Влияние опиоидных пептидов пищевого происхождения на поведение детенышей белых крыс тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.13, кандидат биологических наук Беляева, Юлия Андреевна

• Беляева, Юлия Андреевна
• кандидат биологических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Беляева, Юлия Андреевна

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Общие свойства опиоидных рецепторов.

Типы опиоидных рецепторов.

Онтогенез опиоидной системы мозга.

Опиоидные свойства (3-казоморфинов.

Экзорфины не-молочного происхождения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Острое и хроническое введение рубисколина-5.

Острое и хроническое введение экзорфина С.

Острое и хроническое введение цитохрофина-4.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Влияние острого введения экзорфинов на тревожность, исследовательскую активность и проявления депрессивности.

Влияние острого введения экзорфинов на обучение детенышей крыс.

Эффекты хронического введения экзорфинов и их возможные механизмы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние опиоидных пептидов пищевого происхождения на поведение детенышей белых крыс»

Актуальность проблемы. Показано, что пептидные фрагменты, полученные при энзиматическом гидролизе пищевых белков, обладают биологической активностью и способны воздействовать на многие системы организма, включая пищеварительную, иммунную, нервную (Hartmann, Meisel, 2007). Некоторые из таких фрагментов характеризуются опиоидными свойствами и, поскольку поступают в организм извне, названы «экзорфипами». К этой группе относят пептиды, выделенные из гидролизатов пшеничного глютена (экзорфины А, В и С), казеинов молока (казоморфины), белка зеленых листьев РУБИСКО (рубисколины). Сюда же примыкают пептиды, образующиеся в ходе ферментативной деградации гемоглобина (геморфины), цитохрома b (цитохрофины) и ряд других.

Данные о функциональных характеристиках большинства экзорфинов отрывочны и фрагментарны. В настоящий момент относительно хорошо изучены лишь (З-казоморфины (Brantl et al., 1979). Известно, что их присутствие в молоке характерно, прежде всего, для млекопитающих, чьи детеныши рождаются зрячими. Пептиды группы p-казоморфинов обладают анксиолитическими свойствами, обуславливая лучшую адаптацию новорожденных к стресогенной окружающей среде и усиливают их потребность находиться в тесном контакте с матерью (Meisel, 1997; Ивлева, 2004). Хроническое введение p-казоморфинов в ранний постнатальный период оказывает выраженное адаптогенное действие на мозг детенышей, которое сохраняется в течение длительного времени (Малиновская, 2001). В основе подобной активности p-казоморфинов, по-видимому, лежит их способность влиять на образование факторов роста нервной ткани либо самим функционировать в качестве нейротрофических факторов (Sakaguchi et al., 2003). По общему мнению, Р-казоморфины в раннем постпатальном периоде выполняют роль своеобразных «экзогормонов», и онтогенез мозга многих млекопитающих (в том числе, человека) предполагает их поступление в организм в первые недели и месяцы жизни (Teshemacher, 2003).

Экзорфины не-молочного происхождения (рубисколины, фрагменты глютена и др.) отличаются от производных казеина по первичной структуре и специфичности связывания с разными типами опиоидных рецепторов (Yoshikawa et al., 1993; Freeman, Young, 2000; Yang et al., 2003). Можно предположить, что, по крайней мере, некоторые из них в ходе эволюции стали играть роль аллелопатических факторов, защищающих растения от поедания животными (по аналогии с непептидными алкалоидами, например, морфином). Так, показано, что среди целого ряда опиоидных лигандов различной природы наиболее выраженное действие на защитную реакцию насекомых оказывает именно рубисколин-5 (Грицай с соавт., 2008).

Однако, если принять гипотезу об аллелопатической функции некоторых не-молочных экзорфинов, можно ожидать, что их применение приведет к развитию целого ряда негативных эффектов. В диетологии уже более 20 лет дискутируется проблема безглютенового питания, причем не только по поводу целиакии (иммунологической непереносимости белков злаков), но и в связи с присутствием экзорфинов в составе молекул глютенов. При этом опиоидные фрагменты как пшеничных, так и других пищевых белков рассматриваются в качестве факторов, способствующих развитию аутизма и даже синдрома внезапной остановки дыхания (Kidd et al., 2002).

Все это доказывает актуальность изучения как острых, так и отставленных эффектов введения экзорфинов экспериментальным животным (прежде всего, новорожденным). Представляется важным, во-первых, исследовать саму способность экзорфинов оказывать влияние на поведение детенышей млекопитающих; во-вторых, попытаться оценить баланс положительных и отрицательных последствий их применения на разных этапах постнатального развития.

Цель и задачи исследования. Целью представленной диссертационной работы явился анализ поведенческих эффектов ряда экзорфинов при однократном и хроническом системном введении детенышам белых крыс. В работе были поставлены следующие задачи:

• изучить действие острого введения рубисколина-5, экзорфина С и цитохрофина-4 па исследовательскую активность, уровень тревожности и поведенческие проявления депрессивности детенышей;

• изучить действие хронического (1-14 дни жизни) введения рубисколина-5, экзорфина С и цитохрофина-4 на те же параметры поведения экспериментальных животных;

• исследовать действие острого введения рубисколина-5, экзорфина С и цитохрофина-4 на способность детенышей крыс к обучению с положительным и отрицательным подкреплением;

• исследовать действие рубисколина-5, экзорфина С и цитохрофина-4 на способность детенышей крыс к обучению в случае их хронического применения (1-14 дни жизни);

• сопоставить обнаруженные эффекты с влиянием острого и хронического введения Р-казоморфинов на поведение экспериментальных животных. Научная новизна. Опиоидные фрагменты белков пищевого происхождения являются мало изученной группой регуляторных пептидов. В связи с этим практически все полученные нами результаты можно квалифицировать как новые и не имеющие аналогов в литературе.

В работе впервые показано, что при однократном введении детенышам крыс рубисколин-5 способен вызывать увеличение тревожности, ухудшение обучения с положительным подкреплением, снижать проявления депрессивности. Цитохрофин-4 оказывал в наших опытах анксиолитическое и продепрессантное действие, ухудшал обучение с положительным и отрицательным подкреплением. Влияние экзорфина С при однократном введении было мало выражено. Полученные результаты указывают на индивидуальный паттерн физиологической активности исследованных пептидов как в сравнении друг с другом, так и по отношению к ранее изученным Р-казоморфинам. Причиной этого, по-видимому, служат различия их первичной структуры и разная селективность по отношению к опиоидным рецепторам р,-, 5и к-типов; в большинстве случаев эффекты рубисколина-5 и цитохрофина-4 были зависимы от пола.

Впервые обнаружено, что при хроническом введении детенышам крыс рубисколин-5 и экзорфин С способны вызывать снижение тревожности, рост исследовательской активности, улучшение обучения с положительным подкреплением; фрагмент РУБИСКО, кроме того, ослаблял поведенческие проявления депрессивности. Введение цитохрофина-4 привело к снижению тревожности и росту исследовательской активности, улучшению обучения с отрицательным подкреплением и незначительному ухудшению обучения с положительным подкреплением. Полученные данные указывают на сходство эффектов и, по-видимому, общность механизмов влияния опиоидных пептидов пищевого происхождения, хронически вводимых в раннем постнатальном периоде, на поведение детенышей белых крыс (по крайней мере, в случае рубисколина-5, экзорфина С и Р-казоморфинов); отставленные эффекты исследованных пептидов были зависимы от пола.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты позволяют значительно расширить представления о физиологической роли опиоидных фрагментов пищевых, белков. На примере детенышей крыс нами проанализирована ситуация, в которой находится нервная система каждого новорожденного, получающего с питанием экзорфин-содержащие протеины (что справедливо и в отношении человека). Опиоидные фрагменты РУБИСКО, глютена и цитохрома Ь при попадании в организм новорожденных млекопитающих способны оказывать существенное нейротропное (изменяющее поведение) действие. В значительной части случаев это действие имеет отставленный характер, проявляется через несколько недель после окончания введения пептида и сохраняется в течение длительного времени. В целом можно заключить, что входящие в питание новорожденных опиоидные пептидные компоненты являются физиологически значимыми факторами, от наличия либо отсутствия которых зависит реализация многих важнейших (в смысле выживания и полноценного развития) поведенческих реакций детеныша. В первую очередь, это относится к уровню исследовательской активности, тревожности, а также способности к обучению.

Практическая значимость представленной работы связана с оценкой роли различных белковых компонентов смесей, используемых для питания новорожденных. Полученные результаты свидетельствуют о важности учета наличия либо отсутствия в заменителях молока как избытка, так и недостатка опиоид-содержащих протеинов (в том числе растительного происхождения).

Апробация работы. Апробация результатов представленного диссертационного исследования успешно прошла на 2-м съезде Российского Научного Общества фармакологов (Москва, 2003), Российском симпозиуме по химии и биологии пептидов (Москва, 2003), Международной конференции FENS (Лиссабон, 2004), 8-м Международном съезде ECNP (Москва, 2005), 2-м Российском симпозиуме по химии и биологии пептидов (Санкт-Петербург, 2005), конференции «Нейрохимия: фундаментальные и прикладные аспекты» (Москва, 2005), 3-м Российском симпозиуме «Белки и пептиды» (Пущино, 2007), 20-м съезде физиологического общества имени И.П. Павлова (Москва, 2007), а также на заседаниях кафедры физиологии человека и животных Биологического факультета МГУ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, результатов исследования, их обсуждения, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 172 страницах, содержит 19 рисунков и 30 таблиц. Список литературы включает 245 источников, из них 22 отечественных.

Заключение диссертации по теме «Физиология», Беляева, Юлия Андреевна

выводы

1. Фрагмент РУБИСКО рубисколин-5 при однократной инъекции детенышам белых крыс вызвал увеличение тревожности и ухудшение обучения с положительным (пищевым) подкреплением, снизил проявления депрессивности; при хроническом введении (1-14 дни жизни новорожденных) -оказал отставленное анксиолитическое и антидепрессантиое действие, улучшил выработку пищедобывательного навыка.

2. Влияние опиоидного фрагмента глютена экзорфина С на поведение детенышей при однократном применении было незначимо на всех сроках тестирования; в случае хронического введения эффекты пептида проявились в снижении тревожности, увеличении исследовательской активности и улучшении обучения с пищевым подкреплением, несколько менее выраженном, чем в случае рубисколина-5.

3. Опиоидный фрагмент цитохрома Ь цитохрофин-4 при однократном применении оказал анксиолитическое и продепрессантное действие, ухудшил обучение с положительным и отрицательным подкреплением; при хроническом введении -вызвал снижение тревожности, улучшение обучения с отрицательным подкреплением и некоторое ухудшение выработки пищедобывательного навыка.

4. В сравнении с эффектами однократного применения, последствия хронического введения экзорфинов в раннем постнатальном периоде характеризовались значительно большей степенью сходства, что свидетельствует о меньшей зависимости отставленного действия опиоидных пептидов пищевого происхождения от их первичной структуры.

5. Выявлены половые различия в реакции животных на введение рубисколина-5, экзорфина С и цитохрофина-4; при оценке тревожности и исследовательской активности показано, что экзорфины оказывают на самок адаптивно более благоприятное действие, чем на самцов.

6. Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о важности учета нейротропной активности опиоидных фрагментов белков животного (ранее изученные р-казоморфины) и растительного (рубисколины, фрагменты глютена) происхождения, входящих в питание новорожденных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нейротропная активность наиболее известных опиоидных пептидов пищевого происхождения ß-казоморфинов изучается на кафедре физиологии человека и животных Биологического факультета МГУ с начала 90-х годов. За это время была доказана их способность в случае системного введения белым крысам влиять на болевую чувствительность, двигательную активность, тревожность, выработку навыков с разным знаком подкрепления, материнскую мотивацию.

Следует отметить, что, как опиоидиое соединение, даже наиболее стабильный представитель этой группы пептидов Р-казоморфин-7 не является высокоактивным. Его анальгетически эффективная при внутрибрюшинной инъекции доза (20 мг/кг) почти на порядок выше, чем в случае морфина или, например, дерморфина. Однако проявляющие анксиолитическое действие (и при этом - не тормозящие двигательную активность) дозы гептапептида ниже -1-5 мг/кг. Такие количества уже вполне сопоставимы с «порциями» ß-казоморфинов, потребляемыми новорожденным ребенком, который, съедая в сутки около 2 г казеинов (500-700 мл молока), тем самым вводит в организм не менее 20-25 мг потенциальных опиоидных пептидов.

Весьма обширная серия работ была посвящена исследованию последствий хронического и острого введения ß-казоморфинов детенышам крыс на различных этапах постнатального развития (Маклакова A.C., Малиновская И.В., Ивлева И.В.). Обнаружена и проанализирована способность ß-кaзoмopфинa-7 оказывать длительное отставленное действие на состояние ЦНС новорожденных млекопитающих. Это действие проявлялось как на поведенческом уровне (повышение исследовательской активности, снижение тревожности, ускорение либо замедление обучения), так и при использовании биохимических методов (зафиксированы изменения содержания серотонина в ряде отделов головного мозга). В случае однократного введения ß-кaзoмopфинa-7 детенышам крыс обнаружены возрастные интервалы, на которых становятся значимыми различные компоненты его нейротропного действия (снижающие болевую чувствительность, анксиолитические, антидепрессантные, активирующие зависимое от матери поведение и др.).

Почему (3-казоморфины есть в коровьем и человеческом молоке и их нет в молоке крысы, мыши, кролика? Была выдвинута гипотеза, согласно которой пептиды этой группы, как опиоиды экзогенного происхождения, необходимы для «поддержки» тех систем мозга, которые отвечают за процессы взаимодействия с внешней средой, регулируют уровень исследовательской активности и тревожности. Складывается впечатление, что (3-казоморфины более присущи молоку «выводковых» млекопитающих, рождающих детенышей с открытыми глазами, развитым слухом, относительно зрелыми двигательными системами (среди грызунов таковыми являются морские свинки). В этом случае адаптивный смысл смягчения стрессогенного влияния окружающей среды и настройки нервной системы на более «экстравертный» уровень функционирования оказывается достаточно очевиден.

Однако р-казоморфины не являются единственной группой опиоидных пептидов пищевого происхождения. Эндорфино-подобные фрагменты глютена, РУБИСКО, гемоглобина, цитохрома Ь и ряд других обнаруживаются и описываются в течение последних 30 лет. Вместе с тем, их изучение почти не проводится, несмотря на существование целого круга проблем, связанных с питанием новорожденных. Так, в медицинской литературе активно обсуждается вред и польза диет, свободных от казеинов и глютенов, связь экзорфинов с генезом аутизма и ряд других вопросов. С точки зрения фундаментальных аспектов биологических исследований чрезвычайно интересно, являются ли опиоидные фрагменты не-молочных белков случайно сформировавшимися последовательностями аминокислот либо их присутствие в молекулах соответствующих протеинов можно все же объяснить некой биологической целесообразностью?

Второй вариант ответа, весьма вероятно, допустим в случае геморфинов, которые отчасти сходны с ангиотензинами (в том числе - в отношении ускорения репарационных процессов в поврежденных тканях). В свою очередь, цитохрофины и рецепторфины навряд ли способны выщепляться при повреждении клеток либо переваривании пищи в ЖКТ в значительных количествах. Следовательно, их функционирование в организме в качестве сигнальных молекул представляется весьма сомнительным.

Особого внимания, несомненно, заслуживают опиоидные пептиды растительного происхождения: фрагменты глютена, РУБИСКО и недавно открытые сойморфины. Представление о них, как аллелопатических факторах, возникших в ходе эволюции растений для защиты от поедания животными (прежде всего, насекомыми) не лишено правдоподобия. Конечно, экзорфины уступают по активности непептидным лигандам опиоидных рецепторов морфину и кодеину. Pío, с другой стороны, существует немало примеров, когда естественный отбор «подхватывал» мелкие, на первый взгляд, видоизменения живых организмов - если те имели адаптивный характер. В пользу защитной (аллелопатической) роли опиоидных фрагментов хотя бы некоторых растительных белков свидетельствует доказанная О.Б. Грицай с соавт. (2008) высокая (выше, чем к морфину) чувствительность тараканов Р. americana к введению экзорфина С и, особенно, рубисколина-5. В течение 120-150 мин после инъекции пептидов у насекомых была замедлена реакция избавления от термического раздражителя, что можно расценивать как снижение адаптивных функций нервной системы.

На взрослых млекопитающих, обладающих развитыми системами ферментативной деградации пищевых белков, экзорфины растительного происхождения при системном введении влияют, как показано японскими исследователями (например, Yoshikawa et al.), лишь в очень высоких дозах (десятки и сотни мг/кг). Иная ситуация наблюдается в случае детенышей с их незрелыми системами протеолиза пролин-содержащих пептидных последовательностей, слабыми кишечным и гемато-энцефалическим барьерами и др. Здесь экзорфины, казалось бы, имеют вполне реальный шанс оказать свое защитное действие, нарушив те или иные функции мозга.

Однако, судя по всему, первичная? структура эндорфино-подобных молекул, принимающих участие в защите растений от насекомых, в случае млекопитающих в значительной1 мере совпала с последовательностью с Р-казоморфинов - пептидов, уже рекрутированных на роль регуляторных факторов: Австралийский эколог в. \Yadley выдвинул представление о глобальной роли казоморфинов' и экзорфинов, как подкрепляющих факторов' опиоидной природы, в; эволюции: человеческих сообществ от охоты и собирательства к скотоводству (казенны) и земледелию (глютены).

Маловероятно, что; это так. Все же, экзорфины - не морфин, да и ориентация социумов на получение «фармакологического» подкрепления; вряд ли возможна. Вместе с тем, в итоге оказывается, что фрагменты глютенов' и РУБИСКО «попадают в ту же:: цель», что Р-казоморфины, вызывая, хотя и слабее, снижение тревожности и улучшение обучения с положительным подкреплением; По крайней мере, это наблюдается при: хроническом^ введении, которое в большей; степени имитирует реальное потребление новорожденными экзорфинов с пищей.

Конечно;, на многие вопросы, возникшие в результате выполнения работы, ответов пока нет. Это касается, в первую очередь:

1). Конкретных механизмов отставленного (вероятно, нейротрофического) влияния экзорфинов на деятельность различных систем мозга: Данному явлению соответствует в литературе понятие "гормонального импринтинга". Оно, хотя и не употребляется обычно по. отношению к. опиоидам, в данном случае: достаточно точно характеризует специфику наблюдаемых эффектов - длительно сохраняющихся последствий- перинатального введения пептидов. Явление это дополняет классический сенсорный импринтинг и вместе с ним обеспечивает адаптацию>мозга детеныша к жизненно важным факторам среды.

2). Наложения наблюдаемых, эффектов на онтогенез опиоидной системы и процессы половой дифференцировки. Следует отметить проблемы, связанные с очень небольшим количеством имеющейся по этому вопросу литературы. Так, совершенно не изучен половой диморфизм опиоидной системы человека. Без этих данных достаточно очевидное предположение о большей значимости экзорфинов для формирующегося женского организма остается неподкрепленным.

3) Структурно-функционального анализа активности экзорфинов. Действительно, уникальное сочетание опиоидного М-конца и энзиматической стабильности явно не исчерпывает всех особенностей, приобретенных экзорфинами в ходе эволюции. Пептиды этой группы (и различные фрагменты * их молекул), по всей видимости, способны взаимодействовать с достаточно широким кругом мест связывания, отличных от классических опиоидных рецепторов (орфановые рецепторы, рецепторы к Туг-МШ и ангиотензинам, транспортные пептидные системы и др.).

Полученные в работе данные, в целом, не подтверждают представления о неблагоприятном действии экзорфинов на организм новорожденных: Для развития такого действия, судя по всему, нужны дополнительные факторы (например, гиперчувствительность к опиоидам вообще, анормально высокая проницаемость ГЭБ и т.п.).

Очень важно также подчеркнуть, что наше исследование направлено на дальнейшее описание и анализ положения, в котором- оказывается нервная система практически каждого ребенка, питающегося молоком с опиоид-содержащими казеинами, либо, напротив, не получающего такого молока (но получающего экзорфины с несколько иной первичной структурой из других источников). Последняя ситуация, естественно, возникает при кормлении детей разнообразными заменителями материнского молока.

Конечно, было бы наивно предлагать добавление необходимой порции «правильных» опиоидов в рацион не получающих (3-казоморфины новорожденных (например, за счет более активного использования в качестве поставщика белка зеленой растительной пищи). Но уже само знание о возможных последствиях таких ситуаций полезно и позволяет внести важные штрихи в общую картину процессов, протекающих в ЦНС в раннем постнатальном периоде.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Беляева, Юлия Андреевна, 2008 год

1. Асмакова Л.С. Нейротропная активность геморфина-б и экзорфина С. //Дипломная работа-М. 1996,- 130 с.

2. Ашмарин И.П., Каразеева Е.П. Нейропептиды. // В: «Биохимия мозга». ред. И.П.Ашмарин, П.В.Стукалов, Н.Д.Ещенко. - СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета. - 1999. - с. 232-266.

3. Беспалов А.Ю., Звартау Э.Э. Нейропсихофармакология антагонистов NMDA-рецепторов. // Спб., Невский диалект. 2000. - 297 с.

4. Буреш Я., Бурешова О., Хьюстон Д.П. Методики и основные эксперименты по изучению мозга и поведения. // М. Высшая школа. - 1991. - 399 с.

5. Гомазков О.А. Нейропептиды и ростовые факторы мозга. М. 2002. - 240 с.

6. Грицай О.Б., Дубьтнин В.А., Пилипенко В.Э., Петров О.П., Андреева Л.А., Мясоедов Н.Ф. Влияние р-казоморфина-7 и налоксона на защитное поведение таракана Periplaneta americana при электростимуляции. // Доклады АН.- 2000.- т. 375(2).- с. 245-247.

7. Девойно Л.В., Ильюченок Р.Ю. Нейромедиаторные системы в психонейро-иммуномодуляции. // ЦЭРИС, Новосибирск. 1993. - 240 с.

8. Дубынин В.А. Постнатальная нейротропная активность Р-казоморфинов (регуляция поведения взрослых и новорожденных млекопитающих). // Дисс. на соискание ученой степени доктора биол. наук. М. - 2001. — 387 с.

9. Дубынин В.А., Асмакова Л.С., Соханенкова Н.Ю., Беспалова Ж.Д., Незавибатько В.Н., Каменский А.А. Сравнительный анализ нейротропной активности экзорфинов^ производных пищевых белков. // Бюлл. эксперим. биол. и мед. - 1998. - т. 125(2). -с. 153-157.

10. Дубынин В.А., Ивлева Ю.А., Каменский А.А. Нейротропная активность опиоидных пептидов пищевого происхождения р-казоморфинов.//Успехи физиологических наук 2004. - т. 35(1). - с. 83-101

11. Дубынин В.А., Маклакова А.С., Алфеева Л.Ю., Незавибатько В.Н., Каменский А.А., Ашмарин И.П. Действие бета-казоморфина-7 на ноцицепцию крыс при системном введении. // Бюлл. эксперим. биол. и мед. 1992.- № 9. - с. 284-286.

12. Ивлева Ю.А. Влияние Р-казоморфинов на материнско-детское взаимодействие белых крыс.// Дисс. на соискание ученой степени канд. биол. наук. М. - 2004 - 182 с.

13. Левицкая Н.Г. Исследование нейротропной активности структурного аналога АКТГ(5-7) трипептида ERP. // Дисс. на соискание ученой степени канд. биол. наук. -М. - 1996. - 170 с.17.