Analysis of biomechanical and biochemical markers of rat muscle soleus fatigue processes development during long-term use of C60 fullerene and N-acetylcysteine

Abstract

The development of an effective therapy aimed at restoring muscle dysfunctions in clinical and sports medicine, as well as optimizing working activity in general remains an urgent task today. Modern nanobiotechnologies are able to solve many clinical and social health problems, in particular, they offer new therapeutic approaches using biocompatible and bioavailable nanostructures with specific bioactivity. Therefore, the nanosized carbon molecule, C60 fullerene, as a powerful antioxidant, is very attractive. In this study, a comparative analysis of the dynamic of muscle soleus fatigue processes in rats was conducted using 50 Hz stimulation for 5 s with three consistent pools after intraperitoneal administration of the following antioxidants: C60 fullerene (a daily dose of 1 mg/kg one hour prior to the start of the experiment) and N-acetylcysteine (NAC; a daily dose of 150 mg/kg one hour prior to the start of the experiment) during five days. Changes in the integrated power of muscle contraction, levels of the maximum and minimum contraction force generation, time of reduction of the contraction force by 50% of its maximum value, achievement of the maximum force response, and delay of the beginning of a single contraction force response were analyzed as biomechanical markers of fatigue processes. Levels of creatinine, creatine phosphokinase, lactate, and lactate dehydrogenase, as well as pro-and antioxidant balance (thiobarbituric acid reactive substances, hydrogen peroxide, reduced glutathione, and catalase activity) in the blood of rats were analyzed as biochemical markers of fatigue processes. The obtained data indicate that applied therapeutic drugs have the most significant effects on the 2nd and especially the 3rd stimulation pools. Thus, the application of C60 fullerene has a (50–80) % stronger effect on the resumption of muscle biomechanics after the beginning of fatigue than NAC on the first day of the experiment. There is a clear trend toward a positive change in all studied biochemical parameters by about (12–15) % after therapeutic administration of NAC and by (20–25)% after using C60 fullerene throughout the experiment. These findings demonstrate the promise of using C60 fullerenes as potential therapeutic nanoagents that can reduce or adjust the pathological conditions of the muscular system that occur during fatigue processes in skeletal muscles. Розробка ефективної терапії, спрямованої на усунення м’язових дисфункцій у клінічній та спортивній медицині, а також на оптимізацію професійної діяльності загалом, залишається актуальним завданням сьогодення. Сучасні нанобіотехнології здатні вирішувати низку клінічних і соціальних проблем охорони здоров’я; зокрема, вони пропонують нові терапевтичні підходи з використанням біосумісних і біодоступних наноструктур, що мають специфічну біоактивність. У цьому контексті значний інтерес становить нанорозмірна молекула вуглецю — фулерен C60, який є потужним антиоксидантом. У дослідженні проведено порівняльний аналіз динаміки процесів втоми камбалоподібного м’яза щурів за умов стимуляції частотою 50 Гц протягом 5 с (три послідовні серії стимуляції) після внутрішньочеревного введення таких антиоксидантів протягом п’яти днів: фулерену C60 (добова доза 1 мг/кг за годину до початку експерименту) та N-ацетилцистеїну (NAC; добова доза 150 мг/кг за годину до початку експерименту). Як біомеханічні маркери процесів втоми аналізували зміни інтегральної потужності м’язового скорочення, рівні максимальної та мінімальної сили скорочення, час зниження сили скорочення до 50% від максимального значення, час досягнення максимальної сили відповіді та затримку початку поодинокої скорочувальної відповіді. Як біохімічні маркери процесів втоми досліджували рівні креатиніну, креатинфосфокінази, лактату та лактатдегідрогенази, а також показники про- та антиоксидантної рівноваги (вміст речовин, що реагують із тіобарбітуровою кислотою, рівень пероксиду водню, відновленого глутатіону та активність каталази) у крові щурів. Отримані дані свідчать, що застосовані терапевтичні засоби справляють найбільш виражений вплив під час другої та, особливо, третьої серій стимуляції. Так, у перший день експерименту застосування фулерену C60 мало на 50–80% сильніший ефект на відновлення біомеханічних показників м’яза після початку втоми порівняно з NAC. Спостерігається чітка тенденція до позитивних змін усіх досліджуваних біохімічних показників: приблизно на 12–15% після терапевтичного введення NAC та на 20–25% після застосування фулерену C60 протягом усього експерименту. Ці результати демонструють перспективність використання фулеренів C60 як потенційних терапевтичних наноагентів, здатних зменшувати або коригувати патологічні стани м’язової системи, що виникають під час процесів втоми скелетних м’язів.