The influence of new coumarin derivatives on survival rate of mice in model conditions of acute hypoxia

Olga M. Rodionova; Родионова Ольга Михайловна; Albina F. Safonova; Сафонова Альбина Фёдоровна; Anton O. Kashirin; Каширин Антон Олегович; Valeriy A. Polukeev; Полукеев Валерий Анатольевич; Eugenii R. Bychkov; Бычков Евгений Рудольфович; Andrei A. Lebedev; Лебедев Андрей Андреевич; Petr D. Shabanov; Шабанов Петр Дмитриевич

doi:10.17816/MAJ19258

The influence of new coumarin derivatives on survival rate of mice in model conditions of acute hypoxia

Authors: Rodionova O.M.¹, Safonova A.F.¹, Kashirin A.O.¹, Polukeev V.A.¹, Bychkov E.R.¹, Lebedev A.A.¹, Shabanov P.D.¹^,2
Affiliations:
1. Institute of Experimental Medicine
2. S.M. Kirov Military Medical Academy
Issue: Vol 19, No 4 (2019)
Pages: 103-108
Section: Original research
URL: https://journals.eco-vector.com/MAJ/article/view/19258
DOI: https://doi.org/10.17816/MAJ19258
ID: 19258

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Objective. The article is devoted to study the anti-hypoxemic properties of new coumarin derivatives in the models of hypoxemic hypoxia with hypercapnia, hemic hypoxia and histotoxic hypoxia.

Materials and methods. Нypoxemic hypoxia with hypercapnia was modeled as follows: mice were placed in hermetic 200 cm³ jars one in a jar. Hemic hypoxia was reproduced in mice by single subcutaneous introduction of sodium nitrite in a dose of 230 mg/kg. Histotoxic hypoxia was caused in mice by intraperitoneal introduction of sodium nitroprusside in a dose of 20 mg/kg. Coumarin derivatives under lab codes IEM-2266 and IEM-2267 were dissolved in distilled water with addition of twin-80, and then a single intraperitoneal infusion of them in doses 25 and 50 mg/kg was made 45 minutes before placing to the model conditions. Increased life time of an animal compared with the control served the criterion of anti-hypoxemic effect of the studied substances.

Results. In hypoxemic hypoxia with hypercapnia test compound under IEM-2267 in doses of 25 and 50 mg/kg increased mice life time by 26 and 34% respectively in comparison with control. In hemic hypoxia model, the positive effect was seen with IEM-2266 compound in a dose of 50 mg/kg which increased life time of animals by 45% in comparison with control. In histotoxic hypoxia model, at preventive introduction of IEM-2266 compound in a dose of 25 mg/kg and IEM-2267 in a dose of 50 mg/kg life time increased up to 117% and 123% respectively.

Conclusion. The coumarin derivatives IEM-2266 and IEM-2267 relieved the course of acute hypoxia and increased life time of animals in the models of hypoxemic hypoxia with hypercapnia, hemic hypoxia and histotoxic hypoxia.

Keywords

hypoxemic hypoxia, hemic hypoxia, histotoxic hypoxia, coumarin derivatives

Full Text

Введение

Гипоксия, возникающая под влиянием различных воздействий, является одним из ведущих факторов патогенеза ряда заболеваний и во многом определяет тяжесть течения патологического процесса. В связи с этим поиск новых соединений, обладающих антигипоксической активностью, представляет значительный интерес для клинической медицины [1, 2]. Широкий спектр биологической активности природных кумаринов привлекает многих исследователей в связи с их возможным использованием в практике здравоохранения. Однако плохая растворимость и относительно высокая токсичность ограничивают их клиническое применение. Возможно, новые синтезированные производные кумарина окажутся более перспективны, чем их природные первоисточники. Из литературы известно, что кумарины и их аналоги обладают разнообразными фармакологическими свойствами: антикоагулянтным, антимикробным, противоопухолевым, коронарорасширяющим, противосудорожным, спазмолитическим, гипотензивным [3–5]. Однако фармакологическая активность соединений кумарина в отношении гипоксических состояний, развивающихся в результате недостаточного снабжения тканей кислородом или нарушения использования кислорода тканями, недостаточно изучена.

Целью настоящей работы явилось изучение антигипоксической активности новых синтетических производных кумарина (7-алкоксикумарина и 4-аминокумарина), синтезированных в отделе нейрофармакологии им. акад. С.В. Аничкова ФГБНУ «Институт экспериментальной медицины».

Материалы и методы

В работе использовали самцов беспородных мышей, полученных из питомника «Рапполово» (Ленинградская область, Россия). Животных содержали в стандартных условиях (температура воздуха 21–23 °С; 12-часовой цикл день/ночь) со свободным доступом к пище и воде.

Гипоксическую гипоксию с гиперкапнией моделировали на 36 мышах массой 25–28 г путем помещения мышей поодиночке в герметично закрытые сосуды объемом 200 см³. Антигипоксический эффект химических соединений оценивали по продолжительности жизни экспериментальных животных в гипокислородной среде с повышенным содержанием углекислого газа. Гемическую гипоксию создавали у 45 мышей массой 33–35 г подкожным введением 2,3 % раствора нитрита натрия в дозе 230 мг/кг. Гистотоксическую гипоксию вызывали внутрибрюшинным введением 40 мышам массой 30–35 г 0,2 % раствора нитропруссида натрия в дозе 20 мг/кг. При моделировании гемической и гистотоксической гипоксии нитрит натрия и нитропруссид натрия разводили в изотоническом растворе натрия хлорида в день эксперимента и вводили животным в объеме 10 мл/кг.

За 45 мин до моделирования гипоксии мышам внутрибрюшинно вводили новые синтетические производные кумарина: 7-алкоксикумарин (ИЭМ-2266) и 4-аминокумарин (ИЭМ-2267) в дозах ниже, чем 1/10 LD₅₀: 25 и 50 мг/кг. Соединения ИЭМ-2266 и ИЭМ-2267 растворяли в дистиллированной воде и/или в 0,05 % растворе твина-80. Антигипоксическую активность новых соединений сравнивали с контрольной группой, получавшей изотонический раствор натрия хлорида в эквивалентном объеме, и группой, получавшей препарат сравнения мексидол, который вводили внутрибрюшинно в дозе 200 мг/кг [6]. Об эффективности соединений судили по продолжительности жизни животных, оцениваемой в минутах [7].

Оценку статистической достоверности различий проводили при помощи пакета программ GraphPad Prism 6. Показатели в контрольной и экспериментальных группах сравнивали при помощи однофакторного дисперсионного анализа ANOVA и t-критерия Стьюдента. Различия считали статистически значимы при р < 0,05. Для представления полученных данных использовали среднее арифметическое значение и стандартную ошибку среднего.

Результаты исследования

В результате испытаний установлено, что исследуемые соединения обладают антигипоксической активностью. В тесте острой гипоксической гипоксии с гиперкапнией наблюдали гибель мышей контрольной группы через 20,8 ± 1,2 мин. Препарат сравнения мексидол в дозе 200 мг/кг увеличивал продолжительность жизни экспериментальных животных на 28 % по сравнению с контрольной группой. ИЭМ-2267 в дозах 25 и 50 мг/кг увеличивал данный показатель на 26 и 34 % соответственно. При введении ИЭМ-2266 отмечали незначительный антигипоксический эффект. Таким образом, наибольшую активность в данной модели гипоксии проявлял ИЭМ-2267 в дозе 50 мг/кг (табл. 1).

Таблица 1 / Table 1

Влияние производных кумарина на продолжительность жизни мышей при гипоксической гипоксии с гиперкапнией

The effect of coumarin derivatives on survival rate of mice in model of hypoxemic hypoxia with hypercapnia

Препарат	Дозы вещества, мг/кг	Продолжительность жизни мышей
Препарат	Дозы вещества, мг/кг	минуты	проценты
Контроль	–	20,8 ± 1,2 (21,0)	100
Мексидол	200	26,7 ± 1,8 (27,5)*	128
ИЭМ-2266 (7-алкоксикумарин)	25	23,3 ± 1,2 (23,0)	112
ИЭМ-2266 (7-алкоксикумарин)	50	26,0 ± 2,9 (22,5)	125
ИЭМ-2267 (4-аминокумарин)	25	26,2 ± 1,7 (25,5)*	126
ИЭМ-2267 (4-аминокумарин)	50	27,8 ± 2,8 (27,0)*	134

В условиях гемической гипоксии продолжительность жизни мышей контрольной группы составила 19,0 ± 1,4 мин. Препарат сравнения мексидол увеличивал данный показатель у экспериментальных животных на 38 %. Под влиянием соединения ИЭМ-2266, введенного в дозе 50 мг/кг, продолжительность жизни мышей достоверно увеличивалась на 45 %. С другой стороны, введение ИЭМ-2267 на данной модели гипоксии вызывало незначительный эффект. Таким образом, в тесте гемической гипоксии наибольшую активность проявлял ИЭМ-2266 в дозе 50 мг/кг (табл. 2).

Таблица 2 / Table 2

Влияние производных кумарина на продолжительность жизни мышей при гемической гипоксии

The effect of coumarin derivatives on survival rate of mice in model of hemic hypoxia

Препарат	Дозы вещества, мг/кг	Продолжительность жизни мышей
Препарат	Дозы вещества, мг/кг	минуты	проценты
Контроль	–	19,0 ± 1,4 (18,5)	100
Мексидол	200	26,3 ± 2,1 (26,0)*	138
ИЭМ-2266 (7-алкоксикумарин)	25	22,3 ± 1,4 (22,0)	117
ИЭМ-2266 (7-алкоксикумарин)	50	27,6 ± 1,7 (27,0)*	145
ИЭМ-2267 (4-аминокумарин)	25	25,3 ± 3,0 (26,5)	133
ИЭМ-2267 (4-аминокумарин)	50	19,4 ± 1,0 (20,0)	102

При гистотоксической гипоксии гибель мышей наступала через 16,7 ± 0,3 мин. Мексидол увеличивал продолжительность жизни на 32 %. При профилактическом введении соединений ИЭМ-2266 в дозе 25 мг/кг и ИЭМ-2267 в дозе 50 мг/кг продолжительность жизни достоверно увеличивалась на 17 и 23 % соответственно (табл. 3).

Таблица 3 / Table 3

Влияние производных кумарина на продолжительность жизни мышей при острой гистотоксической гипоксии

The effect of coumarin derivatives on survival rate of mice in model of histotoxic hypoxia

Препарат	Дозы вещества, мг/кг	Продолжительность жизни мышей
Препарат	Дозы вещества, мг/кг	минуты	проценты
Контроль	–	16,7 ± 0,3 (16,5)	100
Мексидол	200	22,0 ± 2,0 (21,5)*	132
ИЭМ-2266 (7-алкоксикумарин)	25	19,5 ± 0,3 (20,0)*	117
ИЭМ-2266 (7-алкоксикумарин)	50	16,0 ± 0,9 (17,0)	96
ИЭМ-2267 (4-аминокумарин)	25	19,2 ± 1,8 (17,5)	115
ИЭМ-2267 (4-аминокумарин)	50	20,5 ± 1,5 (19,0)*	123

Примечание: * p < 0,05 в сравнении с контрольной группой, данные представлены как среднее арифметическое ± стандартная ошибка среднего арифметического, в скобках указана медиана.

При острой гистотоксической гипоксии введение изучаемых веществ (ИЭМ-2266 и ИЭМ-2267) достоверно увеличивало продолжительность жизни животных.

Обсуждение

Гипоксия — это состояние, возникающее в организме в результате снижения доставки кислорода к тканям или нарушения его утилизации тканями. В клинике гипоксия чаще всего осложняет течение основного заболевания и сочетается с нарушением регуляторных функций и включением типовых и специфических патологических реакций. Специфическую группу гипоксических состояний составляет ишемия различных органов: мозга, сердца, легких, почек, печени, плода [8, 9]. Вещества, предупреждающие или ослабляющие воздействие кислородной недостаточности на организм, относятся к антигипоксическим средствам. В группу антигипоксантов входят соединения разных химических классов, но данные о корреляции между структурой веществ и антигипоксической активностью изучены недостаточно [10, 11].

В последнее время исследователей привлекают производные 4-аминокумаринов, которые обладают разнообразным спектром прикладных свойств — антимикробным, нейротропным и противосудорожным [12, 13]. В настоящей работе изучена антигипоксическая активность новых производных кумарина из группы 7-алкокси- и 4-аминокумаринов (ИЭМ-2266 и ИЭМ-2267 соответственно) на трех моделях острой гипоксии.

Гипоксическая гипоксия с гиперкапнией является наиболее простой методикой оценки противогипоксической активности исследуемых соединений и развивается при нормальном общем барометрическом давлении, но сниженном парциальном давлении кислорода во вдыхаемом воздухе. Такой вид гипоксии может развиваться при нахождении в небольших замкнутых помещениях, гермообъемах, при работе в шахтах, колодцах и т. д. В этих условиях в организме животного возникает артериальная гипоксемия — уменьшается напряжение кислорода в плазме артериальной крови, приводящей к недостаточному насыщению гемоглобина кислородом и снижению его содержания в крови. На фоне острой недостаточности кислорода и увеличении содержания СО₂ животное в опыте гибнет. Увеличение длительности жизни животного по сравнению с контролем считают положительной оценкой антигипоксического действия изучаемого вещества [14]. В нашем эксперименте наибольшую активность проявило соединение ИЭМ-2267 в дозах 25 и 50 мг/кг, которое увеличивало продолжительность жизни лабораторных животных на 26 и 34 % соответственно. Данное вещество относится к группе производных 4-аминокумаринов. Ранее было показано, что производные 4-аминокумаринов оказывают угнетающее действие на центральную нервную систему [13, 15]. В то же время известно, что фармакологические препараты, обладающие седативными свойствами, снижают энергетические потребности мозга и всего организма в целом и увеличивают выживаемость животных в разных моделях гипоксии [2, 16]. Таким образом, антигипоксическое действие ИЭМ-2267 в модели гипоксической гипоксии с гиперкапнией может быть связано с его влиянием на центральную нервную систему.

Гемическая гипоксия возникает вследствие нарушений в системе крови, а именно уменьшения ее кислородной емкости. Нитрит натрия, будучи мощным окислителем, прежде всего окисляет гемоглобин, превращая его в метгемоглобин, который неспособен обратимо связывать кислород. В результате этих процессов нарушается транспорт кислорода кровью и возникает гемическая гипоксия. При отравлении нитритом натрия создается порочный круг циркуляторных, метаболических и морфологических изменений в тканях [17]. Критерием оценки антигипоксического действия исследуемых веществ по данной методике является увеличение времени жизни животного по сравнению с контролем. В наших опытах при этом виде гипоксии наблюдали выраженное защитное действие другого производного кумарина — ИЭМ-2266 в дозе 50 мг/кг, который увеличивал продолжительность жизни мышей на 45 %. При этом соединение ИЭМ-2267 из группы 4-аминокумарина на данной модели было неэффективно.

Модель гистотоксической гипоксии характеризуется тем, что нитропруссид натрия не только вызывает блокаду дыхательных ферментов, но и значительно понижает артериальное давление за счет расширения периферических сосудов — артерий и вен [14]. На данной модели достоверный защитный эффект оказывали соединения ИЭМ-2266 (из группы 7-алкоксикумарина) в дозе 25 мг/кг и ИЭМ-2267 (из группы 4-аминокумарина) в дозе 50 мг/кг.

В наших исследованиях впервые продемонстрировано, что производные 7-алкокси- и 4-аминокумарина обладают антигипоксическими свойствами. Анализ полученных результатов свидетельствует о взаимосвязи структуры кумариновых соединений с особенностями их антигипоксического действия. ИЭМ-2267 из группы 4-аминокумарина проявил активность на модели гипоксической гипоксии с гиперкапнией. ИЭМ-2266 из группы 7-алкоксикумарина был активен на модели гемической гипоксии, которая обусловлена сниженной кислородной емкостью крови. На острой модели гистотоксической (тканевой) гипоксии оба препарата показали свою эффективность. Различная эффективность 7-алкокси- и 4-аминопроизводных кумарина, возможно, связана с их влиянием на разные патофизиологические механизмы, лежащие в основе разных видов гипоксии.

Следует также отметить, что степень полярности исследуемых производных кумарина различна. Данный показатель влияет на биодоступность препаратов в организме и, как следствие, на их фармакологическую активность. Это также может приводить к различиям в величине действующих доз и степени выраженности антигипоксического эффекта изучаемых соединений.

Таким образом, полученные данные предполагают, что 7-алкокси- и 4-аминопроизводные кумарина характеризуются различными механизмами антигипоксического действия и перспективны для дальнейшего изучения и потенциального использования в качестве антигипоксических средств.

Заключение

Оба изученных соединения из группы производных 7-алкоксикумарина (ИЭМ-2266) и 4-аминокумарина (ИЭМ-2267) оказывают выраженное антигипоксическое действие. Положительный эффект у соединения ИЭМ-2266 наблюдался на двух моделях гипоксии: гемической гипоксии и гистотоксической гипоксии, у соединения ИЭМ-2267 — на моделях гипоксической гипоксии с гиперкапнией и гистотоксической гипоксии. Положительный эффект данных соединений, возможно, связан с повышением устойчивости экспериментальных животных к гипоксии и временным улучшением утилизации кислорода тканями организма.

На основании данных, полученных в экспериментальных моделях гипоксии, установлено, что новые производные кумарина проявляют антигипоксическую активность, выраженность которой зависит от индивидуальной чувствительности животных, причины гипоксии, дозы и химического строения веществ.

Дополнительная информация

Финансирование. Исследование выполнено в рамках государственного задания по теме «Фармакологический анализ действия нейротропных средств, изучение внутриклеточных мишеней и создание систем направленной доставки», шифр 0557-2019-0004.

Соблюдение этических норм. Исследования проведены с соблюдением принципов гуманности (Директивы Европейского сообщества № 86/609 ЕС) и одобрены протоколом локального этического комитета при ФГБНУ «Институт экспериментальной медицины».

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов.

About the authors