Mechanisms of Monoamine Oxidase Involvement in the Development of Hyperbaric Oxygen Seizures

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Hyperbaric oxygen (HBO2) breathing induces generalized tonic and clonic seizures through poorly understood mechanisms. The purpose of the research was to evaluate the mechanisms of involvement of monoamine oxidase (MAO) in the development of hyperbaric oxygen convulsions. In rats placed in a pressure chamber under an oxygen pressure of 5 ATA, convulsive reactions were analyzed after the administration of pyrazidol, a MAO-A inhibitor, and pargyline, a MAO-B inhibitor. Studies have shown a decrease in the activity of MAO isoforms in HBO2 as well as a delay in the development of seizures in animals with inhibition of MAO-A and MAO-B. The level of GABA in the brain decreased with HBO2, and inhibition of MAO-B with pargyline prevented the decrease in the inhibitory transmitter. The results indicate that MAO isoforms play an important role in regulating epileptogenesis in extreme hyperoxia. Hyperbaric oxygen, inhibiting the catalytic activity of MAO by transforming its molecular structure, leads to disruption of the regulation of the exchange of monoamine neurotransmitters and a decrease in the level of GABA in the brain, which together leads to an imbalance of excitation/inhibition processes in the central nervous system, which is the basis for the development of oxygen epilepsy.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Дыхание кислородом под давлением (гипербарический кислород, ГБО2) используется в оксигенобаротерапии для лечения многих заболеваний, а также акванавтами и водолазами для выполнения различных экономических и военных задач. Несмотря на относительную безопасность, использование сжатого кислорода сопряжено с риском его токсического действия на ЦНС, которое проявляется в виде эпилептиформных паттернов на электроэнцефалограмме (ЭЭГ) и тонико-клонических моторных судорог, напоминающих генерализованный эпилептический припадок. Многолетние исследования судорожной активности мозга в ГБО2, получившей название «кислородная эпилепсия» [1], до сих пор не привели к пониманию ее патогенеза. Одним из признаков развития гипероксических судорог является высокая активность периферического отдела симпатической нервной системы, которая сопровождается острой гипертензией с нарушением сердечной и легочной функций [2–4]. Гиперактивность симпатической нервной системы в ГБО2 предшествует появлению судорог, что допускает их причинно-следственную связь. Адренорецепторы головного мозга, как часть центральной адренергической системы, причастны в гиперактивации симпатической нервной системы и влияют на развитие гипербарических кислородных судорог. Доказательством этому служит тот факт, что введение в мозговой желудочек крысы неселективных и селективных антагонистов α- и β-норадренорецепторов (пропранолол, атенолол, фентоламин и празозин), модифицирует сердечно-сосудистые реакции, а пропранолол, кроме того, эффективно предотвращает развитие судорожного синдрома, увеличивая более чем в 2 раза латентный период появления гипероксических судорог [4–5]. Совокупность представленных данных позволяет высказать предположение об участии норадренергической системы в развитии судорожной активности мозга при дыхании гипербарическим кислородом.

Ключевая роль в функционировании норадренергической передачи в мозге принадлежит моноаминоксидазе (МАО), которая осуществляет катаболизм моноаминовых нейромедиаторов посредством их окислительного дезаминирования. МАО поддерживает постоянство концентраций эндогенных моноаминов синаптической передачи в головном мозге. Локализованная в митохондриях, МАО существует в двух функциональных формах: МАО-А и МАО-Б. По своему строению обе изоформы белка сходны между собой, их аминокислотные последовательности совпадают примерно на 70%. Оба типа МАО в большом количестве найдены в нейронах и глиальных клетках головного мозга. Изоформы МАО различаются по своим функциям, каждая из них проявляет преимущественное сродство к субстратам и специфичность к ингибиторам [6–7]. По отношению к биогенным аминам, МАО-А предпочтительно метаболизирует серотонин, норадреналин и адреналин, тогда как МАО-Б преимущественно дезаминирует фенилэтиламин. Дофамин рассматривается как смешанный субстрат, который окисляется с помощью МАО-А в мозге крыс, но с участием МАО-Б в мозге человека [8].

Предположение о причастности МАО к ГБО2-опосредованным судорогам высказывалась ранее и при этом рассматривались три потенциальных механизма вовлечения фермента в развитие судорожного процесса. Согласно этим гипотетическим механизмам, МАО вовлекается в развитие гипероксических судорог за счет: (а) повышения содержания в мозге перекиси водорода, являющейся конечным продуктом дезаминирования моноаминовых нейромедиаторов и обладающей просудорожным действием [9]; (б) МАО-опосредованных изменений уровня катехоламинов в мозге, приводящих к нарушениями нервной передачи, проявляющейся в активации периферического и центрального отделов адренергической системы в ГБО2 [4, 10]; (в) влияния МАО на метаболизм ГАМК [11–12]. Все названные механизмы вовлечения МАО в развитие ГБО2-опосредованных судорог обосновывались косвенными данными и их валидность до сих пор остается недоказанной.

Целью настоящей работы являлся экспериментальный анализ трех вышеизложенных потенциальных механизмов вовлечения МАО в развитие гипероксических судорог. В рамках поставленной цели оценивали каталитическую активность двух изоформ МАО при введении пиразидола и паргилина, а также динамику мозговой ГАМК у животных в барокамере под давлением 5 АТА. Пиразидол (пирлиндол) является селективным обратимым ингибитором МАО-А. Активность этой изоформы фермента восстанавливается в течение нескольких часов после использования ингибитора. Пиразидол ингибирует активность МАО-А и блокирует пути метаболического разрушения нейромедиаторов норадренергической системы мозга, что препятствует нормальной терминации их медиаторного действия и ведет к возрастанию функциональной активности симпатоадреналовой системы [13]. Паргилин является необратимым селективным ингибитором МАО-Б (IC50 для МАО-А составляет 0.01152 мкмоль/л, а для МАО-Б — 0.00820 мкмоль/л). МАО-Б преимущественно дезаминирует фенилэтиламин, но принимает также участие в окислительном дезаминировании катехоламинов, таких, как норадреналин и дофамин, в пресинаптических нервных окончаниях. Ингибируя катаболизм этих биогенных аминов в головном мозге, паргилин увеличивает их синаптическую концентрацию и связывание с постсинаптическими рецепторами.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В опытах использовали крыс линии Wistar массой 265–295 г, закупленных в питомнике лабораторных животных «Рапполово» (Всеволожский район, Ленинградская область).

Эксперименты выполнены на бодрствующих и наркотизированных животных в барокамере, заполненной кислородом под давлением 5 АТА (атмосфер абсолютных). В первой серии опытов использовали интактных (не оперированных) крыс, которым за 30 мин до компрессии кислородом вводили внутрибрюшинно физиологический раствор (контрольная группа), пиразидол (Фармстандарт-Лексредства, Москва, Россия) в дозе 10, 25, 100 мг/кг или паргилин (Pargyline hydrochloride, Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA) в дозе 25 мг/кг. Препараты растворяли в физиологическом растворе и вводили в объеме 1.0 мл на животное. Через 30 мин после инъекции крыс помещали в кислородную барокамеру объемом 100 литров по четыре животных в каждом опыте. Повышение давления кислорода в камере до 5 АТА в опытах осуществляли со скоростью 1 АТА/мин. Температуру в камере поддерживали в пределах 23–25°С, влажность около 60%, содержание СО2 не превышало 0.05%. Экспозиция крыс в ГБО2 продолжалась до появления выраженных тонических или клонических судорог, а при их отсутствии — максимально до 90 мин.

У интактных животных после 4-минутной декомпрессии извлекали головной мозг, согласно утвержденному протоколу, выделяли теменную кору, стриатум и гипоталамус, в которых измеряли активность моноаминоксидазы. Для этого использовали фрагменты митохондриальных мембран каждого из трех отделов головного мозга крыс, частично очищенных от балластного белка посредством их экстракции в 0.0075 М калий-фосфатном буфере, рН = 7.4. Содержание белка в ферментных препаратах определяли по методу Лоури [14]. Активность МАО определяли спектрофотометрическим методом при длине волны 440 нм по количеству аммиака, образующегося в результате ферментативной реакции окислительного дезаминирования субстрата (норадреналина), по модифицированному методу Конвея с последующей несслеризацией [15–16]. Анализируемые пробы (конечный объем 2.5 мл) содержали 1 мг/мл митохондриального белка, 0.01 М фосфатного буфера, рН = 7.4 и норадреналина гидротартрата в форме моногидрата (концентрации 4.010–4 М). В опытах с введением паргилина (25 мг/кг) активность МАО определяли в теменной коре крыс аналогичным предыдущему методом, используя спектрофотометрическое измерение активности фермента по количеству аммиака, образующегося в результате дезаминирования субстрата (норадреналин) и подробно изложенного в работе [17].

Во второй серии опытов использовали крыс, которым под наркозом (в расчете на 100 гр. массы животного): золетил 0.3 мг в/м, ксилазин 0.8 мг в/м, атропина сульфат 0.1 % раствор — 0.01 мл п/к, в стриатум мозга имплантировали платиновые электроды диаметров 150 мкм согласно стереотаксическим координатам (АР = + 1.0 мм, L = 2.5 мм, D = 6.7 мм) по атласу [18]. Платиновые электроды использовались для измерений кровотока методом водородного клиренса [19]. Через 7 дней после операции, животным за 30 мин до кислородной экспозиции внутрибрюшинно вводили физраствор (контрольная группа), пиразидол (25 мг/кг) или паргилин (25 мг/кг). Через 30 мин после инъекции крыс помещали в кислородную барокамеру объемом 100 литров по одному оперированному животному в каждом опыте. Параметры ГБО2-экспозиции были такими же, как и в первой серии опытов. Экспозиция крыс в ГБО2 продолжалась до появления выраженных тонико-клонических судорог, а при их отсутствии — максимально до 90 мин.

В третьей серии опытов измеряли содержание внеклеточной ГАМК в стриатуме крыс, находящихся в барокамере под давлением кислорода 5 АТА. Для этого наркотизированным животным (уретан 750 мг/кг + хлоралоза 250 мг/кг, внутрибрюшинно) в стриатум (координаты такие же, как для измерения кровотока) вводили микродиализные канюли (CMA/11, CMA/Microdialysis AB, Швеция). Во время ГБО2-экспозиции канюли перфузировали искусственным ликвором со скоростью 1.0 мкл/мин, а пробы диализата обьемом 15 мкл автоматически отбирали каждые 15 мин (CMA 142 Microfraction Collector, AB, Швеция). Биоэлектрическую активность коры мозга (ЭКоГ) у наркотизированных животных в ГБО2 регистрировали с помощью винтов из нержавеющей стали диаметром 2.4 мм. Один винт вводили через отверстие в теменной кости черепа до соприкосновения с твердой мозговой оболочкой, а другой, индифферентный, — в лобную пазуху. Для регистрации ЭКоГ использовали измерительный комплекс с вычислением спектральных характеристик биоэлектрического процесса (LabView 2, iWORK, CA, США. Появление судорожной активности мозга оценивали по наличию повторяющихся комплексных спайков.

Измерения ГАМК в пробах диализата проводили с помощью высокопроизводительной жидкостной хроматографии (HPLC) с электрохимической детекцией ГАМК в диализате (ESA model 5100A). Содержание ГАМК в пробах диализата определяли в мкмоль/л по калибровочным стандартам. Параметры ГБО2-экспозиции были такими же, как и в двух первых сериях опытов.

Всего в исследованиях было использовано 75 животных, разделенных на 12 групп. В первой серии опытов использовано 42 крыс, разделенных на 6 групп. Животных первой группы (n = 7) с интактной МАО подвергали действию гипербарического кислорода 5 АТА после внутрибрюшинного введения физраствора (контрольная группа). За 30 мин до ГБО2-экспозиции крысам второй (n = 7), третьей (n = 7) и четвертой групп (n = 7) внутрибрюшинно вводили пиразидол в дозах 10, 25 и 100 мг/кг соответственно, а животным пятой группы (n = 7) вводили паргилин в дозе 25 мг/кг. Крысам шестой группы (n = 7) вводили пропранолол (5 мг/кг) с последующей экспозицией под давлением кислорода 5 АТА.

Во второй серии опытов с вживленными электродами использовали 21 животное, разделенные на 3 группы. Кровоток в стриатуме под давлением кислорода 5 АТА измеряли без введения препаратов (группа 7, n = 7), а в группах 8 (n = 7) и 9 (n = 7) после введения пиразидола в дозе 25 мг/кг и паргилина в дозе 25 мг/кг, соответственно, с последующей экспозицией в ГБО2.

В третьей серии опытов использовано 12 животных, у которых ГАМК в стриатуме измеряли при дыхании воздухом в течении 75 мин (группа 10, n = 3), в барокамере под давлением кислорода 5 АТА (группа 11, n = 4) и в группе крыс (группа 12, n = 5), которым за 30 мин до ГБО2-экспозиции внутрибрюшинно вводили паргилин (25 мг/кг).

Для статистического анализа с применением программы SigmaPlot 13.0 (Systat Software, Inc., San Jose, CШA) использовали значения латентного периода появления гипероксических судорог, а также величины каталитической активности МАО и мозгового кровотока. Однофакторный дисперсионный анализ применяли для сравнения латентных периодов судорожных реакций у животных первой серии опытов. Двухфакторный дисперсионный анализ использовали для определения эффектов ГБО2 и МАО-ингибиторов на мозговой кровоток. Для выявления достоверности отличий использовали парный t–критерий с поправкой Бонферрони для множественных сравнений. Все данные представлены как М ± SЕМ, статистически значимые изменения принимались при уровне р < 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Моторные проявления гипероксических судорог

У животных, которым не вводили препараты, в период ГБО2 появлялись характерные двигательные нарушения, разделенные нами на 4 стадии в соответствии с известной шкалой интенсивности судорожной активности [20]. В первые 10–15 мин гипероксической экспозиции животные оставались неподвижными, затем у них появлялся интенсивный груминг, единичные встряхивания головы и передних лап (стадия 1). Стадия 2 характеризовалась усиливающимися сокращениями мышц головы и передних конечностей продолжительностью 3–15 сек с последующим повторением. На стадии 3 у животных появлялись сокращения мышц всего тела продолжительностью до 20 сек, при этом животные вставали на задние лапы и пятились назад. На стадии 4 у крыс развивались генерализованные клонические или тонические судороги, которые сопровождались острыми нарушениями сердечной деятельности и внешнего дыхания.

Стадийное развитие судорожного синдрома в ГБО2 сохранялось у животных, которым предварительно вводили пиразидол или паргилин. При введении пиразидола в дозе 10, 25 и 100 мг/кг латентный период развития 4-й стадии судорожного синдрома максимально удлинялся по сравнению с таковым для контрольных животных при дозе 25 мг/кг (рис. 1а). Паргилин в дозе 25 мг/кг также статистически значимо увеличивал время появления судорог по сравнению с контрольной группой животных. Противосудорожная активность обоих ингибиторов, введенных в равных дозах, была одинаковой. Введение пропранолола максимально предотвращало развитие гипербарических кислородных судорог (рис. 1b).

 

Рис. 1. Латентный период развития 4-й стадии судорог у крыс при дыхании кислородом под давлением 5 АТА после введения ингибиторов МАО: (a) — после введения различных доз пиразидола (мг/кг), * p < 0.05 по отношению к контролю (введение физраствора); (b) –при введении пиразидола (25 мг/кг), паргилина (25 мг/кг), пропранолола (5 мг/кг). * p < 0.05 по отношению к ГБО2, # p < 0.05 по отношению к пиразидолу и паргилину

 

Влияние пиразидола и паргилина на активность МАО

У контрольной группы крыс кислород под давлением 5 АТА достоверно понижал активность МАО (субстрат норадреналин) в коре и гипоталамусе, но повышал в стриатуме. У животных с предварительным введением пиразидола в дозе 10 или 25 мг/кг и последующей экспозицией в ГБО2 было выявлено дальнейшее снижение активности МАО во всех трёх структурах (р < 0.05). При увеличении дозы препарата до 100 мг/кг отмечали снижение активности МАО в коре, тогда как в стриатуме и гипоталамусе активность фермента уменьшалась недостоверно по отношению к значениям, измеренным при дыхании воздухом (рис. 2). Активность МАО в теменной коре крыс при введении паргилина и экспозиции животных в кислороде под давлением 5 АТА понижалась примерно на 30% и составляла в среднем 69 ± 4.8% по отношению к контролю.

 

Рис. 2. Изменение активности МАО в структурах мозга крыс после их экспозиции в гипербарическом кислороде под давлением 5 АТА с предварительным введением различных доз пиразидола. *р < 0.05 по отношению к активности МАО при дыхании воздухом (пунктирная линия)

 

Мозговой кровоток при ингибировании МАО

Абсолютная величина кровотока в стриатуме головного мозга крыс при дыхании воздухом составляла 81 ± 6.3 мл/мин/100 г мозга. Введение пиразидола этим животным вызывало понижение кровотока в стриатуме на 5–13 % в ходе 60-минутных измерений. Во время ГБО2-экспозиции наблюдались фазные изменения кровотока в стриатуме: понижение в первые 30 мин с последующим повышением перед появлением генерализованных судорог (рис. 3). В группе животных, которым вводили пиразидол в дозе 25 мг/кг с последующей экспозицией в барокамере под повышенным давлением кислорода, наблюдалась только первая фаза снижения кровотока, а церебральная гиперемия не проявлялась. Предварительное введение паргилина в дозе 25 мг/кг также предотвращало развитие гиперемии в мозге животных во время ГБО2-экспозиции (рис. 3).

 

Рис. 3. Изменение кровотока в стриатуме крыс при дыхании кислородом под давлением 5 АТА после введения паргилина (25 мг/кг) и пиразидола (25 мг/кг). *р < 0.05 по отношению к кровотоку при дыхании воздухом (пунктирная линия)

 

У наркотизированных животных моторных судорожных проявлений в ГБО2 не наблюдалось, но на ЭКоГ появлялись повторяющиеся эпилептиформные спайки через 67 ± 7.7 мин после начала кислородной экспозиции при давлении 5 АТА. Относительные значения мощностей для дельта- и тета-частотных диапазонов ЭКог возрастали на 35 и 78 % соответственно по отношению к контрольным величинам.

Концентрация ГАМК в стриатуме наркотизированных крыс при дыхании атмосферным воздухом составляла 0.073 ± 0.068 мкмоль/л. Контрольный уровень ГАМК сохранялся на протяжении 75 мин измерений. У животных в ГБО2 с интактной МАО уровень ГАМК постепенно понижался, достигая величины 42 ± 8.3% от контрольного значения при дыхании воздухом. После внутрибрюшинного введения крысам паргилина в дозе 25 мг/кг с последующей их экспозицией в ГБО2 уровень внеклеточной ГАМК в стриатуме приближался к значениям, полученным при дыхании воздухом (рис. 4).

 

Рис. 4. Влияние иигибирования МАО-В с помощью паргилина (25 мг/кг) на содержание ГАМК в стриатуме крыс при дыхании гипербарическим кислородом. *р < 0.05 по отношению к значениям ГАМК при дыхании воздухом (пунктирная линия)

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В настоящей работе получены новые данные, указывающие на причастность МАО к развитию судорожной активности головного мозга в условиях гипербарической гипероксии. В частности, установлено, что дыхание кислородом под давлением 5 АТА приводило к развитию судорог и разнонаправленным изменениям активности МАО в мозге крыс: достоверному снижение в коре и гипоталамусе, и повышению в стриатуме. Далее, при ингибировании МАО-А с помощью пиразидола или МАО-В с помощью паргилина активность фермента понижалась во всех исследуемых мозговых структурах, а развитие судорог заметно ослаблялось. И еще, у животных в ГБО2 мозговая ГАМК понижалась, а при ингибировании МАО с помощью паргилина внеклеточная ГАМК в стриатуме оставалась на уровне контрольных значений.

Полученные результаты позволяют провести валидацию обсуждаемых в литературе механизмов вовлечения МАО в развитие ГБО2-опосредованной судорожной активности головного мозга. Один их таких механизмов связывается с изменениями активности МАО в гипероксической среде. Выявленное в настоящей работе понижение активности фермента в коре и гипоталамусе после пребывания животных в ГБО2 согласуется с результатами другого исследования, показавшего понижение активности МАО в митохондриальной фракции целого мозга крыс после их экспозиции в гипербарическом кислороде [11]. Вместе с тем, в настоящей работе одновременно со снижением активности МАО выявлено повышение каталитических свойств фермента в стриатуме мозга крыс после их пребывания в гипероксической среде под давлением 5 АТА. Основываясь на этих данных логично допустить, что появление гипероксических судорог зависит от направленности изменений активности МАО в определенных мозговых структурах. Системное ингибирование фермента с помощью пиразидола или паргилина перед ГБО2-экспозицией приводило к понижению активности МАО во всех исследуемых структурах мозга и замедляло появление судорог, Это означает, что умеренное снижение активности МАО в ГБО2 напрямую не является причиной развития гипероксических судорог или, по меньшей мере, пониженного уровня активности фермента недостаточно для их развития. При этом следует отметить, что противосудорожные эффекты пиразидола и паргилина одинаковы, когда ингибиторы сравнивались в равных дозах, а для оценки активности фермента в обоих случаях использовали норадреналин. Это указывает на то, что в норадренергической системе мозга существуют разные мишени для подавления или предупреждения гипербарических кислородных судорог. Доказательством этому служит тот факт, что противосудорожное действие пропранолола в наших опытах оказалось значительно сильнее, чем у двух ингибиторов МАО (рис. 1).

Другим, обсуждаемым в литературе, механизмом вовлечения МАО в развитие гипероксических судорог является возможное участие в их патогенезе перекиси водорода и аммиака — конечных продуктов окислительного дезаминирования моноаминов [21]. Действительно, уровень Н2О2 в головном мозге повышается в условиях гипербарической гипероксии [9, 22]. Однако причастность МАО к увеличению внеклеточного уровня Н2О2 неочевидна, так как по нашим данным и результатам других исследований [11] каталитическая активность фермента подавляется в гипербарической гипероксии, а значит и уровень конечных продуктов дезаминирования нейромедиаторов должен понижаться. Выявленное повышение уровня экстраклеточной Н2О2 в мозге [9, 22], вероятнее всего, связано с биотрансформацией супероксидных анионов, генерация которых в условиях гипероксии значительно усиливается [23–25].

Следующим потенциальным механизмом участия МАО в развитии гипероксических судорог может быть усиление функции адренергической системы в мозге за счет повышения уровня катехоламинов [26]. В настоящей работе мы не измеряли уровень мозгового норадреналина, но, используя его в качестве субстрата для определения активности МАО в мозге, получили результаты, предполагающие повышение уровня катехоламинов, по меньшей мере в коре и гипоталамусе. Если ингибирование МАО ведет к повышению уровня норадреналина, то это может приводить к возрастанию функциональной активности адренергической системы в мозге и, в целом, к гиперактивации всей симпатоадреналовой системы [27, 28]. Подтверждением этому является усиление симпатической активности и повышение содержания норадреналина в плазме крови крыс, у которых наблюдались судороги в гипероксии под давлением 5 АТА [29]. Просудорожное действие норадреналина показано и на других экспериментальных моделях эпилепсии [27].

Косвенным доказательством причастности норадреналина к развитию судорог является противосудорожное действие блокаторов нораденергических рецепторов в мозге [4]. Так как норадренергическая система оказывает тормозящее действие на функцию ГАМК-ергических нейронов мозга, повышение ее активности может приводить к растормаживанию и усилению процессов возбуждения в центральной нервной системе и, как следствие, к возникновению у животных судорожной активности. Однако следует отметить, что блокада не всех типов адренорецепторов приводит к противосудорожному эффекту. В частности, малоэффективным противосудорожным эффектом обладал фентоламин — неселективный блокатор α1- и α2- рецепторов, а прозазин — селективный блокатор α1 вообще не оказывал действия на развитие судорог у крыс в гипербарическом кислороде [5]. Важно также отметить, что ингибирование обеих изоформ моноаминоксидазы приводило к увеличению внеклеточной концентрации дофамина и 3-метокситирамина при нормобарической гипероксии [30]. В больших концентрациях дофамин стимулирует α- и β-адренорецепторы и это действие связано с его способностью высвобождать норадреналин из гранулярных пресинаптических депо, то есть оказывать непрямое адреномиметическое действие [31].

При существовании множества доказательств активации норадренергической системы в генезе гипербарических кислородных судорог, имеются данные о дефиците норадреналина, приводящем к развитию эпилептических судорог. Так. из клиники известно о снижение уровня норадреналина у пациентов с височной эпилепсией [32]. В настоящей работе выявлено повышение активности МАО в стриатуме крыс при их экспозиции в ГБО2. Можно предположить, что следствием активации фермента в стриатуме может быть снижение уровня норадреналина в этой структуре. Однако из-за отсутствия прямых его измерений, как в настоящей работе, так в других исследованиях, не представляется возможным однозначно считать причиной развития кислородных судорог понижение уровня этого нейромедиатора в стриатуме. Следует лишь упомянуть, что снижение уровня другого катехоламина — дофамина в стриатуме наблюдалось у крыс во время их экспозиции в гипербарическом кислороде [33]. При всей привлекательности гипотезы о вовлечении катехоламинов в развитие гипероксических судорог, результаты настоящей работы являются косвенным доказательством участия МАО в нарушении норадренергической передачи, приводящем к судорожному синдрому. До сих пор неизвестны ни уровень катехоламинов, ни их динамика в разных структурах мозга при развитии патологической реакции на экстремальную гипероксию.

Еще один потенциальный механизм вовлечения МАО в развитие кислородных судорог может базироваться на том, что подавление каталитической активности МАО в ГБО2 сопровождается появлением качественно новых реакций дезаминирования азотистых соединений, не относящихся к моноаминам. Некоторые аминокислоты, такие, как лизин и ГАМК, являются субстратами для химически модифицированной МАО [34]. Качественная модификация мембраносвязанного МАО обычно наблюдается в экспериментальных условиях, вызывающих стимуляцию перекисного окисления липидов (ПОЛ) в биомембранах и окисление SH-групп в составе фермента-белка [12]. Условия экстремальной гипероксии являются идеальными для биотрансформации МАО, так как характеризуются выраженными реакциями ПОЛ, окислением или S-нитрозилированием различных белков, в том числе и ферментов [35]. Результаты исследований подтверждают ранее полученные данные [11] и гипотезу о том, что трансформированная в гипероксии МАО дезаминирует ГАМК, что приводит к снижению ее внеклеточного содержания и развитию судорог. В наших опытах паргилин, ингибируя МАО, ослабляет скорость дезаминирования ГАМК и поддерживает ее на уровне, достаточном для противодействия развитию гипероксических судорог.

Таким образом, валидация предполагаемых механизмов вовлечения МАО в развитие гипербарических кислородных судорог свидетельствует о том, что МАО играет важную роль в регулировании эпилептогенеза в экстремальной гипероксии. Гипербарический кислород, ингибируя каталитическую активность МАО путем трансформации ее молекулярной структуры, приводит к нарушению регуляции обмена моноаминовых нейротрансмиттеров и понижению уровня ГАМК в мозге, что в совокупности ведет к дисбалансу процессов возбуждения/торможения в ЦНС, приводящему к развитию кислородной эпилепсии.

ВКЛАДЫ АВТОРОВ

Идея работы и дизайн эксперимента (И.Т.Д.), постановка экспериментов (С.Ю.Ж., Т.Ф.П., И.Н.Б.), сбор данных (С.Ю.Ж., Т.Ф.П., Н.А.Г., И.Н.Б., О.С.А.), обработка данных (И.Т.Д., С.Ю.Ж., Н.А.Г., И.Н.Б., О.С.А.), написание и редактирование текста (И.Т.Д., О.С.А., С.Ю.Ж., Н.А.Г.).

ИСТОЧНИКИ ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена в рамках государственного задания ИЭФБ РАН (рег. № 075-00264-24-00).

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Все применимые международные, национальные и/или институциональные принципы ухода и использования животных были соблюдены. Все процедуры, выполненные в исследованиях с участием животных, соответствовали этическим стандартам, утвержденным правовыми актами РФ, принципам Базельской декларации и рекомендациям Комиссии по биоэтике ИЭФБ РАН (протокол № 1-12/2022 от 27.01.2022 г.).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

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

×

About the authors

S. Yu. Zhilyaev

Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: osa72@inbox.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

I. N. Basova

Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: osa72@inbox.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

T. F. Platonova

Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: osa72@inbox.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

O. S. Alekseeva

Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: osa72@inbox.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

N. A. Gavrisheva

Pavlov First Saint Petersburg State Medical University

Email: osa72@inbox.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

I. T. Demchenko

Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: osa72@inbox.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Зальцман ГЛ (1968) Стадии развития кислородной эпилепсии и функциональное состояние нервной системы. В кн. Гипербарические эпилепсия и наркоз. Л. Наука. С. 129–136. [Zal’tsman GL (1968) Stages of formation of oxygen-induced epilepsy and the functional state of the nervous system. In: Hyperbaric Epilepsy and Narcosis: Neurophysiological Studies (in Russion with English abstracts). Zal’tsman GL (ed.). Nauka. Leningrad, pp. 129–136.]
  2. Bean JW, Zee D, Thom B (1966) Pulmonary changes with convulsions induced by drugs and oxygen at high pressure. J Appl Physiol 21(3): 865–872. https://doi.org/10.1152/jappl.1966.21.3.865
  3. Dean JB, Mulkey DK, Henderson RA 3rd, Potter SJ, Putnam RW (2004) Hyperoxia, reactive oxygen species, and hyperventilation: oxygen sensitivity of brain stem neurons. J Appl Physiol (1985) 96(2): 784–791. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00892.2003
  4. Gasier HG, Demchenko IT, Zhilyaev SY, Moskvin AN, Krivchenko AI, Piantadosi CA (2018) Adrenoceptor blockade modifies regional cerebral blood flow responses to hyperbaric hyperoxia: protection against CNS oxygen toxicity. J Appl Physiol (1985) 125(4): 1296–1304. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00540.2018
  5. Platonova TF, Alekseeva OS, Nikitina ER, Demchenko IT (2020) Blockade of Brain Adrenoreceptors Delays Seizure Development during Hyperbaric Oxygen Breathing. J Evol Biochem Phys 56(5): 425–433. https://doi.org/10.1134/S0022093020050051
  6. Glover V, Gibb C, Sandler M (1986) The role of MAO in MPTP toxicity. J Neural Transm Suppl 20: 65–76.
  7. Knoll J (1978) On the dual nature of monoamine oxidase. Horiz Biochem Biophys 5: 37–64.
  8. Magyar K (1993) Pharmacology of monoamine oxidase type B inhibitors. In: Inhibitors of Monoamine Oxidase B. Pharmacology and Clinical Use in Neurodegenerative Disorders (ed. Szelenyi I) Birkhauser, Basel 125–143.
  9. Yusa T, Beckman JS, Crapo JD, Freeman BA (1987) Hyperoxia increases H2O2 production by brain in vivo. J Appl Physiol (1985) 63(1): 353–358. https://doi.org/10.1152/jappl.1987.63.1.353.PMID: 362413
  10. Demchenko IT, Zhilyaev SY, Moskvin AN, Piantadosi CA, Allen BW (2010) Autonomic activation links CNS oxygen toxicity to acute cardiogenic pulmonary injury. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 300(1): L102–111. https://doi.org/10.1152/ajplung.00178.2010
  11. Горошинская ИА, Кричевская АА, Шугалей ВС, Шерстнев КБ, Баламирзоева РМ (1986) Активность моноаминоксидазы и уровень гамма-аминомасляной кислоты при гипероксии, влияние хлоргилина. Вопросы медицинской химии 32(2): 76–79. [Goroshinskaia IA, Krichevskaia AA, Shugaleĭ VS, Sherstnev KB, Balamirzoeva RM (1986) Monoamine oxidase activity and gamma-aminobutyric acid levels in hyperoxia. The effect of clorgyline. Vopr Med Khim 32(2): 76–79.]
  12. Medvedev AE, Rajgorodskaya DI, Gorkin VZ, Fedotova IB, Semiokhina AF (1992) The role of lipid peroxidation in the possible involvement of membrane-bound monoamine oxidases in gamma-aminobutyric acid and glucosamine deamination in rat brain. Focus on chemical pathogenesis of experimental audiogenic epilepsy. Mol Chem Neuropathol 16(1–2): 187–201. https://doi.org/10.1007/BF03159969
  13. Bruhwyler J, Liégeois JF (1997) Pirlindole: a selective reversible inhibitor of monoamine oxidase A. A review of its preclinical properties. Géczy J Pharmacol Res 36(1): 23–33. https://doi.org/10.1006/phrs.1997.0196
  14. Lowry OH, Rosebrough NJ, Farr AL, Randall RJ (1951) Protein measurement with the Folin phenol reagent. J Biol Chem 193(1): 265–275.
  15. Северина ИС (1979) О возможном механизме избирательного торможения хлоргилином и депренилом активности митохондриальной моноаминоксидазы печени крыс. Биохимия 44(2): 195–207. [Severina IS (1979) Possible mechanism of selective inhibition of rat liver mitochondrial monoamine oxidase by chlorgiline and deprenyl. Biokhimiia. 44(2): 195–207. (In Russ)].
  16. Стрелков РБ (1967) К модификации методики изотермической перегонки аммиака. Лабораторное дело. 1: 17–19. [Strelkov RB (1967) On the modification of the method of isothermic sublimation of ammonia. Lab Delo. 1: 17–19. (In Russ)].
  17. Zhang J, Piantadosi CA (1991) Prevention of H2O2 generation by monoamine oxidase protects against CNS O2 toxicity. J Appl Physiol (1985) 71(3): 1057–1061. https://doi.org/10.1152/jappl.1991.71.3.1057
  18. Paxinos G, Watson C (2005) The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. Boston, MA: Elsevier.
  19. Demchenko IT, Luchakov YuI, Moskvin AN, Gutsaeva DR, Allen BW, Thalmann ED, Piantadosi CA (2005) Cerebral blood flow and brainoxygenation in rats breathing oxygen under pressure. J Cereb Blood Flow Metab 25(10): 1288–1300. https://doi.org/10.1038/sj.jcbfm.9600110
  20. Racine RJ (1972) Modification of seizure activity by electrical stimulation. II. Motor seizure. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 32(3): 281–294. https://doi.org/10.1016/0013-4694(72)90177-0
  21. Faiman MD, Nolan RJ, Baxter CF, Dodd DE (1977) Brain gamma-aminobutyric acid, glutamic acid decarboxylase, glutamate, and ammonia in mice during hyperbaric oxygenation. J Neurochem 28(4): 861–865. https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.1977.tb10640.x
  22. Piantadosi CA, Tatro LG (1990) Regional H2O2 concentration in rat brain after hyperoxic convulsions. J Appl Physiol (1985) 69(5): 1761–1766. https://doi.org/10.1152/jappl.1990.69.5.1761
  23. D'Agostino DP, Putnam RW, Dean JB (2007) Superoxide (•O2–) production in CA1 neurons of rat hippocampal slices exposed to graded levels of oxygen. J Neurophysiol 98(2): 1030–1041. https://doi.org/10.1152/jn.01003.2006
  24. Ciarlone GE, Dean JB (2016) Normobaric hyperoxia stimulates superoxide and nitric oxide production in the caudal solitary complex of rat brain slices. Am J Physiol Cell Physiol 311(6): C1014–C1026. https://doi.org/10.1152/ajpcell.00160.2016
  25. Oury TD, Ho YS, Piantadosi CA, Crapo JD (1992) Extracellular superoxide dismutase, nitric oxide, and central nervous system O2 toxicity. Proc Natl Acad Sci U S A 89(20): 9715–9719. https://doi.org/10.1073/pnas.89.20.9715
  26. Arai M, Takata K, Takeda Y, Mizobuchi S, Morita K (2011) The excitement of multiple noradrenergic cell groups in the rat brain related to hyperbaric oxygen seizure. Acta Med Okayama 65(3): 163–168. https://doi.org/10.18926/AMO/46627 PMID: 21709713
  27. Fitzgerald PJ (2010) Is elevated norepinephrine an etiological factor in some cases of epilepsy? Seizure 19(6): 311–318. https://doi.org/10.1016/j.seizure.2010.04.011
  28. Finberg JP (2014) Update on the pharmacology of selective inhibitors of MAO-A and MAO-B: focus on modulation of CNS monoamine neurotransmitter release. Pharmacol Ther 143(2): 133–152. https://doi.org/10.1016/j.pharmthera.2014.02.010
  29. Demchenko IT, Zhilyaev SY, Moskvin AN, Piantadosi CA, Allen BW (2011) Autonomic activation links CNS oxygen toxicity to acute cardiogenic pulmonary injury. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 300(1): L102–111. https://doi.org/10.1152/ajplung.00178.2010
  30. Adachi YU, Watanabe K, Hideyuki Higuchi H, Tetsuo Satoh T, Vizi ES (2001) Oxygen inhalation enhances striatal dopamine metabolism and monoamineoxidase enzyme inhibition prevents it: a microdialysis study. Eur J Pharmacol 422(1-3): 61–68. https://doi.org/10.1016/s0014-2999(01)01074-3
  31. Cho HU, Kim S, Sim J, Yang S, An H, Nam MH, Jang DP, Lee CJ (2021) Redefining differential roles of MAO-A in dopamine degradation and MAO-B in tonic GABA synthesis. Exp Mol Med 53(7): 1148–1158. https://doi.org/10.1038/s12276-021-00646-3
  32. Pacia SV, Doyle WK, Broderick PA (2001) Biogenic amines in the human neocortex in patients with neocortical and mesial temporal lobe epilepsy: identification with in situ microvoltammetry. Brain Res 899(1-2): 106–111. https://doi.org/10.1016/s0006-8993(01)02214-4
  33. Lavoute C, Weiss M, Risso JJ, Rostain JC (2014) Alteration of striatal dopamine levels under various partial pressure of oxygen in pre-convulsive and convulsive phases in freely-moving rats. Neurochem Res 39(2): 287–294. https://doi.org/10.1007/s11064-013-1220-z
  34. Gorkin VZ (1985) Studies on the nature and specific inhibition of monoamine oxidases. In Neuropharmacology 85 (eds. Kelemen K, Magyar K, Vizi ES). Akademiai Kiodo, Budapest 9–14.
  35. Hess DT, Stamler JS (2012) Regulation by S-nitrosylation of protein post-translationalmodification. J Biol Chem 287(7): 4411–4418. https://doi.org/10.1074/jbc.R111.285742

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Latent period of stage 4 seizure development in rats during oxygen breathing at 5 ATA pressure after administration of MAO inhibitors: (a) - after administration of different doses of pyrazidol (mg/kg), * p < 0.05 vs. control (saline injection); (b) - during administration of pyrazidol (25 mg/kg), pargyline (25 mg/kg), propranolol (5 mg/kg). * p < 0.05 with respect to HBO2, # p < 0.05 with respect to pyrazidol and pargyline

Download (23KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Changes in MAO activity in rat brain structures after their exposure in hyperbaric oxygen at a pressure of 5 ATA with preliminary administration of different doses of pyrazidol. *p < 0.05 in relation to MAO activity during air breathing (dotted line)

Download (15KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Changes in blood flow in rat striatum during oxygen breathing at 5 ATA after administration of pargyline (25 mg/kg) and pyrazidol (25 mg/kg). *p < 0.05 in relation to the blood flow during air breathing (dotted line)

Download (15KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Effect of MAO-B inhibition with pargyline (25 mg/kg) on GABA content in rat striatum during hyperbaric oxygen breathing. *p < 0.05 in relation to GABA values during air breathing (dotted line)

Download (12KB)
Indexing metadata

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».