Одной из причин, из-за которой возникает нарушение мозгового кровообращения является заболевания сердца, в результате чего нарушается кровоток в артериях и уменьшается кровоснабжение мозга. Митохондриальные дисфункции участвуют в этиологии различных заболеваний, таких как нейродегенеративные и сердечно-сосудистые, диабет, различные формы заболеваний печени и скелетно-мышечной системы, сепсиса и психиатрических расстройств. Кроме того, митохондрии являются важными органеллами клетки, потому как они являются основным источником АТФ, которая необходима для выживания клеток и для поддержания многих жизненно важных клеточных функций. Поскольку митохондрии участвуют в клеточной гибели, качество митохондрий должно хорошо контролироваться. Предполагается, что деление и слияние митохондрий могут служить важными механизмами контроля качества для сохранения митохондрий.

Астаксантин (АСТ) – кетокаратиноид подкласса ксантафилов, обладает сильной антиоксидантной способностью и может поглощать синглетный кислород и свободные радикалы. Известно, что АСТ значительно ослабляет митохондриальную дисфункцию, связанную с ишемическим повреждением миокарда, может снижать окислительный стресс и предотвращать развитие сердечно-сосудистых заболеваний.

В настоящем исследовании изучено влияние АСТ на функциональное состояние митохондрий мозга у крыс с сердечной недостаточностью и проанализировано участвует ли АСТ в контроле качества митохондрий. Для экспериментов крыс разделили на четыре группы (по четыре крысы в каждой группе). Первая группы крыс была контрольная, крысам второй группы вводили перорально АСТ (150 мг/кг, в оливковом масле) в течение 2 недель. Крысам 3 группы делали инъекцию изопротеренола (100 мг/кг, в 0.9% NaCl) дважды с интервалом 24 часа для индукции сердечной недостаточности. Изопротеренол (ИЗО) — неселективный агонист бета-адренорецепторов. Введение ИЗО представляет собой модель, имитирующую стресс-индуцированные повреждения в различных сердечных патологиях. Животные 1 и 3 групп получали равное количество оливкового масла. Крысам четвертой группы вводили АСТ (150 мг/кг) в течении двух недель. Через две недели крысам четвертой группы делали инъекцию ИЗО дважды с интервалом в 24 часа. С целью выявления нарушений работы сердца в присутствии ИЗО исследовали изменение содержания таких белков, как миоглобин, тропонин I и лактатдегидрогеназы (ЛДГ). Содержание всех исследуемых белков снижалось в митохондриях сердца, изолированных из 3 группы крыс, тогда как АСТ повышал уровень этих белков (группа 4). Гистологический анализ образцов левого желудочка сердца свидетельствует о том, что как в 3-й, так и в 4-й группе имеются признаки гипертрофии миокарда. Однако в образцах 4-й группы процесс был менее выражен и ограничивался субэнокардиальной и срединной зоной, по сравнению с образцами из 3-й группы, где повреждения носили тотальный характер. Эти результаты показывают, что сердечная недостаточность была достигнута. АСТ отменял эффект ИЗО и уменьшал повреждение сердца.

Мы показали, что в условиях сердечной недостаточности (группа 3) дыхательный контроль митохондрий мозга крыс снижался по сравнению с контролем, тогда как АСТ (группа 4) увеличивал этот параметр до контрольного значения и функциональное состояние митохондрий улучшалось. Известно, что при разобщении окислительного фосфорилирования наблюдается изменение проницаемости митохондриальной мембраны. Поэтому на следующем этапе нашего исследования мы измерили набухание митохондрий в наших экспериментальных условиях. Инъекция ИЗО приводила к тому, что скорость набухания повышалась. При введении АСТ крысам с последующей инъекцией ИЗО скорость набухания снижалась.

Для оценки влияния АСТ на процессы контроля качества мы исследовали содержание маркерных белков, принимающих участие в слиянии и делении митохондрий. При введении ИЗО уровень Drp1, указывающего на деление митохондрий, снижался, тогда как уровень ОРА1, отвечающего за слияние митохондрий, повышался. В митохондриях мозга, изолированных из крыс с сердечной недостаточностью, введение АСТ приводило к увеличению экспрессии Drp1 и снижению ОРА1.

Митофагия относится к процессу селективного удаления клетками избыточных или поврежденных митохондрий посредством аутофагии, что играет важную роль в контроле качества митохондрий и выживании клеток. Если митохондрии повреждены, инициируются аутофагический клиренс. В настоящем исследовании мы заметили, что содержание маркеров аутофагии LC3A/B-I, II повышалось во фракции митохондрий мозга у крыс с сердечной недостаточностью, тогда как АСТ снижал уровень маркеров.

Недавно, в митохондриях сердца крыс нами был идентифицирован белок с молекулярной массой 30 кДа как прохибитин (PHB). Существуют две изоформы PHB, PHB1 и PHB2, которые представляют собой две высокогомологичные субъединицы эукариотического митохондриального комплекса прохибитинов. Было показано, что PHB1 обладает кардиозащитным и противовоспалительным действием, которое частично связано с участием в поддержании окислительного фосфорилирования и контролем метаболизма. Абляция PHB2 приводит к сердечной митохондриальной дисфункции и играет важную роль в гомеостазе метаболизма жирных кислот в сердце. Следовательно, можно предположить, что прохибитины являются важными белками для нормальной работы сердца. Одной из функций PHB в митохондриях является контроль качества митохондриальных белков. В настоящем исследовании мы показали, что содержание PHB снижалось в митохондриях мозга, изолированных из 3 группы крыс (ИЗО инъекция), тогда как АСТ повышал уровень PHB (группа 4).

Исходя из вышеизложенного можно предположить, что астаксантин улучшает функциональное состояние митохондрий мозга крыс с сердечной недостаточностью и может участвовать в контроле качества митохондрий.

Работа выполнена при поддержке Государственного задания № 075-01025-23-00

One of the reasons due to which there is a violation of cerebral circulation is heart disease, as a result of which the blood flow in the arteries is disturbed and the blood supply to the brain decreases. Mitochondrial dysfunctions are involved in the etiology of various diseases such as neurodegenerative and cardiovascular diseases, diabetes, various forms of liver and musculoskeletal diseases, sepsis, and psychiatric disorders. In addition, mitochondria are important cell organelles because they are the main source of ATP, which is essential for cell survival and many vital cellular functions. Since mitochondria are involved in cell death, the quality of mitochondria must be well controlled. It is suggested that mitochondrial fission and fusion may serve as important quality control mechanisms for mitochondrial conservation.

Astaxanthin (AST) is a ketocaratinoid of the xantafil subclass, has a strong antioxidant capacity and can scavenge singlet oxygen and free radicals. It is known that AST significantly attenuates mitochondrial dysfunction associated with ischemic myocardial damage, can reduce oxidative stress and prevent the development of cardiovascular diseases.

In this study, we studied the effect of AST on the functional state of brain mitochondria in rats with heart failure and analyzed whether AST is involved in mitochondrial quality control. For experiments, rats were divided into four groups (four rats in each group). The group 1 of rats was the control, the rats of the group 2 were administered orally AST (150 mg/kg, in olive oil) for 2 weeks. Rats from group 3 were injected with isoproterenol (100 mg/kg, in 0.9% NaCl) twice 24 hours apart to induce heart failure. Isoproterenol (ISO) is a non-selective beta-adrenergic agonist. The injection of ISO is a model that mimics stress-induced damage in various cardiac pathologies. Animals of groups 1 and 3 received an equal amount of olive oil. Rats of the fourth group were administrated with AST (150 mg/kg) for two weeks. Two weeks later, the rats of the fourth group were injected with ISO twice with an interval of 24 hours. Changes in the content of proteins such as myoglobin, troponin I, and lactate dehydrogenase were studied in order to identify cardiac dysfunctions in the presence of ISO. The content of all studied proteins decreased in heart mitochondria isolated from group 3 of rats, while AST increased the level of these proteins (group 4). Histological analysis of samples of the left ventricle of the heart indicates that both in the group 3 and 4, there are signs of myocardial hypertrophy. However, in the samples of the group 4, the process was less pronounced and was limited to the subenocardial and median zone, compared with the samples from the group 3, where the damage was of a total nature. These results show that heart failure has been achieved. AST reversed the effect of ISO and reduced damage to the heart.

We have shown that under conditions of heart failure (group 3) the respiratory control index in rat brain mitochondria decreased compared to the control, while AST (group 4) increased this parameter to the control value and the functional state of mitochondria improved. It is known that the uncoupling of oxidative phosphorylation leads to a change in the permeability of the mitochondrial membrane. Therefore, in the next step of our study, we measured the swelling of mitochondria under our experimental conditions. The ISO injection resulted in an increased swelling rate. When AST was administered to rats followed by ISO injection, the swelling rate decreased.

To assess the effect of AST on quality control processes, we studied the content of marker proteins involved in mitochondrial fusion and fission. With the injection of ISO, the level of Drp1, which indicates the fission of mitochondria, decreased, while the level of OPA1, which is responsible for the fusion of mitochondria, increased. In brain mitochondria isolated from rats with heart failure, administration of AST resulted in an increase in Drp1 expression and a decrease in OPA1.

Mitophagy refers to the process by which cells selectively remove excess or damaged mitochondria through autophagy, which plays an important role in mitochondrial quality control and cell survival. If mitochondria are damaged, autophagic clearance is initiated. In the present study, we observed that the levels of autophagy markers LC3A/B-I, II increased in the brain mitochondrial fraction of rats with heart failure, while AST reduced the level of the markers.

Recently, in rat heart mitochondria, we have identified a protein with a molecular weight of 30 kDa as prohibitin (PHB). There are two isoforms of PHB, PHB1 and PHB2, which are two highly homologous subunits of the eukaryotic mitochondrial prohibitin complex. PHB1 has been shown to have cardioprotective and anti-inflammatory effects, which are partly related to the maintenance of oxidative phosphorylation and metabolic control. Ablation of PHB2 leads to cardiac mitochondrial dysfunction and plays an important role in the homeostasis of fatty acid metabolism in the heart. Therefore, it can be assumed that prohibitins are important proteins for the normal functioning of the heart. One of the functions of PHB in mitochondria is to control the quality of mitochondrial proteins. In the present study, we showed that PHB content decreased in brain mitochondria isolated from group 3 rats (ISO injection), while AST increased PHB levels (group 4).

Based on the foregoing, it can be assumed that astaxanthin improves the functional state of brain mitochondria in rats with heart failure and may be involved in mitochondrial quality control.

This work was financially supported by the State Budget Project no. 075-01025-23-00