מתח חמצוני, חילוף חומרים לא מתפקד של אנרגיה ונוירוטרנסמיטורים מעוררי יציבות שינו את הפרופיל המטבולי של המוח במודל חולדה של צלילה מדומה של רווי הליוקס ל-4.0 MPa Ⅲ

דִיוּן

עבודה זו נועדה לחקור את תפקידו שלמתח חמצוני, חילוף חומרים אנרגטי, ופרופילים של נוירוטרנסמיטרבמנגנון המולקולרי של שינויים בפרופיל המטבולומי התלוי באזור מוחי שנגרמו על ידיחשיפה היפרברית רווית הליוקס. מספר מטבוליטים המעורבים בחילוף חומרים אנרגטי,מתח חמצוני, ומטבוליזם של חומצות אמינוכמו גם מטבוליטים שתורמים לשלמות הממברנהונוירוטרנסמיטוריםשונו באופן משמעותי על ידיחשיפת HSD. התוצאות שהתקבלו מגישת המטבולומיקה המבוססת על NMR יחד עם הערכה ביוכימית מצביעות על כך שהדחיסות היפרברית בהליוקססביבת הרוויה גורמתשינויים במספר מטבוליטים וזהמתח חמצוני, חילוף חומרים אנרגטי ושינוי נוירוטרנסמיטר הוא מנגנון מרכזי לשינויים בפרופילים מטבולומיים ספציפיים לאזור מוחי בחולדות מודל HSD. הנתונים הראו שמסלולים מטבוליים מרובים, כולל מטבוליזם של גלוטתיון, מטבוליזם של אנרגיה מיטוכונדריאלית, גליקוליזה, מטבוליזם של BCAA, חילוף חומרים של אלנין, אספרטאט וגלוטמט ומטבוליזם של נוירוטרנסמיטר עם הפרעות מטבוליות ספציפיות לאזור מוח, היו מעורבים בהשפעות של 400msw-HSD.

טבלה 2. סיכום של פאנל של מטבוליטים מבחנים שזוהו כשינויים משמעותיים בין חולדות רוויה הליוקס חשופות היפרבריות לבין חולדות בקרה בשלושת אזורי המוח של רקמות קליפת המוח, היפוקמפוס וסטריאטום.

איור 6. ניתוח העשרה מסלול כמותי. עלילות טופולוגיה של נתיבים מומחשים על ידי ערכי השפעה של נתיב (המפורטים בטבלאות הנכונות וכן ערכי FDR ו-p) ו-log10(p) ממטבוליטים בעלי משמעות סטטיסטית מהקורטקס (A), ההיפוקמפוס (B) והסטריאטום (C) ) בקבוצות HSD ביחס לבקרות.

ניתוח מתח חמצוני

During large depth (>100 msw) צלילת רוויה, מערכת העצבים המרכזית חשופה ללא הרף ללחץ חמצוני עקב ייצור יתר של מיני חמצן תגובתיים (ROS) המופעל על ידי הסביבה בלחץ רווית הליוקס [23, 24]. חוסר איזון בין רמות חמצון ורמות נוגדי חמצון הוא מרכיב מווסת מטבולי נפוץ בהפרעות נוירולוגיות שונות, כולל מחלת אלצהיימר [25], הפרעה על הספקטרום האוטיסטי [26], מוח איסכמי [21], פגיעה מוחית טראומטית [27], וכן הלאה [18] , 28, 29]. השינויים ברמות של SOD, MDA ו-Gpx, כאינדיקטורים מוכרים ללחץ חמצוני, משקפים את הפציעה של רדיקלים ללא חמצן in vivo. במחקר הנוכחי, תכולת מדדי הנזק החמצוני (MDA) גדלה, ופעילות האינדיקטורים של נוגדי החמצון (SOD ו-Gpx) פחתה בחולדות המודל, מה שמצביע על כך שלחץ חמצוני אכן התרחש בקליפת המוח של מודל החולדות HSD. מספר מטבוליטים אחרים קשורים גם לוויסות של עקה חמצונית. טאורין ממלא תפקידים רחבים יותר עם השפעות נוגדות חמצון, אנטי דלקתיות, אנטי אפופטוטיות, אוסמוליטיות ונוירו-מודולטור כדי לשפר את השינויים ההיסטופתולוגיים בפעילות המוח והנוירונים [30-36]. הירידה המשמעותית בתכולת הטאורין בהיפוקמפוס המוחי ובסטריאטום בחולדות HSD, כמו גם מטבוליט אחר הקשור ללחץ חמצוני, GSH, הופחתה בקליפת המוח ובהיפוקמפוס, מה שמצביע על כך שפגיעה חמצונית נגרמה בתאים השונים של מוח חולדת HSD. . GSH מוכר באופן נרחב כמרווה נוגד חמצון ומייצר מולקולות יציבות כגון גלוטתיון דיסולפיד מחומצן GSSH ו-AKA עם התגובה של ROS. רמת ה-GSH הנמוכה לאחר HSD תשפיע על תפקוד המיטוכונדריה ואיזון החיזור, ובכך תהווה את המתאם השלילי החזק שנצפה בין GSH לעומת Suc בדגימות HSDH (איור 5B' בלוח העליון). Asc (הידוע גם בשם ויטמין C) נחשב לנוגד חמצון/מיקרו-נוטריינט חשוב בשל יכולותיו נוגדות החמצון ובכך מבצע פונקציות חיוניות בתחזוקת עצב המוח. כאן, אנו מדווחים כי Asc נמצא בריכוזים נמוכים יותר בדגימות HSDH מאשר בבקרות. ממצאים אלו תואמים זה את זה, מה שמרמז על קשר ישיר בין עקה חמצונית לבין דקומפרסיה היפרברית בסביבה רווית הליוקס. ריכוזים נמוכים יותר של מרווה נוגדי חמצון במוח עשויים להיות קשורים ישירות לירידה ביכולת נוגדי החמצון, ובכך להפחית את היווצרות סופראוקסידים, כולל SOD ו-Gpx, והגברת רמות מד"א.

לחץ כאן כדי לקבל Cistanche עבור אנטי חמצון

ניתוח מסלול מטבולי אנרגיה

המתאם החיובי המובהק מבחינה סטטיסטית בין Ala ו-Lac בקבוצות HSDC ו-CONC הצביע על כך של-Ala, כחומצת אמינו, יש קשר גבוה משמעותית לגליקוליזה אנאירובית [37]. LDH זירז את ההמרה של פירובט ל-Lac, והירידה בפעילות של LDH בקליפת המוח הורידה את הביטוי של Lac, מה שמצביע על ירידה במסלולים אנאירוביים. עם זאת, הריכוז של Lac העדיף את חילוף החומרים האנרגטי באמצעות פעילותם של אספרטאט אמינוטרנספראז (AST), אלנין אמינוטרנספראז (ALT) ו-LDH, שניתן לשלב גם במחזורי הגלוטמט, הגלוטמין וה-GABA בנוירונים. במחקר זה, בהשוואה לחולדות CON, ריכוז גבוה משמעותית של FMA בקבוצת HSDX וירידה בריכוז של Suc עשויים להצביע על ירידה בחילוף החומרים האנרגטי, אשר אושרה עוד יותר על ידי עלייה ב-AMP וירידה ב-ATP המיוצר בעיקר על ידי גליקוליזה ו- מחזור TCA. Na-K-ATPase, אנזים מפתח לשמירה על שיפוע אלקטרוכימי תקין של יוני נתרן על פני קרום התא, דורש כ-50 אחוז מהאנרגיה הזמינה למוח [38, 39]. לתפקוד לקוי של Na-K-ATPase יש תפקיד חיוני בהתפתחות מחלות ניווניות עצביות [40, 41]. הירידה בפעילות של Na-K-ATPase בקליפת המוח של קבוצת HSD סיפקה הוכחה נוספת לירידה בחילוף החומרים האנרגטי המושרה על ידי אפקט HSD. יחד, הפרעות בתפקוד של חילוף החומרים באנרגיה שנגרמו כתוצאה מפגיעת HSD היפרברית עשויים לכלול את המטבוליזם האירובי המדוכא בשיתוף פעולה ומטבוליזם אנאירובי, שהוא תופעה נדירה של שינוי מטבולי.

רמות ה-BCAA (Ile, Val ו-Leu) בדגימות ה-HSDS הווסרו בהשוואה לאלו שבדגימות ה-CONS. ניתן להמיר BCAA לאצטיל-CoA ו-succinyl-CoA [42] כמצעים ליצירת גלוקונאוגנזה ו-ATP. לפיכך, העלאת הוויסות של BCAAs נגרמה בפוטנציה כדי למלא את צורכי הפיצוי האנרגטי לאחר פציעת HSD. בינתיים, בהתאם לדרישת הפיצוי האנרגטי, המסלול המטבולי של חמצון חומצות שומן היה גם מווסת, וזוהתה רמה נמוכה יותר של Car (מטבוליט סמן לחמצון חומצת שומן) בדגימות HSDC. מסלול חילוף החומרים של גליצין, סרין ותראונין (איור 6B) מספק גם מבשרי חילוף חומרים חשובים לאנרגיה להיכנס למחזור הציטראט [43]. במסלול הזה, Cho, Gly ו-Thr הם שלושת הלהיטים. הוכח כי Cho ו-Gly ירדו עם חשיפה ל-HSD. כמו כן, מסלולים כולינרגיים נקשרו להפרעות חברתיות והתנהגותיות, גם כמרכיב החיוני של ממברנות התא והכרחי לסינתזה של הנוירוטרנסמיטר אצטילכולין. Gly היא חומצת האמינו הפשוטה ביותר עם מספר פונקציות, כוללחילוף חומרים של שומן, תפקוד נוירולוגי, פיתוח שרירים ושילוב בנוגדי החמצון גלוטתיון [44].

חילוף חומרים של נוירוטרנסמיטר

מטבוליזם של נוירוטרנסמיטר חיוני לשמירה על תפקוד מוח תקין. עם זאת, מגוון רחב של חוסר איזון של נוירוטרנסמיטורים אופיינו בחולדות מודל HSD. רמות מוגברות של המשדרים המעוררים דופמין ונוראדרנלין לוו בירידה של נוירוטרנסמיטורים מעכבים כולל 5HT, Gly ו-GABA בקבוצת HSD בהשוואה לביקורת. GABA, בתור הנוירוטרנסמיטור המעכב העיקרי, אחראי לעצירת הפעילות הגלוטמטרגית המעוררת, כך שבאופן טבעי, הפרעה לכל אחד ממטבוליטים אלה תשפיע על השני מבחינת השינויים בריכוזים של Asp, Gly ו-Gln. המוליך העצבי המעורר ACh מעורב בתפקודים מרובים של מערכת העצבים המרכזית [45] בעיקר על ידי מווסת קולטני אצטילכולין ומסלוליהם במורד הזרם. במחקר זה נמדדה פעילות AChE בתהליך הידרוליזה של ACh. הירידה בפעילות AChE מצביעה על הפרעה במסלול הכולינרגי. יתרה מכך, הרמה הסטריאטלית של חומצת האמינו החיונית Lys נמצאה מוגברת משמעותית בחולדות HSD. דווח כי Lys חוסם קולטני סרוטונין, והצטברותו תשפיע על התפקוד התקין של 5HT [46]. Asp, נוירוטרנסמיטר מעורר נוסף, נגזר ישירות על ידי טרנסאמינציה מתוצר ביניים במחזור TCA, אוקסלואצטט. מצאנו שריכוז ה-Asp ירד באופן משמעותי בסטריאטום של חולדות HSD, מה שמספק הוכחה נוספת להשפעת חוסר האיזון על נוירוטוקסיות ריגוש, עם שלושה פגעים נוספים של Ala, FMA ו-GABA. ארבעת המטבוליטים הללו מורכבים מהמסלולים של מטבוליזם של אלנין, אספרטאט וגלוטמט (איורים 6A, 7). ממצאים אלו מצביעים על הפרעה במחזור/ייצור נוירוטרנסמיטורים ועל חוסר האיזון בין הנוירוטרנסמיטורים המעוררים/מעכבים המושרה על ידי אפקט HSD. ביחד, הפרעות מטבוליות שיטתיות, כולל הפרעות בתפקוד מטבוליזם אנרגטי, מתח חמצוני והפרעות במטבוליזם של נוירוטרנסמיטר, נגרמו בפציעה מוחית ספציפית לאזור של חולדות HSD. הורדת ויסות של NAA, שהוא אינדיקטור כללי לבריאות עצבית, הצביע על חריגות נוירו-פונקציונליות. נתונים אלו הצביעו על כך שנזק נוירוני נגרם על ידי חשיפה של 4.0 MPa לדיקומפרסיה היפרברית. בהסכמה עם ניכוי זה, הרמות של Pcho ו- Cho, שהם מבשרי פוספטידילכולין (PC) המעורבים בתמוגה של קרום התא, אפופטוזיס ותגובות דלקתיות, היו מווסתות למטה. הירידה בריכוז במטבוליטים הרלוונטיים לממברנה הצביעה על שיבוש שלמות ממברנת התא הקשורה לנזק נוירוני. נזק נוירוני עשוי להיות הסיבה העיקרית לשינוי המטבולי הנגרם על ידי השפעות HSD.

מסקנות

במחקר הנוכחי, הערכת מטבולומיקה והערכת ביוכימיה מבוססת NMR יושמו כדי ליצור פרופיל של השינויים המטבוליים בשינוי המטבולי הספציפי לאזור המוח של חולדות מודל HSD בעקבות דקומפרסיה היפרברית של 400 msw של תערוכת רווית הליוקס. לאחר מכן מצאנו שה-HSD גרמה משמעותית לסטיות מטבוליות, כולל עקה חמצונית, הפרעה בחילוף החומרים באנרגיה, הפרעה במטבוליזם של נוירוטרנסמיטר ושיבוש קרום התא. עם זאת, יש לחקור את המנגנונים המולקולריים העמוקים יותר של חשיפה ל-HSD במחקר עתידי.

איור 7. סקירה סכמטית של שינויים משוערים במסלולים המטבוליים הפוטנציאליים של המוח לאחר ריווי הליוקס היפרברי.

מגבלות

המקורות הפוטנציאליים לטעויות במחקר זה עשויים להיות התכנון והניתוחים. למרות שתפקוד לקוי של הקורטקס, ההיפוקמפוס והסטריאטום נמצאו בקורלציה חזקה עם מספר תסמינים של פנאי של מערכת העצבים המרכזית במודלים של בעלי חיים, שלושת אזורי המוח הללו היו אלו שנחקרו כאן. סדרת הביטויים הפסיכומוטוריים והקוגניטיביים של פנאי של מערכת העצבים המרכזית תחת גורמים פתולוגיים (לחץ אטמוספרי מוגזם, בועות גז בגוף ומחלת דקומפרסיה) הושפעו גם הם מתפקוד לקוי של המוח הקטן, אך הפרעה בפרופיל המטבולי של המוח הקטן לא נלקחה בחשבון במחקר זה. יתר על כן, רק מטבוליטים מוחיים מוגבלים ניתן היה לזהות על ידי NMR במחקר זה; לפיכך, במחקרים עתידיים יש להשתמש בגישה מטבולומית מבוססת LC-MS (Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry) כדי לזהות יותר מטבוליטים אנדוגניים במוח כדי להבין היטב את המנגנון של אפקט הדקומפרסיה ההיפרברית בסביבה רווית הליוקס.

מידע תומך S1 איור שינויים מטבוליים המונעים על ידי חשיפה בלחץ גבוה של סביבת ריווי הליוקס 400msw ובאזורי מוח שונים. ניתוח רכיבים עיקריים (PCA) העלילה של PC1/PC2 שהתקבלה מנתוני 1H NMR ונצבעה בהתאם לקבוצות של CONC ו-HSDC (A, R2X=0.40, Q2=-0.02), CONH ו- HSDC HSDH (B, R2X=0.50, Q2=0.16), ו-CONS ו-HSDS (C, R2X=0.43, Q2=0.05); קנה המידה נעשה לשונות יחידה; אנליזה חלקית של מבחנים בריבועים קטנים (PLS-DA) עלילה מספקטרום 1H NMR של תמציות מהקורטקס (A', R2X=0.38, Q2=0.54), מההיפוקמפוס (B', R2X=0.37, Q2=0.35), ו-striatum (C', R2X=0.39, Q2=0.42) מקבוצות CON ו-HSD; קנה המידה נעשה לפי שונות יחידה. (DOCX)

הפניות

1. Bowser-Riley F. מחקרים מכאניסטיים על התסמונת הנוירולוגית בלחץ גבוה. 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. תסמונת נוירולוגית בלחץ גבוה (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. High Pressure Stress Response: מעורבות של תת-סוגי קולטני NMDA וסמנים מולקולריים. פרונט פיזיול. 2019; 10:1234. Epub 2019/10/16. https://doi.org/ 10.3389/fphys.2019.01234 PMID: 31611813

4. Mor A, Grossman Y. אפנון לחץ גבוה של ריגוש תלוי קולטן 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. דיפוזיה מוחית וגרעוני זלוף בצוללנים בים הצפוני. אקטה רדיול. 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 של מערכת העצבים המרכזית בחולדות בעקבות דקומפרסיה של ריווי הליוקס. Subsea 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 תגובות ב-51 ATA בטרימיקס והליוקס ובמהלך דקומפרסיה. Undersea Biomed Res. 1985; יב(1):25–39. Epub 1985/03/01. PMID: 3839948 8. Hsu WH, Wang SJ, Chao YM, Chen CJ, Wang YF, Fuh JL, ועוד. חתימות מטבולומיות שתן בתסמונת כיווץ כלי דם מוחין הפיך. קפלאלגיה. 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. חיזוי מוקדם של מלריה מוחית על ידי מטבולומיקה מבוססת (1)H NMR. מלר י 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. התאמות מטבולומיות ספציפיות מגדירות פגיעות אזורית דיפרנציאלית בקליפת המוח של האדם הבוגר. מול נוירוסצ'י. 2016; 9:138. Epub 2016/12/23. https://doi.org/10.3389/fnmol.2016.00138 PMID: 28008307

11. ואן דן ברינק WJ, Hankemeier T, van der Graaf PH, de Lange ECM. צרור חצים: שיפור פיתוח תרופות CNS תרגום על ידי משולבת PK/PD-metabolomics. 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. אפיון מחלת אלצהיימר באמצעות מטבולומיקה אינטגרטיבית מבוססת NMR ו-LC-MS. מטבול פתוח. 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. הגדרת פנוטיפ מטבולי במוח של מודל עכבר טרנסגני של אטקסיה ספינו-צרבלורית 3. Physiol Genomics. 2004; טז(3):334–40. Epub 2003/12/18. https:// doi.org/10.1152/physiolgenomics.00149.2003 PMID: 14679302

תבקש עוד:

דוא"ל:wallence.suen@wecistanche.com

ווטסאפ/טלפון: פלוס 86 15292862950