Comparative Study of the Temperature Coefficient Q10 of Hibernating Ground Squirrels Urocitellus undulatus and Cooled Rats of Different Ages

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The temperature coefficients Q10 of heart rate (Q10HR) or oxygen consumption (Q10Ox) were analyzed during the arises from torpor of long-tailed ground squirrels Urocitellus undulatus, as well as during the rewarming of precooled adult rats and rat pups. The Q10Ox value was calculated using a standard equation, whereas for calculating Q10HR, the equation was empirically modified to track changes in this parameter over a wide range of body temperatures (Tb). It was found that during the initial period of rewarming from torpor, at Th ≤ 10 ℃, ground squirrels experienced a sharp increase in the temperature coefficients up to Q10HR = 40 – 50 and Q10Ox = 6 – 7. Even higher values of Q10HR > 100 were found at the beginning of rewarming of rat pups, although they had a low level of Q10Ox = 1.2. Adult rats could not withstand cooling below 16 ℃ and demonstrated moderate variability of both Q10HR = 2.0 – 4.0 and Q10Ox = 2.0 – 2.2. During the restoration of normal Tb, the Q10HR in all animals approached the level ~2.0 predicted by the Van't Hoff-Arrhenius rule for chemical reactions in both living and inanimate nature. We assume that high values of Q10HR and Q10Ox, detected in the early period of ground squirrel’s arousal from hibernation, may reveal the functioning of adaptive processes aimed at accelerating body warming. Resistance to cooling and high Q10HR coefficient in the rat pups may indicate rudimentary adaptability to hibernation in the juvenile period of rats, as representatives of the order Rodentia, which also includes natural hibernators such as ground squirrels.

Full Text

Сокращения: HR — частота сердечных сокращений; BPM –удары сердца в минуту; ECG – электрокардиограмма; i — момент, для которого производятся расчеты; VOx удельные скорости потребления кислорода; Ta — температура окружения; Tb — температура тела; Th — температура сердца; Q10 — температурный коэффициент; Q10HR — температурный коэффициент Q10, рассчитанный из зависимости HR от величины Th; Q10Ox — температурный коэффициент Q10, рассчитанный из зависимости VOx от величины Tb.

ВВЕДЕНИЕ

При снижении температуры тела (Tb), млекопитающие могут приобрести устойчивость к действию экстремальных факторов внешней среды, острым патологическим процессам или тяжелым травмам. Охлаждение тела на несколько градусов широко используется в медицине, но естественные гибернаторы являются рекордсменами по способности переносить снижение Tb до 0°С и ниже.

Охлаждение активирует терморегуляторные реакции, необходимые для минимизации потерь тепла, такие как периферическая вазоконстрикция и пилоэрекция, а также реакции продуцирования тепла в скелетных мышцах (дрожательный термогенез) и бурой жировой ткани (недрожательный или метаболический термогенез), тем самым предотвращая снижение Tb. [1, 2]. Если система терморегуляции не справляется со своей задачей, Tb у гомойотермных животных значительно падает, что приводит к их гибели вследствие остановки сердца [3].

Однако некоторые виды млекопитающих адаптировались к охлаждению тела благодаря способности впадать в состояние пониженной активности и обмена веществ, называемом торпором. Их Tb падает до значений, которые лишь на несколько градусов превышают температуру окружающей среды (Ta) [4, 5]. Понимание естественных механизмов адаптивной гипотермии и торпора у млекопитающих имеет большое значение для использования этих состояний не только в классической медицине [6–9], но также в космической медицине [10–12] и в медицине катастроф [13–15].

В последнее время достигнут значительный прогресс в разработке фармакологических и нефармакологических подходов, способных инициировать глубокую гипотермию или формирование торпороподобных состояний у животных, не способных к гибернации в естественных условиях [16–19]. Внедрение в медицину искусственно вызываемых состояний гипотермии и торпора способствует появлению новой концепции лечения тяжелых травм, острой гипоксии, восстановления после остановки сердца, инсультов или в целях реанимации [20–22]. Кроме того, подавление клеточного метаболизма при охлаждении обеспечивает безопасные подходы для долгосрочного хранения органов и тканей, используемых в клинической трансплантологии [23–26].

Для оценки реакции организма на изменение Tb используют удобный и наглядный критерий: температурный коэффициент Q10, определяемый как скорость физиологического процесса при определенной температуре по сравнению со скоростью при температуре на 10°С ниже или выше [27–29]. Согласно правилу Вант Гоффа — Аррениуса считается, что величина Q10 ~ 2 отражает естественное влияние температуры на химические реакции. В исследованиях температурной зависимости физиологических процессов, включая HR и VOx, проводимых на различных животных и людях, среднее значение Q10 обычно находится в пределах от 2 до 3 [30–33].

Однако было обнаружено, что в некоторых случаях, эта величина может существенно отклоняться от указанного значения, что свидетельствует об участии физиологических механизмов регуляции скорости метаболизма. Например, у животных возможны индивидуальные различия Q10 от 1 до 8, что может быть связано с большой вариабельностью HR и VOx [34, 35]. Кроме того, было показано, что Q10 может сильно варьировать в зависимости от Tb в момент тестирования. Так, при исследовании метаболизма, определяемого по скорости потребления кислорода мозгом собак при охлаждении, было обнаружено, что в интервале температур от 37°C до 27°C показатель Q10 составлял 2.23, а в интервале от 27°C до 14°C средний показатель Q10 увеличивался вдвое и достигал 4.53 [36]. Значительное увеличение Q10 до 9.5, определяемого по скорости потребления кислорода, наблюдалось также у сумчатых животных в конце отогрева после гибернации, особенно в пределах термонейтральной зоны, тогда как низкие значения Q10 (Q10 = 1.9) наблюдались ниже Ta = 20°C [37]. Большая вариабельность Q10 также наблюдалась при исследовании отдельных белков, например, при оценке тепловой активации проводимости одиночных ионных каналов рецептора капсаицина VR1, ответственных за болевые ощущения при повреждающем нагревании тканей. Так, при нагревании в диапазоне физиологически нейтральных Та, были зарегистрированы величины Q10 < 2, а при повреждающем нагревании наблюдалось увеличение до Q10 = 32 [38]. Значительное влияние температуры на Q10 наблюдалось также при анализе проводимости потенциал-зависимых ионных каналов Na+ и K+ нервов и мышц млекопитающих. Было обнаружено, что для альфа-субъединицы этого белка зависимость проводимости от величины приложенного потенциала характеризовалась Q10 = 2.2. Для бета-субъединицы была характерна Q10 = 14, что отражает неаррениусовское отклонение указанной величины, наблюдаемое при пониженных температурах [39].

Для анализа изменчивости Q10 при различных температурах был предложен метод сканирования значения Q10, который присваивает Q10 каждой фиксированной точке Tb. Использование этого подхода позволило получить необычайные изменения значения Q10. Так, в исследовании белка TRPA1, который является молекулярной основой способности ямочных органов змей воспринимать инфракрасное излучение, значение Q10, получаемое при измерении зависимости проводимости от температуры, могло достигать ~100 000, что может объяснить исключительно высокую термическую чувствительность ямочных органов гремучей змеи [27].

В представленной работе мы предлагаем простую модификацию стандартной формулы вычисления Q10, позволяющую проводить сравнительный анализ этой величины во всем диапазоне изменений Tb. Этот подход мы используем для вычислений Q10 для зависимости HR от температуры при выходе из спячки сусликов (Urocitellus undulatus) или при отогревании лабораторных крыс после контролируемого предварительного охлаждения. В исследование также были включены крысята, у которых механизмы терморегуляции не полностью сформированы, но которые способны выдерживать большую степень охлаждения тела, чем взрослые крысы.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Эксперименты на животных

Суслики. Работа выполнена на длиннохвостых сусликах Urocitellus undulatus, Pallas (прежнее название Spermophilus undulatus) обоего пола (n = 9, вес 590 ± 50 г). Животные были отловлены в конце августа в естественной среде обитания (долина реки Лены, Якутия) и доставлены в лабораторию. В активный период сусликов содержали в индивидуальных клетках, находящихся в специальном помещении с достаточным количеством зерна и овощей и с соблюдением естественного фотопериода. В начале ноября клетки с животными переносили в темное помещение, где они содержались при температуре Та от 0 °С до +2°С до окончания гибернационного периода. В это время питание не предоставлялось. Для мониторинга баутов в период спячки часть сусликов индивидуально размещали в находящиеся в холодильной камере деревянные ящики (20 × 20 × 25 см), в дно которых был установлен термистор (чувствительность, 0.2°C). Во время спячки температура гнезда находилась в пределах 1–2°С. Для провокации пробуждения животных извлекали из ящика в середине баута (5–6 сутки гипотермии) и переносили в помещение с температурой воздуха 20 ± 1°С. Пробуждение сусликов в среднем занимало 170–180 мин.

Крысы. Самцов крыс Wistar, (n = 5, вес 240 ± 20 г) охлаждали с использованием метода закрытого сосуда [40, 41]. Животных помещали в герметичную камеру, объемом 5 л и Та =7°С, где они находились в течение 3–4 ч. Камеры были оснащены газовыми датчиками O2 и СО2 (Vernier, США). В процессе потребления кислорода животными в камере создавались условия гипоксии/гиперкапнии. Измерения показали, что в результате дыхания, через 3 ч содержание кислорода в камере снижалось с 21% до 5%, а содержание углекислого газа повышалось с 0.03% до 2.5%. Эти изменения приводили к подавлению метаболизма и вызывали у животных состояние гипотермии до значений Тb =14°С — 18°С. Для восстановления физиологически нормального Tb животных извлекали из камеры, помещали в клетку и доставляли в помещение с Та =20 ± 1°С, где в течение 3–4 ч (в среднем, в течение 210 мин) восстанавливалась нормотермия. Данная процедура оказывала мягкое воздействие на организм, и после окончания эксперимента у животных не наблюдалось видимых отклонений в поведении [42, 43].

Крысята. Крысят Wistar раннего постнатального периода (n = 6, возраст 7—8 дней, вес 20 ± 2 грамм) охлаждали методом закрытого сосуда. Крысят содержали в герметичной камере объемом 0.8 л при Та = 7°С в течение 2 ч в условиях нарастающей гипоксии/гиперкапнии [40, 41], регистрируемых газовыми датчиками O2 и СО2 (Vernier, США), что инициировало снижение Тb до 7°С — 10°С. После извлечения из камеры и доставки в помещение с Та = 20 ± 1°С, у крысят приблизительно через 3 ч (в среднем, за 170 мин) восстанавливалась нормотермия.

Измерения

На сусликах, измерения физиологических параметров проводили в процессе отогрева после 5-6 дней гибернации. На взрослых или крысах соответствующие измерения проводили при отогреве после нескольких часов охлаждения. Датчики температуры вводили в прямую кишку на глубину 4 см у крыс и сусликов или на глубину 2 см у крысят. Дистальную часть датчика надежно закрепляли у основания хвоста мягким зажимом. У крыс и сусликов, Тb регистрировали каждую минуту с помощью датчика RET-2, у крысят — RET-3. (Physitemp, США, точность ±0.1°С).

Удельную скорость потребления кислорода (VOx, мл/кг/ч) регистрировали с помощью системы метаболического мониторинга ММ-100 (CWE incorporated, США). Прибор позволял проводить несколько, обычно от 3 до 10 измерений, за время эксперимента.

Для измерения частоты сердечных сокращений, иглы из нержавеющей стали вводили подкожно в плечевые области правой и левой лап для записи ECG по стандартной схеме. Проблем для закрепления датчиков не было, так как суслики находились в состоянии торпора, а крысы и крысята в состоянии так называемого «холодового наркоза». При повышении температуры до контрольных значений, животные еще оставались в состоянии пониженной двигательной активности. И хотя ЭКГ становилась более зашумленной, считывание и последующий анализ частотs сердечных сокращений (HR) не составляло труда. Данные ECG передавались на компьютер, где каждую минуту автоматически оценивалась HR.

Вычисления

Температуру сердца вычисляли из данных изменений ректальной температуры. Известно, что при выходе сусликов из гибернации передняя часть тела, включая сердце, разогревается быстрее, чем задняя часть тела. Разница температур Th и Tb у сусликов связана с характерной особенностью кровотока этих животных при выходе из гибернации, что не наблюдается у крыс при согревании после охлаждения. Поэтому стандартные измерения ректальной температуры (Тb) у сусликов не отражают температуру сердца (Тh) [44]. Однако, как нами было показано ранее [45], связь между ректальной и сердечной температурами, измеренными у сусликов при спровоцированном пробуждении, представляет собой сигмоидальную кривую:

Th=36.881+eTb-10.083.5-1 (1)

Где: Тh — температура сердца (°С); Тb — ректальная температура (°С). Коэффициенты: 36.88 — максимальная температура, достигнутая при отогреве после гибернации; 10.08 — середина сигмовидной кривой; 3.5 — крутизна сигмоидальной кривой. Установлено, что применение этой формулы дает хорошее соответствие экспериментальным точкам: n = 96, R2 = 0.977 [45].

В представленной работе, все данные Th у сусликов были получены путем вычислений по формуле (1). В экспериментах на крысах мы считали, что Tb ≈Th. Поэтому в коррекции не было необходимости [44].

Для расчета коэффициента Q10 на основе удельных скоростей потребления кислорода (Q10Ox) мы использовали стандартную формулу [46, 27, 32]:

Q10Ox=VOx1VOx210Th2-Th1 (2)

Где VOx1 и VOx2 — удельные скорости потребления кислорода при температурах Th1 и Th2 соответственно.

Представленная формула (2) удобна для определения температурного коэффициента Q10Ox, поскольку имеющееся оборудование позволяло провести всего 3—10 измерений кислорода, потребляемого за все время эксперимента. Однако, поскольку для расчета Q10HR измерения HR и Th проводились каждую минуту в течение нескольких часов, мы получили обширный массив данных. Это позволило нам провести множественные расчеты значения Q10HR в течение всего периода отогревания животных. Поэтому, для определения значения Q10HR при температуре, зарегистрированной в момент времени i, мы предлагаем следующую эмпирическую модификацию стандартной (2):

Q10HR=HRi+15HRi-1510Thi+15-Thi-15 (3)

Где HR — частота сердечных сокращений через 15 измерений после (i+15) или до (i-15) контрольного момента (i) при температурах Th(i+15) и Th(i-15) соответственно. Расчеты по формуле (3) дают набор значений Q10HR для всего периода измерений. При этом, сдвиг между соседними значениями i (и соответствующими величинами Q10HR) составляет одну минуту, а интервал через ± 15 измерений соответствует получасовому периоду, при условии проведения ежеминутных измерений.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Вычисления Q10HR

Эксперименты на сусликах. При расчете Q10HR по формуле (3) мы протестировали разные интервалы для i и пришли к выводу, что получасовой интервал (i ± 15 измерений) является оптимальным. При меньших значениях полученные кривые выглядели очень зашумленными, а значительное увеличение интервала приводило к огрублению результатов. Поэтому мы отдали предпочтение получасовому интервалу для всех расчетов Q10HR, представленных в данной работе. Измерение частоты сердечных сокращений и ректальной температуры (Тb) у сусликов начинались с 0°С — 3°С (рис. 1a). Прогревание животных продолжалось около двух часов, что позволяло сделать многочисленные измерения и провести тщательный анализ динамики изменения коэффициента Q10HR.

 

Рис. 1. Избранные примеры экспериментов, показывающие связь коэффициентов Q10 с изменением температурных и физиологических показателей, полученных при пробуждении сусликов. (а) — Изменение во времени полученных в эксперименте параметров Th и HR, а также величин Q10HR, вычисленных с использованием (3). Примечание: кривая Q10HR короче кривых Тh и HR, поскольку, в соответствии с (3), кривая Q10HR не включает первые и последние 15 минут измерений. (b) — Изменение во времени полученных в эксперименте параметров Tb и VOx, а также величин Q10Ox вычисленных с использованием (2)

 

При спровоцированном выходе сусликов из гибернации, в первые 40 мин после начала пробуждения, при Тh ≤ 10°С, характерные значения Q10HR были высокими и достигали ~ 35–50 единиц (рис. 1а и 2а). При дальнейшем повышении температуры, наблюдалось постепенное снижение Q10HR. В середине измерений, на 40–90 мин, что соответствовало интервалу температур Тh = 10°С – 35°С (рис. 1а), значения Q10HR постепенно снижались до величин 1.1–1.2 (рис. 1а и 2а).

 

Рис. 2. Зависимость коэффициентов Q10 от температуры. Представлена зависимость Q10HR от Th , а также зависимость Q10Ox от Tb Где: (а, a’) — спящие суслики, (b, b’) — взрослые крысы, (c, c’) –крысята. Значения представлены в форме Mean ± SEM, n = 5–10. Примечание: кривые a, b и c получены с использованием (3), тогда как кривые a’, b’ и c’ получены с использованием (2). Однофакторный тест ANOVA (программное обеспечение GraphPad Prism 8) показывает, что средние данные Q10Ox сусликов (a’) зависели от температуры: **** P < 0.0001. Зависимость от температуры наблюдалась также при анализе выделенного диапазона температур 20℃ — 35℃, когда значения находились в диапазоне 0 ≤ Q10Ox ≤ 1, *** p < 0.0005. У взрослых крыс и крысят (b’ и c’) величины Q10Ox статистически не завесили от температуры: p < 0.05

 

Эксперименты на крысах. В наших экспериментах, охлаждение взрослых крыс до Tb ниже 16°С приводило к их гибели. В начале согревания, у крыс Q10HR резко увеличивалось примерно с 2.0 до 11.0 единиц (рис. 2b). Максимальное значение Q10HR наблюдалось при 18.5°С. Однако при дальнейшем повышении Th до 35°С, наблюдалось постепенное снижение Q10HR примерно до 1.7.

Крысята переносили охлаждение тела лучше, чем взрослые. Известно, что в естественных условиях в гнезде Tb крысят может опускаться до 25 °С при Ta = 13°С [47]. В наших экспериментах, крысята показали хорошую выживаемость при охлаждении тела до 10°С. Установлено, что в начале согревания, при Th ~ 10°С, величина Q10HR достигала 50 единиц (рис. 2c), но постепенно снижалась при повышении температуры до Th = 27°С. Дальнейший рост Th у крысят был очень медленным, а полное восстановление Th длилось примерно 3 ч и выходило за временные рамки наших экспериментов. Следует также отметить, что в норме, средний показатель Tb у крысят был значительно ниже, чем у взрослых крыс, и не превышал 33°С [48].

Вычисления Q10Ox

У сусликов, при выходе из гибернации, кривая роста Th имела S-образную форму (рис. 1b). Аналогичным образом, увеличивалась также VOx в первые 90 мин, в течение которых температура сердца достигала комнатной температуры (Th = Ta = 20°С). В этот период происходило постепенное уменьшение Q10Ox от 5 — 7 до 1 (рис. 1b и 2a’). При дальнейшем росте температуры (Th > Ta) величина VOx парадоксальным образом уменьшалась (рис. 1b), что можно охарактеризовать как инверсию температурной зависимости: уменьшение потребления кислорода с увеличением Tb. Вследствие инверсии, при температуре Tb выше 20°С уровень Q10Ox опускался ниже 1.0 (рис. 2 a’).

В отличие от сусликов, при согревании взрослых крыс и крысят, коэффициент Q10Ox не зависел от температуры и был постоянным во всем изученном диапазоне Tb. Так, у взрослых крыс Q10Ox находился в пределах 2.0–2.1 (рис. 2b’) в том же диапазоне температур (20°С — 32°С), в котором у сусликов наблюдалось снижение Q10Ox до значений 1.0 — 0.0. У крысят Q10Ox был близок к 1.2 во всем наблюдаемом диапазоне 8°С — 35°С (рис. 2c’).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В представленной работе мы провели сравнительное исследование изменения температурного коэффициента Q10 для двух физиологических параметров при выходе из гибернации у сусликов, являющихся природными гибернаторами, а также при отогревании предварительно охлажденных взрослых крыс и крысят, которые не способны к гибернации в естественных условиях. Для вычисления величины Q10Ox по формуле (2) мы измеряли объем потребляемого животными кислорода (Vox), а для вычисления величины Q10HR по формуле (3)мы измеряли частоту сердечных сокращений (HR).

Необходимо отметить, что суслики, находящиеся в состоянии торпора, могут снижать температуру тела до околонулевых значений и находиться в этом состоянии в течение многих дней, тогда как лабораторные крысы погибают при охлаждении Tb < 16°С. Поскольку диапазон изменения Tb при согревании у сусликов был значительно больше, чем у крыс, стало возможным более детальное исследование влияния температуры на исследуемые параметры. В наших экспериментах были использованы также крысята раннего постнатального периода, что позволило расширить возможности исследования этих животных, поскольку крысята способны выдерживать более интенсивное охлаждение, чем взрослые крысы, вплоть до 10°С [49].

В наших экспериментах на сусликах было использовано спровоцированное пробуждение за счет повышения внешней температуры. Таким образом, способ отогревания был единым для всех животных, поскольку в экспериментах на предварительно охлажденных взрослых крысах и крысятах, перемещение животных в теплое помещение для отогрева было строго необходимо.

В представленном исследовании мы использовали стандартная формула (2) для расчета Q10Ox и эмпирически модифицированная формула (3) для общего анализа Q10HR во всем диапазоне изменений Tb. Использование модифицированной формулы было связано с тем, что стандартная формула позволяет вычислять величину Q10 только для одной, произвольно выбранной точки, что следует из формулы. При этом, температурный диапазон для вычислений также берется произвольно. При таком подходе невозможно получить объективную картину изменений этого параметра во всем диапазоне исследуемых температур. Применение модифицированной формулы для расчета Q10HR было оправданным, поскольку мы ежеминутно регистрировали частоту сердечных сокращений во время отогрева животных, продолжавшегося несколько часов, что позволяло получить большой массив данных. Напротив, в измерениях потребления кислорода, имеющееся у нас оборудование позволяло провести в ходе эксперимента лишь несколько измерений, что делало целесообразным использование стандартной формулы для расчета Q10Ox. Эксперименты на сусликах показали, что в начальный период повышения температуры после гибернации наблюдались неожиданно высокие значения Q10Ox (рис. 1а, 2а’) и Q10HR (рис. 1b и 2а). У крысят аналогичное увеличение в ранние моменты согревания выявлено также в расчетах Q10HR (рис. 2с), но не Q10Ox (рис. 2c’).

Известно, что выход из гибернации происходит под контролем симпатоадреналовой системы, что способствует увеличению частоты сердечных сокращений, кровотока и артериального давления. Эти изменения наиболее выражены на начальных этапах согревания тела [50]. Как недавно было показано, активация симпатической и депрессия парасимпатической нервной системы участвуют в повышении частоты сердечных сокращений во время пробуждения [51, 52, 52]. В начальный период выхода из гибернации животным необходимо удовлетворить возросшие энергетические потребности. Поэтому, активируется сердечно-сосудистая система и HR увеличивается [53, 33]. Повышение метаболической активности необходимо для энергетического обеспечения организма при согревании за счет различных физиологических процессов, таких как дрожательный и недрожательный термогенез [54, 55].

Повышенный уровень Q10Ox и Q10HR (рис. 2 a-c, c’) может быть связан с ускорением метаболизма и HR на фоне малых изменений Tb, наблюдающихся в начале отогрева, и может указывать на физиологическую регуляцию метаболических процессов, направленную на скорейшее повышение температуры тела за счет активации теплопродукции. Упомянутые высокие значения Q10, наблюдающиеся в начале отогрева, могут служить адаптивным механизмом, облегчающим выход из гипотермии у гибернирующих сусликов и у охлажденных крысят. Этот процесс существенно менее выражен у неадаптированных к гипотермии и неспособных гетеротермии взрослых крыс.

Можно предположить, что у крысят раннего постнатального периода проявляется способность к гетеротермии, учитывая отмеченную выше лучшую выживаемость крысят при охлаждении по сравнению со взрослыми крысами, а также повышенный уровень Q10HR в ранний период отогрева крысят и гибернирующих сусликов. Это согласуется с высказанным ранее предположением, что у крысят нормальная температура Тb = 33°С (что на 4°С ниже нормальной Тb у взрослых животных) необходима для защиты их ЦНС от аноксии [48]

Известно, что виды, способные к гетеротермии, широко распространены в большинстве групп млекопитающих [31]. Следует упомянуть, что суслики и крысы близко родственны, поскольку относятся к отряду Rodentia. Однако, способность к гетеротермии или её отсутствие может наблюдаться даже у систематически близких видов. Например, было известно, что мыши при определенных условиях способны к гетеротермии, тогда как у взрослых крыс ее не наблюдалось [56]. Однако, недавно было обнаружено, что дикая австралийская кустарниковая крыса Rattus fuscipes также обладает рудиментарными способностями к гетеротермии [57].

ВЫВОДЫ

В большинстве публикаций приводятся примеры усредненных данных о значении температурного коэффициента Q10 при исследовании температурной зависимости биологических процессов, как у гибернирующих, так и у негибернирующих гомойотермных организмов. При использовании этого подхода моменты, когда изменения Tb были небольшими или нестабильными, например, на начальном или конечном этапах охлаждения или согревания, часто игнорировались как нерепрезентативные.

Основываясь на экспериментальных данных, полученных на животных разных видов и возрастов, мы предлагаем подход к полному определению Q10 во всем диапазоне изменений Tb, который позволяет нам анализировать эти “неудобные” области, где мы обнаружили необычно высокие или низкие коэффициенты Q10 по сравнению с теми, которые предсказываются теорией Вант Гоффа — Аррениуса. Такие значения не характерны для большинства химических процессов в неживой материи и могут рассматриваться как результат регуляции физиологических процессов у живых организмов.

ВКЛАД АВТОРОВ

Идея работы и планирование эксперимента (Н.М.З.), сбор данных (Н.М.З., М.О.Х.), обработка данных (Ю.С.Т.), написание и редактирование манускрипта (Ю.С.Т., Н.М.З.).

БЛАГОДАРНОСТИ

Благодарим д.ф.-м.н. Людмилу Владимировну Якушевич (ИБК РАН) за критический анализ статьи и полезные рекомендации по ее совершенствованию.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Представленная работа выполнена в соответствии с Этическим кодексом Всемирной медицинской ассоциации (Хельсинкская декларация) Директива ЕС 2010/63/EU для экспериментов на животных. Протоколы экспериментов одобрены Комиссией по биоэтике ИБК РАН (Идентификаторы: № 4/092021 от 08.09.2021 г. и 05/092021 от 08.09.2021 г.).

ИСТОЧНИКИ ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Государственного задания Институту биофизики клетки РАН, 075-00609-24-01 и Институту теоретической и экспериментальной биофизики РАН, 075-00224-24-01.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией данной статьи.

×

About the authors

N. M. Zakharova

Institute of Cell Biophysics of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: n_m_zakharova@pbcras.ru
Russian Federation, Pushchino

Yu. S. Tarahovsky

Institute of Cell Biophysics of the Russian Academy of Sciences; Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Sciences

Email: tarahov@rambler.ru
Russian Federation, Pushchino; Pushchino

M. O. Khrenov

Institute of Cell Biophysics of the Russian Academy of Sciences

Email: n_m_zakharova@pbcras.ru
Russian Federation, Pushchino

References

  1. Tansey EA, Johnson CD (2015) Recent advances in thermoregulation. Adv Physiol Ed 39:139–148. https://doi.org/10.1152/advan.00126.2014
  2. Horii Y, Shiina T, Shimizu Y (2018) The Mechanism Enabling Hibernation in Mammals. Adv Exp Med Biol 1081:45–60. https://doi.org/10.1007/978-981-13-1244-1_3
  3. Ivanov KP (2000) Physiological blocking of the mechanisms of cold death: theoretical and experimental considerations. J Thermal Biol 25:467–479. https://doi.org/10.1016/s0306-4565(00)00012-7
  4. Carey HV, Andrews MT, Martin SL (2003) Mammalian Hibernation: Cellular and Molecular Responses to Depressed Metabolism and Low Temperature. Physiol Rev 83:1153–1181. https://doi.org/10.1152/physrev.00008.2003
  5. Ruf T, Geiser F (2014) Daily torpor and hibernation in birds and mammals. Biol Rev 90:891–926. https://doi.org/10.1111/brv.12137
  6. Davidson JO, Wassink G, van den Heuij LG, Bennet L, Gunn AJ (2015) Therapeutic Hypothermia for Neonatal Hypoxic-Ischemic Encephalopathy — Where to from Here? Front Neurol 6:198. https://doi.org/10.3389/fneur.2015.00198
  7. Han Z, Liu X, Luo Y, Ji Х (2015) Therapeutic hypothermia for stroke: Where to go? Experimental Neurology 272:67–77. https://doi.org/10.1016/j.expneurol.2015.06.006
  8. Huang F-Y, Huang B-T, Wang P-J, Zuo Z-L, Heng Y, Xia T-L, Gui Y-Y, Lv W-Y, Zhang C, Liao Y-B, Liu W, Chen M, Zhu Y (2015) The efficacy and safety of prehospital therapeutic hypothermia in patients with out-of-hospital cardiac arrest: A systematic review and meta-analysis. Resuscitation 96:170–179. https://doi.org/10.1016/j.resuscitation.2015.08.005
  9. Otto KA (2015) Therapeutic hypothermia applicable to cardiac surgery. Vet Anaesth Analg 42:559–569. https://doi.org/10.1111/vaa.12299
  10. Cerri M, Hitrec T, Luppi M, Amici R (2021) Be cool to be far: Exploiting hibernation for space exploration. Neurosci Biobehav Rev 128:218–232. https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2021.03.037
  11. Choukèr (2018) Hibernating astronauts-science or fiction? Pflueg. Arch. Eur. J. Physiol.
  12. Zakharova NM, Tarahovsky YS, Komelina NP, Fadeeva IS, Kovtun AL (2021) Long-term pharmacological torpor of rats with feedback-controlled drug administration. Life Sci Space Res 28:18–21. https://doi.org/10.1016/j.lssr.2020.11.002
  13. Kornhall DK, Martens-Nielsen J (2016) The prehospital management of avalanche victims. J R Army Med Corps 162:406–412. https://doi.org/10.1136/jramc-2015-000441
  14. Sward DG, Bennett BL (2014) Wilderness medicine. World J Emerg Med 5:5–15. https://doi.org/10.5847/wjem.j.issn.1920-8642.2014.01.001
  15. Alam HB (2012) Translational barriers and opportunities for emergency preservation and resuscitation in severe injuries. Br J Surg 99 Suppl 1:29–39. https://doi.org/10.1002/bjs.7756
  16. Tarahovsky YS, Khrenov MO, Kovtun AL, Zakharova NM (2020) Comparison of natural and pharmacological hypothermia in animals: Determination of activation energy of metabolism. Journal of Thermal Biology 92:102658. https://doi.org/10.1016/j.jtherbio.2020.102658
  17. Zakharova NM, Tarahovsky YS, Fadeeva IS, Zakharova NM (2019) A pharmacological composition for induction of a reversible torpor-like state and hypothermia in rats. Life Sci 219:190–198. https://doi.org/10.1016/j.lfs.2019.01.023
  18. Shimaoka H, Shiina T, Suzuki H, Horii Y, Horii K, Shimizu Y (2021) Successful induction of deep hypothermia by isoflurane anesthesia and cooling in a non-hibernator, the rat. J Physiol Sci 71:10. https://doi.org/10.1186/s12576-021-00794-1
  19. Yang Y, Yuan J, Field RL, Ye D, Hu Z, Xu K, Xu L, Gong Y, Yue Y, Kravitz AV, Bruchas MR, Cui J, Brestoff JR, Chen H (2023) Induction of a torpor-like hypothermic and hypometabolic state in rodents by ultrasound. Nat Metab 5:789–803. https://doi.org/10.1038/s42255-023-00804-z
  20. Bridwell RE, Willis GC, Gottlieb M, Koyfman A, Long B (2021) Decompensated hypothyroidism: A review for the emergency clinician. Am J Emerg Med 39:207–212. https://doi.org/10.1016/j.ajem.2020.09.062
  21. Naito H, Nojima T, Fujisaki N, Tsukahara K, Yamamoto H, Yamada T, Aokage T, Yumoto T, Osako T, Nakao A (2020) Therapeutic strategies for ischemia reperfusion injury in emergency medicine. Acute Med Surg 7:e501. https://doi.org/10.1002/ams2.501
  22. Zakharova NM, Tarahovsky YS, Komelina NP, Khrenov MO, Kovtun AL (2021) Pharmacological torpor prolongs rat survival in lethal normobaric hypoxia. J Thermal Biol 98:102906. https://doi.org/10.1016/j.jtherbio.2021.102906
  23. Bejaoui M, Pantazi E, Folch-Puy E, Baptista PM, García-Gil A, Adam R, Roselló-Catafau J (2015) Emerging concepts in liver graft preservation. World J Gastroenterol 21:396–407. https://doi.org/10.3748/wjg.v21.i2.396
  24. Minor T, Paul A (2013) Hypothermic reconditioning in organ transplantation. Curr Opin Organ Transplant 18:161–167. https://doi.org/10.1097/MOT.0b013e32835e29de
  25. Søreide K (2014) Clinical and translational aspects of hypothermia in major trauma patients: from pathophysiology to prevention, prognosis and potential preservation. Injury 45:647–654. https://doi.org/10.1016/j.injury.2012.12.027
  26. Soo E, Welch A, Marsh C, McKay D (2020) Molecular strategies used by hibernators: Potential therapeutic directions for ischemia reperfusion injury and preservation of human donor organs. Transplantat Rev 34:100512. https://doi.org/10.1016/j.trre.2019.100512
  27. Kang K (2016) Exceptionally high thermal sensitivity of rattlesnake TRPA1 correlates with peak current amplitude. Biochim Biophys Acta 1858:318–325. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2015.12.011
  28. Hiebert SM, Noveral J (2007) Are chicken embryos endotherms or ectotherms? A laboratory exercise integrating concepts in thermoregulation and metabolism. Adv Physiol Educ 31:97–109. https://doi.org/10.1152/advan.00035.2006
  29. Schmidt-Nielsen K (1990) Animal physiology: Adaptation and environment, 4th ed. Cambridge University Press, Cambridge, New York
  30. Geiser F (2016) Conserving energy during hibernation. J Exp Biol 219:2086–2087. https://doi.org/10.1242/jeb.129171
  31. Geiser F (2004) Metabolic Rate and Body Temperature Reduction During Hibernation and Daily Torpor. Ann Rev Physiol 66:239–274. https://doi.org/10.1146/annurev.physiol.66.032102.115105
  32. Kampmann B, Bröde P (2019) Heat Acclimation Does Not Modify Q10 and Thermal Cardiac Reactivity. Front Physiol 10:1524. https://doi.org/10.3389/fphys.2019.01524
  33. Currie SE, Noy K, Geiser F (2015) Passive rewarming from torpor in hibernating bats: minimizing metabolic costs and cardiac demands. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 308:R34–41. https://doi.org/10.1152/ajpregu.00341.2014
  34. Bröde P, Kampmann B (2018) Accuracy of metabolic rate estimates from heart rate under heat stress—an empirical validation study concerning ISO 8996. Ind Health 57:615–620. https://doi.org/10.2486/indhealth.2018-0204
  35. Kampmann B, Bröde P (2015) Metabolic costs of physiological heat stress responses — Q10 coefficients relating oxygen consumption to body temperature. Extrem Physiol Med 4:A103. https://doi.org/10.1186/2046-7648-4-S1-A103
  36. Michenfelder JD, Milde JH (1991) The relationship among canine brain temperature, metabolism, and function during hypothermia. Anesthesiology 75:130–136. https://doi.org/10.1097/00000542-199107000-00021
  37. Song X, Körtner G, Geiser F (1997) Thermal relations of metabolic rate reduction in a hibernating marsupial. Am J Physiol 273:R2097-104. https://doi.org/10.1152/ajpregu.1997.273.6.R2097
  38. Liu B, Hui K, Qin F (2003) Thermodynamics of Heat Activation of Single Capsaicin Ion Channels VR1. Biophysical Journal 85:2988–3006.
  39. Fohlmeister JF (2015) Voltage gating by molecular subunits of Na+ and K+ ion channels: higher-dimensional cubic kinetics, rate constants, and temperature. J Neurophysiol 113:3759–3777. https://doi.org/10.1152/jn.00551.2014
  40. Andjus RK, Smith AU (1954) Revival of hypothermic rats after arrest of circulation and respiration. J Physiol 123:66P-67P.
  41. Andjus RK, Smith AU (1955) Reanimation of adult rats from body temperatures between 0 and + 2 degrees C. J Physiol 128:446–472. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1955.sp005318
  42. Andjus RK, Dzakula Z, Markley JL, Macura S (2005) Brain energetics and tolerance to anoxia in deep hypothermia. Ann N Y Acad Sci 1048:10–35. https://doi.org/10.1196/annals.1342.003
  43. Lomako VV, Shilo AV (2009) Effect of General Cooling on Rat Behaviour in "Open Field" Test. Probl Cryobiol 19:421–430.
  44. Bullard RW, Funkhouser GE (1962) Estimated regional blood flow by rubidium 86 distribution during arousal from hibernation. Am J Physiology-Legacy Content 203:266–270. https://doi.org/10.1152/ajplegacy.1962.203.2.266
  45. Zakharova NM (2014) Some features of body warming at provoked awakening of hibernating ground squirrels Spermophilus undulatus. Fundamental Res 6:1401–1405. (In Russ).
  46. Mundim KC, Baraldi S, Machado HG, Vieira FMC (2020) Temperature coefficient (Q10) and its applications in biological systems: Beyond the Arrhenius theory. Ecol Model 431:109127. https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2020.109127
  47. Rogalska J, Caputa M (2005) Spontaneously reduced body temperature and gasping ability as a mechanism of extreme tolerance to asphyxia in neonatal rats. J Thermal Biol 30:360–369. https://doi.org/10.1016/j.jtherbio.2005.02.003
  48. Kletkiewicz H, Rogalska J, Nowakowska A (2016) Effects of body temperature on post-anoxic oxidative stress from the perspective of postnatal physiological adaptive processes in rats. J Physiol Pharmacol 67:287–299.
  49. Geiser F, Currie SE, O'Shea KA, Hiebert SM (2014) Torpor and hypothermia: reversed hysteresis of metabolic rate and body temperature. Am J Physiol-Regul, Integrat Comparat Physiol 307:R1324-R1329. https://doi.org/10.1152/ajpregu.00214.2014
  50. Lyman CP, Williams JS, Malan A, Wang LCH (1984) Hibernation and torpor in mammals and birds. Academic Press, New York.
  51. Zanetti F, Chen C-Y, Baker HA, Sugiura MH, Drew KL, Barati Z (2023) Cardiac Rhythms and Variation in Hibernating Arctic Ground Squirrels. Physiol Biochem Zool 96:167–176. https://doi.org/10.1086/724688
  52. MacCannell ADV, Jackson EC, Mathers KE, Staples JF (2018) An improved method for detecting torpor entrance and arousal in a mammalian hibernator using heart rate data. J Exp Biol 221. https://doi.org/10.1242/jeb.174508
  53. Milsom WK, Zimmer MB, Harris MB (1999) Regulation of cardiac rhythm in hibernating mammals. Com Biochem Physiol Part A: Mol & Integrat Physiol 124:383–391. https://doi.org/10.1016/s1095-6433(99)00130-0
  54. Shinde AB, Song A, Wang QA (2021) Brown Adipose Tissue Heterogeneity, Energy Metabolism, and Beyond. Front Endocrinol 12:651763. https://doi.org/10.3389/fendo.2021.651763
  55. Nedergaard J, Cannon B (2018) Brown adipose tissue as a heat-producing thermoeffector. http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-444-63912-7.00009-6
  56. Shimaoka H, Kawaguchi T, Morikawa K, Y Sano, K Naitou, H Nakamori, T Shiina, Y Shimizu (2017) Induction of hibernation-like hypothermia by central activation of the A1 adenosine receptor in a non-hibernator, the rat. J Physiol Sci 68:425–430. https://doi.org/10.1007/s12576-017-0543-y
  57. Nowack J, Turbill C (2022) Survivable hypothermia or torpor in a wild-living rat: rare insights broaden our understanding of endothermic physiology. J Comp Physiol B 192:183–192. https://doi.org/10.1007/s00360-021-01416-3

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Selected examples of experiments showing the relationship of Q10 coefficients with changes in temperature and physiological parameters obtained during gopher awakening. (a) - Change in time of Th and HR parameters obtained in the experiment, as well as Q10HR values calculated using (3). Note: the Q10HR curve is shorter than the Th and HR curves because, according to (3), the Q10HR curve does not include the first and last 15 minutes of measurements. (b) - Time variation of Tb and VOx parameters obtained in the experiment and Q10Ox values calculated using (2)

Download (34KB)
3. Fig. 2. Dependence of Q10 coefficients on temperature. Dependence of Q10HR on Th , as well as dependence of Q10Ox on Tb is presented Where: (a, a‘) - sleeping gophers, (b, b’) - adult rats, (c, c') - rats. Values are presented as Mean ± SEM, n = 5-10. Note: curves a, b and c are obtained using (3), whereas curves a‘, b’ and c' are obtained using (2). One-factor ANOVA test (GraphPad Prism 8 software) shows that mean Q10Ox data of gopher tortoises (a') were temperature dependent: **** P < 0.0001. Temperature dependence was also observed when analysing the selected temperature range 20℃ - 35℃, when values were in the range 0 ≤ Q10Ox ≤ 1, *** p < 0.0005. In adult rats and rats (b‘ and c’), Q10Ox values were not statistically dependent on temperature: p < 0.05

Download (89KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».