CC BY
66
Результаты исследований молодых ученых и студентов
Влияние янтаря-антитокса и силимарина на окислительное фосфорилирование и перекисное окисление липидов в печени крыс
при экспериментальном сахарном диабете Эскина К.А.1, Васильев К.Ю.2
The influence of anberr-antitox and silymarin on oxidative phosphorilation and lipid peroxide oxidation in rat's liver in the experimental diabetes mellitus
Eskina K.A., Vasilyev K.Yu.
Модель сахарного диабета, вызванная введением крысам стрептозотоцина в дозе 65 мг на 1 кг массы тела сопровождается нарушением функционирования митохондрий (гиперактивацией дыхания и разобщением окислительного фосфорилирования) и усилением липидной пероксидации в печени. На 14-е сут после интоксикации стрепто-зотоцином частично восстанавливается активность дыхания митохондрий, однако не устраняется разобщение окислительного фосфорилирования. Силимарин в дозе 70 мг на 1 кг массы тела животного в этих условиях нормализует процессы липидной пероксидации, однако не влияет на биоэнергетику печени. Терапия янтарем-антитоксом в дозе 50 мг на 1 кг массы тела нормализует процессы окислительного фосфорилирования митохондрий и подавляет липидную пероксидацию в печени крыс на 14-е сут после интоксикации стрептозотоцином.
Ключевые слова: сахарный диабет, митохондрии печени, стрептозотоцин, силимарин, янтарь-антитокс.
The model of diabetes mellitus caused by intraperitoneal injection of streptozotocin in dose of 65 mg/kg in experi -ment on rats was accompanied by alternation of mitochondrial functions (hyperactivation of respiration and disconnection of oxidative phosphorilation) and lipid peroxidation in the liver. Partial restoration of mitochondrial respiration activity began on the 14th day after streptozocin intoxication, but disconnection of oxidative phosphorilation was not removed. Silymarin in a dose of 70 mg/kg normalizes process of lipid peroxidation but does not influence on bioenergy in the liver. Therapy with amber-antitox in a dose of 50 mg/kg normalizes oxidative phosphorilation in mitochondria and suppresses lipid peroxidation in liver of rats on the 14th day after intoxication caused by streptozocin.
Key words: diabetes mellitus, mithochondria of the liver, streptozotocin, silymarin, amber-antitox.
1 Сибирский государственный медицинский университет, г. Томск
2 НИИ фармакологии ТНЦ СО РАМН, г. Томск
© Эскина К.А., Васильев К.Ю.
УДК 616.379-008.64.08:591.436:577.3
Введение
Сахарный диабет является одним из наиболее распространенных эндокринных заболеваний и представляет важную медико-социальную проблему. По данным ВОЗ, ежегодно число больных сахарным диабетом в мире увеличивается на 5—7%, а каждые 12—15 лет удваивается.
В патогенезе диабета основное значение имеют абсолютный и относительный дефицит инсулина, а также повреждение митохондрий не только
Эскина К.А., Васильев К.Ю. Влияние янтаря-анти ПОЛ...
островков поджелудочной железы, но и всех тканей вследствие недостатка глюкозы. Повышение концентрации глюкозы в крови и в инсулинонеза-висимых тканях (эндотелий сосудов, нейроны) при сахарном диабете становится причиной постоянной генерации свободных радикалов, которые повреждают липидные и белковые компоненты клеток, способствуют образованию и накоплению высокотоксичных липоперекисных соединений, усиливающих процессы дестабилизации клеточных мембран [9]. При этом снижается антиокси-дантная защита клеток, обеспечивающая постоянство антирадикального и антиперекисного го-меостаза [10]. В митохондриях нарушается функционирование цикла трикарбоновых кислот, происходит частичное разобщение окисления и фосфорилирования. Кроме того, возрастает вклад гликолиза в образование АТФ. Прогрессирующий дефицит энергии нарушает структурную целостность и функциональную активность жизненно важных органов и систем.
Основными лекарственными средствами, воздействующими на метаболизм и функциональное состояние печени и поджелудочной железы, являются гепатопротективные препараты. Среди гепатопротекторов преобладают препараты, содержащие естественные или полусинтетические флавоноиды расторопши пятнистой (БИуЬит тапапит Ь. семейства Asteraceae). Главным действующим компонентом расторопши является силимарин (легалон, карсил) [1]. Сили-марин представляет собой сумму флаволигнанов с фенилхромановой структурой — силибин (два изомера), силидианин и силикристин. Одним из основных механизмов терапевтического действия силимарина является мембранотропный. Силимарин, вступая в биохимическое взаимодействие с мембранами клеток печени, нормализует в них количество фосфолипидов — фосфа-тидилинозитола и фосфатидилэтаноламина. Это повышает резистентность мембран и уменьшает потерю составных веществ клетки. Другой путь стабилизации мембран силимарином — ингиби-рование фосфодиэстеразы циклических нуклео-тидов и накопление циклического аденозинмоно-фосфата в гепатоцитах [3].
Потенциальную гепатопротекторную активность при заболеваниях печени могут проявлять регуляторы энергетического обмена. Экспериментально доказано улучшение функционального состояния печени и ослабление гепатотокси-ческого влияния ряда лекарственных и токсичных соединений под влиянием регуляторов энергетического обмена на основе янтарной кислоты [5]. В механизме их гепатопротекторного эффекта главную роль играет поддержание активности реакций быстрого метаболического кластера митохондрий [7].
Цель работы — исследовать возможность коррекции нарушений функционирования митохондрий и перекисного окисления липидов в печени с помощью гепатопротектора силимарина и регулятора энергетического обмена янтаря-антитокса при экспериментальном сахарном диабете, вызванном стрептозотоцином. Материал и методы
Эксперименты проводили в зимне-весенний период на 60 беспородных крысах-самцах массой 200—220 г. Животные находились в стандартных условиях вивария, в параллельно исследуемых группах (по 10—12 крыс), имели одинаковую массу тела, контролируемую ежедневным взвешиванием для коррекции вводимой дозы препаратов. Все манипуляции (взвешивание, введение препаратов, декапитацию) осуществляли утром с 900 до 1200 с целью исключения влияния суточных колебаний метаболизма.
Животные получали однократные внутрибрю-шинные инъекции стрептозотоцина в дозе 65 мг на 1 кг массы тела. Введение стрептозотоцина позволяет моделировать в эксперименте сахарный диабет, в том числе отдельные стадии патологического процесса, что подтверждается результатами морфологических и биохимических исследований [8]. Со второго дня после интоксикации крысам вводили в желудок ежедневно силимарин (70 мг на 1 кг массы тела) или янтарь-антитокс (50 мг на 1 кг массы тела в пересчете на содержание янтарной кислоты) в виде суспензии на 1%-й крахмальной слизи. Продолжительность фармакотерапии составила 14 дней.
Через сутки после последнего введения препаратов крыс декапитировали под эфирным наркозом. Для исследований использовали гомогенат печени. Функциональное состояние митохондрий печени оценивали полярографическим методом с помощью закрытого электрода Кларка лабораторного изготовления по скорости потребления кислорода в различных метаболических состояниях по Б. Чансу [2] с учетом градации метаболических состояний, предложенных М.Н. Кондрашовой [11]. Отдельно рассматривались состояния 4 до внесения АДФ и после окончания цикла фосфо-рилирования: состояние 4 покоя (4п) и состояние
4 отдыха (4о) соответственно.
Среда инкубации содержала: 1,2 • 10-1 моль КС1, 1 • 10-3 моль Hepes-буфер, 2 • 10-5 моль эти-лендиаминтетраацетата, 2 • 10-3 моль КН2РО4 (рН = 7,2; t = 26 °С). В качестве субстратов окисления использовали янтарную кислоту (ЯК) в концентрации 1 • 10-3 моль, смесь НАД-зависимых субстратов малата и глутамата в концентрации по 3 • 10-3 моль. В работе использован ингибитор аминотрансфераз аминооксиацетат (АОА)
5 • 10-4 моль, а также ингибитор сукцинатдегидроге-назы малонат 2 • 10-3 моль. Во всех случаях указаны конечные концентрации в среде инкубации. Регистрировали скорость дыхания митохондрий до (У4п), после (У4о) и во время цикла фосфори-
лирования добавленной
до концентрации 1 • 10-4 моль АДФ (Уз). Во всех измерениях абсолютные значения скоростей потребления кислорода выражены в нанограммах атомарного кислорода в минуту на 1 мг белка митохондрий (нг Оатом /(мин • мг белка)). Для оценки энергетического статуса использовали коэффициенты стимуляции дыхания СД = УЗ/Ущ, дыхательного контроля ДК = Уз/У4о и сопряженности окислительного фосфорилирования АДФ/О.
Активность липопероксидации оценивали по скорости образования спонтанного и аскорбатза-висимого малонового диальдегида (МДА), содержанию диеновых конъюгатов (КД) и оснований Шиффа (ОШ). Результаты обрабатывали методом парных сравнений по непараметрическому критерию Вилкоксона—Манна—Уитни, вероятность ошибочного вывода не превышала 5% (р < 0,05).
Результаты и обсуждение
При интоксикации стрептозотоцином митохондрии печени крыс характеризовались повышением скоростей дыхания до, во время и после фосфорилирования АДФ при окислении ЯК по отношению к показателям нормы (рисунок). При этом снижались коэффициенты СД и ДК, а также время фосфорилирования добавленной АДФ.
Эскина К.Д., Васильев К.Ю. ПОЛ...
о й
Влияние янтаря-антитокса и силимарина на окислительное фосфорилирование и
4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
с и
о й
О я
о
140 120 100 80 60 40 20 0
70 60 50 40 30 20 10 0
2 3 4
Группа животных
2 3 4 Группа животных
О
2 3 4
Группа животных
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
2 3 4 Группа животных
2 3 4
Группа животных
Окисление
янтарной кислоты малата и глутамата по
2 3 4 Группа животных
I — малата, глутамата + малоната и малата ] — глутамата + аминооксиацетата
Влияние силимарина и янтаря-антитокса на процессы окислительного фосфорилирования в митохондриях печени крыс при интоксикации стрептозотоцином. Группы экспериментальных животных: 1 — интактные животные; 2 — острая интоксикация стрептозотоцином; 3 — интоксикация стрептозотоцином спустя 14 сут; 4 — терапия силимарином в течение 14 сут после введения стрептозотоцина; 5 — терапия янтарем-антитоксом в течение 14 сут после введения стрептозотоцина. Различия достоверны при р < 0,05: * — по сравнению с показателем интактных животных; ! — по сравнению
с показателем животных, получавших стрептозотоцин; #, л — по сравнению с показателями животных через 14 дней после введения стрептозотоцина
Полученные данные указывают на активацию сук-цинатзависимой энергопродукции в митохондриях печени крыс при токсическом воздействии стрептозотоцина.
При окислении НАД-зависимых субстратов после введения животным стрептозотоцина увеличивались скорости дыхания митохондрий в состояниях 4п, 3 и 4о при сокращении времени фосфорилирования АДФ. Коэффициент ДК уменьшался, а коэффициент АДФ/О становился больше, чем в норме (рисунок). Ингибиторный анализ НАД-зависимого дыхания митохондрий
печени с применением конкурентного ингибитора СДГ малоната выявил увеличение параметров избирательного НАД-зависимого дыхания и вклада эндогенной ЯК в энергопродукцию, что подтверждает гиперактивное состояние митохондрий. Внесение АОА в среду инкубации митохондрий, окисляющих НАД-зависимые субстраты, продемонстрировало увеличение по сравнению с нормой скорости дыхания органелл и уменьшение коэффициента СД (см. рисунок) на фоне замедления фосфорилирования АДФ. При этом повышался вклад реакций переаминирования в
продукцию эндогенной ЯК. Полученные данные свидетельствуют о доминировании быстрого метаболического кластера митохондрий [6] в энергопродукции при интоксикации стрептозотоци-ном.
Характер выявленных изменений в системе энергопродукции печени указывает на развитие гиперкомпенсированного низкоэнергетического сдвига, связанного с повышением проницаемости мембран митохондрий для Н+ и разобщением окислительного фосфорилирования [67]. Очевидно, изменения обусловлены предшествующей этим процессам генерацией активных форм кислорода под действием стрептозотоцина. Действительно, об активации свободнорадикальных процессов при интоксикации стрептозотоцином свидетельствует рост содержания первичных и вторичных продуктов липопероксидации — КД, ОШ, МДА при спонтанном и при аскорбатзависи-мом перекисном окислении липидов (ПОЛ) в печени крыс по сравнению с показателями у ин-тактных животных (таблица).
Через 14 дней после введения стрептозото-цина снижались скорости дыхания митохондрий при окислении ЯК в сочетании с увеличением коэффициента АДФ/О по сравнению с показателями группы животных с острой интоксикацией (см. рисунок). Можно предположить, что у этой группы животных частично нормализуется функциональное состояние митохондрий печени, хотя сопряженность окислительного фосфорилирования не достигает нормальных значений.
При окислении НАД-зависимых субстратов митохондриями печени животных на 14-й день после введения стрептозотоцина скорости контролируемого дыхания УЛп и У4о снижались относительно показателей при острой интоксикации, коэффициент ДК повышался (см. рисунок). Это указывает на наличие репаративных процессов в митохондриях и рост вклада НАД-зависи-мого окисления в продукцию АТФ. Интенсивность липидной пероксидации в печени сохранялась такой же, как на 2-е сут после интоксикации (см. таблицу).
Влияние силимарина и янтаря-антитокса на показатели перекисного окисления липидов в печени крыс при интоксикации
стрептозотоцином (М ± т)
Группа экспериментальных животных Показатель
КД ОШ МДА спонтанное МДА аскорбатзависимое
Интактные животные Стрептозотоцин Стрептозотоцин, спустя 14 сут Силимарин + стрептозотоцин Янтарь-антитокс + стрептозотоцин 2,63 ± 0,21 6,31 ± 0,28 1) 7,14 ± 0,23 1) 3,80 ± 0,19 2 3) 4,11 ± 0,21 2 3) 4,12 ± 0,21 6,24 ± 0,18 1) 6,93 ± 0,14 1) 4,43 ± 0,20 2 3) 4,82 ± 0,14 2 3) 1,02 ± 0,05 2,31 ± 0,12 1) 2,64 ± 0,14 1) 1,42 ± 0,09 2 3) 1,61 ± 0,13 2 3) 1,21 ± 0,09 2,71 ± 0,15 1) 2,94 ± 0,12 1) 1,63 ± 0,11 2 3) 2,08 ± 0,17
Примечание. КД — диеновые коньюгаты, ЕД/мг липидов; ОШ — основания Шиффа, отн. ед. на 1 мг липидов; МДА — малоновый диальдегид, нмоль/(мг белка • мин). Различия достоверны при р < 0,05: 1) — по сравнению с показателем интактных животных; 2) — по отношению к группе животных, получавших стрептозотоцин; 3) — по отношению к группе животных, исследованных через 14 сут после инъекции стрептозотоцина.
Введение крысам силимарина в течение 14 дней после интоксикации стрептозотоцином вызывало снижение до нормы скоростей дыхания митохондрий в состояниях покоя и фосфорилирования АДФ при утилизации ЯК (см. рисунок). Коэффициенты, характеризующие сопряженность окислительного фосфорилирования (СД, ДК, АДФ/О), снижались (см. рисунок), что свидетельствует о неспособности силимарина устранить вызывае-
мую стрептозотоцином деэнергизацию митохондрий. Данное предположение подтверждает анализ дыхания митохондрий при окислении НАД-зависимых субстратов. У животных, защищенных силимарином, при снижении скоростей поглощения кислорода митохондриями во всех метаболических состояниях относительно скоростей, регистрируемых в контроле, существенно уменьшался коэффициент АДФ/О (см. рисунок). Ингибитор-
Влияние янтаря-антитокса и силимарина на окислительное фосфорилирование и
Эскина К.А., Васильев К.Ю. ПОЛ...
ный анализ дыхания митохондрий крыс, получавших силимарин с применением малоната и АОА, позволил установить сохранение на уровне нормы показателей окисления и продукции эндогенной ЯК, что не приводило к изменению характера окислительного фосфорилирования (см. рисунок).
Введение силимарина в течение 14-е сут после интоксикации стрептозотоцином полностью сдерживало накопление первичных продуктов ПОЛ — КД. Скорости образования МДА также снижались, но не достигали значений, выявленных у интактных животных (см. таблицу). Сили-марин тормозит только накопление продуктов ли-пидной пероксидации и не улучшает функционирование митохондрий печени.
При интоксикации стрептозотоцином регулятор энергетического обмена янтарь-антитокс нормализовал показатели окислительного фосфорилирования митохондрий печени во всех метаболических состояниях. Так, при окислении ЯК восстанавливались до нормы скорости дыхания митохондрий (см. рисунок). Сниженный коэффициент АДФ/О, судя по величине коэффициентов СД и ДК, указывает на доминирование сук-цинатзависимых процессов в энергопродукции.
При окислении НАД-зависимых субстратов скорости дыхания митохондрий в состояниях У3 и У.4о превышали показатели интактных животных. Увеличение степени сопряженности окисления и фосфорилирования (рост коэффициентов СД, ДК, АДФ/О относительно нормы) отражает преобладание вклада НАД-зависимых субстратов в продукцию АТФ. Ингибиторный анализ дыхания митохондрий крыс, получавших янтарь-антитокс, показал значительное увеличение вклада образования и окисления эндогенной ЯК в энергопродукцию по сравнению с сукцинатзависимыми процессами у животных через 14 дней после введения стрептозотоцина (см. рисунок). Это свидетельствует о развитии репаративных процессов за счет активации быстрого метаболического кластера митохондрий.
Терапия янтарем-антитоксом в течение 14 сут после интоксикации стрептозотоцином нормали-
зовала продукцию липидоперекисей в печени крыс (см. таблицу), что указывает на отчетливое антиоксидантное действие янтаря-антитокса, которое реализуется посредством положительного влияния на систему энергопродукции печени. Судя по полученным данным, при моделировании сахарного диабета стратегия гепатопротек-тивного действия силимарина, обладающего прямым антиоксидантным эффектом [3], может проигрывать в сравнении с эффектом янтаря-ан-титокса, оптимизирующим митохондриальное окисление.
Выводы
Таким образом, интоксикация стрептозотоци-ном вызывает в митохондриях печени гипер-компенсированный низкоэнергетический сдвиг с повышением скоростей дыхания во всех метаболических состояниях и разобщением окислительного фосфорилирования, усиливает липидную пе-роксидацию. Спустя 14 сут после инъекции стреп-тозотоцина частично восстанавливается функционирование деэнергизованных митохондрий, однако не устраняется разобщение окислительного фосфорилирования. Силимарин нормализует показатели сукцинат- и НАД-зависимой энергопродукции митохондрий печени крыс, получавших стрептозотоцин, и снижает интенсивность липид-ной пероксидации, однако не устраняет разобщение окислительного фосфорилирования.
Под влиянием терапии янтарем-антитоксом нормализуются процессы сукцинат- и НАД-зависи-мой энергопродукции в митохондриях, активируются реакции быстрого метаболического кластера, восстанавливается окислительное фосфорилиро-вание, повышается энергизованность митохондрий, тормозится липидопероксидация в печени. Регулятор энергетического обмена янтарь-анти-токс при интоксикации стрептозотоцином обладает более выраженными положительными метаболическими эффектами, чем гепатопротектор силимарин. Полученные результаты указывают на целесообразность применения гепатопротекторов и регуляторов энергетического обмена в комплексной терапии диабета.
Литература
1. Машковский М.Д. Лекарственные средства. 14-е изд. М.: Новая волна, 2000. Т. 1. 540 с.; Т. 2. 608 с.
2. Митохондрии в патологии / Под ред. М.Н. Кондра-шовой, Ю.Г. Каминского, Е.И. Маевского. Пущино, 2001. 156 с.
3. Подымова С.Д. Эффективность легалона при хронических заболеваниях печени // Клинич. фармакология и терапия. 1996. № 1. С. 40—43.
4. Смирнова О.М. Впервые выявленный сахарный диабет и сердечно-сосудистая патология // Фар-матека. 2006. № 3. С. 54—58.
5. Смирнова Н.Б., Хазанов В. А. Коррекция патологических
6. состояний в эксперименте регуляторами энергетического обмена // Регуляторы энергетического обмена. Клин.-фармакол. аспекты / Под ред.
B.А. Хазанова. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. С. 109-113.
7. Хазанов В. А. Роль системы окисления янтарной кислоты в энергетическом обмене головного мозга: Ав-тореф. дис. ... д-ра мед. наук. Томск, 1993. 35 с.
8. Хазанов В. А., Васильев К.Ю. Возрастные особенности гепатопротекторного действия митохондри-альных субстратов при стрессе и интоксикации // Бюл. экспер. биологии и медицины. 2005. Прил. 1.
C. 54-60.
9. Cardinal J.W., Allan D.J., Cameron D.P. Differential metabolite accumulation may be the cause of strain differences in sensitivity to streptozotocin-Induced p cell death in inbred mice // Europ. J. Medical Res. 1999. V. 7. № 3. P. 65.
10. Baynes J.W. // Diabetes. 1991. V. 40. P. 405-412.
11. Ceriello A., Dello Russo P., Amstad P., Cerutti P. // Diabetes. 1996. V. 45. P. 471-477.
12. KondrashоvaM.N. Mechanism of physiological activity and cure affect of small doses of succinic (amber) acid // Europ. J. Medical Res. 2000. V. 5. № 1. P. 5868.
Поступила в редакцию 20.03.2006 г.
