Перспективные направления применения нуклеотидов в других областях медицины

ПУРИНЕРГИЧЕКАЯ СИГНАЛЬНАЯ СИСТЕМА, МЫШЦЫ И ФИЗИЧЕСКАЯ НАГРУЗКА

УРИДИН ПОВЫШАЕТ ВЫНОСЛИВОСТЬ И УЛУЧШАЕТ ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОСЛЕ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
Крылова И.Б., Селина Е.Н.
Психофармакология и биологическая наркология. 2023. Т. 14. № 2. С. 97–104.
DOI: https://doi.org/10.17816/phbn501570

РЕЗЮМЕ

Актуальность. Фармакологическая коррекция метаболических процессов, обеспечивающих увеличение эффективности и длительности выполняемой работы и способствующих скорейшему восстановлению организма после физических нагрузок, является важным компонентом регуляции адаптационных возможностей организма. Ранее нами было установлено, что пиримидиновый нуклеозид уридин проявляет антигипоксические свойства, способен активировать митохондриальные К+ АТФ каналы (митоКАТФ), нормализует энергетический обмен, снижает интенсивность перекисного окисления липидов, активирует антиоксидантную систему, а также увеличивает содержание гликогена. Можно предположить, что соединение с такими свойствами будет повышать выносливость и способствовать более быстрому восстановлению сил после физических нагрузок.

Цель — изучение влияния уридина на работоспособность экспериментальных животных в тесте вынужденного плавания с утяжелением при физических нагрузках разной интенсивности и на восстановление их работоспособности.

Материалы и методы. Опыты выполнены на крысах-самцах линии Вистар (350–380 г) и самцах белых беспородных мышей (25–30 г). В первой серии экспериментов определяли влияние уридина на работоспособность крыс в тесте вынужденного предельного плавания с утяжелением массой 5, 7 или 10 % от веса животного. Физическую работоспособность оценивали по продолжительности плавания до появления первых признаков утомления и/или времени предельного плавания до гибели. Во второй серии в трехнагрузочном плавательном тесте оценивали влияние уридина на первую фазу процессов восстановления. Мышей с 10 % грузом 3 раза подвергали плавательной пробе, после чего определяли индекс пробы, равный отношению времени выполнения нагрузки 3 к нагрузке 1. Оценивали частоту встречаемости животных с низкой, средней и высокой способностью к восстановлению. Уридин объемом 30 мг/кг или физиологический раствор (контроль) вводили за 30 мин, 5-гидроксидеканоат (5-ГД, блокатор митоКАТФ каналов) 5 мг/кг — за 45 мин, мексидол (препарат сравнения) 200 мг/кг — за 50 мин до начала тестирования.

Результаты. Уридин увеличивал продолжительность предельного плавания на 58 и 44 % при 5 и 7 % нагрузке соответственно. При 7 % нагрузке под действием препарата период до появления первых признаков утомления возрастал на 100 %. Эффект уридина, введенного на фоне блокады митоКАТФ каналов, снижался на 40 % в случае утомления и на 24 % в случае ПП. В трехнагрузочном плавательном тесте уридин в 1,5 раза увеличивал эффективность восстановления сил, что было сопоставимо с действием мексидола. Препарат в 2,6 раза увеличивал долю животных с высокой способностью к восстановлению. Применение уридина на фоне блокады митоКАТФ каналов не приводило к ослаблению его положительного эффекта, а блокада каналов 5-ГД не влияла на способность животных к восстановлению сил.

Заключение. Уридин увеличивает выносливость животных в тесте вынужденного предельного плавания при предъявлении им нагрузок средней интенсивности, повышает способность к восстановлению работоспособности в трехнагрузочном плавательном тесте и увеличивает количество животных с высокой способностью к восстановлению. Механизм его действия реализуется как через активацию митоКАТФ каналов, так и, вероятно, через стимуляцию гликогенеза.

ПУРИНЕРГИЧЕСКИЙ СИГНАЛИНГ КАК ОДИН ИЗ МЕХАНИЗМОВ ВЛИЯНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ НА ВОСПАЛЕНИЕ И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА
Andreia Machado Cardoso · Mauro Nicollas Oliveira Silverio · Sarah Franco Vieira de Oliveira Macie.
Purinergic signaling as a new mechanism underlying physical exercise benefits: a narrative review.
Purinergic Signalling (2021) 17:649–679 DOI: https://doi.org/10.1007/s11302-021-09816-4

РЕЗЮМЕ

В последнее время стало очевидным, что, как острые, так и систематические физические упражнения вызывают реакции/адаптацию в пуринергической сигнализации, и эти адаптивные реакции можно считать одним из механизмов, связанных с пользой физических упражнений для улучшения здоровья. Пуринергическая система состоит из ферментов (эктонуклеотидаз), рецепторов (семейства P1 и P2) и молекул (АТФ, АДФ, аденозин), способных активировать эти рецепторы. Эти компоненты широко распространены почти во типах клеток, и они реагируют/действуют особым образом в зависимости от типа и/или интенсивности тренировки, а также от типа клетки (органа/ткани). Например, в то время как острые интенсивные физические нагрузки могут быть связаны с повреждением тканей, воспалением, и агрегацией тромбоцитов, то умеренные систематичесие упражнения оказывают противовоспалительное и антиагрегантное действие, укрепляя здоровье и/или оказывая положительное действие на заболевания. Все эти эффекты зависят от пуринергической сигнализации.

Данный обзор был разработан с целью охватить аспекты, связанные с взаимосвязью между физическими упражнениями и пуринергической сигнализацией, с акцентом на модуляцию эктонуклеотидаз и рецепторов. Авторы обсуждают влияние различных протоколов тренировок, а также различия между острыми и хроническими эффектами упражнений на внеклеточную сигнализацию, осуществляемую компонентами пуринергической системы. Авторы также подкрепили концепцию, согласно которой пуринергическая сигнализация должна быть рассмотрена как механизм, посредством которого физические упражнения оказывают свои эффекты.

А. Основные эффекты эпизодической физической нагрузки на компоненты пуринергической системы в моделях человека и животных.

При интенсивной физической нагрузке заметно повышается уровень растворимых ферментов CD73 и CD39 и АДА в сыворотке крови человека. CD39 и NPP также увеличивают активность в плазме крови человека после умеренных физических нагрузок, в то время как при такой интенсивности снижается активность фермента ADA в лимфоцитах крыс. Экспрессия комплекса P2X7R-NLRP3 снижается после острой физической нагрузки. Активность фермента CD73 не изменяется в лимфоцитах человека после острой физической нагрузки. Физические упражнения снижают активность CD73 (Экто-5′-нуклеотидаза) в тромбоцитах крыс, а также увеличивают активность ADA (аденозиндеаминаза). В мышечных клетках острая физическая нагрузка снижает активность фермента ADA у крыс и изменяет экспрессию рецепторов, увеличивая P2Y14 и уменьшая P2Y2 у мышей. Также отмечается, что до сих пор нет единого мнения об изменениях, вызванных острыми упражнений в ферментах CD39 (E-NTPDase1) в лимфоцитах и тромбоцитах и ADA в лимфоцитах животных и человека, в исследованиях с различными протоколах были обнаружены противоположные изменения.

В. Основные эффекты регулярной физической нагрузки на компоненты пуринергической системы у человека и животных моделях.

Регулярные физические упражнения повышают активность ADA в мышечных клетках крыс. В сарколемме сердца крыс она способствует увеличению CD39 активности. В тромбоцитах, лимфоцитах, мононуклеарных клетках легких, а также в коре головного мозга и гиппокампе крыс активность CD39 снижается после частых упражнений. Активность ADA лимфоцитов человека при регулярной физической нагрузке изменяется в противоположность острой физической нагрузке, так как легкая и умеренная физическая нагрузка способствует повышению активности, в то время как умеренные и интенсивные снижают ее. У крыс активность CD73 и ферменты NPP в тромбоцитах и растворимый ADA в сыворотке крови не изменяются после регулярной физической нагрузки

CD39 - Эктонуклеотидаза CD39 катализирует дефосфорилирование АТФ до АМФ с последующим превращением в аденозин под действием CD73.

CD73 (Ecto-5′-nucleotidase) - Экто-5'-нуклеотидаза фермент нуклеотидаза, продукт гена человека NT5E. Расщепляет аденозинмонофосфат (АМФ) до аденозина

ADA – аденозиндеаминаза участвует в катаболизме пуриновых нуклеозидов и катализирует превращение аденозина в инозин, а дезоксиаденозина в дезоксиинозин. Это превращение является начальным этапом в серии реакций отвечающих за пролиферацию и дифференцировку лимфоцитов.

NPP – нуклеотидпирофосфотаза/дифосфоэстераза это класс димерных ферментов, катализирующих гидролиз диэфирных связей, влияя на широкий спектр биологических процессов

ФИЗИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ С ОТЯГОЩЕНИЕМ ОБЛЕГЧАЮТ НЕЙРОВОСПАЛЕНИЕ, ВЫЗВАННОЕ ЛИПОСАХАРИДАМИ В КОРЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА И ГИПОКАМПЕ КРЫС ПОСРЕДСТВОМ ПУРИНЕРГИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА.
Vanessa Valéria Miron, Charles Elias Assmann, Vitor astianello Mostardeiro a et al.
Resistance physical exercise alleviates lipopolysaccharide-triggered neuroinflammation in cortex and hippocampus of rats via purinergic signaling
NeuroToxicology Volume 99, December 2023, Pages 217-225

РЕЗЮМЕ

Основные положения

Физические упражнения с сопротивлением оказывают нейропротективное действие в экспериментальной модели воспаления, вызванного ЛПС
Пуринергическая система участвует в защите от воспаления при помощи физических упражнений
Упражнения с лазанием по лестнице предотвращают повышение уровня NLRP3, каспазы-1, IL-1β и IL-6 в коре головного мозга и гиппокампе

Модуляция P2X7R физическими упражнениями оказывает противовоспалительное действие. Физические упражнения с сопротивлением оказывают нейропротекторное и противовоспалительное действие на многие известные заболевания, поэтому они становятся все более изученными. Способ, которым этот вид физических упражнений оказывает такое действие, все еще находится в стадии изучения. В данном исследовании авторы стремились проанализировать ферменты и компоненты пуринергической системы, участвующие в воспалительном процессе, запускаемом P2X7R.

Крысы были разделены на четыре группы: контроль, физические упражнения (EX), липополисахарид (LPS) и EX + LPS. Животные в группах с физическими нагрузками подвергались 12-недельным физическим упражнениям с сопротивлением при подъеме по лестнице и получали LPS после последнего занятия для индукции сепсиса. В коре и гиппокампе животных измеряли активность ферментов (NTPDase, 5′-нуклеотидазы и аденозиндезаминазы), плотность пуриноцепторов (P2X7R, A1 и A2A) и уровень показателей воспаления (пирин-домен-содержащий белок 3 (NLRP3), каспаза-1, интерлейкин (IL)-6, IL-1B и фактор некроза опухоли (TNF)-α).

Результаты показали, что физические упражнения предотвращали (в обеих структурах) увеличение: 1) активности нуклеозидтрифосфатазы (NTPDase) и 5′-нуклеотидазы; 2) плотности P2X7R; 3) NLRP3 и каспазы-1; и 4) IL-6, IL-1β и TNF-α.

Предполагается, что пуринергическая система и воспалительный путь P2X7R имеют фундаментальное значение и влияют на эффекты физических упражнений на LPS -индуцированное воспаление.

Таким образом, модуляция P2X7R с помощью физических упражнений открывает новые возможности для лечения заболеваний, связанных с воспалением.

НПВП, УРИДИН и ЗАБОЛЕВАНИЯ ПЕЧЕНИ

Неалкогольная жировая болезнь печени (НАЖБП), или жировой гепатоз, или как еще называют - стеатоз печени - самое распространенное в наше время заболевание печени во всем мире, встречающееся практически у подавляющего большинства людей старше 40 лет. К жировому гепатозу может приводить нарушение обмена веществ, а также прием некоторых лекарств, например, нестероидных противовоспалительных препаратов. Суть заболевания заключается в ожирении печени, замещением нормальной здоровой печени на жир, что в результате приводит к циррозу, как и при других любых заболеваниях печени.

Гепатотоксичность – серьезное осложнение, связанное с использованием НПВП, хотя встречается реже по сравнению с повреждением слизистой оболочки ЖКТ и сердечно-сосудистой системы. Действие НПВП на основные органы, включая желудок, тонкий кишечник, сердце, печень, дыхательные пути и мозг в основном обусловлены PGHS-зависимой простаноидной модуляцией и изменением функциональной целостности митохондрий, что приводит к генерализованному митохондриальному оксидативному стрессу (MOS), деполяризации митохондриального трансмембранного потенциала (ΔΨm) и последующей гибели клеток. (Samik Bindua, Somnath Mazumderb, Uday Bandyopadhyayb Non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) and organ damage:A current perspective Biochemical Pharmacology 180 (2020, 114-147)

УРИДИН и ПЕЧЕНЬ

В исследованиях установлено, что УРИДИН ОКАЗЫВАЕТ ЗАЩИТНОЕ ДЕЙСТВИЕ против гепатотоксичности, вызванной лекарственными препаратами (в том числе нестероидными противовоспалительными препаратами). Le, T. T., A. Ziemba, Y. Urasaki, E. Hayes, S. Brotman, and G. Pizzorno. Disruption of uridine homeostasis links liver pyrimidine metabolism to lipid accumulation. J. Lipid Res. 2013. 54: 1044–1057.

Le и коллеги в эксперименте с использованием модели трансгенной мышиной уридинфосфорилазы-1 UPase1–TG. изучали взаимосвязь между метаболизмом пиримидинов и накоплением липидов в печени. Микровезикулярный стеатоз печени был индуцирован двумя путями: нарушением уридинового гомеостаза путем трансгенной сверхэкспрессии UPase1 (фермента катаболизма пиримидинов и пути спасения), а также ингибированием дигидрооротатдегидрогеназы (DHODH), фермента биосинтеза пиримидина de novo.

Уридин – пиримидиновый нуклеозид, играющий важную роль в регуляции метаболизма глюкозы и липидов. Добавка уридина в обоих сценариях полностью подавляла микровезикулярный стеатоз. Эффективная концентрация (EC 50) уридина для подавления микровезикулярного стеатоза составила приблизительно 20 мкМ в в первичных гепатоцитах мышей UPase1 -TG. Помимо этого было обнаружено, что уридин не оказывает никакого влияния на ферментативную активность DHODH in vitro. С другой стороны, добавка уридина изменяет в печени соотношение NAD+ /NADH и NADP+ /NADPH, а также профиль ацетилирования метаболических, окислительно-восстановительных и антиокислительных ферментов. Ацетилирование белков становится одним из ключевых регуляторный механизм клеточного метаболизма. Таким образом, авторы предполагают, что уридин подавляет ожирение печени путем модуляции профиля ацетилирования белков печени Эти результаты показывают новую связь между гомеостазом уридина и метаболизмом липидов в печени.

В другом исследовании, проведенном Zheng и коллегами, было показано, что уридин может эффективно уменьшить накопление коллагена в печени при экпериментально вызванном фиброзе печени (in vitro и in vivo). Кроме того, уридин может улучшить активность клеток печени и облегчает индуцированное СС14 повреждение печени. Коме того, уридин может значительно уменьшить факторы риска, вызванные активацией звезчатых клеток печени. На фоне лечения уридином значительно снизилась экспрессия α-SMA (alpha-smooth-muscle-actin), коллагена 1 типа и фибронектина. Авторы исследования предполагают, что уридин можно использовать в качестве потенциального препарата для облегчения фиброза печени. (Zheng WV, Li Y, Cheng X, et al. Uridine alleviates carbon tetrachloride-induced liver fibrosis by regulating the activity of liver-related cells. J Cell Mol Med. 2022;26:840–854. doi:10.1111/jcmm.17131)

Исследования российских ученых (Миронова и коллеги, 2020; Крылова и коллеги, 2018) показали, что уридин и его производные (УМФ) оказывают благотворное влияние уридина на энергетический метаболизм клеток и окислительно-восстановительный баланс:

защищают митохондрии во время периода устойчивой ишемии, а также позволяют им полноценно осуществлять свои функции по эффективному транспорту энергии

подавляют гиперактивацию перекисного окисления липидов

восстанавливают активность ферментов антиоксидантной системы

(G.D. MIRONOVA et al. Prospects for the use of regulators of oxidative stress in the comprehensive treatment of the novel Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) and its complications European Review for Medical and Pharmacological Sciences, 2020;

Крылова И.Б., Сафонова А.Ф., Евдокимова Н.Р. Коррекция гипоксических состояний метаболическими предшественниками эндогенного активатора митохондриальных АТФ-зависимых К+-каналов // Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. – 2018. – Т. 16. – № 3. – С. 25–31.)

Таким образом, применение уридинмонофосфата в клинической практике имеет несомненные перспективы в отношении защиты печени от лекарственно индуцированной гепатотоксичности и профилактики развития жирового гепатоза.

Осложнения сахарного диабета – потенциальная мишень для терапии пиримидиновыми нуклеозидами и нуклеотидами

В эксперименте установлено, что уридин значительно снижает последствия патологии сердца у мышей.

Группа ученых Марийского государственного университета (Йошкар-Ола) и Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино) установили, что пиримидиновый нуклеозид уридин значительно снижает последствия патологии сердца у мышей с диабетом и немного облегчает симптомы мышечной дистрофии.

Исследователи в течение трех недель ежедневно вводили уридин мышам с диабетом, индуцированным диетой с высоким содержанием жиров и стрептозотоцином. В ходе эксперимента ученые измеряли содержание глюкозы в крови, а также исследовали клетки сердца (кардиомиоциты) под электронным микроскопом. Оказалось, что в здоровых мышечных клетках саркомеры (белковые структуры, которые отвечают за сокращение) имеют удлиненную форму, а активные митохондрии образуют множество мембранных складок, так называемых, крист, необходимых для выработки энергии. У мышей, больных диабетом, наблюдались изменения в мышечных клетках и митохондриях: уменьшение длины саркомеров, и уменьшение числа складок в митохондриях. В результате применения уридина кардиомиоциты экспериментальных мышей вернулись к нормальному состоянию, а митохондрии в мышечных клетках сердец животных стали образовывать больше складок, что позволило им лучше снабжать мышцы энергией. Кроме того, в результате лечения содержание глюкозы и триглицеридов в крови животных достоверно снизились. Уридин также уменьшал дисфункцию окислительного фосфорилирования и подавлял перекисное окисление липидов.

По мнению исследователей, эти данные позволяют предположить, что наряду с гипогликемическим эффектом, уридин оказывает защитное действие против опосредованных диабетом функциональных и структурных повреждений митохондрий сердца и нарушения контроля качества митохондрий в диабетическом сердце.

Данное исследование было поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликовано в International Journal of Molecular Sciences. https://www.mdpi.com/1422-0067/23/18/10633

Effect of Chronic Treatment with Uridine on Cardiac Mitochondrial Dysfunction in the C57BL/6 Mouse Model of High-Fat Diet–Streptozotocin-Induced Diabetes

Natalia V. Belosludtseva, Vlada S. Starinets, Irina B. Mikheeva, Maxim N. Belosludtsev, Mikhail V. Dubinin, Galina D. Mironova and Konstantin N. Belosludtsev

Diabetes. Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 10633. https://doi.org/10.3390 ijms231810633

Abstract: Long-term hyperglycemia in diabetes mellitus is associated with complex damage to cardiomyocytes and the development of mitochondrial dysfunction in the myocardium. Uridine, a pyrimidine nucleoside, plays an important role in cellular metabolism and is used to improve cardiac function. Herein, the antidiabetic potential of uridine (30 mg/kg/day for 21 days, i.p.) and its effect on mitochondrial homeostasis in the heart tissue were examined in a high-fat diet–streptozotocininduced model of diabetes in C57BL/6 mice. We found that chronic administration of uridine to diabetic mice normalized plasma glucose and triglyceride levels and the heart weight/body weight ratio and increased the rate of glucose utilization during the intraperitoneal glucose tolerance test.

Analysis of TEM revealed that uridine prevented diabetes-induced ultrastructural abnormalities in mitochondria and sarcomeres in ventricular cardiomyocytes. In diabetic heart tissue, the mRNA level of Ppargc1a decreased and Drp1 and Parkin gene expression increased, suggesting the disturbances of mitochondrial biogenesis, fission, and mitophagy, respectively. Uridine treatment of diabetic mice restored the mRNA level of Ppargc1a and enhanced Pink1 gene expression, which may indicate an increase in the intensity of mitochondrial biogenesis and mitophagy, and as a consequence, mitochondrial turnover. Uridine also reduced oxidative phosphorylation dysfunction and suppressed lipid peroxidation, but it had no significant effect on the impaired calcium retention capacity and potassium transport in the heart mitochondria of diabetic mice. Altogether, these findings suggest that, along with its hypoglycemic effect, uridine has a protective action against diabetes-mediated functional and structural damage to cardiac mitochondria and disruption of mitochondrial qualitycontrol systems in the diabetic heart.

Keywords: mitochondria; diabetes mellitus

АБСТРАКТ.

Длительная гипергликемия при сахарном диабете связана с комплексным повреждением кардиомиоцитов и развитие митохондриальной дисфункции в миокарде. Уридин, пиримидиновый нуклеозид, играет важную роль в клеточном метаболизме и используется для улучшения сердечной функции. В настоящем эксперименте антидиабетический потенциал уридина (30 мг/кг/день в течение 21 дня, внутрибрюшинно) и его влияние на митохондриальный гомеостаз в сердечной ткани были исследованы на модели диабета, индуцированного диетой с высоким содержанием жиров и стрептозотоцином, у мышей линии C57BL/6. Мы обнаружили, что хроническое введение уридина мышам с диабетом нормализовало уровни глюкозы и триглицеридов в плазме, соотношение массы сердца и массы тела, а также увеличивало скорость утилизации глюкозы во время внутрибрюшинного теста на толерантность к глюкозе.

Анализ TEM показал, что уридин предотвращает вызванные диабетом ультраструктурные нарушения в митохондриях и саркомерах желудочковых кардиомиоцитов. В ткани диабетического сердца уровень мРНК Ppargc1a снижался, а экспрессия генов Drp1 и Parkin увеличивалась, что свидетельствует о нарушениях митохондриального биогенеза, деления и митофагии соответственно. Обработка уридином мышей с диабетом восстанавливала уровень мРНК Ppargc1a и усиливала экспрессию гена Pink1, что может свидетельствовать об увеличении интенсивности митохондриального биогенеза и митофагии и, как следствие, митохондриального оборота.

Уридин также уменьшал дисфункцию окислительного фосфорилирования и подавлял перекисное окисление липидов, но не оказывал существенного влияния на нарушение способности удержания кальция и транспорта калия в митохондриях сердца мышей с диабетом.

В целом эти данные позволяют предположить, что, наряду с гипогликемическим эффектом, уридин оказывает защитное действие против опосредованных диабетом функциональных и структурных повреждений митохондрий сердца и нарушения систем контроля качества митохондрий в диабетическом сердце.