Роль биоэнергетических эффектов цистамина в реализации потенцирования противолучевых свойств радиопротектора в режиме его повторного применения

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Ранее был обнаружен феномен (Б.И. Давыдов, 1971, М.В. Васин, В.В. Антипов, 1972) по потенцированию противолучевых свойств аминотиолов (цистамина) при повторном применении в первые 7 ч последействия препарата с увеличением его активности в 2 раза. Предложена гипотеза по объяснению данного феномена. Механизм противолучевых свойств цистамина связан с частичной нейтрализацией кислородного эффекта с развитием в клетке восстановительного стресса, который не завершается после прекращения защитного действия радиопротектора. В организме на уровне клетки осуществляются механизмы с обратной отрицательной связью, препятствующие в полной мере осуществлению пагубных последствий восстановительного стресса, где ведущую роль занимает транскрипционный индуцируемой гипоксией фактор HIF-1, который усиливает в этих условиях продукцию АТФ за счет гликолиза и тем самым снижает нагрузку на процессы окислительного фосфорилирования в условиях острой гипоксии. При повторном применении цистамина в первые 7 ч его последействия после прекращения его противолучевой активности имеет место усиление проявления восстановительного стресса в виде метаболических сдвигов с развитием глубокой гипотермии у животных до 29°С ректальной температуры, что препятствует реализации действия HIF-1. Эти процессы способствуют более полной реализации пострадиационной репарации разрывов ДНК за счет предоставления для нее большего времени в условиях более длительной гипотермии и митотической блокады под действием цистамина.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Михаил Витальевич Васин

Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования Минздрава РФ; Научно-исследовательский испытательный центр (авиационно-космической медицины и военной эргономики) ЦНИИ ВВС МО РФ

Автор, ответственный за переписку.
Email: vv4sin80@yandex.ru
Россия, Москва; Москва

Игорь Борисович Ушаков

Государственный научный центр – Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна ФМБА РФ

Email: vv4sin80@yandex.ru
Россия, Москва

Роман Владимирович Афанасьев

Научно-исследовательский испытательный центр (авиационно-космической медицины и военной эргономики) ЦНИИ ВВС МО РФ

Email: vv4sin80@yandex.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Paul B.D., Snyder D.H. Therapeutic applications of cysteamine and cystamine in neurodegenerative and neuropsychiatric diseases. Front. Neurol. 2019;10:1315. https://doi.org/10.3389/fneur.2019.01315
  2. Jeitner T.M., Pinto J.T., Cooper A.J.L. Cystamine and cysteamine as inhibitors of transglutaminase activity in vivo. Biosci. Rep. 2018;38(5):BSR20180691. https://doi.org/10.1042/BSR20180691
  3. Palanski B.A., Khosla C. Cystamine and disulfiram inhibit human transglutaminase 2 via an oxidative mechanism. Biochem. 2018;57(24):3359–3363. https://doi.org/10.1021/acs.biochem.8b00204
  4. Fraser-Pitt D., Mercer D.K., Francis M.-L. et al. Cysteamine-mediated blockade of the glycine cleavage system modulates epithelial cell inflammatory and innate immune responses to viral infection. Biochem. Biophys. Res. Commun. (BBRC). 2023;677:168–181.
  5. Shokrollahi B., Fazli A., Morammazi S. et al. Cysteamine administration in lambs grazing on mountain pastures: Effects on the body weight, antioxidant capacity, thyroid hormones and growth hormone secretion. Vet. Med. Sci. 2022;8(1):328–335. https://doi.org/10.1002/vms3.644
  6. Bacq Z.M., Beaumariage M.L., Van Caneghem P. Importance for radioprotective effect in mammals of pharmacological and biochemical actions of cysteamine and related substances. Ann. Ist. Super. Sanita. 1965;1(9):639–645.
  7. Bacq Z.M., Beaumariage M.L., Goutier R., Caneghem P. Van.The state of shock induced by cystamine and cysteamine. Br. J. Pharmacol. 1968;34:202–203.
  8. Plomteux G., Beaumariage M.L., Heusghem C., Bacq Z.M. Increase of certain enzymes in rat plasma following injection of a radioprotective dose of cysteamine. Arch. Int. Pharmacodyn. Ther. 1966;163(1):230–231. [French]
  9. Bacq Z.M. Chemical protection against ionizing radiation. N.Y.: Tomas Press. Springfield, 1965.
  10. Ярмоненко С.П. Влияние цистамина на эндогенное дыхание. Радиобиология. 1961;1(6):903-905. [Yarmonenko S.P. The effect of cystamine on endogenous respiration. Radiobiologiya. 1961;1(6):903–905. (In Russ.)]
  11. Владимиров В.Г. Действие цистамина на окислительное фосфорилирование в селезенке облученных крыс. Бюлл. эксперим. биол. мед. 1962;54(11):55-58. [Vladimirov V.G. Effect of cystamine on oxidative phosphorylation in spleen of irradiated rats. Bull. Exp. Biol. Med. 1962;54(11):55–58. (In Russ.)]
  12. Кузнецов В.И., Танк Л.И. Изменение потребления кислорода эритроцитами под влиянием цистaмина. Радиобиология. 1962;4(1): 2-4. [Kuznesov V.I., Tank L.I. The change in oxygen consumption by red blood cells under the influence of cystamine. Radiobiologiya. 1962;4(1):2–4. (In Russ.)]
  13. Lelièvre P. Action of cystamine and cysteamine on the oxygen consumption and coupled oxidative phosphorylation of the liver mitochondria of rats. Int. J. Radiat. Biol. 1965;9(2):107–113.
  14. Skrede S. Effects of cystamine and cysteamine on the adenosine-triphosphatase activity and oxidative phosphorylation of rat liver mitochondria. Biochem. J. 1966;98(3):702–710.
  15. Давыдов Б.И. Элиминация цистамина в организме и пролонгирование его радиозащитного действия. Проблемы космической биологии Т. 14 (ред. П.П. Саксонов и Б.И. Давыдов). М.: Наука, 1971. С. 137–158. [Davydov B.I. Eliminaciya cistamina v organizme i prolongirovanie ego radiozashhitnogo dejstviya. Problems of space biology (Еd. P.P. Saksonov and B.I. Davydov), Moscow: Nauka, 1971. Р. 137–158. (In Russ.)]
  16. Васин М.В., Антипов В.В. Противолучевая эффективность цистамина при его повторном применении перед воздействием облучения. Радиобиология. 1972;12(6):924-927. [Vasin M.V., Antipov V.V. Radioprotective efficacy of cystamine during its repeated administration before irradiation. Radiobiologiya. 1972;12(6):924–927. (In Russ.)]
  17. Lehninger A.L., Remmert L.F. An endogenous uncoupling and swelling agent in liver mitochondria and its enzymic formation. J. Biol. Chem. 1959;234:2459–2464.
  18. Lehninger A.L., Schneider M. Mitochondrial swelling induced by glutathione. J. Biophys. Biochem. Cytol. 1959;5(1):109–116.
  19. Firket H., Lelièvre P. Effect of cystamine on the respiration, oxidative phosphorylation and ultrastructure of the mitochondria of the rat. Int. J. Radiat. Biol. Relat. Stud. Phys. Chem. Med. 1966;10(4):403–415.
  20. Dawson T.L., Gores G.J., Nieminen A.L. et al. Mitochondria as a source of reactive oxygen species during reductive stress in rat hepatocytes. Am. J. Physiol. Cell. Physiol. 1993;264(4. Pt. 1):C961–967. https://doi.org/10.1152/ajpcell.1993.264.4.C961
  21. Garlid K.D., Paucek P. The mitochondrial potassium cycle. IUBMB Life. 2001;52(3-5):153-158. https://doi.org/10.1080/15216540152845948
  22. Kaasik A.I., Safiulina D., Regulation of mitochondrial matrix volume. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 2007;292(1): C157–C63. https://doi.org/10.1152/ajpcell.00272.2006
  23. Fernandez-Gomez F.J., Galindo M.F., Gómez-Lázaro M. et al. Malonate induces cell death via mitochondrial potential collapse and delayed swelling through an ROS-dependent pathway. Br. J. Pharmacol. 2005;144(4):528–537. https://doi.org/10.1038/sj.bjp.0706069
  24. Hawkins B.J., Levin M.D., Doonan P.J. et al. Mitochondria l complex II prevents hypoxic but not calcium- and proapoptotic Bcl-2 protein-induced mitochondrial membrane potential loss. J. Biol. Chem. 2010;285(34):26494–26505. https://doi.org/10.1074/jbc.M110.143164
  25. Kraus-Friedmann N. Glucagon-stimulated respiration and intracellular Ca2+. FEBS Lett. 1986;201(1):133–136. https://doi.org/10.1016/0014-5793(86)80585-3
  26. Mohan C., Memon A.R., Bessman S.P. Differential effects of insulin, epinephrine, and glucagon on rat hepatocyte mitochondrial activity. Arch. Biochem. Biophys. 1991;287(1):18–23. https://doi.org/10.1016/0003-9861(91)90382-s
  27. Akopova O., Nosar V., Gavenauskas B. et al. The effect of АТР-dependent potassium uptake on mitochondrial functions under acute hypoxia. Bioenerg. Biomembr. 2016;48(1):67–75. https://doi.org/10.1007/s10863-015-9642-8
  28. Kehrer J.P., Lund L.G. Cellular reducing equivalents and oxidative stress. Free Radic. Biol. Med. 1994;17(1):65-75. https://doi.org/10.1016/0891-5849(94)90008-6
  29. Васин М.В., Ушаков И.Б., Бухтияров И.В. Cтресс-реакция и состояние биохимического шока как взаимосвязанные и неизбежные компоненты при формировании повышенной радиорезистентности организма в условиях острой гипоксии. Изв. РАН. Серия биол. 2018(1):83–92. https://doi.org/10.7868/S0002332918010113 [Vasin M.V., Ushakov I.B., Bukhtiyarov I.V. Stress reaction and biochemical shock as interrelated and unavoidable components in the formation of high radioresistance of the body in acute hypoxia. Biol. Bull. 2018;45(1):73–81. https://doi.org/10.7868/S0002332918010113
  30. Manford A.G., Rodrıguez-Perez F., Karen Y. et al. A cellular mechanism to detect and alleviate reductive stress. Cell. 2020;183:46–61. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.08.034
  31. Васин М.В., Саксонов П.П., Антипов В.В., Шашков В.С. Противолучевая активность аминотиолов и зависимость от дозы и срока его применения при различных условиях облучения. Радиобиология. 1970;10(3):380–385 [Vasin M.V., Saksonov P.P., Antipov V.V., Shashkov V.S. Radioprotective activity of aminothiols and dependence on the dose and duration of its administration under various radiation conditions. Radiobiologiya. 1970;10(3):380–385. (In Russ.)]
  32. Гребенюк А.Н., Удинцев А.В. Влияние цистамина на систему глутатиона. Радиац. биология. Радиоэкология. 1997;37(6):905–909 [Grebenyuk A.N., Udintsev A.V. Effect of cystamine on the state of glutathione system. Radiats. biol. Radioecol. 1997;37(6):905–909. (In Russ.)]
  33. Овакимов В.Н., Ярмоненко С.П. Адаптация к гипоксии как фактор, модифицирующий ее радиозащитный эффект. Мед. радиол. 1974;19(6):49–53. [Ovakimov V.N., Yarmonenko S.P. Adaptation to hypoxia as a factor modifying its radioprotective effect. Med. Radiol. 1974;19(6):49–53. (In Russ.)]
  34. Ярмоненко С.П., Эпштейн И.М. Кислородный эффект и внутриклеточное содержание кислорода (адаптационная гипотеза). Радиобиология. 1977;17(3):323–335 [Yarmonenko S.P., Epshtein I.M. Oxygen effect and the intracellular oxygen content (adaptation hypothesis). Radiobiologiya. 1977;17(3):323–335. (In Russ.)]
  35. Mundy R., Heiffer M., Melmann B. The pharmacology of radioprotectant medical. Biological changes in the dog following mercaptoethylamine (MEA). Arch. Int. Pharmacodyn. 1961;30(3):354–367.
  36. Васин М.В., Ушаков И.Б., Антипов В.В. Потенциальная роль реакции катехоламинов на острую гипоксию в модификации противолучевого действия радиопротекторов. Бюлл. эксперим. биол. мед. 2015;159(5):549–552. [Vasin M.V., Ushakov I.B., Antipov V.V. The potential role of the reaction of catecholamines to acute hypoxia in the modification of the radioprotective effect of radioprotectants. Bull. exp. biol. med. 2015;159(5):549–552. (In Russ.)]
  37. Engholm M ., Pinilla E., Mogensen S.et al. Involvement of transglutaminase 2 and voltage-gated potassium channels in cystamine vasodilatation in rat mesenteric small arteries. Br. J. Pharmacol. 2016;173(5):839–855.
  38. Васин М.В., Давыдов Б.И., Антипов В.В., Саксонов П.П. Влияние γ-облучения на элиминацию токсического эффекта цистамина. В кн.: Проблемы космической биологии, Т. 14 (Ред. П.П. Саксонов, Б.И. Давыдов), М.: Наука, 1971. С. 158–163. [Vasin M.V., Davydov B.I., Antipov V.V., Saksonov P.P. Effect of γ-exposure on elimination of toxic effect of cystamine. In: Problems of space biology. V. 14 (ed. P.P. Saksonov, B.I. Davydov). Moscow: Nauka, 1971. Р. 158–163. (In Russ.)]
  39. Васин М.В., Давыдов Б.И., Антипов В.В. Сравнительная элиминация радиозащитного и токсического эффекта цистамина. Радиобиология. 1971;11(4):51–521. [Vasin M.V., Davydov B.I., Antipov V.V. Comparative elimination of the radioprotective and toxic effects of cystamine. Radiobiologiya. 1971;11(4):517–521. (In Russ.)]
  40. Utley J.F., Seaver N., Newton G.L., Fahey R.C. Pharmacokinetics of WR-1065 in mouse tissue following treatment with WR-2721. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 1984;10(9):1525–528. https://doi.org/10.1016/0360-3016(84)90495-4
  41. Khomenko T., Deng X., Sandor Z. et al. Cysteamine alters redox state, HIF-1alpha transcriptional interactions and reduces duodenal mucosal oxygenation: novel insight into the mechanisms of duodenal ulceration. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2004;317(1):121–127. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2004.03.017
  42. Chee N.T., Lohse I., S. P. Brothers S.P. mRNA-to-protein translation in hypoxia. Mol. Cancer. 2019;18(1):49. https://doi.org/10.1186/s12943-019-0968-4
  43. Ravi, Kumar A., Bhattacharyya S., Singh J. Thiol reductive stress activates the hypoxia response pathway. EMBO J. 2023;42(22):e114093
  44. Murray D. Aminothiols. In Radioprotectors. Chemical, Biological and Clinical perspectives. Ed. E.A. Bump, and K. Malaker. N.Y.: CRC Press, 1997. P. 53–-91.
  45. Jeitner T.M., Lawrence D.A. Mechanisms for the cytotoxicity of cysteamine. Toxicol. Sci. 2001;63(1):57–64. https://doi.org/10.1093/toxsci/63.1.57
  46. Vos O. Role of endogenous thiols in protection. Adv. Space Res. 1992;12(2-3):201–207. https://doi.org/10.1016/0273-1177(92)90109-b
  47. Prager A., Terry H.A., Murray D. Influence of intracellular thiol and polyamine levels on radioprotection by aminothiols. Int. J. Radiat. Biol. 1993;64(1):71–81. https://doi.org/10.1080/09553009314551121
  48. Allalunis-Turner M.J. Reduced bone marrow pO2 following treatment with radioprotective drug. Radiat. Res. 1990;122(3):262–267.
  49. Васин M.B. Сравнительное изучение влияния цистамина, цистафоса, мексамина на потребление кислорода, температуру тела и на устойчивость организма к гипоксической гипоксии. Радиобиология. 1975;15(5):795. ВИНИТИ, № 1467-75 (М., 1975) [Vasin M.V. Comparative study of the effects of cystamine, cystaphos, mexamine on oxygen consumption, body temperature and on body resistance to hypoxic hypoxia. Radiobiologyа. 1975;15(5):795. VINITI, Moscow. 1975. № 1467–75. (In Russ.)]
  50. Xiao W., Wang R.S., Handy D.E., Loscalzo J. NAD(H) and NADP(H) redox couples and cellular energy metabolism. Antioxid. Redox Signal. 2018;28(3):251–172. https://doi.org/10.1089/ars.2017.7216
  51. Hrycushko B.A., Chopra R., Sayre J.W. et al. Local hypothermia as a radioprotector of the rectal wall during prostate stereotactic body radiation therapy. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 2017;98(1):75–82. https://doi.org/10.1016/j.ijrobp.2017.01.017
  52. Xiao W., Loscalzo J. Metabolic responses to reductive stress. Antioxid. Redox Signal. 2020;32:1330–1347. https://doi.org/10.1089/ars.2019.7803
  53. Michiels C. Physiological and pathological responses to hypoxia. Am. J. Pathol. 2004;164(6):1875–1882. https://doi.org/10.1016/S0002-9440(10)63747-9
  54. Corbucci G.G., Marchi A., Lettieri B., Luongo C. Mechanisms of cell protection by adaptation to chronic and acute hypoxia: molecular biology and clinical practice. Minerva Anestesiol. 2005;71(11):727–740.
  55. Brown G.C. Regulation of mitochondrial respiration by nitric oxide inhibition of cytochrome c oxidase. Biochim. Biophys. Acta (BBA) – Bioenergetics. 2001;1504(1):46–57. https://doi.org/10.1016/S0002-9440(10)63747-9
  56. Morakinyo M.K., Chipinda I., Hettick J. et al. Detailed mechanistic investigation into the S-nitrosation of cysteamine. Can. J. Chem. 2012;9(9):724–738. https://doi.org/10.1139/v2012-051
  57. Ozaki T., Kaibori M., Matsui K. et al. Effect of thiol-containing molecule cysteamine on the induction of inducible nitric oxide synthase in hepatocytes. J. Parenter. Enteral. Nutr. 2007;31(5):366–371. https://doi.org/10.1177/0148607107031005366
  58. Szabó C., Ferrer-Sueta G., Zingarelli B. et al. Mercaptoethylguanidine and guanidine inhibitors of nitric-oxide synthase react with peroxynitrite and protect against peroxynitrite-induced oxidative damage. J. Biol. Chem. 1997;272(14):9030–9036. https://doi.org/10.1074/jbc.272.14.903
  59. Eker P., Pihl A. Studies on the growth-inhibiting and radioprotective effect of cystamine, cysteamine, and aet on mammalian cells in tissue culture. Radiat. Res. 1964;21:165–179.
  60. Jeitner T.M., Delikatny E.J., Bartier W.A. et al. Inhibition of drug-naive and -resistant leukemia cell proliferation by low molecular weight thiols. Biochem. Pharmacol. 1998;55(6):793–802. https://doi.org/10.1016/S0006-2952(97)00575-3
  61. Jeitner T.M., Renton F.J. Inhibition of the proliferation of human neural neoplastic cell lines by cysteamine. Cancer Letters. 1996;103(1.):85–90. https://doi.org/10.1016/0304-3835(96)04200-0
  62. Jeitner T.M., Kneale C.L. Thiol-bearing compounds selectively inhibit protein kinase C-dependent oxidative events and proliferation in human T cells. Biochim. Biophys. Acta. 1994;1223(1):15–22. https://doi.org/0.1016/0167-4889(94)90068-X
  63. Korystov Yu.N., Vexler F.B. Mechanisms of the radioprotective effect of cysteamine in Escherichia coli. Radiat. Res. 1998;114(3):550–555.
  64. Сайкова В.А., Свердлов А.Г. Влияние гипертермии на радиозащитное действие цистамина и изопротеренола. Радиобиология. 1985;25(6):798-801. [Saikova V.A., Sverdlov A.G. Effect of hyperthermia on radioprotective properties of cystamine and isoproterenole. Radiobiologiya. 1985;25(6):798–801. (In Russ)]

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Динамика снижения ректальной температуры у мышей после однократного или двукратного (с интервалом 2 ч) применения цистамина (100 мг/кг) за 5 мин перед γ-облучением в дозе 10 Гр [49]: 1 – биологический контроль при отсутствии кормления в течение 5 ч; 2 – пребывание мышей в термокамере при температуре –13°C в течение 2 ч; 3 – пребывание мышей в термокамере при температуре –13°C в течение 2 ч + цистамин; 4 – цистамин + через 2 ч цистамин; 5 – цистамин.

Скачать (83KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024