Анализ эффективности действия митохондриально-направленного антиоксиданта SkQ1 на модели ишемии и реперфузии миокарда крыс. Акцент на морфологическом и ультраструктурном исследовании ткани

Митохондриально-направленный антиоксидант SkQ1 демонстрирует высокую эффективность на разных экспериментальных моделях и может занять важное место в минимизации постоперационных осложнений при проведении операций на открытом сердце в условиях искусственного кровообращения или консервации трансплантата.

Цель. Оценить степень сохранности и изменений изолированного сердца крысы, которое подверглось длительной кардиоплегической ишемии, при условии донации разных концентраций SkQ1.

Материалы и методы. Исследование эффективности SkQ1 (12 нг/мл, 120 нг/мл и контрольная группа – без донации SkQ1) проведено на модели изолированного сердца крыс линии Wistar (n=15) по Лангендорфу. Провели биохимический анализ (супероксиддисмутазы 2 [СОД-2], малонового диальдегида [МДА] тропонин-I, сердечного белка, связывающего жирные кислоты [с-БСЖК]), гистологию ткани (окраска гематоксилин-эозином), сканирующую электронную микроскопию в обратно-рассеянных электронах и иммунофлуоресцентную окраску на цитохром С и редуктазу цитохрома Р-450. Количественные данные обрабатывали в программе GraphPad Prism 7 (GraphPad Software, США).

Результаты. Наибольшая сохранность ткани миокарда выявлена при поддержке SkQ1 в концентрации 12 нг/мл: наименьшие концентрации МДА (49,5 [41,1; 58,9] мкмоль/г), тропонин-I (22,3 [20,3; 23,9] пг/мл), с-БСЖК (0,8 [0,6; 16,0] нг/мл) логично сочетались с обширными зонами с сохранением поперечной исчерченности, умеренным интерстициальным отёком. Также выявлены недеформированые митохондрии, расположенные между сократительными волокнами, иммунофлуоресценция цитохрома С была распределена локально, интенсивность свечения на 40% выше в сравнении с контролем (р <0,0001). Увеличение концентрации SkQ1 до 120 нг/мл скорее способствовало усугублению окислительного стресcа: концентрации МДА (63,8 [62,5; 83,0] мкмоль/г) и c-БСЖК (12,8 [4,1; 15,3] нг/мл) была ближе к контрольным значениям. Миокард данной группы охарактеризован резко выраженным отёком, фрагментацией мышечных волокон, некоторые группы кардиомиоцитов находились в состоянии глыбчатого распада, миоцитолиза и внутриклеточного отёка. Цитохром С был распределён равномерно в цитозоле кардиомиоцитов.

Заключение. SkQ1 в концентрации 12 нг/мл проявлял выраженные антиоксидантные свойства в отношении ишемизированного миокарда, что позволило получить более высокую степень сохранности сердечной мышцы в сравнении с применением SkQ1 в концентрация 120 нг/мл, которая усугубила окислительный стресс и структурные изменения ткани.

1. Soeur J., Eilstein J., Lereaux G., Jones C., Marrot L. Skin resistance to oxidative stress induced by resveratrol: from Nrf2 activation to GSH biosynthesis // Free Radic. Biol. Med. – 2015. – Vol. 78. – P. 213–223. DOI: 10.1016/j.freeradbiomed

2. Cadenas E., Davies K.J. Mitochondrial free radical generation, oxidative stress, and aging // Free Radic Biol Med. – 2000. – Vol. 29, No. 3–4. – P. 222–230. DOI: 10.1016/s0891-5849(00)00317-8

3. Pisoschi A.M., Pop A. The role of antioxidants in the chemistry of oxidative stress: A review // Eur J Med Chem. – 2015. – Vol. 5, No. 97. – P. 55–74. DOI: 10.1016/j.ejmech.2015.04.040

4. He L., He T., Farrar S., Ji L., Liu T., Ma X. Antioxidants Maintain Cellular Redox Homeostasis by Elimination of Reactive Oxygen Species // Cell Physiol Biochem. – 2017. – Vol. 44, No. 2. – P. 532–553. DOI: 10.1159/000485089

5. Zerres S., Stahl W. Carotenoids in human skin // Biochim Biophys Acta Mol Cell Biol Lipids. – 2020. – Vol. 1865, No. 11. – P. 158588. DOI: 10.1016/j.bbalip.2019.158588

6. Agati G., Azzarello E., Pollastri S., Tattini M. Flavonoids as antioxidants in plants: location and functional significance // Plant Sci. – 2012. – Vol. 196. – P. 67–76. DOI: 10.1016/j.plantsci.2012.07.014

7. Grabowska M., Wawrzyniak D., Rolle K., Chomczynski P., Oziewicz S., Jurga S., Barciszewski J. Let food be your medicine: nutraceutical properties of lycopene // Food Funct. – 2019. – Vol. 10, No. 6. – P. 3090–3102. DOI: 10.1039/c9fo00580c

8. Bhat I., Mamatha B.S. Genetic factors involved in modulating lutein bioavailability // Nutr Res. – 2021. – Vol. 91. – P. 36–43. DOI: 10.1016/j.nutres.2021.04.007

9. Berger M.M. Can oxidative damage be treated nutritionally? // Clin Nutr. – 2005. – Vol. 24, No. 2. – P. 172–183. DOI: 10.1016/j.clnu.2004.10.003

10. Lоpez-Alarcоn C., Denicola A. Evaluating the antioxidant capacity of natural products: a review on chemical and cellular-based assays // Anal Chim Acta. – 2013. – Vol. 6, No. 763. – P. 1–10. DOI: 10.1016/j.aca.2012.11.051

11. Kattoor A.J., Pothineni N.V.K, Palagiri D., Mehta J.L. Oxidative Stress in Atherosclerosis // Curr Atheroscler Rep. – 2017. – Vol. 19, No. 11. – P. 42. DOI: 10.1007/s11883-017-0678-6

12. Betteridge D.J. What is oxidative stress? // Metabolism. – 2000. – Vol. 49. – P. 3–8. DOI: 10.1016/s0026-0495(00)80077-3

13. Senoner T., Dichtl W. Oxidative Stress in Cardiovascular Diseases: Still a Therapeutic Target? // Nutrients. – 2019. – Vol. 11, No. 9. – P. 2090. DOI: 10.3390/nu11092090

14. Богданов М.В., Воронцова Н.Л., Матвеева В.Г., Головкин А.С., Ларионов М.В., Григорьев Е.В. Динамика показателей окислительного стресса и эндогенной интоксикации в венечном синусе и периферической крови у пациентов с ИБС во время аортокоронарного шунтирования // Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. – 2013. – № 4. – С. 65–70. DOI: 10.17802/2306-1278-2013-4-65-70

15. Kura B., Szeiffova Bacova B., Kalocayova B., Sykora M., Slezak J. Oxidative Stress-Responsive MicroRNAs in Heart Injury // Int J Mol Sci. – 2020. – Vol. 21, No. 1. – P. 358. DOI: 10.3390/ijms21010358

16. Sponga S., Bonetti A., Ferrara V., Beltrami A.P., Isola M., Vendramin I., Finato N., Ortolani F., Livi U. Preservation by cold storage vs ex vivo normothermic perfusion of marginal donor hearts: clinical, histopathologic, and ultrastructural features // J Heart Lung Transplant. – 2020. – Vol. 39, No. 12. – P. 1408–1416. DOI: 10.1016/j.healun.2020.08.021

17. Liberman E.A., Topaly V.P., Tsofina L.M., Jasaitis A.A., Skulachev V.P. Mechanism of coupling of oxidative phosphorylation and the membrane potential of mitochondria // Nature. – 1969. – Vol. 222, No. 5198. – P. 1076–1078. DOI: 10.1038/2221076a0

18. Skulachev V.P. Cationic antioxidants as a powerful tool against mitochondrial oxidative stress // Biochem Biophys Res Commun. – 2013. – Vol. 441, No. 2. – P. 275–279. DOI: 10.1016/j.bbrc.2013.10.063

19. Skulachev M.V., Antonenko Y.N., Anisimov V.N., Chernyak B.V., Cherepanov D.A., Chistyakov V.A., Egorov M.V., Kolosova N.G., Korshunova G.A., Lyamzaev K.G., Plotnikov E.Y., Roginsky V.A., Savchenko A.Y., Severina I.I., Severin F.F., Shkurat T.P., Tashlitsky V.N., Shidlovsky K.M., Vyssokikh M.Y., Zamyatnin A.A. Jr., Zorov D.B., Skulachev V.P. Mitochondrial-targeted plastoquinone derivatives. Effect on senescence and acute age-related pathologies // Curr Drug Targets. – 2011. – Vol. 12, No. 6. – P. 800–826. DOI: 10.2174/138945011795528859

20. Antonenko Y.N., Roginsky V.A., Pashkovskaya A.A., Rokitskaya T.I., Kotova E.A., Zaspa A.A., Chernyak B.V., Skulachev V.P. Protective effects of mitochondria-targeted antioxidant SkQ in aqueous and lipid membrane environments // J Membr Biol. – 2008. – Vol. 222, No. 3. – P. 141–149. DOI: 10.1007/s00232-008-9108-6

21. Anisimov V.N., Egorov M.V., Krasilshchikova M.S., Lyamzaev K.G., Manskikh V.N., Moshkin M.P., Novikov E.A., Popovich I.G., Rogovin K.A., Shabalina I.G., Shekarova O.N., Skulachev M.V., Titova T.V., Vygodin V.A., Vyssokikh M.Y., Yurova M.N., Zabezhinsky M.A., Skulachev V.P. Effects of the mitochondria-targeted antioxidant SkQ1 on lifespan of rodents // Aging (Albany NY). – 2011. – Vol. 3, No. 11. – P 1110–1119. DOI: 10.18632/aging.100404

22. Mizobuti D.S., Fogaça A.R., Moraes F.D.S.R., Moraes L.H.R., Mаncio R.D., Hermes T.A., Macedo A.B., Valduga A.H., de Lourenсo C.C., Pereira E.C.L., Minatel E. Coenzyme Q10 supplementation acts as antioxidant on dystrophic muscle cells // Cell Stress Chaperones. – 2019. – Vol. 24, No. 6. – P. 1175–1185. DOI: 10.1007/s12192-019-01039-2

23. Bayrak S., Aktaş S., Altun Z., Çakir Y., Tütüncü M., Kum Özşengezer S., Yilmaz O., Olgun N. Antioxidant effect of acetyl-l-carnitine against cisplatin-induced cardiotoxicity // J Int Med Res. – 2020. – Vol. 48, No. 8. – P. 300060520951393. DOI: 10.1177/0300060520951393

24. Förstermann U., Xia N., Li H. Roles of vascular oxidative stress and nitric oxide in the pathogenesis of atherosclerosis // Circ Res. – 2017. – Vol. 120, No. 4. – P. 713–735. DOI: 10.1161/CIRCRESAHA.116.309326

25. Esterbauer H., Eckl P., Ortner A. Possible mutagens derived from lipids and lipid precursors // Mutat Res. – 1990. – Vol. 238, No. 3. – P. 223–233. DOI: 10.1016/0165-1110(90)90014-3

26. Esterbauer H., Schaur R.J., Zollner H. Chemistry and biochemistry of 4-hydroxynonenal, malonaldehyde and related aldehydes // Free Radic Biol Med. – 1991. – Vol. 11, No. 1. – P. 81–128. DOI: 10.1016/0891-5849(91)90192-6

27. Weismann D., Binder C.J. The innate immune response to products of phospholipid peroxidation // Biochim Biophys Acta. – 2012. – Vol. 1818, No. 10. – P. 2465–2475. DOI: 10.1016/j.bbamem.2012.01.018

28. Liebetrau C., Nef H.M., Dörr O., Gaede L., Hoffmann J., Hahnel A., Rolf A., Troidl C., Lackner K.J., Keller T., Hamm С.W., Möllmann H. Release kinetics of early ischaemic biomarkers in a clinical model of acute myocardial infarction // Heart. – 2014. – Vol. 100. – P. 652–657. DOI: 10.1136/heartjnl-2013-305253

29. Vupputuri A., Sekhar S., Krishnan S., Venugopal K., Natarajan K.U. Heart-type fatty acid-binding protein (H-FABP) as an early diagnostic biomarker in patients with acute chest pain // Indian Heart J. – 2015. – Vol. 67, No. 6. – P. 538–542. DOI: 10.1016/j.ihj.2015.06.035

30. Collet J.P., Thiele H., Barbato E., Barthelemy O., Bauersachs J., Bhatt D.L., Dendale P., Dorobantu M., Edvardsen T., Folliguet T., Gale C.P., Gilard M., Jobs A., Juni P., Lambrinou E., Lewis B.S., Mehilli J., Meliga E., Merkely B., Mueller C., Roffi M., Rutten F.H., Sibbing D., Siontis G.C.M.; ESC Scientific Document Group. 2020 ESC Guidelines for the management of acute coronary syndromes in patients presenting without persistent ST-segment elevation // Eur Heart J. – 2021. – Vol. 42, No. 14. – P. 1289–1367. DOI: 10.1093/eurheartj/ehaa575

31. Li K., Li Y., Shelton J.M., Richardson J.A., Spencer E., Chen Z.J., Wang X., Williams R.S. Cytochrome c deficiency causes embryonic lethality and attenuates stress-induced apoptosis // Cell. – 2000. – Vol. 101, No. 4. – P. 389–399. DOI: 10.1016/s0092-8674, No. 00)80849-1

32. Kulikov A.V., Shilov E.S., Mufazalov I.A., Gogvadze V., Nedospasov S.A., Zhivotovsky B. Cytochrome C: the Achilles’ heel in apoptosis // Cell Mol Life Sci. – 2012. – Vol. 69, No. 11. – P. 1787–1797. DOI: 10.1007/s00018-011-0895-z

33. Strobel H.W., Dignam J.D., Gum J.R. NADPH cytochrome P-450 reductase and its role in the mixed function oxidase reaction // Pharmacol Ther. – 1980. – Vol. 8, No. 3. – P. 525–537. DOI: 10.1016/0163-7258(80)90075-3

34. Olejnickova V., Novakova M., Provaznik I. Isolated heart models: cardiovascular system studies and technological advances // Med Biol Eng Comput. – 2015. – Vol. 53, No. 7. – P. 669–678. DOI: 10.1007/s11517-015-1270-2

35. Senokosova E.A., Krutitskiy S.S., Velikanova E.A., Tsepokina A.V., Kuzmina A.A., Tretjak V.M., Denisova S.V., Gruzdeva O.V., Antonova L.V., Grigoriev E.V. Ability of N(2)-L-alanyl-L-glutamine to restore the function of ischemic myocard // Complex Issues of Cardiovascular Diseases. – 2017. – No. 1. – P. 44–50. DOI: 10.17802/2306-1278-2017-1-44-50

36. Firsov A.M., Kotova E.A., Orlov V.N., Antonenko Y.N., Skulachev V.P. A mitochondria-targeted antioxidant can inhibit peroxidase activity of cytochrome c by detachment of the protein from liposomes // FEBS Lett. – 2016. – Vol. 590, No. 17. – P. 2836–2843. DOI: 10.1002/1873-3468.12319

37. Bakeeva L.E., Barskov I.V., Egorov M.V., Isaev N.K., Kapelko V.I., Kazachenko A.V., Kirpatovsky V.I., Kozlovsky S.V., Lakomkin V.L., Levina S.B., Pisarenko O.I., Plotnikov E.Y., Saprunova V.B., Serebryakova L.I., Skulachev M.V., Stelmashook E.V., Studneva I.M., Tskitishvili O.V., Vasilyeva A.K., Victorov I.V., Zorov D.B., Skulachev V.P. Mitochondria-targeted plastoquinone derivatives as tools to interrupt execution of the aging program. 2. Treatment of some ROS- and age-related diseases (heart arrhythmia, heart infarctions, kidney ischemia, and stroke) // Biochemistry (Mosc). – 2008. – Vol. 73, No. 12. – P. 1288–1299. DOI: 10.1134/s000629790812002x

38. Hamed M., Logan A., Gruszczyk A.V., Beach T.E., James A.M., Dare A.J., Barlow A., Martin J., Georgakopoulos N., Gane A.M., Crick K., Fouto D., Fear C., Thiru S., Dolezalova N., Ferdinand J.R., Clatworthy M.R., Hosgood S.A., Nicholson M.L., Murphy M.P., Saeb-Parsy K. Mitochondria-targeted antioxidant MitoQ ameliorates ischaemia-reperfusion injury in kidney transplantation models // Br J Surg. – 2021. – Vol. 108, No. 9. – P. 1072–1081. DOI: 10.1093/bjs/znab108