

38. Bogodvid T, Pashkevich S, Dosina M, Zamaro A, Takalchik Y, Yafarova G, Andrianov V, Denisov A, Loiko D, Gainutdinov K, Kulchitsky V. Effect of intranasal administration of mesenchymal stem cells on the approximate motor activity of rats after simulation of ischemic stroke. Eur. J. Clin. Investig. 2019;(49):161. Doi: 10.1111/eci.13109.

39. Shanko Y, Zamaro A, Takalchik SY, Koulchitsky S, Pashkevich S, Panahova E, Navitskaya V, Dosina M, Denisov A, Bushuk S, Kulchitsky V. Mechanisms of Neural Network Structures Recovery in Brain Trauma. Biomed. J. Sci. Tech. Res. 2018;7(5). Doi: 10.26717/BJSTR.2018.07.001567.

40. Vanin AF, Huisman A, Van Faassen EE. Iron Dithiocarbamate as Spin Trap for Nitric Oxide Detection: Pitfalls and Successes. Methods in Enzymology. 2003;(359):27–42.

41. Микоян ВД, Кубрина ЛН, Ванин АФ. Оксид азота образуется через L-аргинин зависимый путь в мозге мышей in vivo // Биофизика. – 1994. – Т. 39. – С. 915–918. [Mikoyan VD, Kubrina LN, Vanin AF. Nitric oxide is formed via an L-arginine dependent pathway in the brain of mice in vivo. Biophysics. 1994;(39):915–918. (In Russ.)].

42. Ismailova AI, Gnezdilov OI, Muranova LN, Obynochny AA, Andrianov VV, Gainutdinov KhL, Nasyrova AG, Nigmatullina RR, Rahmatullina FF, Zefirov AL. ESR Study of the Nitric Oxide Production in Tissues of Animals under the External Influence on the Functioning of the Cardiovascular and Nervous Sistems. Appl. Magn. Res. 2005;(28):421–430.

43. Gainutdinov KhL, Gavrilova SA, Iyudin VS, Golubeva AV, Davydova MP, Jafarova GG, Andrianov VV, Koshelev VB. EPR study of the intensity of the nitric oxide production in rat brain after ischemic stroke. Applied Magnetic Resonance. 2011;40(3):267–278.

44. van Faassen EE, Koeners MP, Joles JA, Vanin AF. Detection of basal NO production in rat tissues using irondithiocarbamate complexes. Nitric Oxide. 2008;(8):279–286.

45. Гайнутдинов Х. Л., Андрианов В. В., Июдин В. С. и др. Исследование методом ЭПР спектроскопии интенсивности продукции оксида азота в организме крыс при гипокинезии // Биофизика. – 2013. – Т. 58, № 2. – P 276– 280. [Gainutdinov HL, Andrianov VV, Iudin VS, Yurtaeva SV, Yafarova GG, Faizullina RI, Sitdikov FG. Investigation by the method of EPR spectroscopy of the intensity of production of nitric oxide in the body of rats with hypokinesia. Biophysics. 2013;58(2):276–280. (In Russ.)].

46. Andrianov VV, Yafarova GG, Pashkevich SG, Tokalchik YP, Dosina MO, Zamaro AS, Bogodvid TKh, Iyudin VS, Bazan LV, Denisov AA, Kulchitsky VA, Gainutdinov KhL. Changes of the nitric oxide and copper content in the olfactory bulbs of rats brain after modeling of brain stroke and intranasal administration of mesenchymal stem cells. Appl. Magn. Res. 2020;51(4):375–387.

47. Godinez-Rubi M, Rojas-Mayorquin AE, Ortuno-Sahagun D. Nitric oxide donorsas neuroprotective agents after an ischemic stroke-related inflammatory reaction. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2013;(297357):1–16. Doi: 10.1155/2013/297357.

48. Lukomska B, Stanaszek L, Zuba-Surma E, Legosz P, Sarzynska S, Drela K, Challenges and Controversies in Human Mesenchymal Stem Cell Therapy. Stem Cells Int. 2019: 9628536. Doi: 10.1155/2019/9628536.

49. Deryagin OG, Gavrilova SA, Gainutdinov KhL, Golubeva AV, Andrianov VV, Yafarova GG, Buravkov SV, Koshelev VB. Molecular bases of brain preconditioning. Frontiers in Neuroscience. 2017;11(427):1–12. Doi: 10.3389/fnins.2017.00427.

50. Ansari M.H.K., Karimi P., Shakib N., Beyrami S.M. The neuroprotective effect of sodium nitrite on ischemic strokeinduced mitochondrial dysfunction via down regulation of intrinsic apoptosis pathway. Crescent J. Medic. Biol. Sci. 2018; 5(1):50–56.

51. Гайнутдинов Х. Л., Андрианов В. В., Яфарова Г. Г. и др. Изменение содержания оксида азота и меди в печени и гиппокампе крыс после моделирования ишемии головного мозга // Журн. техн. физики. – 2020. – Т. 90, № 9. – С. 1481–1486. [Gainutdinov KhL, Andrianov VV, Yafarova GG, Bazan LV, Bogodvid TKh, Pashkevich SG, Dosina MO, Zamaro AS, Denisov AA, Kulchitsky VA. The change in the content of nitric oxide and copper in the liver and hippocampus of rats after modeling of brain ischemia. Technical Physics, 2020;65(9):1421–1426. (In Russ.)].

52. Terpolilli NA, Moskowitz MA, Plesnila N. Nitric oxide: considerations for the treatment of ischemic stroke. J. Cereb. Blood Flow Metab. 2012;32(7):1332–1346. Doi: 10.1038/jcbfm.2012.12.

53. Calabrese V, Mancuso C, Calvani M, Rizzarelli E, Butterfield DA, Stella AMG. Nitric oxide in the central nervous system: neuroprotection versus neurotoxicity. Nature Reviews Neuroscience. 2007;(8):767–775. Doi: 10.1038/nrn2214.

54. Bolanos JP, Almeida A. Roles of nitric oxide in brain hypoxia-ischemia. Biochimica et Biophysica Acta (BBA). 1999;1411(2–3):415–436.

55. Reutov VP, Samosudova NV, Sorokina EG. A model of glutamate neurotoxicity and mechanisms of the development of the typical pathological process. Biophysics. 2019;64(2): 233–250.

56. Yurtaeva SV, Efimov VN, Yafarova GG, Eremeev AA, Iyudin VS, Rodionov AA, Gainutdinov KhL, Yatsyk IV. EPR Detection of Iron Storage in Rat Tissues After Simulated Microgravity Model. Appl. Magn. Reson. 2016;47(6): 555–565.

57. Яфарова Г. Г., Андрианов В. В., Пашкевич С. Г. и др. Продукция оксида азота при моделировании ишемии головного мозга у крыс: роль NO-синтаз // Рос. нейрохирург. журн. им. проф. А. Л. Поленова. – 2019. – Т. 10. – С. 128. [Yafarova GG, Andrianov VV, Pashkevich SG. i dr. Produkciya oksida azota pri modelirovanii ishemii golovnogo mozga u krys: rol’ NO-sintaz. Ros. nejrohirurg. zhurn. im. prof. A. L. Polenova. 2019;10:128. (In Russ.)].

58. Gertz K, Endres M. eNOS and stroke: prevention, treatment and recovery. Future Neurol. 2008;3(5):537–550.

59. Eliasson MJL, Huang Z, Ferrante RJ, Sasamata M, Molliver ME, Snyder SH, Moskowitz MA. Neuronal nitric oxide synthase activation and peroxynitrite formation in ischemic stroke linked to neural damage. J. Neurosci. 1999; 19(14):5910–5918.

60. Nimiritsky PP, Eremichev RYu, Alexandrushkina NA, Efimenko AYu, Tkachuk VA, Makarevich PI. Unveiling mesenchymal stromal cells’ organizing function in regeneration. Int. J. Mol. Sci. 2019;20(4):823. Doi: 10.3390/ijms20040823.

61. Kim N, Cho SG. Clinical applications of mesenchymal stem cells. Korean J. Intern. Med. 2013;(28):387–402. Doi: 10.3904/kjim.2013.28.4.387.

62. Stukach Y, Gainutdinov Kh, Dosina M, Pashkevich S, Andrianov V, Denisov A, Bogodvid T, Yafarova G, Bushuk S, Kuznetsova T, Kulchitsky V. Migration of neural stem cells in hippocampal slices in hypoxia modeling. J. Stem Cells and Regenerative Therapy. 2016;1(1):1–8.

63. Zheng Z, Zhang L, Qu Y, Xiao G, Li S, Bao S, Lu QR, Mu D. Mesenchymal Stem Cells Protect Against Hypoxia-Ischemia Brain Damage by Enhancing Autophagy Through Brain Derived Neurotrophic Factor/Mammalin Target of Rapamycin Signaling Pathway. Stem Cells 2018;36(7):1109–1121.

64. Andrianov VV, Pashkevich SG, Yafarova GG, Denisov AA, Iyudin VS, Bogodvid TKh, Dosina MO, Kulchitsky VA, Gainutdinov KhL. Changes of nitric oxide content in the rat hippocampus, heart and liver in acute phase of ischemia. Appl. Magn. Reson. 2016;47(9):965–976.