CC BY
47
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ УДК 615.038
Журнал фундаментальной медицины и биологии
МЕТАЛЛОКОМПЛЕКСЫ НА ОСНОВЕ N-АЛКЕНИЛИМИДАЗОЛА КАК РЕДОКС-РЕГУЛЯТОРЫ ГИПОКСИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ
Шахмарданова С.А.1, Зеленская А.В.2, Галенко-Ярошевский П.А.2
Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова, Москва 2Кубанский государственный медицинский университет, Краснодар
Реферат
Цель. Изучить влияние комплексов цинка, железа, кобальта на основе производных N-алкенилимидазола, обладающих антигипоксическим действием, на редокс-потенциал в условиях острой гипобарической гипоксии.
Материалы и методы. На наружной поверхности кожи бедра задней конечности крысы измеряли ре-докс-потенциалы многофункциональным лазерным диагностическим комплексом «ЛАКК-М» (НПП Лаз-ма, Россия).
Результаты. При действии острой гипобарической гипоксией происходило снижение редокс-потен-циала. Введение исследуемых веществ за 1 час до гипоксического воздействия уменьшало выраженность изменений редокс-потенциала.
Заключение. Металлокомплексные производные N-алкенилимидазола представляют интерес в качестве регуляторов редокс-состояний, так как восстанавливают редокс-баланс, нарушенный острой гипобарической гипоксией.
Ключевые слова: ацизол; тетравим; CoALL; острая гипобарическая гипоксия; редокс-потенциал.
METAL COMPLEXES BASED ON THE N-ALKENILIMIDAZOL AS REDOX-REGULATORS OF HYPOXIC CONDITIONS
Shakhmardanova S.A.1, Zelenskaya A.V.2, Galenko-Yaroshevsky P.A.2
1Sechenov First Moscow state medical University, Moscow 2Kuban state medical University, Krasnodar [email protected]
Abstract
Purpose. Study of effects of zinc, iron and cobalt complexes based on N-alkenilimidazole derivatives with marked anti-hypoxic effect on changes in redox potential caused by acute hypobaric hypoxia.
Materials and methods. Redox potential was measured by polyfunctional laser diagnostic complex «LAKK-M» (SPE Lazma, Russia) on outer surface of posterior thigh skin of the rat.
Results. Acute hypobaric hypoxia caused a decrease in redox potential. Injection of the studied compounds 1 hour before the hypoxia lowered this effect.
Conclusion. Metal complexes of N-alkenilimidazole derivatives restore the redox balance shifted by acute hypobaric hypoxia and may be of interest as redox state controllers.
Keywords: acyzol; tetravim; CoALL; acute hypobaric hypoxia; redox potential.
Журнал фундаментальной медицины и биологии
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
Введение
Редокс-состояния приобретают все большую актуальность в медицине и биологии. В настоящее время накапливается опыт фармакотерапии препаратами, регулирующими редокс-состояние. В частности, показана [1] перспективность применения аденоцина, содержащего восстановленную форму никотинамиддинуклеотида (НАД-Н), выявлены [2] предпосылки для применения гистохрома в комплексном лечении венозных ретинальных ок-клюзий, связанных с изменениями редокс-систе-мы. Концепция создания лекарственных средств нового поколения — регуляторов редокс-систем — должна стать надежной платформой, способной заменить исчерпавший свой потенциал скрининг химических веществ [3].
Изменения параметров редокс-баланса наблюдаются в течение жизненного цикла клеток (пролиферация, дифференцировка, апоптоз), в процессе старения организма, в то время как его выраженные сдвиги всегда приводят к включению механизмов гибели живой системы [4-10].
Необходимым условием для поддержания ре-докс-гомеостаза является снабжение организма кислородом. Гипоксия приводит к резкому восстановительному сдвигу редокс-потенциала, что запускает некробиоз и повреждение специализированных кислород-чувствительных клеток [4]. В экстремальной для организма ситуации, вызванной дефицитом кислорода, редокс-активные агенты запускают индукцию и мобилизацию всех защитных ресурсов на любом уровне биологической организации, проявляя не только антиоксидант-ную, но и прооксидантную активность.
Концепция редокс-регуляции позволяет рассматривать проблему фармакологической коррекции гипоксических состояний на новом уровне.
Лекарственные средства, создаваемые при таком подходе, должны иметь сигнальный характер действия, направленного на сохранение гомеостаза при развитии патологического процесса. Основой таких лекарств — регуляторов редокс-систем — могут стать аминокислоты, витамины, полифенолы и микроэлементы, являющиеся редокс-актив-ными агентами соответствующих белков и ферментов [11].
В ходе исследований по созданию синтетических биологически активных соединений было обнаружено, что в обеспечении кислородной емкости гемоглобина ведущую роль играют имида-зольные фрагменты гистидина. Кроме того, ги-стидиновый остаток — активный редокс-агент многочисленных ферментов, в том числе карбо-ангидразы, участвующие в элиминации СО и СО2.
Учитывая вышеизложенное, металлокомплек-сы на основе ^алкенилимидазола представляют интерес с точки зрения оптимизации режима кислородного обеспечения клеток с одновременной коррекцией баланса редокс-систем и элементного статуса организма [11].
Комплексы цинка: ацизол [бис (1-винилимида-зол) цинка диацетат], железа: тетравим [(тетра-винилимидазол) железа трихлорид] и кобальта: CoALL [бис(1-аллилимидазол) кобальтдихлорид] —
синтезированы в лаборатории непредельных ге-тероатомных соединений Иркутского института химии СО РАН.
Проведенные ранее эксперименты по изучению антигипоксического действия данных веществ показали, что в условиях острой гипоксии разного генеза: гипобарической (ОГБГ), гемической (ОГеГ), гистотоксической (ОГтГ), гипоксии с гиперкапнией (ОГсГк) они обладают выраженным дозозависимым защитным эффектом. Ацизол проявлял активность на моделях ОГБГ, ОГсГк и ОГеГ, повышая в дозе 10-150 мг/кг выживаемость подопытных животных на 38—176% по сравнению с контрольными группами. Комплекс железа те-травим на 4-х моделях острой гипоксии увеличивал время жизни мышей на 20—127% в диапазоне доз 5-250 мг/кг, а соединение кобальта CoALL в дозе 10-150 мг/кг — на 17—181% по сравнению с животными контрольных групп. Степень выраженности и широта эффективных доз превышали таковые у известных антигипоксантов и/или антиоксидантов: этомерзола, мексидола, нооглю-тила и гипоксена [12-16].
Ацизол является наиболее изученным среди исследованных веществ. В настоящее время он выпускается для клинического применения ЗАО «Макиз-Фармой» (Россия) в капсулированной форме по 120 мг и в растворе для внутримышечных инъекций 60 мг/мл.
Результаты изучения ацизола, свидетельствующие о широком спектре фармакологических эффектов, позволяют предполагать, что в основе его эффективности лежит взаимодействие цинка с оптимальным для него комплексообразовате-лем — лигандом азольной группы винилимида-золом, обеспечивающим его биодоступность [17, 18]. Данный препарат рекомендован к применению в медицинской практике в качестве антидота при острых отравлениях смертельными дозами монооксида углерода (угарный газ, СО) и другими продуктами горения с профилактической и лечебной целью, являясь необходимым средством защиты для шахтеров и ликвидаторов последствий аварий, сопровождающихся пожарами [19].
Ацизол — высокоэффективный цинксодер-жащий препарат противовоспалительного, ре-паративного, детоксицирующего, иммуномоду-лирующего, бактериостатического действия [18]. Установлены гепатопротекторная, адаптогенная, антиоксидантная, кардиопротекторная виды активности препарата [18].
Механизм действия ацизола объясняется его способностью модифицировать неэлектролитным путем взаимодействие протогемных комплексов в молекуле гемоглобина, что приводит к снижению константы Дугласа, ускорению распада карбокси-гемоглобина и выведения СО из организма, повышению сродства гемоглобина к кислороду. Сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина влево ухудшает снабжение кислородом тканей с высоким порогом его усвоения с одновременным повышением оксигенации жизненно важных органов: головного мозга, миокарда, печени [20-22]. Улучшение газотранспортных функций крови снижает константу Хилла и выраженность эффекта Холдейна [20, 21].
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
Журнал фундаментальной медицины и биологии
Цель исследования — изучить влияния комплексов цинка, железа, кобальта на основе производных N-алкенилимидазола, обладающих выраженным антигипоксическим действием, на изменения редокс-потенциала в условиях острой гипобарической гипоксии (ОГБГ).
Материалы и методы исследования
Опыты проведены на 64 белых беспородных крысах-самцах массой 220-240 г. Животные были разделены на 8 групп по 8 особей в каждой. Крысам 1-ой, контрольной группы внутрибрюшинно вводили воду для инъекций, у животных 2-ой группы после введения воды для инъекций вызывали ОГБГ путем «поднятия» на «высоту» 7500 м над уровнем моря со скоростью 50 м/с в электровакуумной печи [16]. Крысы 3, 4 и 5-й групп получали внутрибрюшинно ацизол, тетравим и CoALL в дозах 50, 50, 25 мг/кг соответственно, занимающими среднее положение в ряду активных анти-гипоксических доз. Животные 6, 7 и 8-й групп после введения исследованных веществ подвергались воздействию ОГБГ.
Для оценки редокс-потенциала использовали флуоресцентный показатель потребления кислорода (ФППК) ферментов, участвующих в дыха-
тельной цепи, который обратно пропорционален редокс-отношению:
ФППК = Анадн / А, ,
НАД-Н ' флавины7
где АНАдН — амплитуда излучения флуоресценции НАД-Н;
Афлавины — амплитуда излучения флуоресценции окисленных флавопротеинов (ФАД) [23].
Получаемый безразмерный параметр отражает степень активности митохондрий и не зависит от изменений рассеивающих свойств биообъекта и аппаратурных факторов. Измерения выполняли на наружной поверхности кожи бедра задней конечности крысы с помощью многофункционального лазерного диагностического комплекса «ЛАКК-М» (НПП Лазма, Россия).
Статистическую обработку полученных данных проводили с помощью компьютерной программы Microsoft Excel XP в среде Windows XP и STATISTICA 6,0.
Результаты исследования
Через 1 час после введения ацизола, CoALL и тетравима белым беспородным крысам показатели ФППК и редокс-потенциала не изменялись (табл.1).
Таблица
Влияние ацизола, тетравима, CoALL, острой гипобарической гипоксии и их сочетания на флуоресцентный показатель потребления кислорода и редокс-потенциал (n=8)
Вещество и характер воздействия А НАД-Н Аф флавины ФППК % % Редокс-потен-циал % %
Контроль 350+13,5 230+8,8 1,53+0,073 100 0,66+0,032 100
ОГБГ 389+14,3 202+6,6 1,95+0,126 127* 0,53+0,034 80*
Ацизол 380+8,2 233+12,3 1,66+0,088 108 0,61+0,021 93
Тетравим 382+12,6 250+14,1 1,55+0,115 101 0,66+0,045 100
CoALL 370+8,6 256+16,9 1,46+0,081 96 0,69+0,042 105
Ацизол+ОГБГ 516+10,6 348+14,7 1,49+0,027 97 0,67+0,016 102
CoALL+ОГБГ 518+14,6 361+13,8 1,45+0,054 94 0,70+0,034 106
Тетравим+ОГБГ 353+10,6 250+15,6 1,43+0,168 93 0,63+0,059 95
Примечание. ОГБГ - острая гипобарическая гипоксия; ФППК - флуоресцентный показатель потребления кислорода. АНАД-Н - амплитуда излучения флуоресценции НАД-Н; Афлавины - амплитуда излучения флуоресценции окисленных флавопротеинов. * - статистически значимые различия (р < 0,05) по сравнению с контролем.
В условиях ОГБГ ФППК статистически значимо увеличивался на 27% вследствие повышения излучения флуоресценции восстановленного НАД-Н и уменьшения излучения флуоресценции окисленных ФАД. При этом редокс-потенциал снижался на 20% по сравнению с контрольными значениями. Введение исследуемых веществ за 1 час до воздействия ОГБГ уменьшало восстановительный сдвиг редокс-потенциала, вызванный влиянием острой гипоксии.
Обсуждение результатов исследования
Окислительный стресс, развивающийся вследствие недостатка кислорода — главного источника энергии, является основной причиной многочисленных патологий. Гипоксия, независимо от ее
этиологии и проявлений, вызывает целый каскад повреждений многомерной системы, что приводит к нарушению метаболических процессов в организме и дисбалансу редокс-систем.
В последние годы физико-химические характеристики пиридиннуклеотидов и ФАД усиленно изучаются в связи с возможностью использования этих соединений в качестве внутриклеточных маркеров активности энергетического аппарата. Известно, что спектры флуоресценции НАД и ФАД, регистрируемые в данном исследовании, характеризуют энергетический «статус» клетки. Пири-диннуклеотиды флуоресцируют только в восстановленном состоянии (460-490 нм) и теряют эту способность, окисляясь, а ФАД, наоборот, флуоресцируют только в окисленном виде (520-530 нм) и утрачивают это свойство при переходе в восста-
Журнал фундаментальной медицины и биологии
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
новленную форму. Смена покоя клетки состоянием активного энергетического обмена сопровождается увеличением концентрации окисленных пиридин-нуклеотидов (НАД+, НАДФ+), ФАД, цитохромов и соответствующим уменьшением концентрации их восстановленных форм. Ткани, находящиеся в состоянии активного обмена, характеризуются спектрами с примерно одинаковыми интенсивностя-ми полос восстановленных пиридиннуклеотидов и окисленных ФАД. Скорость переноса электронов по дыхательной цепи при этом максимально высока.
Повышение концентрации НАД-Н при недостатке кислорода может привести к переключению аэробного гликолиза на анаэробный. Снижение энергетического потенциала клеток, наблюдаемое при этом, приводит к тому, что они не только теряют способность выполнять свои сетевые функциональные обязанности в организме, но даже не в состоянии обеспечить собственную жизнедеятельность, что неумолимо ведет к их гибели.
Известно [5], что при гипоксии недостаток кислорода приводит к восстановлению переносчиков дыхательной цепи и, как следствие, увеличению образования активных форм кислорода (АФК), которые активируют свободнорадикальные процессы и участвуют в регуляции редокс-статуса клетки.
Новые представления о роли окислительно-восстановительных реакций в регуляции клеточных процессов, появившиеся в последние годы, позволяют выделить в качестве ключевой характеристики трансформированных тканей нарушения клеточного и тканевого редокс-гомеостаза [24]. Недостаток кислорода — основного участника окислительно-восстановительных реакций, приводит к дисбалансу редокс-систем, что индуцирует
изменения внеклеточной и внутриклеточной сигнализации, способствуя трансформации клеток и развитию патологических состояний, требующих фармакологической коррекции.
Любое нарушение гомеостаза приводит к патологическим состояниям, при которых нарушается получение, формирование запаса и утилизация энергии. Редокс-потенциал является базовым показателем метаболического состояния клетки, интегрирующим в себе бесчисленное множество окислительно-восстановительных реакций. Имеющиеся данные о ведущей роли его изменений в обеспечении регуляции биологических систем представляют новые возможности для фармакотерапии патологических состояний, в том числе гипоксиче-ской природы.
Существующие основные принципы коррекции гипоксии не решают главную проблему — снижение восстановительного пула вследствие недостатка кислорода. Стратегической задачей создания средств патогенетической терапии нового поколения является разработка безопасных лекарственных средств — регуляторов редокс-систем, направленных на индукцию собственного защитного ресурса организма. Сведения об ацизоле и его применении, подтверждающие полифункциональность его действия, могут стать фундаментом для работы в этом направлении.
Таким образом, результаты проведенного исследования свидетельствуют о том, что металло-комплексные производные N-алкенилимидазола (ацизол, тетравим, CoALL) восстанавливают сдвиг редокс-потенциала, вызванный острой гипобари-ческой гипоксией, и представляют интерес в качестве регуляторов редокс-состояний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Донецкая О.П., Тулупова В.А., Шульдешова Н.В., Федорова М.М. Фармакокоррекции редокс-потенциала плазмы и дисфункции эндотелия при сердечной недостаточности, обусловленной ишемической болезнью сердца. Кардиоваскуляр-ная терапия и профилактика. 2012; 11(1): 54-8.
2. Будзинская М.В., Михайлова М.А., Балацкая Н.В. Предпосылки для применения препарата гистохром при дисбалансе редокс-системы, вызванном венозными ретинальными окклюзиями. Эффективная фармакотерапия. 2013; 23: 36-40.
3. Парфенов Э.А., Трапков В.А., Шабанов П.Д. Редокс-регуля-ция как надежная платформа поиска и разработки лекарств нового типа. Поиск гастропротекторов среди замещенных кумаринов. Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. 2014; 12(20): 22-42.
4. Шилов В.Н. Молекулярные механизмы структурного гомео-стаза. М.: Интерсигнал; 2006.
5. Гуськов Е.П., Шкурат Т.П., Вардуни Т.В., Машкина Е.В., По-кудина И.О., Шиманская Е.И. и др. Генетика окислительного стресса. Ростов н/Д: СКНЦ ВШ ЮФУ; 2009.
6. Lamb H, Stammers D, Hawkins A. Dinucleotide-Sensing Proteins: Linking Signaling Networks and Regulating Transcription. Sci Signal. 2008; 1: 38.
7. Rael LT, Bar-Or R, Mains CW, Slone DS, Levy AS, Bar-Or D. Plasma Oxidation-Reduction Potential and Protein Oxidation in Traumatic Brain Injury. J of neurotrauma. 2009; 26: 1203-11.
8. Oka ShI, Hsu ChP, Sadoshima J. Regulation of Cell Survival and
Death by Pyridine Nucleotides. Circ Res 2012; 111: 611-27.
9. Lee MJ, Kao SH, Hunag JE, Sheu GT, Yeh CW, Hseu YC et al. Shikonin time-dependently induced necrosis or apoptosis in gastric cancer cells via generation of reactive oxigen species. Chemico-Biological Interactions. 2014; 211: 44-53.
10. Ren FL, Wang K, Zhang T, Jiang JW. New insights info redox regulation of cell self-renewal and differentiation. Biochimica et biophysica acta-general subjects. 2015; 1850(8): 1518-26.
11. Лебедева С.А., Бабаниязова З.Х., Бабаниязов Х.Х., Радионов И.А. Новые подходы к фармакологической коррекции гипок-сических состояний. Вестник Оренбургского университета. 2011; 15(134): 78-81.
12. Лебедева С.А., Бабаниязова З.Х., Скальный А.А., Радионов И.А. Применение металлокомплексов цинка, кобальта и железа для коррекции гипоксических состояний. Микроэлементы в медицине. 2011; 12(1-2): 63-6.
13. Лебедева С.А. Сравнительная оценка антигипоксической активности нового металлокомплекса железа. Инновации в современной фармакологии. IV съезд фармакологов России: материалы съезда. 2012; 116.
14. Лебедева С.А. Бабаниязова З.Х. Исследование антигипокси-ческой активности и острой токсичности нового металло-комплекса кобальта. Микроэлементы в медицине. 2012; 13(2): 14-8.
15. Шахмарданова С.А. Исследование острой токсичности и антигипоксической активности новых металлокомплексов же-
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
Журнал фундаментальной медицины и биологии
леза. Саратовский научно-медицинский журнал. 2015; 11(1): 146-50.
16. Шахмарданова С.А., Галенко-Ярошевский П.А. Металлоком-плексные производные 1-алкенилимидазола. Антигипокси-ческие свойства, механизмы действия, перспективы клинического применения Краснодар: Просвещение-Юг; 2015.
17. Babaniyazova ZK, Babaniyazov KK, Skalny AV, Bobr IS. Acizol is new effective remedy against zinc deficiency. Микроэлементы в медицине. Специальный выпуск. VI Международный симпозиум Федерации европейских обществ по изучению макро- и микроэлементов. 2010; 11(2): 67.
18. Бабаниязов Х.Х., Трофимов Б.А., Нечипоренко С.П. Опыт изучения фармакологических свойств ацизола в эксперименте и клинике. Вестник восстановительной медицины. 2008; 5: 7-11.
19. 19. Бабаниязова З.Х., Бабаниязов Х.Х., Радионов И.А., Скальный А.В., Бобр И.С. Ацизол в решении проблем цинкдефи-цитных состояний. Микроэлементы в медицине. 2010; 11(1): 25-30.
20. Радионов И.А., Шантырь И.И., Баринов В.А. Влияние ацизола на кинетику карбоксигемоглобина у пожарных. Медико-биологические и социально-психологические проблемы безопасности в чрезвычайных ситуациях. 2012; 2: 11-3.
21. Parshina LN, Trofimov BA. Metal complexes with N-alkenylimidazoles: synthesis, structures, and biological activity. Russian Cemical Bulletin. 2011; 60(4): 601-14.
22. Shakhmardanova SA, Maximov ML, Parshina LN, Trofimov BA, Tarasov VV, Chubarev VN et al. Pharmacological Correction of Hypoxic Conditions by Complexes of Zinc with N-alkenylimidazoles. BioNanoScience. 2016. DOI 10.1007/ s12668-016-0322-x.
23. &доров В.В. Руководство по эксплуатации комплекса многофункционального лазерного диагностического «ЛАКК-М». М.; 2009.
24. Мартинович Г.Г., Черенкевич С.Н. Окислительно-восстановительные процессы в клетках. Минск: БГУУ 2008.
