Дейтерий – стабильный изотоп водорода, содержащийся в организмах в значительных количествах. Исследования показывают, что в организме дейтерий играет важную роль, поскольку обладает способностью регулировать процессы пролиферации, апоптоза и сенесцентности клеток [1-3]. Роль дейтерия в функционировании клеток и органов, и в частности, эндокринных желез мало изучена. В наших предыдущих исследованиях мы установили, что понижение поступления дейтерия в организм уже через сутки вызывает выраженную ответную реакцию щитовидной железы [4].

Целью исследования было выявление изменений в продукции тиреоидных гормонов и гипофизарного контроля тиреоидной функции при выраженном длительном увеличении содержания дейтерия в организме. Эксперимент выполнен на половозрелых самцах крыс Вистар массой 200-220гг (n=20). Животные содержались в виварии при комнатной температуре и получали стандартный лабораторный корм. Изменение содержания дейтерия в организме крыс опытной группы (n=10) достигалось путем потребления вместо водопроводной воды с повышенным содержанием дейтерия [D]=500000 ppm (ФГБУ Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова НИЦ "Курчатовский институт") в течение 21 сут. Контрольная группа (n=10) потребляла дистиллированную воду с содержанием дейтерия [D]=146ppm, что соответствует его содержанию в водопроводной воде. Содержание общих и свободных фракций тиреоидных гормонов определяли в сыворотке крови методом иммуноферментного анализа.

У крыс контрольной группы отмечалось увеличение массы тела к 21-м суткам эксперимента. У крыс, потреблявших воду с повышенным содержанием дейтерия, отмечался меньший прирост массы, которая на 21-е сутки была статистически значимо меньшей, чем у крыс контрольной группы. Через сутки у крыс отмечалось усиление продукции тироксина и закономерное снижение секреции тиреотропного гормона. В дальнейшем продукция тиреоидных гормонов продолжала усиливаться, и к 7-м суткам наступила ее нормализация. Однако уровень тиреотропного гормона сохранялся пониженным. На 14-е сутки выявлено значительное уменьшение концентрации всех тиреоидных гормонов и тиреотропного гормона. К 21-м суткам продукция гормонов щитовидной железой нормализовалась, а также восстановилась работа принципа обратной связи, что проявлялось снижением секреции тиреотропного гормона в ответ на повышение продукции тиреоидных гормонов. Наблюдаемые изменения указывали на чувствительность клеток щитовидной железы к содержанию дейтерия. Она была более высокой, чем гипоталамо-гипофизарного комплекса. Увеличение содержания дейтерия в системном кровотоке оказывало стимулирующее воздействие на секреторные процессы в щитовидной железе, а затем приводило к снижению секреции тиреотропного гормона гипофизом и развитию транзиторного гипотиреоза. Нормализация продукции гормонов и гипофизарного контроля активности щитовидной железы свидетельствовала о том, что дейтерирование не ингибирует синтез гормонов в ней. Определение свободных фракций тиреоидных гормонов показало, что в процессе повышения содержания дейтерия в организме их концентрации становятся менее вариабельными по сравнению с контролем. Это свидетельствует о сохранении, как уровня продукции, так и связывающей способности белков, осуществляющих транспорт тиреоидных гормонов в системном кровотоке, при сдвиге баланса дейтерия/протия в организме.

Таким образом, клетки щитовидной железы демонстрируют высокую чувствительность к повышению содержания дейтерия и увеличивают интенсивность гормоногенеза в отличие от тиротропоцитов гипофиза, которые реагируют позже и снижают свою секреторную активность в процессе дейтерирования организма. Следовательно, интенсивность секреторных процессов в щитовидной железе демонстрирует некоторую зависимость от градиента дейтерия в крови и клетках и в цитозоле и органеллах.

Работа выполнена по госзаданию № FGFZ-2022-0035.

Литература

1. Яглова Н.В., Обернихин С.С., Тимохина Е.П., Назимова С.В., Яглов В.В. Реактивные изменения лимфоцитопоэза в тимусе при кратковременном уменьшении содержания дейтерия в организме // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2022. Т. 173. № 4. С. 508-511. DOI: 10.47056/0365-9615-2022-173-4-508-511

2. Kravtsov A., Kozin S., Basov A., Butina E., Baryshev M., Malyshko V., Moiseev A., Elkina A., Dzhimak S. Reduction of Deuterium Level Supports Resistance of Neurons to Glucose Deprivation and Hypoxia: Study in Cultures of Neurons and on Animals. Molecules. 2022. Vol. 27. N. 1. 243. doi: 10.3390/molecules27010243.

3. Shchepinov M.S. Do “heavy’ eaters live longer? Bioessays. 2007, 29, 1247-1256. DOI: 10.1002/bies.20681

4. Яглова Н.В., Обернихин С.С., Тимохина Е.П., Яглов В.В. Реакция гипофизарно-тиреоидной оси на кратковременное изменение содержания дейтерия в организме // Бюл. экспер. биол. 2021. Т.171. № 2. С. 232-234. doi: 10.47056/0365-9615-2021-171-2-232-234

Deuterium, a stable isotope of hydrogen is abundant in living organism. Scientific investigations have shown that deuterium plays an important role since it participates in control of cell proliferation, apoptosis, and senescence [1-3]. Impact of deuterium content in function of cells and inner organs, especially endocrine glands, is poorly studied. Our previous investigations revealed that short-term reduction in deuterium supply evoked rapid response of the thyroid gland [4].

The investigation was aimed at evaluation of changes in thyroid hormones production and pituitary regulation of thyroid function in response to pronounced and prolonged deuteration of organism. The experiment was performed on adult male Wistar rats weighed 200-220gg (n=20). The rats were housed in local vivarium at room temperature and given a pelleted standard chow. Consumption of deuterium-enriched water with [D]=500000 ppm (manufactured by S.-Peterburg Nuclear Physics Institute named by B.P. Konstantinov of National Research Center “Kurchatov Institute”, Russia) instead of tap water for 21 days was used as a method of reduction of deuterium body content. The control rats (n=10) consumed distilled water with deuterium content [D]=146ppm, identical to tap water. Total and free fractions of thyroid hormones andthyroid stimulating hormone were quantified in serum by enzyme-linked immunosorbent assay.

The сontrol rats demonstrated аn increase in the body mass by the 21st day of the experiment. The rats that consumed deuterium-enriched water showed significantly smaller growth, and their mass on the 21st day of the experiment was significantly less than in the control group. After 24h of exposure enhanced total thyroxine production and regular decrease in thyroid stimulating hormone secretion were registered. Subsequently, the production of thyroid hormones continued to increase, but by the 7th day it returned to normal parameters. However, thyroid stimulating hormone levels remained low. On the 14th day, a significant decrease in the concentration of all thyroid hormones and thyroid stimulating hormone was revealed. By the 21st day, the production of thyroid hormones increased to control values, and the feedback principle was restored, which was manifested by a decrease in thyroid stimulating hormone secretion in response to an increase in the production of thyroid hormones.

The revealed alterations indicate that thyroid gland is sensitive to shifts in hydrogen isotope balance. The thyroid gland demonstrated higher sensitivity to deuterium/protium disbalanse than the hypothalamic-pituitary complex. An increase in the deuterium content in the systemic circulation exerted a stimulating effect on secretory processes in the thyroid gland, and then led to a decrease in thyroid stimulating hormone secretion by the pituitary gland and the development of transient hypothyroidism. Restoration of hormone production and pituitary control of thyroid activity indicated that deuteration does not inhibit hormone synthesis in the thyroid gland. Determination of the free fractions of thyroid hormones in the exposed rats showed that their concentrations did not undergo significant changes, in contrast to the control group, that is, the level of the unbound hormones became more stable with an increase in deuterium body content. It indicates that shifts in deuterium/protium balance do not significantly affect either production of plasma binding proteins or their binding capacity.

Thus, thyroid cells demonstrated higher sensitivity to changes in deuterium body content and responded by increase of hormone secretion to higher deuterium content unlike pituitary thyrotropes, which on the contrary, responded later by reduction of hormone production during deuteration of the organism. Consequently, the intensity of secretory processes in the thyroid gland depends to some extent on the deuterium gradient in the blood and cells and in the cytosol and organelles.

The research was funded by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, reg. number FGFZ-2022-0035.

References

1. Yaglova N.V., Obernikhin S.S., Timokhina E.P., Nazimova S.V., Yaglov V.V. Reactive Alterations in Thymic Lymphocytopoiesis to Short-Term Decrease in Deuterium Content in the Body // Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2022. Vol. 173, No. 4. Р.494-496. DOI 10.1007/s10517-022-05568-2

2. Kravtsov A., Kozin S., Basov A., Butina E., Baryshev M., Malyshko V., Moiseev A., Elkina A., Dzhimak S. Reduction of Deuterium Level Supports Resistance of Neurons to Glucose Deprivation and Hypoxia: Study in Cultures of Neurons and on Animals. Molecules. 2022. Vol. 27. N. 1. 243. doi: 10.3390/molecules27010243.

3. Shchepinov M.S. Do “heavy’ eaters live longer? Bioessays. 2007, 29, 1247-1256. DOI: 10.1002/bies.20681

4. Yaglova, N.V.; Obernikhin, S.S.; Timokhina, E.P.; Yaglov, V.V. Response of Pituitary-Thyroid Axis to a Short-Term Shift in Deuterium Content in the Body // Bull. Exp. Biol. Med. 2021. Vol. 171. N. 4. P.262–264. doi: 10.1007/s10517-021-05208-1