Мелатонин (N-ацетил-5-метокситриптамин, МТ) — нейроэндокринный гормон, синтезируемый в шишковидной железе и многих других органах. Сообщалось, что МТ обладает антиоксидантным действием, и было проведено множество исследований in vitro и in vivo, а также некоторые клинические эксперименты, чтобы определить, оказывает ли антиоксидантная активность МТ благотворное влияние на сердечно-сосудистые заболевания путем модуляции окислительного стресса. Предыдущие исследования показали, что МТ положительно ингибирует как пироптоз, так и апоптоз [0].
![МТ — эндокринный гормон, регулирующий синтез и секрецию почти всех гормонов. Многочисленные исследования показали, что влияние МТ на репродукцию опосредовано осью гипоталамус-гипофиз-гонады и что экзогенный МТ снижает качество яичек крыс [7, 8]](https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/271828/pub_65c357da0f0158222605a015_65c35abb7b712175986d7c09/scale_1200)
Однако ни одно исследование не описало взаимодействие между двумя способами гибели клеток, ингибируемыми МТ, и специфическими молекулярными механизмами, участвующими в этом ингибировании. В этом исследовании мы сосредоточились на конкретном механизме, с помощью которого MT ингибировал вызванный никотином пироптоз в макрофагах THP-1, и исследовали, существует ли механизм взаимной регуляции между пироптозом и апоптозом. Предыдущие исследования описали роль МТ в ингибировании пироптоза, и было подтверждено несколько возможных путей [1–3]. Однако в этом исследовании мы определили новый механизм, с помощью которого МТ облегчает атеросклероз (далее АС), предотвращая возникновение окислительного стресса и ингибируя пироптоз макрофагов.
Данные результаты предоставили экспериментальную основу для клинического применения МТ в лечении АС и показали большой потенциал оси SIRT3/FOXO3α/ROS в качестве мишени для лечения АС. Результаты
этих исследований создают экспериментальную основу для клинического применения МТ при лечении АС и позволяют предположить наличие «перекрестных помех» сигналов между различными ПКД. Крайне важно поместить молекулярные механизмы взаимного взаимодействия между различными PCD в контекст тканевого гомеостаза и патологии при сердечно-сосудистых заболеваниях.
Хотя во многих отношениях они значительно отличаются от пироптоза и апоптоза, между ними существует сосуществование и взаимное взаимодействие. Действительно, виды PCD представляют собой плюралистическую, скоординированную систему гибели клеток, в которой один путь может гибко компенсировать другой.
Однако в этом исследовании мы исключили влияние жира и холестерина на мышиных моделях ApoE-/-. Мы подтвердили, что лечение никотином само по себе может ускорить образование бляшек за счет воспалительных реакций, в то время как МТ может оказывать противовоспалительное действие.
Более того, влияние OX-LDL на развитие пироптоза было дополнительно исследовано in vitro. В совокупности результаты подтвердили стимулирующее действие никотина и OX-LDL на воспалительную реакцию и образование атеросклеротических бляшек, а также терапевтический эффект МТ. Как хорошо известно, курение усугубляет возрастные заболевания, такие как сердечно-сосудистые заболевания.
Курение увеличивает уровень свободного холестерина, церамидов и фосфолипидов в плазме, свободного и этерифицированного холестерина в печени, а также эфиров холестерина и лизофосфатидилхолина в аорте.
Интересно, что Кунитомо и др. продемонстрировали, что мыши ApoE-/-, подвергшиеся воздействию дыма в газовой фазе (без никотина и смол), вызывают окислительный стресс в кровообращении и аорте, одновременно повышая общий холестерин в сыворотке [4].
Эти данные свидетельствуют о том, что помимо никотина развитию ССЗ способствуют и другие компоненты сигаретного дыма. Раньше люди в основном сосредотачивались на влиянии сигаретного дыма на животных моделях, но теперь они переключают свое внимание на основные вещества в сигаретах, такие как никотин.
Никотин, как основное вредное вещество в табаке, играет важную роль в возникновении и развитии сердечно-сосудистых заболеваний, а воздействие никотина неизбежно в повседневной жизни. Воздействие никотина вызывает сердечно-сосудистые заболевания, приводящие к повреждению миокарда, его ремоделированию, фиброзу, фибрилляции предсердий, аритмии и т. д. [5].
С ростом числа курильщиков вред никотина для человека становится все более значительным. Поэтому крайне важно выяснить кардиотоксичность никотина. Модель на мышах чаще всего используется для исследований никотина [6], где мыши используют фермент, гомологичный человеку, для метаболизма никотина и образования большого количества котинина.
В этом исследовании мы использовали модель введения никотина с питьевой водой на мышах, чтобы лучше изучить влияние никотина как независимого фактора на здоровье сердечно-сосудистой системы.
МТ — эндокринный гормон, регулирующий синтез и секрецию почти всех гормонов. Многочисленные исследования показали, что влияние МТ на репродукцию опосредовано осью гипоталамус-гипофиз-гонады и что экзогенный МТ снижает качество яичек крыс [7, 8].
Чтобы проверить, может ли наша предварительная экспериментальная концентрация лечения МТ повлиять на уровень тестостерона у мышей-самцов, были использованы наборы ELISA для определения уровней тестостерона в сыворотке мышей (дополнительный рисунок 1). Результаты показали, что используемые концентрации МТ не оказали заметного влияния на уровень тестостерона, что указывает на то, что выбранная терапевтическая концентрация была безопасной. Существует два типа рецепторов для связывания МТ: МТ1 и МТ2. Предыдущие исследования обнаружили наличие этих двух рецепторов мелатонина в сердечно-сосудистой системе [9].
Рецептор МТ1 играет жизненно важную роль в контроле ритма, а рецептор МТ2 тесно связан с циклической активностью МТ в организме. Предыдущие исследования показали, что изменения в активности рецептора МТ могут заставить мышей (C57BL/6J) выбирать никотин [40], но до сих пор неясно, может ли никотин вызывать воспаление макрофагов, изменяя активность рецептора МТ. Этот механизм также может существовать в наших исследованиях и нуждается в дальнейшей проверке.
Никотин, входящий в состав сигарет, вызывает привыкание и связан с клеточным апоптозом [11].
С ростом интереса к пироптозу в фундаментальных исследованиях постепенно была установлена связь между никотином и пироптозом.
Ученые наблюдали значительные изменения в уровнях апоптоза после успешного создания модели макрофагов пироптоза, индуцированного никотином. Каспаза-3 действует как исполнитель апоптоза, тогда как каспаза-1, как полагают, не участвует непосредственно в передаче апоптотических сигналов и в основном участвует в активации предшественников интерлейкинов. Хан [12] и др. обнаружили, что количество каспаза-1-положительных клеток значительно увеличивалось через 12 часов после ишемически-реперфузионного повреждения.
Аналогичным образом, количество каспаза-3-положительных клеток значительно увеличивалось через 12 часов после травмы и исчезало после ишемии-реперфузии спинного мозга. Во время апоптоза нейронов в регуляции повреждения участвуют как каспаза-1, так и каспаза-3. Таким образом, мы предположили наличие перекрестных помех между каспазой-1 и каспазой-3.
Важно отметить, что наш эксперимент по совместному IP подтвердил эту гипотезу; однако сложный механизм остается неясным, поскольку гибель клеток — сложный процесс, требующий дальнейшего изучения. Во время типичного процесса пироптоза, индуцированного воспалением, GSDMD гидролизуется и расщепляется активированным белком каспазой-1, образуя активные фрагменты со способностью к образованию мембранных пор, тем самым секретируя и высвобождая IL-1β и IL-18 [13].
Кроме того, каспаза-3 активирует GSDME путем расщепления Asp270, что также может трансформировать относительно медленный невоспалительный апоптоз в более быстрый воспалительный пироптоз [13]. Предыдущие исследования показали, что GSDME и GSDMD могут индуцировать переход от апоптоза к пироптозу [14, 15].
Наше исследование показало, что никотин-индуцированный пироптоз макрофагов не затрагивает GSDME, а только GSDMD участвует в этом процессе. Следовательно, в этом исследовании каспаза-3 участвовала только в апоптозе и не участвовала в пироптозе. Кроме того, мы обнаружили, что не только апоптоз может способствовать возникновению пироптоза, но и что эти два процесса могут работать синергически. Оба механизма усиливались в макрофагах, обработанных никотином, и снижались после лечения МТ.
Определенный уровень апоптоза является защитным, устраняя стареющие клетки, тогда как чрезмерный апоптоз может привести к подавлению иммунитета и стимулированию воспалительной реакции [13, 14]. Существует неопределенность относительно того, защищает ли апоптоз, индуцированный пироптозом, клетки от воспалительной реакции, вызванной пироптозом, или еще больше ускоряет воспалительную реакцию макрофагов; поэтому необходимы дополнительные исследования.
С другой стороны, контроль степени апоптоза при пироптозе может защитить клетки от воспалительного повреждения и замедлить прогрессирование АС. Таким образом, глубокое понимание взаимодействий и промежуточных молекулярных механизмов между различными способами гибели макрофагов может обеспечить новые направления и стратегии лечения заболеваний, связанных с сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Заключение
Здесь ученые сосредоточились на ингибировании активации NLRP3 выше пироптоза за счет снижения уровня АФК и обнаружили специфический молекулярный механизм: ось SIRT3/FOXO3α/АФК (рис. 2). Кроме того, это исследование показало, что пироптоз и апоптоз связаны посредством взаимодействия каспазы-1 и каспазы-3 (рис. 9). В совокупности наши результаты предоставляют новую цель для подавления воспаления при лечении АС.
0. He R, Cui M, Lin H, et al. Melatonin resists oxidative stress-induced apoptosis in nucleus pulposus cells. Life Sci. 2018;199:122–30. doi: 10.1016/j.lfs.2018.03.020. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Zhang Y, Liu X, Bai X et al. (2018). Melatonin prevents endothelial cell pyroptosis via regulation of long noncoding RNA MEG3/miR-223/NLRP3 axis. J Pineal Res, 64(2). [PubMed]
1. Liu Z, Gan L, Xu Y et al. (2017). Melatonin alleviates inflammasome-induced pyroptosis through inhibiting NF-κB/GSDMD signal in mice adipose tissue. J Pineal Res, 63(1). [PubMed]
2. Miao Z, Miao Z, Teng X, et al. Melatonin alleviates lead-induced intestinal epithelial cell pyroptosis in the common carps (Cyprinus carpio) via miR-17-5p/TXNIP axis. Fish Shellfish Immunol. 2022;131:127–36. doi: 10.1016/j.fsi.2022.09.071. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
3. Arioz BI, Tastan B, Tarakcioglu E, et al. Melatonin attenuates LPS-Induced Acute Depressive-Like behaviors and Microglial NLRP3 inflammasome activation through the SIRT1/Nrf2 pathway. Front Immunol. 2019;10:1511. doi: 10.3389/fimmu.2019.01511. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
4.Kunitomo M, Yamaguchi Y, Kagota S, et al. Biochemical evidence of Atherosclerosis progression mediated by increased oxidative stress in apolipoprotein E-deficient spontaneously hyperlipidemic mice exposed to chronic cigarette smoke. Pharmacol Sci. 2009;110:354–61. doi: 10.1254/jphs.09100FP. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
5. Centner AM, Bhide PG, Salazar G. (2020). Nicotine in Senescence and Atherosclerosis. Cells. 22;9(4):1035. [PMC free article] [PubMed]
6. Szostak J, Wong ET, Titz B, et al. A 6-month systems toxicology inhalation study in ApoE–/– mice demonstrates reduced cardiovascular effects of E-vapor aerosols compared to cigarette smoke. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2020;318:H604–31. doi: 10.1152/ajpheart.00613.2019. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
7. Edmonds KE, Stetson MH. Photoperiod and melatonin affect testicular growth in the marsh rice rat (Oryzomys palustris) J Pineal Res. 1994;17(2):86–93. doi: 10.1111/j.1600-079X.1994.tb00118.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
8. Edmonds KE, Stetson MH. Pineal gland and melatonin affect testicular status in the adult marsh rice rat (Oryzomys palustris) Gen Comp Endocrinol. 1995;99(3):265–74. doi: 10.1006/gcen.1995.1110. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
9. Liu J, Clough SJ, Hutchinson AJ, et al. MT1 and MT2 melatonin receptors: a therapeutic perspective. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 2015;56:361–83. doi: 10.1146/annurev-pharmtox-010814-124742. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
10. Horton WJ, Gissel HJ, Saboy JE, et al. Melatonin administration alters nicotine preference consumption via signaling through high-affinity melatonin receptors. Psychopharmacology. 2015;232(14):2519–30. doi: 10.1007/s00213-015-3886-1. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
11. Zeidler R, Albermann K, Lang S. Nicotine and apoptosis. Apoptosis. 2007;12(11):1927–43. doi: 10.1007/s10495-007-0102-8. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
12. Han YX, Wang YF, Guan-Jun TU. Cellular apoptosis and Caspase-1 and Caspase-3 expressions following rat spinal cord ischemia/reperfusion injury. Progress of Anatomical Sciences; 2011.
13. Cong L, Bai Y, Guo Z. The crosstalk among autophagy, apoptosis, and pyroptosis in cardiovascular disease. Front Cardiovasc Med. 2022;9:997469. [PMC free article] [PubMed]
14. McArthur K, Whitehead LW, Heddeston JM, et al. BAK/BAX macroores facility mitochondrial inheritance and mtDNA efflux during Apoptosis Science 2018;359(6378):eaao6047. [PubMed]