Intermittent hypobaric hypoxia and neuroendocrine reaction of the parvocellular neurons of the paraventricular hypothalamic nucleus

Abstract

The neuroendocrine system occupies an important place in the systemic mechanisms of the body response to stress. The paraventricular nuclei of the hypothalamus (PVH) are one of the most important links of the brain`s neuroendocrine system which determine the reactivity of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis (HPA) in response to the various stressors and thereby ensure the development of adaptive reactions by the formation of body resistance to the stress. The aim of the research was to study the functional state of the peptidergic neurons of the medial parvocellular nuclei of the paraventricular hypothalamic nucleus (PVHmp) during the multi-day action of intermittent hypobaric hypoxia and in the posthypoxic period. Materials and methods. The research was conducted on 24 male Wistar rats. Intermittent hypoxia was modeled by a daily 6-hour stay of rats at an altitude of 6000 m (pO2 = 9.8 %) for 15 days, the posthypoxic period lasted for 10 days. The distribution of corticotropin-releasing hormone (CRH), [Arg8]-vasopressin (AVP), β-endorphin, cFos and HIF-1α proteins was studied by quantitative immunofluorescence methods in serial frontal sections of the hypothalamus. Results. The intermittent hypobaric hypoxia stimulated the developing of mild hypertrophy of PVHmp neurons and increased the concentration of RNA in the cytoplasm by 37 %. An indicator of PVHmp neurons response to hypoxia was 2.5-fold increase in the concentration of the HIF-1α protein in them. IHH elevated the concentration of cFos protein in PVHmp by 37 %, increased the area of immunoreactivity to AVP by 2.5 times, to CRH and β-endorphin by 3 times. There was an increase in the synthesis of neuropeptides in response to hypoxia, which led to the elevation in the concentration of AVP in PVHmp by 6.6 times, β-endorphin by 7 times, and CRH by 8.5 times. The immunoreactivity indicators for the HIF-1α protein and its con¬centration in PVHmp remained at a high level in the posthypoxic period. At the same time, high immunoreactivity to CRH and β-endorphin in PVHmp was noted, as well as a high concentration of these neuropeptides in neurons against the background of AVP synthesis inhibition in neurons. It is possible that high rates of neurosecretory activity of PVHmp in the posthypoxic period may indicate the formation of neuroendocrine mechanisms of adaptation of the HPA axis to the long-term effect of hypoxia. Conclusions. Intermittent hypobaric hypoxia stimulates the neurosecretory activity of the PVHmp neurons, increases the synthesis and secretion of CRH and AVP hormones that activate the HPA axis. Synthesis of the secretory response indicator cFos protein and a central regulator of hypoxic responses HIF 1α protein is also increasing in the peptidergic neurons of the PVHmp. High levels of the PVHmp neurosecretory activity at the posthypoxic period are preserved and indicate the formation of neuroendocrine mechanisms of the HPA axis adaptation to the long term intermittent hypoxia exposures. Нейроендокринна система посідає важливе місце в системних механізмах відповіді організму на стрес. Паравентрикулярні ядра гіпоталамуса (PVH) визначають реактивність гіпоталамо-гіпофізарно-адренокортикальної осі у відповідь на дію стресора будь-якої природи та забезпечують розвиток адаптаційних реакцій і формування резистентності організму до стресу. Мета роботи – вивчити особливості функціонального стану пептидергічних нейронів медіального дрібноклітинного суб’ядра паравентрикулярного ядра гіпоталамуса (PVHmp) при багатоденній дії переривчастої гіпобаричної гіпоксії та в постгіпоксичний період. Матеріали та методи. Дослідження здійснили на 24 самцях щурів лінії Wistar. Переривчасту гіпоксію моделювали щоденним 6-годинним перебуванням щурів на висоті 6000 м (pO2 = 9,8 %) протягом 15 днів, постгіпоксичний період тривав 10 днів. Розподіл кортикотропін-рилізинг гормона (CRH), [Arg8]-вазопресина (AVP), β-ендорфіну, білків cFos та HIF-1α досліджували методами кількісної імунофлуоресценції в серійних фронтальних зрізах гіпоталамуса. Результати. Переривчаста гіпобарична гіпоксія стимулювала помірну гіпертрофію нейронів PVHmp і підвищувала концентрацію РНК у цитоплазмі на 37 %. Індикатором реакції нейронів PVHmp на гіпоксію було зростання в них концентрації білка HIF-1α у 2,5 раза. Гіпоксичні впливи підвищували концентрацію білка cFos у PVHmp на 37 %, збільшували площу імунореактивності до AVP у 2,5 раза, до CRH і β-ендоорфіну – втричі. Встановили посилення синтезу нейропептидів у відповідь на гіпоксію, що призводило до збільшення концентрації AVP у PVHmp у 6,6 раза, β-ендорфіну в 7 разів, CRH у 8,5 раза. У постгіпоксичний період зберігалися на високому рівні показники імунореактивності до білка HIF-1α і його концентрація в PVHmp. Встановили високі показники імунореактивності до CRH і β-ендорфіну в PVHmp, а також високу концентрацію цих нейропептидів у нейронах на тлі пригнічення синтезу AVP. Можливо, високі показники нейросекреторної активності PVHmp у постгіпоксичний період можуть свідчити про формування нейроендокринних механізмів адаптації гіпоталамо-гіпофізарно-адренокортикальної осі до тривалої дії гіпоксії. Висновки. Переривчаста гіпобарична гіпоксія стимулює нейросекреторну активність нейронів PVHmp, збільшує синтез і секрецію гормонів CRH і AVP, що активують гіпоталамо-гіпофізарно-адренокортикальну вісь. Синтез білків-індикаторів секреторної відповіді пептидергічних нейронів (білка cFos) і клітинної реакції на гіпоксію (білка HIF-1α) також наростає. Високі показники нейросекреторної активності PVHmp у постгіпоксичний період зберігаються і свідчать про формування нейроендокринних механізмів адаптації гіпоталамо-гіпофізарно-адренокортикальної осі до тривалої дії гіпоксії. Нейроэндокринная система занимает важное место в системных механизмах ответа организма на стресс. Паравентрикулярные ядра гипоталамуса (PVH) определяют реактивность гипоталамо-гипофизарно-адренокортикальной оси в ответ на действие стрессора любой природы и обеспечивают тем самым развитие адаптационных реакций и формирование резистентности организма к стрессу. Цель работы – изучить особенности функционального состояния пептидергических нейронов медиального мелкоклеточного субъядра паравентрикулярного ядра гипоталамуса (PVHmp) при многодневном действии прерывистой гипобарической гипоксии и в постгипоксический период. Материалы и методы. Исследование проведено на 24 самцах крыс линии Wistar. Прерывистую гипоксию моделировали ежедневным 6-часовым пребыванием крыс на высоте 6000 м (pO2 = 9,8 %) в течение 15 дней, постгипоксический период длился 10 дней. Распределение кортикотропин-рилизинг гормона (CRH), [Arg8]-вазопрессина (AVP), β-эндорфина, белков cFos и HIF-1α исследовали методами количественной иммунофлуоресценции в серийных фронтальных срезах гипоталамуса. Результаты. Прерывистая гипобарическая гипоксия стимулировала умеренную гипертрофию нейронов PVHmp и повышала концентрацию РНК в цитоплазме на 37 %. Индикатором реакции нейронов PVHmp на гипоксию было нарастание в них концентрации белка HIF-1α в 2,5 раза. Прерывистая гипоксия повышала концентрацию белка cFos в PVHmp на 37 %, увеличивала площадь иммунореактивности к AVP в 2,5 раза, а к CRH и β-endorphin – в 3 раза. Отмечено усиление синтеза нейропептидов в ответ на гипоксию, что приводило к нарастанию концентрации AVP в PVHmp в 6,6 раза, β-эндорфина в 7 раз, CRH в 8,5 раза. В постгипоксический период на высоком уровне сохранялись показатели иммунореактивности к белку HIF 1α и его концентрация в PVHmp. Отмечены высокие показатели иммунореактивности к CRH и β-эндорфину в PVHmp, а также высокая концентрация этих нейропептидов в нейронах на фоне угнетения синтеза AVP. Возможно, высокие показатели нейросекреторной активности PVHmp в постгипоксический период могут свидетельствовать о формировании нейроэндокринных механизмов адаптации гипоталамо-гипофизарно-адренокортикальной оси к длительному действию гипоксии. Выводы. Прерывистая гипобарическая гипоксия стимулирует нейросекреторную активность нейронов PVHmp, увеличивает синтез и секрецию гормонов CRH и AVP, активирующих гипоталамо-гипофизарно-адренокортикальную ось. Синтез белков-индикаторов секреторного ответа пептидергических нейронов (белка cFos) и клеточной реакции на гипоксию (белка HIF 1α) также нарастает. Высокие показатели нейросекреторной активности PVHmp в постгипоксический период сохраняются и свидетельствуют о формировании нейроэндокринных механизмов адаптации гипоталамо-гипофизарно-адренокортикальной оси к длительному действию гипоксии.