ИНГИБИРОВАНИЕ АУТОФАГИИ И АПОПТОЗА ИНСУЛИНОМ КАК ОСНОВА ЕГО НЕЙРОПРОТЕКТОРНОГО ДЕЙСТВИЯ НА НЕЙРОНЫ КОРЫ МОЗГА КРЫС ПРИ ОКИСЛИТЕЛЬНОМ СТРЕССЕ IN VITRO
PDF

Ключевые слова

нейроны коры мозга
окислительный стресс
инсулин
аутофагия
апоптоз

Аннотация

Инсулин является одним из наиболее перспективных нейропротекторов. Существенным пробелом в понимании механизма его действия является отсутствие данных о том, способен ли он предотвращать аутофагическую гибель нейронов. Целью нашей работы была оценка вклада аутофагии и апоптоза в гибель нейронов коры мозга крыс в культуре при окислительном стрессе и изучение способности инсулина предотвращать эту гибель и ингибировать процессы аутофагии и апоптоза в нервных клетках. Изучено влияние перекиси водорода и инсулина на уровень двух основных маркеров аутофагии (LC3BII и SQSTM1/p62) и маркера апоптоза (расщепленная каспаза-3). Для оценки жизнеспособности нейронов использовали МТТ-тест, для измерения уровня маркерных белков применяли иммуноблоттинг. Найдено, что окислительный стресс вызывает активацию аутофагии и апоптоза в нейронах. Это проявляется в достоверном увеличении маркеров аутофагии LC3B-II и апоптоза (расщепленной каспазы-3) и в снижении уровня белка SQSTM1/p62. Содержание SQSTM1/p62, участвующего в образовании аутофагосом, снижается при активации аутофагии, т.к. белок подвергается деструкции в лизосомах. Перекись водорода вызывает аутофагическую и апоптотическую гибель нейронов, о чем свидетельствует значительное увеличение жизнеспособности нейронов в условиях окислительного стресса при действии ингибиторов аутофагии (3-метиладенина) и апоптоза (z-DEVD-FMK). В свою очередь инсулин, предотвращая гибель нейронов при окислительном стрессе, препятствует развитию аутофагии, вызывая снижение уровня липидированной формы LC3B-II и увеличение уровня SQSTM1/p62, и апоптоза, уменьшая уровень расщепленной каспазы-3. Защитное действие инсулина опосредуется активацией специфических сигнальных путей, связанных с рецепторами инсулина и IGF-1. Так, ингибитор рецепторов инсулина и IGF-1 BMS-754807 полностью блокирует нейропротекторный эффект инсулина. Таким образом, ярко выраженная активация аутофагии при окислительном стрессе является одной из причин гибели нейронов, а защита нейронов инсулином связана с подавлением не только апоптотической, но и аутофагической гибели этих клеток.

https://doi.org/10.31857/S0044452923050091
PDF

Литература

Fan LW, Carter K, Beatt A, Pang Y (2019) Rapid transport of insulin to the brain following intranasal administration in rats. Neural Regen Res 14: 1046–1051. https://doi.org/10.4103/1673-5374.250624

Tashima T (2020) Shortcut approaches to substance delivery into the brain based on intranasal administration using nanodelivery strategies for insulin. Molecules 25 (21): 5188. https://doi.org/10.3390/molecules25215188

Farzampour S, Majdi A, Sadigh-Eteghad S (2016) Intranasal insulin treatment improves memory and learning in a rat amyloid-beta model of Alzheimer's disease. Physiol Int 103 (3): 344–353. https://doi.org/10.1556/2060.103.2016.3.7

Guo Z, Chen, Y, Mao YF, Zheng T, Jiang Y, Yan Y, Yin X, Zhang B (2017) Long-term treatment with intranasal insulin ameliorates cognitive impairment, tau hyperphosphorylation, and microglial activation in a streptozotocin-induced Alzheimer’s rat model. Sci. Rep 7: 45971. https://doi.org/10.1038/srep45971

Craft S, Raman R, Chow TW, Rafii MS, Sun CK, Rissman RA, Donohue MC, Brewer JB, Jenkins C, Harless K, Gessert D, Aisen PS. (2020) Safety, Efficacy, and Feasibility of Intranasal Insulin for the Treatment of Mild Cognitive Impairment and Alzheimer Disease Dementia. JAMA Neurol. 77(9):1099–1109. https://doi.org/10.1001/jamaneurol.2020.1840

Hallschmid M (2021) Intranasal Insulin for Alzheimer's Disease. CNS Drugs 35 (1): 21–37. https://doi.org/10.1007/s40263-020-00781-x

Woodfield A, Gonzales T, Helmerhorst E, Laws S, Newsholme P, Porter T, Verdile G (2022) Current Insights on the Use of Insulin and the Potential Use of Insulin Mimetics in Targeting Insulin Signalling in Alzheimer's Disease. Int J Mol Sci. 23 (24):15811. https://doi.org/10.3390/ijms232415811

Russo V, Candeloro P, Malara N, Perozziello G, Iannone M, Scicchitano M, Mollace R, Musolino V, Gliozzi M, Carresi C (2019) Key role of cytochrome C for apoptosis detection using Raman microimaging in an animal model of brain ischemia with insulin treatment. Appl Spectrosc 73 (10): 1208–1217. https://doi.org/10.1177/0003702819858671

Rizk NN, Rafols JA, Dunbar JC (2006) Cerebral ischemia-induced apoptosis and necrosis in normal and diabetic rats: effects of insulin and C-peptide. Brain Res 1096 (1): 204–212. https://doi.org/10.1016/j.brainres.2006.04.060

Sanderson TH, Kumar R, Murariu-Dobrin AC, Page AB, Krause GS, Sullivan JM (2009) Insulin activates the PI3K-Akt survival pathway in vulnerable neurons following global brain ischemia. Neurol Res. 31 (9): 947–958. https://doi.org/10.1179/174313209X382449

Zorina I I, Zakharova I O, Bayunova L V, Avrova N F (2018) Insulin administration prevents accumulation of conjugated dienes and trienes and inactivation of Na+, K+-ATPase in the rat cerebral cortex during two-vessel forebrain ischemia and reperfusion. J Evol Biochem Physiol 54 (3): 246–250. https://doi.org/10.1134/S0022093018030109

Zorina II, Fokina EA, Zakharova IO, Bayunova LV, Shpakov AO (2019) Features of the changes in lipid peroxidation and activity of Na+/K+-ATPase in the brain of the aged rats in the conditions of two-vessel cerebral ischemia/reperfusion. Adv Gerontol 32 (6): 941–947.

Huang SM, Tsai SY, Lin JA, Wu C-., Yen G-C (2012) Cytoprotective effects of hesperetin and hesperidin against amyloid β-induced impairment of glucose transport through downregulation of neuronal autophagy. Mol Nutr Food Res 5: 601–609. https://doi.org/10.1002/mnfr.201100682

Wang M, Li Y.-J, Ding Y, Zhang H-N, Sun T, Zhang K, Yang L, Guo Y-Y, Liu S-B, Zhao M-G, Qu Y-M (2016) Silibinin prevents autophagic cell death upon oxidative stress in cortical neurons and cerebral ischemia-reperfusion injury. Mol Neurobiol 53: 932–943. https://doi.org/10.1007/s12035-014-9062-5

Li L, Tian J, Long MK-W, Chen Y, Lu J, Zhou C, Wang T (2016) Protection against experimental stroke by ganglioside GM1 is associated with the inhibition of autophagy. PLoS One 11: e0144219. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0144219

Hu Y, Zhou H, Zhang H, Sui Y, Zhang Z, Zou Y, Li K, Zhao Y, Xie J, Zhang L (2022) The neuroprotective effect of dexmedetomidine and its mechanism. Front Pharmacol 13: 965661. eCоllection 2022. https://doi.org/10.3389/fphar.2022.965661

Zhang H, Wang X, Chen W, Yang Y, Wang Y, Wan H, Zhu Z (2023) Danhong injection alleviates cerebral ischemia-reperfusion injury by inhibiting autophagy through miRNA-132-3p/ATG12 signal axis. J Ethnopharmacol 300: 115724. https://doi.org/10.1016/j.jep.2022.115724

Nabavi SF, Sureda A, Sanches-Silva A, Pandima DK, Ahmed T, Shahid M (2019) Novel therapeutic strategies for stroke: the role of autophagy. Critical Rev Clin Lab Sci 56 (3): 182–199. https://doi.org/10.1080/10408363.2019.1575333

Campbell BCV, Khatri P (2020) Stroke. Lancet 396 (10244): 149–142. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)31179-X

He C, Xu Y, Sun J, Li L, Zhang JH, Wang Y (2023) Autphagy and apoptosis in acute brain injuries: From mechanism to treatment. Antioxid Redox Signal 38 (1-3): 234–257. https://doi.org/10.1089/ars.2021.0094

Fokina EA, Zakharova IO, Bayunova LV, Avrova DK, Ilyasov IO, Avrova NF (2023) Intranasal insulin decreases autophagic and apoptotic death of neurons in the rat hippocampal C1 region and frontal cortex under forebrain ischemia–reperfusion. J Evol Biochem Physiol 59 (1): 45-57. https://doi.org/10.1134/S0022093023010040

Dichter MA (1978) Rat cortical neurons in cell culture: culture methods, cell morphology, electrophysiology, and synapse formation. Brain Res 149: 279–293. https://doi.org/10.1016/0006-8993(78)90476-6

Mironova EV, Evstratova AA, Antonov SM (2007) A fluorescence vital assay for the recognition and quantification of excitotoxic cell death by necrosis and apoptosis using confocal microscopy on neurons in culture. J Neurosci Methods 163 (1): 1–8. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2007.02.010

Hansen MB, Nielsen SE, Berg K (1989) Re-examination and further development of a precise and rapid dye method for measuring cell growth/cell kill. Immunol Methods 119 (2): 203–210. https://doi.org/10.1016/0022-1759(89)90397-9

Zakharova.O, Sokolova TV, Bayunova LV, Vlasova YA, Rychkova MP, Avrova NF (2012) α-Tocopherol in nanomolar concentrations protects PC12 cells from hydrogen peroxide-induced death and modulates protein kinase activities. Int J Mol Sci 13: 11543–11668. https://doi.org/10.3390/ijms130911543

Zakharova IO, Sokolova TV, Zorina II, Bayunova LV, Rychkova MP, Avrova NF (2018) Protective effect of insulin on rat cortical neurons in oxidative stress and its dependence on modulation of protein kinase B (Akt) activity. J Evol Biochem Physiol 54 (3): 192–205. https://doi.org/10.134/S0022093018030043

Zhou H, Wang J, Jiang J, Stavrovskaya IG, Li M, Li W, Wu Q, Zhang X, Luo C, Zhou S, Sirianni AC, Sarkar S, Kristal BS, Friedlander RM, Wang X (2014) N-acetyl-serotonin offers neuroprotection through inhibiting mitochondrial death pathways and autophagic activation in experimental models of ischemic injury. J Neurosci 34: 2967–2978. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1948-13.2014

Li X, Wang M, Qin C, Fan W-H, Tian D-S, Liu J-L (2017) Fingolimod suppresses neuronal autophagy through the mTOR/p70S6K pathway and alleviates ischemic brain damage in mice. PloS One 12: e0188748. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0188748

Moller AB, Voss TS, Vendelbo MH, Pedersen SB, Moller N, Jessen N (2018) Insulin inhibits autophagy signaling independent of counter-regulatory hormone levels, but does not affect the effects of exercise. J Appl Physiol 125: 1204–1209. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00490.2018

Ribeiro M, Lopes de Figueroa P, Blanco FJ, Mendes AF, Carames B (2016) Insulin decreases autophagy and leads to cartilage degradation. Osteoarthritis and Cartilage 24 (4): 731–739. https://doi.org/10.1016/j.joca.2015.10.017

Barber AJ, Nakamura M, Wolpert EB, Reiter CE, Seigel GM, Antonetti DA, Gardner TW (2001) Insulin rescues retinal neurons from apoptosis by a phosphatidylinositol 3-kinase/Akt-mediated mechanism that reduces the activation of caspase-3. J Biol Chem 276 (35):32814–32821. https://doi.org/10.1074/jbc.M104738200

Yu XR, Jia GR, Gao GD, Wang SH, Han Y, Cao W. (2006) Neuroprotection of insulin against oxidative stress-induced apoptosis in cultured retinal neurons: involvement of phosphoinositide 3-kinase/Akt signal pathway. Acta Biochim Biophys Sin (Shanghai) 38 (4): 241–248. https://doi.org/10.1111/j.1745-7270.2006.00152.x

Liu Q, Wang Z, Cao J, Dong Y, Chen Y (2023) Insulin ameliorates dim blue light at night-induced apoptosis in hippocampal neurons via the IR/IRS1/AKT/GSK3β/β-catenin signaling pathway. Ecotoxicol Environ Saf 250: 114488. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2022.114488

Minokoshi Y, Alquier T, Furukawa N, Kim YB, Lee A, Xue B, Mu J, Foufelle F, Ferre P, `Birnbaum MJ, Stuck B.J, Kahn BB (2004) AMP-kinase regulates food intake by responding to hormonal and nutrient signals in the hypothalamus. Nature 428: 569–574. https://doi.org/10.1038/nature02440

Valentine RJ, Coughlan KA, Ruderman NB, Saha AK (2014) Insulin inhibits AMPK activity and phosphorylates AMPK Ser485/491 through Akt in hepatocytes, myotubes and incubated rat skeletal muscle. Arch Biochem Biophys 562: 62–69. https://doi.org/10.1016/j.abb.2014.08.013

Zakharova IO, Sokolova TV, Bayunova LV, Zorina II, Rychkova MP, Shpakov AO, Avrova NF (2019) The protective effect of insulin on rat cortical neurons in oxidative stress and its dependence on the modulation of Akt, GSK-3beta, ERK1/2, and AMPK Activities. Int J Mol Sci 20 (15): 3702. https://doi.org/10.3390/ijms20153702

Collino M, Aragno M, Castiglia S, Tomasinelli C, Thiemermann C, Boccuzzi G, Fantozzi R (2009) Insulin reduces cerebral ischemia/reperfusion injury in the hippocampus of diabetic rats: a role for glycogen synthase kinase-3beta. Diabetes 58 (1):235–242. https://doi.org/10.2337/db08-0691

Kim B, Sullivan KA, Backus C, Feldman EL (2011) Cortical neurons develop insulin resistance and blunted Akt signaling. A potential mechanism contributing to enhanced ischemic injury in diabetes. Antioxid Redox Sign 14: 1829–1839. https://doi.org/10.1089/ars.2010.381632

Duarte, AI, Santos P, Oliveira CR, Santos MS, Rego AC (2008) Insulin neuroprotection against oxidative stress is mediated by Akt and GSK-3 signaling pathways and changes in protein expression. Biochim Biophys Acta 1783: 994–1002. https://doi.org/10.1016/j.bbamcr.2008.02.016