Перекисное окисление липидов (ПОЛ), индуцированное активными формами кислорода, играет ключевую роль в патогенезе многих заболеваний, в том числе, нейродегенеративных и сердечнососудистых болезней. ПОЛ может вызывать повреждения клеточных мембран как нарушая барьерную функцию липидного бислоя, так и модифицируя мембранные белки. Для защиты от ПОЛ в системах in vivo был предложен подход, основанный на использовании полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), содержащих атомы дейтерия вместо протонов в бис-аллильных положениях (D-ПНЖК) [1]. Ранее мы продемонстрировали выраженное подавление ПОЛ, инициированного комбинацией железа и аскорбата в липосомах, при наличии в мембране около 20% липидов с D-ПНЖК [2].

В настоящей работе мы изучили защитное действие D-ПНЖК в отношении фотодинамически индуцированного ПОЛ в модельных липидных мембранах с использованием освещения в присутствии трижды сульфированного фталоцианина алюминия (AlPcS3) в качестве фотосенсибилизатора. Для оценки изменений фотодинамического эффекта на липосомы при включении D-ПНЖК в структуру липидов мы измеряли: 1) вытекание сульфородамина В из липосом, детектируемое с помощью флуоресцентной корреляционной спектроскопии (FCS) как показатель нарушения целостности мембраны, 2) образование диеновых конъюгатов при ПОЛ в липосомальных мембранах, измеряемое по поглощению при 234 нм и 3) степень фотоинактивации ионных каналов, формируемых в плоской бислойной липидной мембране (БЛМ) пептидом грамицидином А. Освещение липосом, сформированных из липидов, не содержащих D-ПНЖК, уже после первой минуты вызывало резкое падение амплитуды автокорреляционной функции флуоресценции сульфородамина В, свидетельствующее о вытекании красителя, тогда как при включении в состав липосом 50% липидов с остатками D-ПНЖК освещение в течение одной минуты не приводило к вытеканию красителя. Следовательно, присутствие в структуре липидов D-ПНЖК предотвращает нарушение целостности мембраны при фотодинамическом воздействии. Интересно, что накопление диеновых конъюгатов в ходе фотодинамически индуцированного ПОЛ снижается при меньшем содержании дейтерированных липидов в мембранах липосом по сравнению с опытами по вытеканию красителя [3].

В опытах на плоской БЛМ, не содержащей D-ПНЖК, после включения белого света в присутствии фотосенсибилизатора наблюдалось немедленное падение тока, индуцированного образованием в мембране каналов грамицидина А, что связано с окислением его триптофановых остатков. Присутствие в мембране 20% липида с D-ПНЖК приводило к появлению лаг-фазы в процессе фотоинактивации грамицидина А, при наличии же в мембране 50% липида с дейтерированной линолевой кислотой было обнаружено практически полное ингибирование фотоинактивации грамицидиновых каналов.

Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда (грант № 21-14-00062).

1. Shchepinov M.S. Polyunsaturated fatty acid deuteration against neurodegeneration. Trends Pharmacol. Sci. 41 (2020) 236-248.

2. Firsov A.M., Fomich M.A., Bekish A.V., Sharko O.L., Kotova E.A., Saal H.J., Vidovic D., Shmanai V.V., Pratt D.A., Antonenko Y.N., Shchepinov M.S. Threshold protective effect of deuterated polyunsaturated fatty acids on peroxidation of lipid bilayers. FEBS J. 286 (2019) 2099-2117.

3. Firsov A.M., Franco M.S.F., Chistyakov D.V., Goriainov S.V., Sergeeva M.G., Kotova E.A., Fomich M.A., Bekish A.V., Sharko O.L., Shmanai V.V., Itri R., Baptista M.S., Antonenko Y.N., Shchepinov M.S. Deuterated polyunsaturated fatty acids inhibit photoirradiation-induced lipid peroxidation in lipid bilayers. J. Photochem. Photobiol. B: Biology 229 (2022) 112425

Lipid peroxidation (LPO) induced by reactive oxygen species plays a key role in the development of multitude pathologies, including neurodegenerative and cardiovascular diseases. LPO can cause damage to cell membranes both by disrupting the barrier function of the lipid bilayer and by modifying membrane proteins. To protect against LPO in vivo, polyunsaturated fatty acids (PUFAs) containing deuterium atoms instead of protons in bis-allylic positions (D-PUFAs) were proposed to be used [1]. Previously, we found that LPO initiated by ferrous ions together with ascorbate in liposomes was significantly suppressed in the presence of about 20% of lipids with D-PUFA in the membrane [2].

Here, we studied the protective effect of D-PUFA on photodynamically induced LPO in model lipid membranes using illumination in the presence of trisulfonated aluminum phthalocyanine (AlPcS3) as a photosensitizer. To assess the changes in the photodynamic effect on liposomes upon introduction of D-PUFA into membrane lipids, we measured: 1) the leakage of sulforodamine B from liposomes, detected by fluorescence correlation spectroscopy (FCS), as an indicator of membrane integrity loss, 2) the formation of diene conjugates during lipid peroxidation in liposomal membranes, measured by absorbance at 234 nm, and 3) the photoinactivation of ion channels formed in a planar bilayer lipid membrane (BLM) by the gramicidin A peptide. Illumination of liposomes formed from lipids without D-PUFA caused a sharp drop in the amplitude of the autocorrelation function of sulforodamine B fluorescence, showing the dye leakage, already after the first minute of light exposure, whereas when liposomes contained 50% of lipids with D-PUFA residues, illumination for one minute did not induce the leakage. Therefore, the presence of D-PUFA in the lipid structure prevents the impairment of membrane integrity upon the photodynamic treatment. Iinterestingly, the accumulation of diene conjugates in the course of photodynamically induced LPO was inhibited at a lower content of deuterated lipids in liposome membranes compared to the suppression of the dye leakage [3].

In experiments on gramicidin A (gA) channels in planar BLM without D-PUFA, after turning on the white light in the presence of the photosensitizer, an immediate drop in the gA-induced electrical current was observed, which was obviously associated with the oxidation of tryptophan residues in gA molecules. The presence of 20% of the D-PUFA-containing lipid in the membrane caused the delay in the process of gA photoinactivation, while in the presence of 50% of the lipid with deuterated linoleic acid, almost complete inhibition of gA photoinactivation was found.

This work was supported by the Russian Science Foundation (grant no. 21-14-00062).

1. Shchepinov M.S. Polyunsaturated fatty acid deuteration against neurodegeneration. Trends Pharmacol. Sci. 41 (2020) 236-248.

2. Firsov A.M., Fomich M.A., Bekish A.V., Sharko O.L., Kotova E.A., Saal H.J., Vidovic D., Shmanai V.V., Pratt D.A., Antonenko Y.N., Shchepinov M.S. Threshold protective effect of deuterated polyunsaturated fatty acids on peroxidation of lipid bilayers. FEBS J. 286 (2019) 2099-2117.

3. Firsov A.M., Franco M.S.F., Chistyakov D.V., Goriainov S.V., Sergeeva M.G., Kotova E.A., Fomich M.A., Bekish A.V., Sharko O.L., Shmanai V.V., Itri R., Baptista M.S., Antonenko Y.N., Shchepinov M.S. Deuterated polyunsaturated fatty acids inhibit photoirradiation-induced lipid peroxidation in lipid bilayers. J. Photochem. Photobiol. B: Biology 229 (2022) 112425