cardiotomskСибирский журнал клинической и экспериментальной медициныSiberian Journal of Clinical and Experimental Medicine2713-29272713-265XTSU publishing10.29001/2073-8552-2018-33-3-102-110cardiotomsk-562Research ArticleЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯEXPERIMENTAL STUDIESПЛЕЙОТРОПНЫЕ ФЕРМЕНТЫ АПОПТОЗА И СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ ГИППОКАМПА БЕЛЫХ КРЫС ПОСЛЕ ОККЛЮЗИИ ОБЩИХ СОННЫХ АРТЕРИЙPLEIOTROPIC ENZYMES OF APOPTOSIS AND SYNAPTIC PLASTICITY IN ALBINO RAT HIPPOCAMPUS AFTER OCCLUSION OF COMMON CAROTID ARTERIESАвдеевД. Б.AvdeevD. V.

канд. ветеринар. наук, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности, медицины катастроф

644099, Российская Федерация, Омск, ул. Ленина, 12

Cand. Sci. (Vet.), Associate Professor of the Department of Life Safety and Disaster Medicine

12, Lenin str., Omsk, 644099, Russian Federation

avdeev86@inbox.ruАкулининВ. А.AkulininV. A.

д-р мед. наук, профессор, заведующий кафедрой гистологии, цитологии и эмбриологии

644099, Российская Федерация, Омск, ул. Ленина, 12

Dr. Sci. (Med.), Professor, Head of the Department of Histology, Cytology, and Embryology

12, Lenin str., Omsk, 644099, Russian Federation

akulinin@omsk-osma.ruСтепановА. С.StepanovA. S.

очный аспирант кафедры гистологии, цитологии и эмбриологии

644099, Российская Федерация, Омск, ул. Ленина, 12

Full-Time Graduate Student of the Department of Histology, Cytology, and Embryology

12, Lenin str., Omsk, 644099, Russian Federation

ctepan55@yandex.ruГорбуноваА. В.GorbunovaA. V.

ординатор кафедры онкологии, лучевой терапии ДПО

644099, Российская Федерация, Омск, ул. Ленина, 12

Resident Physician of the Oncology and Radiation Therapy Department of DPO

12, Lenin str., Omsk, 644099, Russian Federation

double_energy@mail.ruСтепановС. С.StepanovS. S.

д-р мед. наук, старший научный сотрудник кафедры гистологии, цитологии и эмбриологии

644099, Российская Федерация, Омск, ул. Ленина, 12

Dr. Sci. (Med.), Senior Researcher of the Department of Histology, Cytology, and Embryology

12, Lenin str., Omsk, 644099, Russian Federation

serg_stepanov@mail.ruОмский государственный медицинский университетРоссияOmsk State Medical UniversityRussian Federation201827112018333102110Copyright © Авдеев Д.Б., Акулинин В.А., Степанов А.С., Горбунова А.В., Степанов С.С., 20182018Авдеев Д.Б., Акулинин В.А., Степанов А.С., Горбунова А.В., Степанов С.С.Avdeev D.V., Akulinin V.A., Stepanov A.S., Gorbunova A.V., Stepanov S.S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sibjcem.ru/jour/article/view/562

Цель: исследование было посвящено изучению плейотропных свойств фермента апоптоза каспазы-3, его связи с синаптической пластичностью гиппокампа белых крыс в норме и после 20-минутной окклюзии общих сонных артерий.Материал и методы. С помощью световой (окраска гематоксилином и эозином), электронной (уранилацетат и цитрат свинца) микроскопии, иммуногистохимии (MAP2, синаптофизин, каспаза-3, p53, bcl-2) и морфометрии были изучены общая численная плотность нейронов, ультраструктура синапсов, площадь иммунопозитивных синаптических терминалей stratum radiatum СА1 и stratum lucidum СА3 гиппокампа головного мозга в норме (n=5) и через 1 (n=5), 3 (n=5), 7 (n=5), 14 (n=5) и 30 суток (n=5) после острой ишемии.Результаты и обсуждение. Исследование показало, что в течение 30 суток постишемического периода 33,0% пирамидных нейронов СА1 и 17,4% СА3 подвергалось необратимой деструкции. Среди необратимо поврежденных преобладали нейроны с признаками коагуляционно-ишемического некроза. На этом фоне сначала (1 сутки) уменьшалась, а затем (3, 7 суток) восстанавливалась относительная площадь синаптофизин-позитивного материала. Установлено, что локализация каспазы-3 совпадала с локализацией синаптофизина. Особенно наглядно это было показано на гигантских синапсах stratum lucidum поля СА3. В телах пирамидных нейронов гиппокампа каспаза-3 не выявлялась, она локализовалась только в терминалях аксодендритических, аксошипиковых и аксосоматических синапсов. В динамике постишемического периода наиболее выраженные изменения содержания каспазы-3 отмечались в stratum radiatum поля СА1. Белки регуляции апоптоза (р53, bcl-2) выявлялись в единичных нейронах. В этой связи каспазу-3 необходимо рассматривать в аспекте ее плейотропности, участия в адаптационных и восстановительных процессах за счет постишемической активации нейропластичности на уровне аксонов и синапсов.Заключение. После острой ишемии, вызванной 20-минутной окклюзией общих сонных артерий, активация каспазы-3 способствует защите нервной ткани.

Aim: the aim of the study was to investigate the pleiotropic properties of the apoptotic enzyme caspase-3 and its associations with the synaptic plasticity of the hippocampus of albino rats in healthy animals and in rats after 20-min occlusion of the common carotid arteries.Material and Methods. Total numerical density of neurons, ultrastructure of synapses, and area of immunohistochemically positive hippocampal synaptic terminals of CA1 stratum radiatum and stratum lucidum CA3 were studied by the methods of optical microscopy (hematoxylin and eosin stain), electron microscopy (uranyl acetate and lead citrate as contrast agents), immunohistochemistry (MAP2, synaptophysin, caspase-3, p53, and bcl-2), and morphometry in the brains of intact rats (n=5) and in animals after acute ischemia at day 1 (n=5), 3 (n=5), 7 (n=5), 14 (n=5), and 30 (n=25).Results and Discussion. The study showed that 33.0% of pyramidal neurons in CA1 region and 17.4% of those in CA3 region underwent irreversible damage within 30 days of the post-ischemic period. Among the irreversibly damaged neurons, the cells with signs of coagulative-ischemic necrosis prevailed. In animals subject to ischemia, the relative area of synaptophysin-positive material initially decreased (at day 1) and then recovered (at days 3, 7). We found that caspase-3 colocalized with synaptophysin, which was especially evident in the giant synapses of the stratum lucidum of the hippocampal CA3 region. In the neurosomes of the hippocampal pyramidal cells, caspase-3 was not detected. However, this enzyme was found in the terminals of the axo-dendritic, axo-spine, and axo-somatic synapses. In the course of th e post-ischemic period, the most pronounced changes in the expression of caspase-3 were observed in the stratum radiatum of the CA1 field. Apoptosis regulatory proteins (p53, bcl-2) were detected in the individual neurons. In this regard, caspase-3 should be viewed in the context of its pleiotropy and involvement in the adaptation and recovery processes due to post-ischemic activation of neuroplasticity at the level of axons and synapses.Conclusion. After acute ischemia caused by 20-min occlusion of the common carotid arteries, the activation of caspase-3 contributes to ischemic preconditioning and neuroprotection.

острая ишемиягиппокампкаспаза-3р53bcl-2синаптофизинМАР-2acute ischemiahippocampuscaspase-3p53bcl-2synaptophysinMAP2ReferencesZeng Y. S., Xu Z. C. Co-existence of necrosis and apoptosis in rat hippocampus following transient forebrain ischemia. Neurosci. Res. 2000; 37: 113–125. DOI: 10.1016/s0168-0102(00)00107-3.Zeng Y. S., Xu Z. C. Co-existence of necrosis and apoptosis in rat hippocampus following transient forebrain ischemia. Neurosci. Res. 2000; 37: 113–125. DOI: 10.1016/s0168-0102(00)00107-3.Winkelmann E. R., Charcansky A., Faccioni-Heuser M. C., Netto C. A., Achaval M. An ultrastructural analysis of cellular death in the CA1 field in the rat hippocampus after transient forebrain ischemia followed by 2, 4 and 10 days of reperfusion. Anat. Embryol. 2006; 211: 423–434. DOI: 10.1007/s00429-006-0095-z.Winkelmann E. R., Charcansky A., Faccioni-Heuser M. C., Netto C. A., Achaval M. An ultrastructural analysis of cellular death in the CA1 field in the rat hippocampus after transient forebrain ischemia followed by 2, 4 and 10 days of reperfusion. Anat. Embryol. 2006; 211: 423–434. DOI: 10.1007/s00429-006-0095-z.Wirth C., Brandt U., Hunte C., Zickermann V. Structure and function of mitochondrial complex I. Biochim Biophys Acta. 2016; 1857(7): 902–914. DOI: 10.1016/j.bbabio.2016.02.013.Wirth C., Brandt U., Hunte C., Zickermann V. Structure and function of mitochondrial complex I. Biochim. Biophys. Acta. 2016; 1857(7): 902–914. DOI: 10.1016/j.bbabio.2016.02.013.Muller G. J., Stadelmann C., Bastholm L., Elling F., Lassmann H., Johansen F. F. Ischemia leads to apoptosis-and necrosis-like neuron death in the ischemic rat hippocampus. Brain Pathol. 2004; 14(4): 415–424. DOI: 10.1111/j.1750-3639.2004.tb00085.x.Muller G. J., Stadelmann C., Bastholm L., Elling F., Lassmann H., Johansen F. F. Ischemia leads to apoptosis-and necrosis-like neuron death in the ischemic rat hippocampus. Brain Pathol. 2004; 14(4): 415–424. DOI: 10.1111/j.1750-3639.2004.tb00085.x.Baron J.-C., Yamauchi H., Fujioka M., Endres M. Selective neuronal loss in ischemic stroke and cerebrovascular disease. J. Cereb. Blood Flow Metab. 2014; 34: 2–18. DOI: 10.1038/jcbfm.2013.188.Baron J.-C., Yamauchi H., Fujioka M., Endres M. Selective neuronal loss in ischemic stroke and cerebrovascular disease. J. Cereb. Blood Flow Metab. 2014; 34: 2–18. DOI: 10.1038/jcbfm.2013.188.Maurer L. L., Philbert M. A. The mechanisms of neurotoxicity and the selective vulnerability of nervous system sites. Handb. Clin. Neurol. 2015; 131: 61–70. DOI: 10.1016/B978-0-444-62627-1.00005-6.Maurer L. L., Philbert M. A. The mechanisms of neurotoxicity and the selective vulnerability of nervous system sites. Handb. Clin. Neurol. 2015; 131: 61–70. DOI: 10.1016/B978-0-444-62627-1.00005-6.Nikonenko A. G., Radenovic L., Andjus P. R., Skibo G. G. Structural features of ischemic damage in the hippocampus. The anatomical record. 2009; 292: 1914–1921. DOI: 10.1002/ar.20969.Nikonenko A. G., Radenovic L., Andjus P. R., Skibo G. G. Structural features of ischemic damage in the hippocampus. The Anatomical Record. 2009; 292: 1914–1921. DOI: 10.1002/ar.20969.Shetty A. K. Hippocampal injury-induced cognitive and mood dysfunction, altered neurogenesis, and epilepsy: can early neural stem cell grafting intervention provide protection? Epilepsy Behav. 2014; 38: 117–124. DOI: 10.1016/j.yebeh.2013.12.001.Shetty A. K. Hippocampal injury-induced cognitive and mood dysfunction, altered neurogenesis, and epilepsy: can early neural stem cell grafting intervention provide protection? Epilepsy Behav. 2014; 38: 117–124. DOI: 10.1016/j.yebeh.2013.12.001.Степанов А. С., Акулинин В. А., Степанов С. С., Авдеев Д. Б. Клеточные системы восстановления и утилизации поврежденных нейронов головного мозга белых крыс после 20-минутной окклюзии общих сонных артерий. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова. 2017; 103(10): 1135–1147.Stepanov A. S., Akulinin V. A., Stepanov S. S., Avdeev D. B. Cellular systems for the recovery and utilization of damaged brain neurons in white rats after a 20-minute occlusion of common carotid arteries. Rossijskij fiziologicheskij zhurnal im. I. M. Sechenova = Russian Journal of Physiology. THEM. Sechenov. 2017; 103(10): 1135–1147 (In Russ).Семченко В. В., Степанов С. С., Боголепов Н. Н. Синаптическая пластичность головного мозга (фундаментальные и прикладные аспекты). 2-е изд. М.: 2014: 408.Semchenko V. V., Stepanov S. S., Bogolepov N. N. Synaptic plasticity of the brain (fundamental and applied aspects). 2nd ed. Moscow: 2014: 408 (In Russ).Степанов А. С., Авдеев Д. Б., Акулинин В. А., Степанов С. С. Структурно-функциональные изменения нейронов неокортекса белых крыс после 20-минутной окклюзии общих сонных артерий. Патологическая физиология и экспериментальная терапия. 2018; 62(2): 30–38.Stepanov A. S., Avdeev D. B., Akulinin V. A., Stepanov S. S. Structural and functional changes in neocortical neurons of white rats after a 20-minute occlusion of common carotid arteries. Patologicheskaya fiziologiya i ehksperimental’naya terapiya = Pathological physiology and experimental therapy. 2018; 62(2): 30–38 (In Russ).Яковлев А. А., Гуляева Н. В. Плейотропные функции протеиназ мозга: методические подходы к исследованию и поиск субстратов каспазы. Биохимия. 2011; 76(10): 1325–1334. DOI: 10.1134/s0006297911100014.Yakovlev A. A., Gulyaeva N. V. Pleiotropic functions of brain proteinases: methodical approaches to research and search for substrates for caspase. Biohimiya = Biochemistry. 2011; 76(10): 1325–1334. DOI: 10.1134/s0006297911100014.Яковлев А. А., Гуляева Н. В. Прекондиционирование клеток мозга к патологическим воздействиям: вовлеченность протеаз (обзор). Биохимия. 2015; 80(2): 204–213.Yakovlev A. A., Gulyaeva N. V. Pre-conditioning of brain cells to pathological effects: protease involvement (review). Biohimiya = Biochemistry. 2015; 80(2): 204–213.McLaughlin B., Hartnett K. A., Erhardt J. A., Legos J. J., White R. F., Barone F. C., Aizenman E. Caspase 3 activation is essential for neuroprotection in preconditioning. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003; 100: 715–720. DOI: 10.1073/pnas.0232966100.McLaughlin B., Hartnett K. A., Erhardt J. A., Legos J. J., White R. F.,Barone F. C., Aizenman E. Caspase 3 activation is essential for neuroprotection in preconditioning. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003; 100: 715–720. DOI: 10.1073/pnas.0232966100.Launay S., Hermine O., Fontenay M., Kroemer G., Solary E., Garrido C. Vital functions for lethal caspases. Oncogene. 2005; 24: 5137–5148. DOI: 10.1038/sj.onc.1208524.Launay S., Hermine O., Fontenay M., Kroemer G., Solary E., Garrido C. Vital functions for lethal caspases. Oncogene. 2005; 24: 5137–5148. DOI: 10.1038/sj.onc.1208524.Khalil H., Peltzer N., Walicki J., Yang J.-Y., Dubuis G., Gardiol N., Held W., Bigliardi P., Marsland B., Liaudet L., Widmann Ch. Caspase 3 protects stressed organs against cell death. Mol. Cell Biol. 2012; 32: 4523–4533. DOI: 10.1128/mcb.00774-12.Khalil H., Peltzer N., Walicki J., Yang J.-Y., Dubuis G., Gardiol N., Held W., Bigliardi P., Marsland B., Liaudet L., Widmann Ch. Caspase 3 protects stressed organs against cell death. Mol. Cell Biol. 2012; 32: 4523–4533. DOI: 10.1128/mcb.00774-12.Корпачев В. Г., Лысенков С. П., Тель Л. З. Моделирование клинической смерти и постреанимационной болезни у крыс. Патологическая физиология и экспериментальная терапия. 1982; 3:78–80.Korpachev V. G., Lysenkov S. P., Tel’ L. Z. Modeling of clinical death and postresuscitation disease in rats. Patologicheskaya fiziologiya i ehksperimental’naya terapiya = Pathological physiology and experimental therapy. 1982; 3: 78–80 (In Russ).Буреш Я., Бурешова О., Хьюстон Д. П. Методики и основные эксперименты по изучению мозга и поведения. М.: Высшая школа; 1991: 399.Buresh Y. A., Bureshova O., H’yuston D. P. Techniques and basic experiments on the study of the brain and behavior. Moscow: Vysshaya shkola; 1991: 399 (In Russ).Васильев Ю. Г., Вольхин И. А., Данилова Т. Г., Берестов Д. С. Оценка неврологического статуса домашних и лабораторных животных. Международный вестник ветеринарии. 2013; 3: 52–55.Vasil’ev Yu. G., Vol’hin I. A., Danilova T. G., Berestov D. S. Evaluation of neurological status of domestic and laboratory animals. Mezhdunarodnyj vestnik veterinarii = International Veterinary Journal of Veterinary Medicine. 2013; 3: 52–55 (In Russ).Paxinos G., Watson C. The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. 5th ed. San Diego: Elsevier Academic Press; 2005: 367. 21. Акулинин В. А., Степанов С. С., Авдеев Д. Б., Степанов А. С., Разумовский В. С., Артюхов А. В., Горбунова А. В. Особенности изменений неокортекса, архикортекса и миндалевидного тела белых крыс после острой ишемии. Журнал анатомия и гистопатология. 2018; 7(2): 9–17. DOI: 10.18499/2225-7357-2018-7-2-9-17.Paxinos G., Watson C. The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. 5th ed. San Diego: Elsevier Academic Press; 2005: 367.Боровиков В. Statistica. Искусство анализа данных на компьютере. 2-е изд. СПб: Питер; 2003: 688.Akulinin V. A., Stepanov S. S., Avdeev D. B., Stepanov A. S., Razumovskij V. S., Artyuhov A. V., Gorbunova A. V. Features of changes in the neocortex, archcortex and amygdala of white rats after acute ischemia. Zhurnal anatomiya i gistopatologiya = Journal of Anatomy and Histopathology. 2018; 7(2): 9–17 (In Russ). DOI: 10.18499/2225-7357-2018-7-2-9-17.Borovikov V. Statistica. The art of analyzing data on a computer. 2nd ed. St. Petersburg: Piter; 2003: 688 (In Russ).Borovikov V. Statistica. The art of analyzing data on a computer. 2nd ed. St. Petersburg: Piter; 2003: 688 (In Russ).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.