Сахарный диабет является хроническим заболеванием, которое характеризуется повышенным содержанием глюкозы в крови. Состояние гипергликемии возникает в результате действия двух основных факторов: недостаточной выработки инсулина поджелудочной железой и снижения чувствительности клеток к нему. Для диабета характерно возникновение осложнений, затрагивающих все системы организма.

Ранее было продемонстрировано, что существует тесная связь между метаболизмом глюкозы, митохондриальной функцией и секрецией инсулина. Было показано, что потеря функции PINK1 (основная причина раннего начала аутосомно-рецессивной болезни Паркинсона (БП) – распространенного прогрессирующего нейродегенеративного заболевания), по-видимому, нарушает чувствительность к глюкозе, что приводит к усиленному высвобождению инсулина. На основе этих данных был сделан вывод о связи БП с сахарным диабетом 2 типа. В патофизиологии обоих заболеваний существуют общие механизмы, включающие митохондриальную дисфункцию, окислительный стресс, гипергликемию и воспаление. Гистопатологической характеристикой БП является формирование нейротоксических агрегатов нейрональных белков синуклеинов, вызванное различными факторами, включая мутации в генах синуклеинов. В физиологических условиях мономерный α-синуклеин продемонстрировал способность повышать эффективность АТФ-синтазы.

В связи с этим, целью данной работы явилось изучить регуляцию выработки инсулина синуклеинами. Дополнительно была поставлена задача оценить возможное влияние облучения светом с длиной волны 1267 нм, приводящего к выработке синглетного кислорода, на продукцию инсулина в организме животного.

Для измерения применяли иммуноферментный анализ с использованием фосфо-специфических антител против рецепторов инсулина (Rat/Mouse Insulin ELISA, Merck KGaA, Германия). Для исследований применялась плазма крови. Плазму получали, забирая у мышей 200 мкл цельной крови, которой позволяли свернуться при комнатной температуре в течение 30 мин и впоследствии центрифугировали при температуре 4 °C. В качестве положительного контроля использовали пробы мышиного инсулина в концентрациях 0.2, 0.5, 1, 2, 5 и 10 нг/мл. В исследовании использовались трансгенные мыши, нокаутные по генам SNCA, SNCB, SNCG и с тройным нокаутом генов альфа-, бета- и гамма-синуклеина, для контроля использовались мыши дикого типа.

Для оценки влияния низкоинтенсивного инфракрасного облучения с длиной волны 1267 нм на продукцию инсулина две мыши дикого типа были подвержены облучению. Излучение доставлялось по оптическому волокну специально сконструированного устройства, которое фиксировалось на проксимальной части середины хвоста животного для облучения хвостовой вены. Доза облучения составила 50 Дж/см2 для одного животного и 100 Дж/см2 для второго. Спустя 5 мин после осуществления облучения у животных отбирали по 200 мкл цельной крови для дальнейшего проведения иммуноферментного анализа.

Результаты работы показали, что в крови мышей дикого типа содержалось 2,7±0,2 нг/мл инсулина. Практически таким же значением (2,8±0,3 нг/мл) обладали мыши с двойным нокаутом генов альфа- и гамма-синуклеина. Наименьшие уровни инсулина отмечены у мышей с нокаутом генов бета- (0,2±0,1 нг/мл) и гамма-синуклеина (0,6±0,1 нг/мл), а также у мышей с тройным нокаутом генов альфа-, бета- и гамма-синуклеина (0,3±0,0 нг/мл). Облучение крови животных лазером 1267 нм приводило к увеличению концентрации инсулина в крови, причем это увеличение, по всей видимости, имело дозозависимый эффект. При облучении светом с дозой 50 Дж/см2 концентрация инсулина в крови составила 0,6±0,1 нг/мл, при 100 Дж/см2 – 1,9±0,2 нг/мл.

Таким образом, в настоящей работе было показано, что нокаут генов, кодирующих белки синуклеинов, ассоциирован со снижением выработки инсулина с наиболее заметными проявлениями при нокауте генов бета- и гамма-синуклеина, а также при тройном нокауте. Неинвазивная оптическая генерация синглетного кислорода в организме животного приводит к дозозависимому повышению концентрации инсулина в крови.



Работа выполнена при поддержке гранта Правительства Российской Федерации № 075-15-2022-1095 (изучение связи нокаута генов с выработкой инсулина), а также гранта Российcкого Научного Фонда №22-75-10088 (исследования с лазером 1267 нм).

Diabetes mellitus is a chronic disease characterized by elevated blood glucose levels. The state of hyperglycemia results from two main factors: insufficient insulin production by the pancreas and a decrease in the sensitivity of cells to insulin. Diabetes is characterized by complications that affect all body systems.

It has previously been demonstrated that there is a close relationship between glucose metabolism, mitochondrial function, and insulin secretion. Loss of PINK1 function (a major cause of early onset of autosomal recessive Parkinson's disease (PD), a common progressive neurodegenerative disease) has been shown to impair glucose sensitivity, leading to increased insulin release. Based on these findings, the association of PD with type 2 diabetes was reported. There are common mechanisms in the pathophysiology of both diseases, including mitochondrial dysfunction, oxidative stress, hyperglycemia, and inflammation. The formation of neurotoxic aggregates of neuronal synuclein proteins caused by various factors, including mutations in synuclein genes, is a histopathological characteristic of PD. Under physiological conditions, monomeric α-synuclein has demonstrated the ability to increase the efficiency of ATP synthase.

Therefore, the aim of this work was to study the regulation of insulin production by synucleins. In addition, we aimed to evaluate the possible effect of 1267 nm light irradiation, which leads to singlet oxygen production, on insulin production in the animal organism.

An enzyme immunoassay using phospho-specific antibodies against insulin receptors (Rat/Mouse Insulin ELISA, Merck KGaA, Germany) was used for measurement. Blood plasma was used for the assay. Plasma was obtained by taking 200 µl of whole blood from mice, allowing it to clot at room temperature for 30 min and subsequently centrifuging it at 4 °C. Mouse insulin samples at concentrations of 0.2, 0.5, 1, 2, 5, and 10 ng/ml were used as positive controls. Transgenic mice knockout for the SNCA, SNCB, and SNCG genes and triple knockout for the α-, β-, and γ-synuclein genes were used in the study; wild-type mice were used as controls.

To evaluate the effect of low-intensity 1267 nm infrared irradiation on insulin production, two wild-type mice were irradiated. Radiation was delivered via an optical fiber of a specially designed device, which was fixed on the proximal part of the middle of the animal's tail to irradiate the caudal vein. The irradiation dose was 50 J/cm2 for one animal and 100 J/cm2 for the second animal. Five minutes after irradiation, 200 µl of whole blood was taken from each animal for further immunoassay.

The results showed that the blood of wild-type mice contained 2.7±0.2 ng/ml of insulin. Almost the same value (2.8±0.3 ng/ml) was observed in mice with double knockout of α- and γ-synuclein genes. The lowest insulin levels were observed in mice with β- (0.2±0.1 ng/ml) and γ-synuclein (0.6±0.1 ng/ml) gene knockout, and in mice with triple knockout of α-, β-, and γ-synuclein genes (0.3±0.0 ng/ml). Irradiation of animals with 1267 nm laser led to an increase in blood insulin concentration, and this increase appeared to have a dose-dependent effect. When irradiated with 50 J/cm2 light, insulin concentration in blood was 0.6±0.1 ng/ml, and at 100 J/cm2 it was 1.9±0.2 ng/ml.

Thus, the present work showed that knockout of genes encoding synuclein proteins is associated with a decrease in insulin production with the most prominent manifestations in the knockout of β- and γ-synuclein genes as well as in the triple knockout. Noninvasive optical generation of singlet oxygen in the animal leads to a dose-dependent increase in blood insulin concentration.



This work was supported by Grant No. 075-15-2022-1095 of the Government of the Russian Federation (studying the connection between gene knockout and insulin production) and Grant No. 22-75-10088 of the Russian Science Foundation (research with a 1267 nm laser).