научная статья по теме КРАТКОВРЕМЕННАЯ ГИПОКСИЯ ВЫЗЫВАЕТ СЕЛЕКТИВНУЮ ГИБЕЛЬ ГАМКЕРГИЧЕСКИХ НЕЙРОНОВ Биология

Текст научной статьи на тему «КРАТКОВРЕМЕННАЯ ГИПОКСИЯ ВЫЗЫВАЕТ СЕЛЕКТИВНУЮ ГИБЕЛЬ ГАМКЕРГИЧЕСКИХ НЕЙРОНОВ»

УДК 577.352.465

КРАТКОВРЕМЕННАЯ ГИПОКСИЯ ВЫЗЫВАЕТ СЕЛЕКТИВНУЮ ГИБЕЛЬ

ГАМКергических НЕЙРОНОВ

© 2013 г. М. В. Туровская, Е. А. Туровский, А. В. Кононов, В. П. Зинченко*

Институт биофизики клетки РАН, 142290, Московская обл., Пущино, ул. Институтская, 3;

*электронная почта: vpz@mail.ru Поступила в редакцию 17.05.2013 г.

Известно, что кратковременные эпизоды гипоксии защищают нейроны от гибели при глобальной гипоксии и ишемии (гипоксическое прекондиционирование). Эти же воздействия вызывают пост-гипоксическую гипервозбудимость в период реоксигенации, что может привести к гибели отдельных популяций нейронов, отличающихся повышенной чувствительностью к гипоксии. В настоящей работе сравнили действие кратковременной гипоксии на развитие эффектов прекондициони-рования и постгипоксической гипервозбудимости в двух популяциях нейронов: тормозных ГАМКергических и возбуждающих глутаматергических. Эффект прекондиционирования оценивали по степени подавления активности ММБЛ-рецепторов. Постгипоксическую гипервозбудимость регистрировали по появлению спонтанного синхронного Са2+-спайка в нейрональной сети в период реоксигенации после каждого эпизода гипоксии. Показано, что эффект прекондиционирования развивается только в глутаматергических нейронах и отсутствует в ГАМКергических. Активность ММБЛ-рецепторов в этих нейронах не подавляется, а возрастает после каждого эпизода гипоксии. В момент генерации постгипоксического синхронного Са2+-спайка в части ГАМКергических нейронов происходит глобальное повышение базального уровня Са2+ с последующей их гибелью. Противовоспалительный цитокин интерлейкин-10 (ИЛ-10) препятствует развитию постгипоксической гипервозбудимости, ингибируя спонтанный синхронный Са2+-спайк, и защищает ГАМКергиче-ские нейроны от гибели, восстанавливая в них эффект прекондиционирования. Ингибиторы Р13-киназы — вортманнин и 1У294.002 — препятствуют развитию защитного эффекта ИЛ-10, отменяя ингибирующий эффект ИЛ-10 на генерацию спонтанного синхронного Са2+-спайка. Полученные данные указывают на ведущую роль ГАМКергических нейронов в развитии постгипоксической гипервозбудимости. Предполагается, что возникновение гипервозбудимости в нейрональной сети обусловлено ослаблением тормозного влияния ГАМКергических нейронов. Активация различных сигнальных путей, ведущих к росту фосфорилирования, зависящего от протеинкиназ В и О, в нейронах этого типа является возможной стратегией защиты нервных клеток при гипоксии.

Ключевые слова: гипоксия, гипервозбудимость, Са2+, ММБЛ-рецептор, ГАМКергические нейроны, селективная гибель.

DOI: 10.7868/S0233475513050198

Причиной многих нейродегенеративных процессов в головном мозге является локальная ишемия, развивающаяся вследствие нарушения кровообращения. Чувствительность нейронов центральной нервной системы к депривации кислорода связана с нарушением ионного гомео-стаза клеток и большим количеством высвобождающегося возбуждающего нейротрансмиттера глутамата [1]. Развивающийся при этом продол-

Сокращения: NMDA — N-метил-Д-аспартат; ГАМК — у-аминомасляная кислота; PI3K —фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат-3-киназа; DIV — дни in vitro (days in vitro); U73122 — ингибитор фосфолипазы С; GAD65/67 — глута-матдекарбоксилаза 65/67; АФК — активные формы кислорода; NOS — NO-синтетаза; PLC — фосфолипаза С; IP3 — инозитолтрисфосфат.

жительный вход Са2+ через глутаматные рецепторы-каналы считается ключевым фактором гибели нейронов при ишемии и гипоксии [2, 3].

В отличие от длительной ишемии кратковременные эпизоды гипоксии вызывают противоположный эффект, направленный на защиту клеток от гибели (явление прекондиционирования). В развитии гипоксического прекондиционирования могут принимать участие различные факторы: аденозиновые рецепторы A1 типа [4], ATP-за-висимый калиевый канал [4], NOS [5], HIF [6, 7], NMDA-рецепторы [8] и др. Однако молекулярные механизмы этого типа адаптации клеток в настоящее время изучены недостаточно.

Различными методами показано, что кратковременная гипоксия или ишемия кроме прекон-

диционирования вызывают эффект гипервозбудимости в нейрональной сети in vitro и увеличение активности в различных отделах головного мозга in vivo [9—11]. Установлено, что после каждого эпизода гипоксии и кратковременной аппликации NMDA во время реоксигенации в нейронах гиппокампа в культуре наблюдается синхронный спонтанный Са2+-спайк, который является симптомом постгипоксической гипервозбудимости [11].

Противовоспалительный цитокин интерлей-кин 10 (ИЛ-10) подавляет это проявление гипервозбудимости [12]. Защитный эффект ИЛ-10, наблюдаемый при воздействии глутамата [13], ли-пополисахарида [14] и ишемии [15], обусловлен активацией сигнальных путей Р13-киназы и STAT-3. В экспериментах на нейрональной культуре нами показано, что ИЛ-10 подавляет возникновение постгипоксической гипервозбудимости в период реоксигенации после действия кратковременной гипоксии, ингибируя 1Р3-зави-симую мобилизацию Са2+ из внутриклеточных структур [12], происходящую, как установлено ранее, и при воздействии кратковременной гипоксии [16].

В настоящей работе сравнили влияние кратковременной гипоксии на развитие эффектов пре-кондиционирования и постгипоксической гипервозбудимости в двух популяциях нейронов — тормозных ГАМКергических и возбуждающих глутаматергических. Эффект прекондициониро-вания оценивали по степени подавления активности NMDA-рецепторов. Явление постгипокси-ческой гипервозбудимости регистрировали по появлению спонтанного синхронного Са2+-спай-ка в нейрональной сети в период реоксигенации после каждого эпизода гипоксии. Показано, что кратковременные эпизоды гипоксии вызывают эффект гипоксического прекондиционирования только в глутаматергических, но не в ГАМКерги-ческих нейронах. Активность NMDA-рецепторов в ГАМКергических нейронах не подавляется, а возрастает после каждого эпизода гипоксии. При этом, возникающий в сети синхронный спонтанный Са2+-спайк, индуцирует глобальное повышение Са2+ в цитозоле и вызывает селективную гибель только в популяции ГАМКергических нейронов. Противовоспалительный цитокин ИЛ-10 препятствует развитию постгипоксиче-ской гипервозбудимости, ингибируя спонтанный синхронный Са2+-спайк и защищает ГАМКерги-ческие нейроны от гибели, восстанавливая в них эффект прекондиционирования. Предполагается, что нейропротекторное действие ИЛ-10 обусловлено активацией сигнального пути выживания клеток с участием Р13-киназы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Культура клеток гиппокампа. В экспериментах использовали смешанную нейроглиальную культуру клеток гиппокампа крысы, выделенную из головного мозга новорожденных (1—3 дня) крыс Sprague-Dawley в соответствии с [17]. В суспензию клеток добавляли глутамин (0.5 мМ), B-27 (2%) и гентамицин (20 мкг/мл). Суспензию (100 мкл) помещали в стеклянное кольцо диаметром 6 мм, стоящее на круглом покровном стекле диаметром 25 мм (VWR International, США), обработанном полилизином из расчета один гиппо-камп на 10 стекол. Затем препараты помещали в СО2 инкубатор на 5 ч при 37°С для прикрепления клеток. После этого кольца удаляли. Каждые 3 дня среду культивирования на 2/3 заменяли на свежую. Исследовали влияние кратковременных эпизодов гипоксии на амплитуду кальциевого ответа на аппликацию агониста NMDA-рецепторов в безмагниевой среде.

Регистрация внутриклеточной концентрации Са2+. Концентрацию цитозольного кальция измеряли с помощью флуоресцентного зонда Fura-2. Для возбуждения и регистрации флуоресценции использовали фильтры BP340/30 и BP387/15, све-тоделительную пластинку FT-409 и эмиссионный фильтр BP510/90. Внутриклеточную концентрацию ионов кальция в клетках, нагруженных кальциевым зондом, регистрировали с помощью системы анализа изображений Cell observer (Carl Zeiss, Германия) на базе моторизованного микроскопа Axiovert 200М с высокоскоростной монохромной CCD-камерой AxioCam HSm и с высокоскоростным устройством смены фильтров, Ludl МАС5000. Амплитуду кальциевых ответов выражали через отношение интенсивности флуоресценции, возбуждаемой при 340 и 380 нм.

Создание кратковременных эпизодов гипоксии.

В эксперименте использовали культуру гиппокампа на 8—10 день культивирования (DlV). Измерения проводили при температуре 28°С. Для подачи веществ использовали систему, позволяющую добавлять агонисты и антагонисты рецепторов при полной смене среды. Для создания гипоксии в ячейку с клетками подавали среду (солевой раствор Хенкса с 20 мМ HEPES), из которой предварительно в течение 20 мин вытесняли кислород с помощью продувки аргоном, при этом воздушная часть ячейки также была заполнена аргоном. Уровень кислорода в гипоксическом растворе, измеренный электродом Кларка, составлял 50—60 мм. рт. ст., что соответствует условиям умеренной гипоксии.

Эксперимент состоял из трех кратковременных эпизодов гипоксии по 3 мин, каждый из которых сменялся 10-минутной реоксигенацией. Аппликацию NMDA производили перед первым эпизодом гипоксии (контроль) и после каждого из трех эпизодов гипоксии—реоксигенации. Вре-

мя аппликации агонистов составляло 30 с с последующей отмывкой агониста в 10 мл среды. Эффекты гипоксии на нейроны оценивали по изменению амплитуды кальциевого ответа клеток на NMDA до и после каждого эпизода гипоксии.

Для построения графиков и статистической обработки использовали программу OriginPro 8.0. В случае кратковременного (транзиторного) сигнала амплитуду измеряли по максимальному значению флуоресценции за период аппликации вещества. Ошибка среднего при измерении амплитуд составляла 0.04. Исходный уровень сигнала в клетках обычно составлял 0.23 ± 0.07 (здесь и далее среднее значение ± стандартное отклонение). Чтобы отличить нейроны от астроцитов применяли кратковременную аппликацию 35 мМ KCl в конце каждого эксперимента.

Определение жизнеспособности клеток. Число жизнеспособных и мертвых клеток определяли с помощью двойного окрашивания Hoechst 33 342 (1 мкг/мл) и иодидом пропидия (1 мкг/мл). Hoechst 33342, флуоресцирующий голубым светом, свободно проникает через плазматическую мембрану и прокрашивает хроматин клеток, а иодид пропидия, флуоресцирующий красным светом, пр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком