Evaluation of ABCB1-protein inhibition prospectiveness in hematoencephalic barrier as method for increasing efficiency of pharmacotherapy in cerebral ischemia

Cover Page

Cite item

Abstract

The aim of the article is to evaluate the ABCB1 protein inhibition in the blood-brain barrier to increase the effectiveness of neuroprotective therapy for focal and global cerebral ischemia.

Materials and methods. The work was performed on 103 male Wistar rats. In the 1st group (n=33), the neuroprotective activity of the ABCB1 protein substrate, nimodipine (0.4 mg/kg), was analyzed in terms of reducing the area of the brain necrosis after a 1-hour occlusion of the middle cerebral artery with a 24-hour reperfusion (focal ischemia). In the 2nd group (n=60), the effectiveness of nimodipine was analyzed by reducing the lethality of rats and the neurological deficit (ND) level against the background of the bilateral occlusion of the common carotid arteries (global ischemia). In both groups, nimodipine was used alone or in the combination with omeprazole, the ABCB1 protein inhibitor (17.6 mg/kg). The drugs were administered intravenously.

Results. The nimodipine administration to the 1st group led to the reduction of the necrosis focus by 28% compared with the control series. Omeprazole did not cause a change in the area of the necrosis. The combination of drugs caused a decrease in the area of the necrosis in relation to the control by 29%; there were no differences in comparison with the nimodipine series. Nimodipine reduced the rats’ lethality in the 2nd group against the background of the pathology (a tendency). Omeprazole alone did not change the mortality. The drug combination reduced the mortality compared to the control and nimodipine series. The administration of omeprazole alone did not reduce the neurological deficit score relative to the control. In the nimodipine series, ND was 88% lower than the control, after 24 hours. With the administration of the drugs combination, this indicator decreased in relation to the control by 88%, 80%, 88%, 87% and 86% after 4, 12, 24, 48 and 72 hours, respectively, and in relation to the nimodipine series it decreased by 60% and 67% after 4 and 48 hours.

Conclusion. The ABCB1 protein inhibition is promising for increasing the effectiveness of neuroprotective therapy for global ischemia, but not for focal cerebral ischemia.

Abbreviations: BBB – blood-brain barrier; TTC – triphenyltetrazolium chloride; ATP – adenosine triphosphate; creb – cAMP response element-binding; Akt – protein kinase B (intracellular protein kinase B enzyme); IC50 – half-maximal (50%) inhibitory concentration.

About the authors

Ivan V. Chernykh

Ryazan State Medical University named after academician I.P. Pavlov

Email: ivchernykh88@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5618-7607

Candidate of Sciences (Biology), Associate Professor, Head of the Department of Pharmaceutical Chemistry

Russian Federation, 9, Vysokovoltnaya St., Ryazan, 390026

Aleksey V. Shchulkin

Ryazan State Medical University named after academician I.P. Pavlov

Email: alekseyshulkin@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0003-1688-0017

Doctor of Sciences (Medicine), Associate Professor, Professor of the Department of Pharmacology with the Course of Pharmacy

Russian Federation, 9, Vysokovoltnaya St., Ryazan, 390026

Maria V. Gatsanoga

Ryazan State Medical University named after academician I.P. Pavlov

Email: mvgatsanoga@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1116-6271

Candidate of Sciences (Medicine), Assistant of the Department of Pharmacology with the Course of Pharmacy

Russian Federation, 9, Vysokovoltnaya St., Ryazan, 390026

Elena N. Yakusheva

Ryazan State Medical University named after academician I.P. Pavlov

Author for correspondence.
Email: e.yakusheva@rzgmu.ru
ORCID iD: 0000-0001-6887-4888

Doctor of Sciences (Medicine), Professor, Head of the Department of Pharmacology with a Course in Pharmacy

Russian Federation, 9, Vysokovoltnaya St., Ryazan, 390026

References

  1. Chernykh IV, Shchulkin AV, Yakusheva EN, Popova NM. A role of P-glycoprotein in neurology. Zhurnal Nevrologii i Psikhiatrii imeni S.S. Korsakova. 2017;117(1):67–71. doi: 10.17116/jnevro20171171167-71. Russian
  2. Paul S, Candelario-Jalil E. Emerging neuroprotective strategies for the treatment of ischemic stroke: An overview of clinical and preclinical studies. Exp Neurol. 2021 Jan;335:113518. doi: 10.1016/j.expneurol.2020.113518.
  3. Lee CK, Choi JS, Choi DH. Effects of pravastatin on the pharmacokinetic parameters of nimodipine after oral and intravenous administration in rats: possible role of CYP3A4 inhibition by pravastatin. Indian J Pharmacol. 2012 Sep–Oct;44(5):624–8. doi: 10.4103/0253-7613.100395.
  4. Mohamed LA, Keller JN, Kaddoumi A. Role of P-glycoprotein in mediating rivastigmine effect on amyloid-β brain load and related pathology in Alzheimer’s disease mouse model. Biochim Biophys Acta. 2016 Apr;1862(4):778–787. doi: 10.1016/j.bbadis.2016.01.013.
  5. Cacabelos R. Pharmacogenomics of Cognitive Dysfunction and Neuropsychiatric Disorders in Dementia. Int J Mol Sci. 2020 Apr 26;21(9):3059. doi: 10.3390/ijms21093059.
  6. Powers WJ, Rabinstein AA, Ackerson T, Adeoye OM, Bambakidis NC, Becker K, Biller J, Brown M, Demaerschalk BM, Hoh B, Jauch EC, Kidwell CS, Leslie-Mazwi TM, Ovbiagele B, Scott PA, Sheth KN, Southerland AM, Summers DV, Tirschwell DL. Guidelines for the Early Management of Patients With Acute Ischemic Stroke: 2019 Update to the 2018 Guidelines for the Early Management of Acute Ischemic Stroke: A Guideline for Healthcare Professionals From the American Heart Association/American Stroke Association. Stroke. 2019 Dec;50(12):e344–e418. doi: 10.1161/STR.0000000000000211. Epub 2019 Oct 30. Erratum in: Stroke. 2019 Dec;50(12):e440–e441.
  7. Williams EI, Betterton RD, Davis TP, Ronaldson PT. Transporter-Mediated Delivery of Small Molecule Drugs to the Brain: A Critical Mechanism That Can Advance Therapeutic Development for Ischemic Stroke. Pharmaceutics. 2020; 12(2):154. doi: 10.3390/pharmaceutics12020154.
  8. Cen J, Liu L, Li MS, He L, Wang LJ, Liu YQ, Liu M, Ji BS. Alteration in P-glycoprotein at the blood-brain barrier in the early period of MCAO in rats. J Pharm Pharmacol. 2013 May;65(5):665–72. doi: 10.1111/jphp.12033.
  9. Chernykh IV, Yakusheva EN, Shchulkin AV, Vinogradov IYu, Titov DS. Ekspressiya glikoproteina-P v gematoencefalicheskom bar’ere pri dvuhstoronnej okklyuzii obshchih sonnyh arterij [Glycoprotein-P expression in the blood-brain barrier in bilateral occlusion of the common carotid arteries]. Scientif Bull Belgorod State University. 2015; 29(4 (201):91–5. Russian
  10. Samorodskaya IV, Andreev EM, Zaratyants OV, Kosivtsova OV, Kakorina EP. Cerebrovascular disease mortality rates in the population over 50 years of age in Russia and the USA over a 15-year period. Neurology, Neuropsychiatry, Psychosomatics. 2017;9(2):15–24. doi: 10.14412/2074-2711-2017-2-15-24. Russian
  11. Yang SH, Shetty RA, Liu R, Sumien N, Heinrich KR, Rutledge M, Thangthaeng N, Brun-Zinkernagel AM, Forster MJ. Endovascular middle cerebral artery occlusion in rats as a model for studying vascular dementia. Age (Dordr). 2006 Sep;28(3):297–307. doi: 10.1007/s11357-006-9026-4.
  12. Ye XL, Lu LQ, Li W, Lou Q, Guo HG, Shi QJ. Oral administration of ampelopsin protects against acute brain injury in rats following focal cerebral ischemia. Exp Ther Med. 2017 May;13(5):1725–34. doi: 10.3892/etm.2017.4197.
  13. Khaksar S, Bigdeli MR. Correlation Between Cannabidiol-Induced Reduction of Infarct Volume and Inflammatory Factors Expression in Ischemic Stroke Model. Basic Clin Neurosci. 2017 Mar–Apr;8(2):139–46. doi: 10.18869/nirp.bcn.8.2.139.
  14. Wang X, Wang C, Yang Y, Ni J. New monocyte locomotion inhibitory factor analogs protect against cerebral ischemia-reperfusion injury in rats. Bosn J Basic Med Sci. 2017 Aug 20;17(3):221–7. doi: 10.17305/bjbms.2017.1622.
  15. Leisz S, Simmermacher S, Prell J, Strauss C, Scheller C. Nimodipine-Dependent Protection of Schwann Cells, Astrocytes and Neuronal Cells from Osmotic, Oxidative and Heat Stress Is Associated with the Activation of AKT and CREB. Int J Mol Sci. 2019 Sep 16;20(18):4578. doi: 10.3390/ijms20184578.
  16. Regårdh CG, Gabrielsson M, Hoffman KJ, Löfberg I, Skånberg I. Pharmacokinetics and metabolism of omeprazole in animals and man – an overview. Scand J Gastroenterol Suppl. 1985;108:79–94. doi: 10.3109/00365528509095821.
  17. Shah Y, Iqbal Z, Ahmad L, Khuda F, Khan A, Khan A, Khan MI, Ismail. Effect of Omeprazole on the Pharmacokinetics of Rosuvastatin in Healthy Male Volunteers. Am J Ther. 2016 Nov/Dec;23(6):e1514-e1523. doi: 10.1097/MJT.0000000000000221.
  18. Andersson T, Cederberg C, Heggelund, A. et al. The Pharmacokinetics of Single and Repeated Once-Daily Doses of 10, 20 and 40mg Omeprazole as Enteric-Coated Granules. Drug Invest. 1991; 3: 45–52. doi: 10.1007/BF03259540.
  19. Khojasteh SC, Prabhu S, Kenny JR, Halladay JS, Lu AY. Chemical inhibitors of cytochrome P450 isoforms in human liver microsomes: a re-evaluation of P450 isoform selectivity. Eur J Drug Metab Pharmacokinet. 2011 Mar;36(1):1–16. doi: 10.1007/s13318-011-0024-2.
  20. Liu XQ, Ren YL, Qian ZY, Wang GJ. Enzyme kinetics and inhibition of nimodipine metabolism in human liver microsomes. Acta Pharmacol Sin. 2000 Aug;21(8):690–4.
  21. Xu L, Fagan SC, Waller JL, Edwards D, Borlongan CV, Zheng J, Hill WD, Feuerstein G, Hess DC. Low dose intravenous minocycline is neuroprotective after middle cerebral artery occlusion-reperfusion in rats. BMC Neurol. 2004 Apr 26;4:7. doi: 10.1186/1471-2377-4-7.
  22. Jin Z, Ke J, Guo P, Wang Y, Wu H. Quercetin improves blood-brain barrier dysfunction in rats with cerebral ischemia reperfusion via Wnt signaling pathway. Am J Transl Res. 2019 Aug 15;11(8):4683–95.
  23. Washida K, Hattori Y, Ihara M. Animal Models of Chronic Cerebral Hypoperfusion: From Mouse to Primate. Int J Mol Sci. 2019 Dec 7;20(24):6176. doi: 10.3390/ijms20246176.
  24. Li W, Suwanwela NC, Patumraj S. Curcumin prevents reperfusion injury following ischemic stroke in rats via inhibition of NF-κB, ICAM-1, MMP-9 and caspase-3 expression. Mol Med Rep. 2017 Oct;16(4):4710–20. doi: 10.3892/mmr.2017.7205.
  25. Feng B, Mills JB, Davidson RE, Mireles RJ, Janiszewski JS, Troutman MD, de Morais SM. In vitro P-glycoprotein assays to predict the in vivo interactions of P-glycoprotein with drugs in the central nervous system. Drug Metab Dispos. 2008 Feb;36(2):268–75. doi: 10.1124/dmd.107.017434.
  26. Tournier N, Goutal S, Auvity S, Traxl A, Mairinger S, Wanek T, Helal OB, Buvat I, Soussan M, Caillé F, Langer O. Strategies to Inhibit ABCB1- and ABCG2-Mediated Efflux Transport of Erlotinib at the Blood-Brain Barrier: A PET Study on Nonhuman Primates. J Nucl Med. 2017 Jan;58(1):117–22. doi: 10.2967/jnumed.116.178665.
  27. Damont A, Goutal S, Auvity S, Valette H, Kuhnast B, Saba W, Tournier N. Imaging the impact of cyclosporin A and dipyridamole on P-glycoprotein (ABCB1) function at the blood-brain barrier: A [(11)C]-N-desmethyl-loperamide PET study in nonhuman primates. Eur J Pharm Sci. 2016 Aug 25;91:98–104. doi: 10.1016/j.ejps.2016.06.005.
  28. Chernykh IV, Shchulkin AV, Yakusheva EN, Esenina AS, Gradinar MM, Mylnikov PY, Gatsanoga MV. P-glycoprotein Functional Activity in Blood-Brain Barrier During Ischemia-Reperfusion. Russian Journal of Physiology, 2019;105(5), 657–64. doi: 10.1134/S0869813919050133.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Figure 1 – Samples of rats’ brain sections after the occlusion-reperfusion of the middle cerebral artery

Download (94KB)

Copyright (c) 2022 Chernykh I.V., Shchulkin A.V., Gatsanoga M.V., Yakusheva E.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
 

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».