ANTICONVULSANT EFFICACY OF INHIBITION OF SYNAPTIC AND EXTRASYNAPTIC GABA-TRANSPORTERS IN PREVENTION OF HYPERBARIC OXYGEN SEIZURES

O. S. Alekseeva; Алексеева О. С.; B. A. Gerda; Герда Б. А.; A. S. Zhilyaeva; Жиляева А. С.; I. T. Demchenko; Демченко И. Т.

doi:10.31857/S0044452923030026

Противосудорожная эффективность ингибирования синаптических и внесинаптических ГАМК-транспортеров в предотвращении гипербарических кислородных судорог

Авторы: Алексеева О.С.¹, Герда Б.А.¹, Жиляева А.С.¹, Демченко И.Т.¹
Учреждения:
1. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук
Выпуск: Том 59, № 3 (2023)
Страницы: 198-206
Раздел: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
URL: https://journals.rcsi.science/0044-4529/article/view/136698
DOI: https://doi.org/10.31857/S0044452923030026
EDN: https://elibrary.ru/YGRLBE
ID: 136698

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Гипербарический кислород (ГБО₂) подавляет ГАМК-ергическую нейропередачу в мозге, что может приводить к развитию судорожного синдрома, известного как “кислородная эпилепсия”. Дефицит ГАМК-ергической передачи в ГБО₂, возникающий за счет снижения уровня синаптического ГАМК, может быть компенсирован путем ингибирования нейрональных и глиальных ГАМК-транспортеров (GAT). В настоящем исследовании проводилась сравнительная оценка противосудорожного действия тиагабина, ингибитора GAT-1, и SNAP 5114, ингибитора GAT-2/3. Противосудорожные эффекты оценивались после введения препаратов в латеральный мозговой желудочек крыс за 30 мин до начала гипербарической кислородной экспозиции при давлении 5 АТА. В отдельных опытах измерялась концентрация ГАМК в стриатуме крыс при дыхании кислородом под давлением 5 АТА после ингибирования GAT с помощью тиагабина или SNAP 5114. Основными результатами выполненных исследований являются: (1) ингибирование GAT-1 или GAT-2/3 предотвращало развитие “кислородной эпилепсии” у крыс; (2) среди двух используемых ингибиторов, TGB оказался более эффективным в предотвращении кислородных судорог по сравнению со SNAP 5114; (3) совместное использование TGB и SNAP 5114 вызывало аддитивный противосудорожный эффект; (4) кислородные судороги появлялись при снижении ГАМК в головном мозге на 30–40% от исходного уровня; (5) ингибирование GAT с помощью тиагабина увеличивало содержание внеклеточного ГАМК в 2.9 раза и в 1.7 раза при использовании SNAP 5114. Таким образом, ингибирование GAT-1 или GAT-2/3 повышает внеклеточную концентрацию ГАМК до уровня, достаточного для восстановления нарушенной в ГБО₂ тормозной нейропередачи, и предотвращает развитие гипербарических кислородных судорог.

Ключевые слова

гипербарический кислород, кислородная нейротоксичность, гипербарические кислородные судороги, ГАМК транспортеры, тиагабин, SNAP 5114

Список литературы

Зальцман ГЛ (1968) Стадии развития кислородной эпилепсии и функциональное состояние нервной системы. В кн. Гипербарические эпилепсия и наркоз. Л. Наука. [Zaltsman GL (1968) Stages of formation of oxygen epilepsy and the functional state of the centres of the nervous system. In book: Hyperbaric epilepsy and narcosis. Ed. Zaltsman G.L. Leningrad. Nauka. (In Russ)].
Demchenko IT, Zhilyaev SY, Moskvin AN, Krivchenko AI, Piantadosi CA, Allen BW (2017) Antiepileptic drugs prevent seizures in hyperbaric oxygen: A novel model of epileptiform activity. Brain Res 1657: 347–354. https://doi.org/10.1016/j.brainres.2016.12.032
Demchenko IT, Zhilyaev SY, Alekseeva OS, Krivchenko AI, Piantadosi CA, Gasier HG (2019) Increased Antiseizure Effectiveness with Tiagabine Combined with Sodium Channel Antagonists in Mice Exposed to Hyperbaric Oxygen. Neurotox Res 36 (4): 788–795. https://doi.org/10.1007/s12640-019-00063-5
Ciarlone GE, Hinojo CM, Stavitzski NM, Dean JB (2019) CNS function and dysfunction during exposure to hyperbaric oxygen in operational and clinical settings. Redox Biol 27: 101–159. https://doi.org/10.1016/j.redox.2019.101159
Demchenko IT, Zhilyaev SY, Platonova TF, Alekseeva OS, Nikitina ER (2021) Inhibition of GABA-Transaminase and GABA-Transporters in the Brain with Vigabatrin and Tiagabin Prevents Seizure Development in Rats Breathing Hyperbaric Oxygen. J Evol Biochem Physiol 57 (5): 1101–1109. https://doi.org/10.1134/S0022093021050112
Щербакова ГВ (1962) Активность глютаматдекарбоксилазы и содержание γ-аминомасляной кислоты в мозге крыс при разных функциональных состояниях, вызванных повышенным давлением кислорода. ДАН СССР 146(5): 1213–1215. [Shcherbakova GV Glutamate decarboxylase activity and γ-aminobutyric acid content in rat brain at different functional states caused by high oxygen pressure. DAN USSR 146 (5): 1213–1215. (In Russ)].
Wood JD, Watson WJ (1964) The effect of oxygen on glutamic acid decarboxylase and gamma-aminobutyric acid-alpha-ketoglutaric acid transaminase activities in rat brain homogenates. Can J Physiol Pharmacol 42: 277–279. https://doi.org/10.1139/y64-032
Mialon P, Gibey R, Bigot JC, Barthelemy L (1992) Changes in striatal and cortical amino acid and ammonia levels of rat brain after one hyperbaric oxygen-induced seizure. Aviat Space Environ Med 63 (4): 287–291.
Gasier HG, Demchenko IT, Tatro LG, Piantadosi CA (2017) S-nitrosylation of GAD65 is implicated in decreased GAD activity and oxygen-induced seizures. Neurosci Lett 653: 283–287. https://doi.org/10.1016/j.neulet.2017.05.067
Borden LA, Dhar TG, Smith KE, Branchek TA, Gluchowski C, Weinshank RL (1994) Cloning of the human homologue of the GABA transporter GAT-3 and identification of a novel inhibitor with selectivity for this site. Recept Channels 2 (3): 207–213.
Richerson GB, Wu Y (2003) Dynamic equilibrium of neurotransmitter transporters: not just for reuptake any more. J Neurophysiol 90 (3): 1363–1374. https://doi.org/10.1152/jn.00317.2003
Overstreet LS, Westbrook GL (2003) Synapse density regulates independence at unitary inhibitory synapses. J Neurosci 23 (7): 2618–2626. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.23-07-02618.2003
Semyanov A, Walker MC, Kullmann DM, Silver RA (2004) Tonically active GABA A receptors: modulating gain and maintaining the tone. Trends Neurosci 27 (5): 262–269. https://doi.org/10.1016/j.tins.2004.03.005
Böck MC, Höfner G, Wanner KT (2020) N-Substituted Nipecotic Acids as (S)-SNAP-5114 Analogues with Modified Lipophilic Domains. Chem Med Chem 15 (9): 756–771. https://doi.org/10.1002/cmdc.201900719
Guastella J, Nelson N, Nelson H, Czyzyk L, Keynan S, Miedel MC, Davidson N, Lester HA, Kanner BI (1990) Cloning and expression of a rat brain GABA transporter. Science 249 (4974): 1303–1306. https://doi.org/10.1126/science.1975955
Liu QR, López-Corcuera B, Mandiyan S, Nelson H, Nelson N (1993) Molecular characterization of four pharmacologically distinct gamma-aminobutyric acid transporters in mouse brain. J Biol Chem 268 (3): 2106–2112.
Nelson H, Mandiyan S, Nelson N (1990) Cloning of the human brain GABA transporter. FEBS Lett 269 (1): 181–184. https://doi.org/10.1016/0014-5793(90)81149-i
Jin XT, Galvan A, Wichmann T, Smith Y (2011) Localization and Function of GABA Transporters GAT-1 and GAT-3 in the Basal Ganglia. Front Syst Neurosci 5: 63. https://doi.org/10.3389/fnsys.2011.00063
Schousboe A (1981) Transport and metabolism of glutamate and GABA in neurons are glial cells. Int Rev Neurobiol 22: 1–45. https://doi.org/10.1016/s0074-7742(08)60289-5
Kersanté F, Rowley SC, Pavlov I, Gutièrrez-Mecinas M, Semyanov A, Reul JM, Walker MC, Linthorst AC (2013) A functional role for both-aminobutyric acid (GABA) transporter-1 and GABA transporter-3 in the modulation of extracellular GABA and GABAergic tonic conduc tances in the rat hippocampus. J Physiol 591 (10): 2429–2441. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2012.246298
Dalby NO (2000) GABA-level increasing and anticonvulsant effects of three different GABA uptake inhibitors. Neuropharmacology 39 (12): 2399–2407. https://doi.org/10.1016/s0028-3908(00)00075-7
Paxinos G, Watson C (2005) The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. Boston, MA: Elsevier.
Racine RJ (1972) Modification of seizure activity by electrical stimulation. II. Motor seizure. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 32 (3): 281–294. https://doi.org/10.1016/0013-4694(72)90177-0
Demchenko IT, Piantadosi CA (2006) Nitric oxide amplifies the excitatory to inhibitory neurotransmitter imbalance accelerating oxygen seizures. Undersea Hyperb Med 33(3): 169–174.
Faiman MD, Nolan RJ, Baxter CF, Dodd DE (1977) Brain gamma-aminobutyric acid, glutamic acid decarboxylase, glutamate, and ammonia in mice during hyperbaric oxygenation. J Neurochem 28 (4): 861–865. https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.1977.tb10640.x
Zhang S, Takeda Y, Hagioka S, Takata K, Aoe H, Naka-tsuka H, Yokoyama M, Morita K (2005) Measurement of GABA and glutamate in vivo levels with high sensitivity and frequency. Brain Res Brain Res Protoc 14 (2): 61–66. https://doi.org/10.1016/j.brainresprot.2004.03.005
Demchenko IT, Boso AE, O’Neill TJ, Bennett PB, Piantadosi CA (2000) Nitric oxide and cerebral blood flow responses to hyperbaric oxygen. J Appl Physiol (1985) 88 (4): 1381–1389. https://doi.org/10.1152/jappl.2000.88.4.1381
Dean JB, Mulkey DK, Garcia AJ 3rd, Putnam RW, Henderson RA 3rd (2003) Neuronal sensitivity to hyperoxia, hypercapnia, and inert gases at hyperbaric pressures. J Appl Physiol (1985) 95 (3): 883–909. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00920.2002
Alsip NL, DiMicco JA (1992) Time course of effects of 3-mercaptopropionic acid on GABA levels in different brain regions in guinea pigs: possible relationship with associated cardiovascular changes. Neurochem Res 17 (5): 443–448. https://doi.org/10.1007/BF00969890
Dickinson BC, Chang CJ (2011) Chemistry and biology of reactive oxygen species in signaling or stress responses. Nat Chem Biol 7 (8): 504–511. https://doi.org/10.1038/nchembio.607
Corcoran A, Cotter TG (2013) Redox regulation of protein kinases. FEBS J 280 (9): 1944–1965. https://doi.org/10.1111/febs.12224
Go YM, Jones DP (2013) The redox proteome. J Biol Chem 288 (37): 26512–26520. https://doi.org/10.1074/jbc.R113.464131
Stamler JS, Simon DI, Osborne JA, Mullins ME, Jaraki O, Michel T, Singel DJ, Loscalzo J (1992) S-nitrosylation of proteins with nitric oxide: synthesis and characterization of biologically active compounds. Proc Natl Acad Sci U S A 89 (1): 444–448. https://doi.org/10.1073/pnas.89.1.444
Chung HS, Wang SB, Venkatraman V, Murray CI, Van Eyk JE (2013) Cysteine oxidative posttranslational modifications: emerging regulation in the cardiovascular system. Circ Res 112 (2): 382–392. https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.112.268680
Gould N, Doulias PT, Tenopoulou M, Raju K, Ischiropoulos H (2013) Regulation of protein function and signaling by reversible cysteine S-nitrosylation. J Biol Chem 288 (37): 26473–26479. https://doi.org/10.1074/jbc.R113.460261
Kovacs I, Lindermayr C (2013) Nitric oxide-based protein modification: formation and site-specificity of protein S-nitrosylation. Front Plant Sci 4: 137.https://doi.org/10.3389/fpls.2013.00137
Atochin DN, Demchenko IT, Astern J, Boso AE, Piantadosi CA, Huang PL (2003) Contributions of endothelial and neuronal nitric oxide synthases to cerebrovascular responses to hyperoxia. J Cereb Blood Flow Metab 23 (10): 1219–1226. https://doi.org/10.1097/01.WCB.0000089601.87125.E4
Fink-Jensen A, Suzdak PD, Swedberg MDB, Judge ME, Hansen L, Nielsen PG (1992) The γ-aminobutyric acid (GABA) uptake inhibitor, tiagabine, increases extracellular brain levels of GABA in awake rats. Eur J Pharmacol 220 (2–3): 197–201. https://doi.org/10.1016/0014-2999(92)90748-s
Van der Zeyden M, Oldenziel WH, Rea K, Cremers TI, Westerink BH (2008) Microdialysis of GABA and glutamate: analysis, interpretation and comparison with microsensors. Pharmacol Biochem Behav 90 (2): 135–147. https://doi.org/10.1016/j.pbb.2007.09.004
Del Arco A, Segovia G, Fuxe R, Mora F (2003) Changes in dialysate concentrations of glutamate and GABA in the brain: An index of volume transmission mediated actions? J Neurochem 85: 23–33. https://doi.org/10.1046/j.1471-4159.2003.01692
Keros S, Hablitz JJ (2005) Subtype-specific GABA transporter antagonists synergistically modulate phasic and tonic GABAA conductances in rat neocortex. J Neurophysiol 94 (3): 2073–2085. https://doi.org/10.1152/jn.00520.2005