Neuroelectronic Systems: Binding Neurons to Electric Circuits

This paper is devoted to description of a new type of information system based on interaction of biological neurons and electronic components – neuroelectronic (NE) system. Main features and components, like neural network sensor, of NE are briefly put into consideration followed with an example of electric interaction between neural network of a snail Lymnaea Stagnalis neurons and electronic MOSFET sensor

РЕДОКС -СВОЙСТВА ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК И ИХ ПРОЛИФЕРАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ПРИ ДЕЙСТВИИ ФЕНОЛЬНЫХ АНТИОКСИДАНТОВ

It was established that the response of tumor cells to the action of the redox-active compound is regulated by the intracellular redox state quantitatively characterized by the effective redox potential and the redox buffer capacity. Phenolic antioxidant 3,5-dimethyl-4-hydroxybenzyl thioetanoate (BEP-11-K) was found to stimulate the proliferation in culture and an increase of the redox buffer capacity. Phenolic antioxidant 3-(3’-tert-butyl-4’ hydroxyphenyl)propyl thiosulfonate (TS-13) inhibits the growth of tumor cells in culture. The action of TS-13 results in a decrease of the redox buffer capacity and an increase of the effective redox potential. The toxic effect of TC-13 is reduced by an increase of the cellular redox buffer capacity.Установлено, что отклик опухолевых клеток на действие редокс-активных соединений регулируется внутриклеточным редокс-состоянием, количественно характеризуемым эффективным редокс-потенциалом и редокс-буферной емкостью. Обнаружено, что фенольный антиоксидант 3,5-диметил-4-гидроксибензилтиоэтаноат калия увеличивает буферную емкость и стимулирует пролиферацию опухолевых клеток в культуре. При действии 3-(3′-трет-бутил-4′-гидроксифенил)-пропилтиосульфонат натрия (ТС-13) наблюдается снижение роста опухолевых клеток в культуре, уменьшение редокс-буферной емкости и повышение эффективного редокс-потенциала. При увеличении редокс-буферной емкости клеток токсическое действие ТС-13 снижается

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ПРОДУКЦИИ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА И МЕХАНИЗМОВ ГИБЕЛИ ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК ПАРА-БЕНЗОХИНОНАМИ

It is established that thymoquinone (2-isopropyl-5-methyl-1,4-benzoquinone) and 1,4-benzoquinone regulate the intracellular reactive oxygen species (ROS) production and induce the death of tumor cells by different mechanisms. It is shown that the toxic action of 1,4-benzoquinone is associated with the inhibition of electron transfer in the mitochondrial respiratory chain and with the development of cellular oxidative stress. Thymoquinone initiating a lower level of ROS production in comparison with 1,4-benzoquinone is more toxic to tumor cells. It is established that thymoquinone-induced ROS are involved in the redox signaling processes that lead to the opening of mitochondrial transition pores of high permeability and the activation of the programmed death of cells.Установлено, что тимохинон (2-изопропил-5-метил-1,4-бензохинон) и 1,4-бензохинон регулируют внутриклеточную продукцию активных форм кислорода (АФК) и индуцируют гибель опухолевых клеток по различным механизмам. Показано, что токсическое действие 1,4- бензохинона связано с ингибированием переноса электронов в митохондриальной дыхательной цепи и развитием клеточного окислительного стресса. Тимохинон, инициирующий выход АФК более низкий в сравнении с 1,4-бензохиноном, является более токсичным для опухолевых клеток. Обнаружено, что образующиеся при действии тимохинона АФК являются участниками редокс-сигнальных процессов, ведущих к формированию митохондриальных пор высокой проницаемости и запуску программируемой гибели клеток

Метод определения скрытых параметров синаптической передачи на основе данных ингибиторного анализа

Nowadays neuroscience strongly demands application of the mathematical methods for description of many neurophysiological and neurochemical processes among which the synaptic transmission outstands. One of the main problems in synaptic transmission modelling is the lack of the accurate values of dynamic parameters of biomolecules and complexes taking part in this process.The goal of this study is to elaborate the method for evaluation of synaptic transmission parameters that cannot be measured directly (so-called hidden parameters) and apply its results for investigation of the main stages of synaptic transmission in neuronets of hippocampus.The method is based on the parametric identification of the synaptic transmission deterministic model, which includes equations for description of inhibitors action on the main biochemical participants. We used three inhibitors: cilnidipine, 1.2-        bis(2-aminophenoxy)ethane-N,N,N',N'-tetraacetic acid tetrakis(acetoxymethyl ester) (BAPTA-AM), 6-cyano-7-nitroquinoxaline-2,3-dione (CNQX). The parametric identification was performed by minimization of deviation of modeled field excitatory postsynaptic potential from those measured in rat hippocampus slices with microelectrode technique when inhibitors were applied.The results of the parametric identification of proposed model show that the model can adequately describe the generation of field excitatory postsynaptic potentials and their inhibition. The elaborated method afforded to evaluate the numerical meanings of eleven synaptic transmission hidden parameters. Using these parameters we have modelled the key synaptic transmission stages and got the time courses of the main biochemical participants: calcium ions in presynaptic bouton, SNARE complexes, synaptic vesicles in different states, glutamate in the synaptic cleft and open channels of AMPA receptor on the postsynaptic membrane. Thus, we propose method of hidden parameters evaluation that can be applied for different synaptic contacts in the brain of mammalians.Математическое описание передачи сигнала в синапсах открывает широкие перспективы в изучении деятельности головного мозга, позволяя собрать результаты многочисленных экспериментальных исследований в единую модель. Существенные затруднения при таком подходе возникают вследствие не только многоэтапности синаптической передачи, но и отсутствия точных численных характеристик динамики многих ее участников.Цель работы - разработать метод определения параметров синаптической передачи, недоступных для прямого измерения (скрытых параметров), и апробировать его в процессе изучения динамики основных этапов данного процесса в нейронных сетях гиппокампа.Предлагаемый в данной работе метод основан на построении детерминистической модели, описывающей генерацию полевого возбуждающего постсинаптического потенциала в условиях действия ингибиторов (цилнидипина, 1.2-  бис(2-аминофенокси) этан- N,N,N′,N′ тетрауксусной кислоты тетракис(ацетоксиметилового эфира), 6-циано-7-ни-трокиноксалин-2,3-диона), и параметрической идентификации данной модели на зарегистрированных с помощью микроэлектродной техники полевых возбуждающих постсинаптических потенциалах в срезах гиппокампа крысы. Параметрическая идентификация проводилась путем минимизации отклонения моделируемого сигнала от экспериментально зарегистрированного. Для минимизации целевой функции использовали генетический алгоритм.В результате проведенного исследования было показано, что параметрическая идентификация модели позволяет с высокой степенью соответствия воспроизводить формирование полевых возбуждающих постсинаптических потенциалов и оказываемое на них действие ингибиторов. Установлены численные значения одиннадцати скрытых параметров синаптической передачи. С помощью данных значений получены временные зависимости содержания ключевых участников синаптической передачи: ионов Ca2+ в пресинаптическом окончании, SNARE-комплексов, синаптических везикул в различных состояниях, глутамата в синаптической щели, доли открытых каналов АМРА-рецепторов на постсинаптической мембране. Таким образом, предложен метод, который целесообразно использовать для определения скрытых параметров различных типов синаптических контактов в головном мозге млекопитающих

ЖЕЛЕЗОСВЯЗЫВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЛАКТОФЕРРИНА ПРИ ВОСПАЛЕНИИ

Lactoferrin (Lf) is a biologically important molecule, that accomplishes a number of useful functions in an organism. Lf can be situated in conditions associated with enrichment of reactive halogen species (asthma, infectious disease, heart-disease etс.). It was shown using spectrophotometric and fluorescence methods that HOCl and particularly HOBr lead to significant destruction of Trp residues and iron-binding capacity of Lf.Лактоферрин (Лф), выполняющий ряд полезных функций в организме, может находиться в условиях, ассоциированных с накоплением активных форм галогенов (астма, инфекционные заболевания, болезни сердца и т. д.). В работе с применением спектрофотометрического и флуоресцентного методов показано, что HOCl и особенно HOBr вызывают значительные разрушения остатков Trp и нарушение железосвязывающей способности Лф

Физико-химические свойства лактоферрина в условиях окислительного/галогенирующего стресса

Lactoferrin (Lf) was discovered in the thirties of the twentieth century. Since that time a number of useful properties of Lf (antibacterial, antiviral, pro- and anti-inflammatory, etc.) have been found. That’s why Lf became a promising candidate for pharmaceuticals use. The concentration of Lf strikingly increases in inflammatory focuses due to neutrophil degranulation. At the same time, activated neutrophils starts to generate reactive oxygen and halogen species (ROS and RHS), which leads to the development of oxidative/halogenative stress. In this work, using the fluorescence analysis we found the change of the Lf structure and properties in the inflammation conditions (under oxidatives/halogenative stress). We use two forms of Lf – human Lf, excreted from human milk, and recombinant Lf, excreted from milk of transgenic goats. It was established that the amino acids of Lf (decreasing the number of tryptophanils and primary amines) and protein restructuring undergo modification under the HOCl action, while H2O2 has no influence. These changes in the molecule under the HOCl treatment result in decreasing the iron-binding capacity of Lf.Лактоферрин (Лф) является перспективным объектом для использования в качестве лекарственного средства благодаря ряду полезных свойств (антибактериальное, противовирусное, про- и антивоспалительное и др.). Он содержится в секрете экзокринных желез, во вторичных гранулах нейтрофилов, в молоке человека и некоторых животных. Концентрация Лф быстро увеличивается в очагах воспаления за счет дегрануляции нейтрофилов. Там же за счет активации нейтрофилов идет наработка высокореакционных активных форм кислорода и галогенов, что приводит к развитию окислительного/галогенирующего стресса. В данной работе с помощью флуоресцентных методов впервые показано изменение структуры и свойств Лф (выделенного из женского грудного молока и рекомбинантного Лф человека, выделенного из молока трансгенных коз), находящегося в условиях воспаления (окислительный/галогенирующий стресс). Установлено, что HOCl вызывает модификацию аминокислотного состава Лф (из менение числа триптофанилов и первичных аминов), а также перестройку глобулы. В то же время при действии H2O2 вышеперечисленные изменения не наблюдаются. Произошедшие с молекулой изменения при действии HOCl проявляются в уменьшении способности Лф связывать ионы железа

Взаимодействие активных форм кислорода с галлоцианином при активации нейтрофилов

Reactive oxygen species (ROS) have a crucial role in human physiological and pathophysiological processes. Prolonged exposure to high ROS concentrations may lead to cardiovascular, neurodegenerative, etc. diseases. In this study, gallocyanine has been proposed to register the ROS production. The gallocyanine spectral properties changes under ROS (•О2ˉ, H2O2) and reactive halogen (HOCl) species are analyzed. It is shown that the dye is oxidized in solution, both under the action of ROS and reactive halogen species. Based on the data obtained, it is possible to suggest that superoxide anion radicals make a major contribution to chemical conversion of the dye in suspensions of activated neutrophils. It is that gallocyanine can be used to assess the functional activity of neutrophils, namely, the NADPH-oxidase, as well as to design and test novel therapeutic agents for diseases associated with developing oxidative stress.В работе изучены химические изменения красителя галлоцианина при его взаимодействии c активными формами кислорода (•О2ˉ, H2O2) и хлорноватистой кислотой (HOCl). Показано, что данный краситель в растворе претерпевает химические превращения как при действии активных форм кислорода, так и галогенов. Согласно полученным данным, в суспензии активированных нейтрофилов основной вклад в превращение красителя вносит •О2ˉ. Следовательно, галлоцианин может быть применен для оценки функциональной активности нейтрофилов, а именно НАДФН-оксидазного комплекса, а также при разработке терапевтических методов лечения с применением антиоксидантов при заболеваниях, ассоциированных с развитием окислительного стресса

РЕГУЛЯЦИЯ МИЕЛОПЕРОКСИДАЗОЙ СA2+-СИГНАЛИЗАЦИИ В НЕЙТРОФИЛАХ

It is shown that myeloperoxidase (MPO) initiates an increase in the concentration of intracellular free calcium ions in neutrophils caused both by the release of calcium ions from intracellular stores, and extracellular Ca2+ entry across the plasma membrane channels. It is found that MPO modified by hypohalous acids retains its ability to induce Ca2+-signaling in neutrophils. It is established that MPO-induced entry of Ca2+ into cytosol of neutrophils is not associated with its catalytic activity, but caused by direct binding of MPO to α-subunit of β2-integrin of neutrophils and tyrosine kinase activation.Показано, что миелопероксидаза (МПО) инициирует увеличение концентрации свободных ионов внутриклеточного кальция в нейтрофилах, обусловленное как выходом ионов кальция из внутриклеточных депо, так и входом внеклеточного Са2+ через каналы плазматической мембраны. Установлено, что модифицированная гипогалоидными кислотами МПО сохраняет свою способность инициировать Са2+-сигнализацию в нейтрофилах. МПО-индуцированный вход Са2+ в цитозоль нейтрофилов не связан с проявлением каталитической активности фермента, а обусловлен непосредственным связыванием МПО с α-субъединицей β2-интегрина нейтрофилов и активацией тирозинкиназ