Влияние пирролохинолинхинона (PQQ) на рост и неонатальное развитие экспериментальных животных



В настоящее время достаточно большое количество исследований посвящено поиску различных веществ, оказывающих нейропротекторное и антиоксидантное действие. Открытый в конце ХХ века пирролохинолинхинон (PQQ) является важным нутрицевтическим фактором, он обладает уникальными окислительно-восстановительными свойствами, во много раз превосходящими многие известные антиоксиданты. Кроме того, он обладает способностью модулировать сигнальные системы, стимулировать активность факторов роста нервов, предотвращать некроз и апоптоз. В обзоре приводятся данные современной литературы, подтверждающие его важность для пре- и неонатального развития, а также влияние на фертильность экспериментальных животных.

Ключевые слова: пирролохинолинхинон, нейропротекция, антиоксиданты, фертильность, неонатальный период, когнитивные функции

Актуальность. Пирролохинолинхинон (PQQ) или метоксантин — является одним из производных хинона и был открыт сравнительно недавно, в 1979 году, при изучении мембранных дегидрогеназ метилотрофных бактерий. Позднее было обнаружено, что он широко распространен в различных тканях растений и животных. PQQ является необходимым компонентом для роста и развития, и поэтому в 2003 году он был отнесен к группе витамина В и в настоящее время известен так же как витамин В14 [1,2].

PQQ способен существовать в двух формах, как в восстановленной (пирролохинолиндигидрохинон, PQQH2), так и окисленной (пирролохинолинхинон, PQQ), при этом оставаясь стабильным до 20 000 циклов окисления-восстановления [1, 2]. Уникальные характеристики позволяют отнести PQQ к антиоксидантам, причем по своей эффективности он примерно в 100 раз превосходит даже такие широко известные антиоксиданты, как витамин С или полифенолы [3]. Биологическая роль PQQ в человеческом организме достаточно многообразна. В экспериментах in vitro было показано, что он катализирует реакцию респираторного взрыва при активации нейтрофилов [4], является потенциальным модулятором N-метил-D-аспартатного рецептора, проявляя при этом нейропротекторные свойства [5], стимулирует пролиферацию эпителиальных клеток путем активации рецептора эпидермального фактора роста (ФРЭ) [6]. Недавно было высказано предположение, что мишенью действия PQQ являются ингибиторы первого комплекса цепи переноса электронов (ЦПЭ) [7]. Было показано, что PQQ и его эфиры ОPQ (оксазол-пирролохинолинхинон, 2-метоксикарбонил- пирролохинолинхинон) являются мощными индукторами экспрессии фактора роста нервов (ФРН), причем наиболее сильный эффект оказывает эфир PQQ, содержащий метоксикарбонильную группу у C-2 и характеризующийся меньшей токсичностью, большей безопасностью и химической стойкостью [8, 9,10,11]. По данным Jensen и его коллег [12] при моделировании гипоксии и ишемических повреждений мозга у грызунов, PQQ защищает мозг от последствий инсульта и гипоксии как при введении до, так и при введении после повреждения, при этом не проявляя никаких значительных побочных эффектов.

В экспериментах PQQ повышает когнитивные способности и способности к обучению. Кроме того, существуют данные, что PQQ значительно улучшает способность к размножению, а также рост и развитие у животных.

Было показано, что PQQ в достаточно большом количестве содержится в человеческом молоке. Общее содержание PQQ и его эфира IPQ (имидазолпирролохинолинхинона) в человеческом молоке составляет 140–180 нг/мл. Содержание же в других тканях составляет приблизительно 0,8−5,9 нг/г [13]. Эти данные позволяют предположить важную роль и необходимость присутствия PQQ в питании, особенно в неонатальный период.

Целью настоящей работы является изучение данных современной литературы о влиянии PQQ на рост и неонатальное развитие.

Убедительные данные о положительном влиянии PQQ на фертильность мышей, а также рост и развитие новорожденных мышат, были получены в эксперименте, проведенном Steinberg и соавт. [14]. Самки мышей линии BALB/c были разделены на группы, получавшие питание с различным содержанием PQQ (100, 200, 300, 1000 или 5000 нг/г корма) или полностью его лишенную (0 нг/г корма). Такое питание мыши получали до оплодотворения и во время беременности. Было показано, что в группе, получавшей PQQ менее 300 нг/г корма, число рожденных крысят было ниже (4–5 крысят в помете), по сравнению с группой, получавшей PQQ более 1000 нг/г корма (в среднем 8 крысят в помете). Выживаемость новорожденных так же зависела от питания матерей. В группах, где самки крыс получали корм с низким содержанием PQQ (менее 300 нг/г), выжило 4 крысенка из 10, в то время как у матерей, получающих PQQ более 1000 нг/г, выжило 8 крысят из 10. Во второй части исследования для изучения влияния питания самок во время беременности и лактации на рост и развитие крысят, после отъема от матерей животные были разделены на три группы: первая — крысята, матери которых получали высокие дозы PQQ и в гестационный период и в период лактации (PQQ+); вторая — матери которых получали PQQ-дефицитный корм и в гестационный и в лактационный периоды (PQQ-); третья — детеныши, матери которых получали PQQ-дефицитный корм до родов, но обогащенный PQQ корм (более 1000 нг/г) во время лактации (PQQ+/-). В результате было показано, что в группах дефицитных по содержанию PQQ (PQQ-) у крысят наблюдалось снижение уровня интелейкина II (IL-II) — важного медиатора иммунного ответа и фактора роста лимфоцитов. Мышата, в рацион матерей которых входил PQQ (PQQ+), после рождения развивались нормально. Интересно, что наибольшего роста достигли мышата из группы PQQ+/-, матери которых не получали PQQ во время беременности, но получавшие во время лактации. Вероятно, стимуляция роста достигалась после пресыщения ограничивающим фактором (в данном случае дефицитом PQQ).

Изучался так же и иммунный ответ на различные митогены: конканавалин А и липополисахариды [15]. По сравнению с группами, получавшими PQQ (PQQ+ и PQQ+/-), у мышат из группы PQQ- было отмечено как снижение ответа Т-лимфоцитов на конканавалин А, так и снижение ответа В-лимфоцитов на стимуляцию липополисахаридом. Кроме того, была выявлена разница в уровнях цитокинов в зависимости от количества PQQ в питании. Уровень секреции IL-II в группе мышат PQQ — был значительно снижен, по сравнению с группами, получавшими достаточное количество PQQ.

В эксперименте, проведенном Steinberg и соавторами [16], у мышей линии BALB/с оценивалось влияние PQQ на фертильность, рост и жизнеспособность мышат, а также на индексы созревания и экспрессии коллагена. Было показано снижение детородной функции у мышей, диета которых была лишена PQQ, кроме того, отмечалось замедление роста у их потомства, по сравнению с потомством мышей, получающих достаточное количество PQQ в рационе. Более медленные темпы роста у потомства мышей с отсутствием PQQ в рационе были связаны со снижением количества проколлагена первого типа в коже и легких у новорожденных мышат, при этом наблюдалось снижение уровня м-РНК альфа-цепей первого типа поколлагена. Кроме того, у PQQ-дефицитных мышей наблюдалась тенденция к снижению лизилоксидазы, фермента, функцией которого является участие в образовании поперечных связей коллагеновых фибрилл, а также увеличивалась растворимость коллагена, что свидетельствует о его недостаточной зрелости. Примерно у 20–30 % мышей с дефицитом PQQ в рационе проявились внешние признаки его недостаточности: рыхлая кожа, средняя степень облысения, искривление позвоночника.Кроме того, из 40 мышей восемь погибли через 8 недель после перевода на PQQ-дефицитную диету. Основными причинами гибели были аневризмы аорты и внутрибрюшинные кровотечения. У выживших были распространены дивертикулиты. Внешне наиболее заметным изменением было повышение дряблости кожи, что объясняется нарушением синтеза коллагена при отсутствии в питании PQQ. Общее количество незрелого коллагена, выделенное у PQQ — лишенных мышей было в два раза выше, чем у мышей с добавлением PQQ в рационе [17]. Таким образом, на примере мышей линии BALB/c, результаты данного исследования показывают, что добавление в пищу PQQ может улучшить как репродуктивные функции, так и неонатальное развитие и рост потомства [16].

Интересные результаты были получены при изучении влияния PQQ на развитие жировой дистрофии печени у потомства мышей, получающих питание с высоким содержанием жиров и углеводов [17]. Беременных мышей разделили на две группы: первая получала высококалорийную диету, индуцирующую ожирение, вторая — сбалансированную диету; при этом часть мышей в каждой группе получала дополнительно воду с PQQ. Потомство мышей также кормили либо жирной пищей, либо здоровой. В результате были получены следующие данные: мышата, получавшие высококалорийное питание, вне зависимости от приема PQQ, имели больший вес, чем мыши в контрольной группе. Однако у мышат, с индуцированным ожирением, рацион которых был дополнительно обогащен PQQ наблюдался меньший уровень жирового гепатоза, чем у мышат, получавших такое же питание, но без PQQ. Причем разница в количестве жира в печени была заметна уже во внутриутробном периоде. Было показано, что PQQ снижал уровень окислительного стресса и экспрессию провоспалительных генов (Nos2, Nlrp3, Il6, and Ptgs2) у мышей с индуцированным ожирением, а также активировал гены PPARα, которые влияют на метаболизм и транспорт липидов, окисление жирных кислот и оказывают противоспалительные эффекты, связанные с ингибированием провоспалительных цитокинов. Данные результаты показывают, что добавление в рацион пиррохинолинхинона (PQQ), особенно в период беременности и лактации, способно защищать потомство от неалкогольного жирового гепатоза, при этом оказывая влияние и на следующее поколение [17].

Выводы. Приведенные выше данные подтверждают положительное влияние PQQ на репродуктивные возможности, неонатальный рост, развитие нервной и иммунной системы. Интересно, что стимуляция роста новорожденных может также наблюдаться и при отсутствии PQQ в рационе матери во время беременности, но присутствии его в рационе во время лактации. Эти данные свидетельствуют о том, что PQQ является чрезвычайно важным компонентом для развития организмов в период новорожденности. Приведены доказательства того, что недостаток PQQ влияет на снижение продукции цитокинов, в частности, IL-II2, приводящее к нарушению развития и функционирования иммунной системы в онтогенезе. Дефицит PQQ в период внутриутробного и неонатального развития приводит к нарушению созревания коллагена, негативно сказывающемуся на росте новорожденных животных. Кроме того, дефицит PQQ приводит снижению выработки ФРН, что может оказывать негативное влияние на развитие нервной системы. Приведены доказательства положительного влияния PQQ в пре- и постнатальном периоде на процессы жирового обмена, способствующего снижению уровня неалкогольного жирового гепатоза. Все эти данные указывают на важную роль PQQ в рационе как во время беременности и лактации, так и в неонатальный период.

Литература:

1. Tsuchida T, Yasuyama T, Higuchi K, Watanabe A, Urakami T, Akaike T, Sato K, Maeda H. The protective effect of pyrroloquinoline quinine and its derivatives against carbon tetrachloride-induced liver injury of rats // J. Gastroenterol Hepatol. 1993. Vol. 8. [P. 342–347.]
2. Urakarni T, Yoshida C, Akaike T, Maeda FL, Nishigori K, Niki E. Synthesis of monoesters of pyrroloquinoline quinone and imidazopyr-roloquinoline, and radical scavenging activities using electron spin resonance in vitro and pharmacological activity in vivo // J. Nutr Sci Vitaminol (Tokyo). 1997. Vol. 43. [P. 19–33.]
3. Paz MA, Flückiger R, Boak A, Kagan HM, Gallop PM. Specific detection of quinoproteins by redox-cycling staining // J. Biol. Chem. 1991. Vol. 266. [P. 689–692.]
4. Paz MA, Martin P, Fluckiger R, Mah J, Gallop PM. The catalysis of redox cycling by pyrroloquinoline quinone (PQQ), PQQ derivatives, and isomers and the specificity of inhibitors // Anal Biochem. 1996. Vol. 238. P. [145–149.]
5. Tang L-H, Aizerman E. The modulation of N-methyl-d-aspartate receptors by redox and alkylating reagents in rat cortical neurones in vitro // J. Physiol (Lond). 1993. Vol. 465 [P. 303–323.]
6. Hamagishi Y, Murata S, Kamei H, Oki T, Adachi O, Ameyama M. New biological properties of PQQ and its related compounds: inhibition of chemiluminescence, lipid peroxidation and rat paw edema // J. Pharmacol. Exp. Ther.1990. Vol. 255. [P. 980–85.]; Nishigori, H., Yasunagta, M., Mizumura, M., Lee, J. W., lwatsuru, M. Preventive effects of pyrroloquinoline quinine on formation of cataract and decline of lenticular and hepatic glutathione of developing chick embryo after glucocorticoid treatment // Life Sci. 1989. Vol. 45. [P. 593–598.]; Watanabe A., Hobara N., Ohsawa T., et al. Nephrotoxicity of pyrroloquinoline quinone in rats // Hiroshima J Med Sci. 1989. Vol. 1989. [P. 49–51.]
7. Kimura K, Takada M, Ishii T, Tsuji-Naito K, Akagawa M. Pyrroloquinoline quinone stimulates epithelial cell proliferation by activating epidermal growth factor receptor through redox cycling //Freeradicalbiology&medicine.2012.Vol.53. [P.1239–51.] doi:10.1016/j.freeradbiomed.2012.07.015.
8. Sofroniew MV, Howe CL, Mobley WC. Nerve growth factor signaling, neuroprotection, and neural repair // Annu Rev Neurosci.2001. Vol. 24. [P. 1217–1281.]
9. Castellanos MR, Aguiar J, Fernandez CI, Almaguer W, Mejias C, Varela A. Evaluation of the neurorestorative effects of the murine beta-nerve growth factor infusions in old rat with cognitive deficit // Biochem Biophys Res Commun. 2003. Vol. 312. [P. 867–72.]
10. Urakami T, Tanaka A, Yamaguchi K, Tsuji T, Niki E. Synthesis of esters of coenzyme PQQ and IPQ, and stimulation of nerve growth factor production. // Biofactors. 1995–1996. Vol. 5(3) [P. 139–46.]
11. Yamaguchi K, Sasano A, Urakami T, Tsuji T, Kondo K. Stimulation of nerve growth factor production by pyrroloquinoline quinone and its derivatives in vitro and in vivo // Biosci Biotechnol Biochem. 1993. Vol. Jul; 57(7). [P. 1231–3.]
12. Jensen FE, Gardner GI, Williams AP, Gallop PK Aizenman E, Rosenberg PA. The putative essential nutrient pyrroloquinoline quinone is neuroprotective in a rodent model of hypoxic/ischemic brain injury // Neuroscience. 1994. Vol. 62. [P. 399–406.]
13. Mitchell AE, Jones AD, Mercer RS, Rucker RB. Characterization of pyrroloquinoline quinone amino acid derivatives by electrospray ionization mass spectrometry and detection in human milk // Anal. Biochem. 1999. Vol. 269. [P. 317–325.]
14. Steinberg FM, Gershwin ME, Rucker RB
15. Dietary pyrroloquinoline quinone: Growth and immune response in BALB/c mice // J Nutr. 1994. Vol, 124. [P. 744–753.]
16. Steinberg F, Stites TE, Anderson P, Storms D, Chan I, Eghbali S, Rucker R.
17. Pyrroloquinoline quinone improves growth and reproductive performance in mice fed chemically defined diets //
18. Exp Biol Med. 2003. Vol. 228. [P. 160–166.]
19. Killgore J, Smidt C, Duich L, Romero-Chapman N, Tinker D, Reiser K, Melko M, Hyde D, Rucker RB.
20. Nutritional importance of pyrroloquinoline quinine //
21. Science. 1989. Vol. 245. [P. 850–852.]
22. Jonscher KR, Stewart MS, Alfonso-Garcia A, DeFelice BC, Wang XX, Luo Y, Levi M, Heerwagen MJ, Janssen RC, de la Houssaye BA, Wiitala E, Florey G, Jonscher RL, Potma EO, Fiehn O, Friedman JE. Early PQQ supplementation has persistent long-term protective effects on developmental programming of hepatic lipotoxicity and inflammation in obese mice // FASEB J. 2017. Vol. Apr; 31(4). [P. 1434–1448.]