Az oxidatív stressz, a diszfunkcionális energiaanyagcsere és a destabilizáló neurotranszmitterek megváltoztatták az agyi anyagcsere-profilt egy patkánymodellben, amely szimulált Heliox-telítettségi merülést 4.0 MPa Ⅲ

Vita

Jelen munka célja, hogy megvizsgálja a szerepétoxidatív stressz, energiaanyagcsere, ésneurotranszmitter profilokáltal kiváltott agyi régió-függő metabolomikai profilváltozások molekuláris mechanizmusábanheliox-telítési hiperbár expozíció. Számos metabolit vesz részt aenergiaanyagcsere,oxidatív stressz, ésaminosav anyagcserevalamint metabolitok, amelyek hozzájárulnak ahhozmembrán integritásésneurotranszmitterekáltal jelentősen megváltoztakHSD expozíció. Az NMR-alapú metabolomikai megközelítéssel és a biokémiai értékeléssel kapott eredmények erősen azt sugallják, hogy a hiperbár dekompresszió helioxbantelítettségi környezet indukáljaszámos metabolit változása és azoxidatív stressz, az energia-anyagcsere és a neurotranszmitterek változása a HSD modell patkányok agyi régió-specifikus metabolomikai profiljaiban bekövetkező változások fő mechanizmusa. Az adatok azt mutatták, hogy a 400 msw-HSD hatásaiban több anyagcsereút is szerepet játszott, beleértve a glutation-anyagcserét, a mitokondriális energia-anyagcserét, a glikolízist, a BCAA-anyagcserét, az alanin-, aszpartát- és glutamát-anyagcserét, valamint a neurotranszmitter-metabolizmust agyi régió-specifikus metabolikus rendellenességekkel.

2. táblázat: A megkülönböztető metabolitok paneljének összefoglalása, amelyről kimutatták, hogy szignifikánsan megváltozott a heliox-telítettségnek kitett és a kontroll patkányok között az agykéreg szöveteinek három agyi régiójában, a hippocampusban és a striatumban.

6. ábra Kvantitatív útvonal-dúsítási elemzés. Útvonal-topológia diagramok, amelyeket a jobb oldali táblázatokban felsorolt ​​hatásértékek, valamint az FDR és p értékek, valamint – log10(p) mutatnak be statisztikailag szignifikáns metabolitokból a kéregből (A), hippocampusból (B) és striatumból (C) ) a HSD csoportokban a kontrollokhoz képest.

Oxidatív stressz elemzés

During large depth (>100 msw) szaturációs búvárkodás során a központi idegrendszer folyamatosan oxidatív stressznek van kitéve a heliox-telítési nyomás alatti környezet által kiváltott reaktív oxigénfajták (ROS) túlzott termelése miatt [23, 24]. Az oxidáns és az antioxidáns szint közötti egyensúlyhiány gyakori anyagcsere-szabályozó elem különféle neurológiai rendellenességekben, beleértve az Alzheimer-kórt [25], az autizmus spektrum zavart [26], az ischaemiás agyat [21], a traumás agysérülést [27] és így tovább [18]. , 28, 29]. Az SOD, MDA és Gpx szintváltozásai, mint az oxidatív stressz elismert indikátorai, tükrözik az oxigénmentes gyökök in vivo károsodását. Jelen vizsgálatunkban az oxidatív károsodás indikátor (MDA) tartalma nőtt, és az antioxidáns indikátor (SOD és Gpx) aktivitása csökkent a modellpatkányokban, ami arra utal, hogy a HSD patkánymodell agykéregében oxidatív stressz fordult elő. Számos más metabolit is kapcsolódik az oxidatív stressz szabályozásához. A taurin antioxidáns, gyulladáscsökkentő, apoptotikus, ozmolitikus és neuro-modulátor hatásokkal szélesebb szerepet játszik az agy és a neuronális aktivitás kórszövettani változásainak enyhítésében [30–36]. A taurintartalom jelentős csökkenése az agyi hippocampusban és a striatumban HSD patkányokban, valamint egy másik oxidatív stresszel összefüggő metabolit, a GSH csökkent a kéregben és a hippocampusban, ami arra utal, hogy a HSD patkány agyának különböző részeiben oxidatív károsodást váltottak ki. . A GSH széles körben ismert, mint antioxidáns kioltó, és a ROS reakciójával stabil molekulákat, például GSSH- és AKA-oxidált glutation-diszulfidot termel. A HSD utáni alacsony GSH-szint hatással lenne a mitokondriális funkcióra és a redox egyensúlyra, ezzel magyarázva a megfigyelt erős negatív korrelációt a GSH és a Suc között a HSDH-mintákban (5B. ábra, felső panel). Az Asc-t (más néven C-vitamint) fontos antioxidánsnak/mikrotápanyagnak tekintik antioxidáns képességei miatt, és így alapvető funkciókat lát el az agyi idegsejtek karbantartásában. Itt beszámolunk arról, hogy az Asc alacsonyabb koncentrációban van a HSDH-mintákban, mint a kontrollokban. Ezek az eredmények összhangban vannak egymással, ami arra utal, hogy közvetlen kapcsolat van az oxidatív stressz és a hiperbár dekompresszió között helioxszal telített környezetben. Az agyban az antioxidáns kioltók alacsonyabb koncentrációja közvetlenül összefüggésbe hozható a csökkent antioxidáns kapacitással, ezáltal csökkentve a szuperoxidok képződését, beleértve az SOD-t és a Gpx-et, ésaz MDA szintjének felszabályozása.

Kattintson ide, és szerezze be a Cistanche-t az antioxidánsért

Energia metabolikus útvonal elemzése

Az Ala és Lac közötti statisztikailag szignifikáns pozitív korreláció a HSDC és CONC csoportokban azt mutatta, hogy az Ala, mint aminosav, szignifikánsan nagyobb mértékben kapcsolódik az anaerob glikolízishez [37]. Az LDH katalizálta a piruvát Lac átalakulását, és az LDH csökkent aktivitása a kéregben csökkentette a Lac expresszióját, ami az anaerob útvonalak csökkenését jelzi. A Lac koncentrációja azonban az aszpartát-aminotranszferáz (AST), alanin-aminotranszferáz (ALT) és LDH aktivitása révén kedvezett az energetikai metabolizmusnak, amelyek szintén beépülhetnek a neuronok glutamát-, glutamin- és GABA-ciklusaiba. Ebben a vizsgálatban a CON patkányokhoz képest a szignifikánsan magasabb FMA-koncentráció a HSDX-csoportban és a csökkent Suc-koncentráció az energia-anyagcsere-csökkenést jelezheti, amit tovább igazolt a megnövekedett AMP és a főként glikolízis és a TCA ciklus. A Na-K-ATPáz, a nátriumionok megfelelő elektrokémiai gradiensének a sejtmembránon keresztüli fenntartásához kulcsfontosságú enzim, az agy rendelkezésére álló energia körülbelül 50 százalékát igényli [38, 39]. A Na-K-ATPáz hibás működése alapvető szerepet játszik a neurodegeneratív betegségek kialakulásában [40, 41]. A Na-K-ATPáz csökkent aktivitása az agykéregben a HSD csoportban további bizonyítékot szolgáltatott a HSD hatás által kiváltott csökkent energiaanyagcserére. A hiperbár HSD sérülés által kiváltott energia-anyagcsere-diszfunkciók együttesen magukban foglalhatják a kollaboratívan elnyomott aerob anyagcserét és az anaerob metabolizmust, amely ritka metabolikus változási jelenség.

A BCAA-k (Ile, Val és Leu) szintje a HSDS-mintákban magasabb volt, mint a CONS-mintákban. A BCAA-k átalakíthatók acetil-CoA-vá és szukcinil-CoA-vá [42], amelyek a glükoneogenezis és az ATP-termelés szubsztrátjai. Így a BCAA-k felszabályozását potenciálisan indukálták a HSD-sérülés utáni energiakompenzációs igények kielégítésére. Eközben az energiakompenzációs igénynek megfelelően a zsírsav-oxidációs metabolikus útvonalat is modulálták, és a HSDC mintákban alacsonyabb Car (a zsírsav-oxidáció marker metabolitja) szintjét mutatták ki. A glicin-, szerin- és treonin-anyagcsere-útvonal (6B. ábra) szintén fontos energia-anyagcsere-prekurzorokat szállít a citrátciklusba való belépéshez [43]. Ezen az útvonalon Cho, Gly és Thr a három találat. Kimutatták, hogy a Cho és a Gly csökkent a HSD expozícióval. Hasonlóképpen, a kolinerg útvonalakat társadalmi és viselkedési rendellenességekhez kötik, amelyek szintén a sejtmembránok lényeges alkotóelemei, és szükségesek az acetilkolin neurotranszmitter szintéziséhez. A Gly a legegyszerűbb aminosav, amely számos funkcióval rendelkezik, beleértvezsíranyagcsere, neurológiai funkció, izomfejlődés és beépülés az antioxidáns glutationba [44].

Neurotranszmitter anyagcsere

A neurotranszmitterek metabolizmusa létfontosságú a normál agyműködés fenntartásához. Azonban a neurotranszmitter egyensúlyhiány széles skáláját jellemezték HSD modell patkányokban. A serkentő transzmitterek dopamin és noradrenalin szintjének emelkedését a gátló neurotranszmitterek, köztük az 5HT, Gly és GABA csökkenése kísérte a HSD csoportban a kontrollokhoz képest. A GABA, mint a fő gátló neurotranszmitter felelős a serkentő glutamáterg aktivitás leállításáért, így természetesen ezen metabolitok bármelyikének megzavarása hatással lesz a másikra is az Asp, Gly és Gln koncentrációjának változása tekintetében. Az ACh serkentő neurotranszmitter számos központi idegrendszeri funkcióban vesz részt [45], főként az acetilkolin receptorok és azok downstream útvonalainak modulálásával. Ebben a vizsgálatban az ACh hidrolízis folyamatában az AChE aktivitást mérték. A csökkent AChE aktivitás a kolinerg útvonal zavarát jelzi. Ezenkívül a Lys esszenciális aminosav striatális szintjét szignifikánsan megemelkedett HSD patkányokban. A Lys-ről beszámoltak arról, hogy blokkolja a szerotonin receptorokat, és felhalmozódása hatással lesz az 5HT normál működésére [46]. Az Asp, egy másik serkentő neurotranszmitter, közvetlenül a TCA-ciklus intermedierjéből, az oxálacetátból való transzaminációval származik. Megállapítottuk, hogy az Asp koncentrációja szignifikánsan csökkent a HSD patkányok striatumában, további bizonyítékot szolgáltatva az ingerlékenység neurotoxicitására kifejtett egyensúlyhiányra, három másik Ala, FMA és GABA találattal. Ez a négy metabolit az alanin-, aszpartát- és glutamát-anyagcsere útvonalakból áll (6A, 7. ábra). Ezek az eredmények a neurotranszmitterek újrahasznosításában/termelésében fellépő zavart és a serkentő/gátló neurotranszmitterek közötti egyensúlyhiányt jelzik, amelyet a HSD-hatás indukál. Összességében szisztematikus anyagcserezavarok, köztük energia-anyagcsere-zavarok, oxidatív stressz és neurotranszmitter-anyagcsere zavarok indukálódtak HSD-patkányok régió-specifikus agykárosodásában. A neuronális egészség általános mutatója, az NAA downregulációja neurofunkcionális rendellenességekre utalt. Ezek az adatok azt mutatták, hogy a 4.0 MPa hiperbár dekompressziós expozíció idegi károsodást váltott ki. Ezzel a következtetéssel összhangban a Pcho és Cho szintje, amelyek a sejtmembrán lízisében, apoptózisában és gyulladásos válaszaiban részt vevő foszfatidil-kolin (PC) prekurzorai, lefelé szabályozottak. A membránreleváns metabolitok koncentrációjának csökkenése a sejtmembrán integritásának megzavarására utalt az idegsejtek károsodásával összefüggésben. A neuronális károsodás lehet az elsődleges oka a HSD hatások által kiváltott metabolikus változásoknak.

Következtetések

Jelen tanulmányban NMR-alapú metabolomikai és biokémiai értékelést alkalmaztunk a HSD modell patkányok agyi régió-specifikus metabolikus változásainak metabolikus változásainak profilálására a heliox telítettségi expozíció 400 msw-os hiperbár dekompresszióját követően. Ezután azt találtuk, hogy a HSD szignifikánsan indukált anyagcsere-rendellenességeket, beleértve az oxidatív stresszt, az energia-anyagcsere zavarokat, a neurotranszmitter anyagcsere zavarokat és a sejtmembrán zavarokat. A HSD-expozíció mélyrehatóbb molekuláris mechanizmusait azonban a jövőbeli kutatások során meg kell vizsgálni.

7. ábra. A potenciális agyi anyagcsereútvonalak kikövetkeztetett változásainak vázlatos áttekintése a hiperbár heliox telítés után.

Korlátozások

A kutatás lehetséges hibaforrásai a tervezés és az elemzések lehetnek. Bár a kéreg, a hippocampus és a striatum diszfunkciói szorosan összefüggésbe hozhatók a központi idegrendszeri szabadidő számos tünetével állatmodellekben, ezt a három agyi régiót vizsgáltuk itt. A központi idegrendszeri szabadidő kóros tényezők (túlzott légköri nyomás, gázbuborékok, dekompressziós betegség) hatására bekövetkező pszichomotoros és kognitív megnyilvánulásainak sorozatát a kisagy diszfunkciója is befolyásolta, de a kisagy metabolikus profilzavarát ebben a kutatásban nem vettük figyelembe. Továbbá ebben a vizsgálatban csak korlátozott mennyiségű agyi metabolit volt kimutatható NMR-rel; így a jövőbeni vizsgálatok során egy LC–MS (folyadékkromatográfia-tandem tömegspektrometria) alapú metabolomikus megközelítést kell alkalmazni több endogén metabolit kimutatására az agyban, hogy teljes mértékben megértsük a hiperbár dekompressziós hatás mechanizmusát helioxszal telített környezetben.

Támogató információk S1 Ábra: A 400 msw-os heliox telítési környezet nagynyomású expozíciója által kiváltott anyagcsere-elváltozások különböző agyi régiókban. A főkomponens-analízis (PCA) a PC1/PC2 pontszámok görbéjét 1H-NMR-adatokból kapjuk, és a CONC és HSDC csoportok szerint színezzük (A, R2X=0.40, Q2=-0.02), CONH és HSDH (B, R2X=0.50, Q2=0.16), valamint CONS és HSDS (C, R2X=0.43, Q2=0.05),; a skálázás mértékegységvarianciára történt; A részleges legkisebb négyzetek diszkriminanciaanalízis (PLS-DA) pontszámait a kéregből (A', R2X=0.38, Q2=0.54), a hippocampusból (B', R2X=0.37, Q2=0.35) és striatum (C', R2X=0.39, Q2=0.42) CON és HSD csoportokból; a skálázás mértékegységvarianciára történt. (DOCX)

Hivatkozások

1. Bowser-Riley F. Mechanisztikus vizsgálatok a nagynyomású neurológiai szindrómáról. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 1984; 304(1118):31–41. Epub 1984/01/07. https://doi.org/10.1098/rstb.1984.0006 PMID: 6142478

2. Jain KK. Magas nyomású neurológiai szindróma (HPNS). Acta Neurol Scand. 1994; 90. (1):45–50. Epub 1994/07/01. https://doi.org/10.1111/j.{12}}.1994.tb02678.x PMID: 7941956

3. Bliznyuk A, Hollmann M, Grossman Y. High-Pressure Stress Response: Involvement of NMDA Receptor Subtypes and Molecular Markers. Front Physiol. 2019; 10:1234. Epub 2019.10.16. https://doi.org/ 10.3389/fphys.2019.01234 PMID: 31611813

4. Mor A, Grossman Y. Az NMDA receptor-függő ingerlékenység nagynyomású modulációja. Eur J Neurosci. 2007; 25(7):2045–52. Epub 2007/04/19. https://doi.org/10.1111/j.{13}}.2007.05479.x PMID: 17439491

5. Moen G, Specht K, Taxt T, Sundal E, Groning M, Thorsen E és mások. Agyi diffúzió és perfúziós hiányosságok az északi-tengeri búvároknál. Acta Radiol. 2010; 51(9):1050–8. Epub 2010.09.21. https://doi.org/10.3109/ 02841851.2010.515245 PMID: 20849321

6. Hope A, Stuhr LB, Pavlin T, Bjorkum AA, Gronning M. MRI a központi idegrendszerről patkányokban heliox szaturációs dekompressziót követően. Undersea Hyperb Med. 2015; 42. (1):57–64. Epub 2015.06.23. PMID: 26094305

7. Vaernes R, Hammerborg D, Ellertsen B, Peterson R, Tonjum S. CNS reakciók 51 ATA-nál trimixen és helioxon és dekompresszió során. Undersea Biomed Res. 1985; 12. (1):25–39. Epub 1985/03/01. PMID: 3839948 8. Hsu WH, Wang SJ, Chao YM, Chen CJ, Wang YF, Fuh JL és mások. A vizelet metabolomikai jelei reverzibilis agyi érszűkület szindrómában. Cefalalgia. 2020; 40(7):735–47. Epub 2020/01/09. https://doi.org/10.1177/0333102419897621 PMID: 31910660

9. Ghosh S, Sengupta A, Sharma S, Sonawat HM. Az agyi malária korai előrejelzése (1)H NMR-alapú metabolomikával. Malar J. 2016; 15:198. Epub 2016/04/14. https://doi.org/10.1186/s12936-016- 1256-z PMID: 27066781

10. Cabre R, Jove M, Naudi A, Ayala V, Pinol-Ripoll G, Gil-Villar MP és társai. A specifikus metabolomikai adaptációk differenciális regionális sérülékenységet határoznak meg a felnőtt emberi agykéregben. Front Mol Neurosci. 2016; 9:138. Epub 2016.12.23. https://doi.org/10.3389/fnmol.2016.00138 PMID: 28008307

11. van den Brink WJ, Hankemeier T, van der Graaf PH, de Lange ECM. Kötegnyilak: a transzlációs központi idegrendszeri gyógyszerfejlesztés javítása integrált PK/PD-metabolomika révén. Expert Opin Drug Discov. 2018; 13 (6):539–50. Epub 2018/03/10. https://doi.org/10.1080/17460441.2018.1446935 PMID: 29519169

12. Nielsen JE, Maltesen RG, Havelund JF, Faergeman NJ, Gotfredsen CH, Vestergard K és társai. Az Alzheimer-kór jellemzése integrált NMR- és LC-MS-alapú metabolomikával. Metabol Open. 2021; 12:100125. Epub 2021/10/09. https://doi.org/10.1016/j.metop.2021.100125 PMID: 34622190

13. Griffin JL, Cemal CK, Pook MA. A spinocerebellaris ataxia transzgénikus egérmodelljének agyában metabolikus fenotípus meghatározása 3. Fiziolgenomika. 2004; 16(3):334–40. Epub 2003/12/18. https://doi.org/10.1152/physiolgenomics.00149.2003 PMID: 14679302

Kérdezz többet:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: plusz 86 15292862950