Stroke is a significant and socially insidious disease that ranks second among fatal diseases according to the World Health Organization [1]. Understanding the molecular mechanisms behind the pathogenesis of this ailment will enable the development of more effective preventative measures and treatment strategies to minimize the negative consequences of stroke. Despite the abundance of experimental data, most of which were acquired indirectly, the study of the dynamics of biochemical parameters in brain tissue in real time during the acute phase of ischemic stroke is difficult. The use of genetically-encoded sensors creates novel possibilities for monitoring alterations in different biochemical and metabolic parameters
In this study, we evaluated pH changes, hydrogen peroxide production (an important type of biologically active ROS), and polysulfide synthesis in various types of brain tissue cells of SHR rats during the development of ischemic stroke in real time using sensors such as SypHer3s (for pH detection), HyPer7 (for H2O2 detection), and PersIc (for polysulfide detection). Middle cerebral artery occlusion was used to simulate an ischemic stroke. The
The studies revealed that in the acute phase of stroke, acidosis occurred in the cytoplasm of neurons in the caudate nucleus, the epicenter of ischemia. The pH mutated from 7.25±0.08 to 6.7±0.15 within the first few seconds after arterial occlusion initiation. A gradual increase in pH was observed after the initial drop, which persisted throughout reperfusion but did not return to the original value in all animals. In the penumbra zone, a wave-like shift in sensor signal was detected, whereas no change in sensor signal was noted in the healthy hemisphere. Investigation of the dynamics of H2O2 formation in the mitochondrial matrix of caudate neurons revealed minimal sensor oxidation during ischemia/reperfusion in the acute phase of stroke, indicating low ROS production. Nevertheless, a substantial increase in the sensor signal was detected after 24 hours following the surgery. Thus, the confirmation of oxidative stress development in the affected hemisphere differed from the commonly accepted view in terms of its dynamics. Previously, it was believed that excessive production of H2O2 leading to oxidative stress and related brain cell death occurred primarily in the acute phase. However, a comparison of hydrogen peroxide production dynamics in neurons and astrocytes revealed differences between these cell populations. It was discovered that as early as 12 hours after middle cerebral artery occlusion, the sensor signal in astrocytes increased more intensely than in neurons. This trend persisted until the end of the measurements, 40 hours after surgery. The observed distinctions may stem from glial cells’ protective function in counteracting the harmful consequences of hydrogen peroxide on neurons, along with their contribution to maintaining the myelin structure in the brain. Additionally, the role of astrocytes in neuroinflammation development is noteworthy. Reactive sulfur species, in addition to reactive oxygen species, appear to be significant contributors to the development of pathological processes. The PersIc sensor signal measurement did not show any disparities between the caudate nucleus of the healthy hemisphere and the hemisphere affected by stroke development in terms of polysulfide and persulfide appearance detection. However, the area surrounding the core infarction is noteworthy due to the observed bouts of acidosis using the SypHer3s sensor. Our findings suggest a potential association between these bouts, spreading depolarization, changes in calcium concentration, and the development of neuroinflammation. These reactions may ultimately lead to the synthesis of polysulfides, known modulators of inflammatory reactions.
Thus, our data provides valuable additions to the existing knowledge on metabolic changes that take place during the progression of ischemic brain injury.
Инсульт является одним из важнейших социально значимых заболеваний. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, он занимает второе место среди болезней, приводящих к летальным исходам [1]. Исследование молекулярных механизмов патогенеза данного заболевания позволит разработать эффективные способы предотвращения развития инсульта и терапии, позволяющей минимизировать его негативные последствия. Несмотря на обилие экспериментальных данных, большая часть их получена косвенным методами, в то время как исследование динамики биохимических параметров в тканях головного мозга в режиме реального времени в острой фазе ишемического инсульта затруднены. Использование генетически кодируемых сенсоров открывает новые возможности для регистрации изменений различных биохимических и метаболических параметров в тканях
В настоящем исследовании проводили изучение изменения рН, генерации перекиси водорода как одного из биологически значимых видов АФК, синтеза полисульфидов в различных типах клеток тканей мозга крыс SHR при развитии ишемического инсульта в режиме реального времени при помощи сенсоров SypHer3s (детекция рН), HyPer7 (детекция H2O2) и PersIc (детекция полисульфидов). Ишемический инсульт моделировали путем окклюзии средней мозговой артерии. Регистрацию сигналов сенсоров
В результате проведённых исследований было показано, что в острой фазе инсульта в цитоплазме нейронов хвостатого ядра — эпицентра ишемии — происходило развитие ацидоза, причем значение рН изменялось от 7,25±0,08 до 6,7±0,15 в первые секунды от начала окклюзии артерии. После резкого падения наблюдали постепенное повышение значения рН, которое продолжалось и во время реперфузии, однако восстановление рН до исходного значения происходило не у всех животных. В области зоны пенумбры наблюдали волнообразное изменение сигнала сенсора, в кто время как в здоровом полушарии сигнал сенсора не изменялся. Исследование динамики образования H2О2 в матриксе митохондрий нейронов хвостатого ядра показало, что в острой фазе инсульта происходит незначительное окисление сенсора как во врем ишемии, так и при реперфузии, что свидетельствует о слабой продукции АФК. Однако спустя 24 часа после проведения операции регистрировали существенное повышение сигнала сенсора. Таким образом, было подтверждено развитие окислительного стресса в больном полушарии, однако динамика его развития оказалась отличной от общепринятой точки зрения. Ранее считалось, что именно в острой фазе происходит чрезмерная продукция H2O2, приводящая к окислительному стрессу и связанной с этим гибелью клеток мозга. Сравнение динамики продукции перекиси водорода в нейронах и астроцитах выявило различия между этими популяциями клеток. Оказалось, что уже через 12 часов после окклюзии средней мозговой артерии сигнал сенсора в астроцитах нарастал интенсивнее, чем в нейронах. Данная тенденция сохранялась вплоть до окончания измерений через 40 часов после операции. Подобные различия могут быть связаны как с защитной функцией глиальных клеток, предотвращающих повреждающее действие перекиси водорода на нейроны и способствующих поддержанию структуры миелина в головном мозге, так и с ролью астроцитов в развитии нейровоспаления. Известно, что помимо активных форм кислорода в развитии патологических процессов также существенную роль играют активные формы серы. Измерение сигнала сенсора PersIc, детектирующего появление полисульфидов и персульфидов, не выявило различий между хвостатым ядром здорового полушария и полушария с очагом развития инсульта. Однако отдельный интерес представляет зона пенумбры, учитывая волны ацидоза, которые мы наблюдали с помощью сенсора SypHer3s, мы предполагаем, что они могут быть связаны как с распространяющейся деполяризацией и изменением концентрации кальция, так и с развитием нейровоспаления, что в свою очередь может приводить к синтезу полисульфидов, являющихся модуляторами воспалительных реакций.
Таким образом, полученные нами данные существенно дополняют имеющийся пул информации о метаболических изменениях, протекающих во время развития ишемического повреждения мозга.