Ulyanovsk Medico-biological Journal

PHYSIOLOGY

Download  article

DOI 10.34014/2227-1848-2020-1-138-149

 

EFFECT OF LIPOPOLYSACCHARIDE FROM SALMONELLA TYPHI CELLS ON BLOOD CIRCULATION AND RESPIRATION OF ANESTHETIZED RATS

T.S. Tumanova1, E.A. Gubarevich2, V.G. Aleksandrov1, 2

1 Pavlov Institute of Physiology of the Russian Academy of Sciences, St.-Petersburg, Russia;

2 Herzen State Pedagogical University of Russia, St.-Petersburg, Russia

 

In order to understand the processes, which cause respiration disturbance and impaired circulation during the development of a systemic inflammatory response (SIR) it is necessary to study the mechanisms which implement the cardiorespiratory effects of an increased systemic level of bacterial lipopolysaccharides (LPS). LPS obtained from various bacteria differ in the composition that determines their toxicity.

The aim of the present study was to experimentally test the hypothesis that LPS isolated from bacterium Salmonella tуphi (S. tуphi) cells could affect reflexes involved in circulation and breathing control.

Materials and Methods. The authors recorded blood pressure, pneumotachogram and diaphragm electromyogram in acute experiments on Wistar rats (n=23, weight 200–225 g), anesthetized with urethane (1800 mg/kg, i.p.). Theу also calculated mean arterial pressure, heart rate, breathing capacity and respiratory minute volume. Baroreflex was tested by intravenous phenylephrine administration, which caused a dose-dependent blood pressure rise and, as a result, a reflex heart rate fall. The strength of the inspiratory inhibitory reflex (IIR) was evaluated by functional vagotomy. The values of the studied parameters were evaluated before and after intravenous administration of the physiologic saline, or the saline containing 100 μg of LPS. Parameter differences from the initial and control values were evaluated according to Mann–Whitney criterion and considered relevant at p<0.05.

Results. LPS administration led to a significant blood pressure, heart rate and ventilation increase. 60 minutes after LPS administration, baroreflex strength index decreased by an average 34±14 % of the initial value and remained at that level until the end of the experiment. The IIR strength also decreased, reaching 93±4 % of the initial value. Differences were significant at p<0.05.

Conclusion. The results obtained prove that LPS from S. tуphi cells suppress the reflex mechanisms, which regulate blood circulation and respiration.

Keywords: bacterial lipopolysaccharide, Salmonella tуphi, circulation, respiration, arterial baroreflex, inspiratory-inhibitory reflex.

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

 

References

  1. Heumann D., Roger T. Initial responses to endotoxins and Gram-negative bacteria. Clin. Chim. Acta. 2002; 323 (1-2): 59–72.

  2. Yang H. Cellular events mediated by lipopolysaccharide-stimulated toll-like receptor 4MD-2 is required for activation of mitogen-activated protein kinases and Elk-1. J. Biol. Chem. 2000; 275 (27): 20861–20866.

  3. Singer M., Deutschman C.S., Seymour C.W. The Third International Consensus Definitions for Sepsis and Septic Shock (Sepsis-3). JAMA. 2016; 315 (8): 801–810. DOI: 10.1001/jama.2016.0287.

  4. Marik P.E., Taeb A.M. SIRS, qSOFA and new sepsis definition. J. Thorac. Dis. 2017. 9 (4): 943–945. DOI: 10.21037/jtd.2017.03.125.

  5. Simpson B.W., Trent M.S. Pushing the envelope: LPS modifications and their consequences. Nat. Rev. Microbiol. 2019; 17 (7): 403–416. DOI: 10.1038/s41579-019-0201-x.

  6. Tsukamoto H. Lipopolysaccharide-binding protein-mediated Toll-like receptor 4 dimerization enables rapid signal transduction against lipopolysaccharide stimulation on membrane-associated CD14-expressing cells. Int. Immunol. 2010; 22 (4): 271–280.

  7. Steven S. Time response of oxidative/nitrosative S-stress and inflammation in LPS-induced endotoxemia – a comparative study of mice and rats. Int. J. Mol. Sci. 2017; 18 (10): 2176.

  8. Voloshina E.V., Zubova S.V., Prokhorenko S.V. Sravnenie effektov raznykh khemotipov lipopolisakharidov iz Escherichia Coli i Salmonella na sintez TNF-α i IL-6 makrofago-podobnymi kletkami TNR-1 [Comparison of different lipopolysaccharide chemotypes from Escherichia Coli and Salmonella upon synthesis of TNF-α and IL-6 by macrophage-like THP-1 cells]. Meditsinskaya immunologiya. 2009; 11 (6): 509–514 (in Russian).

  9. Shangze G. Histidine rich glycoprotein ameliorates endothelial barrier dysfunction through regulation of NFκB and MAPK signal pathway. Br. J. Pharmacol. 2019; 176 (15): 2808–2824.

  10. Koike-Kiriyama N., Adachi Y., Iwasaki M. High mortality rate of (NZW×BXSB) F1 mice induced by administration of lipopolysaccharide attributes to high production of tumor necrosis factor-alpha by increased numbers of dendritic cells. Clin. Exp. Immunol. 2008; 154: 285–293.

  11. Stahl O. Mimicry of human sepsis in a rat model – prospects and limitations. J. Surg. Res. 2013; 179 (1): e167–e175.

  12. Altavilla D., Squadrito G., Minutoli L. Inhibition of nuclear factor-kappaB activation by IRFI 042, protects against endotoxin-induced shock. Cardiovasc. Res. 2002; 54: 684–693.

  13. Aleksandrova N.P., Danilova G.A. Effect of intracerebroventricular injection of interleukin-1beta on the ventilatory response to hyperoxic hypercapnia. Eur. J. Med. Res. 2010; 15 (II): 3–6.

  14. Aleksandrova N.P. Tsitokiny i rezistivnoe dykhanie [Cytokines and resistive respiration]. Fiziologiya cheloveka. 2012; 38 (2): 119–129 (in Russian).

  15. Aleksandrova N.P., Merkur'ev V.A., Aleksandrov V.G. Vliyanie interleykina-1 na pattern dykhaniya i inspiratorno-tormozyashchiy refleks Geringa–Breyera [Influence of interleukin-1β on breathing pattern and inspiratory inhibitory Hering-Breuer reflex]. Vestnik TvGU. Ser. Biologiya i ekologiya. 2013; 2: 9–17 (in Russian).

  16. Aleksandrova N.P., Merkur'ev V.A., Tumanova T.S., Aleksandrov V.G. Mekhanizmy modulyatsii reflektornogo kontrolya dykhaniya pri povyshenii sistemnogo urovnya provospalitel'nogo tsitokina interleykina-1β [Modulation mechanisms of reflex respiration control with increasing systemic level of pro-inflammatory cytokine interleukin-1β]. Rossiyskiy fiziologicheskiy zhurnal im. I.M. Sechenova. 2015; 101 (10): 1158–1168 (in Russian).

  17. Aleksandrov V.G., Aleksandrova N.P., Tumanova T.S., Evseeva A.D., Merkur'ev V.A. Uchastie NO-ergicheskikh mekhanizmov v realizatsii respiratornykh effektov provospalitel'nogo tsitokina interleykina 1beta [Contribution of NO-ergic mechanisms to implementation of respiratory effects of pro-inflammatory cytokine interleukin 1-β]. Rossiyskiy fiziologicheskiy zhurnal im. I.M. Sechenova. 2015; 101 (12): 1373–1385 (in Russian).

  18. Aleksandrov V.G., Tumanova T.S., Aleksandrova N.P. Diklofenak ustranyaet dykhatel'nye effekty faktora nekroza opukholi u krys [Diclofenac eliminates the respiratory effects of tumor necrosis factor in rats]. Zhurnal evolyutsionnoy biokhimii i fiziologii. 2018; 54 (4): 298–300 (in Russian).

  19. Mortola J.P., Trippenbach T., Rezzonico R. Hering-Breuer reflexes in high-altitude infants. Clin. Sci. 1995; 88: 345–350.

  20. Aleksandrova N.P., Aleksandrov V.G., Ivanova T.G. Effects of Gamma-Aminobutyric Acid on the Hering–Breuer Inspiration-Inhibiting Reflex. Neurosci. Behav. Physiol. 2010; 40 (2): 165–171.

  21. Tumanova T.S., Aleksandrov V.G. Vliyanie bakterial'nogo lipopolisakharida na reflektornye mekhanizmy kardiorespiratornoy sistemy anestezirovannoy krysy [Effect of bacterial lipopolysaccharide on cardiorespiratory reflex mechanisms of anesthetized rats]. Nauchnye trudy V s"ezda fiziologov SNG. 4–8 oktyabrya 2016 [Proceedings of the 5th Congress of CIS physiologists. October 4–8, 2016]. Sochi – Dagomys; 2016: 158 (in Russian).

  22. Forsberg D., Ringstedt T., Herlenius E. Astrocytes release prostaglandin E2 to modify respiratory network activity. Elife. 2017; 6. Available at: https://elifesciences.org/articles/29566 (accessed: 24.11.2019). DOI: 10.7554/eLife.29566.

Received 26 November 2019; accepted 28 January 2020.

 

Information about the authors

Tumanova Tat'yana Sergeevna, Junior Researcher, Pavlov Institute of Physiology of the Russian Academy of Sciences. 199034, Russia, Saint-Petersburg, Makarov Embankment, 6; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0001-6393-6699

Gubarevich Elena Alekseevna, Master Student, Herzen State Pedagogical University of Russia. 191186, Russia, Saint-Petersburg, Moika Embankment, 48; e‑mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0003-2305-2279

Aleksandrov Vyacheslav Georgievich, Doctor of Sciences (Biology), Professor, Chief Researcher, Pavlov Institute of Physiology of the Russian Academy of Sciences. 199034, Russia, Saint-Petersburg, Makarov Embankment, 6; Professor, Chair of Anatomy and Physiology of Man and Animals, Herzen State Pedagogical University of Russia. 191186, Russia, Saint-Petersburg, Moika Embankment, 48; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0002-5079-633X

 

For citation

Tumanova T.S., Gubarevich E.A., Aleksandrov V.G. Vliyanie lipopolisakharida iz kletok Salmonella typhi na krovoobrashchenie i dykhanie anestezirovannoy krysy [Effect of lipopolysaccharide from salmonella Typhi cells on blood circulation of anesthetized rats]. Ulyanovsk Medico-Biological Journal. 2020; 1: 138–149. DOI: 10.34014/2227-1848-2020-1-138-149 (in Russian).

 

Скачать статью

УДК 612.1+612.2+612.017

DOI 10.34014/2227-1848-2020-1-138-149

 

ВЛИЯНИЕ ЛИПОПОЛИСАХАРИДА ИЗ КЛЕТОК SALMONELLA TYPHI НА КРОВООБРАЩЕНИЕ И ДЫХАНИЕ АНЕСТЕЗИРОВАННОЙ КРЫСЫ

Т.С. Туманова1, Е.А. Губаревич2, В.Г. Александров1, 2

1 ФГБУН Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, г. Санкт-Петербург, Россия;

2 ФГБОУ ВО «Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена», г. Санкт-Петербург, Россия

 

Исследование механизмов, реализующих кардиореспираторные эффекты повышенного системного уровня бактериальных липополисахаридов (ЛПС), необходимо для понимания процессов, приводящих к нарушению дыхания и кровообращения при развитии системного воспалительного ответа. ЛПС разных видов бактерий отличаются по составу компонента, определяющего их активность.

Цель настоящего исследования состояла в экспериментальной проверке предположения о том, что ЛПС, выделенный из клеток бактерии Salmonella tуphi, может оказывать влияние на рефлексы, участвующие в контроле кровообращения и дыхания.

Материалы и методы. В острых экспериментах на крысах линии «Вистар» (n=23, масса 200–225 г), анестезированных уретаном (1800 мг/кг, в/б), регистрировали артериальное давление, пневмотахограмму и электромиограмму диафрагмы. Определяли среднее артериальное давление, частоту сердечных сокращений, дыхательный объём и минутный объём дыхания. Барорефлекс тестировали путем внутривенного введения раствора фенилэфрина, который вызывал дозозависимое повышение артериального давления и, как следствие, рефлекторное снижение частоты сердечных сокращений. Силу инспираторно-тормозящего рефлекса оценивали методом функциональной ваготомии. Величину учитываемых параметров определяли до и после внутривенного введения раствора, содержащего 100 мкг ЛПС или физиологического раствора. Отличия параметров от их исходных и контрольных значений оценивали по критерию Манна–Уитни и считали достоверными при p<0,05.

Результаты. Введение ЛПС приводило к статистически значимому росту частоты сердечных сокращений, дыхательного объёма и вентиляции. Через 60 мин после введения ЛПС показатель силы барорефлекса уменьшался в среднем до 34±14 % от исходной величины и оставался на этом уровне до конца эксперимента. Сила инспираторно-тормозящего рефлекса к этому моменту также снижалась, достигая 93±4 % от исходной величины.

Выводы. Полученные результаты доказывают, что под влиянием ЛПС, выделенного из клеток Salmonella tуphi, происходит ослабление рефлекторных механизмов регуляции кровообращения и дыхания.

Ключевые слова: бактериальный липополисахарид, Salmonella tуphi, кровообращение, дыхание, артериальный барорефлекс, инспираторно-тормозящий рефлекс.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

 

Литература

  1. Heumann D., Roger T. Initial responses to endotoxins and Gram-negative bacteria. Clin. Chim. Acta. 2002; 323 (1-2): 59–72.

  2. Yang H. Cellular events mediated by lipopolysaccharide-stimulated toll-like receptor 4MD-2 is required for activation of mitogen-activated protein kinases and Elk-1. J. Biol. Chem. 2000; 275 (27): 20861–20866.

  3. Singer M., Deutschman C.S., Seymour C.W. The Third International Consensus Definitions for Sepsis and Septic Shock (Sepsis-3). JAMA. 2016; 315 (8): 801–810. DOI: 10.1001/jama.2016.0287.

  4. Marik P.E., Taeb A.M. SIRS, qSOFA and new sepsis definition. J. Thorac. Dis. 2017. 9 (4): 943–945. DOI: 10.21037/jtd.2017.03.125.

  5. Simpson B.W., Trent M.S. Pushing the envelope: LPS modifications and their consequences. Nat. Rev. Microbiol. 2019; 17 (7): 403–416. DOI: 10.1038/s41579-019-0201-x.

  6. Tsukamoto H. Lipopolysaccharide-binding protein-mediated Toll-like receptor 4 dimerization enables rapid signal transduction against lipopolysaccharide stimulation on membrane-associated CD14-expressing cells. Int. Immunol. 2010; 22 (4): 271–280.

  7. Steven S. Time response of oxidative/nitrosative S-stress and inflammation in LPS-induced endotoxemia – a comparative study of mice and rats. Int. J. Mol. Sci. 2017; 18 (10): 2176.

  8. Волошина Е.В., Зубова С.В., Прохоренко С.В. Сравнение эффектов разных хемотипов липополисахаридов из Escherichia Coli и Salmonella на синтез TNF-α и IL-6 макрофаго-подобными клетками ТНР-1. Медицинская иммунология. 2009; 11 (6): 509–514.

  9. Shangze G. Histidine rich glycoprotein ameliorates endothelial barrier dysfunction through regulation of NFκB and MAPK signal pathway. Br. J. Pharmacol. 2019; 176 (15): 2808–2824.

  10. Koike-Kiriyama N., Adachi Y., Iwasaki M. High mortality rate of (NZW×BXSB) F1 mice induced by administration of lipopolysaccharide attributes to high production of tumor necrosis factor-alpha by increased numbers of dendritic cells. Clin. Exp. Immunol. 2008; 154: 285–293.

  11. Stahl O. Mimicry of human sepsis in a rat model – prospects and limitations. J. Surg. Res. 2013; 179 (1): e167–e175.

  12. Altavilla D., Squadrito G., Minutoli L. Inhibition of nuclear factor-kappaB activation by IRFI 042, protects against endotoxin-induced shock. Cardiovasc. Res. 2002; 54: 684–693.

  13. Aleksandrova N.P., Danilova G.A. Effect of intracerebroventricular injection of interleukin-1beta on the ventilatory response to hyperoxic hypercapnia. Eur. J. Med. Res. 2010; 15 (II): 3–6.

  14. Александрова Н.П. Цитокины и резистивное дыхание. Физиология человека. 2012; 38 (2): 119–129.

  15. Александрова Н.П., Меркурьев В.А., Александров В.Г. Влияние интерлейкина-1 на паттерн дыхания и инспираторно-тормозящий рефлекс Геринга–Брейера. Вестник ТвГУ. Сер. Биология и экология. 2013; 2: 9–17.

  16. Александрова Н.П., Меркурьев В.А., Туманова Т.С., Александров В.Г. Механизмы модуляции рефлекторного контроля дыхания при повышении системного уровня провоспалительного цитокина интерлейкина-1β. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2015; 101 (10): 1158–1168.

  17. Александров В.Г., Александрова Н.П., Туманова Т.С., Евсеева А.Д., Меркурьев В.А. Участие NO-ергических механизмов в реализации респираторных эффектов провоспалительного цитокина интерлейкина‑1бета. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2015; 101 (12): 1373–1385.

  18. Александров В.Г., Туманова Т.С., Александрова Н.П. Диклофенак устраняет дыхательные эффекты фактора некроза опухоли у крыс. Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2018; 54 (4): 298–300.

  19. Mortola J.P., Trippenbach T., Rezzonico R. Hering-Breuer reflexes in high-altitude infants. Clin. Sci. 1995; 88: 345–350.

  20. Aleksandrova N.P., Aleksandrov V.G., Ivanova T.G. Effects of Gamma-Aminobutyric Acid on the Hering–Breuer Inspiration-Inhibiting Reflex. Neurosci. Behav. Physiol. 2010; 40 (2): 165–171.

  21. Туманова Т.С., Александров В.Г. Влияние бактериального липополисахарида на рефлекторные механизмы кардиореспираторной системы анестезированной крысы. Научные труды V съезда физиологов СНГ. 4–8 октября 2016. Сочи – Дагомыс; 2016: 158.

  22. Forsberg D., Ringstedt T., Herlenius E. Astrocytes release prostaglandin E2 to modify respiratory network activity. Elife. 2017; 6. URL: https://elifesciences.org/articles/29566 (дата обращения: 24.11.2019). DOI: 10.7554/eLife.29566.

Поступила в редакцию 26.11.2019; принята 28.01.2020.

 

Авторский коллектив

Туманова Татьяна Сергеевна – младший научный сотрудник, ФГБУН Институт физиологии им. И.П. Павлова Российской академии наук. 199034, Россия, г. Санкт-Петербург, наб. Макарова, 6; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0001-6393-6699

Губаревич Елена Алексеевна – студент магистратуры, ФГБОУ ВО «Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена». 191186, Россия, г. Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 48; e‑mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-2305-2279

Александров Вячеслав Георгиевич – доктор биологических наук, профессор, главный научный сотрудник, ФГБУН Институт физиологии им. И.П. Павлова Российской академии наук. 199034, Россия, г. Санкт-Петербург, наб. Макарова, 6; профессор кафедры анатомии и физиологии человека и животных, ФГБОУ ВО «Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена». 191186, Россия, г. Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 48; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-5079-633X

 

Образец цитирования

Туманова Т.С., Губаревич Е.А., Александров В.Г. Влияние липополисахарида из клеток Salmonella typhi на кровообращение и дыхание анестезированной крысы. Ульяновский медико-биологический журнал. 2020; 1: 138–149. DOI: 10.34014/2227-1848-2020-1-138-149.