Содержание дейтерия в природной воде составляет 150 ppm. Вода, в которой содержание дейтерия ниже природного значения – обедненная дейтерием вода (ОДВ). На сегодняшний день в научной литературе имеются данные о влиянии низких концентраций дейтерия на метаболические процессы в клетках и тканях млекопитающих. Уменьшение концентрации дейтерия в организме животных способствует усилению его антиоксидантных и антитоксических функций. Изменение баланса между дейтерием и протием во внутренней среде положительно влияет на стрессоустойчивость и уровень тревожности лабораторных животных при действии продолжительных стресс-факторов [5], способствует улучшению референтной памяти [4], изменяет электрофизиологическую активность гиппокампа [2], повышает устойчивость к гипоксии и повышает когнитивные способности лабораторных крыс [1, 3] Тем не менее, данных о том, как изменение содержания дейтерия в потребляемых продуктах влияет на баланс изотопов водорода в организме недостаточно.

Целью данной работы было исследовать влияние потребления лабораторными животными ОДВ на уровень дейтерия в крови и головном мозге крыс.

Обеднённую по дейтерию воду получали на установке, разработанной в Кубанском государственном университете [6]. Содержание дейтерия в ОДВ составляло 50 ppm. Затем полученную воду с пониженным содержанием дейтерия и дистиллированную воду, с естественным содержанием дейтерия (150 ppm), подвергали дополнительной отчистки в системе Milli-Q. После чего ОДВ и дистиллированную воду с природным содержанием дейтерия минерализовали. Минерализацию воды осуществляли путем добавления в нее минеральных солей для получения физиологически полноценного минерального состава (минерализация 314–382 мг/л: гидрокарбонаты 144–180, сульфаты <1, хлориды 60–76, кальций - 6, магний - 3, натрий 50–58, калий 50–58).

Эксперимент был выполнен на 66 крысах-самцах линии Вистар. Все животные содержались в одном виварии при одинаковых условиях и имели свободный доступ к корму и воде.

Животных разделили на две группы:

1-я группа (n=33) - крысы, которые получали воду с природным содержанием дейтерия;

2-я группа (n=33) - крысы, которые получали ОДВ.

Из каждой группы животных выводили по 3 крысы каждый день в течение недели, затем на 10, 15, 21, 42 сутки для забора крови путем декапитации. Из полученной крови готовили сыворотку и определяли в ней концентрацию дейтерия на ЯМР - спектрометре (JEOL JNM-ECA 400 MHz). На 42 день эксперимента извлекали головной мозг и подвергали его лиофильной сушке для дальнейшего определения содержания дейтерия в нём с помощью масс-спектрометра DELTAplus (Finnigan, Германия).

Анализ результатов показал, что у крыс, в рационе которых была ОДВ (группа 2) происходило заметное снижение концентрации дейтерия в крови. При этом наибольшее замещение дейтерия на протий в крови наблюдалось в течение первой недели поения. Так после первого дня поения содержание дейтерия снизилось на 5%, на второй день уже на 12% по сравнению с начальным уровнем в момент начала поения. На восьмой день эксперимента концентрация дейтерия в крови уменьшилась на 23% и составила 113 ppm. Кривая, кривая, отражающая динамику изменения концентрации дейтерия, вышла на плато на 10 день и в последующие две недели динамика значительно не менялась. При этом концентрация дейтерия в контрольной группе (группа 1) не менялась в течение всего эксперимента. Концентрация тяжелого водорода в тканях головного мозга на 42 день эксперимента уменьшилась на 19 % и составила 119 ppm.

Выход графика на плато может означать насыщение крови и лимфы протием и началом активного замещения дейтерия на протий в тканях и органах в условиях созданного изотопного градиента. Снижение концентрации дейтерия в экстрацеллюлярной жидкости и тканях организма происходит вследствие изотопного D/H обмена в белках, липидах и нуклеиновых кислотах, образующих клетки. Известно, что наиболее активно такое замещение происходит в функциональных группах, имеющих неподелённую электронную пару и способных образовывать водородные связи. К таким атомным группировкам относятся гидроксильные (-ОН), карбоксильные (-СООН), аминогруппы (-NH2). По цепочкам водородных связей по механизму Гротгуса реализуется переход протонов и дейтронов от одной биомолекулы к другой. Также активному замещению дейтерия на протий в организме способствует изотопный обмен, реализующийся между данными группами биомолекул и гидратной оболочкой посредством водородных связей.

Работа выполнена при финансовой поддержке государственного задания ЮНЦ РАН № 122020100351-9.

Литература:

1. Kozin, S.V., Kravtsov, A.A., Zlischeva, E.I. et al. The Influence of a Deuterium Depleted Drinking Diet on the Functional State of the Central Nervous System of Animals in Hypoxia. Biophysics. 2020. 65, 1017–1022.

2. Kozin S, Skrebitsky V, Kondratenko R, et al. Electrophysiological Activity and Survival Rate of Rats Nervous Tissue Cells Depends on D/H Isotopic Composition of Medium. Molecules. 2021 Apr 2;26(7):2036.

3. Kravtsov A, Kozin S, Basov A, et al. Reduction of Deuterium Level Supports Resistance of Neurons to Glucose Deprivation and Hypoxia: Study in Cultures of Neurons and on Animals. Molecules. 2021 Dec 31;27(1):243.

4. Mladin C, Ciobica A, Lefter R, et al. Deuterium-depleted water has stimulating effects on long-term memory in rats. Neurosci Lett. 2014 Nov 7;583:154-8.

5. Petriev, I.S., Bolotin, S.N., Frolov, V.Y. et al. Hydrogen Permeability of a Foil of Pd–Ag Alloy Modified with a Nanoporous Palladium Coating. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 82, 807–810.

6. Strekalova T, Evans M, Chernopiatko A, et al. Deuterium content of water increases depression susceptibility: the potential role of a serotonin-related mechanism. Behav Brain Res. 2015 Jan 15;277:237-44.

The content of deuterium in natural water is 150 ppm. Water in which the deuterium content is below the natural value is deuterium-depleted water (DDW). To date, scientific literature contains data on the effect of low deuterium concentrations on metabolic processes in cells and tissues of mammals. A decrease in the concentration of deuterium in the body of animals enhances its antioxidant and antitoxic functions. A change in the balance between deuterium and protium in the internal environment positively affects the stress resistance and anxiety level of laboratory animals under the action of prolonged stress factors [5], improves reference memory [4], changes the electrophysiological activity of the hippocampus [2], increases resistance to hypoxia and increases cognitive abilities of laboratory rats [1, 3] However, data on how changes in the content of deuterium in consumed foods affect the balance of hydrogen isotopes in the body is not enough.

The purpose of this work was to investigate the effect of DDW intake by laboratory animals on the level of deuterium in the blood and brain of rats.

Deuterium-depleted water was obtained using a setup developed at the Kuban State University [6]. The deuterium content in the DDW was 50 ppm. The resulting deuterium-reduced water and distilled water with natural deuterium content (150 ppm) were then subjected to additional purification in the Milli-Q system. After that, OFA and distilled water with a natural content of deuterium were mineralized. Water mineralization was carried out by adding mineral salts to it to obtain a physiologically complete mineral composition (mineralization 314–382 mg/l: hydrocarbonates 144–180, sulfates <1, chlorides 60–76, calcium - 6, magnesium - 3, sodium 50–58 , potassium 50–58).

The experiment was performed on 66 male Wistar rats. All animals were kept in the same vivarium under the same conditions and had free access to food and water.

The animals were divided into two groups:

group 1 (n=33) - rats that intake water with a natural content of deuterium;

group 2 (n=33) - rats that intake DDW.

From each group of animals, 3 rats were taken out every day for a week, then on days 10, 15, 21, 42 for blood sampling by decapitation. Serum was prepared from the obtained blood and the concentration of deuterium in it was determined on an NMR spectrometer (JEOL JNM-ECA 400 MHz). On the 42nd day of the experiment, the brain was removed and subjected to freeze drying for further determination of the deuterium content in it using a DELTAplus mass spectrometer (Finnigan, Germany).

An analysis of the results showed that in rats in the diet of which there was DDW (group 2), there was a noticeable decrease in the concentration of deuterium in the blood. The greatest substitution of deuterium for protium in the blood was observed during the first week of drinking. So after the first day of drinking, the deuterium content decreased by 5%, on the second day by 12% compared with the initial level at the time of the start of drinking. On the eighth day of the experiment, the concentration of deuterium in the blood decreased by 23% and amounted to 113 ppm. The curve, the curve reflecting the dynamics of changes in the concentration of deuterium, reached a plateau on the 10th day and in the next two weeks the dynamics did not change significantly. The concentration of deuterium in the control group (group 1) did not change during the entire experiment. The concentration of heavy hydrogen in the brain tissues on the 42nd day of the experiment decreased by 19% and amounted to 119 ppm.

The plateauing of the graph may mean saturation of the blood and lymph with protium and the beginning of active substitution of deuterium for protium in tissues and organs under the conditions of the created isotopic gradient. A decrease in the concentration of deuterium in the extracellular fluid and tissues of the body occurs due to the isotopic D/H exchange in proteins, lipids, and nucleic acids that form cells. It is known that such substitution occurs most actively in functional groups that have an unshared electron pair and are capable of forming hydrogen bonds. Such atomic groups include hydroxyl (-OH), carboxyl (-COOH), amino groups (-NH2). The transition of protons and deuterons from one biomolecule to another is realized along the chains of hydrogen bonds according to the Grotthuss mechanism. Also, the active substitution of deuterium for protium in the body is facilitated by isotope exchange, which is realized between these groups of biomolecules and the hydrate shell through hydrogen bonds.

The work was supported financially by the state task of the SSC RAS No. 122020100351-9.

Bibliography:

1. Kozin, S.V., Kravtsov, A.A., Zlischeva, E.I. et al. The Influence of a Deuterium Depleted Drinking Diet on the Functional State of the Central Nervous System of Animals in Hypoxia. Biophysics. 2020. 65, 1017–1022.

2. Kozin S, Skrebitsky V, Kondratenko R, et al. Electrophysiological Activity and Survival Rate of Rats Nervous Tissue Cells Depends on D/H Isotopic Composition of Medium. Molecules. 2021 Apr 2;26(7):2036.

3. Kravtsov A, Kozin S, Basov A, et al. Reduction of Deuterium Level Supports Resistance of Neurons to Glucose Deprivation and Hypoxia: Study in Cultures of Neurons and on Animals. Molecules. 2021 Dec 31;27(1):243.

4. Mladin C, Ciobica A, Lefter R, et al. Deuterium-depleted water has stimulating effects on long-term memory in rats. Neurosci Lett. 2014 Nov 7;583:154-8.

5. Petriev, I.S., Bolotin, S.N., Frolov, V.Y. et al. Hydrogen Permeability of a Foil of Pd–Ag Alloy Modified with a Nanoporous Palladium Coating. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 82, 807–810.

6. Strekalova T, Evans M, Chernopiatko A, et al. Deuterium content of water increases depression susceptibility: the potential role of a serotonin-related mechanism. Behav Brain Res. 2015 Jan 15;277:237-44.