Взаимосвязь сфинголипидных механизмов с окислительным стрессом и изменениями митохондрий при функциональной разгрузке постуральных мышц

Обоснование. Длительное бездействие скелетных мышц сопровождается развитием окислительного стресса и изменениями сфинголипидного метаболизма. Взаимосвязь сфинголипидных механизмов с генерацией активных форм кислорода (АФК) при функциональной разгрузке мышц не изучена.

Цель исследования. Выявить взаимосвязь между изменениями сфингомиелиназы и церамида с продукцией активных форм кислорода в камбаловидной мышце крыс при функциональной разгрузке.

Методы. Крыс-самцов линии Wistar подвергали антиортостатическому вывешиванию (АОВ) в течение 12 часов и 14 дней на фоне применения блокатора кислой сфингомиелиназы (ASM, acid sphingomyelinase) амитриптилина (AMI, amitriptyline). На гистологических срезах камбаловидной мышцы определяли уровни ASM, церамида и АФК (флуоресцентная микроскопия). Методом вестерн-блоттинга определяли прооксидантные ферменты (НАДФ-Hоксидазы 2 и 4 (NOX2 и NOX4, NADPH oxidase)), цитохром-c-оксидазу (COX IV, cytochrome c oxidase subunit IV) и белок-регулятор биогенеза митохондрий PGC-1α (peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha) в мышечном гомогенате, а также церамид и ASM в изолированной фракции митохондрий. На модели ex vivo исследовали влияние сфингомиелиназы и прооксидантов на уровни церамида, АSM, АФК и NOX2 путём инкубации мышцы с экзогенной сфингомиелиназой или H₂O₂.

Результаты. 12-часовое АОВ сопровождалось увеличением уровня ASM и церамида в волокнах камбаловидной мышцы. Разгрузка в течение 14 дней характеризовалась увеличением ASM, церамида, АФК, NOX2, NOX4 и снижением COX IV и PGC-1α. Уровни ASM и церамида были увеличены также в митохондриальной фракции. Ингибитор ASM амитриптилин частично или полностью нивелировал изменения, вызванные разгрузкой. В модели ex vivo обнаружен стимулирующий эффект воздействия экзогенной сфингомиелиназы на уровни АФК и NOX2 в мышце, тогда как H₂O₂ стимулировал продукцию АSM и церамида.

Выводы. Установлена тесная взаимосвязь сфингомиелиназного пути образования церамида и продукции АФК в скелетной мышце в условиях функциональной разгрузки.

1. Bouviere J, Fortunato RS, Dupuy C, Werneck-de-Castro JP, Carvalho DP, Louzada RA. Exercise-stimulated ROS sensitive signaling pathways in skeletal muscle. Antioxidants (Basel). 2021; 10(4): 537. doi: 10.3390/antiox10040537

2. Gomez-Cabrera MC, Arc-Chagnaud C, Salvador-Pascual A, Brioche T, Chopard A, Olaso-Gonzalez G, et al. Redox modulation of muscle mass and function. Redox Biology. 2020; 35: 101531. doi: 10.1016/j.redox.2020.101531

3. Ferreira LF, Laitano O. Regulation of NADPH oxidases in skeletal muscle. Free Radic Biol Med. 2016; 98: 18-28. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2016.05.011

4. Hord JM, Garcia MM, Farris KR, Guzzoni V, Lee Y, Lawler MS, et al. Nox2 signaling and muscle fiber remodeling are attenuated by losartan administration during skeletal muscle unloading. Physiol Rep. 2021; 9(1): e14606. doi: 10.14814/phy2.14606

5. Kadoguchi T, Shimada K, Koide H, Miyazaki T, Shiozawa T, Takahashi S, et al. Possible role of NADPH oxidase 4 in angiotensin II-induced muscle wasting in mice. Front Physiol. 2018; 9: 340. doi: 10.3389/fphys.2018.00340

6. Lawler JM, Hord JM, Ryan P, Holly D, Janini Gomes M, Rodriguez D, et al. Nox2 inhibition regulates stress response and mitigates skeletal muscle fiber atrophy during simulated microgravity. Int J Mol Sci. 2021; 22(6): 3252. doi: 10.3390/ijms22063252

7. Trevino MB, Zhang X, Standley RA, Wang M, Han X, Reis FCG, et al. Loss of mitochondrial energetics is associated with poor recovery of muscle function but not mass following disuse atrophy. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2019; 317(5): E899-E910. doi: 10.1152/ajpendo.00161.2019

8. Chaurasia B, Summers SA. Ceramides in metabolism: Key lipotoxic players. Ann Rev Physiol. 2021; 83: 303-330. doi: 10.1146/annurev-physiol-031620-093815

9. Diaz-Vegas A, Madsen S, Cooke KC, Carroll L, Khor JXY, Turner N, et al. Mitochondrial electron transport chain, ceramide and coenzyme Q are linked in a pathway that drives insulin resistance in skeletal muscle. eLife. 2023; 12: RP87340. doi: 10.7554/eLife.87340.2

10. Gudz TI, Tserng KY, Hoppel CL. Direct inhibition of mitochondrial respiratory chain complex III by cell-permeable ceramide. J Biol Chem. 1997; 272(39): 24154-24158. doi: 10.1074/jbc.272.39.24154

11. Kogot-Levin A, Saada A. Ceramide and the mitochondrial respiratory chain. Biochimie. 2014; 100: 88-94. doi: 10.1016/j.biochi.2013.07.027

12. Брындина И.Г., Шалагина М.Н., Овечкин С.В., Овчинина Н.Г. Сфинголипиды скелетных мышц у мышей C57B1/6 в условиях непродолжительной моделированной гипогравитации. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2014; 100(11): 1280-1286. doi: 10.31857/s0869813921060170

13. Zhang Y, Li X, Becker KA, Gulbins E. Ceramide-enriched membrane domains – Structure and function. Biochim Biophys Acta. 2009; 1788(1): 178-183. doi: 10.1016/j.bbamem.2008.07.030

14. Bryndina IG, Protopopov VA, Sergeev VG, Shalagina MN, Ovechkin SV, Yakovlev AA. Ceramide enriched membrane domains in rat skeletal muscle exposed to short-term hypogravitational unloading. Front Physiol. 2018; 9. doi: 10.3389/conf.fphys.2018.26.00028

15. Petrov AM, Shalagina MN, Protopopov VA, Sergeev VG, Ovechkin SV, Ovchinina NG, et al. Changes in membrane ceramide pools in rat soleus muscle in response to short-term disuse. Int J Mol Sci. 2019; 20(19): 4860. doi: 10.3390/ijms20194860

16. Bryndina IG, Shalagina MN, Protopopov VA, Sekunov AV, Zefirov AL, Zakirjanova GF, et al. Early lipid raft-related changes: Interplay between unilateral denervation and hindlimb suspension. Int J Mol Sci. 2021; 22(5): 2239. doi: 10.3390/ijms22052239

17. Шалагина М.Н., Протопопов В.А., Яковлев А.А., Овечкин С.В., Брындина И.Г. НАДФН-оксидаза и супероксиддисмутаза в камбаловидной мышце грызунов в условиях моделирования эффектов гипогравитации и коррекции обмена сфинголипидов. Вестник Удмуртского университета. Серия Биология. Науки о Земле. 2017; 27(4): 492-496.

18. Секунов А.В., Протопопов В.А., Скурыгин В.В., Шалагина М.Н., Брындина И.Г. Мышечная пластичность в условиях функциональной разгрузки: эффекты ингибитора кислой сфингомиелиназы кломипрамина. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2021; 107(6-7): 911-924. doi: 10.31857/s0869813921060170

19. Wei J, Xu L, Du YN, Tang XF, Ye MQ, Wu YJ, et al. Membrane raft redox signalling contributes to endothelial dysfunction and vascular remodelling of thoracic aorta in angiotensin II-infused rats. Exp Physiol. 2019; 104(6): 946-956. doi: 10.1113/EP087335

20. Liu R, Duan T, Yu L, Tang Y, Liu S, Wang C, et al. Acid sphingomyelinase promotes diabetic cardiomyopathy via NADPH oxidase 4 mediated apoptosis. Cardiovasc Diabetol. 2023; 22(1): 25. doi: 10.1186/s12933-023-01747-1

21. Loehr JA, Abo-Zahrah R, Pal R, Rodney GG. Sphingomyelinase promotes oxidant production and skeletal muscle contractile dysfunction through activation of NADPH oxidase. Front Physiol. 2015; 5: 530. doi: 10.3389/fphys.2014.00530

22. Li X, Gulbins E, Zhang Y. Oxidative stress triggers Ca-dependent lysosome trafficking and activation of acid sphingomyelinase. Cell Physiol Biochem. 2012; 30(4): 815-826. doi: 10.1159/000341460

23. Levitsky Y, Hammer SS, Fisher KP, Huang C, Gentles TL, Pegouske DJ, et al. Mitochondrial ceramide effects on the retinal pigment epithelium in diabetes. Int J Mol Sci. 2020; 21(11): 3830. doi: 10.3390/ijms21113830

24. Babiychuk EB, Atanassoff AP, Monastyrskaya K, Brandenberger C, Studer D, Allemann C, et al. The targeting of plasmalemmal ceramide to mitochondria during apoptosis. PLoS One. 2011; 6(8): e23706. doi: 10.1371/journal.pone.0023706

25. Stiban J, Caputo L, Colombini M. Ceramide synthesis in the endoplasmic reticulum can permeabilize mitochondria to proapoptotic proteins. J Lipid Res. 2008; 49(3): 625-634. doi: 10.1194/jlr.M700480-JLR200

26. Kwon OS, Nelson DS, Barrows KM, O’Connell RM, Drummond MJ. Intramyocellular ceramides and skeletal muscle mitochondrial respiration are partially regulated by Tolllike receptor 4 during hindlimb unloading. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2016; 311(5): R879-R887. doi: 10.1152/ajpregu.00253.2016

27. Бабенко Н.А., Стороженко Г.В. Роль церамида в снижении содержания кардиолипина в сердце у крыс с возрастом. Успехи геронтологии. 2017; 30(1): 43-48.

28. Panov AV, Darenskaya MA, Dikalov SI, Kolesnikov SI. Metabolic syndrome as the first stage of eldership; the beginning of real aging. Update in Geriatrics. 2021; 37-67. doi: 10.5772/intechopen.95464

29. Panov A, Mayorov VI, Dikalov S. Metabolic syndrome and β-oxidation of long-chain fatty acids in the brain, heart, and kidney mitochondria. Int J Mol Sci. 2022; 23(7): 4047. doi: 10.3390/ijms23074047

30. Kanazashi M, Tanaka M, Nakanishi R, Maeshige N, Fujino H. Effects of astaxanthin supplementation and electrical stimulation on muscle atrophy and decreased oxidative capacity in soleus muscle during hindlimb unloading in rats. J Physiol Sci. 2019; 69(5): 757-767. doi: 10.1007/s12576-019-00692-7