Metformín zmierňuje neurokognitívne poškodenie pri starnutí prostredníctvom aktivácie dráhy AMK/BDNF/PI3K ČASŤ 2

Glykozid cistanche môže tiež zvýšiť aktivitu SOD v tkanivách srdca a pečene a výrazne znížiť obsah lipofuscínu a MDA v každom tkanive, účinne zachytáva rôzne reaktívne kyslíkové radikály (OH-, H₂O₂ atď.) a chráni pred poškodením DNA. OH-radikálmi. Cystanche fenyletanoidové glykozidy majú silnú schopnosť zachytávať voľné radikály, vyššiu redukčnú schopnosť ako vitamín C, zlepšujú aktivitu SOD v suspenzii spermií, znižujú obsah MDA a majú určitý ochranný účinok na funkciu membrány spermií. Polysacharidy Cistanche môžu zvýšiť aktivitu SOD a GSH-Px v erytrocytoch a pľúcnych tkanivách experimentálne starnúcich myší spôsobenú D-galaktózou, ako aj znížiť obsah MDA a kolagénu v pľúcach a plazme a zvýšiť obsah elastínu. dobrý čistiaci účinok na DPPH, predĺženie doby hypoxie u starnúcich myší, zlepšenie aktivity SOD v sére a oddialenie fyziologickej degenerácie pľúc u experimentálne starnúcich myší Experimenty ukázali, že pri bunkovej morfologickej degenerácii má Cistanche dobrú antioxidačnú schopnosť a má potenciál byť liekom na prevenciu a liečbu chorôb starnutia kože. Zároveň má echinakozid v Cistanche významnú schopnosť vychytávať voľné radikály DPPH a dokáže vychytávať reaktívne formy kyslíka, predchádzať voľným radikálom vyvolanej degradácii kolagénu a má tiež dobrý reparačný účinok na poškodenie aniónom voľných radikálov tymínu.

Kliknite na Koreňový doplnok proti starnutiu Cistanche

【Ďalšie informácie: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:{0}}】

Aktivácia signalizácie AMPK tiež potláča zápalové reakcie prostredníctvom aktivácie SIRT129, stimulácie proteínov FOXO35 a inhibície stresu ER a zníženia oxidačného stresu. Všetky tieto mechanizmy následne potláčajú signalizáciu NF-KB a neurozápal spojený so starnutím36. Okrem protizápalových účinkov sa AMPK podieľa na rôznych aktivitách vrátane angiogenézy, zosilnenia autofágie a indukcie mitochondriálnych proteínov16.

Hoci boli hlásené ochranné úlohy závislé od AMPK v rôznych kontextoch, spôsoby metformínu nezávislé od AMPK sú menej študované. Táto štúdia odhalila, že v skupine D-gal došlo k významnému zníženiu regulácie génu PI3K v porovnaní s kontrolnou skupinou, zatiaľ čo súčasné podávanie metformínu viedlo k zvýšeniu jeho hladiny v porovnaní so skupinou D-gal. PI3K/Akt je jednou z dôležitých signálnych dráh v prevencii bunkovej apoptózy. Po aktivácii PI3K môže nasledovať fosforylácia Akt1. Akt1 môže inhibovať fosforyláciu JNK3, ktorá podporuje aktiváciu c-Jun. C-Jun je proteín, ktorý môže indukovať expresiu apoptotických proteínov37. Tus, Akt1 aktivácia povedie k inaktivácii JNK3 a c-Jun, a potom sa zlepší podiel prežitia buniek. Preto sme skúmali účinky metformínu na bunkovú apoptózu štúdiom imunohistochemickej reakcie apoptotických markerov kaspázy{17}} a Bcl{18}}. Táto štúdia odhalila zvýšenie expresie apoptotického markera kaspázy{19}} so znížením expresie antiapoptotického markera Bcl{21}} v hipokampe skupiny D-gal v porovnaní s kontrolou skupina. Na podporu našich výsledkov predchádzajúce štúdie potvrdili, že mitochondriálny ROS indukuje aktiváciu veľkého počtu mitochondriálnych apoptotických proteínov, čo vedie k bunkovej apoptóze a poškodeniu orgánov38. Mnohé apoptotické proteíny úzko súvisia s antiapoptickými proteínmi pri starnutí indukovanom injekciou D-gal39. Je známe, že kaspáza{27}} je kľúčovým faktorom apoptózy u cicavcov40. Proteín Te Bcl-2 je kľúčovým hráčom pri inhibícii apoptózy. Je to známy faktor starnutia buniek a jeho nadmerná expresia môže účinne zabrániť apoptóze vyvolanej voľnými radikálmi41. Všeobecne sa verí, že Bcl{31}} pôsobí po aktivácii kaspázy{32}}, a preto je apoptóza inhibovaná42. Ako ukazujú naše výsledky, podávanie metformínu výrazne znižuje pomer kaspázy-3/Bcl-2. Tieto výsledky pochádzajú z iných štúdií, ktoré naznačujú, že aktivácia AMPK metformínom upreguluje expresiu proteínu Bcl-2, takže chráni pred apoptotickou bunkovou smrťou vyvolanou D-gal a zvyšuje životaschopnosť neurónov43.

BDNF je zaujímavý molekulárny kandidát, ktorý by mohol pomôcť vytvoriť spojenie medzi molekulárnymi a biochemickými zmenami a poruchami pamäti súvisiacimi so starnutím. Optimálna kognitívna funkcia je spojená s účinnou neuronálnou plasticitou. Poruchy pamäti spojené so starnutím môžu byť spojené so zmenami v expresii a regulácii proteínov súvisiacich s plasticitou, ako je BDNF, ktorý je dôležitým neurotrofickým faktorom. Ukázalo sa, že redukcia BDNF vedie k neuronálnej atrofii a smrti44.

Táto štúdia odhalila, že hladina BDNF v skupine D-gal bola významne nižšia v porovnaní s kontrolnou skupinou. Pokles BDNF a/alebo jeho receptorov u starnúcich zvierat bol evidentný v predchádzajúcich štúdiách45. Mizisin a kol. naznačili, že metabolizmus galaktózy aldózoreduktázou ovplyvnil axonálnu funkciu a štruktúru zmenou produkcie nervov a svalov BDNF46. Naopak, liečba metformínom bola spojená s významným zvýšením BDNF v porovnaní so skupinou D-gal. Naše výsledky boli v súlade s predtým publikovanými správami, ktoré ukázali, že metformín up-reguluje BDNF prostredníctvom aktivácie AMPK47.

Vzhľadom na svoju kritickú úlohu v LTP sa predpokladá, že BDNF je nevyhnutnou súčasťou bunkového mechanizmu, ktorý podporuje tvorbu a udržiavanie pamäte podporou synaptickej konsolidácie. BDNF zvyšuje ukladanie pamäte tým, že podporuje zmeny v morfológii chrbtice, čo vedie k stabilizácii LTP. BDNF môže tiež zvýšiť počet, veľkosť a zložitosť dendritických tŕňov. Okrem toho BDNF zvyšuje neurogenézu prostredníctvom zmien v bunkovej proliferácii10. Väzba BDNF na receptory TrkB indukuje aktivitu PI3K, ktorá inhibuje apoptózu a podporuje prežitie buniek22.

Celkovo naša štúdia naznačuje, že účinky metformínu proti starnutiu pri zlepšovaní neurokognitívneho poškodenia by mohli byť aspoň čiastočne spôsobené aktiváciou dráhy AMPK / BDNF / PI3K.

Hipokampus hrá dôležitú úlohu pri upevňovaní učenia a pamäti, ako aj v správaní a regulácii nálady a kde sa funkčná aj štrukturálna plasticita vyskytuje až do dospelosti. Predchádzajúce štúdie uvádzali, že hipokampus prechádza so starnutím niekoľkými štrukturálnymi zmenami, a to hrubými aj na bunkovej úrovni48. H&E štúdia hipokampu v skupine D-gal ukázala závažnú neuronálnu degeneráciu s viacerými apoptotickými telieskami a gliózou. Tento výsledok by sa dal vysvetliť škodlivými účinkami d-galaktózy pri indukcii oxidačného stresu, zápalu a apoptózy. Okrem toho sme hodnotili hladiny expresie synaptického markerového proteínu (synaptofyzín) v hipokampe. Synaptofyzín je marker synaptickej plasticity. Používa sa ako špecifický marker pre presynaptický terminál a jeho hladina súvisí so synaptickou hustotou. Naše výsledky ukázali, že expresia synaptofyzínu bola významne nižšia v skupine D-gal v porovnaní s kontrolnou skupinou. Tieto výsledky boli v súlade s predtým publikovanými štúdiami, ktoré preukázali poškodenie synaptogenézy vyvolané D-gal v hipokampe3. Avšak spoločná liečba metformínom s D-gal obnovila expresiu synaptofyzínu a štruktúru hipokampálneho tkaniva na úrovne blízke ich príslušným kontrolným hladinám. Dôkazy ukázali, že metformín podporuje neurogenézu hlodavcov a ľudí a zvyšuje tvorbu priestorovej pamäte24,41. Zvýšenie synaptickej hustoty a neurogenézy v hipokampe ide ruka v ruke so zlepšením výsledkov neurobehaviorálnych testov v tejto skupine. Dalo by sa to vysvetliť antioxidačnými, protizápalovými a antiapoptickými účinkami metformínu, ktoré sú sprostredkované aktiváciou signálnej dráhy AMPK/BDNF/PI3K.

Závery

Naše zistenia podporujú použitie D-gal v modeli potkanov na uskutočnenie štúdií súvisiacich so starnutím. Dospeli sme k záveru, že metformín môže zmierniť poruchy pamäti a kognitívne deficity spôsobené starnutím. Medzi mechanizmy, ktoré sa pravdepodobne podieľajú, patrí zlepšenie neurozápalu, zoslabenie oxidačného stresu, zvýšenie expresie antiapoptotického proteínu Bcl-2, ako aj podpora neurogenézy a synaptickej plasticity. Verili sme, že tieto mechanizmy môžu byť sprostredkované aktiváciou dráhy AMPK/BDNF/PI3K. Podľa našich najlepších vedomostí ide o prvú štúdiu, ktorá demonštruje účinok metformínu na zlepšenie kognitívneho poškodenia u starých potkanov prostredníctvom aktivácie tejto dráhy. Naše zistenia preto naznačujú, že metformín je užitočným prostriedkom proti starnutiu.

Dostupnosť údajov

Zverejnené online: 12. októbra 2022

Referencie

1. Cheng, S.-M. a kol. Antiapoptotické účinky diosgenínu v starnúcom mozgu vyvolanom d-galaktózou. Am. J. Chin. Med. 48(02), 391-406 (2020).

2. Feng, Q., Chen, B., Wang, C., Nie, C. & Li, T. Mechanisms under Metformin and Rapamycin as Anti-aging Drugs. Predtlač Authorea (2020).

3. Nam, SM a kol. Kyselina askorbová zmierňuje starnutie mozgu vyvolané d-galaktózou zvýšením neurogenézy hipokampu a zlepšením funkcie pamäte. Živiny 11(1), 176 (2019).

4. Hou, Y. a kol. Starnutie ako rizikový faktor neurodegeneratívnych ochorení. Nat. Neurol. 15 (10), 565 – 581 (2019).

5. Tsai, S.-J. & Yin, M.-C. Antiglykatívne a protizápalové účinky kyseliny protokatechuovej v mozgu myší liečených d-galaktózou. Food Chem. Toxicol. 50, 3198 – 3205 (2012).

6. Zhang, Q., Li, X. & Cui, X. Neurogenéza poškodená d-galaktózou v hipokampe dospelých myší. Neurol. Res. 27, 552-556 (2005).

7. Fatemi, I. a kol. Ochranný účinok metformínu na model starnutia indukovaného d-galaktózou u myší. Iran J. Basic Med. Sci. 21(1), 19-25 (2018).

8. Budni, J. a kol. Perorálne podávanie d-galaktózy indukuje kognitívne poruchy a oxidačné poškodenie u potkanov. Správaj sa. Brain Res. 302, 35 – 43 (2015).

9. Rea, IM a kol. Vek a choroby súvisiace s vekom: Úloha spúšťačov zápalu a cytokínov. Predné. Immunol. 9, 586 – 586 (2018).

10. Miranda, M., Morici, JF, Zanoni, MB & Bekinschtein, P. Neurotrofický faktor odvodený z mozgu: Kľúčová molekula pre pamäť v zdravom a patologickom mozgu. Predné. Bunka. Neurosci. 13, 363 – 363 (2019).

11. Jinpiao, Z. a kol. Metformín zmierňuje neurokognitívne poškodenie vyvolané sevofluránom prostredníctvom autofágie závislej od AMPK-ULK1- u starých myší. Brain Res. Bull. 157, 18 – 25 (2020).

12. Martin-Montalvo, A. a kol. Metformín zlepšuje zdravie a životnosť myší. Nat. komun. 4, 2192 – 2192 (2013).

13. Zhang, Q.-Q. a kol. Metformínová terapia a kognitívna dysfunkcia u pacientov s diabetom 2. typu: metaanalýza a systematický prehľad. Medicína 99 (10), e19378 (2020).

14. Zhao, M. a kol. Podávanie metformínu zabraňuje zhoršeniu pamäti vyvolanému hypobarickou hypoxiou u potkanov. Správaj sa. Brain Res. 363, 30 – 37 (2019).

15. Li, J., Deng, J., Sheng, W. & Zuo, Z. Metformín zmierňuje neuropatológiu podobnú Alzheimerovej chorobe u obéznych myší rezistentných na leptín. Pharmacol. Biochem. Správaj sa. 101 (4), 564 – 574 (2012).

16. Ge, XH a kol. Metformín chráni mozog pred ischémiou/reperfúznym poškodením prostredníctvom signálnych dráh PI3K/Akt1/JNK3 u potkanov. Physiol. Správaj sa. 170, 115 – 123 (2017).

17. Krzysztoforska, K. a kol. Podávanie kyseliny protokatechuovej ovplyvňuje pamäť a obnovuje hipokampálny a kortikálny obrat serotonínu na potkanom modeli orálneho poškodenia pamäti vyvolaného d-galaktózou. Správaj sa. Brain Res. 368, 111896 (2019).

18. Zou, W. a kol. Sírovodík zlepšuje kognitívnu dysfunkciu u diabetických potkanov indukovaných streptozotocínom: Zahŕňa supresiu stresu hipokampálneho endoplazmatického retikula. Oncotarget 8(38), 64203–64216 (2017).

19. Xuan, AG a kol. Kyselina valproová zmierňuje poruchy pamäti a zmierňuje ukladanie amyloidu v transgénnom myšom modeli Alzheimerovej choroby. Mol. Neurobiol. 51(1), 300 – 312 (2015).

20. Walf, AA & Frye, CA Použitie vyvýšeného plus bludiska ako test správania súvisiaceho s úzkosťou u hlodavcov. Nat. Protoc. 2(2), 322-328.

21. Dhingra, D. & Kumar, V. Aktivita palmatínu zlepšujúca pamäť u myší pomocou vyvýšeného plusového bludiska a Morrisovho vodného bludiska. Adv. Pharmacol. Sci.

22. Li, F., Gong, Q.-H., Wu, Q., Lu, Y.-F. & Shi, J.-S. Icariin izolovaný z Epimedium brevicornum Maxim zmierňuje deficity učenia a pamäte vyvolané d-galaktózou u potkanov. Pharmacol. Biochem. Správaj sa. 96(3), 301-305 (2010).

23. Pourmemar, E. a kol. Intranazálny cerebrolyzín zmierňuje poruchy učenia a pamäti pri starnutí vyvolanom D-galaktózou u myší. Exp. Gerontol. 87 (Pt A), 16 – 22 (2017).

24. Oliveira, WH a kol. Účinky metformínu na zápal a krátkodobú pamäť u diabetických myší vyvolaných streptozotocínom. Brain Res. 1644, 149–160 (2016).

25. Meyza, KZ, Boguszewski, PM, Nikolaev, E. & Zagrodzka, J. Vek zvyšuje úzkosť a reaktivitu okruhu strachu/úzkosti u potkanov Lewis. Správaj sa. Brain Res. 225(1), 192 – 200 (2011).

26. Kennedy, BK & Pennypacker, JK Lieky, ktoré modulujú starnutie: Sľubná, ale náročná cesta pred nami. Prekl. Res. 163 (5), 456 – 465 (2014).

27. Chogtu, B. a kol. Hodnotenie akútnych a chronických účinkov D-galaktózy na pamäť a učenie u potkanov Wistar. Clin. Psychofarmaka. Neurosci. 16(2), 153 – 160 (2018).

28. El-Mir, MY a kol. Neuroprotektívna úloha antidiabetického lieku metformínu proti apoptotickej bunkovej smrti v primárnych kortikálnych neurónoch. J. Mol. Neurosci. 34(1), 77-87 (2008).

29. Ou, Z. a kol. Liečba metformínom zabraňuje ukladaniu amyloidných plakov a zhoršeniu pamäti u APP/PS1 myší. Správanie mozgu. Immun. 69, 351 – 363 (2018).

30. Tao, L. a kol. Neuroprotektívne účinky metformínu na traumatické poškodenie mozgu u potkanov spojené so signálnou dráhou NF-KB a MAPK. Brain Res. Bull. 140, 154 – 161 (2018).

31. Antero, S. & Kai, K. AMP-aktivovaná proteínkináza (AMPK) riadi proces starnutia prostredníctvom integrovanej signálnej siete. Ageing Res. Rev. 11(2), 230-241 (2012).

32. Meng, S. a kol. Metformín aktivuje AMP-aktivovanú proteínkinázu podporovaním tvorby heterotrimérneho komplexu. J. Biol. Chem. 290 (6), 3793 – 3802 (2015).

33. Ghadernezhad, N., Khalaj, L., Pazoki-Toroudi, H., Mirmasoumi, M. & Ashabi, G. Predliečba metformínom zlepšila učenie a pamäť pri cerebrálnej ischémii predného mozgu: Úloha signálnej dráhy AMPK/BDNF/P70SK . Pharm. Biol. 54(10), 2211 – 2219 (2016).

34. Potter, WB a kol. Metabolická regulácia neuronálnej plasticity energetickým senzorom AMPK. PLoS ONE 5(2), e8996 (2010).

35. Kauppinen, A., Suuronen, T., Ojala, J., Kaarniranta, K. & Salminen, A. Antagonistický presluch medzi NF-κB a SIRT1 pri regulácii zápalu a metabolických porúch. Cell Signal 25(10), 1939–1948 (2013).

36. Salvadó, L. a kol. Oleát zabraňuje ER stresu vyvolanému nasýtenými mastnými kyselinami, zápalu a inzulínovej rezistencii v bunkách kostrového svalstva prostredníctvom mechanizmu závislého od AMPK. Diabetológia 56(6), 1372–1382 (2013).

37. Qi, D. a kol. Proteín tepelného šoku 72 inhibuje signálnu dráhu c-Jun N-terminálnej kinázy 3 prostredníctvom Akt1 počas cerebrálnej ischémie. J. Neurol. Sci. 317 (1 – 2), 123 – 129 (2012).

38. Chen, P., Chen, F. & Zhou, B. Antioxidačné, protizápalové a antiapoptotické účinky kyseliny ellagovej v pečeni a mozgu potkanov liečených D-galaktózou. Sci. Rep. 8(1), 1465 (2018).

39. D'Amelio, M., Cavallucci, V. & Cecconi, F. Neurónová kaspázová-3 signalizácia: Nielen bunková smrť. Cell Death Differ. 17(7), 1104-1114.

40. Feng, Y. a kol. Kyselina chlorogénová p antioxidačné a protizápalové účinky u myší. Pharm. Biol. 54(6), 1027 – 1034 (2016).

41. Shaikh, NH, Deshmukh, VM & Walvekar, MV Zmena morfológie semenníkov a počtu spermií v dôsledku liečby glykowithanolidmi počas starnutia. Asian J. Pharm. Clin. Res. 8(3), 72-77 (2015).

42. Grippa, A. a kol. Seipínový komplex Fld1/Ldb16 stabilizuje kontaktné miesta ER-lipidových kvapiek. J. Cell Biol. 211 (4), 829 – 844 (2015).

43. Liu, C., Liang, B., Wang, Q., Wu, J. & Zou, M.-H. Aktivácia AMP-aktivovanej proteínkinázy alfa1 zmierňuje apoptózu endotelových buniek zvýšením expresie antiapoptotických proteínov Bcl-2 a survivínu. J. Biol. Chem. 285(20), 15346–15355 (2010).

44. Takeda, M., Takahashi, M. & Matsumoto, S. Potlačenie napäťovo riadených draslíkových prúdov v neurónoch ganglií trigeminu s malým priemerom vyčnievajúcim do interpolácie trigeminálneho jadra / prechodovej zóny caudalis zosilnené zápalom vyvolaným mozgovým neurotrofickým faktorom . Neuroveda 261, 223–231 (2014).

45. Joseph, J., Cole, G., Head, E. & Ingram, D. Výživa, starnutie mozgu a neurodegenerácia. J. Neurosci. 29(41), 12795–12801 (2009).

46. ​​Mizisin, AP a kol. BDNF zmierňuje funkčné a štrukturálne poruchy v nervoch potkanov kŕmených galaktózou. J. Neuropathol. Exp. Neurol. 56(12), 1290-1301 (1997).

47. Chen, Q. a kol. Prepracovanie antidiabetických činidiel ako nová príležitosť na zmiernenie kognitívneho poškodenia pri neurodegeneratívnych a neuropsychiatrických poruchách. Predné. Pharmacol. 12, 667874 (2021).

48. Bettio, LEB, Rajendran, L. & Gil-Mohapel, J. Účinky starnutia v hipokampe a kognitívny pokles. Neurosci. Biobehav 79, 66 – 86 (2017).

Poďakovanie

Autori ďakujú Lekárskej fakulte Menoufa University za poskytnutie väčšiny požadovaných zariadení.

Autorské príspevky

OA navrhla štúdiu a koordinovala laboratórne práce, vykonala štúdie na zvieratách, uskutočnila molekulárne biologické experimenty, analyzovala údaje a vypracovala rukopis. RMS vykonala histopatologické a imunohistochemické štúdie a analyzovala údaje. RAAAE sa podieľal na návrhu štúdie, vykonával štúdie na zvieratách, podieľal sa na biochemickej analýze a pomáhal pri zostavovaní rukopisu. Všetci autori schválili konečnú verziu rukopisu. Autori vyhlasujú, že všetky údaje boli vytvorené interne a že nebola použitá žiadna papiereň.

Financovanie

Financovanie s otvoreným prístupom poskytuje Te Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) v spolupráci s Te Egyptian Knowledge Bank (EKB).

Konkurenčné záujmy

Autori nedeklarujú žiadne konkurenčné záujmy.

Ďalšie informácie

Korešpondenciu a žiadosti o materiály adresujte OA

【Ďalšie informácie: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:{0}}】