Тяжелые металлы уверенно занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам. Известно, что уровень фактора техногенного обогащения тяжелыми металлами значительно увеличился в последнее время, что особенно негативно влияет на людей с сердечно-сосудистыми и нервными патологиями. Острые или хронические отравления могут возникать при контакте с тяжелыми металлами через загрязненный воздух, воду, почву и потребительские товары.

Экспоненциальное использование редкоземельных металлов в промышленности и плохое управление процессами утилизации отходов, содержащих соединения этих металлов, вызывает серьезные опасения по поводу качества и безопасности окружающей среды. Нежелательной особенностью редкоземельных металлов является их способность к биоаккумуляции [1, 2], что может значительно увеличивать их токсичность. Причем, концентрация редкоземельных металлов, например, La3+ в биологических объектах не снижается после прекращения воздействия, что свидетельствует о длительном биологическом периоде полувыведения этого металла из организма [2, 3].

Цель – исследовать действие редкоземельных металлов на сердечно-сосудистую систему и энергетику митохондрий.

Методы - исследования проводятся на изолированных митохондриях, на сократительной модели сердца и сосудов, а также на выделенных кардиомиоцитах.

Результаты - нами показано, что лантаноиды (La3+, Pr3+, Nd3+, Gd3+) при больших, миллимолярных концентрациях обладают отрицательным инотропным и хронотропным эффектами, который проявляется в снижении амплитуды и частоты спонтанных сокращений, соответственно. При этом, лантаноиды слабо влияют на дыхание изолированных митохондрий, находящихся в состоянии 3 или 3РДНФ (разобщенное 2,4-динитрофенолом, ДНФ). Например, в отличие от Cd2+, лантаноиды не способны к прочному связыванию с тиоловыми группами дыхательных ферментов. Лантаноиды могут оказывать влияние на ионную проницаемость внутренней мембраны митохондрий и усиливать активный транспорт K+ в митохондриальный матрикс.

В предварительных экспериментах нами впервые обнаружено, что при низких концентрациях (менее 0.2 мМ) лантаноиды могут стимулировать сердечную деятельность как в норме, так и в условиях ингибирования функций митохондрий с помощью азида натрия, тем самым, обнаруживая эффекты прекондиционирования. Не исключено, что данный эффект связан с увеличением активного транспорта K+ в митохондриальный матрикс и соответствующим снижением Сa2+ перегрузки митохондрий.

Заключение, обнаруженные нами отрицательные инотропный и хронотропный эффекты лантаноидов вероятно, в большей степени, обусловлены влиянием ионов этих металлов на кальций-зависимые процессы в кардиомиоцитах, включая митохондрии [4-6]. В миллимолярных концентрациях лантаноиды могут блокировать систему возбуждения-сокращения в миокарде, а именно первоначальный вход Са2+ в сердечную клетку.



Литература



[1]. Pagano G, Aliberti F, Guida M, Oral R, Siciliano A, Trifuoggi M, Tommasi F (2015) Rare earth elements in human and animal health: state of art and research priorities. Environ Res 142:215–220.

[2]. Kang, J., & Kang, A. M. (2020). Trend of the research on rare earth elements in environmental science. Environmental science and pollution research international, 27(13), 14318–14321. https://doi.org/10.1007/s11356-020-08138-z

[3]. Das T, Sharma A, Talukder G (1988) Effects of lanthanum in cellular systems. A review. Biol. Trace Elem Res 18:201-228. https://doi.org/10.1007/BF02917504

[4]. Korotkov SM, Sobol KV, Shemarova IV, Furaev VV, Shumakov AR, Nesterov VP (2016) A comparative study of the effects of Pr3+ and La3+ ions on calcium dependent processes in frog cardiac muscle and rat heart mitochondria. Biophysics 61:733-740. https://doi.org/10.1134/S0006350916050122

[5]. Korotkov SM, Sobol KV, Schemarova IV, Furaev VV, Novozhilov AV, Nesterov VP (2019) Effects of Nd3+ on calcium-dependent processes in isolated rat heart mitochondria and frog heart muscle. Biochemistry (Moscow), Suppl A: Membr Cell Biol 13, 161–197. https://doi.org/10.1134/S1990747819070018

[6]. Korotkov SM, Sobol KV, Schemarova IV, Novozhilov AV, Nikitina ER, Nesterov VP (2020) Effects of Gd3+ and Ca2+ on frog heart muscle contractility and respiration, swelling and inner membrane potential of rat heart mitochondria. J Evolut Biochem Physiol 56, 541–549. https://doi.org/10.1134/S0022093020060071



Работа выполнена с использованием средств государственного бюджета по госзаданию по теме № 075-00967-23-00.

Heavy metals confidently occupy the second place in terms of danger, yielding to pesticides. It is known that the level of the factor of technogenic enrichment with heavy metals has increased significantly in recent years, which has a particularly negative effect on people with cardiovascular and nervous pathologies. Acute or chronic poisoning can occur through contact with heavy metals through contaminated air, water, soil, and consumer products.

The exponential use of rare earth metals in industry and the poor management of waste disposal processes containing compounds of these metals raises serious concerns about the quality and safety of the environment. An undesirable feature of rare earth metals is their ability to bioaccumulate [1, 2], which can significantly increase their toxicity. Moreover, the concentration of rare earth metals, for example, La3+ in biological objects does not decrease after the cessation of exposure, which indicates a long biological half-life of this metal from the body [2, 3].

The goal is to investigate the effect of rare earth metals on the cardiovascular system and mitochondrial energy.

Methods - studies are carried out on isolated mitochondria, on a contractile model of the heart and blood vessels, as well as on isolated cardiomyocytes.

Results - we have shown that lanthanides (La3+, Pr3+, Nd3+, Gd3+) at high millimolar concentrations have negative inotropic and chronotropic effects, which manifests itself in a decrease in the amplitude and frequency of spontaneous contractions, respectively. At the same time, lanthanides have little effect on the respiration of isolated mitochondria in the 3 or 3PDNP state (uncoupled by 2,4-dinitrophenol, DNP). For example, unlike Cd2+, lanthanides are not capable of strong binding to the thiol groups of respiratory enzymes. Lanthanides can affect the ion permeability of the inner mitochondrial membrane and enhance the active transport of K+ into the mitochondrial matrix.

In preliminary experiments, we found for the first time that at low concentrations (less than 0.2 mM), lanthanides can stimulate cardiac activity both in normal conditions and under conditions of inhibition of mitochondrial functions with sodium azide, thereby revealing the effects of preconditioning. It is possible that this effect is associated with an increase in active transport of K+ into the mitochondrial matrix and a corresponding decrease in Ca2+ overload of mitochondria.

In conclusion, the negative inotropic and chronotropic effects of lanthanides that we found are probably largely due to the influence of these metal ions on calcium-dependent processes in cardiomyocytes, including mitochondria [4–6]. In millimolar concentrations, lanthanides can block the excitation-contraction system in the myocardium, namely the initial entry of Ca2+ into the heart cell.



Literature



[1]. Pagano G, Aliberti F, Guida M, Oral R, Siciliano A, Trifuoggi M, Tommasi F (2015) Rare earth elements in human and animal health: state of art and research priorities. Environ Res 142:215–220.

[2]. Kang, J., & Kang, A. M. (2020). Trend of the research on rare earth elements in environmental science. Environmental science and pollution research international, 27(13), 14318–14321. https://doi.org/10.1007/s11356-020-08138-z

[3]. Das T, Sharma A, Talukder G (1988) Effects of lanthanum in cellular systems. A review. Biol. Trace Elem Res 18:201-228. https://doi.org/10.1007/BF02917504

[4]. Korotkov SM, Sobol KV, Shemarova IV, Furaev VV, Shumakov AR, Nesterov VP (2016) A comparative study of the effects of Pr3+ and La3+ ions on calcium dependent processes in frog cardiac muscle and rat heart mitochondria. Biophysics 61:733-740. https://doi.org/10.1134/S0006350916050122

[5]. Korotkov SM, Sobol KV, Schemarova IV, Furaev VV, Novozhilov AV, Nesterov VP (2019) Effects of Nd3+ on calcium-dependent processes in isolated rat heart mitochondria and frog heart muscle. Biochemistry (Moscow), Suppl A: Membr Cell Biol 13, 161–197. https://doi.org/10.1134/S1990747819070018

[6]. Korotkov SM, Sobol KV, Schemarova IV, Novozhilov AV, Nikitina ER, Nesterov VP (2020) Effects of Gd3+ and Ca2+ on frog heart muscle contractility and respiration, swelling and inner membrane potential of rat heart mitochondria. J Evolut Biochem Physiol 56, 541–549. https://doi.org/10.1134/S0022093020060071





The work was carried out with the use of state budget funds under the state assignment on topic No. 075-00967-23-00.