Ulyanovsk Medico-biological Journal

BIOLOGICAL SCIENCES

Download article

УДК 576.36

DOI 10.34014/2227-1848-2023-1-145-154

ROLE OF SODIUM CHANNELS IN THE DEVELOPMENT OF OXIDATIVE STRESS IN ISCHEMIA/REPERFUSION MODEL

E.V. Yurova, E.S. Pogodina, E.V. Rastorgueva, E.A. Beloborodov, D.E. Sugak, A.N. Fomin, Yu.V. Saenko

Ulyanovsk State University, Ulyanovsk, Russia

 

Ischemic and reperfusion injury is a critical condition, as it is necessary to control cell death and maintain tissue function. Restoration of nutrient and oxygen flow causes secondary damage to ischemic cells and is called reperfusion injury. Reperfusion injury causes, on the one hand, fluctuations in ion concentration inside cells, in particular sodium ions, due to changes in the conductivity of voltage-dependent ion channels, and, on the other hand, activation of the antioxidant system as a response to oxidative stress, in which the key role is given to reactive oxygen species and nitric oxide. Thus, the effect of ion channel inhibitors on the progression of oxidative stress, apoptosis and necrosis during reperfusion is of particular interest.

The aim of the study is to examine the impact of sodium channels on oxidative stress under ischemic and reperfusion injury and sodium channel blockers action.

Materials and Methods. The authors studied the influence of the synthesized peptide toxin, an inhibitor of voltage-gated sodium channels, under modelled ischemia/reperfusion in CHO-K1 culture on the level of apoptosis, necrosis, and oxidative stress (concentration of reactive oxygen species, nitric oxide, and glutathione) using fluorescent dyes and fluorescence microplate reader.

Results. Data obtained indicate a decreased level of apoptosis and necrosis, and a control level of nitric oxide under toxin at a nanomolar concentration. At the same time, the concentrations of reactive oxygen species and glutathione did not change. Thus, the inhibitor toxin acted as a protective agent by preventing a decrease in the nitric oxide concentration, which favorably affected the survival of the cell culture during reperfusion after ischemia.

Key words: sodium, ischemia, reperfusion, toxin, ion channels, apoptosis.

 

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

Author contributions
Research concept and design: Saenko Yu.V., Yurova E.V.
Participation in the study, data processing: Yurova E.V., Beloborodov E.A., Rastorgueva E.V., Sugak D.E.
Statistical data processing: Yurova E.V., Pogodina E.S.
Data analysis and interpretation: Saenko Yu.V., Fomin A.N.
Text writing and editing: Saenko Yu.V., Yurova E.V., Pogodina E.S., Fomin A.N.

 

References

  1. Neymark M.I. Sindrom ishemii-reperfuzii [Ischemia-reperfusion syndrome]. Khirurgiya. Zhurnal im. N.I. Pirogova. 2021; 9: 71–76 (in Russian).

  2. Wu M.Y., Yiang G.T., Liao W.T., Tsai A.P., Cheng Y.L., Cheng P.W., Li C.Y., Li C.J. Current Mechanistic Concepts in Ischemia and Reperfusion Injury. Cell Physiol Biochem. 2018; 46 (4): 1650–1667.

  3. Lopez-Neblina F., Toledo A.H., Toledo-Pereyra L.H. Molecular biology of apoptosis in ischemia and reperfusion. J Invest Surg. 2005; 18 (6): 335–350.

  4. Contreras L., Drago I., Zampese E., Pozzan T. Mitochondria: the calcium connection. Biochim Biophys Acta. 2010; 1797 (6–7): 607–618.

  5. Szydlowska K., Tymianski M. Calcium, ischemia and excitotoxicity. Cell Calcium. 2010; 47 (2): 122–129.

  6. Kalogeris T., Baines C.P., Krenz M., Korthuis R.J. Ischemia/Reperfusion. Compr Physiol. 2016; 7 (1): 113–170.

  7. Soares R.O.S., Losada D.M., Jordani M.C., Évora P., Castro-E-Silva O. Ischemia/Reperfusion Injury Revisited: An Overview of the Latest Pharmacological Strategies. Int J Mol Sci. 2019; 20 (20): 5034.

  8. Eefting F., Rensing B., Wigman J., Pannekoek W.J., Liu W.M., Cramer M.J., Lips D.J., Doevendans P.A. Role of apoptosis in reperfusion injury. Cardiovasc Res. 2004; 61 (3): 414–426.

  9. Duan J., Kasper D.L. Oxidative depolymerization of polysaccharides by reactive oxygen/nitrogen species. Glycobiology. 2011; 21 (4): 401–409.

  10. Kvietys P.R., Granger D.N. Role of reactive oxygen and nitrogen species in the vascular responses to inflammation. Free Radic Biol Med. 2012; 52 (3): 556–592.

  11. Folino A., Losano G., Rastaldo R. Balance of nitric oxide and reactive oxygen species in myocardial reperfusion injury and protection. J Cardiovasc Pharmacol. 2013; 62 (6): 567–575.

  12. Saber M., Eimani H., Soleimani Mehranjani M., Shahverdi A., Momeni H.R., Fathi R., Tavana S. The effect of Verapamil on ischaemia/reperfusion injury in mouse ovarian tissue transplantation. Biomed Pharmacother. 2018; 108: 1313–1319.

  13. Kondratskyi A., Kondratska K., Skryma R., Prevarskaya N. Ion channels in the regulation of apoptosis. Biochim Biophys Acta. 2015; 1848 (10, Pt. B): 2532–2546.

  14. Vasilevskiy A.A., Kozlov S.A., Grishin E.V. Molekulyarnoe raznoobrazie yada paukov [Molecular diversity of spider venom]. Uspekhi biologicheskoy khimii. 2009; 49: 211–274 (in Russian).

  15. Kalia J., Milescu M., Salvatierra J., Wagner J., Klint J.K., King G.F., Olivera B.M., Bosmans F. From foe to friend: using animal toxins to investigate ion channel function. J Mol Biol. 2015; 427 (1): 158–175.

  16. Matveeva N.Yu. Apoptoz: morfologicheskie osobennosti i molekulyarnye mekhanizmy [Apoptosis: Morphological characteristics and molecular mechanisms]. Tihookeanskij medicinskij zhurnal. 2003; 4: 12–16 (in Russian).

  17. Mierke C.T. Cell Proliferation, Survival, Necrosis and Apoptosis. Springer: Cham; 2020: 743–824.

  18. Schulz R., Kelm M., Heusch G. Nitric oxide in myocardial ischemia/reperfusion injury. Cardiovasc Res. 2004; 61 (3): 402–413.

  19. Jones S.P., Girod W.G., Palazzo A.J., Granger D.N., Grisham M.B., Jourd'Heuil D., Huang P.L., Lefer D.J. Myocardial ischemia-reperfusion injury is exacerbated in absence of endothelial cell nitric oxide synthase. Am J Physiol. 1999; 276 (5): 1567–1573.

  20. Kanno S., Lee P.C., Zhang Y., Ho C., Griffith B.P., Shears L.L. 2nd, Billiar T.R. Attenuation of myocardial ischemia/reperfusion injury by superinduction of inducible nitric oxide synthase. Circulation. 2000; 101 (23): 2742–1748.

 Received November 25, 2022; accepted February 13, 2023.

 

Information about the authors

Yurova Elena Valer'evna, Junior Researcher, S.P. Kapitsa Technology Research Institute, Ulyanovsk State University. 432017, Russia, Ulyanovsk, L. Tolstoy St., 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0001-7484-2671

Pogodina Evgeniya Sergeevna, Candidate of Sciences (Biology), Head of Laboratory, S.P. Kapitsa Technology Research Institute, Ulyanovsk State University. 432017, Russia, Ulyanovsk, L. Tolstoy St., 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-8183-5103

Rastorgueva Evgeniya Vladimirovna, Senior Lecturer, Chair of General and Clinical Pharmacology with a Course in Microbiology, Junior Researcher, S.P. Kapitsa Technology Research Institute, Ulyanovsk State University. 432017, Russia, Ulyanovsk, L. Tolstoy St., 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-1518-4677

Beloborodov Evgeniy Alekseevich, Junior Researcher, S.P. Kapitsa Technology Research Institute, Ulyanovsk State University. 432017, Russia, Ulyanovsk, L. Tolstoy St., 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-5666-5154

Sugak Dmitriy Evgen'evich, Junior Researcher, S.P. Kapitsa Technology Research Institute, Ulyanovsk State University. 432017, Russia, Ulyanovsk, L. Tolstoy St., 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-3276-8976

Fomin Aleksandr Nikolaevich, Candidate of Sciences (Technical Sciences), Senior Researcher, S.P. Kapitsa Technology Research Institute, Ulyanovsk State University. 432017, Russia, Ulyanovsk, L. Tolstoy St., 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0003-0826-1857

Saenko Yuriy Vladimirovich, Doctor of Sciences (Biology), Professor, Leading Researcher, S.P. Kapitsa Technology Research Institute, Ulyanovsk State University. 432017, Russia, Ulyanovsk, L. Tolstoy St., 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-4402-1482

 

For citation

Yurova E.V., Pogodina E.S., Rastorgueva E.V., Beloborodov E.A., Sugak D.E., Fomin A.N., Saenko Yu.V. Rol' natrievykh kanalov v mekhanizme razvitiya oksidativnogo stressa v modeli ishemii/reperfuzii [Role of sodium channels in the development of oxidative stress in the ischemia/reperfusion model]. Ul'yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2023; 1: 145–154. DOI: 10.34014/2227-1848-2023-1-145-154 (in Russian).

 

 

Скачать статью

УДК 576.36

DOI 10.34014/2227-1848-2023-1-145-154

РОЛЬ НАТРИЕВЫХ КАНАЛОВ В МЕХАНИЗМЕ РАЗВИТИЯ ОКСИДАТИВНОГО СТРЕССА В МОДЕЛИ ИШЕМИИ/РЕПЕРФУЗИИ

Е.В. Юрова, Е.С. Погодина, Е.В. Расторгуева, Е.А. Белобородов, Д.Е. Сугак, А.Н. Фомин, Ю.В. Саенко

ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет», г. Ульяновск, Россия

 

Ишемическое и реперфузионное повреждение является критическим состоянием, при котором необходимо контролировать гибель клеток и сохранять функцию тканей. Восстановление потока питательных веществ и кислорода вызывает вторичное повреждение ишемизированных клетоки называется реперфузионным повреждением. Поскольку при развитии реперфузионного повреждения происходит, с одной стороны, колебание концентрации ионов внутри клеток, в частности ионов натрия, за счет изменения проводимости потенциалзависимых ионных каналов, а с другой – активация антиоксидантной системы как ответная реакция на оксидативный стресс, в которой ключевая роль отводится активным формам кислорода и оксиду азота II, особый интерес представляет влияние ингибиторов ионных каналов на механизмы развития оксидативного стресса, а также на апоптоз и некроз при реперфузии.

Цель исследования. Изучение роли натриевых каналов в развитии оксидативного стресса при развитии ишемического и реперфузионного повреждения и при действии ингибитора натриевых каналов.

Материалы и методы. Изучалось влияние синтезированного пептидного токсина – ингибитора потенциалзависимых натриевых каналов при моделировании условий ишемии/реперфузии в культуре CHO-K1 на уровень апоптоза, некроза и оксидативного стресса (концентрация активных форм кислорода, оксида азота и глутатиона) с использованием флуоресцентных красителей и планшетного ридера-флуориметра.

Результаты. Получены данные, указывающие на снижение уровня апоптоза и некроза, а также на поддержание концентрации оксида азота на контрольном уровне при добавлении токсина в наномолярной концентрации. При этом концентрации активных форм кислорода и глутатиона не менялись. Таким образом, токсин-ингибитор проявил себя как защитный агент за счет предотвращения снижения концентрации оксида азота, что благоприятно сказалось на выживании клеточной культуры при реперфузии после ишемии.

Ключевые слова: натрий, ишемия, реперфузия, токсин, ионные каналы, апоптоз.

 

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов
Концепция и дизайн исследования: Саенко Ю.В., Юрова Е.В.
Участие в исследовании, обработка материала: Юрова Е.В., Белобородов Е.А., Расторгуева Е.В., Сугак Д.Е.
Статистическая обработка данных: Юрова Е.В., Погодина Е.С.
Анализ и интерпретация данных: Саенко Ю.В., Фомин А.Н.
Написание и редактирование текста: Саенко Ю.В., Юрова Е.В., Погодина Е.С., Фомин А.Н.

 

Литература

  1. Неймарк М.И. Синдром ишемии-реперфузии. Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова. 2021; 9: 71–76.

  2. Wu M.Y., Yiang G.T., Liao W.T., Tsai A.P., Cheng Y.L., Cheng P.W., Li C.Y., Li C.J. Current Mechanistic Concepts in Ischemia and Reperfusion Injury. Cell Physiol Biochem. 2018; 46 (4): 1650–1667.

  3. Lopez-Neblina F., Toledo A.H., Toledo-Pereyra L.H. Molecular biology of apoptosis in ischemia and reperfusion. J Invest Surg. 2005; 18 (6): 335–350.

  4. Contreras L., Drago I., Zampese E., Pozzan T. Mitochondria: the calcium connection. Biochim Biophys Acta. 2010; 1797 (6–7): 607–618.

  5. Szydlowska K., Tymianski M. Calcium, ischemia and excitotoxicity. Cell Calcium. 2010; 47 (2): 122–129.

  6. Kalogeris T., Baines C.P., Krenz M., Korthuis R.J. Ischemia/Reperfusion. Compr Physiol. 2016; 7 (1): 113–170.

  7. Soares R.O.S., Losada D.M., Jordani M.C., Évora P., Castro-E-Silva O. Ischemia/Reperfusion Injury Revisited: An Overview of the Latest Pharmacological Strategies. Int J Mol Sci. 2019; 20 (20): 5034.

  8. Eefting F., Rensing B., Wigman J., Pannekoek W.J., Liu W.M., Cramer M.J., Lips D.J., Doevendans P.A. Role of apoptosis in reperfusion injury. Cardiovasc Res. 2004; 61 (3): 414–426.

  9. Duan J., Kasper D.L. Oxidative depolymerization of polysaccharides by reactive oxygen/nitrogen species. Glycobiology. 2011; 21 (4): 401–409.

  10. Kvietys P.R., Granger D.N. Role of reactive oxygen and nitrogen species in the vascular responses to inflammation. Free Radic Biol Med. 2012; 52 (3): 556–592.

  11. Folino A., Losano G., Rastaldo R. Balance of nitric oxide and reactive oxygen species in myocardial reperfusion injury and protection. J Cardiovasc Pharmacol. 2013; 62 (6): 567–575.

  12. Saber M., Eimani H., Soleimani Mehranjani M., Shahverdi A., Momeni H.R., Fathi R., Tavana S. The effect of Verapamil on ischaemia/reperfusion injury in mouse ovarian tissue transplantation. Biomed Pharmacother. 2018; 108: 1313–1319.

  13. Kondratskyi A., Kondratska K., Skryma R., Prevarskaya N. Ion channels in the regulation of apoptosis. Biochim Biophys Acta. 2015; 1848 (10, Pt. B): 2532–2546.

  14. Василевский А.А., Козлов С.А., Гришин Е.В. Молекулярное разнообразие яда пауков. Успехи биологической химии. 2009; 49: 211–274.

  15. Kalia J., Milescu M., Salvatierra J., Wagner J., Klint J.K., King G.F., Olivera B.M., Bosmans F. From foe to friend: using animal toxins to investigate ion channel function. J Mol Biol. 2015; 427 (1): 158–175.

  16. Матвеева Н.Ю. Апоптоз: морфологические особенности и молекулярные механизмы. Тихоокеанский медицинский журнал. 2003; 4: 12–16.

  17. Mierke C.T. Cell Proliferation, Survival, Necrosis and Apoptosis. Springer: Cham; 2020: 743–824.

  18. Schulz R., Kelm M., Heusch G. Nitric oxide in myocardial ischemia/reperfusion injury. Cardiovasc Res. 2004; 61 (3): 402–413.

  19. Jones S.P., Girod W.G., Palazzo A.J., Granger D.N., Grisham M.B., Jourd'Heuil D., Huang P.L., Lefer D.J. Myocardial ischemia-reperfusion injury is exacerbated in absence of endothelial cell nitric oxide synthase. Am J Physiol. 1999; 276 (5): 1567–1573.

  20. Kanno S., Lee P.C., Zhang Y., Ho C., Griffith B.P., Shears L.L. 2nd, Billiar T.R. Attenuation of myocardial ischemia/reperfusion injury by superinduction of inducible nitric oxide synthase. Circulation. 2000; 101 (23): 2742–1748.

 Поступила в редакцию 25.11.2022; принята 13.02.2023.

 

Авторский коллектив

Юрова Елена Валерьевна – младший научный сотрудник НИТИ им. С.П. Капицы, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет». 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0001-7484-2671

Погодина Евгения Сергеевна – кандидат биологических наук, начальник лаборатории НИТИ им. С.П. Капицы, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет». 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-8183-5103

Расторгуева Евгения Владимировна – старший преподаватель кафедры общей и клинической фармакологии c курсом микробиологии, младший научный сотрудник НИТИ им. С.П. Капицы, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет». 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-1518-4677

Белобородов Евгений Алексеевич – младший научный сотрудник НИТИ им. С.П. Капицы, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет». 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-5666-5154

Сугак Дмитрий Евгеньевич – младший научный сотрудник НИТИ им. С.П. Капицы, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет». 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-3276-8976

Фомин Александр Николаевич – кандидат технических наук, старший научный сотрудник НИТИ им. С.П. Капицы, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет». 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-0826-1857

Саенко Юрий Владимирович – доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник НИТИ им. С.П. Капицы, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет». 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0002-4402-1482

 

Образец цитирования

Юрова Е.В., Погодина Е.С., Расторгуева Е.В., Белобородов Е.А., Сугак Д.Е., Фомин А.Н., Саенко Ю.В. Роль натриевых каналов в механизме развития оксидативного стресса в модели ишемии/реперфузии. Ульяновский медико-биологический журнал. 2023; 1: 145–154. DOI: 10.34014/2227-1848-2023-1-145-154