Oksidativt stress, dysfunksjonell energimetabolisme og destabiliserende nevrotransmittere endret den cerebrale metabolske profilen i en rottemodell av simulert heliox-metningsdykking til 4.0 MPa Ⅲ

Diskusjon

Dette arbeidet tar sikte på å undersøke rollen tiloksidativt stress, energimetabolisme, ognevrotransmitterprofileri den molekylære mekanismen til cerebral region-avhengig metabolomikk profilendringer indusert avheliox-metning hyperbar eksponering. Flere metabolitter involvert ienergimetabolisme,oksidativt stress, ogaminosyremetabolismesamt metabolitter som bidrar tilmembranintegritetognevrotransmittereble betydelig endret avHSD eksponering. Resultatene oppnådd fra den NMR-baserte metabolomiske tilnærmingen sammen med biokjemisk vurdering tyder sterkt på at hyperbar dekompresjon i en helioxmetningsmiljøet indusererendringer i flere metabolitter og detoksidativt stress, energimetabolisme og nevrotransmitterendring er en viktig mekanisme for endringer i cerebral regionspesifikke metabolomiske profiler hos HSD-modellrotter. Dataene viste at flere metabolske veier, inkludert glutationmetabolisme, mitokondriell energimetabolisme, glykolyse, BCAA-metabolisme, alanin, aspartat- og glutamatmetabolisme og nevrotransmittermetabolisme med hjerneregionspesifikke metabolske forstyrrelser, var involvert i effekten av 400msw-HSD.

Tabell 2. Sammendrag av et panel av diskriminerende metabolitter som er identifisert å være signifikant endret mellom heliox-metning-hyperbarisk-eksponerte og kontrollrotter i de tre hjerneområdene i hjernebarkens vev, hippocampus og striatum.

Fig 6. Kvantitativ analyse av anrikningsveier. Pathway-topologiplott illustrert av pathway-påvirkningsverdier (som er oppført i de høyre tabellene samt FDR- og p-verdier) og–log10(p) fra statistisk signifikante metabolitter fra cortex (A), hippocampus (B) og striatum (C) ) i HSD-gruppene i forhold til kontrollene.

Oksidativ stressanalyse

During large depth (>100 msw) metningsdykking, er sentralnervesystemet kontinuerlig utsatt for oksidativt stress på grunn av overdreven produksjon av reaktive oksygenarter (ROS) utløst av heliox-metning under trykk [23, 24]. En ubalanse mellom oksidant- og antioksidantnivåer er et vanlig metabolsk regulatorisk element i ulike nevrologiske lidelser, inkludert Alzheimers sykdom [25], autismespekterforstyrrelse [26], iskemisk hjerne [21], traumatisk hjerneskade [27], og så videre [18] , 28, 29]. Nivåendringene til SOD, MDA og Gpx, som anerkjente indikatorer for oksidativt stress, gjenspeiler skaden på oksygenfrie radikaler in vivo. I denne studien ble innholdet av oksidativ skadeindikator (MDA) økt, og antioksidantindikatoraktivitetene (SOD og Gpx) ble redusert i modellrottene, noe som tyder på at oksidativt stress forekom i hjernebarken til HSD-rottemodellen. Flere andre metabolitter er også relatert til reguleringen av oksidativt stress. Taurin spiller bredere roller med antioksidant-, anti-inflammatoriske, anti-apoptotiske, osmolytiske og nevromodulatoreffekter for å forbedre de histopatologiske endringene i hjerne- og nevronaktivitet [30–36]. Den betydelige nedgangen i taurininnhold i cerebral hippocampus og striatum hos HSD-rotter, så vel som en annen oksidativt stressrelatert metabolitt, GSH, ble redusert i cortex og hippocampus, noe som tyder på at oksidativ skade ble indusert i de forskjellige avdelingene i HSD-rottehjernen . GSH er allment anerkjent som en antioksidantslukker og produserer stabile molekyler som GSSH- og AKA-oksidert glutationdisulfid med reaksjonen av ROS. Det lave GSH-nivået etter HSD ville påvirke mitokondriell funksjon og redoksbalanse, og dermed stå for den observerte sterke negative korrelasjonen mellom GSH vs Suc i HSDH-prøvene (fig 5B 'øvre panel). Asc (aka Vitamin C) regnes som en viktig antioksidant/mikronæringsstoff for sine antioksidantegenskaper og utfører dermed viktige funksjoner innen hjerneneuronal vedlikehold. Her rapporterer vi at Asc er ved lavere konsentrasjoner i HSDH-prøver enn i kontroller. Disse funnene er i samsvar med hverandre, noe som antyder en direkte sammenheng mellom oksidativt stress og hyperbar dekompresjon i et heliox-mettet miljø. Lavere konsentrasjoner av antioksidantslukkere i hjernen kan være direkte assosiert med redusert antioksidantkapasitet, og derved nedregulere genereringen av superoksider, inkludert SOD og Gpx, ogoppregulerer nivåene av MDA.

Klikk her for å få Cistanche for antioksidasjon

Energimetabolske veianalyse

Den statistisk signifikante positive korrelasjonen mellom Ala og Lac i HSDC- og CONC-gruppene indikerte at Ala, som en aminosyre, har en signifikant høyere kobling til anaerob glykolyse [37]. LDH katalyserte omdannelsen av pyruvat til Lac, og de reduserte aktivitetene til LDH i cortex nedregulerte uttrykket av Lac, noe som indikerte en reduksjon i anaerobe veier. Imidlertid favoriserte konsentrasjonen av Lac energisk metabolisme gjennom aktiviteten til aspartataminotransferase (AST), alaninaminotransferase (ALT) og LDH, som også kan inkorporeres i glutamat-, glutamin- og GABA-syklusene i nevroner. I denne studien, sammenlignet med CON-rotter, kan en signifikant høyere konsentrasjon av FMA i HSDX-gruppen og en redusert konsentrasjon av Suc indikere en nedgang i energimetabolismen, noe som ble ytterligere bekreftet av økt AMP og redusert ATP produsert hovedsakelig ved glykolyse og TCA syklus. Na-K-ATPase, et nøkkelenzym for å opprettholde en riktig elektrokjemisk gradient av natriumioner over cellemembranen, krever omtrent 50 prosent av energien som er tilgjengelig for hjernen [38, 39]. Feilfunksjonen til Na-K-ATPase har en viktig rolle i utviklingen av nevrodegenerative sykdommer [40, 41]. Den reduserte aktiviteten til Na-K-ATPase i hjernebarken til HSD-gruppen ga ytterligere bevis for den reduserte energimetabolismen indusert av HSD-effekten. Sammen kan dysfunksjoner i energimetabolisme indusert av hyperbar HSD-skade inkludere den samarbeidende undertrykte aerobe metabolismen og anaerob metabolisme, som er et sjeldent metabolsk endringsfenomen.

Nivåene av BCAA (Ile, Val og Leu) i HSDS-prøvene ble oppregulert sammenlignet med de i CONS-prøvene. BCAA kan omdannes til acetyl-CoA og succinyl-CoA [42] som substrater for glukoneogenese og ATP-generering. Dermed ble oppreguleringen av BCAA potensielt indusert for å oppfylle energikompensasjonsbehovet etter HSD-skade. I mellomtiden, i samsvar med energikompensasjonsbehovet, ble fettsyreoksidasjonsmetabolismen også modulert, og et lavere nivå av Car (en markørmetabolitt for fettsyreoksidasjon) i HSDC-prøvene ble oppdaget. Glysin-, serin- og treoninmetabolismeveien (Fig 6B) gir også viktige energimetabolismeforløpere for å gå inn i sitratsyklusen [43]. I denne banen er Cho, Gly og Thr de tre treffene. Cho og Gly ble vist å avta med HSD-eksponering. På samme måte har kolinerge veier blitt knyttet til sosiale og atferdsmessige abnormiteter, også som den essensielle komponenten i cellulære membraner og nødvendig for syntesen av nevrotransmitteren acetylkolin. Gly er den enkleste aminosyren med flere funksjoner, bl.afettmetabolisme, nevrologisk funksjon, muskelutvikling og inkorporering i antioksidanten glutation [44].

Nevrotransmitter metabolisme

Nevrotransmittermetabolisme er avgjørende for å opprettholde normal hjernefunksjon. Imidlertid har et bredt spekter av nevrotransmitterubalanser blitt karakterisert hos HSD-modellrotter. Økte nivåer av de eksitatoriske transmitterne dopamin og noradrenalin ble ledsaget av reduserte hemmende nevrotransmittere inkludert 5HT, Gly og GABA i HSD-gruppen sammenlignet med kontrollene. GABA, som den viktigste hemmende nevrotransmitteren, er ansvarlig for å stoppe eksitatorisk glutamatergisk aktivitet, så naturlig avbrudd i en av disse metabolittene vil påvirke den andre når det gjelder endringene i konsentrasjonene av Asp, Gly og Gln. Den eksitatoriske nevrotransmitteren ACh er involvert i flere sentralnervesystemfunksjoner [45] hovedsakelig ved å modulere acetylkolinreseptorer og deres nedstrømsveier. I denne studien ble AChE-aktivitet i ACh-hydrolyseprosessen målt. Den reduserte AChE-aktiviteten indikerer en forstyrrelse av den kolinerge banen. Dessuten ble det striatale nivået av den essensielle aminosyren Lys funnet å være betydelig forhøyet hos HSD-rotter. Lys har blitt rapportert å blokkere serotoninreseptorer, og dets akkumulering vil påvirke den normale funksjonen til 5HT [46]. Asp, en annen eksitatorisk nevrotransmitter, er direkte avledet ved transaminering fra et TCA-syklus-mellomprodukt, oksaloacetat. Vi fant at konsentrasjonen av Asp ble betydelig redusert i striatum hos HSD-rotter, noe som ga ytterligere bevis for ubalanseeffekten på eksitabilitetsnevrotoksisitet, med tre andre treff av Ala, FMA og GABA. Disse fire metabolittene består av metabolismen av alanin, aspartat og glutamat (fig 6A, 7). Disse funnene indikerer en forstyrrelse i resirkulering/produksjon av nevrotransmitter og ubalansen mellom de eksitatoriske/hemmende nevrotransmitterne indusert av HSD-effekten. Til sammen ble systematiske metabolske forstyrrelser, inkludert dysfunksjoner i energimetabolisme, oksidativt stress og metabolismeforstyrrelser i nevrotransmitter, indusert i den regionspesifikke cerebrale skaden til HSD-rotter. Nedregulering av NAA, som er en generell indikator på nevronal helse, antydet nevrofunksjonelle abnormiteter. Disse dataene indikerte at nevronal skade ble indusert av 4.0 MPa hyperbar dekompresjonseksponering. I samsvar med denne deduksjonen ble nivåene av Pcho og Cho, som er forløpere for fosfatidylkolin (PC) involvert i cellemembranlyse, apoptose og inflammatoriske responser, nedregulert. Konsentrasjonsreduksjonen i membranrelevante metabolitter antydet forstyrrelse av cellemembranintegriteten relatert til nevronal skade. Nevronal skade kan være den primære årsaken til den metabolske endringen indusert av HSD-effekter.

Konklusjoner

I denne studien ble NMR-basert metabolomikk og biokjemivurdering brukt for å profilere de metabolske endringene i den hjerneregionspesifikke metabolske endringen til HSD-modellrotter etter 400 msw hyperbar dekompresjon av heliox-metningseksponering. Vi fant deretter at HSD betydelig induserte metabolske aberrasjoner, inkludert oksidativt stress, energimetabolismeforstyrrelse, metabolismeforstyrrelser i nevrotransmitter og cellemembranforstyrrelser. Imidlertid bør de mer dyptgripende molekylære mekanismene for HSD-eksponering undersøkes i fremtidig forskning.

Fig. 7. Skjematisk oversikt over antatte endringer i de potensielle cerebrale metabolske banene etter hyperbar heliox-metning.

Begrensninger

De potensielle feilkildene i denne forskningen kan være designet og analysene. Selv om dysfunksjoner i cortex, hippocampus og striatum har vært sterkt korrelert med flere symptomer på CNS-fritid i dyremodeller, var disse tre hjerneregionene de som ble studert her. Serien av psykomotoriske og kognitive manifestasjoner av CNS-fritid under patologiske faktorer (for høyt atmosfærisk trykk, gassbobler i kroppen og trykkfallssyke) ble også påvirket av cerebellar dysfunksjon, men metabolsk profilforstyrrelse i lillehjernen ble ikke vurdert i denne forskningen. Videre kunne bare begrensede hjernemetabolitter påvises ved NMR i denne studien; derfor bør en LC-MS (væskekromatografi-tandem massespektrometri)-basert metabolomisk tilnærming brukes i fremtidige studier for å oppdage flere endogene metabolitter i hjernen for å fullt ut forstå mekanismen til den hyperbariske dekompresjonseffekten i et heliox-mettet miljø.

Støtteinformasjon S1 Fig. Metabolske endringer drevet av høytrykkseksponering av 400msw heliox-metningsmiljø og på tvers av forskjellige hjerneregioner. Hovedkomponentanalyse (PCA) poengsumplott av PC1/PC2 hentet fra 1H NMR-data og farget i henhold til gruppene CONC og HSDC (A, R2X=0.40, Q2=-0.02), CONH og HSDH (B, R2X=0.50, Q2=0.16), og CONS og HSDS (C, R2X=0.43, Q2=0.05),; skalering ble gjort til enhetsvarians; Partial minste kvadraters diskriminantanalyse (PLS-DA)-poengplott fra 1H NMR-spektra av ekstrakter fra cortex (A', R2X=0.38, Q2=0.54), hippocampus (B', R2X=0.37, Q2=0.35), og striatum (C', R2X=0.39, Q2=0.42) fra CON- og HSD-grupper; skalering ble gjort til enhetsvarians. (DOCX)

Referanser

1. Bowser-Riley F. Mekanistiske studier på høytrykksnevrologisk syndrom. 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. Høytrykks nevrologisk syndrom (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. Høytrykksstressrespons: Involvering av NMDA-reseptorsubtyper og molekylære markører. Front Physiol. 2019; 10:1234. Epub 2019/10/16. https://doi.org/ 10.3389/fphys.2019.01234 PMID: 31611813

4. Mor A, Grossman Y. Høytrykksmodulering av NMDA-reseptoravhengig eksitabilitet. 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. Cerebral diffusjon og perfusjonsunderskudd hos dykkere i Nordsjøen. 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. MR av sentralnervesystemet hos rotter etter heliox-metningsdekompresjon. Undersjøisk 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-reaksjoner ved 51 ATA på trimix og heliox og under dekompresjon. 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. Urin metabolomiske signaturer i reversibelt cerebralt vasokonstriksjonssyndrom. Cephalalgi. 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. Tidlig prediksjon av cerebral malaria ved (1)H NMR-basert metabolomikk. 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, et al. Spesifikke metabolomiske tilpasninger definerer en differensiell regional sårbarhet i den voksne menneskelige hjernebarken. Foran 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. Buntingspiler: forbedring av translasjonell CNS-medisinutvikling ved integrert PK/PD-metabolomikk. 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, et al. Karakterisering av Alzheimers sykdom gjennom integrativ NMR- og LC-MS-basert metabolomikk. Metabol åpen. 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. Definere en metabolsk fenotype i hjernen til en transgen musemodell av spinocerebellar ataksi 3. Physiol Genomics. 2004; 16(3):334–40. Epub 2003/12/18. https:// doi.org/10.1152/physiolgenomics.00149.2003 PMID: 14679302

Spør om mer:

E-post:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tlf: pluss 86 15292862950