ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КАЛЬЦИЯ ПО БИОХИМИЧЕСКИМ КОМПАРТМЕНТАМ СЫВОРОТКИ КРОВИ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ МИНЕРАЛЬНОГО СТРЕССА IN VITRO В КОНТЕКСТЕ ДИСФУНКЦИИ ЭНДОТЕЛИЯ

Основные положения

• В замкнутой альбуминсодержащей биохимической системе при моделировании супрафизиологического минерального стресса кальций распределяется по биохимическим компартментам в следующем соотношении: циркулирующие ионы (Ca²⁺) – 50%, связанный с альбумином (КПМ) – 20%, связанный с фосфором (КПЧ) – 30%.
• Соотношение несвязанного (свободного, ионизированного) и связанного с белками или фосфором кальция составляет 1 : 1, что соответствует физиологическому соотношению ионизированного и связанного кальция в циркулирующей крови и свидетельствует о физиологической релевантности выполненного моделирования.
• Даже при супрафизиологическом минеральном стрессе естественные минеральные депо (КПМ и КПЧ) поддерживают кальцийсвязывающую способность биохимической системы на физиологическом уровне (50%), а соотношение относительной кальциевой емкости КПМ и КПЧ в условиях супрафизиологического минерального стресса указывает на приоритетную роль КПЧ как буферной системы, ограничивающей неконтролируемое повышение ионизированного кальция в случае нарушения минерального баланса крови.

Аннотация

Цель. Сравнительный анализ содержания кальция в составе различных биохимических компартментов: ионизированного (свободно циркулирующего, несвязанного) кальция, кальций-альбуминовых КПМ (белоксвязанного кальция) и фосфорнокальциевых комплексов (КПЧ).

Материалы и методы. С целью приготовления биохимической системы для параллельного синтеза КПМ и КПЧ моделировали супрафизиологический минеральный стресс путем перенасыщения солевого раствора NaCl, содержащего физиологическую концентрацию альбумина, ионами кальция (CaCl₂) и фосфора (Na₂HPO₄). Разделение кальцийсодержаших биохимических компартментов производили путем ультрацентрифугирования (для выделения КПЧ) и ультрафильтрации (для разделения КПМ и пула свободных ионов). Измерение концентрации кальция проводили колориметрическим методом на основе реакции ортокрезолфталеинкомплексона с ионами кальция в щелочной среде.

Результаты. При моделировании минерального стресса получена замкнутая биохимическая система, в которой ионы кальция были свободно распределены по трем состояниям: циркулируя в свободном виде (Ca²⁺) либо находясь в составе КПМ (коллоидное первичное депо) или КПЧ (корпускулярное вторичное депо). Распределение кальция в виде свободно циркулирующих ионов (Ca²⁺) и при связывании с альбумином (КПМ) и с фосфором (КПЧ) составляло 50 : 20 : 30% (5 : 2 : 3) соответственно. Соотношение ионизированного и связанного с белками или фосфором кальция составляло 1 : 1 и соответствовало физиологическому соотношению ионизированного и связанного кальция в циркулирующей крови, свидетельствуя о физиологической релевантности выполненного моделирования. Формирование КПЧ абсорбировало от 10 до 20% всего альбумина.

Заключение. Даже при супрафизиологическом минеральном стрессе естественные минеральные депо (КПМ и КПЧ) поддерживают кальцийсвязывающую способность биохимической системы на физиологическом уровне (50%), а соотношение относительной кальциевой емкости КПМ и КПЧ в условиях супрафизиологического минерального стресса указывает на приоритетную роль КПЧ как буферной системы, ограничивающей неконтролируемое повышение ионизированного кальция в случае нарушения минерального баланса крови.

1. Kutikhin A.G., Feenstra L., Kostyunin A.E., Yuzhalin A.E., Hillebrands J..L., Krenning G. Calciprotein Particles: Balancing Mineral Homeostasis and Vascular Pathology. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2021;41(5):1607-1624. doi: 10.1161/ATVBAHA.120.315697.

2. Shishkova D.K., Velikanova E.A., Bogdanov L.A., Sinitsky M.Y., Kostyunin A.E., Tsepokina A.V., Gruzdeva O.V., Mironov A.V., Mukhamadiyarov R.A., Glushkova T.V., Krivkina E.O., Matveeva V.G., Hryachkova O.N., Markova V.E., Dyleva Y.A., Belik E.V., Frolov A.V., Shabaev A.R., Efimova O.S., Popova A.N., Malysheva V.Y., Kolmykov R.P., Sevostyanov O.G., Russakov D.M., Dolganyuk V.F., Gutakovsky A.K., Zhivodkov Y.A., Kozhukhov A.S., Brusina E.B., Ismagilov Z.R., Barbarash O.L., Yuzhalin A.E., Kutikhin A.G.. Calciprotein Particles Link Disturbed Mineral Homeostasis with Cardiovascular Disease by Causing Endothelial Dysfunction and Vascular Inflammation. Int J Mol Sci. 2021;22(22):12458. doi: 10.3390/ijms222212458.

3. Ronit A., Kirkegaard-Klitbo D.M., Dohlmann T.L., Lundgren J., Sabin C.A., Phillips A.N., Nordestgaard B.G., Afzal S. Plasma Albumin and Incident Cardiovascular Disease: Results From the CGPS and an Updated Meta-Analysis. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2020;40(2):473-482. doi: 10.1161/ATVBAHA.119.313681.

4. Xie W.M., Ran L.S., Jiang J., Chen Y.S., Ji H.Y., Quan X.Q. Association between fetuin-A and prognosis of CAD: A systematic review and meta-analysis. Eur J Clin Invest. 2019;49(5):e13091. doi: 10.1111/eci.13091.

5. Reid I.R., Gamble G.D., Bolland M.J. Circulating calcium concentrations, vascular disease and mortality: a systematic review. J Intern Med. 2016;279(6):524-40. doi: 10.1111/joim.12464.

6. Kobylecki C.J., Nordestgaard B.G., Afzal S. Plasma Ionized Calcium and Risk of Cardiovascular Disease: 106 774 Individuals from the Copenhagen General Population Study. Clin Chem. 2021;67(1):265-275. doi: 10.1093/clinchem/hvaa245.

7. Campos-Obando N., Lahousse L., Brusselle G., Stricker B.H., Hofman A., Franco O.H., Uitterlinden A.G., Zillikens M.C. Serum phosphate levels are related to all-cause, cardiovascular and COPD mortality in men. Eur J Epidemiol. 2018;33(9):859-871. doi: 10.1007/s10654-018-0407-7.

8. Кутихин А.Г. Патофизиологическая и клиническая значимость нарушений минерального гомеостаза в контексте развития сердечно-сосудистых заболеваний. Фундаментальная и клиническая медицина. 2021. Т. 6. № 2. С. 82-102. doi: 10.23946/2500-0764-2021-6-1-82-102.

9. Bäck M., Aranyi T., Cancela M.L., Carracedo M., Conceição N., Leftheriotis G., Macrae V., Martin L., Nitschke Y., Pasch A., Quaglino D., Rutsch F., Shanahan C., Sorribas V., Szeri F., Valdivielso P., Vanakker O., Kempf H. Endogenous Calcification Inhibitors in the Prevention of Vascular Calcification: A Consensus Statement From the COST Action EuroSoftCalcNet. Front Cardiovasc Med. 2019;5:196. doi: 10.3389/fcvm.2018.00196.

10. Heiss A., Pipich V., Jahnen-Dechent W., Schwahn D. Fetuin-A is a mineral carrier protein: small angle neutron scattering provides new insight on Fetuin-A controlled calcification inhibition. Biophys J. 2010;99(12):3986-95. doi: 10.1016/j.bpj.2010.10.030.

11. Koeppert S., Ghallab A., Peglow S., Winkler C.F., Graeber S., Büscher A., Hengstler J.G., Jahnen-Dechent W. Live Imaging of Calciprotein Particle Clearance and Receptor Mediated Uptake: Role of Calciprotein Monomers. Front Cell Dev Biol. 2021;9:633925. doi: 10.3389/fcell.2021.633925.

12. Heiss A., Eckert T., Aretz A., Richtering W., van Dorp W., Schäfer C., Jahnen-Dechent W. Hierarchical role of fetuin-A and acidic serum proteins in the formation and stabilization of calcium phosphate particles. J Biol Chem. 2008;283(21):14815-25. doi: 10.1074/jbc.M709938200.

13. Jahnen-Dechent W., Schäfer C., Ketteler M., McKee M.D. Mineral chaperones: a role for fetuin-A and osteopontin in the inhibition and regression of pathologic calcification. J Mol Med (Berl). 2008;86(4):379-89. doi: 10.1007/s00109-007-0294-y.

14. Шишкова Д.К., Матвеева В.Г., Маркова В.Е., Хрячкова О.Н., Индукаева Е.В., Шабаев А.Р., Фролов А.В., Кутихин А.Г. Количественная оценка исходной концентрации кальций-фосфатных бионов как скринингового маркера минерального гомеостаза крови у пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями и у пациентов с хронической болезнью почек. Российский кардиологический журнал. 2022. Т. 27. № 12. С. 20-31. doi: 10.15829/1560-4071-2022-5064.

15. Кутихин А.Г., Шишкова Д.К., Хрячкова О.Н., Фролов А.В., Шабаев А.Р., Загородников Н.И., Маркова В.Е., Богданов Л.А., Осяев Н.Ю., Индукаева Е.В., Груздева О.В. Закономерности формирования кальций-фосфатных бионов у пациентов с каротидным и коронарным атеросклерозом. Российский кардиологический журнал. 2020. Т. 25. № 12. С. 39-48. doi: 10.15829/1560-4071-2020-3881

16. Harlacher E., Wollenhaupt J., Baaten C.C.F.M.J., Noels H. Impact of Uremic Toxins on Endothelial Dysfunction in Chronic Kidney Disease: A Systematic Review. Int J Mol Sci. 2022;23(1):531. doi: 10.3390/ijms23010531.

17. Roumeliotis S., Mallamaci F., Zoccali C. Endothelial Dysfunction in Chronic Kidney Disease, from Biology to Clinical Outcomes: A 2020 Update. J Clin Med. 2020;9(8):2359. doi: 10.3390/jcm9082359.

18. Shishkova D., Markova V., Sinitsky M., Tsepokina A., Velikanova E., Bogdanov L., Glushkova T., Kutikhin A. Calciprotein Particles Cause Endothelial Dysfunction under Flow. Int J Mol Sci. 2020;21(22):8802. doi: 10.3390/ijms21228802.

19. Kutikhin A.G., Velikanova E.A., Mukhamadiyarov R.A., Glushkova T.V., Borisov V.V., Matveeva V.G., Antonova L.V., Filip'ev D.E., Golovkin A.S., Shishkova D.K., Burago A.Y., Frolov A.V., Dolgov V.Y., Efimova O.S., Popova A.N., Malysheva V.Y., Vladimirov A.A., Sozinov S.A., Ismagilov Z.R., Russakov D.M., Lomzov A.A., Pyshnyi D.V., Gutakovsky A.K., Zhivodkov Y.A., Demidov E.A., Peltek S.E., Dolganyuk V.F., Babich O.O., Grigoriev E.V., Brusina E.B., Barbarash O.L., Yuzhalin A.E. Apoptosis-mediated endothelial toxicity but not direct calcification or functional changes in anti-calcification proteins defines pathogenic effects of calcium phosphate bions. Sci Rep. 2016;6:27255. doi: 10.1038/srep27255.

20. Feenstra L., Kutikhin A.G., Shishkova D.K., Buikema H., Zeper L.W., Bourgonje A.R., Krenning G., Hillebrands JL. Calciprotein Particles Induce Endothelial Dysfunction by Impairing Endothelial Nitric Oxide Metabolism. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2023;43(3):443-455. doi: 10.1161/ATVBAHA.122.318420.

21. Shishkova D., Lobov A., Zainullina B., Matveeva V., Markova V., Sinitskaya A., Velikanova E., Sinitsky M., Kanonykina A., Dyleva Y., Kutikhin A. Calciprotein Particles Cause Physiologically Significant Pro-Inflammatory Response in Endothelial Cells and Systemic Circulation. Int J Mol Sci. 2022;23(23):14941. doi: 10.3390/ijms232314941.

22. Ferrucci L., Fabbri E. Inflammageing: chronic inflammation in ageing, cardiovascular disease, and frailty. Nat Rev Cardiol. 2018;15(9):505-522. doi: 10.1038/s41569-018-0064-2.

23. Liberale L., Montecucco F., Tardif J.C., Libby P., Camici G.G. Inflamm-ageing: the role of inflammation in age-dependent cardiovascular disease. Eur Heart J. 2020;41(31):2974-2982. doi: 10.1093/eurheartj/ehz961.

24. Gu S.X., Tyagi T., Jain K., Gu V.W., Lee S.H., Hwa J.M., Kwan J.M., Krause D.S., Lee A.I., Halene S., Martin K.A., Chun H.J., Hwa J. Thrombocytopathy and endotheliopathy: crucial contributors to COVID-19 thromboinflammation. Nat Rev Cardiol. 2021;18(3):194-209. doi: 10.1038/s41569-020-00469-1.

25. Heiss A., DuChesne A., Denecke B., Grötzinger J., Yamamoto K., Renné T., Jahnen-Dechent W. Structural basis of calcification inhibition by alpha 2-HS glycoprotein/fetuin-A. Formation of colloidal calciprotein particles. J Biol Chem. 2003;278(15):13333-41. doi: 10.1074/jbc.M210868200.