Роль системи H2S / цистатіонін-Y-ліаза в механізмах кардіопротекторної дії вітаміну D за дієт-індукованого ожиріння

Размещено на http://www.allbest.ru/

Роль системи H2S / цистатіонін-Y-ліаза в механізмах кардіопротекторної дії вітаміну D за дієт-індукованого ожиріння

Р. С. Остренюк, Н. В. ЗАІЧКО

Вінницький національний медичний університет ім. М. І. Пирогова, Вінниця, Україна

Резюме. Ожиріння та дефіцит вітаміну D є факторами ризику серцево-судинної патології, що часто поєднуються між собою. Встановлення нових біохімічних чинників, які можуть модифікувати серцево-судинні ефекти вітаміну D за ожиріння, залишається актуальним.

Мета: з'ясувати роль системи H2S / цистатіонін-у-ліаза в окремих механізмах кардіопротекторної дії вітаміну D за дієт-індукованого ожиріння.

Методи. Досліди проведені на 40 білих лабораторних щурах-самцях згідно з принципами біоетики (Directive 2010/63/EU). Упродовж 2-х тижнів тваринам з моделлю дієт-індукованого ожиріння (ДІО) вводили активну форму вітаміну D - 1,25(OH)2D Для модуляції стану системи H2S / циста- ^{23 2} тіонін-у-ліаза застосовували пропаргілгліцин та NaHS. Визначали рівні H2S, каспази-3, TNFa, HSP60, HSP70, маркери оксидативного стресу в гомогенатах міокарда та грудної аорти.

Результати. Введення 1,25(OH)2D₃ зменшувало біохімічні порушення в міокарді та аорті за ДІО: зростав вміст H2S та активність цистатіонін-у-ліа- зи, знижувались рівні медіаторів запалення та апоптозу (каспази-3, TNFa), нормалізувались рівні HSP60 та HSP70, зменшувались ознаки оксидатив- ного стресу. Кардіопротекторні ефекти 1,25(OH)₂Dсуттєво погіршувались за умов інгібування синтезу H₂S, тоді як донатор H₂S (NaHS), навпаки, їх посилював.

Висновки. За умов ожиріння модулювання активності системи H2S / ци- статіонін-у-ліаза впливає на кардіопротекторні ефекти вітаміну D, які реалізуються через сигнальні системи запалення, апоптозу та оксидативний стрес. ожиріння біохімічний серцевий судинний

Ключові слова: ожиріння, вітамін D, серцево-судинна система, гідроген сульфід, апоптоз, запалення, оксидативний стрес, кардіопротекція, метаболізм, щурі.

The role of the H2S I cystathionine-y-lyase system in the mechanisms of cardioprotective action of vitamin D in diet-induced obesity

R. S. OSTRENYUK, N. V. ZAICHKO

National Pirogov Memorial Medical University, Vinnytsya, Ukraine

Abstract. Obesity and vitamin D deficiency are risk factors for cardiovascular disease that are often coexisting. The identification of new biochemical factors that may modify the cardiovascular effects of vitamin D in obesity remains relevant.

The aim of study: to estimate the role of the H₂S / cystathionine-y-lyase system in the mechanisms of cardioprotective effect of vitamin D in diet-induced obesity.

Methods. The experiments were carried out on 40 white male laboratory rats in accordance with the principles of bioethics (Directive 2010/63/EU). The active form of vitamin D - 1,25(OH)D₃ was administered to animals with a model of diet-induced obesity (DIO) for 2 weeks. Propargylglycine and NaHS were used to modulate the state of the H₂S / cystathionine-y-lyase system. Levels of H₂S, caspase-3, TNFa, HSP60, HSP70, and oxidative stress markers were determined in myocardial and thoracic aortic homogenates.

Results. The administration of 1,25(OH)D₃ reduced biochemical disorders in myocardium and aorta in DIO: H2S content and cystathionine-y-lyase activity increased, levels of inflammatory and apoptotic mediators (caspase-3, TNFa) decreased, HSP60 and HSP70 levels normalized, and signs of oxidative stress decreased. The cardioprotective effects of 1,25(OH)D₃ were significantly reduced by inhibition of H₂S synthesis, while the H₂S donor (NaHS) enhanced these effects.

Conclusions. In obesity, modulation of H2S / cystathionine-y-lyase activity affects the cardioprotective effects of vitamin D, which are realized through the signaling pathways of inflammation, apoptosis and oxidative stress.

Key words: obesity, vitamin D, cardiovascular system, hydrogen sulfide, apoptosis, inflammation, oxidative stress, cardioprotection, metabolism, rats.

Ожиріння та дефіцит вітаміну D є факторами ризику серцево-судинної патології, що часто поєднуються між собою [1]. Дефіцит вітаміну D асоціюється з розвитком артеріальної гіпертензії, атеросклерозу, серцевої недостатності [2]. Експериментально доведено, що 1,25-дигідроксивітамін D3 (кальцитріол) безпосередньо регулює процеси ліпогенезу та адипогенезу: пригнічує експресію багатьох ліпогенних генів (синтази жирних кислот, ацетил-КоА-карбоксилази, стеароїл-КоА-десатурази) у жировій тканині та печінці [3], інгібує термінальні стадії адипогенезу, знижує акумуляцію ліпідів, коригує дисліпідемію, дисадипокінемію та інші асоційовані з ожирінням метаболічні розлади, виявляє імуномодулюючу, протизапальну, антиапоптичну дію [4], активує експресію еNOS та антиоксидантних ензимів, зменшує ендотеліальну дисфункцію та оксидативний стрес [5]. Цілком очевидно, що прийом вітаміну D має профілактувати розвиток кардіометаболічних порушень. Однак, результати клінічних досліджень виявились контроверсійними. За результатами сліпого плацебо контрольованого дослідження, у пацієнтів з ожирінням прийом вітаміну D коригував метаболічні чинники серцево-судинної патології - знижував рівні фактора некрозу пухлини альфа, тригліцеридів та паратгормона, підвищував рівень ЛПВЩ, але при цьому не зменшував масу тіла та інші соматометричні параметри [6]. На тлі прийому вітаміну D за підвищення плазмового рів- ня (25-OH)D понад 20 нг/мл зменшувався загальний ризик смерті, а при досягненні рівня (25-OH)D понад 30 нг/мл знижувався ризик інфаркту міокарда [7]. У більш масштабних дослідженнях (VITAL, VIDA та ін.) не виявлено зниження ризику кардіоваскулярних подій у дорослих осіб при прийомі вітаміну D [8]. Встановлення чинників, які можуть модифікувати біологічні ефекти та терапевтичну ефективність вітаміну D, залишається актуальним.

Wilinski B. et al (2012) уперше було засвідчено здатність вітаміну D підвищувати вміст вазоактивного поліфункціонального медіатора гідроген сульфіду (H2S) в серці та інших органах здорових тварин [9]. Раніше ми встановили, що за ожиріння, індукованого висококалорійною дієтою, в серцево-судинній системі пригнічується активність H₂S-синтезуючих ензимів та формується дефіцит H2S [10]. Тому дослідження ролі системи H2S / ци- статіонін-у-ліаза у реалізації серцево-судинних ефектів вітаміну D за умов ожиріння вважаємо доцільним.

Мета роботи: з'ясувати роль системи H2S / цистатіонін-у-ліаза в окремих механізмах кардіопротекторної дії вітаміну ^D за дієт-індукованого ожиріння.

Матеріали і методи дослідження

Досліди проведені на 40 білих статевозрілих лабораторних щурах-самцях із початковою масою 160--190 г із дотриманням принципів біоетики відповідно до Директив Ради Європи (Directive 2010/63/EU) [11]. Тварини перебували в стандартних умовах віварію Вінницького національного медичного університету ім. М. І. Пирогова (із 12-годинним світловим режимом день / ніч, за температури 20--24^оС, відносної вологості повітря 50--60 %, з вільним доступом до корму та води). Групи тварин формувались випадковим чином (по 8 особин у кожній), з урахуванням масо-ростових відмінностей. Контрольна група отримувала повнораціонний гранульований корм для лабораторних гризунів (ТОВ «НВП Ф.У.Д.», Україна). У 4-х групах щурів викликали дієт-індуковане ожиріння (ДіО) відомим методом -- згодовуванням висококалорійною дієтою (ВКД), що складалась з 60 % гранульованого корму, 10 % яйця, 10 % лярду, 9 % цукру, 5 % арахісу, 5 % сухого молока, 1 % соняшникової олії [12, 13]. Стан ДІО встановлювали за збільшенням соматометричного індексу Лі вище 0,310, який обчислювали як відношення кореня кубічного маси тіла (г) до довжини тіла (см) [13]. Тривалість досліду становила 10 тижнів. Упродовж останніх 2-х тижнів три дослідні групи отримували активну форму вітаміну D₃ - 1,25 (OH)₂D₃ (Calcitriolo Teva, Teva Italia S.r.l.) у дозі 0,1 мкг/кг інтрагастрально у вигляді масляної суспензії 1 раз на добу. Для модифікації стану системи H2S / цистатіонін-у-ліаза двом групам щурів з ДІО + 1,25 (OH)2D₃ вводили інгібітор -- пропаргілгліцин (ППГ, Sigma-Aldrich, USA) у дозі 50 мг/кг або натрію гідросульфід (NaHS, Sigma- Aldrich, USA) у дозі 1 мкг/кг, відповідно, 1 раз на добу інтраперитонеально у вигляді водних розчинів. Контрольні тварини отримували еквіоб'ємні кількості розчинників. Евтаназію тварин проводили шляхом декапітації під тіопенталовим наркозом (100 мг/кг і/п).

Міокард та грудну аорту гомогенізували в охолодженому середовищі 1,15 % KCl при 3000 об/хв (тефлон-скло), центрифугували 30 хв при 600 g при 4^оС, відбирали проби постядерного супернатанту в мікропробірки Ерpendorf, зберігали при -20^оС до виконання досліджень.

Для оцінки кардіопротекторної дії 1,25 (OH)₂D₃ визначали рівні ключових медіаторів запалення, апоптозу, маркери оксидативного стресу в міокарді. Рівні фактора некрозу пухлин альфа (TNFa), білків теплового шоку (HSP60, HSP70), каспази-3 визначали методом ELISA для розчинних протеїнів [14] із використанням комерційних наборів моноклональних (первинних) антитіл до досліджуваних протеїнів та поліклональних (вторинних) антитіл, кон'югованих з пероксидазою хрону (Santa Cruz Biotechnologу, США). Вміст малонового діальдегіду (МДА) визначали за реакцією з тіобарбітуровою кислотою [15], карбонільних груп -- за реакцією з 2,4-динітрофенілгідра- зином [16]. Стан системи H₂S за дії модуляторів оцінювали в міокарді та аорті. Вміст H2S у тканинах визначали спектрофотометричним методом за Wilinski [9]. Активність цистатіонін-у-ліази (ЦГЛ, КФ 4.4.1.1) в реакції синтезу H2S з L-цистеїну визначали за Stipanuk, Beck [17] у модифікації [18]. Вміст протеїну визначали за Lowry [19].

Статистичну обробку результатів проводили в пакеті MS Excel та IBM Statistics SPSS 26 for Windows. Достовірність відмінностей оцінювали за U критерієм Манна-Уітні. Статистично значущими вважали відмінності при р < 0,05. Результати наведено як M±m.

Результати дослідження та їх обговорення

Результати наших досліджень підтвердили, що у щурів з ДІО в міокарді та аорті реєструються нижчий рівень H2S (на 29,8 та 30,1 %, р < 0,001) та нижча активність цистатіонін-у-ліази (на 27,1 та 43,4 %, р < 0,05) порівняно з групою контролю (табл.). У щурів з ДІО, що отримували 1,25 (OH)₂D₃, в міокарді та аорті реєструвався більш високий рівень H₂S (на 22,3 та 24,8 %, р < 0,05) та вища активність цистатіонін-у-ліази (на 30,7 та 47,8 %, р < 0,05) порівняно з групою ДІО. Введення ППГ (інгібітора реакцій десульфурування L-цистеїну) нівелювало стимулюючий вплив 1,25 (OH)2D3 на активність цистатіонін-у-ліази і поглиблювало дефіцит H2S у міокарді та аорті щурів з ДІО. Проте, введення NaHS потенціювало ефект 1,25 (ОЩ^на систему H2S / цистатіонін-у-ліаза в серцево-судинній системі щурів з ДІО.

Таблиця

Вплив 1,25 (OH)2D₃ на стан системи H2S / цистатіонін-у-ліаза в серцево-судинній системі щурів з діет-індукованим ожирінням за дії пропаргілгліцину та NaHS (M±m, n = 8)

Примітки: 1) * -- статистично значущі відмінності стосовно групи 1 (* -- р < 0,05; ** -- р < 0,01; *** - р < 0,001); 2) # - статистично значущі відмінності стосовно групи 2 (# - р < 0,05); 3) § - статистично значущі відмінності стосовно групи 3 (§ - р < 0,05).

Модуляція рівня ендогенного H2S у серцево-судинній системі суттєво відображалась на реалізації кардіопротекторного ефекту активної форми вітаміну D (рис.). Так, у міокарді щурів з ДІО спостерігалось підвищення рівня каспази-3, TNFa, Hsp60 (на 63,1; 113; 34,3 %, р < 0,01) і зниження рівня Hsp70 (на 20,7 %, р < 0,05), підвищення рівня МДА та карбонільних груп (на 63,8 та 70,1 %, р < 0,01) порівняно з контролем, що свідчить про активацію прозапальних та проапоптичних процесів, посилення вільнора- дикального окиснення ліпідів і протеїнів. Введення 1,25 (OH)₂D₃ справляло протизапальний та протиапоптичний ефект: забезпечувало зниження рівнів каспази-3, TNFa, Hsp60 (на 26,5; 33,7; 17,8 %, р < 0,05) та підвищення рівня Hsp70 (на 23,9 %, р < 0,05), зменшувало ознаки оксидативного стресу зі зниженням рівня МДА та карбонільних груп (на 30,9 і 28,9 %, р < 0,05) у міокарді щурів з ДІО. Введення ППГ суттєво зменшувало кардіопротек- торні ефекти 1,25 (()І І)₂І')₃, тоді як введення NaHS, навпаки, їх посилювало. Зокрема, у щурів у групі ДІО + 1,25 (OH)₂D₃ + NaHS рівні каспази-3, TNFa,

Hsp60 були нижчими (на 43,5; 49,9; 29 %, р < 0,05), а рівень Hsp70 - вищим (на 34,8 %, р < 0,05) порівняно з групою 2. Також застосування NaHS поряд із 1,25 (OH)2D₃ більш суттєво зменшувало ознаки оксидативного стресу в міокарді щурів з ДІО: у цій групі рівні МДА та карбонільних груп були нижчими (на 25,4 та 30,8 %, р < 0,05), ніж в групі ДІО + 1,25 (OH)₂D₃.

Рис. Вплив 1,25 (OH)₂D₃ на медіатори запалення, апоптозу, маркери оксидативного стресу в міокарді щурів з дієт-індукованим ожирінням (ДІО) за дії пропаргілглщину та NaHS (M±m, n = 8)

Примітки: 1) групи щурів: 1 - контроль; 2 - ДІО; 3 - ДІО + 1,25 (OH)₂D₃; 4 - ДІО + 1,25 (OH)₂D₃ + ППГ; 5 - ДІО + 1,25 (OH)₂D₃ + NaHS; 2) статистично значущі відмінності (р < 0,05) - * стосовно групи 1; # - стосовно групи 2; § - стосовно групи 3.

Отже, стан системи H₂S / цистатіонін-у-ліаза впливає на реалізацію кардіопротекторних властивостей вітаміну D, які опосередковуються через регуляцію рівнів сигнальних та ефекторних молекул (каспази-3, TNFa, Hsp60, Hsp70). Вказані медіатори відіграють важливу роль у механізмах ушкодження міокарда, ремоделювання серця та судин, розвитку серцевої недостатності. Hsp70 виявляє кардіопротекторну дію - за ішемії-реперфузії пригнічує апоптоз, запалення та вільнорадикальне окиснення, посилює стресову адаптацію кардіоміоцитів, але при вивільненні з пошкоджених тканин у плазму крові цей білок діє як прозапальний медіатор [20, 21]. Hsp60 регулює мітохондріальний гомеостаз та енергозабезпечення клітин, екстрацелюлярна фракція стимулює розвиток ендотеліальної дисфункції та атеросклерозу [22]. Hsp60 взаємодіє з різними білками апоптозу, виявляє протиапоптичну та антиапоптичну дію, бере участь в активації прокаспази 3 в ефекторну каспазу-3 [23]. Зв'язок між системою H2S і білками теплового шоку за умов ожиріння потребує подальшого вивчення.

Висновки

Вітамін D залучений до регуляції активності системи H2S / цистатіонін-у-ліаза в серцево-судинній системі і запобігає формуванню дефіциту ендогенного гідроген сульфіду за дієт-індукованого ожиріння. Система H2S / цистатіонін-у-ліаза відіграє важиву роль у реалізації кардіопро- текторної дії вітаміну D за ожиріння. За дії інгібітора цистатіонін-у-ліази поглиблюється дефіцит H2S у серцево-судинній системі, що асоціюється з суттєвим зниженням протизапальної, антиапоптичної та антиоксидантної дії активної форми вітаміну D (1,25 (OH)₉D„). Донатор IPS посилює карді- ² „3² опротекторні ефекти вітаміну D, які реалізуються через зниження рівнів каспази-3, TNFa, коригування рівнів білків теплового шоку (Hsp70, Hsp60), пригнічення оксидативного стресу. Встановлення молекулярних механізмів впливу H₂S на реалізацію біологічної дії вітаміну D за різних патологічних станів є актуальним напрямом подальших досліджень.

ПОСИЛАННЯ

1. Vranic L, Mikolasevic I, Milic S. Vitamin D Deficiency: Consequence or Cause of Obesity? Medicina (Kaunas). 2019 Aug;55(9):541. doi.org/10.3390/medicina55090541.

2. LaticN, ErbenRG. Vitamin D and cardiovascular disease, with emphasis on hypertension, atherosclerosis, and heart failure. Int J Mol Sci. 2020 Sep;21(18):6483. doi.org/10.3390/ ijms21186483.

3. Kang EJ, Lee JE, An SM, Lee JH, Kwon HS, Kim BC, et al. The effects of vitamin D3 on

lipogenesis in the liver and adipose tissue of pregnant rats. Int J Mol Med. 2015 Oct;36(4):1151- 8. doi.org/10.3892/ijmm.2015.2300. ,

4. Szymczak-Pajor I, Miazek K, Selmi A, Balcerczyk A, Sliwinska A. The action of vitamin D in adipose tissue: is there the link between vitamin D deficiency and adipose tissue-related metabolic disorders? Int J Mol Sci. 2022 Jan;23(2):956. doi.org/10.3390/ijms23020956.

5. Wee CL, Mokhtar SS, Singh KKB, Yahaya S, Leung SWS, Rasool AHG. Calcitriol supplementation ameliorates microvascular endothelial dysfunction in vitamin D-deficient diabetic rats by upregulating the vascular eNOS protein expression and reducing oxidative stress. Oxid Med Cell Longev. 2021 Feb ;2021:3109294. doi.org/10.1155/2021/3109294.

6. Zittermann A, Frisch S, Berthold HK, Getting C, Kuhn J, Kleesiek K et al. Vitamin D supplementation enhances the beneficial effects of weight loss on cardiovascular disease risk markers. Am J Clin Nutr. 2009 Mar;89(5):1321-27. doi.org/10.3945/ajcn.2008.27004.

7. Acharya P, Dalia T, Ranka S, Sethi P, Oni OA, Safarova MS et al. The Effects of Vitamin D supplementation and 25-hydroxyvitamin D levels on the risk of myocardial infarction and mortality. J Endocr Soc. 2021 Dec;5(10):124. doi.org/10.1210/jendso/bvab124.

8. Pilz S, Trummer C, Theiler-Schwetz V, Grtibler MR, Verheyen ND, Odler B et al. Critical appraisal of large vitamin D randomized controlled trials. Nutrients. 2022 Jan;14(2):303. doi. org/10.3390/nu14020303.

9. Wilinski B, Wilinski J, Somogyi E, Piotrowska J, Opoka W. Vitamin D₃ (cholecalciferol) boosts hydrogen sulfide tissue concentrations in heart and other mouse organs. Folia Biol (Krakow). 2012;60(3-4):243-7. doi.org/10.3409/fb60_3-4.243-247.

10. Bobetska OP, Zaichko NV. The effect of lipoic acid, zinc sulfate and sodium thiosulfate on H2S metabolism in cardiovascular system of rats in experimental obesity. Bulletin of problems in biology and medicine. 2023; 4 (171): 134-45. doi.org/10.29254/2077-4214-2023-4-171-134-145.

11. Directive 2010/63/EU of the European Parliament and of the Council of 22 September 2010 on the protection of animals used for scientific purposes. Website: https://eur-lex.europa. eu/eli/dir/2010/63/2019-06-26.

12. Shen XH, Tang QY, Huang J, Cai W. Vitamin E regulates adipocytokine expression in a rat model of dietary-induced obesity. Exp Biol Med (Maywood). 2010 Jan;235(1):47-51. doi. org/10.1258/ebm.2009.009122.

13. Karpovets TP, Shabanova NV, Konopelnyuk VV, Savchuk OM, Ostapchenko LI. High- calorie diet as a factor of obesity development in rats. Scientific Herald of Chernivtsi University. Biology (Biological System). 2014;6(2):139-142.

14. Crowther JR. The ELISA Guidebook. Totowa, New Jersey: Humana Press Inc; 2001, 436.

15. Mihara M, Uchiyama M. Determination of malonaldehyde precursor in tissues by thiobarbituric acid test. Anal Biochem. 1978;86(1):271-8. doi.org/10.1016/0003-2697(78)90342-1.

16. Gasparini PVF, Matias AM, Torezani-Sales S, Kobi JBBS, Siqueira JS, Coma CR et al. High-fat and combined high-fat and sucrose diets promote cardiac oxidative stress independent of Nox2 redox regulation and obesity in rats. Cell Physiol Biochem. 2021 Oct;55(5):618-34. doi. org/10.33594/000000441.

17. Stipanuk MH, Beck PW. Characterization of the enzymic capacity for cysteine desulphhydration in liver and kidney of the rat. Biochem J. 1982;206(2):267-77. doi.org/10.1042/ bj2060267.

18. Zaichko NV, Pentiuk NO, Melnik AV, Shtatko OI., Andrushko II. Production of hydrogen sulfide in organs of rats. Medical chemistry. 2009;11(4):7-13.

19. Lowry OH, Rosebrough NJ, Farr AL, Randall RJ. Protein measurement with the Folin phenol reagent. J Biol Chem. 1951;193(1):265-275.

20. Song YJ, Zhong CB, Wang XB. Heat shock protein 70: A promising therapeutic target for myocardial ischemia-reperfusion injury. J Cell Physiol. 2019;234(2):1190-207. doi.org/10.1002/ jcp.27110.

21. Kostrycki IM, Wildner G, Donato YH, Dos Santos AB, Beber LCC, Frizzo MN et al. Effects of high-fat diet on eHSP72 and extra-to-intracellular HSP70 levels in mice submitted to exercise under exposure to fine particulate matter. J Diabetes Res. 2019 Jan;2019:4858740. doi.org/10.1155/2019/4858740.

22. Krishnan-Sivadoss I, Mijares-Rojas IA, Villarreal-Leal RA, Torre-Amione G, Knowlton AA, Guerrero-Beltran CE. Heat shock protein 60 and cardiovascular diseases: An intricate lovehate story. Med Res Rev. 2021;41(1):29-71. doi.org/10.1002/med.21723.

23. Chandra D, Choy G, Tang DG. Cytosolic accumulation of HSP60 during apoptosis with or without apparent mitochondrial release: evidence that its pro-apoptotic or pro-survival functions involve differential interactions with caspase-3. J Biol Chem. 2007 Oct;282(43):31289-301. doi. org/10.1074/jbc.M702777200.

Размещено на Allbest.ru