Стимулирующее влияние низких концентраций Eu3+ на спонтанные сердечные сокращения

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Негативные кумулятивные эффекты влияния лантаноидов на организм человека хорошо известны, они связаны, преимущественно, с токсическим воздействием редкоземельных металлов (РЗЭ) на мышечную ткань. Однако эффекты низких концентраций этих металлов на мышцы изучены значительно хуже. В своей работе мы выявили необычный стимулирующий эффект низкой концентрации европия (Eu3+) на спонтанные сокращения препаратов предсердий сердечной мышцы лягушки. Целью настоящего исследования было изучение стимулирующего влияния европия (Eu3+) на сокращение препаратов предсердий сердечной мышцы как в норме, так и в присутствии ингибитора митохондриального дыхания азида натрия (NaN3). Исследование проводилось с использованием двух экспериментальных моделей: мышечных препаратов, полученных из изолированных предсердий сердца лягушки Rana ridibunda, и митохондрий, выделенных из сердца самцов крыс линии Вистар. В результате проведенных исследований установлено, что Eu3+ в концентрации 0.2 мМ при температуре 20°С потенциировал сокращения предсердий лягушки in situ, при этом увеличивалась как амплитуда, так и максимальная скорость нарастания силы одиночных спонтанных сокращений. Спонтанные сокращения предсердий становились более устойчивыми к воздействию 1мМ NaN3. При этом Eu3+ не влиял на дыхание энергизованных митохондрий (активированное АДФ (состояние 3) или 2,4-динитрофенолом (состояние 3РДНФ)). Интенсивность этого дыхания снижалась в условиях кальциевой нагрузки митохондрий независимо от наличия в среде Eu3+. Таким образом, на основании проведенных исследований был сделан вывод о том, что ионы Eu3+ при низкой концентрации (0.2 мМ) стимулируют сокращение предсердий и оказывают положительное инотропное действие. Стимулирующий эффект низкой концентрации Eu3+ на сердце можно объяснить синергизмом в действии Са2+ и Eu3+ на кальциевые каналы стимуляцией Са2+-зависимых процессов в кардиомиоцитах и отсутствием негативного эффекта на дыхание митохондрий.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

К. В. Соболь

Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: peep9@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург

С. М. Коротков

Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук

Email: peep9@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург

И. В. Шемарова

Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук

Email: peep9@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург

В. П. Нестеров

Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук

Email: peep9@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Darghal N, Garnier-Suillerot A, Bouchemal N, Gras G, Geraldes CF, Salerno M (2010) Accumulation of Eu3+ chelates in cells expressing or not P_glycoprotein: implications for blood_brain barrier crossing. J Inorg Biochem 104:47–54. https://doi.org/10.1016/j.jinorgbio.2009.09.026
  2. Chen YC, Huang SC, Wang YK, Liu YT, Wu TK, Chen TM (2013) Ligand-functionalization of BPEI-coated YVO4:Bi3+, Eu3+ nanophosphors for tumor-cell-targeted imaging applications. Chem Asian J 8:2652–2659. https://doi.org/10.1002/asia.201300570
  3. Jin Y, Chen S, Duan J, Jia G, Zhang J (2015) Europium-doped Gd2O3 nanotubes cause the necrosis of primary mouse bone marrow stromal cells through lysosome and mitochondrion damage. J Inorg Biochem 146:28–36. https://doi.org/10.1016/j.jinorgbio.2015.02.006
  4. Wu L, Yang F, Xue Y, Gu R, Liu H, Xia D, Liu Y (2023) The biological functions of europium-containing biomaterials: A systematic review. Mater Today Bio 19:100595. https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2023.100595
  5. Chen S, Zhang C, Jia G, Duan J, Wang S, Zhang J (2014) Size-dependent cytotoxicity of europium doped NaYF₄ nanoparticles in endothelial cells. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 43:330–342. https://doi.org/10.1016/j.msec.2014.07.029
  6. Alpturk O, Rusin O, Fakayode SO, Wang W, Escobedo JO, Warner IM, Crowe WE, Kraґl V, Pruet JM, Strongin RM (2006) Lanthanide complexes as fluorescent indicators for neutral sugars and cancer biomarkers. Proc Natl Acad USA 103(26): 9756–9760. https://doi.org/10.1073/pnas.0603758103
  7. Londhe S, Patra CR (2022) Biomedical applications of europium hydroxide nanorods. Nanomedicine (Lond) 17:5–8. https://doi.org/10.2217/nnm-2021-0351
  8. Wiatrak B, Sobierajska P, Szandruk_Bender M, Jawien P, Janeczek M, Dobrzynski M, Pistor P, Szelag A, Wiglusz RJ (2021) Nanohydroxyapatite as a Biomaterial for Peripheral Nerve Regeneration after Mechanical Damage-In Vitro Study. Int J Mol Sci 22:4454. https://doi.org/10.3390/ijms22094454
  9. Alicka M, Sobierajska P, Kornicka K, Wiglusz RJ, Marycz K (2019) Lithium ions (Li+) and nanohydroxyapatite (nHAp) doped with Li+ enhance expression of late osteogenic markers in adipose-derived stem cells. Potential theranostic application of nHAp doped with Li+ and co-doped with europium (III) and samarium (III) ions. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 99:1257–1273. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.02.073
  10. Smith DG, Pal R, Parker D (2012) Measuring equilibrium bicarbonate concentrations directly in cellular mitochondria and in human serum using europium/terbium emission intensity ratios. Chemistry 18:11604–11613. https://doi.org/10.1002/chem.201201738
  11. Sun J, Song B, Ye Z, Yuan J (2015) Mitochondria Targetable Time-Gated Luminescence Probe for Singlet Oxygen Based on a β-Diketonate-Europium Complex. Inorg Chem 54:11660–11668. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.5b02458
  12. Liu X, Tang Z, Song B, Ma H, Yuan J (2017) A mitochondria-targeting time-gated luminescence probe for hypochlorous acid based on a europium complex. J Mater Chem B 5:2849–2855. https://doi.org/10.1039/c6tb02991d
  13. Mailhot R, Traviss-Pollard T, Pal R, Butler SJ (2018) Cationic Europium Complexes for Visualizing Fluctuations in Mitochondrial ATP Levels in Living Cells. Chemistry 24:10745–10755. https://doi.org/10.1002/chem.201801008
  14. Hirano S, Suzuki KT (1996) Exposure, metabolism, and toxicity of rare earths and related compounds. Environ Health Perspect. 104(Suppl 1):85–95. https://doi.org/10.1289/ehp.96104s185
  15. Pagano G, Aliberti F, Guida M, Oral R, Siciliano A, Trifuoggi M, Tommasi F (2015) Rare earth elements in human and animal health: State of art and research priorities. Environ Res 142:215–220. https://doi.org/10.1016/j.envres.2015.06.039
  16. Das T, Sharma A, Talukder G (1988) Effects of lanthanum in cellular systems. A review. Biol Trace Elem Res 18:201–228. https://doi.org/10.1007/BF02917504
  17. Korotkov SM, Sobol KV, Shemarova IV, Furaev VV, Shumakov AR, Nesterov VP (2016) A comparative study of the effects of Pr3+ and La3+ ions on calcium dependent processes in frog cardiac muscle and rat heart mitochondria. Biophysics 61:733–740. https://doi.org/10.1134/S0006350916050122
  18. Коротков СМ, Соболь КВ, Шемарова ИВ, Новожилов АВ, Никитина ЕР, НестеровВ ВП (2020). Влияние Gd3+ и Ca2+ на сократимость сердечной мышцы лягушки и дыхание, набухание и потенциал внутренней мембраны митохондрий сердца крысы. ЖЭБФ 56:99–106. [Korotkov SM, Sobol KV. Schemarova IV, Novozhilov AV, Nikitina ER Nesterov VP (2020) Effects of Gd3+ and Ca2+ on frog heart muscle contractility and respiration, swelling and inner membrane potential of rat heart mitochondria. J Evol Biochem Phys 56: 99–106. (In Russ)]. https://doi.org/10.31857/S0044452920060054
  19. Korotkov SM, Sobol KV, Novozhilov AV, Nesterov VP (2022) Effect of Eu3+ on Calcium-Dependent Processes in Vertebrate Myocardium. J Evol Biochem Phys 58(Suppl 1): S52–S62. https://doi.org/10.1134/S0022093022070067
  20. Joshi NB, Shamoo AE (1987) Binding of Eu3+ to cardiac sarcoplasmic reticulum (Ca2+ + Mg2+)-ATPase-laser excited Eu3+ spectroscopic studies. Biophys J 51:185–191. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(87)83324-6.
  21. Sárközi S, Komáromi I, Jóna I, Almássy J (2017) Lanthanides Report Calcium Sensor in the Vestibule of Ryanodine Receptor. Biophys J 112:2127–2137. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2017.03.023
  22. Mead RH, Clusin WT (1985) Paradoxical electromechanical effect of lanthanum ions in cardiac muscle cells. Biophys J 48:695–700. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(85)83827-3
  23. Kawata H, Ohba M, Hatae J, Kishi M (1983) Paradoxical after-potentiation of the myocardial contractility by lanthanum. Jpn J Physiol 33:1–17. https://doi.org/10.2170/jjphysiol.33.1
  24. Magyar ZÉ, Bauer J, Bauerová-Hlinková V, Jóna I, Gaburjakova J, Gaburjakova M, Almássy J (2023) Eu3+ detects two functionally distinct luminal Ca2+ binding sites in ryanodine receptors. Biophys J 122: 3516–3531. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2023.07.029
  25. Rumberger E, Reichel H (1972) The force-frequency relationship: a comparative study between warm- and cold-blooded animals. Pflug Arch Eur J Physiol 332: 206–217.
  26. Hatae J (1982) Effects of lanthanum on the electrical and mechanical activities of frog ventricular muscle. Jpn J Physiol 32:609-625. https://doi.org/10.2170/jjphysiol.32.609
  27. Nathan RD, Kanai K, Clark RB, Giles W (1988) Selective block of calcium current by lanthanum in single bullfrog atrial cells. J Gen Physiol 91:549–572. https://doi.org/10.1085/jgp.91.4.549
  28. Shimizu H, Borin ML, Blaustein MP (1997) Use of La3+ to distinguish activity of the plasmalemmal Ca2+ pump from Na+/Ca2+ exchange in arterial myocytes. Cell calcium 21:31–41. https://doi.org/10.1016/s0143-4160(97)90094-4
  29. Peeters GA, Kohmoto O, Barry WH (1989) Detection of La3+ influx in ventricular cells by indo-1 fluorescence. Am J Physiol 256:C351–C357. https://doi.org/10.1152/ajpcell.1989.256.2.C351
  30. Fujimori T, Jencks WP (1990) Lanthanum inhibits steady-state turnover of the sarcoplasmic reticulum calcium ATPase by replacing magnesium as the catalytic ion. J Biol Chem 265: 16262–16270.
  31. Zhang YH, Hancox JC (2000) Gadolinium inhibits Na+-Ca2+ exchanger current in guinea-pig isolated ventricular myocytes. Br J Pharmacol 130:485–488. https://doi.org/10.1038/sj.bjp.0703353
  32. Trosper TL, Philipson KD (1983) Effects of divalent and trivalent cations on Na+-Ca2+ exchange in cardiac sarcolemmal vesicles. Biochim Biophys Acta 731:63–68. https://doi.org/10.1016/0005-2736(83)90398-x
  33. Zha X, Morrison GH (1995) Ion microscopy evidence that La3+ releases Ca2+ from Golgi complex in LLC-PK1 cells. Am J Physiol 269(4 Pt 1):C923–C928. https://doi.org/10.1152/ajpcell.1995.269.4.C923
  34. Langer GA, Frank JS (1972) Lanthanum in heart cell culture. Effect on calcium exchange correlated with its localization. J Cell Biol 54:441–455. https://doi.org/10.1083/jcb.54.3.441
  35. Sanborn WG, Langer GA (1970) Specific uncoupling of excitation and contraction in mammalian cardiac tissue by lanthanum. J Gen Physiol 56:191–217. https://doi.org/10.1085/jgp.56.2.191
  36. Andersson KE, Edman KA (1974) Effects of lanthanum on the coupling between membrane excitation and contraction of isolated frog muscle fibres. Acta Physiol Scand 90:113–123. https://doi.org/10.1111/j.1748-1716.1974.tb05569.x
  37. Meiri H, Shimoni Y (1991) Effects of aluminium on electrical and mechanical properties of frog atrial muscle. Br J Pharmacol 102:483–491. https://doi.org/10.1111/j.1476-5381.1991.tb12198.x
  38. Miller TW, Tormey JM (1993) Calcium displacement by lanthanum in subcellular compartments of rat ventricular myocytes: characterisation by electron probe microanalysis. Cardiovasc Res 27:2106–2112. https://doi.org/10.1093/cvr/27.12.2106
  39. Ottolia M, Torres N, Bridge JH, Philipson KD, Goldha ber JI (2013) Na/Ca exchange and contraction of the heart. J Mol Cell Cardiol 61:28–33. https://doi.org/10.1016/j.yjmcc.2013.06.001
  40. Turra C (2018) Sustainability of rare earth elements chain: from production to food – a review. Int J Environ Health Res 28:23–42. https://doi.org/10.1080/09603123.2017.1415307

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Эффект двух различных концентраций Eu3+ (0.2 мМ и 1 мМ) на сокращения предсердий лягушки при температуре омывающего раствора 20°С. (a) – показана полная схема опыта; (b) – одиночные сокращения, соответствующие сокращениям, помеченными черными кружками на полной схеме опыта. W – отмывание предсердий от Eu3+. Концентрации Eu3+ и продолжительность инкубации с Eu3+ помечены горизонтальной линией под сокращениями. Горизонтальными метками вверху справа показано время, мин (a), миллисекунды (b). Сила, развиваемая предсердиями, откалибрована вертикальной меткой милиНьютоны (mN).

Скачать (176KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Влияние NaN3 на сокращения предсердий лягушки при температуре омывающего раствора 20°С. Показаны полные схемы опыта (а, c) и соответствующие им одиночные сокращения (b, d), помеченные черными кружками на полной схеме опыта. (а) – контрольное сокращение, (c) – сокращение после аппликации 0.2 мМ Eu3+; через 20 мин после отмывания предсердия от 0.2 мМ Eu3+ добавили 1мМ NaN3. Концентрация NaN3 и продолжительность инкубации с NaN3 помечены горизонтальной линией под сокращениями. Горизонтальными метками вверху справа показано время, секунды (a, c), миллисекунды (b, d). Сила, развиваемая предсердиями, откалибрована вертикальной меткой (mN).

Скачать (367KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Влияние Eu3+ и Ca2+ на скорость потребления кислорода митохондриями сердца крысы. Митохондрии (1 мг/мл белка) вносили в среду, содержащую 125 мМ KCl, 20 мМ Трис-MOPS (рН 7,3) и 3 мМ Трис-РО4, а также (где указано) 10 мМ глутамат с 2 мМ малат ( G+M), 5 мМ сукцинат с 2 мкМ ротенона (Succ), 50 мкМ Eu3+ (Eu3+) и 200 мкМ Ca2+ (Ca2+). По оси ординат отмечены скорости потребления кислорода (нмоль О2/мин/мг белка) в состоянии 3 и состоянии 3РДНФ. Для индукции состояния 3 и состояния 3РДНФ в среду, содержащую энергизованные митохондрии сердца крысы, последовательно добавляли вещества до концентраций 130 мкМ АДФ и 30 мкМ ДНФ. Обозначениями под осью абсцисс показаны состояние 3 (State 3) и состояние 3РДНФ (State 3UDNP). Звездочками отмечены достоверные отличия от контроля, опыты без Eu3+ и Ca2+ (p < 0.05, парный t-тест). Представлены средние значения результатов для трех независимых экспериментов.

Скачать (218KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024