medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2020-99-7-750-754medlit-18Research ArticleЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯEXPERIMENTAL INVESTIGATIONSОрганоспецифическая экспрессия защитных белков в условиях пылевого воздействия на организм (экспериментальное исследование)Organ-specific expression of protective proteins under the conditions of dust exposure to the body (experimental study)https://orcid.org/0000-0002-4797-7842ЖуковаАнна ГеннадьевнаZhukovaAnna G.nyura_g@mail.ruЖдановаН. Н.ZhdanovaNatalya N.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8292-4810КазицкаяА. С.KazitskayaAnastasiуa S.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1127-6980МихайловаН. Н.MikhailovaNadezhda N.noemail@neicon.ruСазонтоваТ. Г.SazontovaTat'yana G.noemail@neicon.ruФГБНУ «Научно-исследовательский институт комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний»; Новокузнецкий институт (филиал) ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет»Research Institute for Complex Problems of Hygiene and Occupational Diseases; Novokuznetsk Institute (Branch Campus) of the Kemerovo State UniversityФГБНУ «Научно-исследовательский институт комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний»Research Institute for Complex Problems of Hygiene and Occupational DiseasesМГУ им. М.В. ЛомоносоваFaculty of Fundamental Medicine of Lomonosov Moscow State University202008092020997750754Copyright © Жукова А.Г., Жданова Н.Н., Казицкая А.С., Михайлова Н.Н., Сазонтова Т.Г., 20202020Жукова А.Г., Жданова Н.Н., Казицкая А.С., Михайлова Н.Н., Сазонтова Т.Г.Zhukova A.G., Zhdanova N.N., Kazitskaya A.S., Mikhailova N.N., Sazontova T.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rjhas.ru/jour/article/view/18

Цель исследования - в эксперименте оценить органоспецифические особенности экспрессии защитных белков семейства HSP в ответ на длительное пылевое воздействие.

Материал и методы

Материал и методы. Эксперименты проведены на 60 самцах крыс линии Вистар массой 200-250 г. Животные были разделены на группы: крысы, вдыхавшие угольно-породную пыль в затравочной пылевой камере ежедневно по 4 ч в течение 6 нед (средняя концентрация 50 мг/м3); контрольные крысы (находились в равной по объёму камере, где поддерживался тот же режим температуры и воздухообмена, но без подачи угольно-породной пыли). В цитоплазматической фракции лёгких, сердца, печени и головного мозга определяли уровни HSP72 и гем-оксигеназы-1 (HOx-1) методом Western-блот анализа.

Результаты

Результаты. Длительное воздействие угольно-породной пыли на организм изменяло уровень внутриклеточных белков HSP72 и HOx-1 в лёгких, сердце, печени и мозге. В лёгких и ткани головного мозга происходило увеличение уровня как HSP72, так и HOx-1; в сердце зарегистрировано значительное увеличение уровня HOx-1, а в печени - HSP72. Эти данные свидетельствуют об органоспецифической экспрессии внутриклеточных белков при пылевом воздействии на организм. В развитии ответа на длительное вдыхание угольно-породной пыли участвуют следующие молекулярные механизмы: 1) в лёгких и головном мозге - как стрессорная (HSP72), так и гипоксическая (HOx-1) компоненты; 2) в сердце - гипоксическая компонента, проявляющаяся интенсивным синтезом HOx-1 на протяжении всего периода исследования; 3) в печени - стрессорная компонента, обусловленная значительной экспрессией HSP72, что связано с проявлением защитного действия как для самого органа, так и организма в целом.

Заключение

Заключение. Полученные результаты свидетельствуют об органоспецифичности клеточного ответа организма на длительное воздействие производственной пыли. Изменение уровня экспрессии HSP72 и HOx-1 характеризует степень защиты органов от повреждений, вызываемых вдыханием угольно-породной пыли, которая нарастает в ряду печень < сердце < лёгкие и головной мозг.

The objective of the study was to evaluate the organ-specific features of the expression of protective proteins of the HSP family in response to prolonged dust exposure in an experiment.

Material and methods

Material and methods. The experiments were performed on 60 male Wistar rats weighing 200-250 g. The animals were divided into groups: rats inhaled coal-rock dust in the priming dust chamber for 4 hours daily for 6 weeks (average concentration 50 mg/m3), and the control rats (they were in an equal volume chamber, where the same temperature and air exchange conditions were maintained, but without the supply of coal-rock dust). In the cytoplasmic fraction of the lungs, heart, liver, and brain, the levels of HSP72 and heme oxygenase-1 (HOx-1) were determined by Western blot analysis.

Results

Results. The prolonged exposure of coal-rock dust to the body changed the level of intracellular proteins HSP72 and HOx-1 in the lungs, heart, liver, and brain. An increase in both HSP72 and HOx-1 levels occurred in the lungs and brain tissue; a significant increase in HOx-1 was recorded in the heart and HSP72 in the liver. These data indicate the organ-specific expression of intracellular proteins during dust exposure to the body. The following molecular mechanisms are involved in the development of the response to prolonged inhalation of coal-rock dust: 1) in the lungs and brain - both stress (HSP72) and hypoxic (HOx-1) components; 2) in the heart - a hypoxic component, manifested by the intensive synthesis of HOx-1 throughout the study period; 3) in the liver - a stress component due to significant expression of HSP72, which is associated with the manifestation of a protective effect for both the organ itself and the body as a whole.

Conclusion

Conclusion. The results obtained indicate the organ-specificity of the cellular response of the body to the prolonged exposure to industrial dust. A change in the expression level of HSP72 and HOx-1 characterizes the degree of protection of organs from damage caused by inhalation of coal-rock dust, which grows in the series as liver < heart < lungs and brain.

угольно-породная пыльорганоспецифичностьзащитные белки HSP72HOx-1лёгкиесердцепеченьголовной мозгcoal-rock dustorgan-specificityprotective proteins HSP72HOx-1lungsheartliverbrainReferencesЧеботарёв А.Г. Состояние условий труда и профессиональной заболеваемости работников горнодобывающих предприятий. Горная промышленность. 2018; (1): 92–5. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2018-1-137-92-95Chebotarev A.G. Working environment and occupational morbidity of mine personnel. Gornaya promyshlennost’. 2018; (1): 92–5. http://doi.org/10.30686/1609-9192-2018-1-137-92-95 (in Russian)Олещенко А.М., Захаренков В.В., Суржиков Д.В., Панаиотти Е.А., Цай Л.В. Оценка риска заболеваемости рабочих угольных разрезов Кузбасса. Медицина труда и промышленная экология. 2006; (6): 13–6.Oleshchenko A.M., Zakharenkov V.V., Surzhikov D.V., Panaiotti E.A., Tsay L.V. Evaluating risk of morbidity among workers of coal open-cast mines in Kuzbass. Meditsina truda i promyshlennaya ekologiya. 2006; (6): 13–6. (in Russian)Ворошилов Я.С., Фомин А.И. Влияние угольной пыли на профессиональную заболеваемость работников угольной отрасли. Уголь. 2019; (4): 20–4. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2019-4-20-2Voroshilov Ya.S., Fomin A.I. Impact of coal dust on the professional morbidity of coal industry workers. Ugol’. 2019; (4): 20–4. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2019-4-20-2 (in Russian)Perret J.L., Plush B., Lachapelle P., Hinks T.S., Walter C., Clarke P. et al. Coal mine dust lung disease in the modern era. Respirology. 2017; 22(4): 662–70. https://doi.org/10.1111/resp.13034Perret J.L., Plush B., Lachapelle P., Hinks T.S., Walter C., Clarke P. et al. Coal mine dust lung disease in the modern era. Respirology. 2017; 22(4): 662–70. https://doi.org/10.1111/resp.13034Величковский Б.Т. Патогенетическая классификация профессиональных заболеваний органов дыхания, вызванных воздействием фиброгенной пыли. Пульмонология. 2008; (4): 93–101.Velichkovskiy B.T. Pathogenic classification of occupational respiratory diseases caused by exposure of fibrogenic dust. Pul’monologiya. 2008; (4): 93–101. (in Russian)Фоменко Д.В., Уланова Е.В., Громов К.Г., Казицкая А.С., Бондарев О.И. Медико-биологическое исследование влияния угольной пыли как фактора интоксикации. Бюллетень ВСНЦ СО РАМН. 2006; (1): 278–83.Fomenko D.V., Ulanova E.V., Gromov K.G., Kazitskaya A.S., Bondarev O.I. Medical and biologic research of coal dust exposure as intoxication factor. Byulleten’ VSNTs SO RAMN. 2006; (1): 278–83. (in Russian)Shan H., Li T., Zhang L., Yang R., Li Yu., Zhang M., et al. Heme oxygenase-1 prevents heart against myocardial infarction by attenuating ischemic injury-induced cardiomyocytes senescence. EBioMedicine. 2019; 39: 59–68. https://doi.org/10.1016/ j.ebiom.2018.11.056Shan H., Li T., Zhang L., Yang R., Li Yu., Zhang M., et al. Heme oxygenase-1 prevents heart against myocardial infarction by attenuating ischemic injury-induced cardiomyocytes senescence. EBioMedicine. 2019; 39: 59–68. https://doi.org/10.1016/ j.ebiom.2018.11.056Pinho R.A., Bonatto F., Andrades M., Frota M.L., Ritter C., Klamt F. et al. Lung oxidative response after acute coal dust exposure. Environ Res. 2004; 96(3): 290–7. https://doi.org/10.1016/j.envres.2003.10.006Pinho R.A., Bonatto F., Andrades M., Frota M.L., Ritter C., Klamt F. et al. Lung oxidative response after acute coal dust exposure. Environ Res. 2004; 96(3): 290–7. https://doi.org/10.1016/j.envres.2003.10.006Xing J.C., Chen W.H., Han W.H., Guo M.F., Rehn S., Bruch J. Changes of tumor necrosis factor, surfactant protein A, and phospholipids in bronchoalveolar lavage fluid in the development and progression of coal workers’ pneumoconiosis. Biomed Environ Sci. 2006; 19(2): 124–9.Xing J.C., Chen W.H., Han W.H., Guo M.F., Rehn S., Bruch J. Changes of tumor necrosis factor, surfactant protein A, and phospholipids in bronchoalveolar lavage fluid in the development and progression of coal workers’ pneumoconiosis. Biomed Environ Sci. 2006; 19(2): 124–9.Ulker O., Yucesoy B., Demir O., Tekin I., Karakaya A. Serum and BAL cytokine and antioxidant enzyme levels at different stages of pneumoconiosis in coal workers. Hum Exp Toxicol. 2008; 27(12): 871–7. https://doi.org/10.1177/0960327108098332Ulker O., Yucesoy B., Demir O., Tekin I., Karakaya A. Serum and BAL cytokine and antioxidant enzyme levels at different stages of pneumoconiosis in coal workers. Hum Exp Toxicol. 2008; 27(12): 871–7. https://doi.org/10.1177/0960327108098332Pandey J.K., Agarwal D. Biomarkers: A potential prognostic tool for silicosis. Indian J Occup Environ Med. 2012; 16(3): 101–7. https://doi.org/10.4103/0019-5278.111746Pandey J.K., Agarwal D. Biomarkers: A potential prognostic tool for silicosis. Indian J Occup Environ Med. 2012; 16(3): 101–7. https://doi.org/10.4103/0019-5278.111746Жукова А.Г., Михайлова Н.Н., Сазонтова Т.Г., Жданова Н.Н., Казицкая А.С., Бугаева М.С. и соавт. Участие свободнорадикальных процессов в структурно-метаболических нарушениях ткани лёгких в динамике воздействия угольно-породной пыли и их адаптогенная коррекция. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2019; 168(10): 420–24.Zhukova A.G., Mikhaylova N.N., Sazontova T.G., Zhdanova N.N., Kazitskaya A.S., Bugaeva M.S. et al. Participation of free-radical processes in structural and metabolic disordes of lung tissues in the dynamics of coal-rock dust exposure and the adaptogenic correction. Byulleten’ eksperimental’noy biologii i meditsiny. 2019; 168(10): 420–24. (in Russian)Захаренков В.В., Михайлова Н.Н., Жданова Н.Н., Горохова Л.Г., Жукова А.Г. Экспериментальное исследование механизмов внутриклеточной защиты кардиомиоцитов, ассоциированной с фазами развития антракосиликоза. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2019; 159(4): 418–22.Zakharenkov V.V., Mikhaylova N.N., Zhdanova N.N., Gorokhova L.G., Zhukova A.G. Experimental study of the mechanisms of intracellular defense in cardiomyocytes associated with stages of anthracosilicosis development. Bulletin of Byulleten’ eksperimental’noy biologii i meditsiny. 2019; 159(4): 418–22. (in Russian)Xing J.C., Chen W.H., Wang F., Han W.H., Ren H.M., Wu T.C. [Relationship between dust exposure and chronic obstructive pulmonary diseases and heat shock protein 72 and 73 in lymphocytes among coal miners]. Zhonghua Lao Dong Wei Sheng Zhi Ye Bing Za Zhi. 2006; 24(9): 540–3. (in Chinese)Xing J.C., Chen W.H., Wang F., Han W.H., Ren H.M., Wu T.C. [Relationship between dust exposure and chronic obstructive pulmonary diseases and heat shock protein 72 and 73 in lymphocytes among coal miners]. Zhonghua Lao Dong Wei Sheng Zhi Ye Bing Za Zhi. 2006; 24(9): 540–3. (in Chinese)Wang H., Xing J., Wang F., Han W., Ren H., Wu T. et al. Expression of Hsp27 and Hsp70 in lymphocytes and plasma in healthy workers and coal miners with lung cancer. J Huazhong Univ Sci Technol Med Sci. 2010; 30(4): 415–20. https://doi.org/10.1007/s11596-010-0441-5Wang H., Xing J., Wang F., Han W., Ren H., Wu T. et al. Expression of Hsp27 and Hsp70 in lymphocytes and plasma in healthy workers and coal miners with lung cancer. J Huazhong Univ Sci Technol Med Sci. 2010; 30(4): 415–20. https://doi.org/10.1007/s11596-010-0441-5Горохова Л.Г., Бугаева М.С., Уланова Е.В., Фоменко Д.В., Кизиченко Н.В., Михайлова Н.Н. Способ затравки лабораторных животных пылью промышленного происхождения для моделирования силикоза. Патент РФ № 2546096; 2015.Gorokhova L.G., Bugaeva M.S., Ulanova E.V., Fomenko D.V., Kizichenko N.V., Mikhaylova N.N. Method of priming laboratory animals with industrial dust for modeling silicosis. Patent RF № 2546096; 2015. (in Russian)Архипенко Ю.В., Диденко В.В., Сазонтова Т.Г., Меерсон Ф.З. Сравнительная оценка влияния иммобилизационного стресса на динамику устойчивости к индукции перекисного окисления липидов внутренних органов и головного мозга. Доклады Академии наук СССР. 1989; 304(6): 1500–3.Arkhipenko Yu.V., Didenko V.V., Sazontova T.G., Meerson F.Z. Comparative assessment of the effect of immobilization stress on the dynamics of resistance to induction of lipid peroxidation of internal organs and the brain. Doklady Akademii nauk SSSR. 1989; 304(6): 1500–3. (in Russian)Михайлова Н.Н., Захаренков В.В., Бугаева М.С., Бондарев О.И., Казицкая А.С., Кизиченко Н.В. и соавт. Специфичность морфологических изменений в органах-мишенях, ассоциированных с воздействием на организм угольно-породной пыли и соединений фтора. Медицина труда и промышленная экология. 2016; (5): 11–5.Mikhaylova N.N., Zakharenkov V.V., Bugaeva M.S., Bondarev O.I., Kazitskaya A.S., Kizichenko N.V. et al. Specificity of morphologic changes in target organs associated with exposure to coal rock dust and fluorine compounds. Meditsina truda i promyshlennaya ekologiya. 2016; (5): 11–5. (in Russian)Belkina L.M., Lakomkin V.L., Zhukova A.G., Kirillina T.N., Saltykova V.A., Sazontova T.G. et al. Heart resistance to oxidative stress in rats of different genetic strains. Byulleten’ eksperimental’noy biologii i meditsiny. 2004; 138(3): 219–22. https://doi.org/10.1007/s10517-005-0003-1Belkina L.M., Lakomkin V.L., Zhukova A.G., Kirillina T.N., Saltykova V.A., Sazontova T.G. et al. Heart resistance to oxidative stress in rats of different genetic strains. Byulleten’ eksperimental’noy biologii i meditsiny. 2004; 138(3): 219–22. https://doi.org/10.1007/s10517-005-0003-1Андреева Л.И., Бойкова А.А., Маргулис Б.А. Особенности внутриклеточного содержания и функциональная роль белков теплового шока семейства 70 кДа при стрессе и адаптации. Технологии живых систем. 2009; 6(3): 11–8.Andreeva L.I., Boykova A.A., Margulis B.A. Peculiarities of intracellular content and functional role of heat shock proteins 70 kDa under stress and adaptation. Tekhnologii zhivykh sistem. 2009; 6(3): 11–8. (in Russian)Михайлова Н.Н., Сазонтова Т.Г., Алехина Д.А., Казицкая А.С., Жданова Н.Н., Прокопьев Ю.А. и соавт. Особенности внутриклеточных защитных механизмов при действии на организм различных ксенобиотиков. Цитокины и воспаление. 2013; 12(4): 71–5.Mikhaylova N.N., Sazontova T.G., Alekhina D.A., Kazitskaya A.S., Zhdanova N.N., Prokop’ev Yu.A. et al. Features of intracellular protective mechanisms under the action of various xenobiotics on the body. Tsitokiny i vospalenie. 2013; 12(4): 71–5. (in Russian)Жукова А.Г., Казицкая А.С., Сазонтова Т.Г., Михайлова Н.Н. Гипоксией индуцируемый фактор (HIF): структура, функции и генетический полиморфизм. Гигиена и санитария. 2019; 98(7): 723–8. https://doi.org/10.18821/0016-9900-2019-98-7-723-728Zhukova A.G., Kazitskaya A.S., Sazontova T.G., Mikhaylova N.N. Hypoxia-inducible factor (HIF): structure, function, and genetic polymorphism. Gigiena i sanitariya. 2019; 98(7): 723–8. https://doi.org/10.18821/0016-9900-2019-98-7-723-728 (in Russian)Pittala V., Vanella L., Salerno L., Romeo G., Marrazzo A., Di Giacomo C. et al. Effects of polyphenolic derivatives on heme oxygenase-system in metabolic dysfunctions. Curr Med Chem. 2018; 25(13): 1577–95. https://doi.org/10.2174/0929867324666170616110748Pittala V., Vanella L., Salerno L., Romeo G., Marrazzo A., Di Giacomo C. et al. Effects of polyphenolic derivatives on heme oxygenase-system in metabolic dysfunctions. Curr Med Chem. 2018; 25(13): 1577–95. https://doi.org/10.2174/0929867324666170616110748Vona R., Gambardella L., Cittadini C., Straface E., Pietraforte D. Biomarkers of oxidative stress in metabolic syndrome and associated diseases. Oxid Med Cell Longev. 2019; 2019: 8267234. https://doi.org/10.1155/2019/8267234Vona R., Gambardella L., Cittadini C., Straface E., Pietraforte D. Biomarkers of oxidative stress in metabolic syndrome and associated diseases. Oxid Med Cell Longev. 2019; 2019: 8267234. https://doi.org/10.1155/2019/8267234Евдонин А.Л., Медведева Н.В. Внеклеточный белок теплового шока 70 и его функции. Цитология. 2009; 51(2): 130–7.Evdonin A.L., Medvedeva N.V. The extracellular heat shock protein 70 and its functions. Tsitologiya. 2009; 51(2): 130–7. (in Russian)Cornelussen R.N., Knowlton A.A. Heme-oxygenase-1: versatile sentinel against injury. J Mol Cell Cardiol. 2002; 34(10): 1297–300. https://doi.org/10.1006/jmcc.2002.2099Cornelussen R.N., Knowlton A.A. Heme-oxygenase-1: versatile sentinel against injury. J Mol Cell Cardiol. 2002; 34(10): 1297–300. https://doi.org/10.1006/jmcc.2002.2099Melling C.W., Thorp D.B., Milne K.J., Krause M.P., Noble E.G. Exercise-mediated regulation of Hsp70 expression following aerobic exercise training. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2007; 293(6): H3692–8. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00827.2007Melling C.W., Thorp D.B., Milne K.J., Krause M.P., Noble E.G. Exercise-mediated regulation of Hsp70 expression following aerobic exercise training. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2007; 293(6): H3692–8. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00827.2007Tsan M.F., Gao B. Heat-shock proteins and immune system. J Leukoc Biol. 2009; 85(6): 905–10. https://doi.org/10.1189/jlb.0109005Tsan M.F., Gao B. Heat-shock proteins and immune system. J Leukoc Biol. 2009; 85(6): 905–10. https://doi.org/10.1189/jlb.0109005Гарбуз Д.Г., Евгеньев М.Б. Эволюция генов теплового шока и характер экспрессии кодируемых ими белков у видов, обитающих в контрастных температурных условиях. Генетика. 2017; 53(1): 12–30. https://doi.org/10.7868/S0016675817010064Garbuz D.G., Evgen’ev M.B. The evolution of heat shock genes and expression patterns of heat shock proteins in the species from temperature contrasting habitats. Genetika. 2017; 53(1): 12–30. https://doi.org/10.7868/S0016675817010064 (in Russian)Hfaiedh N., Allagui M.S., El Feki A., Gaubin Y., Murat J.C., Soleilhavoup J.P. et al. Effects of nickel poisoning on expression pattern of the 72/73 and 94 kDa stress proteins in rat organs and in the COS-7, HepG2, and A549 cell lines. J Biochem Mol Toxicol. 2005; 19(1): 12–8. https://doi.org/10.1002/jbt.20056Hfaiedh N., Allagui M.S., El Feki A., Gaubin Y., Murat J.C., Soleilhavoup J.P. et al. Effects of nickel poisoning on expression pattern of the 72/73 and 94 kDa stress proteins in rat organs and in the COS-7, HepG2, and A549 cell lines. J Biochem Mol Toxicol. 2005; 19(1): 12–8. https://doi.org/10.1002/jbt.20056

The authors declare that there are no conflicts of interest present.