Neuroprotektivne prednosti tjelovježbe i MitoQ-a na funkciju pamćenja, dinamiku mitohondrija, oksidativni stres i neuroupalu kod štakora starenja izazvanih D-galaktozom, 3. dio

3.4. Učinak vježbanja na traci za trčanje i MitoQ-a na ekspresiju upalnih proteina i antioksidativnih enzima u hipokampusu štakora starenja uzrokovanog D-Gal-om

Potvrđeno je da TE i MitoQ utječu na upalne proteine ​​(COX-2, TNF- ) i antioksidativne enzime (SOD-2, katalazu) u hipokampusu starijih štakora (Slika 4).

Kako ljudi sve više pažnje posvećuju zdravlju i dugovječnosti, antioksidativni enzimi postali su važan nutrijent u našoj svakodnevnoj prehrani. Može nam pomoći da se odupremo štetnim slobodnim radikalima za tijelo, čime štitimo svoje fizičko zdravlje. No, osim zaštitnog djelovanja na organizam, antioksidativni enzimi usko su povezani i s našim pamćenjem.

Studije su pokazale da učinci slobodnih radikala mogu utjecati ne samo na fizičko zdravlje, već mogu utjecati i na naš mozak. Slobodni radikali mogu oštetiti naše živčane stanice i izravno utjecati na naše pamćenje i druge kognitivne sposobnosti. Međutim, antioksidativni enzimi mogu igrati ključnu ulogu u odupiranju štetnosti slobodnih radikala, održavajući tako naš mozak zdravim.

Osim toga, antioksidativni enzimi također pomažu u promicanju molekularne stabilnosti, sprječavaju upale i smanjuju smrt neuronskih stanica. Svi ti učinci pomažu u održavanju zdravlja našeg mozga i mogu poboljšati naše pamćenje.

Neke su studije također pokazale da ako našem tijelu nedostaje dovoljno antioksidativnih enzima, to može dovesti do kognitivnog pada, gubitka pamćenja i drugih neuroloških bolesti. Stoga konzumacija hrane bogate antioksidativnim enzimima, poput povrća, voća, orašastih plodova i ribe, pomaže zaštititi zdravlje našeg mozga i poboljšati naše pamćenje, čineći nas zdravijima i energičnijima.

Ukratko, antioksidativni enzimi vrlo su važni za promicanje našeg fizičkog zdravlja i zdravlja mozga. Konzumacijom dovoljno povrća, voća, orašastih plodova i ribe, koji su bogati antioksidativnim enzimima, možemo zaštititi svoje tijelo i mozak, poboljšati pamćenje, učiniti nas zdravijima i energičnijima. Vidi se da moramo poboljšati svoje pamćenje, a Cistanche može značajno poboljšati pamćenje jer ima antioksidativno, protuupalno i anti-age djelovanje, što može pomoći u smanjenju oksidacije i upale u mozgu, čime štiti zdravlje živčani sustav. Osim toga, Cistanche također može pospješiti rast i popravak živčanih stanica, čime se poboljšava povezanost i funkcija neuronskih mreža. Ovi učinci mogu poboljšati pamćenje, sposobnost učenja i brzinu razmišljanja, a također mogu spriječiti pojavu kognitivne disfunkcije i neurodegenerativnih bolesti.

Kliknite znati načine poboljšanja funkcije mozga

Razine ekspresije upalnih proteina značajno su se razlikovale između skupina za liječenje (COX{{0}}, F4,34=148.171, p < {{10}}.0 01; TNF-, F4, 34=33.645, p < 0,001). Razine ekspresije antioksidativnih enzima također su se značajno razlikovale između skupina koje su tretirane (SOD-2,F4,34=477.940, p <0,001; katalaza, F4,34=75.447, p <0,001).

Rezultati post hoctesta pokazali su da je došlo do dramatične promjene u ekspresiji COX-2, TNF-, SOD-2 i katalaze između Y-CON i D-CON grupa.

Međutim, sami TE i MitoQ smanjili su ekspresiju COX-2 i TNF-proteina s reguliranim D-galom, a kombinacija TE i MitoQ dodatno je ublažila oba upalna citokina u usporedbi sa samim MitoQ-om.

Ovi rezultati sugeriraju da primjena D-gala izaziva neuroupalu, dok TE i MitoQ imaju protuupalne učinke u hipokampusu. Osim toga, sami TE i MitoQ povećali su D-gal-induciranu redukciju SOD-2 i ekspresiju proteina katalaze.

SOD-2 je dodatno povećan u skupini koja je primala D-COMBI u usporedbi sa samo liječenjem MitoQ-om i samo TE. Ovi rezultati sugeriraju da primjena D-gal također izaziva ROS u hipokampusu, dok liječenje TE i MitoQ obnavlja oksidativni stres izazvan starenjem.

Slika 4. Učinak vježbanja na traci za trčanje i MitoQ na ekspresiju upalnih proteina i antioksidativnih enzima u hipokampusu štakora starenja izazvanog D-gal. (A) Reprezentativni Western blotovi upalnih proteina (COX-2, TNF-) i antioksidativnih enzima (SOD-2, katalaza). (B–E) Denzitometrijska analiza traka Western blota normaliziranih na -aktin.

Podaci prikazani u Western blotu su srednje vrijednosti za sedam štakorskih mozgova. -Aktin je ispitan kao interna kontrola. Bonferronipost hoc test korišten je nakon ANOVA. Vrijednosti su srednje vrijednosti ± SEM. a Označava statističku razliku u odnosu na Y-CON skupinu.

b Označava statističku razliku u odnosu na D-CON skupinu. c Označava statističku razliku u odnosu na D-TE skupinu. d Označava statističku razliku od D-MI skupine (p < 0.05).

3.5. Učinak vježbe na traci za trčanje i MitoQ-a na učenje i pamćenje kod štakora starenja uzrokovanog D-Gal-om

Kako bismo odredili funkcionalna poboljšanja u liječenju TE i MitoQ u hipokampusu starenja izazvanom D-galinom, proveli smo Morrisov vodeni labirint i testove pasivnog izbjegavanja za procjenu učenja i pamćenja (Slika 5).

Test pasivnog izbjegavanja pokazao je značajne razlike između liječenih skupina (vrijeme latencije zadržavanja, F4, 59=69.131, p < 0.001; Slika 5A). Post hoc test pokazao je da je uočeno značajno smanjenje vremena retencije u skupini D-CON u usporedbi s skupinom Y-CON. Međutim, došlo je do značajnog povećanja vremena latencije zadržavanja u D-TE, ali ne i u DMI skupini, u usporedbi s D-CON grupom.

Uz rezultate Morrisovog testa vodenog labirinta (Slika 5B, C), vremena latencije bijega i udaljenosti bijega značajno su se razlikovale između tretiranih skupina (vrijeme latencije bijega, F4, 59=31.565, p < 0). 001; udaljenost bijega,59=10.833, p < 0,001).

Post hoc test pokazao je da je došlo do značajnog povećanja vremena latencije i udaljenosti u D-CON u usporedbi s Y-CON grupom. Vrijeme eskalatencije značajno se povećalo u skupinama D-TE i D-COMBI u usporedbi s skupinom D-CON.

Međutim, nije bilo značajnosti udaljenosti bijega u svim intervencijskim skupinama u usporedbi s D-CON skupinom. Ovi rezultati sugeriraju da sam TE obnavlja oštećenje funkcije učenja i pamćenja izazvano D-gal.

4. Rasprava

Kognitivni pad povezan s godinama usko je povezan sa starenjem mozga. Postoji ogromna vrijednost odgađanja starenja mozga, iako je ono neizbježan dio procesa starenja.

U ovoj studiji istraživali smo preventivne učinke TE i MitoQ na kognitivna oštećenja povezana sa starenjem mozga. Utvrđeno je da D-gal djelomično narušava dinamiku mitohondrija povećanjem odnosno smanjenjem mitohondrijske fisije i fuzije u hipokampusu. Osim toga, D-gal je povećao upalu i ekspresiju NOX, što je rezultiralo smanjenjem kognitivne funkcije ovisne o hipokampusu, povezane s učenjem i pamćenjem.

Međutim, TE je učinkovito obnovio ta patološka stanja i spriječio pad kognitivnih sposobnosti. Samo liječenje MitoQ-om ublažilo je učinke starenja na upalu i antioksidativne enzime, ali nije izazvalo značajne promjene u dinamici mitohondrija ili kognitivnoj funkciji.

Bez obzira na sinergističke ili aditivne učinke mjera ishoda povezanih sa starenjem mozga, naši rezultati sugeriraju da TE ili MitoQ imaju potencijalne uloge kao nefarmakološki tretmani za sprječavanje ili usporavanje kognitivnog pada sa starenjem.

Neuravnotežena dinamika mitohondrija usko je povezana s raznim bolestima povezanim sa starenjem i vrlo je važna za preživljavanje stanica [36,37]. U ovoj studiji, skupina D-CON tretirana D-galom za poticanje starenja pokazala je povećanu ekspresiju proteina Drp1 i Fis1 povezanih s mitohondrijskom fisijom i smanjenu ekspresiju proteina povezanih s mitohondrijskom fuzijom Mfn1, Mfn2 i Opa1.

Ovi rezultati pokazuju da je prekomjerna mitohondrijska fisija dovela do djelomičnog smanjenja mitohondrijske funkcije. S druge strane, TE je smanjio ekspresiju proteina povezanih s mitohondrijskom fisijom i povećao ekspresiju proteina povezanih s mitohondrijskom fuzijom, pomažući u održavanju mitohondrijske homeostaze.

Kao rezultat MitoQ-a, samo su fuzijski protein Mfn1 i fisijski protein Fis1 pokazali slične trendove kao TE, ali ekspresija ostalih proteina (Mfn2, Opa1 i Drp1) nije se razlikovala od one u skupini D-CON.

Prethodne studije koje su koristile sustave staničnih kultura pokazale su da je MitoQ poboljšao dinamičku ravnotežu mitohondrija poremećenu oksidativnim stresom [38], kao i mitohondrijsku fisiju u farmakološkom modelu Parkinsonove bolesti, izazivajući fragmentaciju mitohondrija [39], što nije u skladu s našim nalazima iz in vivo eksperimenta zbog metodoloških razlike između in vitro i in vivo pokusa.

Stoga su opravdana daljnja istraživanja koja koriste naš životinjski model o upotrebi MitoQ-a i mitohondrijske dinamike, uključujući razmatranje doze i trajanja liječenja.

Analiza NOX-a otkrila je da je skupina D-CON pokazala povećanu ekspresiju p47 phox, gp91phox i p22 phox u hipokampusu u usporedbi s skupinom Y-CON.

Nadalje, IHC analiza je otkrila povećanu p22 phox imunoreaktivnost u cerebralnom korteksu i hipokampalnoj regiji CA3. Ovi su rezultati u skladu s prethodnom studijom koja je objavila da je D-gal povećao ekspresiju NOX u modelu starenja izazvanom D-gal [40].

S druge strane, TE je smanjio ekspresiju NOX2 podjedinica p47 phox, gp91 phox i p22phox. Drugim riječima, TE je učinkovito inhibirao ekspresiju NOX, što može inducirati ROS.

Ovo se otkriće slaže sa studijom u kojoj je trening vježbanja smanjio aktivnost NOX i obnovio skeletnu mišićnu masu kod štakora sa zatajenjem srca [41] i studijom u kojoj je TE smanjio ekspresiju NOX u aorti modela pretilosti izazvane prehranom s visokim udjelom masti [42].

Naime, MitoQ, koji je utjecao na dinamiku mitohondrija, pokazao je snažan pozitivan učinak na aktivnost NOX. Samo liječenje MitoQom smanjilo je aktivnost NOX, slično TE. Ne iznenađuje da su isti rezultati primijećeni i za kombinirani tretman TE i MitoQ.

Relevantna studija izvijestila je o zaštitnom učinku MitoQ-a protiv oksidativnog stresa na mtDNA putem aktivacije Nrf2/ARE signalizacije, što je odlučujući čimbenik u zaštiti stanica od oksidativnog stresa [43].

Stoga, naša otkrića sugeriraju da vježbanje i MitoQ mogu ublažiti oksidativni stres izazvan starenjem kroz signalne putove povezane s NOX [44,45]. Kako bismo istražili učinke starenja izazvanog D-galom na neuroupalu, također smo analizirali obrasce ekspresije specifičnih za astrocite marker GFAP, proupalne čimbenike COX-2 i TNF-, te antioksidativne enzime SOD-2 i katalazu u cerebralnom korteksu i hipokampalnom DG.

Uočili smo morfološke promjene s anti-GFAP bojanjem; stanična tijela i dendriti bili su širi i jače obojeni u D-CON skupini u usporedbi s Y-CON skupinom.

Ovo sugerira da je starenje usko povezano s gliozom, u kojoj aktivacija astrocita u cerebralnom korteksu i DG hipokampusa dovodi do povećane neuroupale.

TE i MitoQ smanjili su ekspresiju GFAP-a, čime su se smanjile neuroupale. Ovi su rezultati u skladu s otkrićem da je D-gal povećao ekspresiju GFAP-a u moždanom tkivu [46], da je aktivnost astrocita uzrokovala urođene i adaptivne imunološke odgovore [47], te da su astrociti u ozlijeđenom moždanom tkivu pokazali povišenu ekspresiju GFAP-a [48].

Ova je studija potvrdila nalaze prethodnih studija da je starenje usko povezano s neuroinflamacijom. Međutim, također smo otkrili da TE i MitoQ učinkovito ublažavaju ovu neuroupalu.

Konkretno, liječenje MitoQ-om pokazalo je jasniji učinak u cerebralnom korteksu nego u DG hipokampusa. Proupalni čimbenici COX-2i TNF- pokazali su povećanu ekspresiju nakon liječenja D-galom, ali TE i MitoQ su to učinkovito ublažili.

Mehanizmi koji leže u pozadini protuupalnih učinaka vježbanja nisu razjašnjeni. Međutim, uzimajući u obzir hipotezu da je uključeno smanjenje masnoće [49], povećanje razine tjelesne aktivnosti aktivno će koristiti energiju pohranjenu u adipocitima, a rezultirajuće smanjenje mase tjelesne masti moglo bi se povezati sa smanjenim proupalnim čimbenicima koje luče adipociti.

Osim toga, kombinirani tretman TE i MitoQ povećao je ekspresiju antioksidativnih enzima SOD-2 i katalaze. To se slaže s drugim studijama koje izvješćuju o povećanim razinama antioksidativnih enzima kod starih pajsa nakon vježbanja [50] ili tretmana MitoQ [51].

Stoga rezultati naše studije pokazuju da su tjelovježba i MitoQ pomogli u smanjenju upale i pospješili antioksidacijsku funkciju u tkivu mozga.

Upotrijebili smo dobro proučeni Morrisov vodeni labirint i testove pasivnog izbjegavanja kako bismo istražili mogu li TE i MitoQ suzbiti uobičajeno opaženo kognitivno opadanje u starenju, uključujući učenje i pamćenje.

Grupi D-CON trebalo je znatno više vremena (vrijeme latencije bijega) i putovala je dalje (udaljenost bijega) nego grupi Y-CON da pronađe platformu za bijeg u testu vodenog labirinta. Ovo pokazuje da je D-gal-inducirano starenje smanjilo sposobnost učenja i pamćenja kod pokusnih životinja. S druge strane, TE je smanjio vrijeme latencije bijega, pokazujući da TE učinkovito vraća prostorno učenje i pamćenje.

Udaljenost bijega također se neznatno povećala, no procijenjeno je da je to posljedica povećane brzine kretanja životinja nakon TE. Slično, u zadatku pasivnog izbjegavanja, grupi D-CON trebalo je manje vremena da uđe u mračnu stražnju komoru iz svijetle prednje komore (vrijeme latencije zadržavanja) u usporedbi sa skupinom Y-CON, što ukazuje na oštećeno pamćenje.

Rezultati vodenog labirinta i testova pasivnog izbjegavanja sugeriraju da TE može učinkovito spriječiti kognitivno opadanje, uključujući učenje i pamćenje do kojih može doći tijekom starenja. Prethodno istraživanje pokazalo je da je primjena MitoQ-a tijekom 5 mjeseci poboljšala oštećenje zadržavanja prostorne memorije u transgenskom modelu Alzheimerove bolesti [52].

Za razliku od ovog dugotrajnog uzimanja, naši su rezultati pokazali da relativno kraće razdoblje liječenja MitoQ-om nije uspjelo poboljšati postojeće kognitivno opadanje izazvano starenjem. S obzirom da liječenje MitoQ-om ima pozitivne učinke na upalu, NOX i antioksidativne enzime u našoj studiji, dulje razdoblje MitoQ-a mogu biti potrebni za sprječavanje kognitivne disfunkcije povezane sa starenjem.

Hipokampus se općenito smatra najvažnijom regijom mozga za učenje i pamćenje [53]. Uzimajući u obzir da životinje s ozljedom hipokampusa pokazuju smanjeno učenje i pamćenje [54], učinci TE na poboljšanje kognitivnih funkcija i pamćenja mogu se razumjeti u smislu povećane neuroplastičnosti i neurogeneze te smanjenog oksidativnog stresa i upale.

Međutim, unatoč smanjenju oksidativnog stresa i upale, MitoQ nije pokazao jasan učinak na učenje i pamćenje. Ovi su rezultati u skladu s prethodnom studijom na starim miševima (19 mjeseci), u kojima je vježba, ali ne i prehrana koja sadrži antioksidanse, poboljšala funkciju pamćenja [6].

Pretpostavljamo da je moguće objašnjenje zašto MitoQ nije poboljšao kognitivnu disfunkciju izazvanu starenjem zato što, za razliku od TE, MitoQ ne poboljšava funkciju cirkulacije (poput povećanja opskrbe kisikom i hranjivim tvarima i uklanjanja otpadnih tvari i CO2 kontrakcijom mišića) i , posebice, nema utjecaja na energetski metabolizam u mozgu (kao što je povećanje razine neurotransmitera ili neurotrofnih čimbenika, poput čimbenika rasta živaca ili neurotrofičnog čimbenika izvedenog iz mozga) [55-57].

Međutim, to ostaje samo hipoteza jer ti čimbenici nisu ispitani u ovoj studiji. Unatoč tome, naši rezultati sugeriraju da MitoQ nije utjecao na neuroplastičnost i neurogenezu potrebne za poboljšanje stvarne kognitivne funkcije.

5. Zaključci

U ovoj smo studiji potvrdili da je starenje izazvano D-galom povezano s kognitivnim oštećenjem koje utječe na učenje i pamćenje zbog neravnoteže između mitohondrijske fuzije i fisije, povećane upale, smanjene razine antioksidativnih enzima i aktivacije NOX. Međutim, TE je ublažio ove patološke učinke i spriječio pad kognitivnih sposobnosti povezan sa starenjem mozga.

Liječenje MitoQ-om pokazalo je pozitivne učinke na upalu, antioksidativne enzime i ekspresiju NOX, ali nije poboljšalo dinamiku mitohondrija ili kognitivne sposobnosti. S druge strane, suprotno našoj hipotezi, kombinacija TE i MitoQ nije izazvala nikakve sinergističke ili aditivne učinke na mjere ishoda koje smo istraživali u ovoj studiji.

Međutim, naša otkrića pokazuju da liječenje antioksidansima usmjerenim na mitohondrije, kao što je MitoQ, može proizvesti neke pozitivne učinke. Konkretno, tjelesna aktivnost, kao što je TE, učinkovitije sprječava nastanak kognitivnih oštećenja, uključujući učenje i pamćenje. Stoga predlažemo da se mora naglasiti važnost redovite tjelesne aktivnosti kao učinkovitog nefarmakološkog tretmana za poboljšanje i prevenciju kognitivnog pada kod starijih osoba.

Autorski prilozi: Konceptualizacija, J.-HJ, J.-YC i E.-BK; Metodika, J.-HK; Projektna administracija, J.-YC; Nadzor, E.-BK; Validacija, J.-HK i JSY; Spis-izvorni nacrt,J.-HJ i J.-HK; Pisanje-recenzija i uređivanje, JSY, J.-YC i E.-BK Svi su autori pročitali i složili se s objavljenom verzijom rukopisa.

Financiranje: ovo istraživanje financirala je potpora za istraživanje Sveučilišta Daejeon (broj potpore, 20180160).

Izjava Institucionalnog odbora za reviziju: Studiju je odobrio Institucionalni odbor za skrb i korištenje životinja Korejskog nacionalnog sportskog sveučilišta (šifra protokola KNSU-IACUC-2018-05).

Izjava o dostupnosti podataka: Podaci prikazani u ovoj studiji dostupni su na zahtjev odgovarajućeg autora.

Zahvale: Zahvaljujemo Dong-Won Kimu na pomoći u Western blotting eksperimentu i rukovanju životinjama.

Sukob interesa: Autori izjavljuju da nema sukoba interesa. Financijeri nisu imali nikakvu ulogu u dizajnu studije; u prikupljanju, analizi ili interpretaciji podataka; u pisanju rukopisa ili u odluci o objavi rezultata.

Reference

1. Keller, JN Neuropatologija povezana sa starenjem, kognitivni pad i Alzheimerova bolest. Starenje Res. Rev. 2006, 5, 1–13. [CrossRef]

2. Rowe, JW; Kahn, RL Uspješno starenje. Gerontolog 1997, 37, 433–440. [CrossRef] [PubMed]

3. Van Praag, H.; Lucero, MJ; Yeo, GW; Stecker, K.; Heivand, N.; Zhao, C.; Yip, E.; Afanador, M.; Schroeter, H.; Hammerstone, J.; et al. Flavanol (-)epikatehin biljnog podrijetla pojačava angiogenezu i zadržavanje prostorne memorije kod miševa. J. Neurosci. 2007, 27, 5869–5878. [CrossRef] [PubMed]

4. Yook, JS; Rakwal, R.; Shibata, J.; Takahashi, K.; Koizumi, H.; Shima, T.; Ikemoto, MJ; Oharomari, LK; McEwen, BS; Soja, H. Leptin u hipokampusu posreduje u dobrobiti blage tjelovježbe putem antioksidansa na neurogenezu i pamćenje. Proc. Natl. Akad. Sci.USA 2019, 116, 10988–10993. [CrossRef] [PubMed]

5. Bhattacharya, TK; Pence, BD; Ossyra, JM; Gibbons, TE; Perez, S.; McCusker, RH; Kelley, KW; Johnson, RW; Woods, JA; Rhodes, JS Vježba, ali ne i (-)-epigalokatehin-3-galat ili -alanin, poboljšava fizičku kondiciju, plastičnost mozga i ponašanje u miševima. Physiol. ponašaj se 2015, 145, 29–37. [CrossRef] [PubMed]

6. Gibbons, TE; Pence, BD; Petr, G.; Ossyra, JM; Mach, HC; Bhattacharya, TK; Perez, S.; Martin, SA; McCusker, RH; Kelley, KW; et al. Dobrovoljno trčanje kotača, ali ne i prehrana koja sadrži (-)-epigalokatehin-3-galat i -alanin, poboljšava učenje, pamćenje i neurogenezu hipokampusa kod starih miševa. ponašaj se Brain Res. 2014, 272, 131–140. [CrossRef] [PubMed]

7. Nam, SM; Seo, M.; Seo, JS; Rhim, H.; Nahm, SS; Cho, IH; Chang, BJ; Kim, HJ; Choi, SH; Nah, SY Askorbinska kiselina ublažava starenje mozga izazvano D-galaktozom povećanjem hipokampalne neurogeneze i poboljšanjem funkcije pamćenja. Hranjive tvari 2019, 11, 176. [CrossRef] [PubMed]

8. Archer, SL Mitohondrijska dinamika – mitohondrijska fisija i fuzija u ljudskim bolestima. N. engl. J. Med. 2013, 369, 2236-2251.[CrossRef]

9. Hall, AR; Burke, N.; Dongworth, RK; Hausenloy, DJ Mitohondrijska fuzija i fisijski proteini: Nove terapijske mete za borbu protiv kardiovaskularnih bolesti. Br. J. Pharmacol. 2014., 171, 1890–1906. [CrossRef]

10. Zhan, M.; Brooks, C.; Liu, F.; Sun, L.; Dong, Z. Mitohondrijska dinamika: Regulacijski mehanizmi i nova uloga u renalpatofiziologiji. Kidney Int. 2013, 83, 568–581. [CrossRef]

11. Held, NM; Houtkooper, RH Putevi kontrole kvalitete mitohondrija kao determinante metaboličkog zdravlja. Bioeseji 2015, 37,867–876. [CrossRef] [PubMed]

12. López-Otín, C.; Blasco, MA; Partridge, L.; Serrano, M.; Kroemer, G. Obilježja starenja. Cell 2013, 153, 1194–1217. [CrossRef][PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com