INVOLVEMENT OF NITRIC OXIDE IN THE MECHANISM OF RAT BRAIN DAMAGE INDUCED BY SUBCHRONIC ADMINISTRATION OF AMPHETAMINE


Cite item

Full Text

Abstract

The aim of the work was a studying of participation of nitric oxide (NO) and lipid peroxidation (LPO) processes in mechanisms of neurotoxic effect of amphetamine. Experiments were carried out on male Sprague-Dawley rats from vivarium of University of Innsbruck (Austria). Subchronic administration of amphetamine significantly increased the contents of NO and LPO products in striatum of rat brain. NO synthase inhibitors partially prevented the enhancement of NO generation in brain of rats induced by amphetamine. However NO synthase inhibitors had no effect on increased levels of LPO products evoked by amphetamine. The obtained data significantly expand the current understanding concerning mechanisms of neurotoxic effect of amphetamine.

Full Text

Актуальность. В настоящее время проблема наркоманической зависимости приобрела особую актуальность и стала одной из главных медико - социальных проблем в современном мире. При этом в последние годы все большее распространение в молодежной среде получают препараты, обладающие психостимулирующим эффектом [Seger, 2010; Wood & Dargan, 2012; Taylor et al., 2013]. Механизм действия психомоторных стимуляторов, в первую очередь амфетаминоподобных психостимуляторов, принято связывать, с активацией дофаминергической нейропередачи [Butcher et. al., 1988; Chiu et al., 2012; Cagniard et al., 2014]. Установлено, что в реализации физиологических и патофизиологических эффектов амфетамина и его производных принимают участие глутаматергическая, холинергическая и другие нейротрансмиттерные системы мозга [Wolf & Khansa. 1991; Kraus et al., 2002; Escubedo et al, 2009; Abekawa et al., 2011;]. Показана важная роль свободнорадикальных реакций в этих процессах [Imam & Ali, 2001; Garcia-Ratés et al., 2010; Bashkatova et al., 2002; Bashkatova et al., 2005]. Известно, что высокие дозы или повторяющиеся инъекции препаратов амфетаминового ряда вызывают значительные токсические эффекты [O`Dell et al., 1991] В то время как, феноменология повреждения дофаминергических и серотонинергических нейронов мозга при воздействии высоких доз амфетаминов изучена достаточно подробно, другие нейрохимические механизмы, включая свободнорадикальные процессы, лежащие в основе нейротоксического эффекта этих веществ, немногочисленны и фрагментарны. Целью работы явилось изучение роли нейронального мессенджера нового поколения оксида азота (NO) и процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) в механизмах нейротоксического эффекта амфетамина. Материал и методы исследования. Эксперименты были выполнены на крысах линии Спрэг-Доули (Sprague-Dawley) из питомника медицинского факультета Университета г. Инсбрука (Австрия). Эксперименты проводились в соответствии с требованиями приказа № 267 МЗ РФ (19.06.2003 г.), а также в соответствии с «Правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных в Австрии» (Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst, Austria, Kommission für Tierversuchsangelegenheiten). Для оценки нейротоксического потенциала амфетамина в нашей работе была использована схема четырехкратного (субхронического) введения d-амфетамина в дозе 2.5 мк/кг, внутрибрюшинной с интервалом в 2 часа. В работе были использованы неспецифический ингибитор NO-синтазы - N-нитро-L-аргинин (L-NNA) и высокоселективный ингибитор нейрональной изоформы NO-синтазы - N-ω-пропил-L-аргинин гидрохлорид, которые вводили внутрибрюшинно за 1 час до 1-ой инъекции амфетамина. Для определения содержания NO в стриатуме мозга использовали прямой количественный метод электронного парамагнитного резонанса, позволяющий оценивать генерацию NO в мозге крыс по включению последнего в парамагнитные мононитрозильные комплексы. Интенсивность процессов ПОЛ оценивали по уровню вторичных продуктов, реагирующих с тиобарбитуровой кислотой [Ohkawa et al., 1979]. Статистическую обработку результатов проводили с использованием теста Фридмана и рангового теста Вилкоксона. Полученные результаты и их обсуждение. Изучение генерации NO в стриатуме мозга крыс Sprague-Dowley при моделировании дофаминергической нейротоксичности, обусловленной введением амфетамина (5 мг/кг, в/б, четырехкратно, с интервалом в 2 часа) показало, что у контрольных животных (получавших физиологический раствор) содержание NO в стриатуме мозга составляло 2,18  0,59 номль/г ткани (табл.). Значительное усиление генерации NO в данной структуре мозга было обнаружено через 25 минут после последней (4-й) инъекции амфетамина. Установлено, что при субхроническом введении психостимулятора наблюдалось также выраженная интенсификация процессов ПОЛ, оцениваемая по уровню вторичных продуктов, реагирующих с тиобарбитуровой кислотой (ТБКРП). Полученные результаты свидетельствуют о том, что моделирование дофаминергической нейротоксичности, обусловленной субхроническим введением амфетамина, сопровождается значительным увеличением содержания NO и активацией процессов ПОЛ стриатуме мозга крыс. Наблюдавшаяся в наших опытах интенсификация процессов ПОЛ в исследованной структуре мозга является, по всей вероятности, следствием нейротоксического воздействия амфетамина, что согласуется с результатами других авторов (Yamamoto et al., 1998). С целью анализа обнаруженного нами увеличения уровня NO в мозге, вызванного субхроническим введением амфетамина, использовали подход, основанный на ингибировании фермента NO-синтазы. Таблица. Влияние ингибиторов NO-синтазы на уровень NO и содержание продуктов ПОЛ в стриатуме мозга крыс при субхроническом введении d-амфетамина Показатель Количество животных NO, нмоль/г ТБКРП, нмоль/г Контроль, 0,9% NaCl 6 2,18 ± 0,59 87 ± 18 0,9% NaCl + d-амфетамин, 5.0мг/кг четырехкратное введение 8 5,43 ± 0,84* 195 ± 23* L-NNA, 50 мг/кг + d-амфетамин, 5.0мг/кг, четырехкратное введение 7 3,43 ± 0,62*# 209 ± 19* N-ω-пропил-L-аргинин гидрохлорид, 5.0 мг/кг + d-амфетамин, 3,0мг/кг, четырехкратное введение 7 2,37 ± 0,71# 183 ± 19* Примечание: М±S.E.M; *p<0,005 -отличие по сравнению с контролем; #p<0,05 -отличие по сравнению с группой, получавших только инъекции амфетамина Результаты наших исследований показали, что L-NNA в дозе 50 мг/кг в значительной степени, но не полностью, предотвращал увеличение уровня NO в коре и стриатуме мозга крыс, обусловленное субхроническим введением амфетамина. При изучении эффекта N-ω-пропил-L-аргинина гидрохлорида установлено, что этот высокоселективный ингибитор нейрональной NO-синтазы в дозе 3 мг/кг практически полностью предупреждал усиление генерации NO, обусловленное введением амфетамина. В то же время, обнаружено, что оба исследованных ингибитора NO-синтазы не оказывали влияния на повышенный уровень продуктов ПОЛ, вызванный введением амфетамина. Полученные нами данные позволяют заключить, что в механизмы нейротоксических проявлений, обусловленных введением амфетамина, максимальный вклад вносит именно нейрональная NO-синтаза, катализирующая генерацию NO в нервной ткани. Роль именно этого подтипа фермента NO-синтазы в механизмах повреждающего действия NO подтверждается также тем, что трансгенные мыши, дефицитные по нейрональной NO-синтазе, проявляют устойчивость к введению метамфетамина в токсических дозах [Itzhak et al., 1998]. В пользу этого утверждения свидетельствует данные литературы о том, что метамфетамин в нейротоксической дозе может вызывать значительное увеличение количества клеток, экспрессирующих нейрональную NO-синтазу в стриатуме и гиппокампе мозга [Friend et al, 2013]. Выводы. В целом, полученные нами результаты позволяют предположить, что оксид азота и окислительный стресс играют одну из ключевых ролей в механизмах амфетаминовой нейротоксичности, а вещества, снижающие уровень свободных радикалов, могут рассматриваться в качестве потенциальных нейропротективных средств.
×

About the authors

V G Bashkatova

FSS P.K. Anokhin Research Institute of Normal Physiology

Email: v.bashkatova@nphys.ru

S K Sudakov

FSS P.K. Anokhin Research Institute of Normal Physiology

Email: s-sudakov@nphys.ru

H Prast

Institute of Pharmacology and Toxicology, University of Insbruc

Email: helmut.prast@uibk.ac.at

A Philippu

Institute of Pharmacology and Toxicology, University of Insbruc

Email: a-hornick@uibk.ac.at

References

  1. Abekawa T., Ito K., Nakato Y., Koyama T. Developmental GABAergic deficit enhances methamphetamine-induced apoptosis //Psychopharmacology (Berl). 2011. Vol. 215. №3. P.413-427.
  2. Bashkatova V., Mathieu-Kia A.-M., Durand C., Penit-Soria J. Neurochemical changes and neurotoxic effects of an acute treatment with sydnocarb, a novel psychostimulant comparison with d-amphetamine //Ann. N Y. Acad. Sci. 2002. Vol. 965. P. 180-192.
  3. Bashkatova V., Hornick A., Vanin A., Prast H. Antagonist of M1 muscarinic acetylcholine receptor prevents neurotoxicity induced by amphetamine via nitric oxide pathway. //Ann N Y Acad Sci. 2008. Vol. 1139. P.172-176.
  4. Butcher S.P., Fairbrother I.S., Kelly J.S., Arbuthnott G.W. Amphetamine-induced dopamine release in the rat striatum: an in vivo microdialysis study. //J Neurochem. 1988. Vol. 50 №2. P. 346-355.
  5. Cagniard B., Sotnikova T.D., Gainetdinov R.R., Zhuang X. The dopamine transporter expression level differentially affects responses to cocaine and amphetamine.// J Neurogenet. 2014. Vol. 28. № 1-2. P. 112-121.
  6. Chiu V.M., Schenk J.O. Mechanism of action of methamphetamine within the catecholamine and serotonin areas of the central nervous system //Curr. Drug Abuse Rev. 2012. Vol. 5. №3. P. 227-242.
  7. Escubedo E., Camarasa J., Chipana C., García-Ratés S., Pubill D. Involvement of nicotinic receptors in methamphetamine- and MDMA-induced neurotoxicity: pharmacological implications //Int. Rev. Neurobiol. 2009. Vol.88. P.121-166.
  8. Friend D.M., Son J.H., Keefe K.A., Fricks-Gleason A.N. Expression and activity of nitric oxide synthase isoforms in methamphetamine-induced striatal dopamine toxicity. //J Pharmacol Exp Ther. 2013. Vol. 344. №2. P. 511-521.
  9. Garcia-Ratés S., Camarasa J., Sánchez-García A.I., Gandía L., Escubedo E., Pubill D. The effects of 3,4-methylenedioxymethamphetamine (MDMA) on nicotinic receptors: intracellular calcium increase, calpain/caspase 3 activation, and functional upregulation. //Toxicol Appl Pharmacol. 2010. Vol. 244, № 3. P.344-353.
  10. Imam S.Z, Ali S.F. Aging increases the susceptiblity to methamphetamine-induced dopaminergic neurotoxicity in rats: correlation with peroxynitrite production and hyperthermia //J. Neurochem. 2001. Vol.78, №5. P. 952-959.
  11. Itzhak Y., Gandia C., Huang P.L., Ali S.F. Resistance of neuronal nitric oxide synthase-deficient mice to methamphetamine-induced dopaminergic neurotoxicity //J. Pharmacol. Exp. Ther. 1998 Vol. 284, №3. P.1040-1047.
  12. Yamamoto B.K., Zhu W. The effects of methamphetamine on the production of free radicals and oxidative stress. //J Pharmacol Exp Ther. 1998. Vol. 287. №1. P.107-114.
  13. Kraus M.M., Philippu A., Prast H., Bashkatova V., Vanin A. Dizocilpine inhibits amphetamine induced formation of nitric oxide and amphetamine induced release of amino acids and acetylcholine in the rat brain. //Neurochem. Res. 2002. Vol. 27. №3. P. 229-235.
  14. Ohkawa H., Ohishi N., Yagi K. Assay for lipid peroxides in animal tissues by thiobarbituric acid reaction. //Anal. Biochem. 1979. Vol.95. P.351-358.
  15. O’Dell, S.J., Weihmuller, F.B., Marshall, J.F. Multiple metamphetamine injections induce marked increases in extracellular striatal dopamine which correlate with subsequent neurotoxicity. //Brain Res. 1991. Vol. 564. №2. P.256-260.
  16. Seger D. Cocaine, metamfetamine, and MDMA abuse: the role and clinical importance of neuroadaptation. //Clin Toxicol (Phila). 2010. Vol.48. №7. P.695-708.
  17. Taylor S.B, Lewis C.R., Olive M.F. The neurocircuitry of illicit psychostimulant addiction: acute and chronic effects in humans. //Subst Abuse Rehabil. 2013. №4. P. 29-43.
  18. Wolf M.E., Khansa M.R. Repeated administration of MK-801 produces sensitization to its own locomotor stimulant effects but blocks sensitization to amphetamine.//Brain Res. 1991.Vol. 562. № 1. P.164-168.
  19. Wood D.M., Dargan P.I. Novel psychoactive substances: how to understand the acute toxicity associated with the use of these substances. //Ther Drug Monit. - 2012. Vol. 34. № 4. P.363-367.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies