L'estrès oxidatiu, el metabolisme energètic disfuncional i els neurotransmissors desestabilitzadors van alterar el perfil metabòlic cerebral en un model de rata de busseig de saturació d'heliox simulat fins a 4.0 MPa Ⅲ

Discussió

Aquest treball pretén investigar el paper deestrès oxidatiu, metabolisme energètic, iperfils de neurotransmissorsen el mecanisme molecular dels canvis de perfil de la metabolòmica depenent de la regió cerebral induïts perexposició hiperbàrica de saturació d'heliox. Diversos metabòlits implicatsmetabolisme energètic,estrès oxidatiu, imetabolisme dels aminoàcidsaixí com els metabòlits que contribueixen aintegritat de la membranaineurotransmissorsvan ser alterats significativament perExposició HSD. Els resultats obtinguts de l'enfocament de la metabolòmica basat en RMN juntament amb l'avaluació bioquímica suggereixen fortament que la descompressió hiperbàrica en un helioxindueix l'entorn de saturaciócanvis en diversos metabòlits i aixòestrès oxidatiu, el metabolisme energètic i l'alteració dels neurotransmissors és un mecanisme important per a les alteracions dels perfils metabolòmics específics de la regió cerebral en rates model HSD. Les dades van mostrar que múltiples vies metabòliques, incloent el metabolisme del glutatió, el metabolisme de l'energia mitocondrial, la glucòlisi, el metabolisme de BCAA, l'alanina, l'aspartat i el metabolisme del glutamat i el metabolisme dels neurotransmissors amb trastorns metabòlics específics de la regió cerebral, estaven implicats en els efectes de 400msw-HSD.

Taula 2. Resum d'un panell de metabòlits discriminants identificats com a canviats significativament entre les rates exposades a la saturació d'heliox-hiperbàrica i control a les tres regions cerebrals dels teixits de l'escorça cerebral, l'hipocamp i l'estriat.

Fig 6. Anàlisi quantitativa d'enriquiment de la via. Gràfics de topologia de la via il·lustrats pels valors d'impacte de la via (que es mostren a les taules adequades, així com els valors de FDR i p) i-log10 (p) de metabòlits estadísticament significatius de l'escorça (A), l'hipocamp (B) i l'estriat (C). ) als grups HSD en relació amb els controls.

Anàlisi de l'estrès oxidatiu

During large depth (>100 msw) immersió amb saturació, el sistema nerviós central està exposat contínuament a l'estrès oxidatiu a causa de la producció excessiva d'espècies reactives d'oxigen (ROS) desencadenada per l'entorn a pressió de saturació d'heliox [23, 24]. Un desequilibri entre els nivells d'oxidants i antioxidants és un element regulador metabòlic comú en diversos trastorns neurològics, inclosa la malaltia d'Alzheimer [25], el trastorn de l'espectre autista [26], el cervell isquèmic [21], les lesions cerebrals traumàtiques [27] i així successivament [18]. , 28, 29]. Els canvis de nivell de SOD, MDA i Gpx, com a indicadors reconeguts de l'estrès oxidatiu, reflecteixen la lesió dels radicals lliures d'oxigen in vivo. En el present estudi, es va augmentar el contingut de l'indicador de dany oxidatiu (MDA) i es van reduir les activitats de l'indicador antioxidant (SOD i Gpx) a les rates model, cosa que suggereix que l'estrès oxidatiu es va produir a l'escorça cerebral del model de rata HSD. Diversos altres metabòlits també estan relacionats amb la regulació de l'estrès oxidatiu. La taurina té un paper més ampli amb efectes antioxidants, antiinflamatoris, antiapoptòtics, osmolítics i neuromoduladors per millorar els canvis histopatològics en l'activitat cerebral i neuronal [30–36]. La disminució significativa del contingut de taurina a l'hipocamp cerebral i l'estriat en rates HSD, així com un altre metabòlit relacionat amb l'estrès oxidatiu, GSH, es va reduir a l'escorça i l'hipocamp, cosa que suggereix que es va induir una lesió oxidativa als diferents compartiments del cervell de la rata HSD. . El GSH és àmpliament reconegut com a extintor antioxidant i produeix molècules estables com el disulfur de glutatió oxidat amb GSSH i AKA amb la reacció de ROS. El nivell baix de GSH després de l'HSD afectaria la funció mitocondrial i l'equilibri redox, explicant així la forta correlació negativa observada entre GSH i Suc a les mostres de HSDH (figura 5B' panell superior). Asc (també conegut com la vitamina C) es considera un antioxidant/micronutrient important per les seves capacitats antioxidants i, per tant, realitza funcions essencials en el manteniment neuronal del cervell. Aquí, informem que Asc es troba a concentracions més baixes en mostres de HSDH que en controls. Aquestes troballes estan d'acord entre elles, cosa que suggereix un vincle directe entre l'estrès oxidatiu i la descompressió hiperbàrica en un entorn saturat d'heliox. Les concentracions més baixes d'extingents antioxidants al cervell poden estar directament associades amb una disminució de la capacitat antioxidant, de manera que disminueix la generació de superòxids, inclosos SOD i Gpx, iaugmentar els nivells de MDA.

Feu clic aquí per obtenir Cistanche per a l'antioxidació

Anàlisi de la via metabòlica de l'energia

La correlació positiva estadísticament significativa entre Ala i Lac als grups HSDC i CONC va indicar que Ala, com a aminoàcid, té un enllaç significativament més alt amb la glucòlisi anaeròbica [37]. La LDH va catalitzar la conversió de piruvat en Lac, i la disminució de les activitats de LDH a l'escorça va regular a la baixa l'expressió de Lac, indicant una disminució de les vies anaeròbies. Tanmateix, la concentració de Lac va afavorir el metabolisme energètic mitjançant l'activitat de l'aspartat aminotransferasa (AST), l'alanina aminotransferasa (ALT) i la LDH, que també es poden incorporar als cicles de glutamat, glutamina i GABA de les neurones. En aquest estudi, en comparació amb les rates CON, una concentració significativament més alta de FMA al grup HSDX i una disminució de la concentració de Suc poden indicar una disminució del metabolisme energètic, que es va confirmar encara més per un augment de l'AMP i una disminució d'ATP produïda principalment per la glucòlisi i la Cicle TCA. La Na-K-ATPasa, un enzim clau per al manteniment d'un gradient electroquímic adequat d'ions de sodi a través de la membrana cel·lular, requereix aproximadament el 50 per cent de l'energia disponible per al cervell [38, 39]. El mal funcionament de la Na-K-ATPasa té un paper essencial en el desenvolupament de malalties neurodegeneratives [40, 41]. La disminució de l'activitat de la Na-K-ATPasa a l'escorça cerebral del grup HSD va proporcionar una prova addicional de la disminució del metabolisme energètic induït per l'efecte HSD. En conjunt, les disfuncions del metabolisme energètic induïdes per la lesió HSD hiperbàrica podrien incloure el metabolisme aeròbic suprimit col·laborativament i el metabolisme anaeròbic, que és un fenomen d'alteració metabòlica poc freqüent.

Els nivells de BCAA (Ile, Val i Leu) a les mostres HSDS es van regular en comparació amb els de les mostres CONS. Els BCAA es poden convertir en acetil-CoA i succinil-CoA [42] com a substrats per a la gluconeogènesi i la generació d'ATP. Així, la regulació a l'alça dels BCAA es va induir potencialment per satisfer les necessitats de compensació energètica després de la lesió HSD. Mentrestant, d'acord amb la demanda de compensació energètica, també es va modular la via metabòlica d'oxidació d'àcids grassos i es va detectar un nivell més baix de Car (un metabòlit marcador per a l'oxidació d'àcids grassos) a les mostres de HSDC. La via del metabolisme de la glicina, la serina i la treonina (Fig 6B) també proporciona importants precursors del metabolisme energètic per entrar al cicle del citrat [43]. En aquest camí, Cho, Gly i Thr són els tres èxits. Es va demostrar que Cho i Gly disminueixen amb l'exposició a HSD. Així mateix, les vies colinèrgiques s'han relacionat amb anomalies socials i de comportament, també com a component essencial de les membranes cel·lulars i necessaris per a la síntesi del neurotransmissor acetilcolina. Gly és l'aminoàcid més simple amb diverses funcions, entre ellesmetabolisme dels greixos, funció neurològica, desenvolupament muscular i incorporació al glutatió antioxidant [44].

Metabolisme dels neurotransmissors

El metabolisme dels neurotransmissors és vital per mantenir el funcionament normal del cervell. Tanmateix, s'ha caracteritzat una àmplia gamma de desequilibris de neurotransmissors en rates model HSD. L'augment dels nivells dels transmissors excitadors dopamina i noradrenalina van anar acompanyats de disminució dels neurotransmissors inhibidors, inclosos 5HT, Gly i GABA al grup HSD en comparació amb els controls. El GABA, com a neurotransmissor inhibidor principal, és responsable d'aturar l'activitat glutamatèrgica excitadora, de manera que, naturalment, la interrupció de qualsevol d'aquests metabòlits afectarà l'altre pel que fa als canvis en les concentracions d'Asp, Gly i Gln. El neurotransmissor excitador ACh està implicat en múltiples funcions del sistema nerviós central [45] principalment mitjançant la modulació dels receptors d'acetilcolina i les seves vies aigües avall. En aquest estudi, es va mesurar l'activitat de l'AChE en el procés d'hidròlisi de l'ACh. La disminució de l'activitat de l'AChE indica una alteració de la via colinèrgica. A més, es va trobar que el nivell estriatal de l'aminoàcid essencial Lys estava significativament elevat a les rates HSD. S'ha informat que Lys bloqueja els receptors de serotonina i la seva acumulació afectarà la funció normal de 5HT [46]. Asp, un altre neurotransmissor excitador, es deriva directament per transaminació d'un intermedi del cicle TCA, l'oxalacetat. Vam trobar que la concentració d'Asp es va reduir significativament a l'estriat de les rates HSD, proporcionant una prova addicional de l'efecte de desequilibri sobre la neurotoxicitat de l'excitabilitat, amb altres tres èxits d'Ala, FMA i GABA. Aquests quatre metabòlits consisteixen en les vies del metabolisme de l'alanina, l'aspartat i el glutamat (Figs 6A, 7). Aquestes troballes indiquen una pertorbació en el reciclatge/producció de neurotransmissors i el desequilibri entre els neurotransmissors excitadors/inhibidors induït per l'efecte HSD. En conjunt, es van induir trastorns metabòlics sistemàtics, incloses disfuncions del metabolisme energètic, estrès oxidatiu i alteracions del metabolisme dels neurotransmissors, en la lesió cerebral específica de la regió de rates HSD. La baixada de la NAA, que és un indicador general de la salut neuronal, va suggerir anomalies neurofuncionals. Aquestes dades van indicar que el dany neuronal va ser induït per l'exposició a la descompressió hiperbàrica de 4.0 MPa. D'acord amb aquesta deducció, els nivells de Pcho i Cho, que són precursors de la fosfatidilcolina (PC) implicats en la lisi de la membrana cel·lular, l'apoptosi i les respostes inflamatòries, es van regular a la baixa. La disminució de la concentració dels metabòlits rellevants per a la membrana va suggerir la interrupció de la integritat de la membrana cel·lular relacionada amb el dany neuronal. El dany neuronal podria ser la raó principal de l'alteració metabòlica induïda pels efectes HSD.

Conclusions

En el present estudi, es va aplicar l'avaluació de la metabolòmica i la bioquímica basada en RMN per perfilar les alteracions metabòliques en l'alteració metabòlica específica de la regió cerebral de rates model HSD després de la descompressió hiperbàrica de 400 msw de l'exposició a la saturació d'heliox. Aleshores, vam trobar que l'HSD va induir significativament aberracions metabòliques, inclòs l'estrès oxidatiu, el trastorn del metabolisme energètic, la alteració del metabolisme dels neurotransmissors i la interrupció de la membrana cel·lular. Tanmateix, els mecanismes moleculars més profunds de l'exposició a HSD s'han d'investigar en futures investigacions.

Fig 7. Visió general esquemàtica dels canvis inferits en les possibles vies metabòliques cerebrals després de la saturació d'heliox hiperbàrica.

Limitacions

Les possibles fonts d'errors en aquesta investigació podrien ser el disseny i les anàlisis. Tot i que les disfuncions de l'escorça, l'hipocamp i l'estriat s'han correlacionat fortament amb diversos símptomes d'oci del SNC en models animals, aquestes tres regions cerebrals van ser les que s'estudien aquí. La sèrie de manifestacions psicomotores i cognitives de l'oci del SNC sota factors patològics (pressió atmosfèrica excessiva, bombolles de gas al cos i malaltia de descompressió) també es van veure influenciades per la disfunció cerebel·losa, però la alteració del perfil metabòlic del cerebel no es va considerar en aquesta investigació. A més, només es van poder detectar metabòlits cerebrals limitats per RMN en aquest estudi; per tant, s'hauria d'utilitzar un enfocament metabolòmic basat en LC-MS (cromatografia líquida-espectrometria de masses en tàndem) en estudis futurs per detectar més metabòlits endògens al cervell per entendre completament el mecanisme de l'efecte de descompressió hiperbàrica en un entorn saturat d'heliox.

Informació de suport S1 Fig. Alteracions metabòliques provocades per l'exposició a alta pressió d'un entorn de saturació d'heliox de 400 msw i en diferents regions del cervell. L'anàlisi de components principals (PCA) puntua el diagrama de PC1/PC2 obtingut a partir de dades de RMN 1H i acolorit segons els grups de CONC i HSDC (A, R2X=0.40, Q2=-0.02), CONH i HSDH (B, R2X=0,50, Q{2=0,16) i CONS i HSDS (C, R2X=0,43, Q{2=0,05),; l'escala es va fer a la variància de la unitat; L'anàlisi discriminant de mínims quadrats parcials (PLS-DA) gràfic de puntuacions dels espectres de RMN 1H d'extractes de l'escorça (A', R2X=0.38, Q2=0.54), l'hipocamp (B', R2X=0.37, Q{2=0.35) i estriat (C', R2X=0.39, Q{2=0.42) dels grups CON i HSD; Es va fer l'escala a la variància de la unitat. (DOCX)

Referències

1. Bowser-Riley F. Estudis mecanicistes sobre la síndrome neurològica d'alta pressió. 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. Síndrome neurològica d'alta pressió (HPNS). Acta Neurol Scand. 1994; 90(1):45–50. Epub 1994/07/01. https://doi.org/10.1111/j.1600-0404.1994.tb02678.x PMID: 7941956

3. Bliznyuk A, Hollmann M, Grossman Y. Resposta a l'estrès d'alta pressió: implicació dels subtipus de receptors NMDA i marcadors moleculars. Physiol frontal. 2019; 10:1234. Epub 16/10/2019. https://doi.org/ 10.3389/fphys.2019.01234 PMID: 31611813

4. Mor A, Grossman Y. Modulació d'alta pressió de l'excitabilitat dependent del receptor NMDA. Eur J Neurosci. 2007; 25(7):2045–52. Epub 2007/04/19. https://doi.org/10.1111/j.1460-9568.2007.05479.x PMID: 17439491

5. Moen G, Specht K, Taxt T, Sundal E, Groning M, Thorsen E, et al. Dèficits de difusió i perfusió cerebral en bussejadors del Mar del Nord. Acta Radiol. 2010; 51(9):1050–8. Epub 21/09/2010. https://doi.org/10.3109/ 02841851.2010.515245 PMID: 20849321

6. Hope A, Stuhr LB, Pavlin T, Bjorkum AA, Gronning M. MRI del sistema nerviós central en rates després de la descompressió de saturació d'heliox. Undersea Hyperb Med. 2015; 42(1):57–64. Epub 23/06/2015. PMID: 26094305

7. Vaernes R, Hammerborg D, Ellertsen B, Peterson R, Tonjum S. Reaccions del SNC a 51 ATA en trimix i heliox i durant la descompressió. 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, et al. Signatures metabolòmiques d'orina en la síndrome de vasoconstricció cerebral reversible. Cefalàlgia. 2020; 40(7):735–47. Epub 09/01/2020. https://doi.org/10.1177/0333102419897621 PMID: 31910660

9. Ghosh S, Sengupta A, Sharma S, Sonawat HM. Predicció primerenca de la malària cerebral per metabolòmica basada en (1)H RMN. Malar J. 2016; 15:198. Epub 14/04/2016. 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, et al. Les adaptacions específiques de la metabolòmica defineixen una vulnerabilitat regional diferencial a l'escorça cerebral humana adulta. Front Mol Neurosci. 2016; 9:138. Epub 23/12/2016. https://doi.org/10.3389/fnmol.2016.00138 PMID: 28008307

11. van den Brink WJ, Hankemeier T, van der Graaf PH, de Lange ECM. Fletxes agrupades: millora del desenvolupament de fàrmacs translacionals del SNC mitjançant metabolòmica PK/PD integrada. Expert Opin Drug Discov. 2018; 13 (6):539–50. Epub 10/03/2018. https://doi.org/10.1080/17460441.2018.1446935 PMID: 29519169

12. Nielsen JE, Maltesen RG, Havelund JF, Faergeman NJ, Gotfredsen CH, Vestergard K, et al. Caracterització de la malaltia d'Alzheimer mitjançant metabolòmica integrativa basada en RMN i LC-MS. Metabol obert. 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. Definició d'un fenotip metabòlic en el cervell d'un model de ratolí transgènic d'atàxia espinocerebel·losa 3. Physiol Genomics. 2004; 16(3):334–40. Epub 2003/12/18. https:// doi.org/10.1152/physiolgenomics.00149.2003 PMID: 14679302

Demana més:

Correu electrònic:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: més 86 15292862950