Экспрессия гипоксия-индуцибельного фактора как предиктор резистентности организма лабораторных животных к гипоксии
- Авторы: Ким А.Е.1, Шустов Е.Б.2, Кашуро В.А.3,4, Ганапольский В.П.1, Каткова Е.Б.1
-
Учреждения:
- Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова
- Научно-клинический центр токсикологии им. акад. С.Н. Голикова Федерального медико-биологического агентства
- Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет
- Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена
- Выпуск: Том 14, № 1 (2023)
- Страницы: 61-71
- Раздел: Оригинальные статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/pediatr/article/view/131600
- DOI: https://doi.org/10.17816/PED14161-71
- ID: 131600
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Актуальность. Один из ключевых транскрипционных регуляторов, определяющих устойчивость организма к гипоксии, — гипоксия-индуцибельный фактор HIF-1α, изучение роли которого в устойчивости организма к экстремальным воздействиям может обосновать новые направления в медицинских технологиях ее повышения.
Цель исследования — оценить количественный вклад уровня экспрессии гипоксия-индуцибельного фактора HIF-1α в различных тканях лабораторных животных в повышение устойчивости животных к воздействию гипоксической гипоксии.
Материалы и методы. Исследование выполнено на беспородных белых лабораторных крысах, полученных из питомника «Рапполово», массой 180–220 г. Для проведения исследования предварительно животные были тестированы на индивидуальный уровень устойчивости к гипоксии, что позволило сформировать экспериментальные группы из высокоустойчивых и низкоустойчивых к воздействию животных. У всех крыс отбирали биологический материал (цельную кровь, плазму, ткани сердца, печени, почек, головного мозга), в которых методом Real-Time-PCR определяли экспрессию генов HIF-1α и TSPO (ген «домашнего хозяйства»). Из исследуемого материала выделяли тотальную РНК методом аффинной сорбции. Синтез первой цепи кДНК, амплификацию, с последующим определением уровня экспрессии гена HIF-1α крыс, проводили методом ПЦР с детекцией накопления продуктов реакции в режиме реального времени (Real-TimePCR) с помощью детектирующего амплификатора CFX-96 (Bio-Rad, США) и специфических праймеров и зондов к гену HIF-1α крыс (ДНК-Синтез, Россия). Статистическая обработка полученных данных осуществлялась методом дисперсионного анализа ANOVA.
Результаты. Установлено, что уровень устойчивости животных к гипоксии в существенной степени определяется их генетическими особенностями. Даже в условиях нормоксии экспрессия гена «домашнего хозяйства» TSPO животных с высоким уровнем устойчивости к гипоксии с высокой степенью достоверности отличалась от таковой у низкоустойчивых животных (в почках, печени и мозге — в среднем на 40–60 %, в сердце — на 25 %). Значения экспрессии этого гена, определяемого в цельной крови или плазме, позволяют дифференцировать группы животных по уровню устойчивости к гипоксии. Аналогичное соотношение между животными с высокой и низкой устойчивостью наблюдается и в тканях, полученных сразу после гипоксического воздействия. Анализ реакции системы геномной регуляции на экстремальное воздействие показал, что она в 1,6–2 раза повышает экспрессию гена TSPO в равной степени во всех тканях, независимо от уровня устойчивости животных. Для гена HIF-1α обнаружены аналогичные закономерности, но выраженность их проявлений имеет более существенный и достоверный характер. Основным органом, обеспечивающим высокий уровень устойчивости к гипоксии, связанным с базовой (в условиях нормоксии) экспрессией HIF-1α, является головной мозг. Экспрессия в нем гипоксия-индуцибельного фактора более чем в 300 раз превышает экспрессию генов «домашнего хозяйства». Второй по значимости орган — печень, активность экспрессии в которой HIF-1α более чем 15 раз превышает экспрессию генов «домашнего хозяйства».
Заключение. Высокий уровень базовой экспрессии транскрипционного фактора HIF-1α в повседневных (нормоксических) условиях может быть предиктором высокого уровня устойчивости данного животного к гипоксии. Вероятно, для повышения устойчивости организма к экстремальным воздействиям целесообразно использовать медицинские технологии, повышающие уровень экспрессии HIF-1α в повседневных (нормоксических) условиях в ключевых тканях — головном мозге, печени, миокарде.
Полный текст
АКТУАЛЬНОСТЬ
К настоящему времени известно, что одним из ключевых транскрипционных регуляторов, определяющих устойчивость клеток организма к гипоксии, является гипоксия-индуцибельный фактор 1 альфа (HIF-1α), вовлеченный в индукцию транскрипции генов гликолиза и транспортеров глюкозы, гемопоэза, ангиогенеза, образования оксида азота, антиоксидантной защиты, работы клеток эндотелия, надпочечников, адренорецепторов, ростковых факторов, процессов апоптоза регенерации. Свойства HIF-1α достаточно подробно рассмотрены в ряде обзоров [5, 6, 8, 9, 15, 21, 24]. Традиционно HIF-1α изучается при различных видах гипоксических, ишемически-реперфузионных поражениях, заболеваниях сердечно-сосудистой системы, почек, нейродегенеративных заболеваниях [2, 7, 10, 14, 20, 23, 25, 26]. В последние десятилетия акцент в исследованиях HIF сместился в область онкологии, где он в частности рассматривается как фактор ускользания опухоли от химиотерапевтического или радиотерапевтического воздействия [4, 13, 16, 22].
Известно, что в условиях экстремального гипоксического состояния (кратковременное пребывание крыс среднеустойчивой линии Wistar на высоте 12 км) происходит статистически достоверное повышение экспрессии HIF-1α в почках и сердце и снижение в органах, где экспрессия этого транскрипционного фактора в условиях нормоксии была повышенной, а именно в мозге и печени. Причем в менее экстремальных условиях (высота 8–11 км) его экспрессия в печени повышалась, а в тканях мозга снижение в разной степени отмечалось в широком диапазоне высот — от 6 до 12 км [11].
Устойчивость организма к гипоксии во многом определяет и устойчивость к другим критически значимым воздействиям (гипертермия, гипотермия, гипербария, ионизирующие излучения, химические вещества и др.) [17, 19, 27]. Однако количественной оценки этого влияния в изученной нами литературе обнаружить не удалось, что послужило основанием для выполнения данного исследования.
Цель исследования — оценить количественный вклад уровня экспрессии гипоксия-индуцибельного фактора HIF-1α в различных тканях лабораторных животных в повышение устойчивости животных к воздействию экстремальной гипоксической гипоксии. Достижение поставленной цели позволит обосновать новые патогенетические подходы к диагностике и коррекции уровня устойчивости к неблагоприятным воздействиям экстремального диапазона интенсивности.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Лабораторные животные и их содержание
В исследовании использовали здоровых нелинейных белых крыс-самцов с массой тела на начало исследования 180–220 г, поступивших из питомника лабораторных животных «Рапполово» (Ленинградская обл.) в одном привозе, с ветеринарным свидетельством, и прошедших 14-дневный карантин. В течение карантина проводили ежедневный осмотр каждого животного (поведение и общее состояние), дважды в день животных наблюдали в клетках (заболеваемость и смертность). Крысы содержались в стандартных условиях в соответствии с принципами надлежащей лабораторной практики1 в условиях сертифицированного вивария в клетках по 5–10 голов, при контролируемых условиях окружающей среды (температура 22 ± 3 °C и относительная влажность воздуха 30–70 %, световой режим — день/ночь, 12/12). Питание животных осуществлялось полнорационным комбинированным кормом для грызунов, корм и питьевая вода предоставлялись животным в режиме свободного доступа без ограничений. Уход за животными и их кормление обеспечивали прошедшие специальное обучение сотрудники. Для маркировки животных использовали спиртовой раствор пикриновой кислоты. Сопоставимость экспериментальных групп обеспечивали рандомизацией животных, признанных годными для включения в исследование.
Исследование выполняли в соответствии с Национальным стандартом Российской Федерации2, приказом Минздрава России3, согласно утвержденному письменному протоколу, одобренному локальной биоэтической комиссией НКЦТ ФМБА России.
1 ГОСТ 33044–2014 от 01.08.2015 «Принципы надлежащей лабораторной практики».
2 Национальный стандарт РФ. ГОСТ Р-53434–2009 «Принципы надлежащей лабораторной практики».
3 Приказ Минздрава России от 01 апреля 2016 г. № 199н «Об утверждении правил надлежащей лабораторной практики».
Дизайн исследования
Для достижения поставленной цели выполнено моделирование экстремальной гипоксической гипоксии в группах лабораторных животных, достоверно различающихся по уровню устойчивости к заданному воздействию. Для этого прошедшие 14-недельный карантин белые беспородные крысы (40 голов) в фоновом исследовании предварительно тестировались на устойчивость к гипоксии (по критерию резервного времени при воздействии предельно переносимой гипоксической гипоксии).
Для тестирования индивидуального уровня устойчивости к гипоксии животные подвергались барокамерному гипоксическому воздействию путем подъема в барокамере на высоту 11 500 м. Скорость подъема 120–180 м/с (при такой скорости у животных практически не включаются срочные адаптационные реакции). Регистрируемый показатель — время появления второго агонального вдоха (резервное время, Тр), после чего животное «спускалось» с той же скоростью до уровня нормобарии. Анализировалась частотная кривая распределения животных по резервному времени пребывания на площадке. Полученная кривая асимметрична и смещена влево (что отражает степень экстремальности гипоксического воздействия). Для низкоустойчивых животных показатель резервного времени составлял менее 3 мин, для высокоустойчивых он должен быть более 9 мин. Предварительное тестирование позволило сформировать 4 экспериментальные группы по 5 животных, из них две группы (1 и 3) включали в себя животных с низким уровнем устойчивости к гипоксии, и две (2 и 4) — с высоким уровнем устойчивости. Через 12–15 дней после тестирования исходного уровня устойчивости к гипоксии анализировалась экспрессия исследуемых генов HIF-1α и TSPO в образцах тканей лабораторных животных (плазма, цельная кровь, почки, печень, сердце и головной мозг), осуществлялся забор биологического материала для ПЦР-исследования. У животных групп 1 и 2 образцы тканей забирались в нормоксических условиях (без гипоксического воздействия), в группах 3 и 4 — сразу после прекращения воздействия на животных умеренной гипобарической гипоксии (подъем на высоту 7000 м со скоростью 150–165 м/с, пребывание на высоте 30 мин, спуск до уровня нормоксии со скоростью 150 м/с).
Методика изучения экспрессии гипоксия-индуцибельного фактора HIF-1α в ответ на экстремальное воздействие. Сразу же после прекращения гипоксического воздействия животных выводили из эксперимента методом декапитации, и забирали у них образцы цельной крови, почек, печени, сердца и головного мозга. Пробы замораживались в жидком азоте и хранились до выполнения исследования в низкотемпературном холодильнике при температуре –140 °C. Контролем служили аналогичные животные, помещаемые в работающую барокамеру без герметизации и воздействия неблагоприятного фактора («холостой прогон», позволяющий снизить значимость стрессового фактора на животных). Из исследуемого материала выделяли тотальную РНК методом аффинной сорбции на частицах силикагеля согласно протоколу производителя к комплекту реагентов для экстракции РНК/ДНК из клинического материала «АмплиПрайм РИБО-сорб» (ИнтерЛабСервис, Москва). Синтез первой цепи кДНК проводили согласно указаниям инструкции «Комплекта реагентов для получения кДНК на матрице РНК РЕВЕРТА-L» (ИнтерЛабСервис, Москва).
Амплификацию, с последующим определением уровня экспрессии гена HIF-1α крыс, проводили методом ПЦР с детекцией накопления продуктов реакции в режиме реального времени (Real-TimePCR, USA) с помощью детектирующего амплификатора CFX-96 (Bio-Rad, США) и специфических праймеров и зондов к гену HIF-1α крыс (ДНК-Синтез, Россия). Праймеры для последовательностей HIF-1α и TSPO (гену «домашнего хозяйства») были подобраны с помощью программы VectorNTI. Последовательности мРНК HIF-1α и TSPO были взяты в базе данных NCBIGenBank и синтезированы фирмой ООО «ДНК-Синтез», Москва (табл. 1).
Таблица 1. Праймеры и зонды для Real-TimePCR
Table 1. Primers and probes for Real-Time PCR
Исследуемая мишень / Target under study | Олигонуклеотидные праймеры и зонды / Oligonucleotide primers and probes |
Ген HIF-1α / HIF-1α gene | HIF_1a_F: 5-ACTCATCATGACATGTTTACTAAAGGAC-3 HIF_1a_R: 5-TGTCAAACGGAAGATGGCAG-3 ZHIF_1a: 5-ROX-TCACCACAGGACAGTACAGGATGCTTGC-BHQ1-3 |
Ген «домашнего хозяйства» крысы TSPO / TSPO rat “housekeeping” gene | TSPO_F: 5-AGGCTGTGGATCTTTCCAGAAC-3 TSPO_R: 5-GGCTGGGCACCAGAGTGA-3 ZTSPO: 5-FAM-CAATCACTATGTCTCAATCCTGGGTACCCG-BHQ1-3 |
Стадию амплификации кДНК HIF-1α крыс в режиме реального времени проводили в 25 мкл смеси: ПЦР буфер (×10) — 700 ммоль Трис-HCl, pH 8,6; 25 °C, 166 ммоль (NH4)2SO4, 25 ммоль MgCl2, 0,2 ммоль dNTPs, Taq — полимераза, на детектирующем амплификаторе CFX-96 (Bio-Rad, США). Условия проведения амплификации кДНК HIF-1α с праймерами HIF-1α_F/HIF-1α_Rи зонда ZHIF-1α: 95 °C — 15 мин; затем 50 циклов: 95 °C — 30 с, 65 °C — 50 с, 72 °C — 30 с.
Количество исследуемых кДНК (копийных ДНК, полученных из РНК путем обратной транскрипции) в образцах рассчитывали путем определения пороговых циклов ПЦР. Для оценки уровня экспрессии гена HIF-1α в качестве стандарта сравнения использовался ген TSPO, экспрессия которого считается стабильной для животного. Нормализацию количества изучаемых транскриптов к общему количеству кДНК в пробе проводили с помощью отношения HIF-1α/TSPO.
Критерии включения: беспородные лабораторные крысы — самцы массой на начало исследования 180–210 г, у которых за период наблюдения (карантин 14 дней плюс 12–15 дней после фонового тестирования устойчивости) не выявлены признаки какого-либо заболевания, и рандомизированные по уровню устойчивости к гипоксии в одну из четырех экспериментальных групп по признаку полярности устойчивости организма к экстремальному воздействию.
Критерии невключения: животные, у которых в процессе фонового тестирования устойчивости был выявлен средний уровень, не позволяющий отнести их к категории устойчивых или неустойчивых к гипоксии.
Критерии исключения: животные, у которых во время периода наблюдения были выявлены любые признаки какого-либо заболевания.
Рандомизация животных на группы производилась случайным выборочным методом из сформированных блоков животных с высоким или низким уровнем индивидуальной устойчивости к гипоксии.
Методы статистического анализа данных
Статистическую обработку полученных результатов проводили в программной среде процессора таблиц Excel с помощью пакета прикладных программ «Анализ данных» методом дисперсионного анализа ANOVA. Различия между группами оценивали по F-критерию при уровне значимости p < 0,05.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты определения экспрессии генов HIF-1α и TSPO в полярных по уровню устойчивости к гипоксии группах животных представлены в табл. 2–4.
Таблица 2. Экспрессия генов TSPO в разных тканях в нормоксических условиях и после воздействия гипобарической гипоксии у животных с разным уровнем устойчивости к гипоксии, тыс. копий, M ± m
Table 2. Expression of TSPO genes in different tissues under normoxic conditions and after exposure to hypobaric hypoxia in animals with different levels of resistance to hypoxia, thousand copies, M ± m
Ткань / Tissue | Нормоксия (высота 0 м) / Normoxia (height 0 m) | Умеренная гипоксия (высота 7000 м) / Moderatehypoxia (height 7000 m) | ||||
НУ / LR | ВУ /HR | различия / differences | НУ / LR | ВУ / HR | различия / differences | |
Плазма крови / Bloodplasma | 3,2 ± 0,7 | 7,2 ± 0,6 | +125 %, р = 0,002 | 5,6 ± 1,0 | 15,0 ± 0,9 | +167 %, р = 2 · 10–4 |
Цельная кровь / Wholeblood | 165 ± 5 | 293 ± 6 | +78 %, р = 1 · 10–4 | 325 ± 13 | 581 ± 18 | +78 %, р = 5 · 10–6 |
Почки / Kidneys | 3440 ± 53 | 5122 ± 57 | +49 %, р = 3 · 10–8 | 6881 ± 134 | 10205 ± 88 | +48 %, р = 2 · 10–7 |
Печень / Liver | 980 ± 35 | 1490 ± 21 | +52 %, р = 9 · 10–6 | 1967 ± 42 | 3383 ± 151 | +72 %, р = 4 · 10–4 |
Сердце / Heart | 2300 ± 55 | 2780 ± 34 | +21 %, р = 2 · 10–4 | 4597 ± 58 | 5613 ± 50 | +22 %, р = 1 · 10–6 |
Мозг / Brain | 247 ± 13 | 351 ± 6 | +42 %, р = 5 · 10–4 | 495 ± 29 | 719 ± 26 | +45 %, р = 4 · 10–4 |
Примечание. Группы животных: НУ — низкоустойчивые к гипоксии; ВУ — высокоустойчивые к гипоксии. Note. Groups of animals: NR — low resistant to hypoxia; HR — highly resistant to hypoxia.
Таблица 3. Экспрессия гена HIF-1α в разных тканях в нормоксических условиях и после воздействия гипобарической гипоксии у животных с разным уровнем устойчивости к гипоксии, тыс. копий, M ± m
Table 3. Expression of HIF-1α gene in different tissues under normoxic conditions and after exposure to hypobaric hypoxia in animals with different levels of resistance to hypoxia, thousand copies, M ± m
Ткань / Tissue | Нормоксия (высота 0 м) / Normoxia (height 0 m) | Умеренная гипоксия (высота 7000 м) / Moderatehypoxia (height 7000 m) | ||||
НУ / LR | ВУ /HR | различия / differences | НУ / LR | ВУ / HR | различия / differences | |
Плазма крови / Bloodplasma | 0,6 ± 0,1 | 6,1 ± 0,6 | +820 %, р = 5 · 10–4 | 0,4 ± 0,1 | 29,6 ± 2,2 | +597 %, р = 2 · 10–4 |
Цельная кровь / Wholeblood | 104 ± 2 | 328 ± 7 | +215 %, р = 2 · 10–6 | 6802 ± 582 | 18586 ± 1151 | +173 %, р = 1 · 10–4 |
Почки / Kidneys | 1924 ± 49 | 6338 ± 53 | +229 %, р = 7 · 10–12 | 6001 ± 62 | 9735 ± 774 | +62 %, р = 8 · 10–3 |
Печень / Liver | 11385 ± 399 | 29030 ± 117 | +155 %, р = 3 · 10–7 | 97692 ± 1953 | 228238 ± 12419 | +133 %, р = 4 · 10–4 |
Сердце / Heart | 4940 ± 326 | 9785 ± 216 | +98 %, р = 6 · 10–6 | 10057 ± 170 | 23185 ± 215 | +130 %, р = 1 · 10–10 |
Мозг / Brain | 50583 ± 2722 | 121308 ± 4362 | +140 %, р = 4 · 10–6 | 171393 ± 8220 | 32663 ± 1428 | –80 %, р = 5 · 10–5 |
Примечание. Группы животных: НУ — низкоустойчивые к гипоксии; ВУ — высокоустойчивые к гипоксии. Note. Groups of animals: NR — low resistant to hypoxia; HR — highly resistant to hypoxia.
Таблица 4. Уровень экспрессии гена HIF-1α в разных тканях в нормоксических условиях и после воздействия гипобарической гипоксии у животных с разным уровнем устойчивости к гипоксии, нормированный по активности гена TSPO, отн. ед., M ± m
Table 4. The expression level of HIF-1α genes in different tissues under normoxic conditions and after exposure to hypobaric hypoxia in animals with different levels of resistance to hypoxia, normalized by TSPO gene activity, relative units, M ± m
Ткань / Tissue | Нормоксия (высота 0 м) / Normoxia (height 0 m) | Умеренная гипоксия (высота 7000 м) / Moderatehypoxia (height 7000 m) | ||||
НУ / LR | ВУ /HR | различия / differences | НУ / LR | ВУ / HR | различия / differences | |
Плазма крови / Bloodplasma | 0,21 ± 0,01 | 0,84 ± 0,0,01 | +306 %, р = 2 · 10–9 | 0,08 ± 0,01 | 1,96 ± 0,05 | +2360 %, р = 5 · 10–7 |
Цельная кровь / Wholeblood | 0,63 ± 0,01 | 1,12 ± 0,01 | +77 %, р = 2 · 10–9 | 20,8 ± 1,2 | 32,0 ± 1,8 | +54 %, р = 1 · 10–3 |
Почки / Kidneys | 0,56 ± 0,04 | 1,24 ± 0,02 | +121 %, р = 4 · 10–9 | 0,87 ± 0,02 | 0,96 ± 0,08 | +9 %, р = 0,39 |
Печень / Liver | 11,62 ± 0,08 | 19,50 ± 0,30 | +68 %, р = 4 · 10–6 | 49,7 ± 0,2 | 67,4 ± 0,8 | +35 %, р = 1 · 10–5 |
Сердце / Heart | 2,14 ± 0,09 | 3,52 ± 0,04 | +64 %, р = 1 · 10–5 | 2,19 ± 0,03 | 4,13 ± 0,06 | +89 %, р = 2 · 10–7 |
Мозг / Brain | 205 ± 4 | 345 ± 7 | +68 %, р = 9 · 10–7 | 347 ± 5 | 45,4 ± 1,1 | –87 %, р = 2 · 10–7 |
Примечание. Группы животных: НУ — низкоустойчивые к гипоксии; ВУ — высокоустойчивые к гипоксии. Note. Groups of animals: NR — low resistant to hypoxia; HR — highly resistant to hypoxia.
Для финальной оценки экспрессии гена HIF-1α было выполнено его нормирование по экспрессии гена «домашнего хозяйства» TSPO (табл. 4).
Анализ данных табл. 2–4 показывает, что уровень устойчивости животных к гипоксии в существенной степени определяется их генетическими особенностями. Даже в условиях нормоксии экспрессия гена TSPO «домашнего хозяйства» животных с высоким уровнем устойчивости к гипоксии с высокой степенью достоверности отличается от низкоустойчивых животных (в почках, печени и мозге — в среднем на 40–50 %, в сердце — на 25 %). Важно, что даже значения экспрессии этого гена, определяемого в цельной крови или плазме, позволяет дифференцировать группы животных по уровню устойчивости к гипоксии. Интересно, что аналогичное соотношение между животными с высокой и низкой устойчивостью к гипоксии наблюдается и в тканях, полученных сразу после гипоксического воздействия. Анализ реакции системы геномной регуляции на гипоксическое воздействие показал, что подъем животных на высоту 7000 м в 2 раза повышает экспрессию гена TSPO в равной степени во всех тканях, независимо от уровня устойчивости животных к гипоксии (единственным исключением стала экспрессия этого гена в печени — в условиях гипоксии она выросла несколько в большей степени — в 2,27 раза).
Для гена HIF-1α обнаружены аналогичные закономерности, но выраженность их проявлений имеет более существенный (в 2–2,5 раза для условий нормоксии и в 1,6–2,3 раза для условий гипоксии) и достоверный характер. Однако реакция генных механизмов на гипоксическое воздействие в группах устойчивых и неустойчивых животных не такая однородная (см. рисунок), как было отмечено для гена TSPO.
Рисунок. Коэффициенты реактивности на умеренное гипоксическое воздействие экспрессии гипоксия-индуцибельного фактора HIF-1α в разных тканях в группах высоко- и низкоустойчивых животных (ВУ и НУ соответственно) Figure.
Figure. Coefficients of reactivity to moderate hypoxic exposure to the expression of the hypoxia-inducible factor HIF-1α in different tissues in groups of high- and low-resistant animals (HR and LR, respectively)
Обращает на себя внимание тот факт, что для низкоустойчивых к гипоксии животных накопление фрагментов HIF-1α в тесте ПЦР выше, чем для высокоустойчивых (за исключением плазмы крови, для которой у низкоустойчивых животных отмечен не рост, а снижение показателя на 36 %, но оно не является статистически достоверным, р = 0,23). В принципиальном плане отличается реакция на гипоксию для экспрессии HIF-1α в тканях мозга: повышение в 3,5 раза для группы неустойчивых животных и снижение в 3 раза для высокоустойчивых. Такая реакция экспрессии HIF-1α в мозге на гипоксию ранее была описана в работе [11] для группы, не дифференцированной по уровню устойчивости к гипоксии животных.
ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные в настоящем исследовании данные свидетельствуют, что основным органом, обеспечивающим высокий уровень устойчивости к гипоксии, связанный с базовой (в условиях нормоксии) экспрессией HIF-1α, является головной мозг. Экспрессия в нем гипоксия-индуцибельного фактора более чем в 300 раз превышает экспрессию генов «домашнего хозяйства». Второй по значимости орган — печень, активность экспрессии HIF-1α в которой более чем 15 раз превышает экспрессию генов «домашнего хозяйства». В условиях умеренной гипоксии отмечена компенсаторно-приспособительная реакция, связанная с активацией механизмов гипоксической защиты в клетках крови и печени, а у низкоустойчивых животных — еще и в ткани мозга. В миокарде такая компенсаторно-приспособительная реакция активизируется только в группе высокоустойчивых животных. Несколько неожиданным кажется полученное отсутствие различий в реакции на гипоксию системы регуляции экспрессии HIF-1α в почках для группы высокоустойчивых животных, а также переключение у этих животных геномного ответа на гипоксию с HIF-1α на иные сигнальные механизмы, что проявилось снижением экспрессии генов этого транскрипционного фактора практически в 7 раз.
Выявленные нами особенности свидетельствуют, что принципиальные механизмы повышения устойчивости к гипоксическому воздействию для организмов со сниженным уровнем устойчивости к гипоксии протекают с участием активации экспрессии трансляционного фактора HIF-1α во всех органах и тканях, а также о наличии особых механизмов компенсаторно-приспособительных реакций на гипоксию в группе высокоустойчивых животных. Полученные данные согласуются с выводами, что в механизме действия прямых антигипоксантов типа амтизола, эффективно защищающих ткани организма от острого гипоксического воздействия именно у неустойчивых к гипоксии лиц, существенную роль играет HIF-1α [1]. Высокий уровень базовой экспрессии транскрипционного фактора HIF-1α в повседневных (нормоксических) условиях может быть предиктором высокого уровня устойчивости данного животного к гипоксии.
При анализе литературных источников нам не удалось найти работ, решающих в прямой постановке задачи, аналогичные тем, что ставили перед собой мы. Однако обнаружены публикации, позволяющие высказать предположения о механизмах влияния высокого уровня экспрессии HIF-1α на переносимость экстремальных воздействий. Среди них можно выявить несколько групп механизмов, основным из которых является стабилизация митохондриальных функций и энергопродукции. Показана способность HIF-1α в большей степени активизировать гликолиз у генетически более устойчивых к гипоксии организмов [18]. Такая активация происходила с использованием сигнального пути mTORC1/eIF4E, а для тканей головного мозга сопровождалась повышением экспрессии транспортера фруктозы GLUT5 и кетогексокиназы, что свидетельствует об активном вовлечении утилизации фруктозы в качестве резервного источника энергии. Доказана активация альтернативного гликолизу пути утилизации глюкозы с генерацией восстановленных эквивалентов и фосфорибозы — пентозофосфатного метаболического шунта, устойчивого к влиянию к гипоксии и митохондриальным дисфункциям, так как его реакции осуществляются на мембранах эндоплазматического ретикулума клеток [3]. Второй универсальный механизм влияния повышенной экспрессии HIF на устойчивость животных к экстремальным воздействиям — снижение скорости апоптоза клеток, индуцированного экстремальным воздействием (гипоксии, в частности). Показано, что у устойчивых к экстремальным воздействиям животных индукция апоптоза идет медленнее, а уровень экспрессии HIF при этом становится достоверно выше [12]. Третий универсальный механизм касается не столько механизмов энергопродукции, дефицитной для экстремальных состояний, сколько механизмов нейроадаптации, стабилизации функций нейронов при неблагоприятных воздействиях [8].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Высокий уровень базовой экспрессии транскрипционного фактора HIF-1α в повседневных (нормоксических) условиях может быть предиктором высокого уровня устойчивости данного животного к гипоксии. Для повышения устойчивости организма к экстремальным воздействиям целесообразно использовать медицинские технологии, повышающие уровень экспрессии гена HIF-1α в повседневных (нормоксических) условиях в ключевых тканях — головном мозге, печени, миокарде.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.
ADDITIONAL INFORMATION
Author contribution. Thereby, all authors made a substantial contribution to the conception of the study, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the article, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the study.
Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.
Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.
Об авторах
Алексей Евгеньевич Ким
Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова
Автор, ответственный за переписку.
Email: alexpann@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4591-2997
канд. мед. наук, доцент кафедры фармакологии
Россия, Санкт-ПетербургЕвгений Борисович Шустов
Научно-клинический центр токсикологии им. акад. С.Н. Голикова Федерального медико-биологического агентства
Email: shustov-msk@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5895-688X
д-р мед. наук, профессор, гл. научн. сотр. ФГБУ «Научно-клинический центр токсикологии им. акад. С.Н. Голикова Федерального медико-биологического агентства»
Россия, Санкт-ПетербургВадим Анатольевич Кашуро
Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет; Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена
Email: kashuro@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7892-0048
д-р мед. наук, доцент, заведующий кафедрой биологической химии; профессор кафедры анатомии и физиологии животных и человека
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-ПетербургВячеслав Павлович Ганапольский
Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова
Email: ganvp@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7685-5126
полковник медицинской службы, д-р мед. наук, врио заведующего кафедрой фармакологии
Россия, Санкт-ПетербургЕлена Борисовна Каткова
Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова
Email: elenaelenakatkova@mail.ru
канд. мед. наук, доцент кафедры фармакологии
Россия, Санкт-ПетербургСписок литературы
- Александрова А.Е. Антигипоксическая активность и механизмы действия некоторых синтетических и природных соединений // Экспериментальная и клиническая фармакология. 2005. Т. 68, № 5. С. 72–78. doi: 10.30906/0869-2092-2005-68-5-72-78
- Баранова К.А., Миронова В.И., Рыбникова Е.А., Самойлов М.О. Особенности экспрессии транскрипционного фактора HIF-1α в мозге крыс при формировании депрессивноподобного состояния и антидепрессивных эффектов гипоксического прекондиционирования // Нейрохимия. 2010. Т. 27, № 1. С. 40–46.
- Ветровой О.В. Роль HIF1-зависимой регуляции пентозофосфатного пути в обеспечении реакций мозга на гипоксию: автореф. дис. … канд. биол. наук. Санкт-Петербург: ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский государственный университет, 2018.
- Джалилова Д.Ш., Макарова О.В. HIF-опосредованные механизмы взаимосвязи устойчивости к гипоксии и опухолевого роста // Биохимия. 2021. Т. 86, № 10. С. 1403–1422. doi: 10.31857/S0320972521100018
- Джалилова Д.Ш., Макарова О.В. Роль HIF-фактора, индуцируемого гипоксией, в механизмах старения // Биохимия. 2022. Т. 87, № 9. С. 1277–1300. doi: 10.31857/S0320972522090081
- Жукова А.Г., Казицкая А.С., Сазонтова Т.Г., Михайлова Н.Н. Гипоксией индуцируемый фактор (HIF): структура, функции и генетический полиморфизм // Гигиена и санитария. 2019. Т. 98, № 7. С. 723–728. doi: 10.18821/0016-9900-2019-98-7-723-728
- Каде А.Х., Занин С.А., Сидоренко А.Н., и др. Роль гипоксия-индуцибельного фактора в норме и при патологии // Крымский журнал экспериментальной и клинической медицины. 2021. Т. 11, № 2. С. 82–87. doi: 10.37279/2224-6444-2021-11-2-82-87
- Любимов А.В., Хохлов П.П. Участие HIF-1 в механизмах нейроадаптации к острому стрессогенному воздействию // Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. 2021. Т. 19, № 2. С. 183–188. doi: 10.17816/rcf192183-188
- Поправка Е.С., Линькова Н.С., Трофимова С.В., Хавинсон В.Х. HIF-1 — маркер возрастных заболеваний, ассоциированных с гипоксией тканей // Успехи современной биологии. 2018. Т. 138, № 3. С. 259–272. doi: 10.7868/S0042132418030043
- Трегуб П.П., Куликов В.П., Малиновская Н.А., и др. HIF-1 — альтернативные сигнальные механизмы активации и формирования толерантности к гипоксии/ишемии // Патологическая физиология и экспериментальная терапия. 2019. Т. 63, № 4. С. 115–122. doi: 10.25557/0031-2991.2019.04.115-122
- Шустов Е.Б., Каркищенко Н.Н., Дуля М.С., и др. Экспрессия гипоксия-индуцибельного фактора HIF-1α как критерий развития гипоксии тканей // Биомедицина. 2015. № 4. С. 4–15.
- Huang B.J., Cheng X.S. Effect of hypoxia inducible factor-la on thermotolerance against hyperthemia induced cardiomyocytes apoptosis // Chinese Journal of Cardiology. 2013. Vol. 41, No. 9. P. 785–789. doi: 10.3760/cma.j.issn.0253-3758.2013.09.013
- Harada H., Hiraoka M. Hypoxia-Inducible Factor 1 in tumor radioresistance // Curr Signal Transduct Ther. 2010. Vol. 5, No. 3. P. 188–196. doi: 10.2174/157436210791920229
- Jiang Y., Wu J., Keep R.F., et al. Hypoxia-inducible factor-1α accumulation in the brain after experimental intracerebral hemorrhage // J Cereb Blood Flow Metab. 2002. Vol. 22, No. 6. P. 689–696. doi: 10.1097/00004647-200206000-00007
- Ke Q., Costa M. Hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1) // Mol Pharmacol. 2006. Vol. 70, No. 5. P. 1469–1480. doi: 10.1124/mol.106.027029
- Kim W., Kim M.-S., Kim H.-J., et al. Role of HIF-1α in response of tumors to a combination of hyperthermia and radiation in vivo // Int J Hyperth. 2018. Vol. 34, No. 3. P. 276–283. doi: 10.1080/02656736.2017.1335440
- Lee T.-K., Kim D.W., Sim H., et al. Hyperthermia accelerates neuronal loss differently between the hippocampal CA1 and CA2/3 through different HIF-1α expression after transient ischemia in gerbils // Int J Mol Med. 2022. Vol. 49, No. 4. ID 55. doi: 10.3892/ijmm.2022.5111
- Lin J., Fan L., Han Y., et al. The mTORC1/eIF4E/HIF-1α Pathway Mediates Glycolysis to Support Brain Hypoxia Resistance in the Gansu Zokor, Eospalax cansus // Front Physiol. 2021. Vol. 12. ID fphys.2021.626240. doi: 10.3389/fphys.2021.626240
- Moon E.J., Sonveaux P., Porporato P.E., et al. NADPH oxidase-mediated reactive oxygen species production activates hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1) via the ERK pathway after hyperthermia treatment // PNAS USA. 2010. Vol. 107, No. 47. P. 20477–20482. doi: 10.1073/pnas.1006646107
- Pan Z., Ma G., Kong L., Du G. Hypoxia-inducible factor-1: Regulatory mechanisms and drug development in stroke // Pharmacol Res. 2021. Vol. 170. ID 105742. doi: 10.1016/j.phrs.2021.105742
- Pugh C.W. Modulation of the Hypoxic Response. Hypoxia. Advances in Experimental Medicine and Biology. Vol. 903 / R. Roach, P. Hackett, P. Wagner, editors. Boston: Springer, 2016. P. 259–271. doi: 10.1007/978-1-4899-7678-9_18
- Rohwer N., Cramer T. Hypoxia-mediated drug resistance: Novel insights on the functional interaction of HIFs and cell death pathways // Drug Resist Updat. 2011. Vol. 14, No. 3. P. 191–201. doi: 10.1016/j.drup.2011.03.001
- Sato T., Takeda N. The roles of HIF-1α signaling in cardiovascular diseases // J Cardiol. 2023. Vol. 81, No. 2. P. 202–208. doi: 10.1016/j.jjcc.2022.09.002
- Semenza G.L. Signal transduction to hypoxia-inducible factor 1 // Biochem Pharmacol. 2002. Vol. 64, No. 5–6. P. 993–998. doi: 10.1016/S0006-2952(02)01168-1
- Sharp F.R., Bergeron M., Bernaudin M. Hypoxia-inducible factor in brain. Hypoxia. Advances in Experimental Medicine and Biology. Vol. 502 / R. Roach, P. Hackett, P. Wagner, editors. Boston: Springer, 2016. P. 273–291. doi: 10.1007/978-1-4757-3401-0_18
- Soldatova V.A., Demidenko A.N., Soldatov V.O., et al. Hypoxia-inducible factor: Basic biology and involvement in cardiovascular pathology // Asian J Pharm. 2018. Vol. 12, No. 4. P. S1173–S1178.
- Wang L., Jiang M., Duan D., et al. Hyperthermia-conditioned OECs serum-free-conditioned medium induce NSC differentiation into neuron more efficiently by the upregulation of HIF-1 alpha and binding activity // Transplantation. 2014. Vol. 97, No. 12. P. 1225–1232. doi: 10.1097/TP.0000000000000118
Дополнительные файлы

