Морфофункциональные изменения в вентральном и дорсальном гиппокампе взрослых крыс при воздействии хронического мягкого стресса: доклиническое экспериментальное исследование

Введение. Стрессовые воздействия в зависимости от их выраженности и продолжительности могут быть причиной развития патологических состояний. Повторные эпизоды стресса вызывают функциональные и структурные изменения в центральной нервной системе, могут стать причиной развития депрессивных состояний. По оценкам Всемирной организации здравоохранения, депрессия является одним из ведущих психических заболеваний. Одна из наиболее чувствительных к стрессу структур мозга — гиппокамп.
Цель исследования - изучить структурные изменения в гиппокампе, который рассматривается как гетерогенная структура с отдельными дорсальными и вентральными областями, оценить экспрессию индуцибельной синтазы оксида азота, эндотелиальной синтазы оксида азота, сериновой рацемазы, синаптофизина при моделировании мягкого стресса.
Методы. Исследование воздействия мягкого стресса проведено на 16 взрослых крысах-самцах линии Вистар (возраст 12 мес., масса тела 350–400 г). После акклиматизации крысы были разделены на две равные группы (n = 8): интактную (контроль) и стрессированную. При содержании животных, моделировании и выведении из эксперимента руководствовались Правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных, Хельсинкской декларации. Экспериментальное моделирование депрессии у животных вызывали путем мягкого стрессового воздействия в течение 7 дней (ежедневно по 30 минут). Эвтаназию проводили в CO2‑инкубаторе. Головной мозг фиксировали в нейтральном забуференном 10 %-ном формалине. Парафиновые срезы изготавливали во фронтальной плоскости, окрашивали гематоксилином и эозином, тионином по методу Ниссля и изучали на уровне от –2,40 до –3,96 мм относительно брегмы с использованием микроскопа «Axio Lab. A1» (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Германия). Фотодокументирование осуществляли камерой «AxioCam 105 color» (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Германия). С помощью модуля Image Analysis программы ZEN 1.1.2.0 (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Германия) в пирамидном слое гиппокампа. Обобщенные данные представляли в виде среднего ± стандартная ошибка среднего. Сравнение проводилось с помощью непараметрического U-критерия Манна — Уитни. Уровень значимости был установлен на уровне p < 0,05. Статистический анализ проводился с помощью пакета программ Microsoft Office Excel 2016 (Microsoft, США) и Prism 6 (GraphPad Software Inc., США).
Результаты. Приведены функциональные методы исследования и оценка патологических изменений в нейронах гиппокампа. Увеличение относительного количества сморщенных гиперхромных пирамидных нейронов в дорсальном поле 3 cornu ammonis у стрессированных крыс отмечено на 23,6 % (р < 0,05) по сравнению с контролем. Обнаружено увеличение относительного количества нейронов, содержащих иммунореактивный материал при использовании антител к индуцибельной нитрооксидсинтазе, в дорсальном поле 3 cornu ammonis на 40 % (р < 0,05) и относительной площади индуцибельная нитрооксидсинтаза — иммунореактивного материала на 35 % (р < 0,05) в пирамидном слое поля 3 cornu ammonis у стрессированных крыс. Уменьшение относительной площади синаптофизин-иммунопозитивного материала у стрессированных крыс обнаружено в вентральном поле 3 cornu ammonis по сравнению с контрольной группой на 16,8 % (р < 0,05); уменьшение относительной площади сериновая рацемаза — иммунопозитивного материала в дорсальном поле 3 cornu ammonis на 4,3 % (р < 0,05) и вентральном поле 3 cornu ammonis на 7,8 % (р < 0,05).
Заключение. Результаты исследования показывают, что мягкое стрессирование является адекватной моделью депрессии у крыс. У животных, подвергшихся воздействию мягкого стресса, выявлены выраженные морфологические признаки повреждения; снижается двигательная и ориентировочная исследовательская активность. Обнаружены различия в морфофункциональных изменениях дорсального и вентрального отделов гиппокампа при воздействии мягкого стресса. В поле 3 cornu ammonis дорсального гиппокампа, в отличие от вентрального отдела, наблюдались более выраженные признаки поражения нейронов пирамидного слоя. Выявлено повышение продукции оксида азота и участие нитрооксид-зависимых свободнорадикальных механизмов повреждения нейронов гиппокампа. Уменьшение относительной площади синаптофизин-иммунореактивного материала у стрессированных крыс может способствовать изменению синаптической пластичности. Уменьшение относительной площади сериновая рацемаза — иммунореактивного материала в дорсальном и вентральном отделах поля 3 cornu ammonis рассматривается как признак возможного снижения N‑метил-D‑аспартатзависимой нейротрансмиссии в гиппокампе при стрессе.

1. Du Preez A, Onorato D, Eiben I, Musaelyan K, Egeland M, Zunszain PA, Fernandes C, Thuret S, Pariante CM. Chronic stress followed by social isolation promotes depressive-like behaviour, alters microglial and astrocyte biology and reduces hippocampal neurogenesis in male mice. Brain Behav Immun. 2021;91:24–47. https://doi.org/10.1016/j.bbi.2020.07.015

2. Tyurenkov IN, Smirnov AV, Mednikov DS, Shmidt MV Ekova MR, Kurkin DV, Bakulin DA, Volotova EV. Functional and morphological changes in the pyramidal layer of the hippocampus in rats with encephalopathy induced by prolonged exposure to gravitational overloading. Neuroscience and Behavioral Physiology. 2020;50(4):479–484. https://doi.org/10.1007/s11055-020-00923-0

3. Conrad CD, Ortiz JB, Judd JM. Chronic stress and hippocampal dendritic complexity: Methodological and functional considerations. Physiol Behav. 2017;178:66–81. https://doi.org/10.1016/j.physbeh.2016.11.017

4. Levone BR, Codagnone MG, Moloney GM, Nolan YM, Cryan JF, O’ Leary OF. Adult-born neurons from the dorsal, intermediate, and ventral regions of the longitudinal axis of the hippocampus exhibit differential sensitivity to glucocorticoids. Mol Psychiatry. 2021;26(7):3240–3252. https://doi.org/10.1038/s41380-020-0848-8

5. Troubat R, Barone P, Leman S, Desmidt T, Cressant A, Atanasova B, Brizard B, El Hage W, Surget A, Belzung C, Camus V. Neuroinflammation and depression: A review. Eur J Neurosci. 2021;53(1):151–171. https://doi.org/10.1111/ejn.14720

6. Poulos TL, Li H. Nitric oxide synthase and structure-based inhibitor design. Nitric Oxide. 2017 Feb 28;63:68–77. https://doi.org/10.1016/j.niox.2016.11.004

7. Ai H, Shi XF, Hu XP, Fang WQ, Zhang B, Lu W. Acute stress regulates phosphorylation of N-methyl-d-aspartate receptor GluN2B at S1284 in hippocampus. Neuroscience. 2017;351:24–35. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2017.03.029

8. Knight P, Chellian R, Wilson R, Behnood-Rod A, Panunzio S, Bruijnzeel AW. Sex differences in the elevated plus-maze test and large open field test in adult Wistar rats. Pharmacol Biochem Behav. 2021;204:173168. https://doi.org/10.1016/j.pbb.2021.173168

9. Kraeuter AK, Guest PC, Sarnyai Z. The Elevated Plus Maze Test for Measuring Anxiety-Like Behavior in Rodents. Methods Mol Biol. 2019;1916:69–74. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-8994-2_4

10. Domingues K, Spezia I, Theindl LC, Suman PR, Lima FB, Lino de Oliveira C. Repeated forced-swimming test in intact female rats: behaviour, oestrous cycle and enriched environment. Behav Pharmacol. 2018;29(6):509–518. https://doi.org/10.1097/FBP.0000000000000403

11. Popović N, Morales-Delgado N, De la Cruz-Sánchez E, Popović M. Rats conserve passive avoidance retention level throughout the light phase of diurnal cycle. Physiol Behav. 2023;268:114234. https://doi.org/10.1016/j.physbeh.2023.114234

12. Yang H, Li W, Meng P, Liu Z, Liu J, Wang Y. Chronic Unpredictable Mild Stress Aggravates Mood Disorder, Cognitive Impairment, and Brain Insulin Resistance in Diabetic Rat. Evid Based Complement Alternat Med. 2018;2018:2901863. https://doi.org/10.1155/2018/2901863.

13. Bettio LEB, Rajendran L, Gil-Mohapel J. The effects of aging in the hippocampus and cognitive decline. Neurosci Biobehav Rev. 2017;79:66–86. https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2017.04.030

14. Madore C, Yin Z, Leibowitz J, Butovsky O. Microglia, Lifestyle Stress, and Neurodegeneration. Immunity. 2020;52(2):222–240. https://doi.org/10.1016/j.immuni.2019.12.003

15. Wang YL, Han QQ, Gong WQ, Pan DH, Wang LZ, Hu W, Yang M, Li B, Yu J, Liu Q. Microglial activation mediates chronic mild stress-induced depressive- and anxiety-like behavior in adult rats. J Neuroinflammation. 2018;15(1):21. https://doi.org/10.1186/s12974-018-1054-3

16. Dolotov OV, Inozemtseva LS, Myasoedov NF, Grivennikov IA. Stress-Induced Depression and Alzheimer’s Disease: Focus on Astrocytes. Int J Mol Sci. 2022;23(9):4999. https://doi.org/10.3390/ijms23094999

17. Zhang S, Cheon M, Park H, Kim T, Chung C. Interaction Between Glucocorticoid Receptors and FKBP5 in Regulating Neurotransmission of the Hippocampus. Neuroscience. 2022;483:95–103. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2021.12.020

18. Tafet GE, Nemeroff CB. Pharmacological Treatment of Anxiety Disorders: The Role of the HPA Axis. Front Psychiatry. 2020;11:443. https://doi.org/10.3389/fpsyt.2020.00443

19. Iova OM, Marin GE, Lazar I, Stanescu I, Dogaru G, Nicula CA, Bulboacă AE. Nitric Oxide/Nitric Oxide Synthase System in the Pathogenesis of Neurodegenerative Disorders-An Overview. Antioxidants (Basel). 2023;12(3):753. https://doi.org/10.3390/antiox12030753

20. Wang Y, Hong F, Yang S. Roles of Nitric Oxide in Brain Ischemia and Reperfusion. Int J Mol Sci. 2022;23(8):4243. https://doi.org/10.3390/ijms23084243

21. Andrianov VV, Kulchitsky VA, Yafarova GG, Bazan LV, Bogodvid TK, Deryabina IB, Muranova LN, Silantyeva DI, Arslanov AI, Paveliev MN, Fedorova EV, Filipovich TA, Nagibov AV, Gainutdinov KL. Investigation of NO Role in Neural Tissue in Brain and Spinal Cord Injury. Molecules. 2023;28(21):7359. https://doi.org/10.3390/molecules28217359

22. Vrankova S, Galandakova Z, Benko J, Cebova M, Riecansky I, Pechanova O. Duration of Social Isolation Affects Production of Nitric Oxide in the Rat Brain. Int J Mol Sci. 2021;22(19):10340. https://doi.org/10.3390/ijms221910340

23. Jung P, Ha E, Zhang M, Fall C, Hwang M, Taylor E, Stetkevich S, Bhanot A, Wilson CG, Figueroa JD, Obenaus A, Bragg S, Tone B, Eliamani S, Holshouser B, Blood AB, Liu T. Neuroprotective role of nitric oxide inhalation and nitrite in a Neonatal Rat Model of Hypoxic-Ischemic Injury. PLoS One. 2022;17(5):e0268282. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0268282

24. Guix FX, Uribesalgo I, Coma M, Muñoz FJ. The physiology and pathophysiology of nitric oxide in the brain. Prog Neurobiol. 2005;76(2):126–152. https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2005.06.001

25. Zhao Y, Vanhoutte PM, Leung SW. Vascular nitric oxide: Beyond eNOS. J Pharmacol Sci. 2015;129(2):83–94. https://doi.org/10.1016/j.jphs.2015.09.002

26. Athiraman U, Jayaraman K, Liu M, Giri T, Yuan J, Zipfel GJ. Role of Endothelial Nitric Oxide Synthase in Isoflurane Conditioning-Induced Neurovascular Protection in Subarachnoid Hemorrhage. J Am Heart Assoc. 2020;9(20):e017477. https://doi.org/10.1161/JAHA.120.017477

27. Wong JM, Folorunso OO, Barragan EV, Berciu C, Harvey TL, Coyle JT, Balu DT, Gray JA. Postsynaptic Serine Racemase Regulates NMDA Receptor Function. J Neurosci. 2020;40(50):9564–9575. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1525-20.2020

28. Campanini B, Spyrakis F, Peracchi A, Mozzarelli A. Serine racemase: a key player in neuron activity and in neuropathologies. Front Biosci (Landmark Ed). 2013;18(3):1112–1128. https://doi.org/10.2741/4167

29. Wolosker H. Serine racemase and the serine shuttle between neurons and astrocytes. Biochim Biophys Acta. 2011;1814(11):1558–1566. https://doi.org/10.1016/j.bbapap.2011.01.001

30. Mednikov DS, Smirnov AV, Shmidt MV, Tyurenkov IN, Kurkin DV, Bakulin DA, Volotova EV. Morphological changes and characteristics of the expression of serine racemase in the rat hippocampus after repeated exposure to negative gravitational overload. Neuroscience and Behavioral Physiology. 2019;49(3):373–378. https://doi.org/10.1007/s11055-019-00743-x

31. Tata DA, Dandi E, Spandou E. Expression of synaptophysin and BDNF in the medial prefrontal cortex following early life stress and neonatal hypoxia-ischemia. Dev Psychobiol. 2021;63(2):173–182. https://doi.org/10.1002/dev.22011.

32. Wang Z, Liu S, Pan W, Guo Y, Shen Z. Bafilomycin A1 alleviates depression‑like symptoms in chronic unpredictable mild stress rats. Mol Med Rep. 2018;18(5):4587–4594. https://doi.org/10.3892/mmr.2018.9431

33. Matosin N, Fernandez-Enright F, Lum JS, Engel M, Andrews JL, Gassen NC, Wagner KV, Schmidt MV, Newell KA. Molecular evidence of synaptic pathology in the CA1 region in schizophrenia. NPJ Schizophr. 2016;2:16022. https://doi.org/10.1038/npjschz.2016.22

34. Gilabert-Juan J, Bueno-Fernandez C, Castillo-Gomez E, Nacher J. Reduced interneuronal dendritic arborization in CA1 but not in CA3 region of mice subjected to chronic mild stress. Brain Behav. 2016;7(2):e00534. https://doi.org/10.1002/brb3.534