Stresul oxidativ, metabolismul energetic disfuncțional și neurotransmițătorii destabilizatori au modificat profilul metabolic cerebral într-un model de șobolan de scufundare simulată a saturației cu Heliox la 4.0 MPa

Abstract

Obiectivul principal al prezentului studiu a fost acela de a determina modificările profilului metabolic în creierul șobolanilor după scufundări simulate cu heliox-saturat (HSD) la 400 de metri de apă de mare în comparație cu martorii martor. Modificările metabolomului polar din creierul de șobolan din cauza HSD au fost investigate încortexul, hipocampus, șițesut striatprobe prin aplicarea unei abordări metabolomice bazate pe RMN cuplată cu detectarea biochimică în cortex. Thereducerea nivelului de glutation și taurinăpoate ipoteticstimulează apărarea antioxidantăîn timpul scufundărilor cu saturație, ceea ce a fost dovedit și denivel crescut de malondialdehidă, celscăderea superoxid dismutazei, siscăderea glutation peroxidazeiîn cortex. Scăderea concomitentă a căilor metabolice aerobe și anaerobe a cuprins metabolismul energetic reglat în jos, ceea ce a fost dovedit și prin cuantificarea biochimică a enzimelor metabolice Na-K ATPază și LDH în țesutul cortexului cerebral. Theanomalii metabolice semnificative ale neurotransmitatorilor de aminoacizi, cum ar fi GABA, glicina și aspartatul, au scăzut aminoacizii aromatici, inclusivtirozinăși fenilalanină, ambele fiind implicate înmetabolismul dopamineiși noradrenalina, care sunt reglate în jos în cortex. În special, o scădere a N-acetil aspartatului este asociată cu leziuni neuronale. În rezumat, decompresia hiperbară a unui HSD de 400 msw a afectatmetabolomul creieruluiîntr-un model de șobolan, incluzând potențial o gamă largă de homeostazie perturbatoare a aminoacizilor, metaboliți legați de stresul oxidativ și metabolismul energetic și componentele neurotransmițătoare destabilizatoare. Acestetulburăripoate contribui laneurochimicșifenotipuri neurologice ale HSD.

Faceți clic aici pentru a obține suplimente anti-oxidante de Cistanche

Introducere

Presiunea ridicată peste 1,3 MPa (la aproximativ 120-metri de apă de mare) este indusă la oameni și mamifere cu risc de modificări ale sistemului nervos central (SNC) [1, 2]. SNC ar putea fi una dintre cele mai sensibile ținte în ceea ce privește presiunea atmosferică excesivă, bulele de gaz în organism și boala de decompresie (DCS) cauzată de scufundările la adâncime. În astfel de condiții, o serie de manifestări psihomotorii și cognitive sunt extrem de complexe, cu tremor distal și proximal, anomalii electroencefalografice, fasciculații, mioclonie, tulburări de somn, greață, cefalee, amețeli și performanță redusă la testele cognitive [2–4]. Moen și colab. a măsurat anomaliile neurologice regionale prin imagistica prin rezonanță magnetică (RMN) ponderată cu difuzie și perfuzie. S-au găsit deficite de perfuzie în funcția microvasculară cerebrală cu microemboli arteriale [5] la scafandrii din Marea Nordului, dovedite prin reducerea timpului mediu de tranziție datorită complexității reduse a sistemului microvascular sau capilar. Alvhild Alette Bjørkum și colab. a găsit o homeostazie perturbantă a proteinelor, de exemplu, în veziculele sinaptice și componentele citoscheletice destabilizatoare după scufundarea cu saturație cu heliox într-un model de șobolan. Cu toate acestea, Arvid Hope și colab. au raportat că nu s-au observat leziuni vizibile ale SNC ale modificărilor morfologice la scanarea RMN la șobolanii cu simptome neurologice masive de boală de decompresie după decompresie cu saturație cu heliox [6]. Astfel, emitem ipoteza că potențialele modificări ale profilului molecular din spatele unor astfel de anomalii fiziologice semnificative, dar ambigue, ar putea fi observate în țesutul SNC după o scufundare cu saturație cu heliox.

Identificarea biomarkerilor pentru monitorizarea stării mecanismelor fiziologice celulare este importantă pentru înțelegerea evenimentelor biochimice. Este întotdeauna o provocare având în vedere complexitatea și diversitatea căilor moleculare implicate în răspunsul sistemelor biologice la diverși factori într-un anumit moment sau condiție. Încercările anterioare care leagă biomarkerii individuali cu perturbarea funcțională a SNC au oferit o perspectivă asupra daunelor oxidative și a scufundării postsaturației metabolismului energetic [3, 4, 7]. În mod similar, mai multe studii au comparat profilurile neurotransmițătorilor de aminoacizi ale șobolanilor cu sindrom neurologic de înaltă presiune cu cele ale indivizilor sănătoși [2]. Ilustrarea amprentei metabolice neurologice a timpului liber al SNC ar putea favoriza ipotezele etiologice [8, 9], prevenirea [10] și abordările terapeutice [11]. Cu toate acestea, perturbația metabolică neurologică integrată indusă de o adâncime mare de scufundare cu saturație cu heliox nu a fost investigată. Astfel de informații din sistemele biologice complexe pot fi înregistrate rapid datorită progreselor în mijloacele tehnologice [12]. Aplicarea spectroscopiei de rezonanță magnetică nucleară (RMN) de înaltă rezoluție poate oferi cantități extreme de complexitate ridicată, dar date de profil metabolic interpretabile și robuste. Datele spectrale ale extractelor de biofluide și metaboliți tisulari pot fi obținute prin metode chimiometrice și bioinformatice pentru a dezvălui informații despre starea fiziologică sau patologică. Spectroscopia RMN oferă informații calitative și cantitative imediate despre aproximativ 102 molecule mici diferite prezente într-o probă biologică. Detectarea RMN permite o abordare largă, imparțială, fără selecția a priori a căilor biochimice specifice. În plus, RMN permite analiză cu randament ridicat și reproductibilitate ridicată și este o tehnică intrinsec cantitativă pe un interval dinamic larg datorită răspunsului liniar al semnalelor RMN într-o concentrație. Această tehnologie a fost aplicată cu succes bolilor neurologice precum ataxia cerebeloasă [13], boala Huntington [14, 15] și boala Alzheimer [16, 17] atât în ​​studii preclinice cât și clinice.

În ciuda aplicabilității promițătoare a metabolomicilor bazate pe RMN, aplicarea acesteia la evaluarea efectelor perturbației metabolice nervoase centrale ale scufundărilor cu saturație cu heliox nu a fost raportată. Scopul acestui studiu a fost de a investiga modificările metabolomice în diferite compartimente anatomice ale creierului (cortex, hipocamp și striat) și modificările nivelului indicelui biochimic în cortex la un model de șobolan după scufundări simulate de 400 de metri de saturație cu heliox cu apă de mare (MSW). , așa cum se arată în designul experimental schematic al cercetării prezente în Fig 1. Ilustrarea amprentei metabolice a organului țintă ar putea oferi un set de biomarkeri disponibili care ar putea contribui la îmbunătățirea procedurilor de scufundare.

Fig 1. Design experimental schematic al prezentei cercetări

Proceduri experimentale

Confirmăm că am citit poziția Jurnalului cu privire la problemele implicate în publicarea etică și afirmăm că acest raport este în concordanță cu acele linii directoare.

Reactivi și materiale Clorură de sodiu de calitate analitică, DMSO, NaN3, NaH2PO4•2H2O și Na2HPO4•12H2O au fost achiziționate de la Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd. (Shanghai, China). CHCI3 și CH3OH de calitate HPLC au fost obținute de la Merck (Darmstadt, Germania). D2O (99,9 la sută în D) care conține 3-(trimetil-silil) propionat-2 de sodiu, 2, 3, 3, d4 (TSP) ca standard intern pentru referința la schimbarea chimică a fost furnizat de Sigma-Aldrich (MO, SUA). Un sistem tampon care conține 0,2 M Na2HPO4/NaH2PO4 în D2O la pH 7,4 a fost preparat pentru a preveni efectul pH-ului asupra deplasărilor chimice ale metaboliților la diferite concentrații. Trusele de analiză pentru determinarea ATPazei de sodiu-potasiu (Na-K-ATPaza), colinesterazei (AChE) și lactat dehidrogenazei (LDH) au fost achiziționate de la Abcam (SUA). Trusele de analiză pentru dopamină (DA) au fost achiziționate de la RD, SUA, kiturile de analiză pentru epinefrină (E) și norepinefrină (NE) au fost de la Abnova, Taiwan, kiturile de analiză 5-hidroxitriptamina (5HT) au fost de la BioSource și Trusele de analiză a acidului gamma-aminobutiric (GABA) au fost de la Santa Cruz, SUA. Trusele de testare pentru superoxid dismutază (SOD), malondialdehidă (MDA) și glutation peroxidază (GPx) au fost achiziționate din Cayman, SUA.

Aprobare etică

Toate protocoalele experimentale au fost aprobate de Comitetul de etică a animalelor al Centrului Medical Naval al PLA, Universitatea de Medicină Navală (Nr. aprobare: SYXK(Shanghai)2017-0019, Anul aprobării: 2020). Toate animalele au primit o îngrijire bună conform Ghidului de îngrijire și utilizare a animalelor de laborator al Universității de Medicină Navală. Confirmăm că toate metodele sunt raportate în conformitate cu ghidurile ARRIVE (https://arriveguidelines.org) pentru raportarea experimentelor pe animale. Participanții cercetați în acest studiu au fost șobolani, nu oameni; astfel, nu a existat consimțământul de participare.

Animale și design de grupare

În această cercetare au fost incluși șobolani Sprague-Dawley masculi adulți cu o vârstă medie de 8 săptămâni și cântărind 200-220 g. Animalele au fost achiziționate de la Shanghai Slac Laboratory Animal Co., Ltd. (Shanghai, China). Au fost depuse eforturi maxime pentru a minimiza suferința animalelor și numărul de animale necesar pentru a capta date fiabile. Mâncarea standard pentru șobolani și apă de băut au fost disponibile pentru toate animalele ad libitum. Animalele cu 3 șobolani per cușcă au fost găzduite într-o cameră pentru animale fără agenți patogeni (SPF) (temperatura, 22–24˚C, umiditate, 45-55 la sută) și condiții de lumină controlate (ciclu lumină-întuneric de 12/12 ore) timp de o săptămână înainte de experiment. Înainte de începerea experimentelor de scufundare, șobolanii au fost aclimatizați timp de cinci zile în mediul de laborator, inclusiv într-o cameră hiperbară. Șaisprezece șobolani au fost cântăriți, etichetați, restricționați aleatoriu unui martor (expunere la aer normobaric, dar suportând lumină și zgomot similare, numit grup CON, n=8) și un grup experimental (supus unei scufundări simulate de saturație cu heliox la 4,0 MPa (400 msw), numit grup HSD, n=8).

Scufundare cu saturație stimulată de 400 msw

Șobolanii din grupul HSD au fost presurizați în heliu-oxigen gaz într-o cameră hiperbară. Pe scurt, au fost incluse patru faze de compresie, stocare, decompresie și supraveghere la îndoire

perioada de saturație. Rata de compresie a șobolanului a fost de 1 msw/min până la 10 msw cu 20% amestecuri de gaz He O și 3,54 msw/min de la 10 msw la 400 msw cu He pur. Comprimarea timpului de la suprafață la 400 msw a durat aproximativ 120 de minute. Faza de jos la 400 msw a fost de 120 de minute. Concentrația de oxigen a fost suplimentată cu oxigen pur pentru a menține presiunea parțială a oxigenului la 35~50 kPa în timpul procesului de compresie și adâncimea de depozitare. Perioada de supraveghere a decompresiei a fost de 40 min la 300 msw, 45 min la 200 msw, 50 min la 105 msw, 60 min la 45 msw, 75 min la 10 msw, 75 min la 3 msw și apoi la suprafață. Rata de ascensiune utilizată în acest model de decompresie este de aproximativ 10 metri (33 ft) pe minut. presiunea parțială a oxigenului a fost menținută la 38~67 kPa în timpul etapei de decompresie. După decompresie la 10 m, concentrația de oxigen a fost menținută la 20~24%. Prezentarea cronologică a scufundărilor cu saturație este prezentată în Fig 2. Șobolanii din grupul de control aer (Grupul CON, denumit grupul de control, cu opt șobolani) au fost crescuți în mediul atmosferic în același laborator experimental cu aceeași cameră ca și grupurile HSD. Grupul de control nu a primit nicio procedură de comprimare sau decomprimare, dar a suportat zgomot și lumină similare cu grupul HSD.

Colectie de mostre

După perioada de decompresie, șobolanii au fost anesteziați cu pentobarbital de sodiu ({{0}},3 procente, 1,0 ml/kg greutate șobolan) intraperitoneal, urmat de îndepărtarea creierului. Emisferele cerebrale stângi au fost disecate rapid. În două grupuri de animale, cortexul, hipocampul și țesuturile striatum au fost disecate și respectiv abreviate ca HSDC, HSDH, HSDS, CONC, CONH și CONS. Fiind cel mai mare țesut dintre cele trei compartimente, fiecare probă de cortex a fost apoi tăiată în două bucăți cu greutăți aproximativ egale (o parte din probă pentru analiza metabolomică, celelalte bucăți de probe pentru evaluări biochimice). Toate țesuturile au fost congelate rapid în azot lichid și depozitate la -80 °C până la analize ulterioare.

Cere mai mult:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: plus 86 15292862950