Полярный стресс: механизмы и моделирование в эксперименте

Полный текст

Введение

Длительное пребывание в полярных и приполярных регионах способно оказывать разнообразное неблагоприятное влияние на состояние здоровья человека. Согласно имеющимся данным, даже у изначально здоровых людей в течение нескольких недель нахождения в условиях Заполярья развиваются состояния, характеризуемые термином «болезни дизадаптации», которые включают недостаточность циркуляторной функции, полиэндокринные расстройства, гиперкоагуляцию крови, иммунную недостаточность, психоэмоциональные расстройства [1]. При этом у больных, страдающих заболеваниями сердечно-сосудистой системы, инфекционными, аутоиммунными, эндокринными (включая сахарный диабет) и психическими заболеваниями, пребывание в Заполярье может значительно увеличить тяжесть их протекания. Имеются недостаточно подтвержденные клиническими данными сведения о наличии прямой корреляции между географической широтой и риском развития некоторых форм рака [2, 3].

Неблагоприятное влияние на состояние здоровья человека в условиях Заполярья оказывают экстремально низкие температуры, резко пониженная влажность воздуха, гиподинамия, десинхроноз вследствие слишком короткого (полярная ночь) или, наоборот, слишком продолжительного (полярный день) фотопериода [4]. В условиях высокогорья к этому добавляется гипоксия [5]. Ввиду этого актуально создание новых подходов к профилактике и коррекции «полярной» патологии, в первую очередь с использованием фактора питания. Это ставит на повестку дня, наряду с собственно клиническими исследованиями, моделирование доклинической и клинической «полярной патологии» в экспериментах на лабораторных животных с целью разработки и апробации новых диетических и фармакологических лечебно-профилактических технологий.

Целью настоящего обзора является рассмотрение данных литературы о природе и механизмах «полярной патологии», существующих методах ее моделирования в эксперименте и влиянии на указанные типы расстройств различных диетических факторов. Поиск литературных источников проводили по различным сочетаниям ключевых слов «(cold OR polar OR Arctic) AND stress AND biomarker* AND (diet OR dietary)» в международных сетевых реферативных базах данных PubMed, Web of Science (WoS) и Scopus. Всего за период с 1984 по 2022 г. было выявлено 102 источника (статей в рецензируемых периодических научных изданиях), удовлетворяющего условиям поиска. Из них для анализа было отобрано 64 источника преимущественно за период с 2010 по 2022 г., не противоречащие данным последующих работ и удовлетворяющие критериям научной достоверности и полноты.

Механизмы полярного стресса

Нейрогормональная регуляция стрессорных реакций

В высоких широтах у человека развивается комплекс симптомов и патофизиологических явлений, характеризуемый терминами «северный стресс» или «полярное напряжение» [1] (далее мы будем использовать обобщенный термин «полярный стресс»). Согласно теории адаптационного синдрома Селье, под стрессом понимается комплекс реакций организма, вызванных действием неблагоприятных факторов окружающей среды, опосредуемых центральной нервной системой и направленных на борьбу с неблагоприятным фактором, его элиминацию или бегство от него [6]. В условиях стресса преобладают катаболические реакции, вызывающие всплеск энерговыделения и физической активности. Механизмы, запускающие стрессорные реакции, сосредоточены в нейрогуморальной системе, в первую очередь в гипоталамусе. Путем передачи сигнала по гипоталамо-гипофизарно-адренальной оси происходит высвобождение ряда гормонов, из которых главную роль играют глюкокортикоиды (кортизол, кортикостерон), минералокортикоиды (альдостерон) и катехоламины (эпинефрин, норэпинефрин, дофамин и др.), которые направляют метаболизм в сторону быстрой деградации пищевых компонентов и накопленных запасов энергии, таких как углеводы, жиры и белки [5]. Практически во всех известных случаях развития полярного стресса у человека отмечается повышение уровня кортизола, катехоламинов, а вследствие этого — вторичных гормональных реакций, а также инсулина, глюкагона, гормона роста и тиреоидных гормонов в кровотоке. Наблюдается повышенная резистентность к инсулину. Такие изменения способствуют окислению жиров вместо углеводов из-за усиления липолиза и могут привести к кетогенезу. Другим следствием развития стрессорной реакции является усиление катаболизма белка, проявлением чего выступает возрастание скорости реакций протеолиза, приводящее к поступлению дополнительных количеств аминокислот в метаболический путь глюконеогенеза за счет активации пируват-аланинового пути обмена в противовес аспартат-оксалоацетатному. В результате аминокислотный пул в скелетных мышцах может быть использован для биосинтеза глюкозы (аланиновый цикл) в печени. Эти изменения, в свою очередь, приводят к повышенному образованию мочевины и отрицательному балансу азота [5].

Окислительные реакции

Помимо влияния на метаболизм, нежелательным вторичным последствием физиологической стрессорной реакции является так называемый окислительный стресс, т.е. возрастание во внутренней среде организма уровней реакционноспособных форм кислорода (РСК) и продуктов их взаимодействия с липидами (липоперекисей). Прооксидантный эффект развивается вследствие комплекса факторов, из которых следует выделить, во-первых, обусловленную действием гормонов стресса активацию клеток иммунной системы — нейтрофилов и макрофагов, являющихся агентами воспаления и активными продуцентами РСК [7]. Во-вторых, активизация процессов перекисного окисления является побочным следствием усиления внутриклеточного катаболизма, включающего пероксисомное β-окисление жирных кислот [8]. Развитие окислительных процессов при холодовом стрессе обусловлено эффектами синергизма гормональных факторов, включая тиреоидные гормоны и катехоламины [9]. В-третьих, существует предположение, что ряд неблагоприятных факторов Заполярья (аномальные геомагнитные поля, гипоксия и др.) способен усиливать процессы перекисного окисления непосредственно [1].

В числе мишеней действия РСК выступают в первую очередь клеточные мембраны, повреждение липидного бислоя которых приводит к грубому нарушению функции клетки. В результате действия продуктов перекисного окисления липидов активируется сигнальная система CD95/Fas с формированием «домена клеточной смерти» FADD и запуском опосредуемого каспазой-8 апоптоза [10]. Другая группа процессов связана с воздействием окислителей на молекулы ДНК с образованием внутримолекулярных сшивок, мутаций и нарушением клеточного цикла, также влекущего гибель клетки. На тканевом и органном уровнях мишенями окислителей являются, в частности, клетки эндотелия, что приводит к развитию в нем локальной воспалительной реакции с дальнейшим провоцированием атеросклеротического повреждения сосуда [11]. Считается, что этот патофизиологический каскад вносит существенный вклад в развитие обусловленных полярными факторами различных видов сердечно-сосудистой патологии [1].

Еще одним неблагоприятным последствием развития окислительного стресса выступает истощение в организме запасов биоантиоксидантов, в первую очередь витаминов С и Е, а также восстановленного глутатиона, карнозина и других веществ со сходной функцией, что может усугубляться недостаточным пищевым поступлением этих нутриентов в полярных условиях [1]. В результате вторичные патологические проявления окислительного стресса могут значительно усиливаться и обусловливать формирование порочного круга в снижении антиоксидантной защиты [12].

Эффекты со стороны кишечной микробиоты

Микробиота кишечника и биологические ритмы — ключевые факторы в модуляции разнообразных физиологических и метаболических процессов. В работе [13] было изучено влияние длительности короткого фотопериода на состав фекальной микробиоты и связи этих изменений с развитием диет-индуцированного ожирения. Секвенирование микробиальной 16S-рибосомальной РНК в фекалиях показало значительное воздействие фотопериода на состав микробиоты, особенно у крыс, получавших гиперкалорийный рацион («диету кафетерия»). Эти изменения коррелировали с приростом массы тела и жировой ткани.

Таким образом, в настоящее время патогенетические механизмы полярного стресса можно считать в основном выявленными (рис. 1), и моделирование данного состояния в эксперименте должно быть направлено на создание изменений в организме лабораторных животных, состоящих в перенапряжении гипоталамо-гипофизарно-адреналовой сигнальной оси с гиперпродукцией гормонов и активацией их клеточных мишеней — различных сигнальных молекул, развитии стресс-индуцированных изменений в функции центральной нервной, эндокринной и иммунной систем, формировании окислительного стресса с ростом уровней в тканях оксидантов и продуктов перекисного окисления липидов и перенапряжении защитной антиоксидантной системы организма.

 

Рис. 1. Схема основных физиологических и метаболических звеньев развития полярного стресса и его патологических последствий: БеЖТ — белая жировая ткань; БуЖТ — бурая жировая ткань; UCP — разобщающий белок бурых адипоцитов; АЛТ — аланиновая аминотрансфераза; αКГ — альфа-кетоглутарат; ЖК — жирные кислоты; ПОЛ — перекисное окисление липидов; ССЗ — сердечно-сосудистые заболевания, NPY — нейропептид Y

 

Экспериментальные модели полярного стресса

Факторы, приводящие к развитию полярного стресса, воздействуют на человека в течение всего периода его пребывания в Заполярье, т.е. длительное время и в комплексе. Подверженность человека влиянию всех этих вредных факторов и вероятность развития серьезной дез-адаптации зависят от многих причин, включая генотип индивидуума, его образ жизни, пищевые стереотипы, наличие вредных привычек и др. В процессе экспериментального моделирования этих состояний на животных необходимо создать такие условия, в которых наиболее физиологически значимые признаки полярного стресса проявились бы в кратчайшее время и были максимально воспроизводимыми.

Наиболее популярные модели полярного стресса используют лабораторных грызунов: крыс (51 публикация в период с 1984 г. по настоящее время) и мышей (35 публикаций). Достоинствами этих моделей являются хорошо разработанные методы содержания лабораторных грызунов и работы с ними, наличие подробных сведений об их геноме, взаимосвязи и регуляции функционально значимых генов, норме биохимических и физиологических реакций в зависимости от возраста, пола и линии. В экспериментальных исследованиях использовали как конвенциональные (стандартные ин- и аутбредные) линии мышей и крыс, так и мутантных животных, таких как бестимусные животные линии nu, нокаутные по гену нейропептида Y (NPY) [14], JAK2 киназы [15] и некоторые другие. Помимо грызунов, отдельные исследования были проведены с использованием сельскохозяйственных животных, включая цыплят [16], уток [17], кур-несушек и крупный рогатый скот [18]. Имеются примеры моделирования эффектов, связанных с полярным стрессом, на клеточных культурах [19]. Воздействие на биологические объекты факторов полярного окружения (низких температур, иммобилизации, сокращенного фотопериода) может осуществляться как изолированно, так и в сочетании с потреблением гиперкалорийного рациона с избытком жира и/или легкоусвояемых углеводов — так называемой диеты кафетерия [20], что может соответствовать некоторым характерным нарушениям питания в арктической зоне. Далее будут рассмотрены основные подходы к моделированию воздействия полярных условий на лабораторных животных.

Воздействие низких температур (холодовой стресс)

Содержание животных при низких температурах окружающей среды (в холодильнике или климатической камере) — наиболее популярный метод воспроизведения полярного стресса (59 публикаций за период с 1984 г. по настоящее время). Степень холодового воздействия при этом может быть различной и зависеть от холодовой устойчивости вида животных и задач эксперимента. Так, применительно к мышам — мелким животным с высокой интенсивностью энергетического метаболизма оптимальная температура окружающей среды составляет порядка +30 °С, и уже содержание при температуре +22 °С способно вызывать у них существенную стрессорную нагрузку [14]. Однако эти животные могут переносить и гораздо более жесткие холодовые нагрузки, например +5 °С в течение 5 ч [21]. Для крыс температурой, способной оказать выраженное стрессогенное воздействие уже при однократной экспозиции (0,5–12 ч), является +4 °С [15, 22]. Сообщается о возможности содержания крыс при температуре +14 °С в течение 14 дней [20].

Достаточно распространены модели, в которых грызунов подвергают подострому холодовому стрессу, т.е. периоды охлаждения чередуются с содержанием животных при комфортной для них температуре на протяжении длительного времени (нескольких недель). Так, нашла применение модель так называемого повторяющегося холодового стресса (SART), состоящая в помещении крыс или мышей в камеру с температурой –3 °С на 17 ч в темное время суток [23]. В более мягком варианте мышей подвергают охлаждению до +4 °С по 8 ч в день в течение 14 дней [24], а крыс — до +5 °С на 2 ч в течение 4 нед [25].

Влияние факторов полярного стресса (в первую очередь низких температур) на потомство имеет эпигенетическую природу. Данная группа эффектов может быть смоделирована путем содержания беременных самок грызунов в условиях холода. Так, в работе [26], выполненной с использованием беременных самок американской древесной мыши, было показано, что изменения в скорости созревания бурой жировой ткани (БуЖТ), вызванные холодовым стрессом, воспроизводятся у потомства в первом поколении.

Комбинированное воздействие с иммобилизацией

Значительного усиления стрессогенного воздействия низких температур на грызунов можно достичь путем сочетания холодового стресса с иммобилизацией, которая чаще всего осуществляется путем их помещения в пластиковые трубки, куда они охотно заходят под влиянием безусловного «норкового рефлекса». Применительно к крысам данное комбинированное воздействие может производиться как однократно, так и в варианте под-острого эксперимента, например ежедневно на протяжении 3 нед [27]. Мыши, в отличие от крыс, по-видимому, значительно хуже переносят сочетание иммобилизации с охлаждением. Фактором, усиливающим действие холодового стресса у мышей, является также кратковременное голодание в течение 20 ч [28].

Погружение в холодную воду

Помимо содержания при низких температурах окружающей среды, распространенным подходом к воспроизведению холодового стресса является погружение лабораторных грызунов в холодную воду с температурой от 0 °С (ледяная вода) до приблизительно 15–20 °С. Данное воздействие может осуществляться в вариантах как иммобилизации [29], так и свободного плавания [30]. У мышей использовали погружение в ледяную воду с иммобилизацией на 1 ч в сутки в течение недели [31]. Относительно высокая выживаемость мышей при таком экстремальном воздействии была предположительно обусловлена тем, что в эксперимент вводили животных с избытком жировой массы, вызванным потреблением гиперкалорийного рациона.

Биологические маркеры полярного стресса в эксперименте

Биологическое моделирование патологических состояний требует использования информативных биомаркеров, объективно характеризующих состояние подопытных животных. Согласно определению Национального института здоровья США (NIH), под биомаркером понимается любая объективно измеряемая характеристика, которая может служить в качестве индикатора физиологических и патологических биологических процессов или фармакологических ответов на терапевтическое вмешательство [32]. В таком аспекте биомаркерами могут рассматриваться всевозможные физиологические и интегральные показали жизнедеятельности, включая кровяное давление, частоту пульса, температуру тела, физическую работоспособность, разнообразные количественно оцениваемые поведенческие реакции (когнитивная функция, уровень тревожности, локомоторная активность). В более узком смысле под биомаркерами подразумеваются химические соединения (как естественные метаболиты, так и экзогенно вводимые вещества), факт присутствия или уровень которых в биосубстратах дают информацию о наличии, стадии, тяжести и прогнозе патологического процесса и характере воздействия на него применяемых терапевтических интервенций. Далее мы будем использовать термин «биомаркер» в широком смысле.

Гормоны коры надпочечников (кортикостероиды)

Кортикостероиды представляют собой производные холестерина, вырабатываемые корковым слоем надпочечников. Экспрессия ферментов биосинтетического пути кортикостероидов регулируется гипофизарным гормоном кортикотропином (адренокортикотропным гормоном, АКТГ), который, в свою очередь, находится под контролем гипоталамического кортикотропин-рилизинг-фактора CRFR 1-го типа и ряда его аналогов [21]. Помимо этого основного пути регуляции, метаболические пути синтеза и метаболизма кортикостероидов находятся под влиянием различных, в том числе алиментарных, факторов (жир и углеводы диеты [33], метаболиты витаминов А [34] и D3 [35]). Всего из надпочечников выделено более 40 кортикостероидов, из которых не менее 8 проявляют гормональную активность. Наибольшее значение в качестве гормона имеют альдостерон (минералокортикоид, регулирующий преимущественно обмен ионов К⁺ и Na⁺), кортизол и кортикостерон (глюкокортикоиды, функция которых состоит преимущественно в регуляции углеводного обмена). В то время как альдостерон синтезируется в физиологически значимых количествах у большинства видов млекопитающих, образование глюкокортикоидов имеет видовые особенности. Так, у человека и приматов, овец, мышей, морских свинок кора надпочечников синтезирует преимущественно кортизол, а у кроликов и крыс основной синтезируемой формой является кортикостерон [36].

Кортизол в качестве биомаркера холодового стресса используется главным образом в клинических наблюдениях. Так, М. Eimonte et al. отмечали повышение уровня этого гормона у здоровых добровольцев при погружении в холодную воду (14 °С) на 10 мин. Подъем уровня кортизола коррелировал со стрессорной физиологической реакцией, проявляющейся гипервентиляцией и усилением мышечной дрожи, метаболической выработкой тепла и повышением частоты сердечных сокращений, снижением продукции провоспалительного цитокина TNF-α [37]. У добровольцев, получавших добавки аминокислоты тирозина (предшественника дофамина), кортизол определяли в качестве биомаркера повышения устойчивости к холодовому стрессу [38]. В эксперименте уровень кортизола использовали в качестве биомаркера развития холодового стресса у мышей [39, 40].

Кортикостерон и кортикостерон-связывающий глобулин (CBG) являются информативными биомаркерами изменений, вызываемых жестким холодовым и другими видами стресса у крыс [36]. У этих животных как в молодом возрасте, так и в период старения холодовой стресс в сочетании с иммобилизацией сопровождался резким возрастанием уровня кортикостерона, что коррелировало с показателями окислительного стресса в печени и эритроцитах [41]. В отличие от крыс, у мышей, по данным [23], кортикостерон, по-видимому, не является информативным маркером стресса, вызванного охлаждением и системным воспалением.

Гормоны щитовидной железы

Гормоны щитовидной железы Т3 и Т4 играют важную роль в регуляции окислительного стресса, вызываемого охлаждением (главным образом подострого, в интервале от нескольких дней до нескольких недель) у крыс и мышей [9]. Биохимические изменения, лежащие в основе термогенной реакции на холод, а также те, которые приводят к окислительному стрессу, требуют синергизма между сигналами, генерируемыми T3 и норадреналином. Т4 вносит опосредованный вклад в качестве предшественника Т3 в индуцированное холодом окислительное повреждение БуЖТ. В адипоцитах БуЖТ при холодовом стрессе усиливается термогенез, движущей силой чего является превращение Т4 в Т3 под влиянием тканевых дейодиназ. Данный процесс регулируется белком A-FABP, связывающим жирные кислоты и одновременно обладающим плейотропной функцией адипокина [42]. Мыши с нокаутом белков FABP4,5, переносящих жирные кислоты, характеризуются выраженной гипертермией, более глубокими нарушениями углеводного и липидного обмена и функцией термогенеза в БуЖТ по сравнению с нормальными животными [28].

Катехоламины

Ответ катехоламинов характеризует ранние стадии реакции организма на стрессогенные воздействия и должен учитываться при моделировании полярного стресса [3]. Так, было показано, что при многократном воздействии холодной воды на мышей отмечается повышенный уровень норадреналина и адреналина в селезенке и половых путях, что коррелирует с повышением чувствительности к хламидийной инфекции [43]. Эти эффекты в значительной степени снижались у мышей с нокаутом генов β-адренорецепторов (β1Adr/β2Adr). В клинических наблюдениях у здоровых неакклиматизированных молодых взрослых мужчин (в возрасте 20–30 лет) при погружении в холодную воду 14 °С на 10 мин отмечали стрессовую физиологическую реакцию гипервентиляции и усиления мышечной дрожи, с метаболической выработкой тепла и ростом частоты сердечных сокращений, чему соответствовали повышенные уровни эпинефрина, норэпинефрина, а также кортизола [37].

Роль тирозина как предшественника катехоламинов в ответе на холодовой стресс подтверждается способностью этой аминокислоты, назначаемой в виде добавки к рациону, улучшать когнитивную функцию, нарушенную при холодовом стрессе [38].

Протеомные маркеры

В протеоме плазмы крови крыс выявлено 1085 белков, дифференциально экспрессируемых при холодовом стрессе; из них 39 были подвергнуты масс-спектрометрическому скринингу, в том числе 29 белков с повышающей регуляцией и 10 белков с отрицательной регуляцией. Три важных дифференциально экспрессируемых белка, связанных с холодовым стрессом, были идентифицированы с помощью биоинформатического анализа (минорный белок гистосовместимости HA-1, Has-родственный белок Rap-1b, интегрин β-1) [44].

Состав липидов жировой ткани

Липидом, т.е. совокупный состав всех фракций липидов, в печени, плазме крови, белой жировой ткани (БеЖТ) и БуЖТ мышей специфически изменялся при мягком (22 °C) или жестком (5 °C) холодовом стрессе. Всего были выявлены вариации в содержании 239 липидов в плазме, 134 — в БуЖТ и 51 — в печени. В частности, в плазме содержание ацилкарнитинов и свободных жирных кислот повышалось при 5 °С, а триглицеридов — снижалось при 22 и 5 °С. Эфирные липиды явились новым классом липидов, индуцируемых холодом. В БуЖТ содержание триглицеридов значительно снижалось как при 22 °C, так и при 5 °C. В печени триглицериды были наиболее изменяемым классом липидов, количество которых увеличивалось при 5 °C. При этом в большей степени накапливались триглицериды, содержащие более длинные и ненасыщенные жирные кислоты [45].

Микро-РНК

Микро-РНК (miRs) оказывают разнообразные регуляторные воздействия на экспрессию в клетке громадного числа генов. Однако роль этих молекул в развитии холодового стресса изучена недостаточно. В работе [46] у крыс, подвергшихся однократному холодовому стрессу, в печени возрастала экспрессия miR-210. С помощью биоинформатического анализа выявлены гены — потенциальные мишени действия miR210, включая E2F3, RAD52, ISCU и Ephrin-A3, участвующие в регуляции процессов пролиферации и апоптоза.

В другом исследовании в печени крыс при холодовом стрессе гиперэкспрессия miR-210 оказывала влияние на процессы гликолиза, апоптоза и экспрессию большого числа (более 500) генов [47].

Сигнальные молекулы

При анализе механизмов холодового стресса важно выявление сигнальных молекул, осуществляющих передачу информации в ядро клетки о внешних неблагоприятных факторах, с последующей экспрессией соответствующих групп генов.

Было показано, что при охлаждении в клетках HepG2 обратимо усиливается фосфорилирование c-Jun-N терминальной киназы JNK1 [19]. При холодовом стрессе с иммобилизацией у мышей быстро развиваются язвенные поражения желудка, в которых отмечается повышенная экспрессия JNK. JNK-дефицитные мутантные мыши в значительной степени устойчивы к развитию язвенных поражений при таком виде стресса. Под влиянием атропина развитие язв слизистой и экспрессия JNK блокировались, что указывает на вовлеченность вагус-холинергического механизма в этом эффекте.

Содержание при низких температурах активирует MAPK-сигнальный путь и апоптоз в гиппокампе молодых мышей [48]. Механизм реакции на холод, изначально опосредуемый гиперпродукцией кортизола у мышей, включает экспрессию APMK-киназы, вызывающей усиление транслокации транскрипционного фактора NRF-2 в ядро клетки печени [40].

Экспрессия янус-киназы JAK-2 повышается у мышей в БуЖТ при холодовом стрессе в сочетании с потреблением высокожирового рациона, приводя к усилению экспрессии термогенных разобщающих белков UCP-1 и -3. При нокауте гена JAK-2 эффекты влияния холода на БуЖТ блокируются. Эти данные позволили сделать вывод о главенствующей роли JAK-2 как сигнального белка при холодовом стрессе [15].

В ряде исследований показана роль цинк-зависимых сигнальных молекул в развитии явлений, сопровождающих пребывание в полярных условиях. Так, Zfp516 является транскрипционным активатором белка UCP1, что определяет адаптацию адипоцитов БуЖТ к развитию холодового стресса [49]. Холодовой стресс у мышей вызывает побурение белого жира, повышенную экспрессию в скелетных мышцах маркеров БуЖТ PGC1α, UCP2, UCP3, COX1. Эти явления блокируются у животных с нокаутом гена Zn-α2-гликопротеина (ZAG), представляющего собой адипокин БуЖТ. При инъекции мышам плазмид гена ZAG их нормальный ответ на холодовой стресс восстанавливается [50].

Экспрессия гена Vaspin (специфического ингибитора сериновых протеаз) снижается в БуЖТ у мышей при холодовом стрессе и под воздействием высокожирового рациона [51].

Роль транслоказы жирных кислот CD36 в адаптации БуЖТ к холоду была раскрыта в работе [52], где было показано, что при нокауте этого гена в БуЖТ и мышцах развивается комплекс изменений в липидном обмене, аналогичный наблюдаемому при холодовом стрессе.

Пептидные гормоны

Пептидные гормоны, в том числе принадлежащие к семейству нейропептидов, по имеющимся данным, играют важную роль в развитии реакции на холодовое воздействие и другие неблагоприятные факторы, лежащие в основе полярного стресса.

Известно, что при мягком холодовом стрессе у мышей повышаются энерготраты термогенеза, чему соответствует «побурение» БеЖТ с ростом экспрессии в ней разобщающего белка UCP-1, а также снижение минерализации костей. При нокауте гена нейропептида Y (NPY) эффекты повышения энерготрат и UCP-1 потенцировались, а снижение минерализации костей, напротив, отменялось [14]. У мышей с ожирением, вызванным высокожировым рационом, холодовой стресс (погружение в ледяную воду) вызывает повышение гликемии, массы тела, экспрессии в миндалине головного мозга NPY совместно с сигнальными молекулами c-Fos и BDNF, что, как полагают, свидетельствует о роли NPY-эргических нейронов в развитии ожирения, стимулированного холодовым стрессом [31].

Маркеры окислительного стресса

В клинических наблюдениях установлено, что явления окислительного стресса и перекисного окисления липидов, вызванные физическими упражнениями у спорт-сменов, потенцируются при занятиях в условиях низких температур [53].

По данным многочисленных ранних исследований, холодовой стресс в сочетании с иммобилизацией у крыс сопровождался резким возрастанием уровня липоперекисей, увеличением активности глутатионпероксидазы (GPX), глутатионредуктазы (GR), снижением запасов восстановленного глутатиона (GSH). Указанные изменения выявлены в печени и эритроцитах, но не в головном мозге. С возрастом у крыс указанные эффекты изменялись незначительно.

При холодовом стрессе у крыс развивались окислительные процессы в печени, головном мозге и сердце по показателям содержания малонового диальдегида, диеновых конъюгатов, карбонилированных белков, нитротирозина, активности каталазы, супероксиддисмутазы (SOD), GPX, запасов GSH, витамина Е и аскорбиновой кислоты. Эти явления могли быть устранены путем инъекций карнозина в дозе 250 мг/кг в течение 3 нед [27]. В условиях повторяющегося на протяжении 4 нед холода у крыс отмечено повышение уровней в плазме крови малонового диальдегида, карбонилированных белков, липоперекисей. При внутривенном введении животным аскорбиновой кислоты эти эффекты ингибировались [25].

В исследовании [41] показано развитие процессов перекисного окисления липидов, снижение активности антиоксидантных ферментов, истощение запасов GSH в головном мозге, печени, почках, сердце и желудке крыс, подвергнутых подострому воздействию низкой температуры в течение 15 сут.

Усиление перекисного окисления липидов при холодовом стрессе находится, по данным работы [54], под влиянием опиоидных рецепторов, на что указывает ингибирование этих процессов у животных, которым вводили налоксон.

Цитокины и адипокины

Цитокины и адипокины являются чувствительными биомаркерами системного воспаления, вызванного холодовым стрессом и другими факторами полярной среды.

Концентрация провоспалительного IL-6 повышалась под влиянием холода в легких, печени, головном мозге и сердце крыс [55]. При сочетанном воздействии низких температур и инъекций адреномедуллина (гипотензивного пептида мозгового слоя надпочечников) эффект повышения IL-6 потенцировался в головном мозге и сердце и подавлялся в легких и печени. В гиппокампе мышей холодовой стресс вызывает повышение экспрессии провоспалительных цитокинов IL-1β, IL-6, TNF-α за счет активации NF-kB-сигнального пути с развитием воспаления микроглии. Одновременно отмечается повышенная экспрессия индуцибельной синтазы окиси азота (iNOS) и пониженная — сиртуина (Sirt-1) [56].

Многократное воздействие холодной воды на мышей приводит к повышенной продукции IL-1β, TNF-α, IL-6 и оксида азота в перитонеальных макрофагах, что сопровождается усилением тяжести хламидийной генитальной инфекции и последующим более высоким уровнем бесплодия [43].

У мышей, подвергавшихся воздействию экстремально низкой температуры –20 °С в течение 10 мин, наблюдались повышенная продукция IL-10 макрофагами, а также налоксон-зависимая стимуляция выработки TNF-α. Cущественного влияния на продукцию IL-1β в данных условиях выявлено не было. Согласно проведенному фармакологическому анализу, данный тип цитокин-зависимого воспаления опосредовался активностью опиоидных рецепторов [54].

В бронхоальвеолярном лаваже мышей, подвергнутых воздействию липополисахарида, холодовой стресс увеличивал содержание макрофагов и нейтрофилов, а также IL- 12, IL-17 и MIG [24]. В клетках эпителия тонкой кишки у мышей под воздействием низких температур отмечалось усиление продукции IL-33, что может рассматриваться как один из факторов, усиливающих вероятность аллергической сенсибилизации по IgE-зависимому (немедленному) типу. Данный тип цитокинового ответа развивался в зависимости от уровня кортизола и АКТГ [39].

В клинических наблюдениях у добровольцев повышенная выработка IL-6 в сочетании со сниженными уровнями противовоспалительных цитокинов отмечалась в работах [37, 57].

Мыши с глобальным двойным нокаутом гена CCL5 (RANTES) и его рецептора CCR5 имели более высокий расход энергии, вызванный холодовым стрессом, и AMPK-опосредованную термогенную функцию в БуЖТ, чем мыши дикого типа. Делеция CCL5/CCR5 дополнительно способствовала индуцированной холодом экспрессии генов, связанных с окислительным фосфорилированием и путями метаболизма липидов. Напротив, сверхэкспрессия CCL5 и CCR5 путем локальной инъекции их ДНК в лентивирусном векторе подавляла липолитические процессы, вызванные холодовым стрессом, и термогенную активность [58].

Роль адипокина жировой ткани FGF21 в иммунной реакции при холодовом стрессе у мышей с диет-индуцированным ожирением была показана в экспериментах, когда имитирующие этот фактор антиидиотипические антитела вызывали резкие сдвиги в генной экспрессии в макрофагах с их трансформацией из М1- в М2-тип [20]. При холодовом воздействии у мышей сигнальный путь FGF21 определяет процесс трансформация БеЖТ в БуЖТ (так называемое побурение жира). Биологическими маркерами этого процесса являются повышенная экспрессия разобщающего белка UCP-1, а также дифференциальная экспрессия сигнальных молекул ADRB3, PGC1α и самого FGF21 [59].

Поведенческие реакции

По данным ряда ранних работ, при повторяющемся холодовом стрессе у мышей развивался повышенный уровень тревожности, что проявлялось в сокращении времени пребывания в открытых рукавах установки в тесте «Приподнятый крестообразный лабиринт» (тест ПКЛ). При других изученных видах стресса такой эффект отсутствовал. При этом холодовой стресс не влиял на показатели подвижности животных в тесте ПКЛ. Обнаруженный эффект, согласно проведенному фармакологическом анализу, был связан с функцией серотониновых и бензодиазепиновых рецепторов центральной нервной системы.

В исследовании [60] крыс подвергали холодовому стрессу в состоянии покоя и в ходе выполнения теста распознавания предметов (когнитивная функция). Воздействие холода достоверно снижало когнитивные функции, что коррелировало с ростом уровня норадреналина, свободных жирных кислот в крови, повышенной экспрессией UCP1 в БуЖТ.

В клинических наблюдениях у здоровых добровольцев при многократных погружениях в холодную воду наблюдается холодовая адаптация, проявлявшаяся в улучшении показателей в тестах когнитивной и психомоторной функций. Данные эффекты, однако, не удалось сопоставить с какими-либо определенными изменениями на электроэнцефалограмме [61].

Влияние биологически активных веществ на показатели полярного стресса

В ходе медико-биологических исследований полярного стресса возникает актуальная задача поиска профилактических диетических факторов, в первую очередь биологически активных веществ, способных осуществлять профилактику и корректировать неблагоприятное действие факторов полярной зоны на организм. Однако данные по этому вопросу, имеющиеся в доступной литературе, в настоящее время фрагментарны. Наибольшее число работ в этом направлении связано с лечебно-профилактическим применением биоантиоксидантов.

У цыплят в результате холодового стресса развиваются процессы перекисного окисления липидов в крови и мышцах, нарушаются показатели холестеринового обмена, что может быть блокировано при снабжении селеном в форме бактериальной биомассы [16]. В результате потребления добавок цинка и корицы (источник коричных кислот) у кур, подвергавшихся холодовому стрессу, повышалась яйценоскость, увеличивалась масса яиц и нормализовались уровень глюкозы и липидограмма плазмы крови [62].

По данным [25], введение крысам аскорбиновой кислоты и витамина Е снижало проявления окислительного стресса, вызванного воздействием повторяющегося холода. Снабжение витаминами А, Е и К восстанавливало функцию иммунитета и повышало адаптационный потенциал у крыс, плавающих в холодной воде [30]. В печени крыс окислительные процессы в печени, головном мозге и сердце, развивающиеся при холодовом стрессе, могли быть устранены путем инъекций карнозина в дозе 250 мг/кг в течение 3 нед [27]. В изолированном сердце крыс, подвергнутых кратковременному жесткому (острому) холодовому стрессу, резко снижается сократительная активность миокарда и нарушается его ультраструктура. Эти неблагоприятные явления могли быть блокированы пероральным снабжением крыс в течение 5 сут, предшествующих эксперименту, коэнзмом Q10 в дозе 10 мг [63].

Растительные экстракты, содержащие источники биофлавоноидов, устраняли дисбаланс про- и противовоспалительных цитокинов, вызванных холодовым стрессом с иммобилизацией у крыс. Введение в рацион крыс «термогенных» (т.е. способствующих повышению температуры тела) добавок — экстрактов черного перца и корицы — приводило к нормализации уровней нор-адреналина и свободных жирных кислот в крови и способствовало повышению экспрессии разобщающего белка UCP-1 в БуЖТ [60].

В начальный период холодового стресса у крыс отмечалось снижение активности алкогольдегидрогеназы и уровней эндогенного этанола и ацетальдегида в плазме крови. Введение животным в невысоких дозах экзогенного этанола позволяло корректировать эти изменения [64].

Заключение

В основе реакции организма на условия Заполярья лежат процессы, связанные с возбуждением центров среднего мозга и развитием последующего системного гормонального ответа. Вторичными мишенями этих воздействий являются мышечная ткань, эндотелий, БеЖТ и БуЖТ, клетки иммунной системы, в которых происходят изменения, направленные на нейтрализацию внешнего неблагоприятного воздействия. Однако при нескомпенсированном стрессе эти реакции вторичных органов-мишеней приобретают патологический характер, приводящий к развитию окислительного стресса, системного воспаления и, как следствие, сердечно-сосудистых, аутоиммунных и других заболеваний.

Разработка методов профилактики и коррекции патологии, связанной с полярным стрессом, требует наличия адекватных моделей in vivo. Такие модели, разработанные в настоящее время, включают различные виды острого или подострого (многодневного) холодового воздействия на лабораторных животных как изолированно, так и в сочетании с иммобилизацией или, наоборот, с форсированной физической нагрузкой в качестве дополнительных стрессогенных факторов.

Наиболее чувствительными и специфичными биомаркерами дизадаптации, сопровождающей полярный стресс, являются уровни в плазме крови, органах и в отделах головного мозга кортикостероидов, катехоламинов, нейропептидов, микро-РНК (miR-210), изменения в экспрессии генов сигнальных молекул и разобщающих белков (UCP) в БуЖК, показатели окислительного стресса (содержание липоперекисей и малонового диальдегида, активность ферментов антиоксидантной защиты — GPX, GR, SOD, каталазы и др.), содержание биоантиоксидантов (витамина Е, аскорбиновой кислоты, каротиноидов, GSH), цитокины и хемокины, включая IL-1β, IL-6, IL- 10, IL-17, IL-33, RANTES, FGF21 и различные формы их рецепторов.

Перечисленный перечень биомаркеров создает основу для лабораторного моделирования условий Заполярья, что является необходимым звеном в системе доклинической апробации специализированных диетических профилактических продуктов, лечебно-профилактических диет и биологически активных добавок к пище, рекомендуемых для диетической коррекции неблагоприятных последствий полярного стресса.

Вопрос о диетической коррекции и профилактике последствий полярного стресса в литературе изучен недостаточно. Основная роль в этом уделяется антиоксидантным факторам диеты, в числе которых следует указать витамины Е и С, селен, цинк, коэнзим Q10, коричные кислоты и биофлавоноиды. Однако для обоснования схем и доз эффективного клинического применения указанных биологически активных добавок необходимы дополнительные исследования.

Дополнительная информация

Источник финансирования. Работа проведена за счет средств субсидии на выполнение государственного задания в рамках Программы фундаментальных научных исследований (тема Минобрнауки России № FGMF-2022-0001).

Конфликт интересов. Авторы данной статьи подтвердили отсутствие конфликта интересов, о котором необходимо сообщить.

Участие авторов. И.В. Гмошинский — отбор литературных источников, систематизация данных, иллюстрации, написание исходного варианта статьи; Д.Б. Никитюк — разработка концепции исследования, редактирование финального варианта статьи, взаимодействие с источником финансирования. Все авторы внесли значимый вклад в подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию текста перед публикацией.

Об авторах

Иван Всеволодович Гмошинский

Федеральный исследовательский центр питания, биотехнологии и безопасности пищи

Автор, ответственный за переписку.
Email: gmosh@ion.ru
ORCID iD: 0000-0002-3671-6508

д.б.н.

Россия, 109240, Москва, Устьинский проезд, д. 2/14

Дмитрий Борисович Никитюк

Федеральный исследовательский центр питания, биотехнологии и безопасности пищи; Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова (Сеченовский Университет)

Email: mailbox@ion.ru
ORCID iD: 0000-0002-4968-4517
SPIN-код: 1236-8210

д.м.н., профессор, академик РАН

Россия, 109240, Москва, Устьинский проезд, д. 2/14; Москва

Список литературы

Дополнительные файлы