mesЭкстремальная биомедицинаExtreme Medicine2713-27572713-2765Centre for Strategic Planning of the Federal Medical and Biological Agency10.47183/mes.2024-26-4-38-48mes-229Research ArticleКЛИНИЧЕСКАЯ ФАРМАКОЛОГИЯCLINICAL PHARMACOLOGYЭкспериментальная модель судорожного синдрома на основе фенилкарбаматаExperimental model of convulsive syndrome based on phenylcarbamatehttps://orcid.org/0000-0003-1803-3815МелеховаА. С.MelekhovaA. S.

Мелехова Александра Сергеевна

Санкт-Петербург

Saint-Petersburg

melehovaalexandra@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9343-4144БельскаяА. В.BelskayaA. V.

Бельская Алиса Владимировна

Санкт-Петербург

Saint-Petersburg

belskayaalisa@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9183-7663ЗоринаВ. Н.ZorinaV. N.

Зорина Вероника Николаевна, д-р биол. наук

Санкт-Петербург

Saint-Petersburg

nilimmun@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2996-5151МельниковаМ. В.MelnikovaM. G.

Мельникова Маргарита Викторовна

Санкт-Петербург

 

Saint-Petersburg

margarita10108@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7622-0390КубарскаяЛ. Г.KubarskayaL. G.

Кубарская Лариса Георгиевна, канд. биол. наук

Санкт-Петербург

Saint-Petersburg

larkub@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9942-2742ГайковаО. Н.GaikovaO. N.

Гайкова Ольга Николаевна, д-р биол. наук

Санкт-Петербург

Saint-Petersburg

olga-gaykova@yandex.ruНаучно-клинический центр токсикологии имени академика С.Н. Голикова Федерального медико-биологического агентстваРоссияGolikov Research Center of ToxicologyRussian Federation2024061120242643848Copyright © Мелехова А.С., Бельская А.В., Зорина В.Н., Мельникова М.В., Кубарская Л.Г., Гайкова О.Н., 20242024Мелехова А.С., Бельская А.В., Зорина В.Н., Мельникова М.В., Кубарская Л.Г., Гайкова О.Н.Melekhova A.S., Belskaya A.V., Zorina V.N., Melnikova M.G., Kubarskaya L.G., Gaikova O.N.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.extrememedicine.ru/jour/article/view/229Введение

Введение. Карбаматы широко используются в фармацевтической промышленности, сельском хозяйстве и бытовой химии. Являясь обратимыми ингибиторами холинэстераз, карбаматы могут вызывать развитие генерализованного судорожного синдрома. Несвоевременное лечение способствует формированию стойких неврологических нарушений. Для разработки и адекватной оценки специфической активности в доклинических исследованиях новых средств купирования судорожного синдрома при острых интоксикациях данной группой веществ необходима легко воспроизводимая экспериментальная модель судорожного синдрома на основе карбаматов.

Цель

Цель. Разработка экспериментальной модели генерализованного судорожного синдрома на крысах с применением фенилкарбамата как модельного токсиканта для тестирования в доклинических исследованиях средств терапии при отравлении ингибиторами холинэстераз.

Материалы и методы

Материалы и методы. Исследование проведено на беспородных половозрелых крысах-самцах возрастом 3 месяца (80 животных), распределенных на 4 группы (3 опытные и 1 контрольная). На первом этапе сравнивали параметры судорожного синдрома, вызываемого модельными токсикантами: фенилкарбаматом в дозе 1 мг/кг м.т., коразолом в дозе 65 мг/кг м.т. и тиосемикарбазидом в дозе 8 мг/кг м.т. Изучены: двигательная активность (в тесте «Открытое поле»), нейромоторные функции (тест на силу хвата), когнитивные функции (по условной реакции пассивного избегания болевого раздражения — УРПИ) и показатели сердечно-сосудистой системы (оценка ЭКГ и ритмограммы сердца). Выраженность судорожного синдрома определяли по шкале Racine. Дополнительно оценивали структуру тканей мозга гистологическими методами. На втором этапе изучали биохимические показатели в 3-х опытных (с токсикантами) и контрольной группах. В сыворотке крови изучены некоторые биохимические показатели, оценивающие функцию печени, почек, прооксидантной и антиоксидантной систем. На третьем этапе изучали активность холинэстеразы в крови и головном мозге у 30 контрольных и 30 опытных крыс после воздействия фенилкарбамата. Статистическая обработка результатов осуществлялась с помощью Statistica v.10.

Результаты

Результаты. При моделировании судорожного синдрома у крыс по времени наступления латентного периода, продолжительности и интенсивности судорог фенилкарбамат сопоставим с коразолом. При реализации модели зафиксировано достоверное снижение частоты сердечных сокращений через 48 ч после введения. В тесте УРПИ установлено, что введение увеличивает время первого захода в темный отсек до обучения. Достоверные изменения маркеров функции печени (АЛТ, билирубин, холестерин, триглицериды), перекисного окисления липидов и антиоксидантной системы (МДА, ГП) подтверждают наличие комплексных механизмов развития судорог и неврологических нарушений. Результаты гистологического исследования тканей мозга свидетельствуют, что фенилкарбамат провоцирует выраженные нарушения структуры мозга в эксперименте на крысах.

Выводы

Выводы. Разработанная экспериментальная модель судорожного синдрома у крыс на основе фенилкарбамата проста в воспроизведении и может эффективно применяться в доклинических исследованиях новых средств купирования судорожного синдрома при отравлении ингибиторами холинэстераз.

Introduction

Introduction. Carbamates are widely used in the pharmaceutical industry, agriculture, and household chemicals. Being reversible cholinesterase inhibitors, carbamates can cause the development of generalized convulsive syndrome. Untimely treatment contributes to the emergence of persistent neurological disorders. In order to develop and adequately assess in preclinical studies the specific activity of new drugs for the relief of convulsive syndrome in acute intoxication with this group of substances, an easily reproducible experimental model of convulsive carbamate-induced syndrome is required.

Objective

Objective. Development of an experimental model of generalized convulsive syndrome in rats using phenylcarbamate as a model toxicant for testing in preclinical studies of therapies for poisoning with cholinesterase inhibitors.

Materials and methods

Materials and methods. The study was performed using mongrel sexually mature male rats, aged 3 months (80 animals), divided into 4 groups (3 experimental and 1 control). At the first stage, the parameters of convulsive syndrome caused by model toxicants were compared: phenylcarbamate 1 mg/kg bw, corazol 65 mg/kg bw, and thiosemicarbazide 8 mg/kg bw. The following parameters were studied: motor activity (open field test), neuromotor functions (grip strength test), cognitive functions (conditioned avoidance responses, CAR), and cardiovascular indicators (ECG and cardiac rhythmogram assessment). The severity of the convulsive syndrome was identified by Racine stages. Additionally, the structure of brain tissues was evaluated by histological methods. second stage, biochemical parameters were studied in three experimental (with toxicants) and control groups. Some biochemical parameters were studied in the blood serum, assessing the function of the liver, kidneys, prooxidant and antioxidant systems. At the third stage, the activity of cholinesterase in the blood and brain was studied in 30 control and 30 experimental rats after phenylcarbamate exposure. Statistical processing of the results was carried out using Statistica v.10.

Results

Results. When modeling convulsive syndrome in rats, phenylcarbamate is comparable to corazol in terms of the onset of the latency period, duration and intensity of seizures. When implementing the model, a significant decrease in heart rate was recorded 48 h after administration. The CAR test found that the introduced substance increases the time of the first entry into the dark compartment before training. Significant changes in markers of liver function (ALT, bilirubin, cholesterol, triglycerides), lipid peroxidation and the antioxidant system (MDA, GPx) confirm the complexity of mechanisms responsible for the development of seizures and neurological disorders. The results of histological examination of brain tissues indicate that phenylcarbamate induces pronounced disorders of the brain structure in an experiment on rats.

Conclusions

Conclusions. The developed experimental model of phenylcarbamate-based convulsive syndrome in rats is easy to reproduce, thus being recommended for preclinical studies of new drugs for the relief of convulsive syndrome in poisoning with cholinesterase inhibitors.

карбаматсудорожный синдромингибитор холинэстеразыэкспериментальная модельдоклинические исследованияcarbamateconvulsive syndromecholinesterase inhibitorexperimental modelpreclinical studiesРабота выполнена в рамках государственного задания ФМБА по теме НИР «Изучение эффективности и безопасности субстанции аминоэфира вальпроевой кислоты как лекарственного препарата фармакотерапии токсического судорожного синдрома» (шифр «Антистатус», рeг. № 121041500281-1), по теме «Разработка оригинальных фармацевтических субстанций – антагонистов ингибиторов холинэстеразы» (шифр «Проводник», рeг. № 124022400179-8)The work was performed within the framework of the state assignment of the FMBA on the research topic "Study of the effectiveness and safety of the valproic acid aminoester substance as a drug for pharmacotherapy of toxic convulsive syndrome" (cipher "Antistatus", reg. № 121041500281-1), on the topic "Development of original pharmaceutical substances antagonists of cholinesterase inhibitors" (cipher "Conductor", reg. № 124022400179-8).ReferencesGhosh AK, Brindisi M. Urea derivatives in modern drug discovery and medicinal chemistry. J. Med. Chem. 2020;63:2751–88. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.9b01541Ghosh AK, Brindisi M. Urea derivatives in modern drug discovery and medicinal chemistry. J. Med. Chem. 2020;63:2751–88. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.9b01541Matosevic A, Bosak A. Carbamate Group as Structural Motif in Drugs: a review of carbamate derivatives used as therapeutic agents. Arhiv za higijenu rada i toksikologiju. 2020;71(4):285–99. https://doi.org/10.2478/aiht-2020-71-3466Matosevic A, Bosak A. Carbamate Group as Structural Motif in Drugs: a review of carbamate derivatives used as therapeutic agents. Arhiv za higijenu rada i toksikologiju. 2020;71(4):285–99. https://doi.org/10.2478/aiht-2020-71-3466King AM, Aaron CK. Organophosphate and carbamate poisoning. Emerg Med Clin North Am.2015;33(1):133–51. https://doi.org/10.1016/j.emc.2014.09.010King AM, Aaron CK. Organophosphate and carbamate poisoning. Emerg Med Clin North Am.2015;33(1):133–51. https://doi.org/10.1016/j.emc.2014.09.010Mangaly AJ, Radhakrishnan C. Alternate Biochemical Markers in Organophosphate Poisoning. J Assoc Physicians India. 2023;71(8):11–2. https://doi.org/10.59556/japi.71.0325Mangaly AJ, Radhakrishnan C. Alternate Biochemical Markers in Organophosphate Poisoning. J Assoc Physicians India. 2023;71(8):11–2. https://doi.org/10.59556/japi.71.0325Morgan JE, Wilson SC, Travis BJ, Bagri KH, Pagarigan KT, Belski HM, et al. Refractory and Super-Refractory Status Epilepticus in Nerve Agent-Poisoned Rats Following Application of Standard Clinical Treatment Guidelines. Front Neurosci.2021;15:732213. https://doi.org/10.3389/fnins.2021.732213Morgan JE, Wilson SC, Travis BJ, Bagri KH, Pagarigan KT, Belski HM, et al. Refractory and Super-Refractory Status Epilepticus in Nerve Agent-Poisoned Rats Following Application of Standard Clinical Treatment Guidelines. Front Neurosci.2021;15:732213. https://doi.org/10.3389/fnins.2021.732213Alozi M, Rawas-Qalaji M Treating organophosphates poisoning: management challenges and potential solutions. Crit Rev Toxicol.2020;50(9):764–79. https://doi.org/10.1080/10408444.2020.1837069Alozi M, Rawas-Qalaji M Treating organophosphates poisoning: management challenges and potential solutions. Crit Rev Toxicol.2020;50(9):764–79. https://doi.org/10.1080/10408444.2020.1837069Leung MCK, Meyer JN. Mitochondria as a target of organophosphate and carbamate pesticides: Revisiting common mechanisms of action with new approach methodologies. Reprod Toxicol. 2019;89:83–92. https://doi.org/10.1016/j.reprotox.2019.07.007Leung MCK, Meyer JN. Mitochondria as a target of organophosphate and carbamate pesticides: Revisiting common mechanisms of action with new approach methodologies. Reprod Toxicol. 2019;89:83–92. https://doi.org/10.1016/j.reprotox.2019.07.007Mudyanselage AW, Wijamunige BC, Kocon A, Carter WG. Differentiated Neurons Are More Vulnerable to Organophosphate and Carbamate Neurotoxicity than Undifferentiated Neurons Due to the Induction of Redox Stress and Accumulate Oxidatively-Damaged Proteins. Brain Sci. 2023;13(5):728. https://doi.org/10.3390/brainsci1305072Mudyanselage AW, Wijamunige BC, Kocon A, Carter WG. Differentiated Neurons Are More Vulnerable to Organophosphate and Carbamate Neurotoxicity than Undifferentiated Neurons Due to the Induction of Redox Stress and Accumulate OxidativelyDamaged Proteins. Brain Sci. 2023;13(5):728. https://doi.org/10.3390/brainsci1305072Löscher W. Animal Models of Seizures and Epilepsy: Past, Present, and Future Role for the Discovery of Antiseizure Drugs. Neurochem Res. 2017;42(7):1873–88. https://doi.org/10.1007/s11064-017-2222-zLöscher W. Animal Models of Seizures and Epilepsy: Past, Present, and Future Role for the Discovery of Antiseizure Drugs. Neurochem Res. 2017;42(7):1873–88. https://doi.org/10.1007/s11064-017-2222-zMcCarren HS, McDonough JH Jr. Anticonvulsant discovery through animal models of status epilepticus induced by organophosphorus nerve agents and pesticides. Ann N Y Acad Sci. 2016;1374(1):144–50. https://doi.org/10.1111/nyas.13092McCarren HS, McDonough JH Jr. Anticonvulsant discovery through animal models of status epilepticus induced by organophosphorus nerve agents and pesticides. Ann N Y Acad Sci. 2016;1374(1):144–50. https://doi.org/10.1111/nyas.13092СанПиН 3.3686-21 Санитарно-эпидемиологические требования по профилактике инфекционных болезней. СанПиН 3.3686-21 Санитарно-эпидемиологические требования по профилактике инфекционных болезней.СанПиН 3.3686-21 Санитарно-эпидемиологические требования по профилактике инфекционных болезней. СанПиН 3.3686-21 Санитарно-эпидемиологические требования по профилактике инфекционных болезней.Обоснование и разработка порядка применения наиболее эффективных препаратов, предлагаемых в качестве средств фармакологической коррекции последствий отравлений веществами судорожного действия. Отчет о НИР (заключительный). ФГБУН ИТ ФМБА России, рук. Петров А.Н., исполн.: Войцехович К.О. и др.СПб.; 2017 г. № 115021340031. Обоснование и разработка порядка применения наиболее эффективных препаратов, предлагаемых в качестве средств фармакологической коррекции последствий отравлений веществами судорожного действия. Отчет о НИР (заключительный). ФГБУН ИТ ФМБА России, рук. Петров А.Н., исполн.: Войцехович К.О. и др.СПб.;2017 г. № 115021340031.Обоснование и разработка порядка применения наиболее эффективных препаратов, предлагаемых в качестве средств фармакологической коррекции последствий отравлений веществами судорожного действия. Отчет о НИР (заключительный). ФГБУН ИТ ФМБА России, рук. Петров А.Н., исполн.: Войцехович К.О. и др.СПб.; 2017 г. № 115021340031. Обоснование и разработка порядка применения наиболее эффективных препаратов, предлагаемых в качестве средств фармакологической коррекции последствий отравлений веществами судорожного действия. Отчет о НИР (заключительный). ФГБУН ИТ ФМБА России, рук. Петров А.Н., исполн.: Войцехович К.О. и др.СПб.;2017 г. № 115021340031.Беспалов АЯ, Прокопенко ЛИ, Горчакова ТЛ, Козлов ВК, Петров АН, Зайцева МА и др. Гидрохлориды замещенных 2-[(диметиламино)метил] арилдиметилкарбоматов, обладающие антихолинэстеразной активностью. Патент Российской Федерации № 2754133; 2021/Bespalov AYa, Prokopenko LI, Gorchakova TL, Kozlov VK, Petrov AN, Zaitseva MA, et al. Hydrochlorides of substituted 2-[(dimethylamino)methyl] aryldimethyl carbomates with anticholinesterase activity. Patent of the Russian Federation. No. 2754133; 2021 (In Russ.).Миронов АН. ред. Руководство по проведению доклинических исследований лекарственных средств. М.: Гриф и К; 2012.Mironov AN, ed. Guidelines for conducting preclinical studies of medicinal products. Moscow: Grif i K; 2012 (In Russ.).Racine RJ. Modification of seizure activity by electrical stimulation. II. Motor seizure. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 1972;32(3):281–94. https://doi.org/10.1016/0013-4694(72)90177-0Racine RJ. Modification of seizure activity by electrical stimulation. II. Motor seizure. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 1972;32(3):281–94. https://doi.org/10.1016/0013-4694(72)90177-0Hall CS Emotional behavior in the rat. III. The relationship between emotionality and ambulatory activity. J. comp. physiol. Psychol. 1936;22:345–52. https://doi.org/10.1037/h0059253Hall CS Emotional behavior in the rat. III. The relationship between emotionality and ambulatory activity. J. comp. physiol. Psychol. 1936;22:345–52. https://doi.org/10.1037/h0059253Струтынский АВ. Электрокардиограмма. Анализ и интерпретация. М.: МЕДпресс-информ; 2013.Strutynskij AV. Electrocardiogram. Analysis and interpretation. Мoscow: MEDpress- inform; 2013 (In Russ.).Батоцыренова ЕГ, Кашуро ВА, Шарабанов АВ. Фармакологическая коррекция отдаленных последствий острого тяжелого отравления тиопенталом натрия в условиях хронического светового десинхроноза. Биомедицина. 2021;17(3):23–8.Batotsyrenova EG, Kashuro VA, Sharabanov AV. Pharmacological correction of longterm effects of acute severe poisoning with sodium thiopental under chronic light desynchronosis. Journal Biomed. 2021;17(3):23–8 (In Russ.). https://doi.org/10.33647/2074-5982-17-3-23-28Habig WH. Assay for differentiation of glutathione S-transferases. Methods in Enzymology. 1981;77:398–405. https://doi.org/10.1016/s0076-6879(81)77053-8Habig WH. Assay for differentiation of glutathione S-transferases. Methods in Enzymology. 1981;77:398–405. https://doi.org/10.1016/s0076-6879(81)77053-8Ellman GL. Tissue sulfhydryl groups. Archives of Biochemistry and Biophysics. 1959;82(1):70–7. https://doi.org/10.1016/0003-9861(59)90090-6Ellman GL. Tissue sulfhydryl groups. Archives of Biochemistry and Biophysics. 1959;82(1):70–7. https://doi.org/10.1016/0003-9861(59)90090-6Uchiyama M. Determination of malonaldehyde precursor in tissues by thiobarbituric acid test. Analytical Biochemistry. 1978;86(1):271–8. https://doi.org/10.1016/0003-2697(78)90342-1Uchiyama M. Determination of malonaldehyde precursor in tissues by thiobarbituric acid test. Analytical Biochemistry. 1978;86(1):271–8. https://doi.org/10.1016/0003-2697(78)90342-1Ellmann GL, Courtney KD, Andress V, Fcatherstone RM. A new and rapid Colorimetric determination of activity acetylcholinesterase. Biochem.Pharmacol. 1961;7(2):88–95. https://doi.org/10.1016/0006-2952(61)90145-9Ellmann GL, Courtney KD, Andress V, Fcatherstone RM. A new and rapid Colorimetric determination of activity acetylcholinesterase. Biochem.Pharmacol. 1961;7(2):88–95. https://doi.org/10.1016/0006-2952(61)90145-9Yadav I. Study of Sick Euthyroid Syndrome in Organophosphate Poisoning. J Assoc Physicians India. 2022; 70(4):11–2.Yadav I. Study of Sick Euthyroid Syndrome in Organophosphate Poisoning. J Assoc Physicians India. 2022; 70(4):11–2.Senarathne R, Hettiaratchi U, Athiththan L, Peiris H, Sarathchandra C, Senanayake H, Weerawansa P, Siribaddana S. Selected Liver Markers in Predicting the Severity of Organophosphate and Carbamate Poisoning. J Environ Public Health. 2022:7826396. https://doi.org/10.1155/2022/7826396Senarathne R, Hettiaratchi U, Athiththan L, Peiris H, Sarathchandra C, Senanayake H, Weerawansa P, Siribaddana S. Selected Liver Markers in Predicting the Severity of Organophosphate and Carbamate Poisoning. J Environ Public Health. 2022:7826396. https://doi.org/10.1155/2022/7826396Булатова ИА, Щекотова АП, Карлышева КН. Особенности окислительного стресса при метаболическом синдроме с жировым поражением печени. Современные проблемы науки и образования. 2014:2. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=12473 (дата обращения: 26.04.2024).Bulatova IA, SHCHyokotova AP, Karlysheva KN. Features of oxidative stress in metabolic syndrome with fatty liver disease. Modern problems of science and education. 2014:2. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=12473 (In Russ.).

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