Effect of per os administration of dihydroquercetin aqueous form on energy exchange in blood lymphocytes of rats with experimental cardiomyopathy

• Natalia V. Khunderyakova
• Natalia V. Belosludtseva
• Nataliya V. Khmil
• Aleksei A. Mosentsov
• Mikhail R. Stepanov
• Mikhail A. Ananyan
• Galina D. Mironova

Abstract

Cardiomyopathies are among the most severe myocardial pathologies, which are characterized by resistance to therapy and high mortality due to increasing heart failure and arrhythmia. Cardiomyocyte pathological changes upon cardiomyopathies are associated with mitochondrial dysfunction, leading to excessive formation of reactive oxygen species and the development of oxidative stress. In this regard, the study of the therapeutic potential of antioxidants in cardiomyopathies, as well as the mechanisms of their action on the functioning of mitochondria, is relevant and of high practical importance.

The aim of this study was to determine the effect of oral 14-day administration of dihydroquercetin in a water-soluble form (DHQ-WF) on the activity of the key marker of mitochondrial respiration [succinate dehydrogenase (SDH)] and the cytoplasmic marker of glycolysis [lactate dehydrogenase (LDH)] in blood lymphocytes, as well as on the serum level of lipid peroxidation (LPO) in control rats and rats with experimental cardiomyopathy.

Material and methods. Adult male Wistar rats (body weight 220-240 g) were used for the study. Isoprenaline hydrochloride was used to induce cardiomyopathy (IIC) in animals (twice subcutaneous injection at a dose of 150 mg/kg body weight, with a break of 24 hours). DHQ-WF was added to the drinking water for 14 days at the dose of 15 or 30 mg/kg body weight. SDH and LDH activity in lymphocytes was measured using a highly sensitive cytobiochemical method on a blood smear according to the reduction of nitrotetrazolium blue chloride to diformazan of dark blue color. The content of malone dialdehyde (MDA) in the blood serum, heart and liver mitochondria was determined spectrophotometrically using thiobarbituric acid. Mitochondria were isolated from rat tissues by the conventional method of differential centrifugation. Mitochondrial respiration was recorded using a polarographic method.

Results. Experimental cardiomyopathy in rats was accompanied by a twofold increase in blood serum MDA level, as well as by a significant increase in SDH and LDH activity in blood lymphocytes. The oral administration of DHQ-WF in cardiomyopathy at a dose of 15 mg/kg body weight led to a significant decrease in serum MDA level, but did not reduce the activity of SDH and LDH in blood lymphocytes, compared with animals with cardiomyopathy that did not receive DHQ-WF. In the control group of animals, the use of DHQ-WF at a dose of 15 mg/kg body weight significantly increased blood lymphocyte LDH activity, but did not have a statistically significant effect on SDH activity and the parameters of mitochondrial respiration and oxidative phosphorylation, the level of MDA in heart and liver mitochondria. Increasing the dose of DHQ-WF administered to 30 mg/kg had less effect on changes in these parameters in control animals.

Conclusion. The data obtained indicate that in experimental cardiomyopathy in rats, the course application of DHQ-WF at a dose of 15 mg/kg of body weight acts as an effective antioxidant that prevents the development of lipid peroxidation in blood serum, and can modulate energy metabolism towards the enhancement of glycolysis in blood lymphocytes in control animals.

Keywords:succinate dehydrogenase, lactate dehydrogenase, lymphocytes, mitochondria, lipid peroxidation, water-soluble form of dihydroquercetin, isoprenaline-induced cardiomyopathy

REFERENCES

1. Maron B.J., Ommen S.R., Semsarian C., Spirito P., Olivotto I., Maron M.S. Hypertrophic cardiomyopathy: present and future, with translation into contemporary cardiovascular medicine. J Am Coll Cardiol. 2014; 64 (1): 83–99. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jacc.2014.05.003

2. Leonty’eva I.V., Nikolaeva E.A. Mitochondrial cardiomyopathies. Rossiyskiy vestnik perinatologii i pediatrii [Russian Bulletin of Perinatology and Pediatrics]. 2016; 61 (3): 22–30. DOI: https://doi.org/10.21508/1027-4065-2016-61-3-22-30 (in Russian)

3. Li J., Dong J., Ouyang J., Cui J., Chen Y., Wang F., Wang J. Synthesis, characterization, solubilization, cytotoxicity and antioxidant activity of aminomethylated dihydroquercetin. Med Chem Commun. 2016; 8 (2): 353–63. DOI: https://doi.org/10.1039/c6md00496b

4. Islam J., Shree A., Vafa A., Afzal S.M., Sultana S. Taxifolin ameliorates benzo[a]pyrene-induced lung injury possibly via stimulating the Nrf2 signalling pathway. Int Immunopharmacol. 2021; 96: 107566. DOI: https://doi.org/10.1016/j.intimp.2021.107566

5. Li Z., Yu Y., Li Y., Ma F., Fang Y., Ni C., et al. Taxifolin attenuates the developmental testicular toxicity induced by di-n-butyl phthalate in fetal male rats. Food Chem Toxicol. 2020; 142: 111482. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fct.2020.111482

6. Liu F., Ma Y., Xu Y. Taxifolin shows anticataractogenesis and attenuates diabetic retinopathy in STZ-diabetic rats via suppression of aldose reductase, oxidative stress, and MAPK signaling pathway. Endocr Metab Immune Disord Drug Targets. 2020; 20 (4): 599–608. DOI: https://doi.org/10.2174/1871530319666191018122821

7. Zinchenko V.P., Kim Yu.A., Tarakhovsky Yu.S., Bronnikov G.E. Biological activity of water-soluble nanostructures of dehydroquercetin with cyclodextrins. Biofizika [Biophysics]. 2011; 56 (3): 433–8. (in Russian)

8. Kondrashova M.N., Khunderyakova N.V., Zakharchenko M.V., Yachkula T.V., Plyasunova S.A., Sukhorukov V.S., et al. Method for determining the functional state of mitochondria in the human body by indicators of enzyme activity and microscopic appearance of blood lymphocytes on a smear (Cytobiochemical method). Meditsinskiy alfavit. Sovremennaya laboratoriya [Medical Alphabet. Modern Laboratory]. 2016; 3 (19): 83–5. (in Russian)

9. Khunderyakova N.V., Zakharova N.M. Evaluation of succinate dehydrogenase and lactate dehydrogenase activity in blood lymphocytes in Yakut ground squirrels Spermophilus undulatus during hibernation and in an active state. Byulleten’ eksperimental’noi biologii i meditsiny [Bulletin of Experimental Biology and Medicine]. 2020; 169 (4): 426–30. DOI: https://doi.org/10.1007/s10517-020-04906 (in Russian)

10. Frelikh G.A., Yanovskaya E.A., Polomeeva N.Yu., Timofeev M.S., Slepichev V.A., Bryushinina O.S., et al. Determination of mitochondrial functional state in vital tissues by cytobiochemical analysis of peripheral blood lymphocytes. Open J Endocr Metab Dis. 2013; 3 (2): 10–3. DOI: https://doi.org/10.4236/ojemd.2013.32A002

11. Khunderyakova N.V., Yachkula T.V., Zakharchenko M.V., Plyasunova S.A., Sukhorukov V.S., Baranich N.I., et al. Cytobiochemical biomarkers of the state of mitochondria in humans. J World Mitochondria Soc. 2017; 2 (2): 118. DOI: https://doi.org/10.18143/JWMS_v2i2_1930

12. Skupnevsky S.V., Pukhaeva E.G., Badtiev A.K., Rurua F.K., Batagova F.E., Farnieva Zh.G. Functional features of peripheral blood lymphocytes in the dynamics of autoimmune arthritis in rats. Mezhdunarodniy zhurnal prikladnykh i fundamental’nykh issledovaniy [International Journal of Applied and Fundamental Research]. 2019; (12): 82–7. (in Russian)

13. Siddiqui M.A., Ahmad U., Khan A.A., Ahmad A., Badruddeen A., Khalid M., et al. Isoprenaline: a tool for inducing myocardial infarction in experimental animals. Int J Pharm. 2016; 6 (2): 138–44.

14. Ohkawa H., Ohishi N., Yagi K. Assay for lipid peroxides in animal tissues by thiobarbituric acid reaction. Anal Biochem. 1979; 95 (2): 351–8. DOI: https://doi.org/10.1016/0003-2697(79)90738-3

15. Venediktova N.I., Gorbacheva O.S., Belosludtseva N.V., Fedotova I.B., Surina N.M., Poletaeva I.I., et al. Energetic, oxidative and ionic exchange in rat brain and liver mitochondria at experimental audiogenic epilepsy (Krushinsky–Molodkina model). J Bioenerg Biomembr. 2017; 49: 149–58. DOI: https://doi.org/10.1007/s10863-016-9693-5

16. Ward P.S., Thompson C.B. Metabolic reprogramming: a cancer hallmark even warburg did not anticipate. Cancer Cell. 2012; 21: 297–308. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ccr.2012.02.014

17. Pavlova N.N., Thompson C.B. The emerging hallmarks of cancer metabolism. Cell Metab. 2016; 23: 27–47. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cmet.2015.12.00

18. Kolwicz S.C. Jr, Tian R. Glucose metabolism and cardiac hypertrophy. Cardiovasc Res. 2011; 90 (2): 194–201. DOI: https://doi.org/10.1093/cvr/cvr071

19. Drent M., Cobben N.A., Henderson R.F., Wouters E.F., van Dieijen-Visser M. Usefulness of lactate dehydrogenase and its isoenzymes as indicators of lung damage or inflammation. Eur Respir J. 1996; 9 (8): 1736–42. DOI: https://doi.org/10.1183/09031936.96.09081736

20. Luengo A., Li Z., Gui Dan Y., Spranger S., Matheson N.J., Vander Heiden M.G. Increased demand for NAD+ relative to ATP drives aerobic glycolysis. Mol Cell. 2021; 81: 691–707. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.12.012

21. Ametov A.S., Konieva M.Yu., Luk’yanova I.V. Cardiovascular system in thyrotoxicosis. Consilium Medicum [Consilium Medicum]. 2003; 5 (11): 660–3. (in Russian)

Таблица 2. Показатели оксигеназной активности митохондрий (сукцинатдегидрогеназы, СДГ) и гликолитической активности в цитозоле (лактатдегидрогеназы, ЛДГ) в лимфоцитах периферической крови, определенные цитобиохимическим методом на мазках, при 14-дневном введении водной формы дигидрокверцетина (ДГК-ВФ) per os у крыс контрольной группы (M±m, n=5)

Table 2. Indicators of mitochondrial oxygenase activity (succinate dehydrogenase, SDH) and cytosol glycolytic activity (lactate dehydrogenase, LDH) in peripheral blood lymphocytes after 14-day administration of the water-soluble form of dihydroquercetin (DHA-WF) per os in rats of the control group (M±m, n=5)

П р и м е ч а н и е. * - статистически значимое (p<0,05) отличие от показателя контрольной группы в отсутствие ДГК-ВФ.

N o t e. * - the differences are statistically significant (p<0.05) compared to the control group in the absence of DHA-AF.

В связи с тем, что повышение дозы не усиливало эффекты ДГК-ВФ на исследуемые параметры, в дальнейшем мы использовали ДГК-ВФ в более низкой дозе (15 мг на 1 кг массы тела) на модели кардиомиопатии у крыс, сопровождающейся развитием окислительного стресса.

При кардиомиопатии активность СДГ и ЛДГ в лимфоцитах крови увеличивалась соответственно на 25 и 33% по сравнению с контролем (рис. 2А, Б). Выявленное повышение активности ЛДГ в лимфоцитах при кардиомиопатии согласуется с данными литературы о том, что сердечно-сосудистые патологии, включая кардиомиопатии, приводят к усилению гликолиза и накоплению лактата в крови животных [18-21]. В то же время применение ДГК-ВФ не оказывало влияния на повышенную активность цитозольной ЛДГ и митохондриальной СДГ в лимфоцитах крыс с кардиомиопатией (см. рис. 2А, Б).

Рис. 2. Активность сукцинатдегидрогеназы (СДГ) (А) и лактатдегидрогеназы (ЛДГ) (Б) в лимфоцитах на мазке, концентрация малонового диальдегида (МДА) в сыворотке крови (В) крыс после курсового введения водной формы дигидрокверцетина (ДГК-ВФ) per os в дозе 15 мг/кг в четырех экспериментальных группах: контроль, контроль + ДГК-ВФ, ИЗК, ИЗК + ДГК-ВФ (M±m, n=5)

Статистически значимое (p<0,05) отличие от показателя группы: * - контроль; § - контроль + ДГК-ВФ; # - ИЗК. ДФ - окраска диформазана.

Figure 2. Succinate dehydrogenase (SDH) (А) and lactate dehydrogenase (LDH) (B) activity in peripheral blood lymphocytes on a smear, and malone dialdehyde (MDA) serum level (C) in experimental rats after a course of per os administration of the water-soluble form of dihydroquercetin (DHQ-WF) at the dose of 15 mg per kg body weight in four experimental groups: control, control + DHQ-WF, IIC, IIC + DHQ-WF (M±m, n=5)

Statistically significant (p<0.05) difference from the group indicator: * - control; § - control + DHQ-WF; # - IIC.

В следующей части работы исследовали влияние ДГК-ВФ на окислительный обмен у крыс с экспериментальной кардиомиопатией. Концентрация конечного продукта окислительной деградации липидов МДА в сыворотке крови крыс при кардиомиопатии увеличивалась в 2 раза (рис. 2В). Курсовое применение ДГК-ВФ при кардиомиопатии приводило к статистически значимому снижению уровня МДА в сыворотке крови на 45%, что подтверждает мощное антиоксидантное действие ДГК-ВФ.

Заключение

Таким образом, развитие кардиомиопатии у крыс сопровождается значительным увеличением содержания МДА в сыворотке и митохондриях сердца, а также повышением активности СДГ и ЛДГ в лимфоцитах крови. Курсовое пероральное введение ДГК-ВФ в дозе 15 мг на 1 кг массы тела крысам при кардиомиопатии приводит к снижению уровня МДА в сыворотке крови, но не влияет на повышенную активность СДГ и ЛДГ в лимфоцитах крови крыс. В контрольной группе животных ДГК-ВФ в дозе 15 мг на 1 кг массы тела увеличивает активность ЛДГ в лимфоцитах крови, а повышение дозы до 30 мг на 1 кг массы тела аннулирует этот эффект. Полученные данные указывают на то, что ДГК-ВФ действует как эффективный антиоксидант, препятствующий развитию ПОЛ в сыворотке крови крыс при кардиомиопатии, а также дополнительно может модулировать энергетический обмен в сторону усиления гликолиза в лимфоцитах крови у контрольных животных. В дальнейшем это может найти применение при разработке комплексных подходов к лечению кардиомиопатий и других сердечно-сосудистых патологий, сопровождающихся митохондриальной дисфункцией и окислительным стрессом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Maron B.J., Ommen S.R., Semsarian C., Spirito P., Olivotto I., Maron M.S. Hypertrophic cardiomyopathy: present and future, with translation into contemporary cardiovascular medicine // J. Am. Coll. Cardiol. 2014. Vol. 64, N 1. P. 83-99. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jacc.2014.05.003

2. Леонтьева И.В., Николаева Е.А. Митохондриальные кардиомиопатии // Российский вестник перинатологии и педиатрии. 2016. Т. 61, № 3. С. 22-30. DOI: https://doi.org/10.21508/1027-4065-2016-61-3-22-30

3. Li J., Dong J., Ouyang J., Cui J., Chen Y., Wang F., Wang J. Synthesis, characterization, solubilization, cytotoxicity and antioxidant activity of aminomethylated dihydroquercetin // Med. Chem. Commun. 2016. Vol. 8, N 2. P. 353-363. DOI: https://doi.org/10.1039/c6md00496b

4. Islam J., Shree A., Vafa A., Afzal S.M., Sultana S. Taxifolin ameliorates benzo[a]pyrene-induced lung injury possibly via stimulating the Nrf2 signalling pathway // Int. Immunopharmacol. 2021. Vol. 96. Article ID 107566. DOI: https://doi.org/10.1016/j.intimp.2021.107566

5. Li Z., Yu Y., Li Y., Ma F., Fang Y., Ni C. et al. Taxifolin attenuates the developmental testicular toxicity induced by di-n-butyl phthalate in fetal male rats // Food Chem. Toxicol. 2020. Vol. 142. Article ID 111482. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fct.2020.111482

6. Liu F., Ma Y., Xu Y. Taxifolin shows anticataractogenesis and attenuates diabetic retinopathy in STZ-diabetic rats via suppression of aldose reductase, oxidative stress, and MAPK signaling pathway // Endocr. Metab. Immune Disord. Drug Targets. 2020. Vol. 20, N 4. P. 599-608. DOI: https://doi.org/10.2174/1871530319666191018122821

7. Зинченко В.П., Ким Ю.А., Таpаxовcкий Ю.C., Бpонников Г.Е. Биологическая активность водорастворимых наноструктур дегидрокверцетина с циклодекстринами // Биофизика. 2011. Т. 56, № 3. С. 433-438.

8. Кондрашова М.Н., Хундерякова Н.В., Захарченко М.В., Ячкула Т.В., Плясунова С.А., Сухоруков В.С. и др. Метод определения функционального состояния митохондрий в организме у человека по показателям активности ферментов и микроскопического вида лимфоцитов крови на мазке (Цитобиохимический метод) // Медицинский алфавит. Современная лаборатория. 2016. Т. 3, № 19. С. 83-85

9. Хундерякова Н.В., Захарова Н.М. Оценка активности сукцинатдегидрогеназы и лактатдегидрогеназы в лимфоцитах крови у якутских сусликов Spermophilus undulatus при гибернации и в активном состоянии // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2020. Т. 169, № 4. С. 426-430. DOI: https://doi.org/10.1007/s10517-020-04906

10. Frelikh G.A., Yanovskaya E.A., Polomeeva N.Yu., Timofeev M.S., Slepichev V.A., Bryushinina O.S. et al. Determination of mitochondrial functional state in vital tissues by cytobiochemical analysis of peripheral blood lymphocytes // Open J. Endocr. Metab. Dis. 2013. Vol. 3, N 2. P. 10-13. DOI: https://doi.org/10.4236/ojemd.2013.32A002

11. Khunderyakova N.V., Yachkula T.V., Zakharchenko M.V., Plyasunova S.A., Sukhorukov V.S., Baranich N.I. et al. Cytobiochemical biomarkers of the state of mitochondria in humans // J. World Mitochondria Soc. 2017. Vol. 2. N 2. P. 118. DOI: https://doi.org/10.18143/JWMS_v2i2_1930

12. Скупневский С.В., Пухаева Е.Г., Бадтиев А.К., Руруа Ф.К., Батагова Ф.Э., Фарниева Ж.Г. Функциональные особенности лимфоцитов периферической крови в динамике аутоиммунного артрита у крыс // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2019. № 12. С. 82-87.

13. Siddiqui M.A., Ahmad U., Khan A.A., Ahmad A., Badruddeen A., Khalid M. et al. Isoprenaline: a tool for inducing myocardial infarction in experimental animals // Int. J. Pharm. 2016. Vol. 6, N 2. P. 138-144.

14. Ohkawa H., Ohishi N., Yagi K. Assay for lipid peroxides in animal tissues by thiobarbituric acid reaction // Anal. Biochem. 1979. Vol. 95, N 2. P. 351-358. DOI: https://doi.org/10.1016/0003-2697(79)90738-3

15. Venediktova N.I., Gorbacheva O.S., Belosludtseva N.V., Fedotova I.B., Surina N.M., Poletaeva I.I. et al. Energetic, oxidative and ionic exchange in rat brain and liver mitochondria at experimental audiogenic epilepsy (Krushinsky-Molodkina model) // J. Bioenerg. Biomembr. 2017. Vol. 49. P. 149-158. DOI: https://doi.org/10.1007/s10863-016-9693-5

16. Ward P.S., Thompson C.B. Metabolic reprogramming: a cancer hallmark even warburg did not anticipate // Cancer Cell. 2012. Vol. 21. P. 297-308. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ccr.2012.02.014

17. Pavlova N.N., Thompson C.B. The emerging hallmarks of cancer metabolism // Cell Metab. 2016. Vol. 23. P. 27-47. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cmet.2015.12.00

18. Kolwicz S.C. Jr, Tian R. Glucose metabolism and cardiac hypertrophy // Cardiovasc. Res. 2011. Vol. 90, N 2. P. 194-201. DOI: https://doi.org/10.1093/cvr/cvr071

19. Drent M., Cobben N.A., Henderson R.F., Wouters E.F., van Dieijen-Visser M. Usefulness of lactate dehydrogenase and its isoenzymes as indicators of lung damage or inflammation // Eur. Respir. J. 1996. Vol. 9, N 8. P. 1736-1742. DOI: https://doi.org/10.1183/09031936.96.09081736

20. Luengo A., Li Z., Gui Dan Y., Spranger S., Matheson N.J., Vander Heiden M.G. Increased demand for NAD+ relative to ATP drives aerobic glycolysis // Mol. Cell. 2021. Vol. 81. P. 691-707. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.12.012

21. Аметов А.С., Кониева М.Ю., Лукьянова И.В. Сердечно-сосудистая система при тиреотоксикозе // Consilium Medicum. 2003. Т. 5, № 11. С. 660-663.

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.