Депривация сна и развитие оксидативного стресса в эксперименте

Сон является универсальным явлением для большинства животных на Земле, и, несмотря на то, что первые экспериментальные доказательства его важности были получены еще в XIX веке, до сих пор остается ряд открытых вопросов о природе сна и его основных функциях. Сон как одно из основных периодически возникающих состояний играет важную роль в понимании особенностей поведения животных и человека, интегративных механизмов, регулирующих физиологические функции организма, а также эндогенной составляющей биологических ритмов. Как особенное функциональное состояние мозга и организма, которое определяется генетическими факторами, сон отличается от бодрствования своими специфическими качественными особенностями в деятельности ЦНС и соматической сферы, проявляющимися в замедлении активного взаимодействия с окружающим миром и частичным прекращением осознаваемой психической активности. Физиологический сон отличается от таких состояний как кома, сопор, наркоз, гибернация или гипноз, тем, что наступает без внешних воздействий, а под влиянием внутренних факторов, и при этом сохраняется способность к пробуждению [1—3].

Современные представления о природе и механизмах сна человека и животных включают несколько гипотез [4—7]. В частности, рассматриваются рефлекторная теория возникновения сна, образование «гипнотоксинов» в период бодрствования, изменение уровней специфических биологически активных веществ в крови и гуморальных сон-регулирующих субстанций, а также биоритмологическая теория регуляции цикла сна и бодрствования, опосредованная активностью ритмозадающих циркадианных осцилляторов в головном мозге. Несмотря на кажущуюся неоднородность различных концепций возникновения сна, безусловным является факт, что качество сна имеет решающее значение для здоровья и благополучия человека, независимо от его возраста и пола [8, 9].

Естественный сон играет важнейшую роль в регуляции большинства биологических функций и необходим для оптимальной регуляции физиологических процессов, имеет сильную бивариационную связь с консолидацией памяти и другими высшими интегративными функциями мозга, процессами нормального развития и старения, а расстройства в цикле сон—бодрствование — с патогенезом многих заболеваний. Недостаток сна широко распространен в различных сферах жизни и трудовой деятельности, например среди работающих вахтовым методом, военных и медицинских специалистов, в спорте высоких достижений, при планировании и реализации мероприятий с высоким уровнем ответственности и особенно у людей, страдающих различными расстройствами сна [10—15]. Многочисленные экспериментальные работы на животных и клинические исследования показали тесную корреляционную связь между нарушениями сна и ухудшением когнитивных функций, включая память и обучение, развитием возраст-ассоциированных нейродегенеративных заболеваний, метаболическими и иммунологическими дисфункциями. Естественный сон жизненно важен для сохранения энергии, оптимального функционирования клеток и синтеза белка в мозге, поэтому депривация сна и инсомнии являются актуальной проблемой здравоохранения во всем мире и привлекают интерес фундаментальной науки и реальной клинической практики [16—22].

По имеющимся данным, распространенность симптомов инсомнии (бессонница) в общей популяции взрослых составляет до 15—20% [23, 24]. Бессонница, которая может рассматриваться как специфическое расстройство или как симптом, тесно связана со стрессом, при этом они патофизиологически интегрированы: возникновение стресса повышает риск развития бессонницы, и, с другой стороны, если психологическое давление своевременно не устранить и не корректировать, стрессовая бессонница может трансформироваться в хроническую [25—27]. В настоящее время существует множество моделей инсомнических расстройств, но механизм патогенеза и этиология продолжают изучаться. В частности, рассматривается, что одними из факторов развития нарушений сна являются интенсивный окислительный стресс и гиппокампальная митохондриальная дисфункция [28, 29].

Окислительный стресс можно рассматривать как дисбаланс между оксидантами и антиоксидантами в пользу первых, приводящий к нарушению окислительно-восстановительной сигнализации и контроля и/или молекулярному повреждению. В этом процессе важную роль играют реактивные формы кислорода (РФК). В норме в тканях протекают различные окислительные процессы, и образующиеся РФК выполняют важнейшие функции в окислительно-восстановительной сигнализации, апоптозе и иммунных функциях [30]. Однако при возникновении оксидативного стресса на фоне повышенного образования РФК происходит повреждение клеток, активизируются многочисленные программы, такие как аутофагия, митофагия, апоптоз, некроптоз и ферроптоз, возникают патологические нарушения в структуре ДНК, способные провоцировать изменения липидов и белков, запускать активацию факторов транскрипции, влиять на синтез воспалительных цитокинов и воздействовать на пути передачи сигналов. Окислительное повреждение липидов приводит к образованию широкого спектра токсичных соединений, например, гидроперекиси липидов [31]. Таким образом, оксидативный стресс, возникающий на фоне инсомнии, влияет на многочисленные физиологические процессы, поэтому крайне важно установить механизмы его развития и определить способы профилактики данного состояния.

Цель исследования — изучение особенностей и механизмов развития оксидативного стресса в анимальных моделях на фоне депривации сна.

Эксперименты были проведены на 6-месячных самцах крыс массой 280—300 г в количестве 60 животных, которые были разделены поровну на 3 группы и содержались в одиночных клетках с неограниченным доступом к воде и пище.

Первая группа — интактные животные (контроль), а животные 2-й и 3-й групп подвергались моделированию хронического недостатка сна методом циклического ограничения сна, чередуя 3 ч депривации сна и 1 ч покоя в течение 5 сут. Депривация сна осуществлялась качанием клетки на орбитальном шейкере, а в периоды покоя шейкер автоматически отключался и животных не беспокоили. Такая методика позволяет ограничить медленноволновой и парадоксальный сон на 55—60% в течение всех 5 сут [32]. Животные 3-й группы, помимо стандартного рациона, ежедневно утром натощак внутрижелудочно с помощью зонда в течение 5 сут получали ресвератрол (10 мг/кг), причем для повышения биодоступности препарата его добавляли в 0,5% раствор карбоксиметилцеллюлозы.

Для оценки перекисных и антиперекисных процессов в организме животных до начала эксперимента, на 1, 3 и 5-е сутки опыта производили оценку в сыворотке крови активности антиоксидантных ферментов (каталаза, супероксиддисмутаза — СОД, глутатионпероксидаза — ГП, глутатионредуктаза — ГР), а также концентрации продуктов перекисного оксиления липидов (малоновый диальдегид — МДА, диеновые конъюгаты — ДК) стандартными лабораторными методами [33].

Исследование получило одобрение локального Этического комитета.

Статистическую обработку результатов исследования проводили с помощью параметрических и непараметрических методов анализа с использованием пакета прикладных программ IBM SPSS Statistics версия 27. При соответствии распределения данных критериям нормальности результаты представлены как M±SD (среднее арифметическое±стандартное отклонение). Различия считались статистически значимыми при p<0,05.

Динамика функционирования ферментов антиоксидантной защиты в сыворотке крови крыс на фоне депривации сна представлена в таблице.

Активность ферментов антиоксидантной защиты в сыворотке крови крыс на фоне депривации сна, M±SD

Примечание. Различия статистически значимы при p<0,05: ¹ — по сравнению с показателями 1-й группы; ² — по сравнению с показателями 2-й группы.

Согласно полученным результатам, активность антирадикальных ферментов у животных всех трех групп до начала эксперимента была на одном уровне и соответствовала физиологической норме, но в процессе опыта на фоне депривации сна начала снижаться. Так, активность каталазы снизилась, по сравнению с интактными животными, у крыс 2-й группы на 1-е сутки опыта на 8,7%, на 3-и — на 19,0%, на 5-е — на 28,8%, а у крыс 3-й группы на 1-е сутки — на 4,5%, на 3-и — на 13,5%, на 5-е — на 19,5%.

Активность СОД снизилась, по сравнению с интактными животными, у крыс 2-й группы на 1-е сутки опыта на 6,3%, на 3-и — на 16,2%, на 5-е — на 27,5%, а у крыс 3-й группы на 1-е сутки — на 6,9%, на 3-и — на 12,5%, на 5-е — на 20,7%.

Активность ГП снизилась, по сравнению с интактными животными, у крыс 2-й группы на 1-е сутки опыта на 6,0%, на 3-и — на 12,0%, на 5-е — на 18,1%, а у крыс 3-й группы на 1-е сутки — на 4,6%, на 3-и — на 9,4%, на 5-е — на 14,5%.

Активность ГР снизилась, по сравнению с интактными животными, у крыс 2-й группы на 1-е сутки опыта на 7,0%, на 3-и — на 14,1%, на 5-е — на 19,8%, а у крыс 3-й группы на 1-е сутки — на 3,8%, на 3-и — на 11,4%, на 5-е — на 16,5%.

Была выявлена интенсификация свободнорадикальных процессов на фоне депривации сна у крыс (рис. 1 и 2). Согласно представленным данным, концентрация продуктов перекисного окисления липидов у животных всех трех групп до начала эксперимента была на одном уровне и соответствовала физиологической норме, но на фоне депривации сна начала возрастать.

Рис. 1. Динамика концентрации МДА в сыворотке крови крыс на фоне депривации сна.

Рис. 2. Динамика концентрации ДК в сыворотке крови крыс на фоне депривации сна.

Концентрация МДА увеличилась по сравнению с интактными животными у крыс 2-й группы на 1-е сутки опыта на 14,3%, на 3-и — на 25,4%, на 5-е — на 29,7%, а у крыс 3-й группы на 1-е сутки — на 7,9%, на 3-и — на 12,7%, на 5-е — на 21,9%.

Концентрация ДК увеличилась, по сравнению с интактными животными, у крыс 2-й группы на 1-е сутки опыта на 10,4%, на 3-и — на 25,6%, на 5-е — на 37,8%, а у крыс 3-й группы на 1-е сутки — на 7,0%, на 3-и — на 19,2%, на 5-е — на 26,6%.

Полученные результаты указывают на то, что при ограничении сна интенсифицируются окислительные процессы и снижается активность антиоксидантных ферментов. В результате происходит накопление в тканях организма высокотоксичных продуктов перекисного окисления липидов, что отражается в нарушении метаболизма и снижении адаптационных возможностей организма.

Дополнительная внутрижелудочная нагрузка крыс ресвератролом способствовала меньшим колебаниям окислительно-восстановительных процессов в организме животных на фоне депривации сна, что проявлялось меньшим снижением активности антиоксидантных ферментов и повышением концентрации продуктов перекисного окисления липидов в сыворотке крови, в сравнении с крысами интактной (контрольной) группы. В условиях нарастающего оксидативного стресса за счет длительной депривации сна и генерации на этом фоне РФК наблюдается снижение активности эндотелиальной NO-синтазы [34].

Механизм действия ресвератрола связан с ингибированием окисления липопротеинов низкой плотности, агрегации тромбоцитов и синтеза эйкозаноидов и индуцированием образования NO, метаболиты которого включены в механизм эндогенной системы антиоксидантной защиты организма и оказывают положительное действие на многочисленные физиологические процессы в организме [35, 36]. В современных исследованиях сообщается о модулирующем влиянии ресвератрола на функцию циркадных осцилляторов, стресс-индуцированные и метаболические нарушения, при этом его использование рассматривается в качестве весомой профилактической и терапевтической стратегии при онкологических и сердечно-сосудистых заболеваниях, возраст-ассоциированных и нейродегенеративных процессах, а также дисфункции иммунной реактивности и протеостаза. Отдельно стоит акцентировать внимание на потенциале ресвератрола и других природных полифенолов при нарушениях, связанных с биологическими часами и регуляцией цикла сон—бодрствование [37, 38].

На фоне депривации сна в анимальных моделях развивается оксидативный стресс, проявляющийся интенсификацией окислительных процессов и снижением активности антиоксидантных ферментов. Дополнительная внутрижелудочная нагрузка крыс ресвератролом способствует снижению амплитуды колебаний окислительно-восстановительного равновесия в организме экспериментальных животных, что может рассматриваться как возможный способ коррекции оксидативного стресса и профилактики нарушений, ассоциированных с ограничением сна и расстройствами регуляции цикла сон—бодрствование.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.