Влияние интерлейкина-6 и гипоксии на экспрессию белков-маркеров повреждения головного мозга в клеточной модели нейроваскулярной единицы

Высокая частота послеоперационных когнитивных нарушений при кардиохирургических операциях у детей обуславливает поиск новых стратегий нейропротекции.

Цель исследования. Установить влияние гипоксии и интерлейкина-6 (ИЛ-6) на экспрессию клаудина-5, окклюдина-1, рецепторов ИЛ-1 и ИЛ-6 в клетках нейроваскулярной единицы (НВЕ).

Материалы и методы. В исследовании in vitro сформировали клеточную модель НВЕ, состоящую из нейронов, астроцитов и эндотелиоцитов. Провели культивирование НВЕ в условиях нормоксии и гипоксии с содержанием кислорода в среде 15, 10, 7 и 5%, а также с добавлением сыворотки больных из групп с максимальной и минимальной концентрацией ИЛ-6. Инкубацию клеток проводили в режиме нормотермии в течение 30 мин с дальнейшей оценкой экспрессии маркеров повреждения клеток НВЕ.

Результаты. Уменьшение интенсивности флюоресценции для клаудина-5 наступало при 10% кислорода в среде (15,2 vs 34,3 в контрольной группе (р=0,0105)) и менее. На окклюдин-1 гипоксия не оказала влияния. Увеличение флюоресценции для экспрессии рецепторов интерлейкина-1 отметили при 7 и 5% кислорода (соответственно 12,2 и 12,9 vs 9,9 в контрольной группе, р=0,0105), но гипоксия не повлияла на экспрессию рецепторов интерлейкина-6. В группе с нормоксией и во всех группах с гипоксией добавление сыворотки пациентов значимо влияло на экспрессию исследуемых маркеров, гипоксия потенцировала данные эффекты. Добавление сыворотки с максимальным содержанием ИЛ-6 приводило к наибольшему снижению интенсивности флюоресценции маркеров.

Заключение. Воздействие ИЛ-6 оказало более выраженное действие на экспрессию исследуемых маркеров в клетках НВЕ, чем гипоксия. Гипоксия с концентрацией кислорода в среде до 10% не обладала действием на экспрессию маркеров.

1. Staveski S. L., Pickler, R.H., Khoury P. R., Ollberding N. J., Donnellan A. L.D., Mauney J. A., Lincoln, P.A., et al. Prevalence of ICU delirium in postoperative pediatric cardiac surgery patients. Pediatr Crit Care Med. 2021; 22 (1): 68–78. DOI: 10.1097/PCC.0000000000002591. PMID: 33065733.

2. Patel A. K., Biagas K. V., Clarke E. C., Gerber L. M., Mauer E., Silver G., Chai P., et al. Delirium in children after cardiac bypass surgery. Pediatr Crit Care Med. 2017; 18 (2): 165–171. DOI: 10.1097/PCC.0000000000001032. PMID: 27977539.

3. Alvarez R. V., Palmer C., Czaja A. S., Peyton C., Silver, G. Traube C., Mourani P. M., et al. Delirium is a common and early finding in patients in the pediatric cardiac intensive care unit. J Pediatr. 2018; 195: 206–212. DOI: 10.1016/j.jpeds.2017.11.064.

4. Köditz H., Drouche A., Dennhardt N., Schmidt M., Schultz M., Schultz B. Depth of anesthesia, temperature, and postoperative delirium in children and adolescents undergoing cardiac surgery. BMC Anesthesiol. 2023; 23 (1): 148. DOI: 10.1186/s12871-023-02102-3. PMID: 37131120.

5. Chomat M. R., Said A. S. Mann J. L., Wallendorf M., Bickhaus A., Figueroa M. Changes in sedation practices in association with delirium screening in infants after cardiopulmonary bypass. Pediatr Cardiol. 2021; 42 (6): 1334–1340. DOI: 10.1007/s00246-021-02616-y. PMID: 33891134.

6. Dechnik A., Traube C. Delirium in hospitalised children. Lancet Child Adolesc Health 2020; 4 (4): 312–321. DOI: 10.1016/s2352-4642(19)30377-3. PMID: 32087768.

7. Goldberg T. E., Chen C., Wang Y., Jung E., Swanson A., Ing C., Garcia P. S., et al. Association of delirium with long-term cognitive decline. JAMA Neurol. 2020; 77 (11): 1373–1381. DOI: 10.1001/jamaneurol.2020.2273. PMID: 32658246.

8. Gunn J. K., Beca J., Hunt R. W., Goldsworthy M., Brizard C. P., Finucane K., Donath S., et al. Perioperative risk factors for impaired neurodevelopment after cardiac surgery in early infancy. Arch Dis Child. 2016; 101 (11): 1010–1016. DOI: 10.1136/archdischild-2015-309449. PMID: 27272973.

9. Houben A., Ghamari S., Fischer A., Neumann C., Baehner T., Ellerkmann R. K. Pediatric emergence delirium is linked to in-creased early postoperative negative behavior within two weeks after adenoidectomy: an observational study. Braz J Anesthesiol. 2024; 74 (5): 744114. DOI: 10.1016/j.bjane.2021.03.008. PMID: 33887334.

10. Koch S., Stegherr A.-M., Rupp L., Kruppa J., Prager C., Kramer S., Fahlenkamp A., et al. Emergence delirium in children is not related to intraoperative burst suppression — prospective, observational electrography study. BMC Anesthesiol. 2019; 19 (1): 146. DOI: 10.1186/s12871-019-0819-2. PMID: 31395011.

11. Hansen T. G. Anesthesia-related neurotoxicity and the developing animal brain is not a significant problem in children. Paediatr Anaesth. 2015; 25 (1): 65–72. DOI: 10.1111/pan.12548. PMID: 25266176.

12. Jevtovic-Todorovic V. General anesthetics and neurotoxicity: how much do we know? Anesthesiol Clin. 2016; 34 (3): 439–451. DOI: 10.1016/j.anclin.2016.04.001. PMID: 27521190.

13. Dahmani S., Stany I., Brasher C., Lejeune C., Bruneau B., Wood C., Nivoche Y., et al. Pharmacological prevention of sevoflurane- and desflurane-related emergence agitation in children: a meta-analysis of published studies. Br J Anaesth. 2010; 104 (2): 216–223. DOI: 10.1093/bja/aep376. PMID: 20047899.

14. Hogue C. W. Jr., Palin C. A., Arrowsmith J. E. Cardiopulmonary bypass management and neurologic outcomes: an evidence-based appraisal of current practices. Anesth Analg. 2006; 103 (1): 21–37. DOI: 10.1213/01.ane.0000220035.82989.79. PMID: 16790619.

15. Hori D., Brown C., Ono M., Rappold T., Sieber F., Gottschalk A., Neufeld K. J., et al. Arterial pressure above the upper cerebral autoregulation limit during cardiopulmonary bypass is associated with postoperative delirium. Br J Anaesth. 2014; 113 (6): 1009–1017. DOI: 10.1093/bja/aeu319. PMID: 25256545ю

16. Hirata Y. Cardiopulmonary bypass for pediatric cardiac surgery. Gen Thorac Cardiovasc Surg. 2018; 66 (2): 65–70. DOI: 10.1007/s11748-017-0870-1. PMID: 29185163.

17. Toomasian C. J., Aiello S. R., Drumright B. L., Major T. C., Bartlett R. H., Toomasian J. M. The effect of air exposure on leucocyte and cytokine activation in an in-vitro model of cardiotomy suction. Perfusion. 2018; 33 (7): 538–545. DOI: 10.1177/0267659118766157. PMID: 29638199.

18. Liu M., Li Y., Gao S., Yan S., Zhang Q., Liu G., Ji B. A novel target to reduce microglial inflammation and neuronal damage after deep hypothermic circulatory arrest. J Thorac Cardiovasc Surg. 2020; 159 (6): 2431–2444.e7. DOI: 10.1016/j.jtcvs.2019.06.115. PMID: 31564537.

19. Pozhilenkova E. A., Lopatina O. L., Komleva Y. K., Salmin V. V., Salmina A. B. Blood-brain barrier-supported neurogenesis in healthy and diseased brain. Nat Rev Neurosci. 2017; 28 (4): 397–415. DOI: 10.1515/revneuro-2016-0071. PMID: 28195555.

20. Cerejeira J., Firmino H., Vaz-Serra A., Mukaetova-Ladinska E. B. The neuroinflammatory hypothesis of delirium. Acta Neuropathol. 2010; 119 (6): 737–754. DOI: 10.1007/s00401-010-0 674-1. PMID: 20309566.

21. Sun Y., Koyama Y., Shimada S. Inflammation from peripheral organs to the brain: how does systemic inflammation cause neuroinflammation? Front Aging Neurosci. 2022; 14: 903455. DOI: 10.3389/fnagi.2022.903455. PMID: 35783147.

22. Linnerbauer M., Wheeler M. A., Quintana F. J. Astrocyte crosstalk in CNS inflammation. Neuron. 2020; 108 (4): 608–622. DOI: 10.1016/j.neuron.2020.08.012. PMID: 32898475.

23. Kress B. T., Iliff J. J., Xia M., Wang M., Wei H. S., Zeppenfeld D., Xie L., et al. Impairment of para-vascular clearance pathways in the aging brain. Ann Neurol. 2014; 76 (6): 845–861. DOI: 10.1002/ana.24271. PMID: 25204284.

24. Kuo W. T., Odenwald M. A., Turner J. R., Zuo L. Tight junction proteins occludin and ZO-1 as regulators of epithelial proliferation and survival. Ann N Y Acad Sci. 2022; 1514 (1): 21–33. DOI: 10.1111/nyas.14798. PMID: 35580994.

25. Li Y., Liu B., Zhao T., Quan X., Han Y., Cheng Y., Chen Y., et al. Comparative study of extracellular vesicles derived from mesenchymal stem cells and brain endothelial cells attenuating blood-brain barrier permeability via regulating Caveolin-1-dependent ZO-1 and Claudin-5 endocytosis in acute ischemic stroke. J Nanobiotechnology. 2023; 21 (1): 70. DOI: 10.1186/s12951-023-01828-z. PMID: 36855156.

26. Yang Z., Lin P., Chen B., Zhang X., Xiao W., Wu S., Huang C., et al. Autophagy alleviates hypoxia-induced blood-brain barrier injury via regulation of CLDN5 (claudin 5). Autophagy. 2021; 17 (10): 3048–3067. DOI: 10.1080/15548627.2020.1851897. PMID: 33280500.

27. Baker R. A., Nikolic A., Onorati F., Alston R. P. 2019 EACTS/EACTA/ EBCP guidelines on cardiopulmonary bypass in in adult cardiac surgery: a tool to better clinical practice. Eur J Cardio-Thorac Surg. 2020; 57 (2): 207–209. DOI: 10.1093/ejcts/ezz358. PMID: 31942985.

28. Ivkin A., Grigoriev E., Mikhailova A. Impact of intraoperative blood transfusion on cerebral injury in pediatric patients undergoing congenital septal heart defect surgery. J Clin Med. 2024; 13 (20): 6050. DOI: 10.3390/jcm13206050. PMID: 39458000.

29. Wittenmeier E., Piekarski F., Steinbicker A. U. Blood product transfusions for children in the perioperative period and for critically ill children. Dtsch Arztebl Int. 2024; 121 (2): 58–65. DOI: 10.3238/arztebl.m2023.0243. PMID: 38051160.

30. Ивкин А. А., Григорьев Е. В., Балахнин Д. Г., Чермных И. И. Интраоперационная трансфузия как фактор риска церебрального повреждения после кардиохирургических вмешательств у детей: проспективное наблюдательное исследование. Вестник интенсивной терапии имени А. И. Салтанова. 2023; (1): 101–114.

31. Malati Z. A., Pourfathollah A. A., Dabbaghi R., Balagholi S., Javan M. R. Evaluation of a new method of leukocyte extractions from the leukoreduction filter. Indian J Hematol Blood Transfus. 2023; 39 (3): 478–486. DOI: 10.1007/s12288-022-01618-x. PMID: 37304478.

32. Ивкин А. А., Григорьев Е. В., Хилажева Е. Д., Моргун А. В. Влияние трансфузии и гипоксии на клетки модели нейроваскулярной единицы in vitro. Общая реаниматология. 2024; 20 (1): 37–42.

33. Ивкин А. А., Григорьев Е. В., Цепокина А. В., Шукевич Д. Л. Послеоперационный делирий у детей при коррекции врожденных септальных пороков сердца. Вестник анестезиологии и реаниматологии. 2021; 18 (2): 62–68.

34. Naguib A. N., Winch P. D., Tobias J. D., Simic J., Hersey D., Nicol K., Preston T., et al. A single-center strategy to minimize blood transfusion in neonates and children undergoing cardiac surgery. Paediatr Anaesth. 2015; 25 (5): 477–486. DOI: 10.1111/pan.12604. PMID: 25581204.

35. Борисенко Д. В., Ивкин А. А., Шукевич Д. Л., Корнелюк Р. А. Значение эритроцитсодержащих компонентов донорской крови в объеме первичного заполнения контура искусственного кровообращения в развитии системного воспаления при коррекции врожденных пороков сердца у детей. Общая реаниматология. 2022; 18 (3): 30–37.

36. Siddharthan V., Kim Y. V., Liu S., Kim K. S. Human astrocytes/astrocyte-conditioned medium and shear stress enhance the barrier properties of human brain microvascular endothelial cells. Brain Res. 2007; 1147: 39–50. DOI: 10.1016/j.brainres.2007.02.029. PMID: 17368578.

37. Cenini G., Hebisch M., Iefremova V., Flitsch L. J., Breitkreuz Y., Tanzi R. E., Kim D. Y., et al. Dissecting Alzheimer’s disease pathogenesis in human 2D and 3D models. Mol Cell Neurosci. 2021; 110: 103568. DOI: 10.1016/j.mcn.2020.103568. PMID: 33068718.

38. Wang H., Yang H., Shi Y., Xiao Y., Yin Y., Jiang B., Ren H., et al. Reconstituting neurovascular unit with primary neural stem cells and brain microvascular endothelial cells in three-dimensional matrix. Brain Pathol. 2021; 31 (5): e12940. DOI: 10.1111/bpa.12940. PMID: 33576166.

39. Sokolova V., Nzou G., Van Der Meer S. B., Ruks T., Heggen M., Loza K., Hagemann N., et al. Ultrasmall gold nanoparticles (2 nm) can penetrate and enter cell nuclei in an in vitro 3D brain spheroid model. Acta Biomater. 2020; 111: 349–362. DOI: 10.1016/j.actbio.2020.04.023. PMID: 32413579.

40. Teixeira M. I., Amaral M. H., Costa P. C., Lopes C. M., Lamprou D. A. Recent developments in microfluidic technologies for central nervous system targeted studies. Pharmaceutics. 2020; 12 (6): 542. DOI: 10.3390/pharmaceutics12060542. PMID: 32545276.