Ulyanovsk Medico-biological Journal

BIOLOGICAL SCIENCES

Download article

DOI 10.34014/2227-1848-2023-3-143-150

CHANGES IN AMINO ACID POOL OF CEREBRAL HEMISPHERES IN RATS WITH SUBTOTAL CEREBRAL ISCHEMIA

E.I. Bon1, N.Ye. Maksimovich1, E.M. Doroshenko1, V.Yu. Smirnov1, Yu.E. Razvodovskiy2, M.A. Nosovich1, K.A. Khrapovitskaya1

1 Grodno State Medical University, Grodno, Republic of Belarus;

2 Institute of Biochemistry of Biologically Active Compounds, National Academy of Sciences of Belarus, Grodno, Republic of Belarus

 

Amino acids and their derivatives are involved in synaptic transmission as neurotransmitters and neuromodulators. However, some amino acids are involved in the formation of neuromediators. Therefore, the study of amino acid pool in subtotal cerebral ischemia (SCI) is of great importance.

The aim of the study is to evaluate the changes in amino acid pool and the role of amino acids in oxidative processes in rats with SCI.

Materials and Methods. The experiments were carried out on 16 male outbred white rats (260±20 g) according to Directive 2010/63/EU on the protection of animals used for scientific purposes, September 22, 2010.

Results. When modeling 1-hour partial cerebral ischemia (PCI) by unilateral ligation of the common carotid artery (CCA), no pronounced morphological changes at the microscopic and ultrastructural levels were observed. Also, there were no pronounced changes in the respiratory parameters of the mitochondrial fraction (only a slight decrease in ATP-synthase was noticed). It reflects the safety of the enzymatic complexes of the electron transport chain in the ischemic model, and changes in prooxidant-antioxidant balance of brain homogenates.

There was a decrease in sulfur-containing amino acids: methionine by 12 % (p<0.05) and cysteate by 28 % (p<0.05) in the parietal lobe of rats with SCI when compared with the control. Apparently, it was the result of the activation of oxidative stress. In turn, a decrease in cysteate prevents taurine synthesis. However, taurine level did not decrease, possibly due to its long half-life in the brain.

Conclusion. In rats with SСI, with 1-hour ischemia, there was a tendency to glycine increase in both studied lobes, whereas excitatory amino acids tended to decrease.

Key words: amino acid, neurons, ischemia, parietal lobe, hippocampus.

 

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

Author contributions

Research concept and design: Maksimovich N.Ye., Bon' E.I.

Literature search, participation in the research study, data processing: Bon' E.I., Doroshenko E.M., Smirnov V.Yu., Razvodovskiy Yu.E.

Statistical data processing: Smirnov V.Yu.

Data analysis and interpretation: Maksimovich N.Ye., Bon' E.I., Doroshenko E.M.

Text writing and editing: Bon' E.I., Maksimovich N.Ye., Nosovich M.A., Khrapovitskaya K.A.

 

References

  1. Razvodovskiy Yu.E., Smirnov V.Yu., Doroshenko E.M., Maksimovich N.E., Pereverzev V.A. Soderzhanie aminokislot i ikh proizvodnykh v kore golovnogo mozga krys pri ego chastichnoy ishemii [Pool of free amino acids in brain cortex after partial ischemia]. Vestnik Smolenskoy gosudarstvennoy meditsinskoy akademii. 2019; 18 (1): 5–9 (in Russian).

  2. Erecinska M., Nelson D., Wilson D.F., Silver I.A. Neurotransmitter amino acids in the CNS. I. Regional changes in amino acid levels in rat brain during ischemia and reperfusion. Brain Res. 1984; 304 (1): 9–22.

  3. Clemens J.A. Cerebral ischemia: gene activation, neuronal injury, and the protective role of antioxidants. Free Radic. Biol. Med. 2000; 28: 1526–1531.

  4. Guo M.F., Yu J.Z., Ma C.G. Mechanisms related to neuron injury and death in cerebral hypoxic ischaemia. Folia Neuropathol. 2011; 49 (2): 78–87.

  5. Slivka A.P., Murphy E.J. High-dose methylprednisolone treatment in experimental focal cerebral ischemia. Exp Neurol. 2001; 167: 166–172.

  6. Rey A.I., de-Cara A., Calvo L., Puig P., Hechavarría T. Changes in Plasma Fatty Acids, Free Amino Acids, Antioxidant Defense, and Physiological Stress by Oleuropein Supplementation in Pigs Prior to Slaughter. Antioxidants (Basel). 2020; 9 (1): 45–52.

  7. Butin A.A. Zakonomernosti izmeneniy sosudisto-kapillyarnoy seti kory bol'shogo mozga v otvet na ostruyu tserebral'nuyu ishemiyu [Patterns of changes in the vascular-capillary network of cerebral cortex in response to acute cerebral ischemia]. Omskiy nauchnyy vestnik. 2004; 26: 46–57 (in Russian).

  8. Bon E.I., Maksimovich N.E., Karnyushko S.M., Zimatkin S.M., Lychkovskaya M.A. Disorders of Energy Metabolism in Neurons of the Cerebral Cortex During Cerebral Ischemia. Biomedical Journal of Scientific & Technical Research. 2021; 40: 31932–31937.

  9. Bon E.I., Maksimovich N.E., Dremza I.K., Lychkovskaya M.A. Experimental Cerebral Ischemia Causes Disturbances in Mitochondrial Respiration of Neurons. Biomedical Journal of Scientific & Technical Research. 2021; 40: 32387–32392.

  10. Shimizu H., Graham S.H., Chang L.-H., Mintorovitch J., James T.L., Faden A.I., Weinstein P.R. Relationship between extracellular neurotransmitter amino acids and energy metabolism during cerebral ischemia in rats monitored by microdialysis and in vivo magnetic resonance spectroscopy. Brain Research. 1993; 605: 33–42.

  11. Bon E.I., Maksimovich N.Yе., Dremza I.K., Kokhan N.V., Burak I.N. Severity of Oxidative Stress in Stepwise Cerebral Ischemia. Advance In Medical and Clinical Research. 2022; 2: 1–3.

  12. Stevens J.L., Feelisch M., Martin D.S. Perioperative Oxidative Stress: The Unseen Enemy. Anesth Analg. 2019; 129 (6): 1749–1760.

  13. Ramon Rodrigo, Rodrigo Fernandez-Gajardo, Rodrigo Gutiérrez, Jose Manuel Matamala, Rodrigo Carrasco, Andres Miranda-Merchak, Walter Feuerhake. Oxidative stress and pathophysiology of ischemic stroke: novel therapeutic opportunities. CNS Neurol Disord Drug Targets. 2013; 12 (5): 698–714.

  14. Bon' E.I., Maksimovich N.E., Dremza I.K., Nosovich M.A., Khrapovitskaya K.A. Kharakteristika narusheniy prooksidantno-oksidantnogo balansa u krys s ishemiey golovnogo mozga [Disturbance of prooxidant-antioxidant balance in rats with cerebral ischemia]. Ul'yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2022; 3: 97–106 (in Russian).

  15. Bon E.I., Maksimovich N.E., Karnyushko S.M., Zimatkin S.M., Lychkovskaya M.A. Disorders of Energy Metabolism in Neurons of the Cerebral Cortex During Cerebral Ischemia. Biomedical Journal of Scientific & Technical Research. 2021; 40: 31932–319373.

  16. Taysi S. Oxidative / Nitrosative Stress and Preeclampsia. Mini Rev Med Chem. 2019; 19 (3): 178–193.

  17. Robles-Murguia M., Rao D., Finkelstein D., Xu B., Fan Y., Demontis F. Muscle-derived Dpp regulates feeding initiation via endocrine modulation of brain dopamine biosynthesis. Genes Dev. 2020; 34 (1-2): 37–52.

 

Received April 11, 2023; accepted May 31, 2023.

 

Information about the authors

Bon' Elizaveta Igorevna, Candidate of Sciences (Biology), Associate Professor, the Chair of Pathological Physiology named after D.A. Maslakov, Grodno State Medical University. 230009, Republic of Belarus, Grodno, Gorky St., 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-7189-0838

Maksimovich Nataliya Yevgen'evna, Doctor of Sciences (Medicine), Professor, Head of the Chair of Pathological Physiology named after D.A. Maslakov, Grodno State Medical University. 230009, Republic of Belarus, Grodno, Gorky St., 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-3181-9513

Doroshenko Evgeniy Mikhaylovich, Candidate of Sciences (Biology), Associate Professor, Chair of Biological Chemistry, Grodno State Medical University. 230009, Republic of Belarus, Grodno, Gorky St., 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-9939-8749

Smirnov Vitaliy Yur'evich, Candidate of Sciences (Biology), Senior Researcher Research Laboratory, Grodno State Medical University. 230009, Republic of Belarus, Grodno, Gorky St., 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-7189-0838

Razvodovskiy Yuriy Evgen'evich, Candidate of Sciences (Biology), Head of the Department of Medical and Biological Problems of Alcohol Abuse, Institute of Biochemistry of Biologically Active Compounds, National Academy of Sciences of Belarus. 230005, Republic of Belarus, Grodno, Leninskogo Komsomola Blvd., 50; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-7185-380X

Nosovich Miroslav Alekseevich, Student, Grodno State Medical University. 230009, Republic of Belarus, Grodno, Gorky St., 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-0090-7254

Khrapovitskaya Kseniya Aleksandrovna, Student, Grodno State Medical University. 230009, Republic of Belarus, Grodno, Gorky St., 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-7580-7915

 

For citation

Bon' E.I., Maksimovich N.Ye., Doroshenko E.M., Smirnov V.Yu., Razvodovskiy Yu.E., Nosovich M.A., Khrapovitskaya K.A. Kharakteristika izmeneniy pula aminokislot bol'shikh polushariy golovnogo mozga krys s subtotal'noy tserebral'noy ishemiey [Changes in amino acid pool of cerebral hemispheres in rats with subtotal cerebral ischemia]. Ul'yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2023; 3: 143–150. DOI: 10.34014/2227-1848-2023-3-143-150 (in Russian).

 

Скачать статью

УДК 616.831.31-005.4-092.913:618.33

DOI 10.34014/2227-1848-2023-3-143-150

ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗМЕНЕНИЙ ПУЛА АМИНОКИСЛОТ БОЛЬШИХ ПОЛУШАРИЙ ГОЛОВНОГО МОЗГА КРЫС С СУБТОТАЛЬНОЙ ЦЕРЕБРАЛЬНОЙ ИШЕМИЕЙ

Е.И. Бонь1, Н.Е. Максимович1, Е.М. Дорошенко1, В.Ю. Смирнов1, Ю.Е. Разводовский2, М.А. Носович1, К.А. Храповицкая1

1УО «Гродненский государственный медицинский университет», г. Гродно, Республика Беларусь;

2 Республиканское научно-исследовательское унитарное предприятие «Институт биохимии биологически активных соединений Национальной академии наук Беларуси», г. Гродно, Республика Беларусь

 

Аминокислоты и их дериваты участвуют в синаптической передаче в качестве нейротрансмиттеров и нейромодуляторов, а некоторые аминокислоты участвуют в образовании медиаторов нервной системы. Поэтому изучение состояния пула аминокислот при субтотальной ишемии головного мозга (СИГМ) имеет большое значение.

Цель. Оценить характер изменения пула аминокислот и их участие в оксидативных процессах у крыс с СИГМ.

Материалы и методы. Эксперименты проведены на 16 самцах беспородных белых крыс массой 260±20 г с соблюдением требований Директивы Европейского парламента и Совета Европы № 2010/63/EU от 22.09.2010 о защите животных, использующихся для научных целей.

Результаты. При моделировании частичной ишемии головного мозга путем односторонней перевязки общей сонной артерии (ОСА) спустя 1 ч выраженные морфологические изменения на микроскопическом и ультраструктурном уровне отсутствовали. Также не наблюдалось выраженных изменений показателей дыхания митохондриальной фракции, (отмечалось лишь незначительное снижение содержания АТФ-синтазы), что отражает сохранность ферментативных комплексов цепи переноса электронов при данной модели ишемии, и изменений показателей прооксидантно-антиоксидантного баланса гомогенатов головного мозга.

По сравнению с показателями группы контроля у крыс с СИГМ в теменной доле происходило уменьшение содержания серосодержащих аминокислот: метионина на 12 % (р<0,05) и цистеата на 28 % (р<0,05). По-видимому, это было результатом активации окислительного стресса. В свою очередь снижение уровня цистеата препятствует синтезу таурина, однако уровень последнего не уменьшался, возможно, из-за его продолжительного периода полужизни в мозге.

Выводы. У крыс с СИГМ при 1-часовой продолжительности ишемического периода имелась тенденция к увеличению содержания тормозного нейромедиатора глицина в обоих изучаемых отделах, в то время как уровень аминокислот со свойствами возбуждающих нейромедиаторов имел тенденцию к снижению.

Ключевые слова: аминокислота, нейроны, ишемия, теменная доля, гиппокамп.

 

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов

Концепция и дизайн исследования: Максимович Н.Е., Бонь Е.И.

Литературный поиск, участие в исследовании, обработка материала: Бонь Е.И., Дорошенко Е.М., Смирнов В.Ю., Разводовский Ю.Е.

Статистическая обработка данных: Смирнов В.Ю.

Анализ и интерпретация данных: Максимович Н.Е., Бонь Е.И., Дорошенко Е.М.

Написание и редактирование текста: Бонь Е.И., Максимович Н.Е., Носович М.А., Храповицкая К.А.

 

Литература

  1. Разводовский Ю.Е., Смирнов В.Ю., Дорошенко Е.М., Максимович Н.Е., Переверзев В.А. Содержание аминокислот и их производных в коре головного мозга крыс при его частичной ишемии. Вестник Смоленской государственной медицинской академии. 2019; 18 (1): 5–9.

  2. Erecinska M., Nelson D., Wilson D.F., Silver I.A. Neurotransmitter amino acids in the CNS. I. Regional changes in amino acid levels in rat brain during ischemia and reperfusion. Brain Res. 1984; 304 (1): 9–22.

  3. Clemens J.A. Cerebral ischemia: gene activation, neuronal injury, and the protective role of antioxidants. Free Radic. Biol. Med. 2000; 28: 1526–1531.

  4. Guo M.F., Yu J.Z., Ma C.G. Mechanisms related to neuron injury and death in cerebral hypoxic ischaemia. Folia Neuropathol. 2011; 49 (2): 78–87.

  5. Slivka A.P., Murphy E.J. High-dose methylprednisolone treatment in experimental focal cerebral ischemia. Exp Neurol. 2001; 167: 166–172.

  6. Rey A.I., de-Cara A., Calvo L., Puig P., Hechavarría T. Changes in Plasma Fatty Acids, Free Amino Acids, Antioxidant Defense, and Physiological Stress by Oleuropein Supplementation in Pigs Prior to Slaughter. Antioxidants (Basel). 2020; 9 (1): 45–52.

  7. Бутин А.А. Закономерности изменений сосудисто-капиллярной сети коры большого мозга в ответ на острую церебральную ишемию. Омский научный вестник. 2004; 26: 46–57.

  8. Bon E.I., Maksimovich N.E., Karnyushko S.M., Zimatkin S.M., Lychkovskaya M.A. Disorders of Energy Metabolism in Neurons of the Cerebral Cortex During Cerebral Ischemia. Biomedical Journal of Scientific & Technical Research. 2021; 40: 31932–31937.

  9. Bon E.I., Maksimovich N.E., Dremza I.K., Lychkovskaya M.A. Experimental Cerebral Ischemia Causes Disturbances in Mitochondrial Respiration of Neurons. Biomedical Journal of Scientific & Technical Research. 2021; 40: 32387–32392.

  10. Shimizu H., Graham S.H., Chang L.-H., Mintorovitch J., James T.L., Faden A.I., Weinstein P.R. Relationship between extracellular neurotransmitter amino acids and energy metabolism during cerebral ischemia in rats monitored by microdialysis and in vivo magnetic resonance spectroscopy. Brain Research. 1993; 605: 33–42.

  11. Bon E.I., Maksimovich N.Yе., Dremza I.K., Kokhan N.V., Burak I.N. Severity of Oxidative Stress in Stepwise Cerebral Ischemia. Advance In Medical and Clinical Research. 2022; 2: 1–3.

  12. Stevens J.L., Feelisch M., Martin D.S. Perioperative Oxidative Stress: The Unseen Enemy. Anesth Analg. 2019; 129 (6): 1749–1760.

  13. Ramon Rodrigo, Rodrigo Fernandez-Gajardo, Rodrigo Gutiérrez, Jose Manuel Matamala, Rodrigo Carrasco, Andres Miranda-Merchak, Walter Feuerhake. Oxidative stress and pathophysiology of ischemic stroke: novel therapeutic opportunities. CNS Neurol Disord Drug Targets. 2013; 12 (5): 698–714.

  14. Бонь Е.И., Максимович Н.Е., Дремза И.К., Носович М.А., Храповицкая К.А. Характеристика нарушений прооксидантно-оксидантного баланса у крыс с ишемией головного мозга. Ульяновский медико-биологический журнал. 2022; 3: 97–106.

  15. Bon E.I., Maksimovich N.E., Karnyushko S.M., Zimatkin S.M., Lychkovskaya M.A. Disorders of Energy Metabolism in Neurons of the Cerebral Cortex During Cerebral Ischemia. Biomedical Journal of Scientific & Technical Research. 2021; 40: 31932–319373.

  16. Taysi S. Oxidative / Nitrosative Stress and Preeclampsia. Mini Rev Med Chem. 2019; 19 (3): 178–193.

  17. Robles-Murguia M., Rao D., Finkelstein D., Xu B., Fan Y., Demontis F. Muscle-derived Dpp regulates feeding initiation via endocrine modulation of brain dopamine biosynthesis. Genes Dev. 2020; 34 (1-2): 37–52.

 

Поступила в редакцию 11.04.2023; принята 31.05.2023.

 

Авторский коллектив

Бонь Елизавета Игоревна – кандидат биологических наук, доцент кафедры патологической физиологии им. Д.А. Маслакова, УО «Гродненский государственный медицинский университет». 230009, Республика Беларусь, г. Гродно, ул. Горького, 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-7189-0838

Максимович Наталия Евгеньевна – доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой патологической физиологии им. Д.А. Маслакова, УО «Гродненский государственный медицинский университет». 230009, Республика Беларусь, г. Гродно, ул. Горького, 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-3181-9513

Дорошенко Евгений Михайлович – кандидат биологических наук, доцент кафедры биологической химии, УО «Гродненский государственный медицинский университет». 230009, Республика Беларусь, г. Гродно, ул. Горького, 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-9939-8749

Смирнов Виталий Юрьевич – кандидат биологических наук, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории, УО «Гродненский государственный медицинский университет». 230009, Республика Беларусь, г. Гродно, ул. Горького, 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-7189-0838

Разводовский Юрий Евгеньевич – кандидат биологических наук, заведующий отделом медико-биологических проблем алкоголизма, республиканское научно-исследовательское унитарное предприятие «Институт биохимии биологически активных соединений Национальной академии наук Беларуси». 230005, Республика Беларусь, г. Гродно, бул. Ленинского Комсомола, 50; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-7185-380X

Носович Мирослав Алексеевич – студент, УО «Гродненский государственный медицинский университет». 230009, Республика Беларусь, г. Гродно, ул. Горького, 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-0090-7254

Храповицкая Ксения Александровна – студентка, УО «Гродненский государственный медицинский университет». 230009, Республика Беларусь, г. Гродно, ул. Горького, 80; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-7580-7915

 

Образец цитирования

Бонь Е.И., Максимович Н.Е., Дорошенко Е.М., Смирнов В.Ю., Разводовский Ю.Е., Носович М.А., Храповицкая К.А. Характеристика изменений пула аминокислот больших полушарий головного мозга крыс с субтотальной церебральной ишемией. Ульяновский медико-биологический журнал. 2023; 3: 143–150. DOI: 10.34014/2227-1848-2023-3-143-150.