Oxidativ stress, dysfunktionel energimetabolisme og destabiliserende neurotransmittere ændrede den cerebrale metaboliske profil i en rottemodel af simuleret heliox-mætningsdykning til 4.0 MPa Ⅲ

Diskussion

Dette arbejde har til formål at undersøge, hvilken rolleoxidativt stress, energistofskiftet, ogneurotransmitterprofileri den molekylære mekanisme af cerebral region-afhængige metabolomiske profilændringer induceret afheliox-mætning hyperbar eksponering. Flere metabolitter involveret ienergistofskiftet,oxidativt stress, ogaminosyremetabolismesamt metabolitter, der bidrager tilmembranintegritetogneurotransmittereblev væsentligt ændret afHSD eksponering. Resultaterne opnået fra den NMR-baserede metabolomiske tilgang sammen med biokemisk vurdering tyder stærkt på, at hyperbar dekompression i en helioxmætning miljø inducererændringer i flere metabolitter og detoxidativt stress, energimetabolisme og neurotransmitterændring er en vigtig mekanisme for ændringer i cerebral region-specifikke metabolomiske profiler hos HSD-modelrotter. Dataene viste, at flere metaboliske veje, herunder glutathionmetabolisme, mitokondriel energimetabolisme, glykolyse, BCAA-metabolisme, alanin, aspartat- og glutamatmetabolisme og neurotransmittermetabolisme med hjerneregionspecifikke metaboliske lidelser, var involveret i virkningerne af 400msw-HSD.

Tabel 2. Sammenfatning af et panel af diskriminerende metabolitter, der er identificeret til at være signifikant ændret mellem heliox-mætning-hyperbarisk-eksponerede og kontrolrotter i de tre hjerneregioner af cerebralt cortex-væv, hippocampus og striatum.

Fig. 6. Kvantitativ vejberigelsesanalyse. Pathway-topologiplot illustreret ved pathway-påvirkningsværdier (som er anført i de højre tabeller samt FDR- og p-værdier) og-log10(p) fra statistisk signifikante metabolitter fra cortex (A), hippocampus (B) og striatum (C) ) i HSD-grupperne i forhold til kontrollerne.

Oxidativ stressanalyse

During large depth (>100 msw) saturation dykning, er centralnervesystemet kontinuerligt udsat for oxidativ stress på grund af den overdrevne produktion af reaktive oxygenarter (ROS) udløst af heliox-mætning under tryk [23, 24]. En ubalance mellem oxidant- og antioxidantniveauer er et almindeligt metabolisk regulatorisk element i forskellige neurologiske lidelser, herunder Alzheimers sygdom [25], autismespektrumforstyrrelse [26], iskæmisk hjerne [21], traumatisk hjerneskade [27] og så videre [18] , 28, 29]. Niveauændringerne af SOD, MDA og Gpx, som anerkendte indikatorer for oxidativt stress, afspejler den iltfrie radikal-skade in vivo. I denne undersøgelse blev indholdet af oxidativ skadesindikator (MDA) øget, og antioxidantindikatorens (SOD og Gpx) aktiviteter blev reduceret i modelrotterne, hvilket tyder på, at oxidativt stress forekom i hjernebarken i HSD-rottemodellen. Flere andre metabolitter er også relateret til reguleringen af ​​oxidativt stress. Taurin spiller bredere roller med antioxidant-, anti-inflammatoriske, anti-apoptotiske, osmolytiske og neuro-modulatoreffekter for at forbedre de histopatologiske ændringer i hjerne og neuronal aktivitet [30-36]. Det signifikante fald i taurinindholdet i den cerebrale hippocampus og striatum hos HSD-rotter samt en anden oxidativ stressrelateret metabolit, GSH, blev reduceret i cortex og hippocampus, hvilket tyder på, at oxidativ skade blev induceret i de forskellige rum i HSD-rottehjernen . GSH er bredt anerkendt som en antioxidantslukker og producerer stabile molekyler såsom GSSH- og AKA-oxideret glutathiondisulfid med reaktionen af ​​ROS. Det lave GSH-niveau efter HSD ville påvirke mitokondriel funktion og redoxbalance og derved tage højde for den observerede stærke negative korrelation mellem GSH vs Suc i HSDH-prøverne (fig. 5B' øverste panel). Asc (alias C-vitamin) betragtes som en vigtig antioxidant/mikronæringsstof for dets antioxidantegenskaber og udfører således væsentlige funktioner inden for hjerneneuronal vedligeholdelse. Heri rapporterer vi, at Asc er ved lavere koncentrationer i HSDH-prøver end i kontroller. Disse resultater er i overensstemmelse med hinanden, hvilket tyder på en direkte sammenhæng mellem oxidativ stress og hyperbar dekompression i et heliox-mættet miljø. Lavere koncentrationer af antioxidantdæmpere i hjernen kan være direkte forbundet med nedsat antioxidantkapacitet og derved nedregulere dannelsen af ​​superoxider, herunder SOD og Gpx, ogopregulering af niveauerne af MDA.

Klik her for at få Cistanche til antioxidation

Energimetabolisk vejanalyse

Den statistisk signifikante positive korrelation mellem Ala og Lac i HSDC- og CONC-grupperne indikerede, at Ala, som en aminosyre, har en signifikant højere forbindelse til anaerob glykolyse [37]. LDH katalyserede omdannelsen af ​​pyruvat til Lac, og de reducerede aktiviteter af LDH i cortex nedregulerede ekspressionen af ​​Lac, hvilket indikerer et fald i anaerobe veje. Koncentrationen af ​​Lac begunstigede imidlertid energetisk metabolisme gennem aktiviteten af ​​aspartataminotransferase (AST), alaninaminotransferase (ALT) og LDH, som også kan inkorporeres i glutamat-, glutamin- og GABA-cyklusserne i neuroner. I denne undersøgelse, sammenlignet med CON-rotter, kan en signifikant højere koncentration af FMA i HSDX-gruppen og en nedsat koncentration af Suc indikere et fald i energimetabolismen, hvilket yderligere blev bekræftet af en øget AMP og en nedsat ATP produceret hovedsageligt ved glykolyse og TCA cyklus. Na-K-ATPase, et nøgleenzym til opretholdelse af en korrekt elektrokemisk gradient af natriumioner over cellemembranen, kræver cirka 50 procent af den energi, som er tilgængelig for hjernen [38, 39]. Fejlfunktionen af ​​Na-K-ATPase spiller en væsentlig rolle i udviklingen af ​​neurodegenerative sygdomme [40, 41]. Den nedsatte aktivitet af Na-K-ATPase i hjernebarken i HSD-gruppen gav yderligere bevis for den nedsatte energimetabolisme induceret af HSD-effekten. Tilsammen kan energimetabolisme dysfunktioner induceret af hyperbar HSD-skade omfatte den kollaborative undertrykte aerobe metabolisme og anaerobe metabolisme, som er et sjældent metabolisk ændringsfænomen.

Niveauerne af BCAA'er (Ile, Val og Leu) i HSDS-prøverne blev opreguleret i sammenligning med dem i CONS-prøverne. BCAA'er kan omdannes til acetyl-CoA og succinyl-CoA [42] som substrater for gluconeogenese og ATP-generering. Opreguleringen af ​​BCAA'er blev således potentielt induceret til at opfylde energikompensationsbehovet efter HSD-skade. I mellemtiden, i overensstemmelse med energikompensationsbehovet, blev fedtsyreoxidationsmetabolismen også moduleret, og et lavere niveau af Car (en markørmetabolit for fedtsyreoxidation) i HSDC-prøverne blev påvist. Glycin-, serin- og threonin-metabolismevejen (Fig. 6B) leverer også vigtige energimetabolisme-forstadier til at komme ind i citratcyklussen [43]. I denne vej er Cho, Gly og Thr de tre hits. Cho og Gly blev vist at falde med HSD-eksponering. På samme måde er cholinerge veje blevet forbundet med sociale og adfærdsmæssige abnormiteter, også som den essentielle komponent i cellulære membraner og nødvendig for syntesen af ​​neurotransmitteren acetylcholin. Gly er den enkleste aminosyre med flere funktioner, bl.afedtstofskiftet, neurologisk funktion, muskeludvikling og inkorporering i antioxidanten glutathion [44].

Neurotransmitter metabolisme

Neurotransmittermetabolisme er afgørende for at opretholde normal hjernefunktion. Imidlertid er en lang række neurotransmitter-ubalancer blevet karakteriseret hos HSD-modelrotter. Forøgede niveauer af de excitatoriske transmittere dopamin og noradrenalin blev ledsaget af nedsatte hæmmende neurotransmittere inklusive 5HT, Gly og GABA i HSD-gruppen sammenlignet med kontrollerne. GABA, som den væsentligste hæmmende neurotransmitter, er ansvarlig for at standse excitatorisk glutamatergisk aktivitet, så naturligt vil forstyrrelse af en af ​​disse metabolitter påvirke den anden med hensyn til ændringerne i koncentrationerne af Asp, Gly og Gln. Den excitatoriske neurotransmitter ACh er involveret i flere centralnervesystemfunktioner [45] hovedsageligt ved at modulere acetylcholinreceptorer og deres nedstrømsveje. I denne undersøgelse blev AChE-aktivitet i ACh-hydrolyseprocessen målt. Den nedsatte AChE-aktivitet indikerer en forstyrrelse af den cholinerge vej. Desuden viste det sig, at det striatale niveau af den essentielle aminosyre Lys var signifikant forhøjet hos HSD-rotter. Lys er blevet rapporteret at blokere serotoninreceptorer, og dets akkumulering vil påvirke den normale funktion af 5HT [46]. Asp, en anden excitatorisk neurotransmitter, er direkte afledt af transaminering fra et TCA-cyklusmellemprodukt, oxaloacetat. Vi fandt, at koncentrationen af ​​Asp var signifikant faldet i striatum af HSD-rotter, hvilket gav yderligere bevis for ubalanceeffekten på excitabilitetsneurotoksicitet, med tre andre hits af Ala, FMA og GABA. Disse fire metabolitter består af alanin-, aspartat- og glutamatmetabolismens veje (fig. 6A, 7). Disse resultater indikerer en forstyrrelse i neurotransmittergenanvendelse/produktion og ubalancen mellem de excitatoriske/hæmmende neurotransmittere induceret af HSD-effekten. Tilsammen blev systematiske metaboliske lidelser, herunder energimetabolismedysfunktioner, oxidativt stress og neurotransmittermetabolismeforstyrrelser, induceret i den regionspecifikke cerebrale skade hos HSD-rotter. Nedregulering af NAA, som er en generel indikator for neuronal sundhed, antydede neurofunktionelle abnormiteter. Disse data indikerede, at neuronal skade blev induceret af 4.0 MPa hyperbar dekompressionseksponering. I overensstemmelse med denne deduktion blev niveauerne af Pcho og Cho, som er forløbere for phosphatidylcholin (PC) involveret i cellemembranlysis, apoptose og inflammatoriske reaktioner, nedreguleret. Koncentrationsfaldet i membranrelevante metabolitter antydede forstyrrelsen af ​​cellemembranintegriteten relateret til neuronal skade. Neuronal skade kan være den primære årsag til den metaboliske ændring induceret af HSD-effekter.

Konklusioner

I denne undersøgelse blev NMR-baseret metabolomik og biokemi-vurdering anvendt til at profilere de metaboliske ændringer i den hjerneregionspecifikke metaboliske ændring af HSD-modelrotter efter 400 msw hyperbar dekompression af heliox-mætningseksponering. Vi fandt derefter, at HSD signifikant inducerede metaboliske aberrationer, herunder oxidativ stress, energimetabolismeforstyrrelser, neurotransmittermetabolismeforstyrrelser og cellemembranforstyrrelser. Imidlertid bør de mere dybtgående molekylære mekanismer ved HSD-eksponering undersøges i fremtidig forskning.

Fig. 7. Skematisk oversigt over udledte ændringer i de potentielle cerebrale metaboliske veje efter hyperbar heliox-mætning.

Begrænsninger

De potentielle fejlkilder i denne forskning kan være designet og analyserne. Selvom cortex-, hippocampus- og striatum-dysfunktioner er blevet stærkt korreleret med adskillige symptomer på CNS-fritid i dyremodeller, var disse tre hjerneregioner dem, der blev undersøgt heri. Rækken af ​​psykomotoriske og kognitive manifestationer af CNS-fritid under patologiske faktorer (for højt atmosfærisk tryk, gasbobler i kroppen og trykfaldssyge) var også påvirket af cerebellar dysfunktion, men metabolisk profilforstyrrelse af cerebellum blev ikke taget i betragtning i denne forskning. Desuden kunne kun begrænsede hjernemetabolitter påvises ved NMR i denne undersøgelse; derfor bør en LC-MS (væskekromatografi-tandem massespektrometri)-baseret metabolomisk tilgang anvendes i fremtidige undersøgelser for at påvise flere endogene metabolitter i hjernen for fuldt ud at forstå mekanismen for den hyperbariske dekompressionseffekt i et heliox-mættet miljø.

Understøttende information S1 Fig. Metaboliske ændringer drevet af højtrykseksponering af 400 msw heliox-mætningsmiljø og på tværs af forskellige hjerneregioner. Principal komponent analyse (PCA) score plot af PC1/PC2 opnået fra 1H NMR data og farvet i henhold til grupper af 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 blev udført til enhedsvarians; Partiel mindste kvadraters diskriminantanalyse (PLS-DA) scoreplot fra 1H NMR-spektre af 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 blev udført til enhedsvarians. (DOCX)

Referencer

1. Bowser-Riley F. Mekanistiske undersøgelser af højtryksneurologisk 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. Højtryksneurologisk 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. Højtryksstressrespons: Involvering af NMDA-receptorundertyper 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. Højtryksmodulation af NMDA-receptorafhængig excitabilitet. 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 diffusion og perfusionsunderskud hos dykkere i Nordsøen. 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 af centralnervesystemet hos rotter efter heliox saturation dekompression. Undersøisk 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-reaktioner ved 51 ATA på trimix og heliox og under dekompression. 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 vasokonstriktionssyndrom. 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 forudsigelse af cerebral malaria ved (1)H NMR-baseret metabolomik. 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. Specifikke metabolomiske tilpasninger definerer en differentiel regional sårbarhed i den voksne menneskelige hjernebark. 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. Bundlingspile: forbedring af translationel CNS-lægemiddeludvikling ved integreret PK/PD-metabolomik. Ekspertudtalelse 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 af Alzheimers sygdom gennem integrativ NMR- og LC-MS-baseret metabolomik. Metabol åben. 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. Definition af en metabolisk fænotype i hjernen af ​​en transgen musemodel af spinocerebellar ataksi 3. Physiol Genomics. 2004; 16(3):334-40. Epub 2003/12/18. https:// doi.org/10.1152/physiolgenomics.00149.2003 PMID: 14679302

Spørg for mere:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tlf: plus 86 15292862950