Дипептид L-карнозин (β-аланил-L-гистидин) – криопротектор нервной ткани негибернирующих животных

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В работе исследовали криопротективные свойства дипептида L-карнозина (β-аланил-L-гистидин) на срезах обонятельной коры мозга крыс. Анализировали изменения активности N-метил-D-аспартатных рецепторов как наиболее уязвимых к действию криосохранения (КС), для этого экстраклеточно регистрировали НМДА-синаптический компонент возбуждающего постсинаптического потенциала (сокращенно — НМДА потенциалы). Срезы инкубировали с L-карнозином (20 мМ) в среде и замораживали с медленной скоростью (0.1°C/мин) до −10°C и после КС (30 сут) отогревали с такой же скоростью (0.1оC/мин) до +37°C. Определяли эффективность криопротекции L-карнозина по изменениям амплитуд НМДА потенциалов после КС по сравнению до КС. Дипептид восстанавливал рН замораживающей среды (6.9, без L-карнозина) до оптимальных значений (7.3—7.4), способствовал дегидратации свободной воды из срезов после КС, ингибировал развитие глутаматной эксайтотоксичности в срезах. Полученные данные доказывают, что L-карнозин проявляет свойства нетоксичного эффективного криопротектора в нервной ткани теплокровных негибернирующих животных.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

A. A. Мокрушин

Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: mok@inbox.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Ашмарин И.П., Каразеева Е.П., Лелекова Т.В. Проблемы эффективности ультрамалых доз и концентраций эндогенных и экзогенных веществ // Нейроиммунология, эпидемиология и интерферонология рассеянного склероза. СПб. 1996. С. 29—34.
  2. Бурлакова Е.Б., Конрадов А.А., Худяков И.В. Воздействие химических агентов в сверхмалых дозах на биологические объекты // Изв. АН СССР. Сер. биол. 1990. № 2. С. 184—193.
  3. Долгов Г.В., Куликов С.В., Легеза В.И., Малинин В.В., Морозов В.Г., Смирнов В.С., Сосюкин А.Е. Клиническая фармакология Тимогена. СПб.: Наука. 2003. 106 с.
  4. Митюшов М.И., Емельянов Н.А., Мокрушин А.А. Переживающий срез мозга как объект нейрофизиологического и нейрохимического исследования. Л.: Наука. 1986. 127 с.
  5. Мокрушин А.А. Пептид-зависимые механизмы нейрональной пластичности в обонятельной коре: Дис. д-ра биол. наук. Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН. СПб. 1997. 397 с.
  6. Мокрушин А.А. Эффекты глубокого замораживания и отогревания на ионотропные глутаматергические рецепторные механизмы in vitro // Бюлл. экспер. биол. мед. 2016. Т. 161. С. 36—42.
  7. Мокрушин А.А., Боровиков С.Е. Установка для изучения гипотермических эффектов на переживающих срезах мозга теплокровных // Междунар. журн. прикл. фундам. исслед. 2017. Т. 2. С. 214.
  8. Мокрушин А.А. Улучшение кислотно-щелочного состава среды для длительного и обратимого криосохранения срезов мозга крыс // Цитология. 2022. Т. 64. С. 96—102. doi: 10.31857/S0041377122010084
  9. Пичугин Ю.И. Теоретические и практические аспекты современной криобиологии. Москва. 2013. С. 60—62.
  10. Сазонов Л А., Зайцев С.В. Действие сверхмалых доз (10–18—10–14 М) биологически активных веществ: общие закономерности, особенности и возможные механизмы // Биохимия. 1992. Т. 57. С. 1443—1460.
  11. Стволинский С.Л., Федорова Т.Н., Девятов А.А., Медведев О.С. Нейропротективное действие карнозина в условиях экспериментальной фокальной ишемии/реперфузии головного мозга // Журнал неврологии и психиатрии. 2017. Т. 12. С. 60—64. doi: 10.17116/jnervo201711712260-64
  12. Awan M., Buriak I., Fleck R., Fuller B., Goltsev A. Dimethyl sulfoxide: a central player since the dawn of cryobiology, is efficacy balanced by toxicity? // Regen. Med. 2020. V. 15. P. 1463—1491. doi: 10.2217/rme-2019-0145.
  13. Babizhayev M.A., Seguin M.C., Gueyne J., Evstigneeva R.P., Ageyeva E.A. L-carnosine (beta-alanyl-L-histidine) and carcinine (beta-alanylhistamine) act as natural antioxidants with hydroxyl-radical-scavenging and lipid-peroxidase activities // Biochem J. 1994. V. 304 (Pt 2). P. 509—516. doi: 10.1042/bj3040509.
  14. Bae O., Majid A. Role of histidine/histamine in carnosine-induced neuroprotection during ischemic brain damage // Brain Res. 2013. V. 1527. P. 246—254. doi: 10.1016/j.brainres.2013.07.004.
  15. Bartolac L.K., Lowe J.L., Koustas G., Grupen C.G. Effect of different penetrating and non-penetrating cryoprotectants and media temperature on the cryosurvival of vitrified in vitro produced porcine blastocysts // Anim. Sci. J. 2018.V. 89. P. 1230—1239. doi: 10.1111/asj.12996.
  16. Berezhnoy D.S., Stvolinsky S.L., Lopachev A.V., Kulikova O.I., Abaimov D.A., Fedorova T.N. Carnosine as an effective neuroprotector in brain pathology and potential neuromodulator in normal conditions // Amino Acids. 2019. V. 51. P. 139—150. doi: 10.1007/s00726-018-2667-7.
  17. Boldyrev A.A., Aldini G., Derave W. Physiology and pathophysiology of carnosine // Physiol. Rev. 2013. V. 93. P. 1803—1845. doi: 10.1152/physrev.00039.2012.
  18. Bonfanti L., Peretto P., De M.S., Fasolo A. Carnosine-related dipeptides in the mammalian brain // Prog. Neurobiol. 1999. V. 59. P. 333—353. doi: 10.1016/s0301-0082(99)00010-6.
  19. Caruso G. Unveiling the hidden therapeutic potential of carnosine, a molecule with a multimodal mechanism of action: a position paper // Molecules. 2022. V. 27. P. 1—14. doi: 10.3390/molecules27103303.
  20. Cho S., Wood A., Bowlby M.R. Brain Slices as Models for Neurodegenerative Disease and Screening Platforms to Identify Novel Therapeutics // Current Neuropharmacology. 2007. V. 5. P. 19—33.
  21. Dludla P.V., Jack B., Viraragavan A., Pheiffer C. A dose-dependent effect of dimethyl sulfoxide on lipid content, cell viability and oxidative stress in 3T3-L1 adipocytes // Toxicol. Rep. 2018. V. 5. P. 1014—1020. doi: 10.1016/j.toxrep.2018.10.002. eCollection 2018.
  22. Elliott G.D., Wang S., Fuller B.J. Cryoprotectants: a review of the actions and applications of cryoprotective solutes that modulate cell recovery from ultra-low temperatures // Cryobiology. 2017. V. 76. P. 74—91. doi: 10.1016/j.cryobiol.2017.04.004.
  23. Eroglu A., Russo M.J., Bieganski R., Fowler A. Intracellular trehalose improves the survival of cryopreserved mammalian cells // Nat. Biotechnol. 2000. V. 18. P. 163—167. doi: 10.1038/72608.
  24. Eroglu A., Toner M., Toth T.L. Beneficial effect of microinjected trehalose on the cryosurvival of human oocytes // Fertility and Sterility. 2002. V. 77. P. 152—158. doi: 10.1016/s0015-0282(01)02959-4.
  25. Eroglu A. Cryopreservation of mammalian oocytes by using sugars: intra- and extracellular raffinose with small amounts of dimethylsulfoxide yields high cryosurvival, fertilization, and development rates // Cryobiology. 2010.V. 60. P. S54–S59.doi: 10.1016/j.cryobiol.2009.07.001.
  26. Giwa S., Lewis J.K., Alvarez L., Langer R., Roth A.E. The promise of organ and tissue preservation to transform medicine // Nat. Biotechnol. 2017. V. 35. P. 530—542. doi: 10.1038/nbt.3889.
  27. Hanslick J.L., Lau K., Noguchi K.K., Olney J.W. Dimethyl sulfoxide (DMSO) produces widespread apoptosis in the developing central nervous system // Neurobiol. Dis. 2009. V. 34. P. 1—10. doi: 10.1016/j.nbd.2008.11.006.
  28. Hasanein P., Felegari Z. Chelating effects of carnosine in ameliorating nickel-induced nephrotoxicity in rats // Can. J. Physiol.Pharm. 2017. V. 95. P. 1426—1432.
  29. Hipkiss A.R., Preston J.E., Himsworth D.T., Worthington V.C. Pluripotent protective effectsof carnosine, a naturally occurring dipeptide // Ann. N. Y. Acad. Sci. 1998. V. 854. P. 37—53. doi: 10.1111/j.1749-6632.1998.tb09890.x.
  30. Jacob S.W., de la Torre J.C. Pharmacology of dimethyl sulfoxide in cardiac and CNS damage // Pharmacol Rep. 2009. V. 61. P. 225—235. doi: 10.1016/s1734-1140(09)70026-x.
  31. Khama-Murad A.X., Pavlinova L.I., Mokrushin A.A. Neurotropic effect of exogenous L-carnosine in cultured slices of the olfactory cortex from rat brain // Bull. Exp. Biol. Med. 2008. V. 146. P. 1—3. doi: 10.1007/s10517-008-0227-y
  32. Khama-Murad A., Mokrushin A., Pavlinova L. Neuroprotective properties of L-carnosine in the brain slices exposed to autoblood in the hemorrhagic stroke model in vitro // Regul. Pept. 2011. V. 167. P. 65—69. doi: 10.1016/j.regpep.2010.11.007.
  33. Kubomura D., Matahira Y., Masui A. Intestinal absorption and bloodclearance of L-histidine-related compounds after ingestion of anserine in humans and comparison to anserine-containing diets // J. Agric. Food Chem. 2009. V. 57. P. 1781—1785. doi: 10.1021/jf8030875.
  34. Kohen R., Yamamoto Y., Cundy K.C., Ames B.N. Antioxidant activity of carnosine, homocarnosine, and anserine present in muscle and brain // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1988. V. 85. P. 3175—3179.
  35. Lenney J.F., George R.P., Weiss A.M., Kucera C.M., Chan P.W., Rinzler G.S. Human serum carnosinase: Characterization, distinction from cellular carnosinase, and activation by cadmium // Clin. Chim. Acta. 1982. V. 123. P. 221—231.
  36. Lenney J.F., Peppers S.C., Kucera-Orallo C.M., George R.P. Characterization of human tissue carnosinase // Biochem. J. 1985. V. 228. P. 653—660.
  37. Lopachev A.V., Lopacheva O.M., Akkuratov E.E., Stvolinski S.L., Fedorova T.N. Carnosine protects a primary cerebellar cell culture from acute NMDA toxicity // Neurochemical Journal. 2017. V. 11. P. 38—42. doi: 10.1016/j.ejphar.2020.173457.
  38. Mandumpal J.B., Kreck C.A., Mancera R. A molecular mechanism of solvent cryoprotection in aqueous DMSO solutions // Phys. Chem. Chem. Phys. 2010. V.13. P. 3839—3842. doi: 10.1039/c0cp02326d.
  39. Matsumura K., Hayashi F., Nagashima T. Molecular mechanisms of cell cryopreservation with polyampholytes studied by solid-state NMR // Communications Materials. 2021. V. 2. P. 116—121.
  40. Mazur P. Kinetics of water loss from cells at subzero temperatures and the likelihood of intracellular freezing // J Gen. Physiol. 1963. V. 47. P. 347—369. doi: 10.1085/jgp.47.2.347.
  41. Mazur P. Cryobiology: the freezing of biological systems // Science. 1970. V. 168. P. 939—949. doi: 10.1126/science.168.3934.939.
  42. Mehta A., Prabhakar M., Kumar P. Excitotoxicity: Bridge to various triggers in neurodegenerative disorders // European Journal of Pharmacology. 2013. V. 698. P. 6—18. doi: 10.1016/j.ejphar.2012.10.032.
  43. Mokrushin A.A., Pavlinova L.I. Effects of the blood components on the AMPA and NMDA synaptic responses in brain slices in the onset of hemorrhagic stroke // Gen. Physiol. Biophys. 2013. V. 32. P. 489—504. doi: 10.4149/gpb_2013038.
  44. Mokrushin A.A. Effects cryopreservation of ionotropic glutamatergic receptor mechanisms in vitro // CryoLetters. 2015. V. 36. P. 353—362.
  45. Namura S., Ooboshi H., Liu J. Neuroprotection after cerebral ischemia // Ann. N Y Acad. Sci. 2013. V. 1278. P. 25—32. doi: 10.1111/nyas.12087.
  46. Obrenovitch T.P., Urenjak J. Altered glutamatergic transmission in neurological disorders: from high extracellular glutamate to excessive synaptic efficacy // Progress Neurobiology. 1997. V. 51. P. 39. doi: 10.1016/s0301-0082(96)00049-4.
  47. Pepper E.D., Farrell M.J., Nord G., Finkel S.E. Antiglycation effects of carnosine and other compounds on the long-term survival of escherichia coli // Appl. Env. Microbiol. 2010. V. 76. P. 7925—7930. doi: 10.1128/AEM.01369-10.
  48. Pichugin Y., Fahy G.M., Morin R. Cryopreservation of rat hippocampal slices by Vitrification // Cryobiology. 2006. V. 52. P. 228—240. doi: 10.1016/j.cryobiol.2005.11.006.
  49. Qiu J., Hauske S.J., Zhang S. Identification and characterisation of carnostatine (san9812), a potent and selective carnosinase (cn1) inhibitor with in vivo activity // Amino Acids. 2019. V. 51. P. 7—16. doi: 10.1007/s00726-018-2601-z.
  50. Quyang L., Tian Y., Bao Y., Xu H., Cheng J. Carnosine decreased neuronal cell death through targeting glutamate system and astrocyte mitochondrial bioenergetics in cultured neuron/astrocyte exposed to ogd/recovery // Brain Res. Bull. 2016. V. 124. P. 76—84. doi: 10.1016/j.brainresbull.2016.03.019.
  51. Sassoe-Pognetto M., Cantino D., Panzanelli P., Verdundi C.L. Presynaptic co-localization of carnosine and glutamate in olfactory neurons // Neuroreport. 1993. V. 5. P. 7—10. doi: 10.1097/00001756-199310000-00001.
  52. Stvolinski S.L., Dobrota D., Mezeshova V., Lipta˘ı. T., Pronaıova N., Zalibera L., Boldyrev A. A. Carnosine and anserine in working muscles-study using proton NMR spectroscopy // Biokhimiia. 1992. V. 57. P. 1317—1323.
  53. Szydlowska K., Tymianski M. Calcium, ischemia and excitotoxicity // Cell calcium. 2010. V. 47. P. 122—129. doi: 10.1016/j.ceca.2010.01.003.
  54. Taylor M.J., Weegman B.P., Baicu S.C., Giwa S.E. New approaches to cryopreservation of cells, tissues, and organs // Transfus. Med. Hemotherapy. 2019. V. 46. P. 197—215. doi: 10.1159/000499453.
  55. Traynelis S.F., Cull-Candy S.D. Proton inhibition of N-methyl-D-aspartate receptor in cerebellar neurons // Nature. 1990. V. 345. P. 347. doi: 10.1038/345347a0.
  56. Teufel M., Saudek V., Ledig J.P. Sequence identification and characterization of human carnosinase and a closely related non-specific dipeptidase // J. Biol. Chem. 2003. V. 278. P. 6521—6531. doi: 10.1074/jbc.M209764200.
  57. Vincent P., Mulle C. Kainate receptors in epilepsy and excitotoxicity // Neuroscience. 2009. V. 158. P. 309—323. doi: 10.1016/j.neuroscience.2008.02.066.
  58. Warren D., Bickler P., Clark J., Gregersen M. Hypothermia and rewarming injury in hippocampal neurons involves intracellular Ca2+ and glutamate excitotoxicity // Neuroscience. 2012. V. 207. P. 316—325. doi: 10.1016/j.neuroscience.2011.12.034.
  59. Whaley D., Damyar K., Witek R.P., Mendoza A. Cryopreservation: An Overview of Principles and Cell-Specific Considerations // Cell Transplant. 2021. V. 30. P. 963689721999617. doi: 10.1177/0963689721999617.
  60. Yuan C., Gao J., Guo J., Bai L., Marshall C. Dimethyl sulfoxide damages mitochondrial integrity and membrane potential in cultured astrocytes // PLoS ONE. 2014. V. 9. P. e107447. doi: 10.1371/journal.pone.0107447. eCollection 2014.
  61. Zhang X., Song L., Cheng X., Yang Y., Luan B., Jia L. Carnosine pretreatment protects against hypoxia-ischemia brain damage in the neonatal rat model // Eur. J. Pharm. 2011. V. 667. P. 202—207. doi: 10.1016/j.ejphar.2011.06.003.
  62. Zemke D., Krishnamurthy R., Majid A. Carnosine is neuroprotective in a mouse model of stroke // J. Cereb. Blood Flow Metab. 2005. V. 25. P. S313.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изучение криопротективных свойств L-карнозина на срезах обонятельной коры мозга крыс (а) при измерении амплитуд НМДА потенциалов (б, в). а — схема тангенциального среза обонятельной коры мозга крыс с основными морфологическими структурами и локализациями стимулирующего и регистрирующего электродов: ЛОТ — латеральный обонятельный тракт, СЭ — стимулирующий электрод, ПК — пириформная кора, РЭ — регистрирующий электрод, б — фокальный потенциал, в срезе на электрическую стимуляцию ЛОТ с указанием постсинаптических компонентов: ранний АМПА потенциал и поздний НМДА потенциал (мкВ), в — в увеличенном масштабе НМДА потенциал — индикатор активности НМДА-зависимых механизмов. В работе исследовались только модификации НМДА потенциалов при действии L-карнозина при КС. Пунктирная линия, изолиния — потенциал среза в состоянии покоя; вертикальная стрелка указывает метод измерения амплитуд НМДА потенциала во временной точке 8 мс от артефакта стимуляции. Калибровка — как указано

Скачать (93KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Влияние аппликации L-карнозина в разной концентрации на амплитуду НМДА потенциалов в срезах обонятельной коры крыс. Ось абсцисс — шкала условная. Разные концентрации L-карнозина испытывались на отдельной группе срезов (n = 12). Изменения амплитуд НМДА потенциалов по отношению к значениям до КС (контроль) оценивали непараметрическим U–критерием Вилкоксона–Манна–Уитни, р ≤ 0.05 (*)

Скачать (92KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Воздействия преинкубации срезов в контроле без L-карнозина и с L-карнозином (20 мМ) на кислотно-щелочной уровень (рН) ИЦР до и после окончания КС (а), серым фоном — оптимальные диапазоны рН (рН 7.2—7.4), при которых поддерживаются амплитуды НМДА потенциалов, n = 7. Эффекты преинкубации срезов в контроле без L-карнозина и с L-карнозином (20 мМ) на модификацию амплитуд НМДА потенциалов до и после КС (б), достоверность различий значений рН замораживающего раствора (L-карнозин 20 мМ после КС) по сравнению со значениями до КС (контроль до КС без L-карнозина) определяли непараметрическим U–критерием Вилкоксона–Манна–Уитни, n = 7

Скачать (174KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменения содержания свободной воды (набухание — вес срезов, мг) в срезах под влиянием L-карнозина (20 мМ) до и после КС (а), n = 5. Эффекты набухания среза под влиянием L-карнозина (20 мМ) на изменения амплитуд НМДА потенциалов до и после КС (б). Различия амплитуд НМДА потенциалов по сравнению со значениями до КС («контроль до КС») и после КС («без карнозина» и после КС с «карнозином, 20 мМ») определяли непараметрическим U–критерием Вилкоксона–Манна–Уитни, n = 5

Скачать (148KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Тестирование L-карнозина (20 мМ) на возникновение эксайтотоксичности в срезах мозга в процессе отогревания после КС. По оси абсцисс — температуры раствора, при которых проводились измерения амплитуд НМДА потенциалов, шкала неравномерная, n = 9. Скорость отогревания срезов — 0.1 оC/мин. Остальные обозначения — на рисунке. Различия амплитуд НМДА потенциалов по отношению к значениям до КС (контроль) определяли непараметрическим U–критерием Вилкоксона–Манна–Уитни, р ≤ 0.05 (*)

Скачать (127KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

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».