Neuroprotektivní výhody cvičení a mitoQ na paměťovou funkci, mitochondriální dynamiku, oxidační stres a neurozánět u stárnoucích potkanů ​​vyvolaných D-galaktózou, část 3

3.4. Vliv cvičení na běžeckém pásu a MitoQ na expresi zánětlivých proteinů a antioxidačních enzymů v hippocampu stárnoucích potkanů ​​indukovaných D-Gal

Bylo potvrzeno, že TE a MitoQ ovlivňují zánětlivé proteiny (COX-2, TNF- ) a antioxidační enzymy (SOD-2, kataláza) v hipokampu stárnoucích potkanů ​​(obrázek 4).

Jak lidé věnují více pozornosti zdraví a dlouhověkosti, antioxidační enzymy se staly důležitou živinou v naší každodenní stravě. Může nám pomoci odolávat poškození těla škodlivými volnými radikály, a tím chránit naše fyzické zdraví. Antioxidační enzymy však kromě ochranného působení na organismus úzce souvisí i s naší pamětí.

Studie ukázaly, že účinky volných radikálů mohou ovlivnit nejen fyzické zdraví, ale mohou také ovlivnit náš mozek. Volné radikály mohou poškodit naše nervové buňky a přímo ovlivnit naši paměť a další kognitivní schopnosti. Antioxidační enzymy však mohou hrát klíčovou roli v odolnosti proti poškození volnými radikály, a tím udržovat náš mozek zdravý.

Kromě toho antioxidační enzymy také pomáhají podporovat molekulární stabilitu, zabraňují zánětu a snižují smrt neuronových buněk. Všechny tyto účinky pomáhají udržovat zdraví našeho mozku a mohou pomoci zlepšit naši paměť.

Některé studie také ukázaly, že pokud v našem těle chybí dostatek antioxidačních enzymů, může to vést k poklesu kognitivních funkcí, ztrátě paměti a dalším neurologickým onemocněním. Proto konzumace potravin bohatých na antioxidační enzymy, jako je zelenina, ovoce, ořechy a ryby, pomáhá chránit zdraví našeho mozku a zlepšuje naši paměť, díky čemuž jsme zdravější a energetičtější.

Stručně řečeno, antioxidační enzymy jsou velmi důležité pro podporu našeho fyzického zdraví i zdraví mozku. Konzumací dostatečného množství zeleniny, ovoce, ořechů a ryb, které jsou bohaté na antioxidační enzymy, můžeme chránit naše tělo a mozek, zlepšit naši paměť a učinit nás zdravějšími a energetičtějšími. Je vidět, že potřebujeme zlepšit naši paměť a Cistanche může výrazně zlepšit paměť, protože má antioxidační, protizánětlivé a anti-aging účinky, které mohou pomoci snížit oxidaci a zánět v mozku, a tím chránit zdraví mozku. nervový systém. Kromě toho může Cistanche také podporovat růst a opravu nervových buněk, čímž zlepšuje konektivitu a funkci neuronových sítí. Tyto účinky mohou pomoci zlepšit paměť, schopnost učení a rychlost myšlení a mohou také zabránit výskytu kognitivní dysfunkce a neurodegenerativních onemocnění.

Klikněte na možnost poznat způsoby, jak zlepšit funkci mozku

Hladiny exprese zánětlivých proteinů se mezi léčebnými skupinami významně lišily (COX{{0}}, F4,34=148.171, p < {{1{16}}}}.0 01, TNF-, F4, 34=33,645, p < 0,001). Hladiny exprese antioxidačních enzymů se také významně lišily mezi léčebnými skupinami (SOD-2,F4,34=477.940, p < 0,001; kataláza, F4,34=75,447, p < 0,001).

Výsledky post hoctestu ukázaly, že mezi skupinami Y-CON a D-CON došlo k dramatické změně v expresi COX-2, TNF-, SOD-2 a katalázy.

Samotné TE a MitoQ však snížily expresi COX-2 a TNF-proteinu upregulovanou D-gal a kombinace TE a MitoQ dále zmírnila oba zánětlivé cytokiny ve srovnání se samotným MitoQ.

Tyto výsledky naznačují, že podávání D-gal indukuje neurozánět, zatímco TE a MitoQ mají protizánětlivé účinky v hippocampu. Kromě toho samotné TE a MitoQ zvýšily D-gal-indukovanou redukci SOD-2 a expresi proteinu katalázy.

SOD-2 byl dále zvýšen ve skupině D-COMBI ve srovnání s léčbou samotným MitoQ a samotným TE. Tyto výsledky naznačují, že podávání D-gal také indukuje ROS v hipokampu, zatímco léčba TE a MitoQ obnovuje věkem vyvolaný oxidační stres.

Obrázek 4. Účinek cvičení na běžícím pásu a MitoQ na expresi zánětlivých proteinů a antioxidačních enzymů v hippocampu stárnoucích potkanů ​​vyvolaných D-gal. (A) Reprezentativní Western bloty zánětlivých proteinů (COX-2, TNF- ) a antioxidačních enzymů (SOD-2, Catalase). (B–E) Denzitometrická analýza pásů Western blot normalizovaných na -Aktin.

Data uvedená ve Western blotu jsou průměry ze sedmi mozků krys. -Aktin byl testován jako vnitřní kontrola. Bonferronipost hoc test byl použit po ANOVA. Hodnoty jsou průměry ± SEM. a Označuje statistický rozdíl od skupiny Y-CON.

b Označuje statistický rozdíl od skupiny D-CON. c Označuje statistický rozdíl od skupiny D-TE. d Označuje statistický rozdíl od skupiny D-MI (p < 0,05).

3.5. Vliv cvičení na běžeckém pásu a MitoQ na učení a paměť u stárnoucích potkanů ​​vyvolaných D-Gal

Abychom určili funkční zlepšení léčby TE a MitoQ u stárnoucího hipokampu vyvolaného D-gal, provedli jsme Morrisův vodní bludiště a testy pasivního vyhýbání se k posouzení učení a paměti (obrázek 5).

Test pasivního vyhýbání prokázal významné rozdíly mezi léčebnými skupinami (doba retenční latence, F4, 59=69.131,p < 0.001; obrázek 5A). Post hoc test ukázal, že ve skupině D-CON byl pozorován významný pokles doby retence ve srovnání se skupinou Y-CON. V porovnání se skupinou D-CON však došlo k významnému zvýšení doby retenční latence ve skupině D-TE, nikoli však ve skupině DMI.

Kromě výsledků Morrisova testu ve vodním bludišti (obrázek 5B, C) se doby únikové latence a únikové vzdálenosti mezi léčenými skupinami významně lišily (doba únikové latence, F4, 59=31,565, p < 0). 001; úniková vzdálenost,F4,59=10.833, p < 0,001).

Post hoc test ukázal, že došlo k významnému zvýšení doby latence úniku a vzdáleností ve skupině D-CON ve srovnání se skupinou Y-CON. Doba úniku významně vzrostla ve skupinách D-TE a D-COMBI ve srovnání se skupinou D-CON.

Ve všech intervenčních skupinách však ve srovnání se skupinou D-CON nebyla žádná významná úniková vzdálenost. Tyto výsledky naznačují, že samotný TE obnovuje poškození funkce učení a paměti vyvolané D-gal.

4. Diskuse

Pokles kognitivních funkcí související s věkem úzce souvisí se stárnutím mozku. Oddalování stárnutí mozku má obrovskou hodnotu, i když je to nevyhnutelná součást procesu stárnutí.

V této studii jsme zkoumali preventivní účinky TE a MitoQ na kognitivní poruchy spojené se stárnutím mozku. Bylo zjištěno, že D-gal částečně narušuje mitochondriální dynamiku zvýšením a snížením mitochondriálního štěpení a fúze v hippocampu. Kromě toho D-gal zvýšila zánět a expresi NOX, což mělo za následek sníženou kognitivní funkci závislou na hippocampu související s učením a pamětí.

TE však účinně obnovila tyto patologické stavy a zabránila kognitivnímu úpadku. Samotná léčba MitoQ zlepšila účinky stárnutí na zánět a antioxidační enzymy, ale nevyvolala významné změny v mitochondriální dynamice nebo kognitivní funkci.

Bez ohledu na synergické nebo aditivní účinky výsledků měření souvisejících se stárnutím mozku naše výsledky naznačují, že TE nebo MitoQ mají potenciální roli jako nefarmakologické léčby pro prevenci nebo zpomalení kognitivního poklesu se stárnutím.

Nevyvážená dynamika mitochondrií úzce souvisí s různými onemocněními souvisejícími se stárnutím a je velmi důležitá pro přežití buněk [36,37]. V této studii skupina D-CON ošetřená D-gal k indukci stárnutí vykazovala zvýšenou expresi proteinů souvisejících s mitochondriálním štěpením Drp1 a Fis1 a sníženou expresi proteinů souvisejících s mitochondriální fúzí Mfn1, Mfn2 a Opa1.

Tyto výsledky naznačují, že nadměrné mitochondriální štěpení vedlo k částečnému snížení mitochondriální funkce. Na druhé straně TE snížila expresi proteinů souvisejících s mitochondriálním štěpením a zvýšila expresi proteinů souvisejících s mitochondriální fúzí, což pomáhá udržovat mitochondriální homeostázu.

V důsledku MitoQ pouze fúzní protein Mfn1 a štěpný protein Fis1 vykazovaly podobné trendy jako TE, ale exprese ostatních proteinů (Mfn2, Opa1 a Drp1) se nelišila od exprese ve skupině D-CON.

Předchozí studie využívající systémy buněčných kultur prokázaly, že MitoQ zlepšilo mitochondriální dynamickou rovnováhu narušenou oxidačním stresem [38], stejně jako mitochondriální štěpení ve farmakologickém modelu Parkinsonovy choroby, což vyvolalo fragmentaci mitochondrií [39], což je v rozporu s našimi zjištěními z experimentu in vivo kvůli metodologii rozdíly mezi experimentem in vitro a in vivo.

Proto jsou zaručeny další studie s použitím našeho zvířecího modelu o použití MitoQ a mitochondriální dynamiky, včetně úvah o dávce a délce léčby.

Analýza NOX odhalila, že skupina D-CON vykazovala zvýšenou expresi p47 phox, gp91phox a p22 phox v hippocampu ve srovnání se skupinou Y-CON.

Dále IHC analýza odhalila zvýšenou imunoreaktivitu p22 phox v mozkové kůře a hipokampální oblasti CA3. Tyto výsledky jsou v souladu s předchozí studií uvádějící, že D-gal zvýšila expresi NOX v modelu stárnutí vyvolaného D-gal [40].

Na druhé straně, TE downreguloval expresi NOX2 podjednotek p47 phox, gp91 phox a p22phox. Jinými slovy, TE účinně inhibovala expresi NOX, která může indukovat ROS.

Toto zjištění se shoduje se studií, ve které cvičební trénink snížil aktivitu NOX a obnovil hmotu kosterního svalstva u potkanů ​​se srdečním selháním [41], a se studií, ve které TE downreguloval expresi NOX v aortě u modelu obezity indukované dietou s vysokým obsahem tuku [42].

Zejména MitoQ, který ovlivnil mitochondriální dynamiku, měl silný pozitivní vliv na aktivitu NOX. Samotná léčba MitoQ snížila aktivitu NOX, podobně jako TE. Není překvapením, že stejné výsledky byly také pozorovány u kombinované léčby TE a MitoQ.

Relevantní studie uvádí ochranný účinek MitoQ proti oxidačnímu stresu na mtDNA prostřednictvím aktivace signalizace Nrf2/ARE, která je rozhodujícím faktorem při ochraně buněk před oxidačním stresem [43].

Naše zjištění proto naznačují, že cvičení a MitoQ by mohly zmírnit stárnutím vyvolaný oxidační stres prostřednictvím signálních drah souvisejících s NOX [44,45]. Abychom prozkoumali účinky stárnutí vyvolaného D-gal na neurozánět, analyzovali jsme také expresní vzorce specifické pro astrocyty. marker GFAP, prozánětlivé faktory COX-2 a TNF- a antioxidační enzymy SOD-2 a kataláza v mozkové kůře a hipokampálním DG.

Pozorovali jsme morfologické změny s anti-GFAP barvením; buněčná těla a dendrity byly širší a silněji obarvené ve skupině D-CON ve srovnání se skupinou Y-CON.

To naznačuje, že stárnutí úzce souvisí s gliózou, kdy aktivace astrocytů v mozkové kůře a hipokampálním DG vede ke zvýšenému neurozánětu.

TE a MitoQ snižovaly expresi GFAP, čímž snižovaly neurozánět. Tyto výsledky jsou v souladu se zjištěním, že D-gal zvýšila expresi GFAP v mozkové tkáni [46], že aktivita astrocytů způsobila vrozené a adaptivní imunitní odpovědi [47] a že astrocyty v poraněné mozkové tkáni vykazovaly zvýšenou expresi GFAP [48].

Tato studie potvrdila zjištění předchozích studií, že stárnutí je úzce spojeno s neurozáněty. Zjistili jsme však také, že TE a MitoQ účinně zmírnily tento neurozánět.

Konkrétně léčba MitoQ prokázala jasnější účinek v mozkové kůře než v hipokampálním DG. Prozánětlivé faktory COX-2 a TNF- prokázaly zvýšenou expresi po léčbě D-gal, ale TE a MitoQ to účinně zmírnily.

Mechanismy, které jsou základem protizánětlivých účinků cvičení, nebyly objasněny. Nicméně, vezmeme-li v úvahu hypotézu, že se jedná o redukci tuku [49], zvýšení úrovně fyzické aktivity bude aktivně využívat energii uloženou v adipocytech a výsledný pokles hmoty tělesného tuku by mohl být spojen se snížením prozánětlivých faktorů vylučovaných adipocyty.

Kombinovaná léčba TE a MitoQ navíc zvýšila expresi antioxidačních enzymů SOD-2 a katalázy. To se shoduje s dalšími studiemi, které uvádějí zvýšené hladiny antioxidačních enzymů u stárnoucích potkanů ​​po cvičení [50] nebo léčbě MitoQ [51].

Naše výsledky studie tedy naznačují, že cvičení a MitoQ pomohly snížit zánět a podpořily antioxidační funkci mozkové tkáně.

Použili jsme dobře prostudované Morrisovo vodní bludiště a testy pasivního vyhýbání se, abychom prozkoumali, zda TE a MitoQ mohou potlačit běžně pozorovaný kognitivní pokles ve stárnutí, včetně učení a paměti.

Skupině D-CON trvalo podstatně déle (doba únikové latence) a urazila dále (úniková vzdálenost) než skupině Y-CON, aby našla únikovou platformu v testu vodního bludiště. To ukazuje, že stárnutí vyvolané D-gal snížilo schopnost učení a paměti u experimentálních zvířat. Na druhou stranu TE zkrátila dobu únikové latence, což prokázalo, že TE účinně obnovilo prostorové učení a paměť.

Úniková vzdálenost se také mírně zvýšila, ale to bylo posouzeno jako důsledek zvýšené rychlosti pohybu zvířat po TE. Podobně v úloze pasivního vyhýbání se skupině D-CON trvalo méně času, než vstoupila do tmavé zadní komory ze světlé přední komory (doba retenční latence) ve srovnání se skupinou Y-CON, což ukazuje na zhoršenou paměť.

Výsledky z vodního bludiště a pasivních testů vyhýbání se naznačují, že TE může účinně inhibovat kognitivní pokles, včetně učení a paměti, ke kterým může dojít během stárnutí. Předchozí studie uvedla, že podávání MitoQ po dobu 5 měsíců zlepšilo zhoršení retence prostorové paměti u transgenního modelu Alzheimerovy choroby [52].

Na rozdíl od tohoto dlouhodobého příjmu naše výsledky ukázaly, že relativně kratší doba léčby MitoQ nedokázala zlepšit stávající kognitivní pokles způsobený věkem. Vzhledem k tomu, že léčba MitoQ má v naší studii pozitivní účinky na zánět, NOX a antioxidační enzymy, delší období MitoQ může být zapotřebí k prevenci kognitivní dysfunkce související se stárnutím.

Hipokampus je obecně považován za nejdůležitější oblast mozku pro učení a paměť [53]. Vzhledem k tomu, že zvířata s poškozením hipokampu vykazovala snížené učení a paměť [54], účinky TE zlepšující kognitivní funkce a paměť lze chápat ve smyslu zvýšené neuroplasticity a neurogeneze a sníženého oxidačního stresu a zánětu.

Navzdory snížení oxidačního stresu a zánětu však MitoQ neprokázal jasný účinek na učení a paměť. Tyto výsledky jsou v souladu s předchozí studií na starých myších (19 měsíců), u kterých cvičení, ale ne dieta obsahující antioxidanty, zlepšilo paměťovou funkci [6].

Předpokládáme možné vysvětlení, proč MitoQ nezlepšil věkem způsobenou kognitivní dysfunkci, protože na rozdíl od TE MitoQ nezlepšuje oběhové funkce (jako je zvýšení dodávky kyslíku a živin a odstranění odpadních produktů a CO2 prostřednictvím svalové kontrakce) a zejména nemá žádný vliv na energetický metabolismus v mozku (jako jsou zvyšující se hladiny neurotransmiterů nebo neurotrofických faktorů, jako je nervový růstový faktor nebo neurotrofický faktor odvozený z mozku) [55–57].

To však zůstává pouze hypotézou, protože tyto faktory nebyly v této studii zkoumány. Nicméně naše výsledky naznačují, že MitoQ neovlivnil neuroplasticitu a neurogenezi potřebnou ke zlepšení aktuální kognitivní funkce.

5. Závěry

V této studii jsme potvrdili, že stárnutí vyvolané D-gal bylo spojeno s kognitivní poruchou ovlivňující učení a paměť v důsledku nerovnováhy mezi mitochondriální fúzí a štěpením, zvýšeným zánětem, sníženými hladinami antioxidačních enzymů a aktivací NOX. TE však tyto patologické účinky zlepšil a zabránil kognitivnímu poklesu souvisejícímu se stárnutím mozku.

Léčba MitoQ prokázala pozitivní účinky na zánět, antioxidační enzymy a expresi NOX, ale nezlepšila mitochondriální dynamiku ani kognitivní schopnosti. Na druhou stranu, na rozdíl od naší hypotézy, kombinace TE a MitoQ nevyvolala žádné synergické nebo aditivní účinky na výsledná opatření, která jsme v této studii zkoumali.

Naše zjištění však ukazují, že léčba antioxidanty cílenými na mitochondrie, jako je MitoQ, může mít určité pozitivní účinky. Zejména fyzická aktivita, jako je TE, účinněji zabraňuje stárnutí kognitivních poruch, včetně učení a paměti. Proto navrhujeme, aby byl zdůrazněn význam pravidelné fyzické aktivity jako účinné nefarmakologické léčby pro zlepšení a prevenci kognitivního poklesu u starších dospělých.

Autorské příspěvky: Konceptualizace, J.-HJ, J.-YC a E.-BK; Metodika, J.-HK; Projectadministration, J.-YC; Dohled, E.-BK; Validace, J.-HK a JSY; Psaní-originál návrhu,J.-HJ a J.-HK; Psaní-recenze a úpravy, JSY, J.-YC a E.-BK Všichni autoři si přečetli a souhlasí s publikovanou verzí rukopisu.

Financování: Tento výzkum byl financován výzkumným grantem Daejeon University Research Grant (číslo grantu, 20180160).

Prohlášení Institutional Review Board: Studie byla schválena institucionálním výborem pro péči a použití zvířat Korea National SportsUniversity (kód protokolu KNSU-IACUC-2018-05).

Prohlášení o dostupnosti dat: Údaje uvedené v této studii jsou k dispozici na vyžádání od odpovídajícího autora.

Poděkování: Děkujeme Dong-Won Kimovi za pomoc s experimentem Western blotting a manipulací se zvířaty.

Střet zájmů: Autoři neprohlašují žádný střet zájmů. Financovatelé neměli žádnou roli v návrhu studie; při shromažďování, analýzách nebo interpretaci dat; při psaní rukopisu nebo při rozhodnutí o zveřejnění výsledků.

Reference

1. Keller, JN Neuropatologie související s věkem, pokles kognitivních funkcí a Alzheimerova choroba. Ageing Res. Rev. 2006, 5, 1–13. [CrossRef]

2. Rowe, JW; Kahn, RL Úspěšné stárnutí. 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.; a kol. Flavanol (-)epikatechin rostlinného původu zvyšuje angiogenezi a zachování prostorové paměti u myší. 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; Sója, H. Leptin v hippocampu zprostředkovává výhody mírného cvičení antioxidantem na neurogenezi a paměť. Proč. 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 Cvičení, ale ne (-)-epigallocatechin-3-gallát nebo -alanin zlepšuje fyzickou kondici, plasticitu mozku a výkonnost u myší. Physiol. Chovej 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; a kol. Dobrovolné běhání na kole, ale ne dieta obsahující (-)-epigalokatechin-3-galát a -alanin, zlepšuje učení, paměť a neurogenezi hipokampu u starých myší. Chovej 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 Kyselina askorbová zmírňuje stárnutí mozku vyvolané D-galaktózou zvýšením neurogeneze hipokampu a zlepšením funkce paměti. Živiny 2019,11, 176. [CrossRef] [PubMed]

8. Archer, SL Mitochondriální dynamika – mitochondriální štěpení a fúze u lidských nemocí. N. Engl. J. Med. 2013, 369, 2236–2251.[CrossRef]

9. Hall, AR; Burke, N.; Dongworth, RK; Hausenloy, DJ Mitochondriální fúzní a štěpné proteiny: Nové terapeutické cíle pro boj proti kardiovaskulárním onemocněním. Br. J. Pharmacol. 2014, 171, 1890–1906. [CrossRef]

10. Zhan, M.; Brooks, C.; Liu, F.; Sun, L.; Dong, Z. Mitochondriální dynamika: Regulační mechanismy a vznikající role v renální patofyziologii. Kidney Int. 2013, 83, 568–581. [CrossRef]

11. Held, NM; Houtkooper, RH Mitochondriální dráhy kontroly kvality jako determinanty metabolického zdraví. Bioessays 2015, 37,867–876. [CrossRef] [PubMed]

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

For more information:1950477648nn@gmail.com