СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ МЕДИАТОРОВ ОСТРОФАЗОВОГО ОТВЕТА (ИЛ-1, ФНО-α и ИЛ-6) НА ПАТТЕРН ДЫХАНИЯ И ВЫЖИВАЕМОСТЬ КРЫС ПРИ ОСТРОЙ НАРАСТАЮЩЕЙ ГИПОКСИИ
PDF

Ключевые слова

«цитокиновый шторм»
острый респираторный дистресс-синдром
нарастающая гипоксемия
паттерн дыхания
апноэ

Как цитировать

Донина, Ж. А., Баранова, Е. В., & Александрова, Н. П. (2021). СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ МЕДИАТОРОВ ОСТРОФАЗОВОГО ОТВЕТА (ИЛ-1, ФНО-α и ИЛ-6) НА ПАТТЕРН ДЫХАНИЯ И ВЫЖИВАЕМОСТЬ КРЫС ПРИ ОСТРОЙ НАРАСТАЮЩЕЙ ГИПОКСИИ. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, 107(8), 996–1006. https://doi.org/10.31857/S0869813921080045

Аннотация

Актуальной проблемой современной медицины является выявление терапевтических мишеней для подавления «цитокинового шторма» при коронавирусной болезни (COVID-19), осложненной острым респираторным дистресс-синдромом (ОРДС) с сопутствующей гипоксемией. Однако ключевой цитокин и его относительный вклад в патогенез ОРДС, приводящий к высокой смертности, до сих пор не определен.

В работе проведена сравнительная оценка влияния повышенного системного уровня провоспалительных цитокинов ИЛ-1β, ФНО-1α и ИЛ-6 на основные компоненты дыхательного цикла (паттерн дыхания) и выживаемость крыс в условиях прогрессивно нарастающей острой гипоксии. Нарастание гипоксии воспроизводили методом «возвратного дыхания» (от нормоксии до апноэ), регистрировали дыхательный объем, частоту дыхания, минутный объем дыхания, оксигенацию крови (SpO2), время наступления апноэ, процент выживаемости в постгипоксический период. Cравнительный анализ проводили при легкой, умеренной и тяжелой степени гипоксии (FIO2 = 15%, 12% и 8%).

Показано, что нарастающая гипоксия сопровождается резким угнетением компенсаторного роста вентиляции легких у крыс с повышенным системным уровнем ИЛ-1β и ФНО-α. Внутривенное введение ИЛ-6, напротив, вызывает интенсивное повышение вентиляции легких по мере нарастания гипоксии. Острая гипоксия (FIO2 < 8%) у всех крыс сопровождалась нарушением ритмичного дыхания, переходящего в апноэ. Постгипоксическое восстановление дыхания (выживание) у групп с ИЛ-1β и ФНО-1α составляло 50%, а с введением ИЛ-6 только 10% по сравнению с контролем. Результаты свидетельствуют, что повышенный уровень ИЛ-6, несмотря на отсутствие дисфункции дыхания на начальном этапе развития патологического процесса, приводит к большей смертности крыс, чем ИЛ-1β и ФНО-1α, что позволяет считать ИЛ-6 ранним прогностическим биомаркером высокого риска летального исхода при тяжелой степени гипоксии.

https://doi.org/10.31857/S0869813921080045
PDF

Литература

Симбирцев АС, Тотолян АА (2015) Цитокины в лабораторной диагностике. Инфекционные болезни: Новости Мнения Обучение 2: 82-98. [Simbircev AS, Totolyan AA (2015) Cytokines in laboratory diagnosis. Infectious diseases: News Views Education 2: 82-98. (In Russ)].

Hocker AD, Stokes AJ, Powell FL, Huxtable AG (2017) The impact of inflammation on respiratory plasticity. Exp Neurol 287:243-253. https://doi.org/10.1016/j.expneurol.2016.07.022

Behrens EM, Koretzky GA (2017) Review: Cytokine storm syndrome: Looking toward the precision medicine era. Arthritis & Rheumatol 69:1135–1143. https://doi.org/10.1002/art.40071

Azkur AK, Akdis M, Azkur D, Sokolowska M, Van De Veen W, Bruggen MC, O’Mahony L, Gao Y, Nadeau K, Akdis AC (2020) Immune response to SARS-CoV-2 and mechanisms of immunopathological changes in COVID-19. Allergy 75:1564–1581. https://doi.org/10.1111/all.14364

Sun X, Wang T, Cai D, Hu Z, Chen J, Liao H, Zhi L, Wei H, Zhang Z, Qiu Y, Wang J, Wang A (2020) Cytokine storm intervention in the early stages of COVID-19 pneumonia. Cytokine Growth Factor Rev 53:38-42. https://doi.org/10.1016/j.cytogfr.2020.04.002

Liu BW, Li M, Zhou ZG, Guan X, Xiang YF (2020) Can we use interleukin-6 (IL-6) blockade for coronavirus disease 2019 (COVID-19)-induced cytokine release syndrome (CRS)? J Autoimmun 111:102452. https://doi.org/10.1016/j.jaut.2020.102452

Huang C, Wang Y, Li X, Ren L, Zhao J, Hu Y, Zhang L, Han G, Xu J, Gu X, Cheng Z, Yu T, Wei Y, Wu W, Xie X, Yin W, Liu M, Xiao Y, Gao H, Guo L, Xie J, Wang G, Jiang R, Gao Z, Jin Q, Wang J, Cao B (2020) Clinical features of patients infected with 2019 novel coronavirus in Wuhan, China. Lancet 395:497-506. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30183-5

Dhont S, Eric Derom E, Braeckel EV, Depuydt P, Lambrecht BN (2020) The pathophysiology of ‘happy’ hypoxemia in COVID-19. Respirat Res 21:198. https://doi.org/10.1186/s12931-020-01462-5

Xie J, Covassin N, Fan Z, Singh P, Gao W, Li G, Kara T, Somers VK (2020) Association between hypoxemia and mortality in patients with COVID-19. Mayo Clin Proc 95:1138-1147. https://doi.org/10.1016/j.mayocp.2020.04.006

Bein T, Grasso S, Moerer O, Quintel M, Guerin C, Deja M, Brondani M, Mehta S (2016) The standard of care of patients with ARDS: ventilatory settings and rescue therapies for refractory hypoxemia. Intensive Care Med 42:699–711. https://doi.org/10.1007/s00134-016-4325-4

Gilbert JA (2018) Advancing towards precision medicine in ARDS. Lancet Respir Med 6:494–495. https://doi.org/10.1016/S2213-2600(18)30156-5

Yee‐Hsee H, Litvin DG, Abigail RZ, Nethery DE, Thomas ED, Jacono FJ (2020) Brainstem inflammation modulates the ventilatory pattern and its variability after acute lung injury in rodents. J Physiol 598:2791-281. https://doi.org/10.1113/JP280060

Hunter CA, Jones SA (2015) IL-6 as a keystone cytokine in health and disease. Nat Immunol 16:448–457. https://doi.org/10.1038/ni.3153

Somers EC, Eschenauer GA, Troost JP, Golob JL, Gandhi TN, Wang L, Zhou N, Petty LA, Baang JH, Dillman NO, Frame D, Gregg KS, Kaul DR, Nagel J, Patel TS, Zhou S, Lauring AS, Hanauer DA, Martin E, Sharma P, Fung CM, Pogue JM (2020) Tocilizumab for treatment of mechanically ventilated patients with COVID-19. Clin Infect Dis 2020 ciaa954 https://doi.org/10.1093/cid/ciaa954

Донина ЖА, Баранова ЕВ, Александрова НП (2019) Ингибирование гиперпродукции оксида азота в условиях прогрессивно нарастающей гипоксии на фоне действия ИЛ-1β снижает выживаемость крыс после острой гипоксии. Рос физиол журн им ИМ Сеченова 105: 1514-1525. [Donina ZhA, Baranova EV, Alexandrova NP (2019) Inhibition of the hyperproduction of nitric oxide during progressively increasing hypoxia under the action of IL-1β reduces the survival of rats after acute hypoxia. Russ J Physiol 105: 1514-1525. (In Russ)]. https://doi.org/10.1134/S0869813919120033

Probert L (2015) TNF and its receptors in the CNS: The essential, the desirable and the deleterious effects. Neuroscience 302:2–22. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2015.06.038

Baig AM, Khaleeq A, Ali U, Syeda H (2020) Evidence of the COVID-19 Virus Targeting the CNS: Tissue Distribution, Host-Virus Interaction, and Proposed Neurotropic Mechanisms. ACS Chem Neuroscie 11:995-998. https://doi.org/10.1021/acschemneuro.0c00122

Liu X, He L, Stensaas L, Dinger B, Fidone S (2009) Adaptation to chronic hypoxia involves immune cell invasion and increased expression of inflammatory cytokines in rat carotid body. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 296:158-166. https://doi.org/10.1152/ajplung.90597.2008

Jacono FJ, Mayer CA, Hsieh Y-H, Wilson CG, Dick TE (2011) Lung and brainstem cytokine levels are associated with breathing pattern changes in a rodent model of acute lung injury. Respir Physiol Neurobiol 178:429-438. https://doi.org/10.1016/j.resp.2011.04.022

Petersen AMW, Pedersen BK (2005) The anti-inflammatory effect of exercise. J Appl Physiol 98:1154-1162. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00164.2004

Pedersen BK, Akerstrom TCA, Nielsen AR, Fischer CP (2007) Role of myokines in exercise and metabolism. J Appl Physiol 103:1093—1098. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00080.2007

Janssen SPM, Gayan-Ramirez G, Van den Bergh A, Herijgers P, Maes K, Verbeken E, Decramer M (2005) Interleukin-6 causes myocardial failure and skeletal muscle atrophy in rats. Circulation 111:996-1005. https://doi.org/10.1161/01.CIR.0000156469.96135.0D

Hamilton C, Steinlechner B, Gruber E, Simon P, Wollenek G (2004) The oxygen dissociation curve: quantifying the shift. Perfusion 19:141–144. https://doi.org/10.1191/0267659104pf734oa

Woyke S, Rauch S, Strohle M, Gatterer H (2021) Modulation of Hb-O2 affinity to improve hypoxemia in COVID-19 patients. Clin Nutr 40:38-39. https://doi.org/10.1016/j.clnu.2020.04.036

Sainburg RL, Clark AL, Billman GE, Schlader ZJ, Mündel T, Milne K (2012) Hypoxia, focus hypobaric hypoxia. Encycl Exerc Med Heal Dis Springer Berlin Heidelberg 428–431. Epub ahead of print.

Verity R, Okell L, Dorigatti I. Winskill P , Whittaker C , Imai N, Cuomo-Dannenburg G , Thompson H, Walker P, Fu H, Dighe A, Griffin JT , Baguelin M, Bhatia S, Boonyasiri A, Cori A, Cucunubá Z, FitzJohn R, Gaythorpe K, Green W, Hamlet A, Hinsley W, Laydon D, Nedjati-Gilani G, Riley S, Elsland S, Volz E, Wang H, Wang Y, Xi X, A Donnelly C, Ghani AC, Ferguson NM (2020) Estimates of the severity of coronavirus disease 2019: a model-based analysis. Lancet Infect Dis 20:669-677. https://doi.org/10.1016/S1473-3099(20)30243-7

Kimura D, Totapally BR, Raszynski A, Ramachandran C, Torbati D (2008) The effects of CO2 on cytokine concentrations in endotoxin-stimulated human whole blood. Crit Care Med 36:2823–2827. https://doi.org/10.1097/CCM.0b013e318186f556

Liu W, Hualan L (2020) COVID-19: Attacks the 1-Beta chain of hemoglobin and captures the porphyrin to inhibit human heme metabolism. Chem Rxiv. Epub ahead of print. https://doi.org/10.26434/chemrxiv.11938173.v4

Komorowski M, Aberegg S (2020) Using applied lung physiology to understand COVID-19 patterns. Br J Anaesth 125:250-253. https://doi.org/10.1016/j.bja.2020.05.019

Ottestad W, Hansen TA, Pradhan G, Stepanek J, Hoiseth LO, Kasin JL (2017) Acute hypoxia in a simulated high-altitude airdrop scenario due to oxygen system failure. J Appl Physiol 123:1443–1450. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00169.2017

Jia HP, Look DC, Shi L, Hickey M, Pewe L, Netland J, Farzan M, Wolford-Lenane C, Perlam S, Paul B, McCray Jr (2005) ACE2 receptor expression and severe acute respiratory syndrome coronavirus infection depend on differentiation of human airway epithelia. J Virol 79:14614–14621. https://doi.org/10.1128/JVI.79.23.14614-14621.2005

Takagishi M, Waki H, Bhuiyan ME, Gouraud SS, Kohsaka A, Cui H, Yamazaki T, Paton JF, Maeda M. Takagishi M, Waki H, Bhuiyan ME, Gouraud SS, Kohsaka A, Cui H, Yamazaki T, Paton JF, Maeda M (2010) IL-6 microinjected in the nucleus tractus solitarii attenuates cardiac baroreceptor reflex function in rats. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 298:183–190. https://doi.org/10.1152/ajpregu.00176.2009