Tekanan Oksidatif, Metabolisme Tenaga Tidak Berfungsi dan Neurotransmitter Yang Menyahstabilkan Mengubah Profil Metabolik Serebrum dalam Model Tikus Simulasi Menyelam Ketepuan Heliox Kepada 4.0 MPa Ⅲ

Perbincangan

Kerja ini bertujuan untuk menyiasat peranantekanan oksidatif, metabolisme tenaga, danprofil neurotransmitterdalam mekanisme molekul perubahan profil metabolomik yang bergantung kepada rantau serebrum disebabkan olehpendedahan hiperbarik heliox-tepu. Beberapa metabolit yang terlibat dalammetabolisme tenaga,tekanan oksidatif, danmetabolisme asid aminoserta metabolit yang menyumbang kepadaintegriti membrandanneurotransmittertelah diubah dengan ketara olehPendedahan HSD. Keputusan yang diperoleh daripada pendekatan metabolomik berasaskan NMR bersama dengan penilaian biokimia sangat mencadangkan bahawa penyahmampatan hiperbarik dalam helioxpersekitaran tepu mendorongperubahan dalam beberapa metabolit dan itutekanan oksidatif, metabolisme tenaga, dan pengubahan neurotransmiter ialah mekanisme utama untuk perubahan dalam profil metabolomik khusus rantau serebrum dalam tikus model HSD. Data menunjukkan bahawa pelbagai laluan metabolik, termasuk metabolisme glutathione, metabolisme tenaga mitokondria, glikolisis, metabolisme BCAA, alanin, metabolisme aspartat dan glutamat, dan metabolisme neurotransmitter dengan gangguan metabolik khusus kawasan otak, terlibat dalam kesan 400msw-HSD.

Jadual 2. Ringkasan panel metabolit diskriminasi yang dikenal pasti berubah dengan ketara antara tepu heliox-hiperbarik-terdedah dan tikus kawalan di tiga kawasan otak tisu korteks serebrum, hippocampus dan striatum.

Rajah 6. Analisis pengayaan laluan kuantitatif. Plot topologi laluan digambarkan oleh nilai kesan laluan (yang disenaraikan dalam jadual yang betul serta nilai FDR dan p) dan–log10(p) daripada metabolit bererti statistik daripada korteks (A), hippocampus (B), dan striatum (C ) dalam kumpulan HSD berbanding dengan kawalan.

Analisis tekanan oksidatif

During large depth (>100 msw) selam tepu, sistem saraf pusat secara berterusan terdedah kepada tekanan oksidatif disebabkan oleh pengeluaran berlebihan spesies oksigen reaktif (ROS) yang dicetuskan oleh persekitaran bertekanan heliox-tepu [23, 24]. Ketidakseimbangan antara tahap oksidan dan antioksidan adalah unsur pengawalseliaan metabolik yang biasa dalam pelbagai gangguan neurologi, termasuk penyakit Alzheimer [25], gangguan spektrum autisme [26], otak iskemia [21], kecederaan otak traumatik [27], dan sebagainya [18]. , 28, 29]. Perubahan tahap SOD, MDA dan Gpx, sebagai penunjuk yang diiktiraf untuk tekanan oksidatif, mencerminkan kecederaan radikal bebas oksigen dalam vivo. Dalam kajian ini, kandungan penunjuk kerosakan oksidatif (MDA) telah meningkat, dan aktiviti penunjuk antioksidan (SOD dan Gpx) telah menurun dalam model tikus, menunjukkan bahawa tekanan oksidatif telah berlaku dalam korteks serebrum model tikus HSD. Beberapa metabolit lain juga berkaitan dengan pengawalan tekanan oksidatif. Taurin memainkan peranan yang lebih luas dengan kesan antioksidan, anti-radang, anti-apoptosis, osmolitik, dan neuromodulator untuk memperbaiki perubahan histopatologi dalam otak dan aktiviti neuron [30-36]. Penurunan ketara dalam kandungan taurin dalam hippocampus serebrum dan striatum dalam tikus HSD serta satu lagi metabolit berkaitan tekanan oksidatif, GSH, telah dikurangkan dalam korteks dan hippocampus, menunjukkan bahawa kecederaan oksidatif telah diinduksi dalam petak berbeza otak tikus HSD. . GSH diiktiraf secara meluas sebagai pelindapkejutan antioksidan dan menghasilkan molekul yang stabil seperti GSSH- dan AKA-oxidized glutation disulfide dengan tindak balas ROS. Tahap GSH yang rendah selepas HSD akan menjejaskan fungsi mitokondria dan keseimbangan redoks, dengan itu menyumbang kepada korelasi negatif kuat yang diperhatikan antara GSH vs Suc dalam sampel HSDH (Panel atas Rajah 5B). Asc (aka Vitamin C) dianggap sebagai antioksidan/mikronutrien yang penting untuk keupayaan antioksidannya dan dengan itu melaksanakan fungsi penting dalam penyelenggaraan neuron otak. Di sini, kami melaporkan bahawa Asc berada pada kepekatan yang lebih rendah dalam sampel HSDH daripada dalam kawalan. Penemuan ini adalah bersetuju antara satu sama lain, yang mencadangkan hubungan langsung antara tekanan oksidatif dan penyahmampatan hiperbarik dalam persekitaran tepu heliox. Kepekatan pelindapkejut antioksidan yang lebih rendah di dalam otak mungkin dikaitkan secara langsung dengan penurunan kapasiti antioksidan, dengan itu merendahkan penjanaan superoksida, termasuk SOD dan Gpx, danmengawal selia tahap MDA.

Klik Di Sini Untuk Mendapatkan Cistanche Untuk Anti-Pengoksidaan

Analisis laluan metabolik tenaga

Korelasi positif yang signifikan secara statistik antara Ala dan Lac dalam kumpulan HSDC dan CONC menunjukkan bahawa Ala, sebagai asid amino, mempunyai pautan yang jauh lebih tinggi kepada glikolisis anaerobik [37]. LDH memangkinkan penukaran piruvat kepada Lac, dan penurunan aktiviti LDH dalam korteks menurunkan ekspresi Lac, menunjukkan penurunan dalam laluan anaerobik. Walau bagaimanapun, kepekatan Lac mengutamakan metabolisme bertenaga melalui aktiviti aspartate aminotransferase (AST), alanine aminotransferase (ALT), dan LDH, yang juga boleh dimasukkan ke dalam kitaran glutamat, glutamin, dan GABA dalam neuron. Dalam kajian ini, berbanding dengan tikus CON, kepekatan FMA yang jauh lebih tinggi dalam kumpulan HSDX dan penurunan kepekatan Suc mungkin menunjukkan penurunan metabolisme tenaga, yang selanjutnya disahkan oleh peningkatan AMP dan penurunan ATP yang dihasilkan terutamanya oleh glikolisis dan kitaran TCA. Na-K-ATPase, enzim utama untuk mengekalkan kecerunan elektrokimia ion natrium yang betul merentasi membran sel, memerlukan kira-kira 50 peratus tenaga yang tersedia untuk otak [38, 39]. Kerosakan Na-K-ATPase mempunyai peranan penting dalam perkembangan penyakit neurodegeneratif [40, 41]. Penurunan aktiviti Na-K-ATPase dalam korteks serebrum kumpulan HSD memberikan bukti tambahan untuk penurunan metabolisme tenaga yang disebabkan oleh kesan HSD. Bersama-sama, disfungsi metabolisme tenaga yang disebabkan oleh kecederaan HSD hiperbarik mungkin termasuk metabolisme aerobik yang ditindas secara kolaboratif dan metabolisme anaerobik, yang merupakan fenomena perubahan metabolik yang jarang berlaku.

Tahap BCAA (Ile, Val, dan Leu) dalam sampel HSDS dikawal selia berbanding dengan sampel CONS. BCAA boleh ditukar kepada asetil-KoA dan succinyl-CoA [42] sebagai substrat untuk glukoneogenesis dan penjanaan ATP. Oleh itu, pengawalseliaan BCAA berpotensi didorong untuk memenuhi keperluan pampasan tenaga selepas kecederaan HSD. Sementara itu, selaras dengan permintaan pampasan tenaga, laluan metabolik asid lemak -pengoksidaan juga dimodulasi, dan tahap Kereta yang lebih rendah (metabolit penanda untuk asid lemak -pengoksidaan) dalam sampel HSDC telah dikesan. Laluan metabolisme glisin, serin, dan treonin (Rajah 6B) juga membekalkan prekursor metabolisme tenaga yang penting untuk memasuki kitaran sitrat [43]. Dalam laluan ini, Cho, Gly dan Thr ialah tiga hits. Cho dan Gly ditunjukkan menurun dengan pendedahan HSD. Begitu juga, laluan kolinergik telah dikaitkan dengan keabnormalan sosial dan tingkah laku, juga sebagai komponen penting membran selular dan diperlukan untuk sintesis neurotransmitter asetilkolin. Gly ialah asid amino paling ringkas dengan beberapa fungsi, termasukmetabolisme lemak, fungsi neurologi, perkembangan otot, dan penggabungan ke dalam glutation antioksidan [44].

Metabolisme neurotransmitter

Metabolisme neurotransmitter adalah penting untuk mengekalkan fungsi otak yang normal. Walau bagaimanapun, pelbagai ketidakseimbangan neurotransmitter telah dicirikan dalam tikus model HSD. Peningkatan tahap penghantar pengujaan dopamin dan noradrenalin disertai dengan penurunan neurotransmitter perencatan termasuk 5HT, Gly, dan GABA dalam kumpulan HSD berbanding dengan kawalan. GABA, sebagai neurotransmitter perencatan utama, bertanggungjawab untuk menghentikan aktiviti glutamatergik pengujaan, jadi secara semula jadi, gangguan kepada salah satu daripada metabolit ini akan menjejaskan yang lain dari segi perubahan dalam kepekatan Asp, Gly, dan Gln. Neurotransmiter rangsangan ACh terlibat dalam pelbagai fungsi sistem saraf pusat [45] terutamanya dengan memodulasi reseptor asetilkolin dan laluan hilirannya. Dalam kajian ini, aktiviti AChE dalam proses hidrolisis ACh diukur. Penurunan aktiviti AChE menunjukkan gangguan pada laluan kolinergik. Selain itu, tahap striatal asid amino penting Lys didapati meningkat dengan ketara dalam tikus HSD. Lys telah dilaporkan menyekat reseptor serotonin, dan pengumpulannya akan menjejaskan fungsi normal 5HT [46]. Asp, satu lagi neurotransmiter rangsangan, diperoleh secara langsung melalui transaminasi daripada perantaraan kitaran TCA, oksaloasetat. Kami mendapati bahawa kepekatan Asp telah berkurangan dengan ketara dalam striatum tikus HSD, memberikan bukti tambahan untuk kesan ketidakseimbangan pada neurotoksisiti keceriaan, dengan tiga hits lain Ala, FMA, dan GABA. Empat metabolit ini terdiri daripada laluan metabolisme alanin, aspartat, dan glutamat (Rajah 6A, 7). Penemuan ini menunjukkan gangguan dalam kitar semula/pengeluaran neurotransmitter dan ketidakseimbangan antara neurotransmitter pengujaan/perencatan yang disebabkan oleh kesan HSD. Diambil bersama, gangguan metabolik yang sistematik, termasuk disfungsi metabolisme tenaga, tekanan oksidatif, dan gangguan metabolisme neurotransmitter, telah diinduksi dalam kecederaan serebral khusus wilayah tikus HSD. Downregulation NAA, yang merupakan penunjuk umum kesihatan neuron, mencadangkan keabnormalan neurofungsi. Data ini menunjukkan bahawa kerosakan neuron disebabkan oleh pendedahan penyahmampatan hiperbarik 4.0 MPa. Selaras dengan potongan ini, tahap Pcho dan Cho, yang merupakan prekursor fosfatidilkolin (PC) yang terlibat dalam lisis membran sel, apoptosis, dan tindak balas keradangan, telah dikawal ke bawah. Penurunan kepekatan dalam metabolit yang berkaitan dengan membran mencadangkan gangguan integriti membran sel yang berkaitan dengan kerosakan neuron. Kerosakan neuron mungkin menjadi sebab utama untuk perubahan metabolik yang disebabkan oleh kesan HSD.

Kesimpulan

Dalam kajian ini, penilaian metabolomik dan biokimia berasaskan NMR telah digunakan untuk memprofilkan perubahan metabolik dalam perubahan metabolik khusus kawasan otak tikus model HSD berikutan penyahmampatan hiperbarik 400 msw bagi eksposisi ketepuan heliox. Kami kemudian mendapati bahawa HSD secara ketara menyebabkan penyimpangan metabolik, termasuk tekanan oksidatif, gangguan metabolisme tenaga, gangguan metabolisme neurotransmitter dan gangguan membran sel. Walau bagaimanapun, mekanisme molekul pendedahan HSD yang lebih mendalam perlu disiasat dalam penyelidikan masa depan.

Rajah 7. Gambaran keseluruhan skema perubahan yang disimpulkan dalam laluan metabolik serebrum yang berpotensi selepas tepu heliox hiperbarik.

Had

Sumber kesilapan yang berpotensi dalam penyelidikan ini mungkin reka bentuk dan analisis. Walaupun disfungsi korteks, hippocampus, dan striatum telah dikaitkan dengan beberapa gejala masa lapang CNS dalam model haiwan, ketiga-tiga kawasan otak ini adalah yang dikaji di sini. Siri manifestasi psikomotor dan kognitif riadah CNS di bawah faktor patologi (tekanan atmosfera yang berlebihan, gelembung gas dalam badan, dan penyakit penyahmampatan) juga dipengaruhi oleh disfungsi cerebellar, tetapi gangguan profil metabolik cerebellum tidak dipertimbangkan dalam penyelidikan ini. Tambahan pula, hanya metabolit otak terhad yang boleh dikesan oleh NMR dalam kajian ini; oleh itu, pendekatan metabolomik berasaskan LC-MS (kromatografi cecair-tandem spektrometri jisim) harus digunakan dalam kajian masa depan untuk mengesan lebih banyak metabolit endogen dalam otak untuk memahami sepenuhnya mekanisme kesan penyahmampatan hiperbarik dalam persekitaran tepu heliox.

Maklumat sokongan S1 Rajah. Perubahan metabolik didorong oleh pendedahan tekanan tinggi bagi persekitaran tepu heliox 400msw dan merentasi kawasan otak yang berbeza. Analisis komponen utama (PCA) plot skor PC1/PC2 yang diperoleh daripada data 1H NMR dan diwarnakan mengikut kumpulan CONC dan HSDC (A, R2X=0.40, Q2=-0.02), CONH dan HSDH (B, R2X=0.50, Q2=0.16), dan CONS dan HSDS (C, R2X=0.43, Q2=0.05),; penskalaan dilakukan kepada varians unit; Analisis diskriminasi kuasa dua terkecil separa (PLS-DA) plot skor daripada spektrum 1H NMR ekstrak daripada korteks (A', R2X=0.38, Q2=0.54), hippocampus (B', R2X=0.37, Q2=0.35) dan striatum (C', R2X=0.39, Q2=0.42) daripada kumpulan CON dan HSD; penskalaan dilakukan kepada varians unit. (DOCX)

Rujukan

1. Bowser-Riley F. Kajian mekanistik mengenai sindrom neurologi tekanan tinggi. 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. Sindrom neurologi tekanan tinggi (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. Tindak Balas Tekanan Tekanan Tinggi: Penglibatan Subjenis Reseptor NMDA dan Penanda Molekul. Fisiol Depan. 2019; 10:1234. Epub 2019/10/16. https://doi.org/ 10.3389/fphys.2019.01234 PMID: 31611813

4. Mor A, Grossman Y. Modulasi tekanan tinggi keceriaan bergantung kepada reseptor 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. Resapan serebrum dan defisit perfusi dalam penyelam Laut Utara. 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 sistem saraf pusat pada tikus mengikuti penyahmampatan tepu heliox. Medan Hiperb Bawah Laut. 2015; 42(1):57–64. Epub 2015/06/23. PMID: 26094305

7. Vaernes R, Hammerborg D, Ellertsen B, Peterson R, Tonjum S. Reaksi CNS pada 51 ATA pada trimix dan heliox dan semasa penyahmampatan. Res Biomed bawah laut. 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. Tanda tangan metabolomik air kencing dalam sindrom vasokonstriksi serebrum boleh balik. Cephalalgia. 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. Ramalan awal malaria serebrum oleh (1) H NMR berasaskan 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. Penyesuaian Metabolomik Khusus Mentakrifkan Kerentanan Serantau Berbeza dalam Korteks Serebrum Manusia Dewasa. Mol Neurosci Depan. 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. Anak panah ikatan: meningkatkan pembangunan ubat CNS translasi oleh PK/PD-metabolomik bersepadu. Diskov Ubat Pendapat Pakar. 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. Mencirikan penyakit Alzheimer melalui metabolomik berasaskan NMR- dan LC-MS integratif. Metabol Terbuka. 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. Mentakrifkan fenotip metabolik dalam otak model tikus transgenik ataxia spinocerebellar 3. Physiol Genomics. 2004; 16(3):334–40. Epub 2003/12/18. https:// doi.org/10.1152/physiolgenomics.00149.2003 PMID: 14679302

Minta lebih lanjut:

E-mel:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: tambah 86 15292862950