METABOLIC EFFECTS OF LONG-TERM EXPOSURE TO WAVE-LIKE OXYGEN FASTING OF MODERATE SEVERITY

Abstract

Актуальность. К числу разнообразных кислородзависимых патологических состояний относят, в том числе, интермиттирующие, волнообразно протекающие эпизоды гипоксии, чередующиеся с пребыванием человека в условиях нормоксии. Примером подобных состояний является сонное апноэ. Особенности метаболизма при таких состояниях практически не изучались, что и определяет актуальность исследования. Цель исследования: выявить особенности метаболизма у лабораторных животных, подвергающихся хроническому волнообразному кислородному голоданию, для совершенствования диагностических критериев последствий интермиттирующей гипоксии. Материалы и методы. Длительная волнообразная нормобарическая гипоксия создавалась в мембранном гипоксикаторе БИО-НОВА-2004 (Москва), адаптированном для работы с грызунами. Использовался следующий режим работы гипоксикатора: воздушная газовая смесь с содержанием кислорода 14 %, продолжительность единичного гипоксического цикла — 60 минут, интервал между циклами — 30 минут, число циклов в сутки — 6 (суммарный период умеренной гипоксии — 6 часов в сутки), длительность ежедневного гипоксического воздействия — 24 недели. Лабораторные животные (мыши-самцы линии C57BL/6J) были получены из питомника лабораторных животных «Рапполово» (Ленинградская обл.). Содержание животных осуществлялось в условиях сертифицированного вивария в соответствии с требованиями ГОСТ 33044-2014 от 01.08.2015 г. «Принципы надлежащей лабораторной практики» и приказа МЗ РФ от 01.04.2016 г. № 267 «Об утверждении Правил надлежащей лабораторной практики». Биологический материал для исследования (кровь, ткани) у животных забирали на следующие сутки после прекращения гипоксического воздействия. В сыворотке крови определяли активность печеночных ферментов аланинаминотрансфераза (АЛТ), аспартатаминотрансфераза (АСТ), гамма-глутамилтранспептидаза (ГГТП), уровни общего холестерина, липопротеидов низкой плотности и триглицеридов, концентрацию глюкозы. Кроме того, в сыворотке крови определяли содержание нейтральных и основных карбонильных групп белков, а в эритроцитах — активность супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы (КАТ). В ткани печени определяли карбонильные группировки белков, содержание суммарных липидов и гликогена; в скелетных мышцах — гликогена. Статистическая обработка полученных данных осуществлялась с помощью прикладного пакета программ для анализа данных (MS Windows 10) с применением методов корреляционного и дисперсионного анализа. Различия считались достоверными при p < 0,05. Результаты. Наиболее выраженные изменения в биохимических показателях после длительного воздействия волнообразного умеренного кислородного голодания отмечаются в клеточных структурах (печень, скелетные мышцы, эритроциты), в то время как показатели, регистрируемые в плазме крови животных, были устойчивы к прерывистому гипоксическому воздействию. Заключение. Возникающий при хронической волнообразной кислородной недостаточности энергодефицит проявлялся в мобилизации углеводных резервов организма, что сопровождалось снижением гликогена в печени и скелетных мышцах в 4–5 раз и вовлечением липидов в качестве субстратов энергопродукции (снижение липидов в печени на 27 %), переключением потока аминокислот на другие виды обмена (снижение активности ГГТП на 14 %). Возникающий дефицит кислорода закономерно сопровождался снижением активности СОД практически в 1000 раз и каталазы в 4 раза, накоплением недоокисленных продуктов (повышение содержания основных карбонильных группировок в белках крови на 41 %). Relevance. A variety of oxygen-dependent pathological conditions include intermittent, undulating episodes of hypoxia, alternating with a person’s stay in normoxia. An example of such conditions is sleep apnea. The features of metabolism in such conditions have not been practically studied, which determines the relevance of the study. Purpose of the study: to reveal thefeatures of metabolism in laboratory animals subjected to chronic undulating oxygen starvation in order to improve the diagnostic criteria for the consequences of intermittent hypoxia. Materials and methods. Long-term undulating normobaric hypoxia was created in a BIO-NOVA-2004 membrane hypoxicator (Moscow), adapted to work with rodents. The following operating mode ofthe hypoxicator was used — an air gas mixture with an oxygen content of 14 %, the duration of a single hypoxic cycle is 60 minutes, the interval between cycles is 30 minutes, the number of cycles per day is 6 (the total period of moderate hypoxia is 6 hours per day), the duration of daily hypoxic exposure is 24 weeks. Laboratory animals (female mice of the C57BL/6J line) were obtained from the nursery of laboratory animals “Rappolovo” (Leningrad region). The animals were kept in a certified vivarium in accordance with the requirements of GOST 33044-2014 of August 1, 2015 “Principles of Good Laboratory Practice” and Order of the Ministry of Health of the Russian Federation of April 1, 2016 No. 267 “On Approval of the Rules of Good Laboratory Practice”. Biological material for research (blood, tissues) was taken from animals on the next day after the cessation of hypoxic exposure. In the blood serum, the activity of the liver enzymes AlAT, AST, GGTP, the levels of total cholesterol, low-density lipoproteins and triglycerides, and the concentration of glucose were determined. In addition, the content of neutral and basic carbonyl groups of proteins was determined in blood serum, and the activity of SOD and catalase (CAT) in erythrocytes was determined. In the liver tissue, the carbonyl groups of proteins, the content of total lipids and glycogen were determined; in skeletal muscles — glycogen. Statistical processing of the obtained data was carried out using the application package for data analysis (MS Windows 10) using the methods of correlation and dispersion analysis. Differences were considered significant at p < 0.05. Results. The most pronounced changes in biochemical parameters after prolonged exposure to wave-like moderate oxygen starvation are observed in cellular structures (liver, skeletal muscles, erythrocytes), while the parameters recorded in the blood plasma of animals were resistant to intermittent hypoxic exposure. Conclusion. The energy deficiency that occurs during chronic wave-like oxygen deficiency manifests itself in the mobilization of carbohydrate reserves of the body, which was accompanied by a 4–5-fold decrease in glycogen in the liver and skeletal muscles and the involvement of lipids as energy production substrates (a decrease in lipids in the liver by 27 %), switching the flow of amino acids to other types of exchange (decrease in GGTP activity by 14 %). The resulting oxygen deficiency was naturally accompanied by a decrease in the activity of SOD by almost 1000 times and catalase by 4 times, the accumulation of underoxidized products (an increase in the content of basic carbonyl groups in blood proteins by 41 %).