Окислительный стресс в патогенезе сахарного диабета 1 типа: роль ксантиноксидазы адипоцитов

Abstract

Актуальность. Согласно современным представлениям о механизмах возникновения сахарного диабета 1 и 2 типов и развития их осложнений, важную роль играет окислительный стресс. Источниками активных форм кислорода при сахарном диабете являются реакции гликозилирования белков, дыхательная цепь митохондрий, мембраносвязанная НАДФН-оксидаза и другие ферменты. Важным ферментативным источником супероксид-анион радикала и Н2О2 является ксантиноксидоредуктаза, которая в физиологических условиях находится преимущественно в ксантиндегидрогеназной форме и может обратимо или необратимо переходить в ксантиноксидазу, в результате окислительной модификации с образованием дисульфидных связей в молекуле белка. У грызунов ксантиноксидоредуктаза в жировой ткани экспрессируется с более высокой скоростью по сравнению с другими тканями. Цель исследования - установить роль ксантиноксидазы в развитии окислительного стресса в адипоцитах крыс при экспериментальном сахарном диабете 1 типа. Материал и методы. Материалом для исследования служили самцы крыс Wistar, у которых моделировали экспериментальный сахарный диабет с применением двух разных диабетогенов аллоксана и стрептозотоцина. Иммунорадиометрическим методом в сыворотке крови контрольных крыс и животных с экспериментальным диабетом определяли содержание инсулина, ферментативными методами - уровень глюкозы и мочевой кислоты, методом FOX-2 - содержание первичных продуктов перекисного окисления липидов (гидроперекисей липидов), флуоресцентным методом - ксантиноксидазную активность в изолированных адипоцитах эпидидимальной жировой ткани и экспрессию мРНК ксантиндегидрогеназы. Результаты. У крыс с экспериментальным диабетом развивался индуцированный гипергликемией окислительный стресс. Повышение содержания гидроперекисей липидов в адипоцитах наблюдалось при увеличении активности ксантиноксидазы. Повышение активности ферментов в условиях окислительного стресса в адипоцитах крыс с экспериментальным сахарным диабетом сопровождалось повышением вклада ксантиноксидазной активности в общую ксантиндегидрогеназную, что отражалось в увеличении отношения активности ксантиноксидазы и ксантиндегидрогеназы. Окислительный стресс в адипоцитах при экспериментальном сахарном диабете 1 типа вызывает окислительную посттрансляционную модификацию фермента и переход ксантиндегидрогеназной формы в ксантиноксидазную, что приводит к дальнейшему увеличению продукции активных форм кислорода. Ингибитор ксантиноксидазы снижает содержание гидроперекисей липидов в адипоцитах крыс. Таким образом, ксантиноксидаза может быть потенциальной мишенью для защиты от развития окислительного стресса в жировой ткани крыс при сахарном диабете 1 типа. Выводы. Окислительный стресс в жировой ткани крыс при аллоксановом и стрептозотоциновом диабете обусловлен в определенной мере повышением экспрессии мРНК гена ксантиндегидрогеназы и пострансляционной окислительной модификацией ксантиндегидрогеназной активности в ксантиноксидазную. Ингибитор ксантиноксидазы аллопуринол снижает индуцированный аллоксаном повышенный уровень гидроперекисей липидов в сыворотке крови в изолированных адипоцитах крыс, что свидетельствует о важной роли ксантиноксидазы в развитии окислительного стресса в адипоцитах при экспериментальном сахарном диабете 1 типа.Rationale. According to modern understanding, oxidative stress plays an essential role in the underlying mechanisms for the emergence of type 1 and type 2 diabetes and development of complications in these conditions. The sources of reactive oxygen species in diabetes are protein glycosylation, mitochondrial respiratory chain, membrane-bound NADPH oxidase, and other enzymes. An important enzymatic source of the superoxide anion radical and Н2О2 is xanthine oxidoreductase. Under physiological conditions, it exists mainly in the xanthine dehydrogenase form and may be reversibly or irreversibly converted to xanthine oxidase, following oxidative modification with formation of disulfide bonds in the protein molecule. In rodents, xanthine oxidoreductase in adipose tissue is expressed at a higher rate, as opposed to in other tissues. The aim of the study was to establish the role of xanthine oxidase in development of oxidative stress in rat adipocytes in experimental type 1 diabetes. Materials and methods. The study was conducted in male Wistar rats with experimental diabetes induced by two different diabetogenic agents – alloxan and streptozotocin. Serum concentration of insulin in the control and experimental rats was determined by the immunoradiometric assay. The levels of glucose and uric acid were measured by the enzymatic methods. The concentration of lipid hydroperoxides, primary products of lipid peroxidation, was detected by the FOX-2 method. The activity of xanthine oxidase in isolated adipocytes of epididymal adipose tissue and the expression of xanthine dehydrogenase mRNA were determined by fluorometry. Results. The rats from the experimental group developed hyperglycemia-induced oxidative stress. The rise in the lipid hydroperoxide concentration in adipocytes was observed against the backdrop of the increased xanthine oxidase activity. The boost in the enzymatic activity under oxidative stress in adipocytes of the experimental rats was accompanied by the increase in the proportion of the xanthine oxidase activity in the total xanthine dehydrogenase plus oxidase activity. It resulted in the elevated xanthine oxidase/xanthine dehydrogenase activity ratio. Oxidative stress in rat adipocytes with experimental type 1 diabetes caused oxidative post-translational modification of the enzyme and its conversion from the xanthine dehydrogenase form to the xanthine oxidase one. It resulted in the subsequent increase in reactive oxygen species production. The inhibitor of xanthine oxidase reduced the level of lipid hydroperoxides in rat adipocytes. Thus, xanthine oxidase may be a potential target to protect from oxidative stress in rat adipose tissue in type 1 diabetes. Conclusions. Oxidative stress in adipose tissue of the rats with alloxan- and streptozotocin-induced diabetes is determined, to a certain extent, by the increased expression of xanthine dehydrogenase mRNA as well as by post-translational oxidative modification of the enzyme activity from dehydrogenase to oxidase. Allopurinol, the inhibitor of xanthine oxidase, decreases the alloxan-induced elevated level of lipid hydroperoxides in rat serum and isolated adipocytes. It indicates a crucial role of xanthine oxidase in development of oxidative stress in adipocytes in experimental type 1 diabetes.