Окислительный стресс в патогенезе сахарного диабета 1 типа: роль ксантиноксидазы адипоцитов

Актуальность. Согласно современным представлениям о механизмах возникновения сахарного диабета 1 и 2 типов и развития их осложнений, важную роль играет окислительный стресс. Источниками активных форм кислорода при сахарном диабете являются реакции гликозилирования белков, дыхательная цепь митохондрий, мембраносвязанная НАДФН-оксидаза и другие ферменты. Важным ферментативным источником супероксид-анион радикала и Н2 О2 является ксантиноксидоредуктаза, которая в физиологических условиях находится преимущественно в ксантиндегидрогеназной форме и может обратимо или необратимо переходить в ксантиноксидазу, в результате окислительной модификации с образованием дисульфидных связей в молекуле белка. У грызунов ксантиноксидоредуктаза в жировой ткани экспрессируется с более высокой скоростью по сравнению с другими тканями.

Цель исследования – установить роль ксантиноксидазы в развитии окислительного стресса в адипоцитах крыс при экспериментальном сахарном диабете 1 типа.

Материал и методы. Материалом для исследования служили самцы крыс Wistar, у которых моделировали экспериментальный сахарный диабет с применением двух разных диабетогенов аллоксана и стрептозотоцина. Иммунорадиометрическим методом в сыворотке крови контрольных крыс и животных с экспериментальным диабетом определяли содержание инсулина, ферментативными методами – уровень глюкозы и мочевой кислоты, методом FOX-2 – содержание первичных продуктов перекисного окисления липидов (гидроперекисей липидов), флуоресцентным методом – ксантиноксидазную активность в изолированных адипоцитах эпидидимальной жировой ткани и экспрессию мРНК ксантиндегидрогеназы.

Результаты. У крыс с экспериментальным диабетом развивался индуцированный гипергликемией окислительный стресс. Повышение содержания гидроперекисей липидов в адипоцитах наблюдалось при увеличении активности ксантиноксидазы. Повышение активности ферментов в условиях окислительно- го стресса в адипоцитах крыс с экспериментальным сахарным диабетом сопровождалось повышением вклада ксантиноксидазной активности в общую ксантиндегидрогеназную, что отражалось в увеличении отношения активности ксантиноксидазы и ксантиндегидрогеназы. Окислительный стресс в адипоцитах при экспериментальном сахарном диабете 1 типа вызывает окислительную посттрансляционную модификацию фермента и переход ксантиндегидрогеназной формы в ксантиноксидазную, что приводит к дальнейшему увеличению продукции активных форм кислорода. Ингибитор ксантиноксидазы снижает содержание гидроперекисей липидов в адипоцитах крыс. Таким образом, ксантиноксидаза может быть потенциальной мишенью для защиты от развития окислительного стресса в жировой ткани крыс при сахарном диабете 1 типа.

Выводы. Окислительный стресс в жировой ткани крыс при аллоксановом и стрептозотоциновом диабете обусловлен в определенной мере повышением экспрессии мРНК гена ксантиндегидрогеназы и пострансляционной окислительной модификацией ксантиндегидрогеназной активности в ксантиноксидазную. Ингибитор ксантиноксидазы аллопуринол снижает индуцированный аллоксаном повышенный уровень гидроперекисей липидов в сыворотке крови в изолированных адипоцитах крыс, что свидетельствует о важной роли ксантиноксидазы в развитии окислительного стресса в адипоцитах при экспериментальном сахарном диабете 1 типа. 

1. Иванов В.В., Шахристова Е.В., Степовая Е.А., Носарева О.Л., Федорова Т.С., Новицкий В.В. Молекулярные механизмы модуляции липолиза в жировой ткани и развитие инсулинорезистентности при сахарном диабете // Патологическая физиология и экспериментальная терапия. 2014; 4: 111-119. Ivanov V.V., Shakhristova E.V., Stepovaya E.A., Nosareva O.L., Fedorova T.S., Novitsky V.V. Molekulyarnyye mekhanizmy modulyatsii lipoliza v zhirovoy tkani i razvitiye insulinorezistentnosti pri sakharnom diabete [Molecular mechanisms of modulation of lipolysis in adipose tissue and development of insulinresistance in diabetes] // Patologicheskaya fiziologiya i eksperimental’naya terapiya - Patol. Fiziol. Eksp. Ter. 2014; 4: 111-119 (in Russian).

2. Меньщикова Е.Б., Зенков Н.К., Ланкин В.З. Бондарь И.А., Труфакин В.А. Окислительный стресс: патологические состояния и заболевания. Новосибирск: АРТА, 2008: 284. Men’shhikova E.B., Zenkov N.K., Lankin V.Z. Bondar’ I.A., Trufakin V.A. Okislitel’nyy stress: patologicheskiye sostoyaniya i zabolevaniya [Oxidative stress: Pathological conditions and diseases]. Novosibirsk: ARTA Publ., 2008: 284 (in Russian).

3. Rains J.L., Jain S.K. Oxidative stress, insulin signaling, and diabetes // Free Radic. Biol. Med. 2011; 50(5): 567-575. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2010.12.006.

4. Giacco F., Brownlee M. Oxidative stress and diabetic complications // Circ. Res. 2010; 107(9): 1058-1070. https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.110.223545.

5. Battelli M.G., Bolognesi A., Polito L. Pathophysiology of circulating xanthine oxidoreductase: new emerging roles for a multi-tasking enzyme // Biochim. Biophys. Acta. 2014; 1842 (9): 1502-1517. https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2014.05.022.

6. Sautin Y.Y., Johnson R.J. Uric acid: the oxidant-antioxidant paradox // Nucleosides. Nucleotides. Nucleic Acids. 2008; 27(6): 608-619. https://doi.org/10.1080/15257770802138558.

7. Tsushima Y., Nishizawa H., Tochino Y., Nakatsuji H., Sekimoto R., Nagao H., Shirakura T., Kato K., Imaizumi K., Takahashi H., Tamura M., Maeda N., Funahashi T., Shimomura I. Uric acid secretion from adipose tissue and its increase in obesity // Biol. Chem. 2013; 288(38): 27138-27149. https://doi.org/10.1074/jbc.M113.485094.

8. Ivanov V.V., Shakhristova E.V., Stepovaya E.A., Nosareva O.L., Fedorova T.S., Ryazantseva N.V., Novitsky V.V. Effect of insulin, the glutathione system, and superoxide anion radical in modulation of lipolysis in adipocytes of rats with experimental diabetes // Biochemistry (Mosc). 2015; 80 (1): 87-96. https://doi.org/10.1134/S0006297915010101.

9. Romagnoli M., Gomez-Cabrera M.C., Perrelli M.G., Biasi F., Pallardó F.V., Sastre J., Poli G., Viña J. Xanthine oxidase-induced oxidative stress causes activation of NF-kappaB and inflammation in the liver of type I diabetic rats // Free Radic. Biol. Med. 2010; 49 (2): 171-177. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2010.03.024.

10. Rodbell M. Metabolism of isolated fat cells // Biol. Chem. 1964; 266 (24): 15817-15823.

11. Hermes-Lima M., Willmore W.G., Storey K.B. Quantification of lipid peroxidation in tissue extracts based on Fe(III)xylenol orange complex formation // Free Radic. Biol. Med. 1995; 19 (3): 271-280.

12. Beckman J.S., Parks D.A., Pearson J.D., Marshall P.A., Freeman B.A. A sensitive fluorometric assay for measuring xanthine dehydrogenase and oxidase in tissues // Free Radic. Biol. Med. 1989; 6: 607-615.

13. Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding // Analytical Biochemistry. 1976; 7 (1): 248-254.

14. Livak K.J., Schmittgen T.D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2(-Delta Delta C(T)) мethod // Methods. 2001; 25 (4): 402-408.

15. Lenzen S. The mechanisms of alloxan- and streptozotocin-induced diabetes // Diabetologia. 2008; 51 (2): 216-226.

16. Wu J., Yan L.J. Streptozotocin-induced type 1 diabetes in rodents as a model for studying mitochondrial mechanisms of diabetic β cell glucotoxicity // Diabetes Metab. Syndr. Obes. 2015; 8: 181-188. https://doi.org/10.2147/DMSO. S82272.

17. Molanouri Shamsi M., Mahdavi M., Quinn L.S., Gharakhanlou R., Isanegad A. Effect of resistance exercise training on expression of Hsp70 and inflammatory cytokines in skeletal muscle and adipose tissue of STZ-induced diabetic rats // Cell Stress Chaperones. 2016; 21(5): 783-791. https://doi.org/10.1007/s12192-016-0703-7.

18. Panveloski-Costa A.C., Silva Teixeira S., Ribeiro I.M., Serrano-Nascimento C., das Neves R.X., Favaro R.R., Seelaender M., Antunes V.R., Nunes M.T. Thyroid hormone reduces inflammatory cytokines improving glycaemia control in alloxan-induced diabetic wistar rats // Acta Physiol. (Oxf). 2016; 217 (2): 130-140. https://doi.org/10.1111/apha.12647.

19. Ghaffari T., Nouri M., Saei A.A., Rashidi M.R. Aldehyde and xanthine oxidase activities in tissues of streptozotocin-induced diabetic rats: effects of vitamin E and selenium supplementation // Biol. Trace Elem. Res. 2012; 147 (1-3): 217-225. https://doi.org/10.1007/s12011-011-9291-7.