Lipid peroxidation and oxidative modification of proteins in tick-borne encephalitis and ixodic tick-borne borreliosis

Abstract

BACKGROUND: In the South Ural region of Russia, the group of ITTB and TBE occupies the leading rank positions in the structure of infections that are ecologically associated with ixodic ticks. At the present stage, studies aimed at studying non-specific pathological biochemical processes that determine the degree of oxidative damage to cell membranes and organelle membranes, the reactivity of the body, its reserve-adaptive potential under the influence of a number of endogenous and exogenous factors are becoming particularly relevant. One of the most significant metabolic processes of this kind is the free radical oxidation of lipids and the oxidative modification of proteins.

AIMS: To give a clinical and epidemiological characteristic and to study the role of oxidative stress in the pathogenesis of various clinical forms of tick-borne infections in an endemic region (on the example of the Chelyabinsk region).

MATERIAL AND METHODS: The study was conducted at the clinical base of the Department of Infectious Diseases of the Southern State Medical University in the MAUZ GKB No. 8 in Chelyabinsk. The study randomly included 105 patients with tick-borne encephalitis, ixodic tick-borne borreliosis and mixed infection who were hospitalized in the hospital in the period from May to October 2018–2019. The diagnosis was verified by standard immunological methods (ELISA). Modern molecular genetic methods (PCR-RV) were used in the etiological diagnosis of ICD. Material for the study: leukocyte fraction and blood serum. The content of carbonyl products of oxidative modification of proteins was estimated by their reaction with 2.4-dinitrophenylhydrazine, followed by spectrophotometric registration of the interaction products-dinitrophenylhydrazones. When determining the content of primary and secondary products of lipid peroxidation, a method based on the phenomenon of rearrangement of double bonds into diene conjugates during the peroxidation of polyunsaturated fatty acids was used. Statistical processing of the obtained results was carried out by standard methods of nonparametric statistics using the Statistica 8.0 for Windows software package.

RESULTS: In the structure of infections transmitted by ixodic ticks, ixodic tick-borne borreliosis was most often registered (50.5%), tick-borne encephalitis was observed in 44.8% of cases, mixed infection ― in 4.7%. Borrelia miyamotoi DNA was detected by PCR-RV in 8.6% of biological samples (blood serum, leukocyte fraction). When analyzing the results of oxidative modification of proteins and lipid peroxidation, a reliable picture of oxidative stress is observed, which is more pronounced in patients with ixodic tick-borne borreliosis.

CONCLUSION: The revealed changes in the study of oxidative stress in patients with tick-borne encephalitis and ixodic tick-borne borreliosis not only indicate the prospects of developing new approaches to the pathogenetic therapy of tick-borne infections, providing for the use of antioxidants in complex therapy, but also suggest a greater effectiveness of direct-acting lipophilic antioxidants that limit diene conjugation, and thereby prevent the accumulation of secondary cytotoxic products of lipid peroxidation.

Keywords

tick-borne encephalitis / ixodic tick-borne borreliosis / Borrelia miyamotoi / oxidative stress

References

[1] Polishchuk MV, Zdol’nik TD, Smetanin VN. Ixodic tick-borne borreliosis: the current epidemiological situation in the regions of the center of the European part of Russia. I.P. Pavlov Russian Medical Biological Herald. 2017;25(2):202–208. (In Russ). doi: 10.23888/PAVLOVJ20172202-208

[2] Полищук М.В., Здольник Т.Д., Сметанин В.Н. Иксодовые клещевые боррелиозы: современная эпидемиологическая ситуация в регионах центра европейской части России // Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова. 2017. Т. 25, № 2. С. 202–208. doi: 10.23888/PAVLOVJ20172202-208

[3] Baranov AA, Volodin NN, Samsygina GA, et al. Rational pharmacotherapy of children’s diseases. A guide for practicing doctors. Moscow. Litterra; 2007. (In Russ).

[4] Баранов А.А., Володин Н.Н., Самсыгина Г.А., и др. Рациональная фармакотерапия детских заболеваний. Руководство для практикующих врачей. В 2-х томах. Москва: Литтерра, 2007.

[5] Korenberg EI, Pomelova VG, Osin NS. Infections with natural focality transmitted by ixodid ticks. Parasitology. 2013;49(2):133–137. (In Russ).

[6] Коренберг Э.И., Помелова В.Г., Осин Н.С. Природно-очаговые инфекции, передающиеся иксодовыми клещами // Паразитология. 2013. Т. 49, № 2. С. 133–137.

[7] Manzenyuk IN, Manzenyuk OYu. Tick-borne borreliosis (Lyme disease). Koltsovo; 2005. 85 р. (In Russ).

[8] Манзенюк И.Н., Манзенюк О.Ю. Клещевые боррелиозы (болезнь Лайма). Кольцово, 2005. 85 с.

[9] Platonov AE, Sarksyan DS, Maleev VV. The application of Decision Trees for constructing an algorithm for the differential diagnosis of zoonotic infections. Ther Arch. 2013;85(11):21–26. (In Russ).

[10] Платонов А.Е., Сарксян Д.С., Малеев В.В. Применение метода «дерево решений» для построения алгоритма дифференциальной диагностики природно-очаговых инфекций // Терапевтический архив. 2013. Т. 85, № 11. С. 21–26.

[11] Fomenko NV, Livanova NN, Borgoyakov VYu, et al. Detection of Borrelia miyamotoi in Ixodes persulcatus ticks in Russia. Parasitology. 2010;44(3):201–211. (In Russ). doi: 10.1134/s0013873810080129

[12] Фоменко Н.В., Ливанова Н.Н., Боргояков В.Ю., и др. Выявление Borrelia miyamotoi в клещах Ixodes persulcatus на территории России // Паразитология. 2010. Т. 44, № 3. С. 201–211. doi: 10.1134/s0013873810080129

[13] State Report “On the state of sanitary and epidemiological well-being of the population of the Chelyabinsk Region in 2020”. Chelyabinsk; 2021. (In Russ). Available from: http://74.rospotrebnadzor.ru/268B

[14] Государственный доклад «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения Челябинской области в 2020 году». Челябинск, 2021. Режим доступа: http://74.rospotrebnadzor.ru/268B. Дата обращения: 12.12.2020.

[15] Sarksyan DS, Maleev VV, Platonov AE. Differential diagnosis of ixodic tick-borne borreliosis caused by Borrelia miyamotoi. Infect Dis. 2012;10(4):41–44. (In Russ). doi: 10.17116/terarkh2015871118-25

[16] Сарксян Д.С., Малеев В.В., Платонов А.Е. Дифференциальная диагностика иксодового клещевого боррелиоза, вызванного Borrelia miyamotoi // Инфекционные болезни. 2012. Т. 10, № 4. С. 41–44.

[17] Nefedova VV, Korenberg EI, Gorelova NB, Kovalevskii YuV. Genetic heterogeneity of B. garinii in a natural focus of the Middle Urals. Acta Biomedica Scientifica. 2007;(53):139–142. (In Russ).

[18] Нефедова В.В., Коренберг Э.И., Горелова Н.Б., Ковалевский Ю.В. Генетическая гетерогенность B. garinii в природном очаге Среднего Урала // Бюллетень Восточно-Сибирского научного центра Сибирского отделения Российской академии медицинских наук. 2007. № 53. С. 139–142.

[19] Dekonenko EP. Encephalitis and encephalopathy in Lyme-borreliosis. Neuroimmunology. 2005;3(2):25–28. (In Russ).

[20] Деконенко Е.П. Энцефалиты и энцефалопатии при Лайм-боррелизе // Нейроиммунология. 2005. Т. 3, № 2. С. 25–28.

[21] Dubinina EE. Products of oxygen metabolism in the functional activity of cells (life and death, creation and destruction): physiological and clinical-biochemical aspects. Saint Petersburg: Medical Press; 2006. 397 p. (In Russ).

[22] Дубинина Е.Е. Продукты метаболизма кислорода в функциональной активности клеток (жизнь и смерть, созидание и разрушение): физиологические и клинико-биохимические аспекты. Санкт-Петербург: Медицинская пресса, 2006. 397 с.

[23] Retskiy MI, Shabunin SV, Bliznetsova GN, et al. Methodological provisions for the study of the processes of free radical oxidation and the system of antioxidant protection of the body. Methodological guidelines. Voronezh; 2010. 70 p. (In Russ).

[24] Рецкий М.И., Шабунин С.В., Близнецова Г.Н., и др. Методические положения по изучению процессов свободнорадикального окисления и системы антиоксидантной защиты организма. Методические указания. Воронеж, 2010. 70 с.

[25] Jones DP. Radical-free biology of oxidative stress. Am J Physiol Cell Physiol. 2008;295(4):849–868. doi: 10.1152/ajpcell.00283.2008

[26] Jones D.P. Radical-free biology of oxidative stress // Am J Physiol Cell Physiol. 2008. Vol. 295, N 4. P. 849–868. doi: 10.1152/ajpcell.00283.2008

[27] Yakovchits NV, Andaev EI, Bondarenko EI, et al. Evaluation of the diagnostic significance of the complex detection of tick-borne infection markers in patients affected by their bite. Infectious Diseases: News, Opinion, Training. 2016;(4):58–65. (In Russ).

[28] Яковчиц Н.В., Андаев Е.И., Бондаренко Е.И., и др. Оценка диагностической значимости комплексного выявления маркеров инфекций, переносимых клещами, у пациентов, пострадавших от их укуса // Инфекционные болезни: новости, мнение, обучение. 2016. № 4. С. 58–65.

[29] Timofeev DI, Bondarenko EI, Topychkanova NG, et al. New sets of reagents for the detection of nucleic acids of the tick-borne encephalitis virus and borrelia complex Borrelia burgdorferi s.l. by PCR with real-time detection. Vector-Best News. 2014;(1):2–11. (In Russ).

[30] Тимофеев Д.И., Бондаренко Е.И., Топычканова Н.Г., и др. Новые наборы реагентов для выявления нуклеиновых кислот вируса клещевого энцефалита и боррелий комплекса Borrelia burgdorferi s.l. методом ПЦР с детекцией в режиме реального времени // Новости «Вектор-Бест». 2014. № 1. С. 2–11.

[31] Bondarenko EI, Pozdnyakova LL, Sibirtseva CG, et al. A set of reagents for the detection of Borrelia miyamotoi ― the causative agent of tick-borne recurrent fever by real-time PCR. Vector-Best News. 2013;(1):2–8. (In Russ).

[32] Бондаренко Е.И., Позднякова Л.Л., Сибирцева C.Г., и др. Набор реагентов для выявления Borrelia miyamotoi ― возбудителя клещевой возвратной лихорадки методом ПЦР в режиме реального времени // Новости «Вектор-Бест». 2013. № 1. С. 2–8.

[33] Bondarenko EI, Shchuchinova LD, Timofeev DI, et al. Identification of genetic markers of tick-borne rickettsiosis pathogens in PCR using reagent kits “RealBest DNA Rickettsia species” and “RealBest DNA Rickettsia sibirica / Rickettsia heilongjiangensis”. Vector-Best News. 2018;(1):2–10. (In Russ).

[34] Бондаренко Е.И., Щучинова Л.Д., Тимофеев Д.И., и др. Выявление генетических маркеров возбудителей клещевых риккетсиозов в ПЦР с помощью наборов реагентов «РеалБест ДНК Rickettsia species» и «РеалБест ДНК Rickettsia sibirica / Rickettsia heilongjiangensis» // Новости «Вектор-Бест». 2018. № 1. С. 2–10.

[35] Fomina MA, Abalenikhina YuV. A method for complex assessment of the content of products of oxidative modification of proteins in tissues and biological fluids. Methodological recommendations. Ryazan: RIO Ryazan State Medical University; 2014. 60 p. (In Russ).

[36] Фомина М.А., Абаленихина Ю.В. Способ комплексной оценки содержания продуктов окислительной модификации белков в тканях и биологических жидкостях. Методические рекомендации. Рязань: РИО РязГМУ, 2014. 60 c.

[37] L’vovskaya EI, Volchegorskiy IA, Shemyakov SE, Lifshits RI. Spectrophotometric determination of the final products of lipid peroxidation. Questions of Medical Chemistry. 1991;37(4):92–93. (In Russ).

[38] Львовская Е.И., Волчегорский И.А., Шемяков С.Е., Лифшиц Р.И. Спектрофотометрическое определение конечных продуктов перекисного окисления липидов // Вопросы медицинской химии. 1991. Т. 37, № 4. С. 92–93.

[39] Volchegorsky IA, Dolgushin II, Kolesnikov OL, et al. Experimental modeling and laboratory evaluation of adaptive reactions of the body. Chelyabinsk: Chelyabinsk State Pedagogical University; 2000. 167 p. (In Russ).

[40] Волчегорский И.А., Долгушин И.И., Колесников О.Л., и др. Экспериментальное моделирование и лабораторная оценка адаптивных реакций организма. Челябинск: Челябинский государственный педагогический университет, 2000. 167 с.

[41] Lyme disease in adults. Clinical recommendations. Non-profit partnership "National Scientific Society of Infectious Diseases"; 2014. 76 p. (In Russ).

[42] Болезнь Лайма у взрослых. Клинические рекомендации. Некоммерческое партнерство «Национальное научное общество инфекционистов», 2014. 76 c.

[43] Proskurnina EV, Vladimirov YuA. Free radicals as participants of regulatory and pathological processes. Biophysical Medical Technologies. 2015;(1):38–71. (In Russ).

[44] Проскурнина Е.В., Владимиров Ю.А. Свободные радикалы как участники регуляторных и патологических процессов // Биофизические медицинские технологии. 2015. № 1. С. 38–71.

[45] Kon’kova-Reidman AB, Tarasov VN, Teplova SN, et al. Epidemiological and clinical-immunological characteristics of ixodic tick-borne borreliosis and mixed forms of tick-borne infections in the Southern Urals. Epidemiology and Vaccine Prevention. 2009;(4):12–23. (In Russ).

[46] Конькова-Рейдман А.Б., Тарасов В.Н., Теплова С.Н., и др. Эпидемиологическая и клинико-иммунологическая характеристика иксодовых клещевых боррелиозов и микст-форм клещевых инфекций на Южном Урале // Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2009. № 4. С. 12–23.

[47] Sarksyan DS. Ixodid tick-borne borreliosis ― the current state of the problem. Inf Dis. 2015;13(2):61–67. (In Russ).

[48] Сарксян Д.С. Иксодовые клещевые боррелиозы ― современное состояние проблемы // Инфекционные болезни. 2015. Т. 13, № 2. С. 61–67.

[49] Bagautdinova LI, Sarksyan DS, Dudarev MV, et al. Clinical polymorphism of the disease caused by Borrelia miyamotoi. Practical Medicine. 2013;5:125–130. (In Russ).

[50] Багаутдинова Л.И, Сарксян Д.С, Дударев М.В. Клинический полиморфизм заболевания, вызываемого Borrelia miyamotoi // Практическая медицина. 2013. № 5. С. 125–130.

[51] Yankovskaya YaD, Chernobrovkina TYa, Koshkin MI. Current state of the problem of ixodic tick-borne borreliosis. Archives of Internal Medicine. 2015;(6):21–27. (In Russ).

[52] Янковская Я.Д., Чернобровкина Т.Я., Кошкин М.И. Современное состояние проблемы иксодовых клещевых боррелиозов // Архив внутренней медицины. 2015. № 6. С. 21–27.

[53] Drozdova LI, Erman BA, Zaitseva LN, et al. Pathological anatomy of modern tick-borne encephalitis in the Urals. Yekaterinburg: Ural GAU; 1999. 80 р. (In Russ).

[54] Дроздова Л.И., Ерман Б.А., Зайцева Л.Н., и др. Патологическая анатомия современного клещевого энцефалита на Урале. Екатеринбург: Уральский ГАУ, 1999. 80 с.

[55] Volkova LI, Kovtun OP, Galunova AB. Clinic of acute and chronic forms of tick-borne encephalitis in the Middle Urals. Bulletin of the Ural State Medical Academy. 2010;(21):59–69. (In Russ).

[56] Волкова Л.И., Ковтун О.П., Галунова А.Б. Клиника острых и хронических форм клещевого энцефалита на Среднем Урале // Вестник Уральской государственной медицинской академии. 2010. № 21. С. 59–69.

[57] Kolyasnikova NM, Gerasimov SG, Ishmukhametov AA, et al. Evolution of tick-borne encephalitis over an 80-year period: main manifestations, probable causes. Epidemiology and Vaccine Prevention. 2020;19(3):78–88. (In Russ). doi: 10.31631/2073-3046-2020-19-3-78-88

[58] Колясникова Н.М., Герасимов С.Г., Ишмухаметов А.А., и др. Эволюция клещевого энцефалита за 80-летний период: основные проявления, вероятные причины // Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2020. Т. 19, № 3. С. 78–88. doi: 10.31631/2073-3046-2020-19-3-78-88

[59] Zakharycheva TA, Kovalsky YuG, Lebedko OA, et al. Oxidative stress in patients with tick-borne encephalitis in the Far East of the Russian Federation. Far Eastern Journal of Infectious Pathology. 2012; 20: 41–45. (In Russ).

[60] Захарычева Т.А, Ковальский Ю.Г, Лебедько О.А. и др. Оксидативный стресс у больных клещевым энцефалитом на Дальнем Востоке Российской федерации // Дальневосточный журнал инфекционной патологии. 2012. № 20. С. 41–45.

[61] Bondarenko AL, Tsapok PI, Lyubozhnova ON. The state of lipid peroxidation processes and the antioxidant system in acute Lyme borreliosis. Infectious diseases. 2006;4(4):8–11. (In Russ).

[62] Бондаренко А.Л, Цапок П.И, Любезнова О.Н. Состояние процессов перекисного окисления липидов и антиоксидантной системы при остром Лайм-боррелиозе // Инфекционные болезни. 2006. Т. 4, № 4. С. 8–11.

RIGHTS & PERMISSIONS

Eco-vector