Морфологічні передумови метаболічних порушень при коморбідному перебігу запального процесу в легенях та цукрового діабету 2 типу у щурів

Автор(и)

  • Р.Б. Алієв Інститут фізіології імені О.О. Богомольця НАН України, Київ, Ukraine https://orcid.org/0000-0003-4350-0286
  • К.В. Розова Інститут фізіології імені О.О. Богомольця НАН України, Київ , Ukraine https://orcid.org/0000-0002-6266-4617
  • М.Г. Козловська Інститут фізіології імені О.О. Богомольця НАН України, Київ, Ukraine https://orcid.org/0000-0002-7151-1022
  • М.І. Василенко Інститут фізіології імені О.О. Богомольця НАН України, Київ; Міжнародний центр астрономічних та медико-­екологічних досліджень НАН України, Київ, Ukraine https://orcid.org/0000-0001-5237-9161
  • М.Г. Дубова Інститут фізіології імені О.О. Богомольця НАН України, Київ, Ukraine
  • А.С. Шаповалова Інститут фізіології імені О.О. Богомольця НАН України, Київ, Ukraine https://orcid.org/0000-0003-4703-0090
  • А.Г. Портниченко Інститут фізіології імені О.О. Богомольця НАН України, Київ; Міжнародний центр астрономічних та медико-екологічних досліджень НАН України, Київ, Ukraine https://orcid.org/0000-0003-2509-101X

DOI:

https://doi.org/10.30978/TB2023-4-54

Ключові слова:

запалення легень; інсулінорезистентність; цукровий діабет 2 типу; енергетичний метаболізм; ультраструктура клітин легень і печінки.

Анотація

Мета роботи — схарактеризувати ультраструктурні зміни у клітинах легень та печінки, асоційовані з розладами енергетичного метаболізму при коморбідному перебігу запалення в легенях і цукрового діабету (ЦД) 2 типу.

Матеріали та методи. Дослідження проведено на дорослих щурах лінії Вістар, яких розподілили на чотири групи: 1) контрольну; 2) щури з моделюванням запального процесу введенням ліпополісахариду (ЛПС) (0,5 мг/кг маси тіла внутрішньоочеревинно); 3) щури з відтворенням інсулінорезистентності шляхом вживання високожирової дієти (у загальній калорійності раціону 58 % припадало на ліпіди) та ін’єкцією ЛПС на 24-ту добу експерименту; 4) щури з моделюванням ЦД 2 типу шляхом вживання високожирової дієти, введення стрептозотоцину (25 мг/кг маси тіла) на 14-ту добу та ін’єкцією ЛПС на 24-ту добу експерименту. Ультраструк­туру клітин легень і печінки оцінювали методом електронної мікроскопії в зразках тканин, одержаних від наркотизованих тварин через 3 доби після введення ЛПС.

Результати та обговорення. При моделюванні запалення, зумовленого ЛПС-індукованими цитокіновими механізмами, у легенях спостерігали запальні симптоми, в альвеолоцитах ІІ типу вияви мітохондріальної дисфункції, велику кількість вільних і прикріплених рибосом, що вказує на порушення енергетичного метаболізму і розвиток компенсаторно-пристосувальних реакцій (інтенсифікація синтезу білка, репаративних процесів у мітохондріях та їхньої взаємодії з ендоплазматичним ретикулумом). При моделюванні коморбідного перебігу ЛПС-індукованого запального процесу в легенях і ЦД 2 типу зареєстровано посилення запальних виявів у легенях на тлі ліпідної інфільтрації, зростання гіпергідратації аерогематичного бар’єра, ендотеліальної дисфункції, в альвеолоцитах ІІ типу спостерігали ознаки мітохондріальної дисфункції, компенсаторне збільшення синтезу білка, що може свідчити про інтенсифікацію процесів альтерації, погіршення енергетичного та ліпідного метаболізму. При моделюванні ЛПС-індукованого запального процесу в легенях на тлі інсулінорезистентності патологічні вияви були менш виразні, мітохондріальна дисфункція не спостерігалася, що вказує на підтримання енергетичного метаболізму в цих умовах і лише часткову роль інсулінорезистентності в несприятливому перебігу коморбідної патології. У печінці при коморбідному перебігу ЛПС-індукованого за­пального процесу в легенях і ЦД 2 типу виявлено збільшення стеатозу, ендотеліальної дисфункції, у гепатоцитах спостерігали ознаки мітохондріальної дисфункції, виразне компенсаторне збільшення синтезу білка у зв’язаних рибосомах, утворення асоційованих з мітохондріями мембран ендоплазматичного ретикулуму.

Висновки. При коморбідному перебігу ЛПС-індукованого запалення в легенях і ЦД 2 типу поглиблюються порушення енергетичного метаболізму, опосередковані респіраторною і мітохондріальною дисфункцією, та інтенсифікуються компенсаторні процеси синтезу білка та взаємодії мітохондрій з ендоплазматичним ретикулумом. Одержані результати можуть свідчити про те, що патогенез коморбідного перебігу запалення в легенях і ЦД 2 типу або інсулінорезистентності відбувається в напрямі можливої компенсації порушень вуглеводного та енергетичного метаболізму за рахунок погіршення ліпідного обміну і прогресування ожиріння.

Біографії авторів

Р.Б. Алієв, Інститут фізіології імені О.О. Богомольця НАН України, Київ

Алієв Руфат Бахтіяр огли
аспірант відділу гіпоксії

К.В. Розова, Інститут фізіології імені О.О. Богомольця НАН України, Київ

Розова Катерина Всеволодівна
д. біол. н., пров. наук. співр. відділу гіпоксії

М.Г. Козловська, Інститут фізіології імені О.О. Богомольця НАН України, Київ

Козловська Марія Геннадіївна
аспірант відділу гіпоксії

М.І. Василенко, Інститут фізіології імені О.О. Богомольця НАН України, Київ; Міжнародний центр астрономічних та медико-­екологічних досліджень НАН України, Київ

Василенко Марина Ігорівна
к. біол. н., ст. наук співр. відділу гіпоксії Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України, Київ;
ст. наук. співр. лабораторії молекулярної біології МЦ АМЕД НАН України, Київ

М.Г. Дубова, Інститут фізіології імені О.О. Богомольця НАН України, Київ

Дубова Марія Григорівна
ст. лаб. відділу гіпоксії

А.С. Шаповалова, Інститут фізіології імені О.О. Богомольця НАН України, Київ

Шаповалова Анна Сергіївна
аспірант відділу гіпоксії Інституту фізіології

А.Г. Портниченко, Інститут фізіології імені О.О. Богомольця НАН України, Київ; Міжнародний центр астрономічних та медико-екологічних досліджень НАН України, Київ

Портниченко Алла Георгіївна
д. мед. н., зав. відділу гіпоксії Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України, Київ;
зав. лабораторії молекулярної біології МЦ АМЕД НАН України, Київ

Посилання

Karupu VIa. [Elektronna mikroskopiia]. Kyiv. Vyshcha shkola, 1984. 208 s. Ukrainian.

Mokhort MA, Seredynska NM, Kyrychok LM, ta in. [Farma­kolohichna korektsiia zovnishnoho dykhannia v umovakh eksperymentalnoi pnevmonii]. Ukr pulmonol zhurn. 2008;(1):61-5. Ukrainian.

Portnychenko AH, Vasylenko MI, Aliiev RB, Portnichenko VI. [Sposib modeliuvannia zapalnoho protsesu na tli eksperymentalnoho tsukrovoho diabetu 2 typu]. Patent na korysnu model, zaiavka u202202788 vid 04.08.2022. Ukrainian.

Alfarouk KO, Alhoufie STS, Hifny A, et al. Of mitochondrion and COVID-19. J Enzyme Inhib Med Chem. 2021 Dec;36(1):1258-67. http://doi.org/10.1080/14756366.2021.2017911.

Armstrong JS, Whiteman M. Measurement of reactive oxygen species in cells and mitochondria. Methods Cell Biol. 2007;80(3):355-77. http://doi.org/10.1016/S0091-679X(06)80018-X. PMID: 17445704.

Arruda AP, Pers BM, Parlakgül G, Güney E, Inouye K, Hotamisligil GS. Chronic enrichment of hepatic endoplasmic reticulum-mitochondria contact leads to mitochondrial dysfunction in obesity. Nat Med. 2014;20(12):1427-35. http://doi.org/10.1038/nm.3735.

Bornstein SR, Dalan R, Hopkins D, Mingrone G, Boehm BO. Endocrine and metabolic link to coronavirus infection. Nat Rev Endocrinol. 2020;16:297-8. http://doi.org/10.1038/s41574-020-0353-9.

Bose М, Chatterjee S, Chakrabarty Y, Barman B, Bhattacharyya SN. Retrograde trafficking of Argonaute 2 acts as a rate-limiting step for de novo miRNP formation on endoplasmic reticulum-attached polysomes in mammalian cells. Life Sci Alliance. 2020;3(2):e201800161. http://doi.org/10.26508/lsa.201800161.

Burslem R, Gottesman K, Newkirk M, Ziegler J. Energy requirements for critically ill patients with COVID-19. Nutr Clin Pract. 2022 Jun;37(3):594-604. http://doi.org/10.1002/ncp.10852.

Cheng H, Gang X, He G, et al. The molecular mechanisms underlying mitochondria-associated endoplasmic reticulum membrane-induced insulin resistance. Front Endocrinol (Lausanne). 2020 Nov 23;11:592129. http://doi.org/10.3389/fendo.2020.592129.

Fan W. Epidemiology in diabetes mellitus and cardiovascular disease. Cardiovasc Endocrinol. 2017;6(1):8-16. http://doi.org/10.1097/XCE.0000000000000116.

Ferguson M, Vel J, Phan V, et al. Coronavirus disease 2019, diabetes, and inflammation: a systemic review. Metab Syndr Relat Disord. 2023 May;21(4):177-87. http://doi.org/10.1089/met.2022.0090.

Jo EK, Kim JK, Shin DM, Sasakawa C. Molecular mechanisms regulating NLRP3 inflammasome activation. Cell Mol Immunol. 2016;13(2):148-59. http://doi.org/10.1038/cmi.2015.95.

Kantroo V, Atreja A, Bhattacharya S, Shaikh S, Kalra S. The diabetic lung. J Pak Med Assoc. 2023 Jan;73(1):191-2. http://doi.org/10.47391/JPMA.03-23.

Khateeb J, Fuchs E, Khamaisi M. Diabetes and lung disease: a neglected relationship. Rev Diabet Stud. 2019;15:1-15. http://doi.org/10.1900/RDS.2019.15.1.

Kolahian S, Leiss V, Nürnberg B. Diabetic lung disease: fact or fiction? Rev Endocr Metab Disord. 2019;20(3):303-19. http://doi.org/10.1007/s11154-019-09516-w.

Li Z, Agellon LB, Allen TM, et al. The ratio of phosphatidylcho­line to phosphatidylethanolamine influences membrane integ­rity and steatohepatitis. Cell Metab. 2006;3(5):321-31. http://doi.org/10.1016/j.cmet.2006.03.007.

Lim S, Bae JH, Kwon HS, Nauck MA. COVID-19 and diabetes mellitus: from pathophysiology to clinical management. Nat Rev Endocrinol. 2021 Jan;17(1):11-30. http://doi.org/10.1038/s41574-020-00435-4.

Liu, Y, Zhu X. Endoplasmic reticulum-mitochondria tethering in neurodegenerative diseases. Transl Neurodegener. 2017 Aug 23:6:21. http://doi.org/10.1186/s40035-017-0092-6. PMID: 28852477.

Mahrooz A, Muscogiuri G, Buzzetti R, Maddaloni E. The complex combination of COVID-19 and diabetes: pleiotropic changes in glucose metabolism. Endocrine. 2021;72(2):317-25. http://doi.org/10.1007/s12020-021-02729-7.

Missiroli S, et al. Mitochondria-associated membranes (MAMs) and inflammation. Cell Death Dis. 2018 Feb 28;9(3):329. http://doi.org/10.1038/s41419-017-0027-2. PMID: 29491386.

Mohsin M, Tabassum G, Ahmad S, Ali S, Ali Syed M. The role of mitophagy in pulmonary sepsis. Mitochondrion. 2021 Jul;59:63-75. http://doi.org/10.1016/j.mito.2021.04.009.

Nissen P, Hansen J, Ban N, Moore PB, Steitz TA. The structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis. Science. 2000;289(5481):920-30. http://doi.org/10.1126/science.289.5481.920.

Percie du Sert N, Ahluwalia A, Alam S, et al. Reporting animal research: Explanation and elaboration for the arrive guidelines 2.0. PLoS Biology. 2020;18(7):e3000411. http://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000410.

Portnychenko AG, Vasylenko MI, Aliiev RB, et al. The pre­requisites for the development of type 2 diabetes or prediabetes in rats fed a high-fat diet. Regul Mech Biosyst. 2023;14(1):16-22. http://doi.org/10.15421/022303.

Pugliese G, Vitale M, Resi V, Orsi E. Is diabetes mellitus a risk factor for COronaVIrus Disease 19 (COVID-19)? Acta Diabetol. 2020;57(11):1275-85. http://doi.org/10.1007/s00592-020-01586-6.

Rajpal A, Rahimi L, Ismail-Beigi F. Factors leading to high morbidity and mortality of COVID-19 in patients with type 2 diabetes. J Diabetes. 2020 Dec;12(12):895-908. http://doi.org/10.1111/1753-0407.13085

Ribeiro A, Almeida VI, Costola-de-Souza C, et al. Cannabidiol improves lung function and inflammation in mice submitted to LPS-induced acute lung injury. Immunopharmacol Immu­no­toxicol. 2015 Feb;37(1):35-41. http://doi.org/10.3109/08923973.2014.976794.

Rieusset J, Fauconnier J, Paillard M, et al. Disruption of calcium transfer from ER to mitochondria links alterations of mito­chondria-associated ER membrane integrity to hepatic insulin resistance. Diabetologia. 2016;59(3):614-23. http://doi.org/10.1007/s00125-015-3829-8.

Roca-Ho H, Riera M, Palau V, Pascual J, Soler MJ. Charac­terization of ACE and ACE2 expression within different organs of the NOD mouse. Int J Mol Sci. 2017;18(3):563. http://doi.org/10.3390/ijms18030563.

Rothan HA, Byrareddy SN. The epidemiology and pathogenesis of coronavirus disease (COVID-19) outbreak. J Autoimmun. 2020;109:102433. http://doi.org/10.1016/j.jaut.2020.102433.

Suryavanshi SV, Zaiachuk M, Pryimak N, Kovalchuk I, Ko­­valchuk O. Cannabinoids alleviate the LPS-induced cytokine storm via attenuating NLRP3 inflammasome signaling and TYK2-mediated STAT3 signaling pathways in vitro. Cells. 2022 Apr 20;11(9):1391. http://doi.org/10.3390/cells11091391.

Taşcă C. Introducere în morfologia cantitativă cito-histologică. Editura Academiei Române, Bucureşti; 1976.

Tiengo A, Fadini GP, Avogaro A. The metabolic syndrome, diabetes and lung dysfunction. Diabetes Metab. 2008 Nov;34(5):447-54. http://doi.org/10.1016/j.diabet.2008.08.001.

Theurey P, Tubbs E, Vial G, et al. Mitochondria-associated endoplasmic reticulum membranes allow adaptation of mito­chondrial metabolism to glucose availability in the liver. J Mol Cell Biol. 2016;8(2):129-43. http://doi.org/10.1093/jmcb/mjw004.

Tsapenko PK, Vasylenko MI, Aliiev RB, et al. Effects of high-fat diet on the development of insulin resistance and metabolic syndrome in rats. Ukr J Med Biol Sport. 2020;5(3):441-4. http://doi.org/10.26693/jmbs05.03.441.

Van Crevel R, Van de Vijver S, Moore DAJ. The global diabetes epidemic: what does it mean for infectious diseases in tropical countries? Lancet Diabetes Endocrinol. 2017;5:457-68 http://doi.org/10.1016/S2213-8587(16)30081-X.

Wu YC, Chen CS, Chan YJ. The outbreak of COVID-19: anoverview. J Chin Med Assoc. 2020;83:217-20. http://doi.org/10.1097/JCMA.0000000000000270.

Ye L, Zeng Q, Ling M, et al. Inhibition of IP3R/Ca2+ dys­regulation protects mice from ventilator-induced lung injury via endoplasmic reticulum and mitochondrial pathways. Front Immunol. 2021 Sep 15;12:729094. http://doi.org/10.3389/fimmu.2021.729094.

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-11-30

Номер

Розділ

Оригінальні дослідження