Метформін полегшує нейрокогнітивні порушення під час старіння через активацію шляху AMPK/BDNF/PI3K. ЧАСТИНА 2

Глікозид цистанхи може також підвищувати активність СОД у тканинах серця та печінки та значно знижувати вміст ліпофусцину та МДА в кожній тканині, ефективно поглинаючи різні реактивні кисневі радикали (OH-, H₂O₂ тощо) та захищаючи від пошкодження ДНК, спричиненого ОН-радикалами. Фенілетаноїдні глікозиди Cistanche мають сильну здатність поглинати вільні радикали, вищу відновну здатність, ніж вітамін С, покращують активність СОД у суспензії сперми, знижують вміст МДА та мають певний захисний ефект на функцію мембрани сперми. Полісахариди цистанхе можуть підвищувати активність SOD і GSH-Px в еритроцитах і легеневих тканинах експериментально старіючих мишей, викликаних D-галактозою, а також знижувати вміст MDA і колагену в легенях і плазмі і підвищувати вміст еластину, мають хороша очищувальна дія на DPPH, подовжує час гіпоксії у старіючих мишей, покращує активність СОД у сироватці та затримує фізіологічну дегенерацію легенів у експериментально старіючих мишей. Експерименти показали, що цистанхе має хорошу антиоксидантну здатність до клітинної морфологічної дегенерації. і має потенціал бути лікарським засобом для запобігання та лікування хвороб старіння шкіри. У той же час ехінакозид у Cistanche має значну здатність поглинати вільні радикали DPPH і може поглинати активні форми кисню, запобігати індукованій вільними радикалами деградації колагену, а також має хороший ефект відновлення при пошкодженні аніонів вільних радикалів тиміну.

Клацніть на Доповнення кореня цистанхи проти старіння

【Для отримання додаткової інформації: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Крім того, активація сигналізації AMPK пригнічує запальні реакції через активацію SIRT129, стимулювання білків FOXO35 та інгібування ER-стресу та зменшення окисного стресу. Усі ці механізми згодом будуть пригнічувати передачу сигналів NF-κB і нейрозапалення, пов’язане зі старінням36. На додаток до протизапальної дії AMPK бере участь у різних видах діяльності, включаючи ангіогенез, посилення аутофагії та індукцію мітохондріального білка16.

Хоча повідомляється про залежну від AMPK захисну роль метформіну в різних контекстах, незалежні від AMPK дії метформіну вивчені менше. У цьому дослідженні було виявлено значне зниження регуляції гена PI3K у групі D-gal порівняно з контрольною групою, тоді як спільне введення метформіну призвело до підвищення його рівня порівняно з групою D-gal. PI3K/Akt є одним із важливих сигнальних шляхів у запобіганні апоптозу клітин. Активація PI3K може супроводжуватися фосфорилюванням Akt1. Akt1 може інгібувати фосфорилювання JNK3, що сприяє активації c-Jun. C-Jun є білком, який може індукувати експресію апоптичних білків37. Таким чином, активація Akt1 призведе до інактивації JNK3 і c-Jun, і тоді частка виживаності клітин покращиться. Тому ми досліджували вплив метформіну на клітинний апоптоз, вивчаючи імуногістохімічну реакцію апоптотичних маркерів каспази-3 та Bcl-2. Це дослідження виявило збільшення експресії апоптотичного маркера каспази-3 зі зниженням експресії антиапоптозного маркера Bcl-2 у гіпокампі групи D-gal порівняно з контролем. група. Підтримуючи наші результати, попередні дослідження підтвердили, що мітохондріальні ROS індукують активацію великої кількості мітохондріальних апоптичних білків, що призводить до клітинного апоптозу та пошкодження органів38. Багато апоптотичних білків тісно пов'язані з антиапоптотичними білками при старінні, викликаному ін'єкцією D-gal39. Відомо, що каспаза-3 є ключовим фактором апоптозу у ссавців40. Білок Te Bcl-2 є ключовим гравцем у інгібуванні апоптозу. Це відомий фактор старіння клітин, і його надмірна експресія може ефективно запобігати апоптозу, індукованому вільними радикалами41. Зазвичай вважають, що Bcl-2 діє нижче за активацію каспази-3 і, таким чином, інгібується апоптоз42. Як показано в наших результатах, застосування метформіну значно знижує співвідношення каспаз-3/Bcl-2. Ці результати були отримані в інших дослідженнях, які припускають, що активація AMPK метформіном посилює експресію білка Bcl-2, таким чином захищаючи від апоптотичної смерті клітин, індукованої D-gal, і підвищує життєздатність нейронів43.

BDNF є цікавим молекулярним кандидатом, який може допомогти встановити зв’язок між молекулярними та біохімічними змінами та дефектами пам’яті, пов’язаними зі старінням. Оптимальна когнітивна функція пов’язана з ефективною пластичністю нейронів. Дефекти пам’яті, пов’язані зі старінням, можуть бути пов’язані зі змінами в експресії та регуляції пов’язаних із пластичністю білків, таких як BDNF, який є важливим нейротрофічним фактором. Було продемонстровано, що зменшення BDNF призводить до нейрональної атрофії та смерті44.

Дане дослідження показало, що рівень BDNF у групі D-gal був значно нижчим порівняно з контрольною групою. Зменшення BDNF та/або його рецепторів у старіючих тварин було очевидним у попередніх дослідженнях45. Мізісін та ін. припустили, що метаболізм галактози за допомогою альдозоредуктази впливає на функцію та структуру аксонів, змінюючи вироблення нервового та м’язового BDNF46. Навпаки, лікування метформіном було пов’язане зі значним збільшенням BDNF порівняно з групою D-gal. Наші результати узгоджувалися з раніше опублікованими звітами, які продемонстрували, що метформін підвищує регуляцію BDNF через активацію AMPK47.

Завдяки своїй критичній ролі в LTP, BDNF вважається важливою частиною клітинного механізму, що підтримує формування та підтримку пам’яті шляхом сприяння синаптичній консолідації. BDNF збільшує пам'ять, сприяючи змінам морфології хребта, що призводить до стабілізації LTP. BDNF також може збільшити кількість, розмір і складність дендритних шипів. Крім того, BDNF посилює нейрогенез через зміни клітинної проліферації10. Зв’язування BDNF з рецепторами TrkB індукує активність PI3K, яка пригнічує апоптоз і сприяє виживанню клітин22.

У сукупності наше дослідження припускає, що антивіковий ефект метформіну щодо поліпшення нейрокогнітивних порушень може бути, принаймні частково, зумовлений активацією шляху AMPK/BDNF/PI3K.

Гіпокамп відіграє важливу роль у навчанні та консолідації пам’яті, а також у поведінці та регуляції настрою, і тут як функціональна, так і структурна пластичність відбувається навіть у дорослому віці. Попередні дослідження показали, що зі старінням гіпокамп зазнає ряд структурних змін як грубих, так і на клітинному рівні48. Дослідження H & E гіпокампу в групі D-gal показало серйозну нейрональну дегенерацію з численними апоптичними тільцями та гліозом. Цей результат можна пояснити шкідливим впливом d-галактози на індукцію окислювального стресу, запалення та апоптозу. Крім того, ми оцінили рівні експресії білка синаптичного маркера (синаптофізину) в гіпокампі. Синаптофізин є маркером синаптичної пластичності. Він використовується як специфічний маркер для пресинаптичної термінали, і його рівень пов’язаний із синаптичною щільністю. Наші результати показали, що експресія синаптофізину була значно нижчою в групі D-gal порівняно з контрольною групою. Ці результати узгоджувалися з раніше опублікованими дослідженнями, які продемонстрували порушення синаптогенезу, викликаного D-галіном, у гіпокампі3. Однак одночасне лікування метформіном з D-gal відновлювало експресію синаптофізину та структуру тканини гіпокампу до рівнів, близьких до відповідних контрольних рівнів. Докази показали, що метформін сприяє нейрогенезу гризунів і людей і покращує формування просторової пам’яті24,41. Збільшення синаптичної щільності та нейрогенезу в гіпокампі йде рука об руку з покращенням результатів нейроповедінкових тестів у цій групі. Це можна пояснити антиоксидантною, протизапальною та антиапоптотичною дією метформіну, яка опосередковується активацією сигнального шляху AMPK/BDNF/PI3K.

Висновки

Наші результати підтверджують використання D-gal у моделі щурів для проведення досліджень, пов’язаних зі старінням. Ми прийшли до висновку, що метформін може полегшити порушення пам’яті та когнітивний дефіцит, спричинений старінням. Механізми, ймовірно, включають полегшення нейрозапалення, ослаблення окисного стресу, посилення експресії антиапоптозного білка Bcl-2, а також стимулювання нейрогенезу та синаптичної пластичності. Ми вважали, що ці механізми можуть бути опосередковані через активацію шляху AMPK/BDNF/PI3K. Наскільки нам відомо, це перше дослідження, яке демонструє дію метформіну на покращення когнітивних розладів у літніх щурів шляхом активації цього шляху. Таким чином, наші результати свідчать про те, що метформін є корисним засобом проти старіння.

Доступність даних

Опубліковано онлайн: 12 жовтня 2022 р

Список літератури

1. Чен С.-М. та ін. Антиапоптотичні ефекти діосгеніну в мозку, індукованому старінням d-галактози. Am. Дж. Чін. Мед. 48(02), 391–406 (2020).

2. Feng, Q., Chen, B., Wang, C., Nie, C. & Li, T. Механізми дії метформіну та рапаміцину як препаратів проти старіння. Препринти Authorea (2020).

3. Нам С. М. та ін. Аскорбінова кислота пом'якшує старіння мозку, викликане d-галактозою, посилюючи нейрогенез гіпокампа та покращуючи функцію пам'яті. Поживні речовини 11 (1), 176 (2019).

4. Hou, Y. та ін. Старіння як фактор ризику нейродегенеративних захворювань. Нац. Нейрол. 15(10), 565–581 (2019).

5. Цай С.-Ж. & Yin, M.-C. Антиглікативні та протизапальні ефекти протокатехової кислоти в мозку мишей, які отримували d-галактозу. Харчова хім. Токсикол. 50, 3198–3205 (2012).

6. Zhang, Q., Li, X. & Cui, X. D-галактоза, пошкоджена нейрогенезом у гіпокампі дорослих мишей. Нейрол. рез. 27, 552–556 (2005).

7. Фатемі І. та ін. Захисний ефект метформіну на моделі старіння, індукованої d-галактозою, у мишей. Iran J. Basic Med. Sci. 21(1), 19–25 (2018).

8. Budni, J. та ін. Пероральне введення d-галактози викликає когнітивні порушення та окисне пошкодження у щурів. поведінка. Brain Res. 302, 35–43 (2015).

9. Rea, IM та ін. Вік та вікові захворювання: роль тригерів запалення та цитокінів. Фронт. Immunol. 9, 586–586 (2018).

10. Miranda, M., Morici, JF, Zanoni, MB & Bekinschtein, P. Мозковий нейротрофічний фактор: ключова молекула для пам’яті у здоровому та патологічному мозку. Фронт. Стільниковий. Неврологія. 13, 363–363 (2019).

11. Jinpiao, Z. та ін. Метформін послаблює індуковане севофлураном нейрокогнітивне порушення через AMPK-ULK1-залежну аутофагію у літніх мишей. Brain Res. Бик. 157, 18–25 (2020).

12. Мартін-Монтальво, А. та ін. Метформін покращує здоров'я та тривалість життя мишей. Нац. Комун. 4, 2192–2192 (2013).

13. Чжан, Q.-Q. та ін. Терапія метформіном і когнітивна дисфункція у пацієнтів з діабетом 2 типу: мета-аналіз і систематичний огляд. Медицина 99 (10), e19378 (2020).

14. Чжао М. та ін. Введення метформіну запобігає погіршенню пам'яті, спричиненому гіпобаричною гіпоксією у щурів. поведінка. Brain Res. 363, 30–37 (2019).

15. Li, J., Deng, J., Sheng, W. & Zuo, Z. Метформін послаблює нейропатологію, схожу на хворобу Альцгеймера, у мишей із ожирінням, резистентних до лептину. Pharmacol. біохім. поведінка. 101(4), 564–574 (2012).

16. Ge, XH та ін. Метформін захищає мозок від ішемії/реперфузійного пошкодження через сигнальні шляхи PI3K/Akt1/JNK3 у щурів. фізіол. поведінка. 170, 115–123 (2017).

17. Кшиштофорська К. та ін. Введення протокатехової кислоти впливає на пам'ять і відновлює оборот серотоніну в гіпокампі та корковому мозку в щурячій моделі орального порушення пам'яті d-галактози. поведінка. Brain Res. 368, 111896 (2019).

18. Zou, W. та ін. Сірководень покращує когнітивну дисфункцію у діабетичних щурів, індукованих стрептозотоцином: залучаючи придушення стресу ендоплазматичного ретикулуму гіпокампа. Oncotarget 8 (38), 64203–64216 (2017).

19. Xuan, AG та ін. Вальпроєва кислота полегшує дефекти пам'яті та послаблює відкладення амілоїду в моделі трансгенної миші з хворобою Альцгеймера. мол. нейробіол. 51(1), 300–312 (2015).

20. Уолф, А. А. та Фрай, Каліфорнія. Використання піднесеного плюсового лабіринту для аналізу поведінки, пов’язаної з тривогою, у гризунів. Нац. Protoc. 2(2), 322–328.

21. Dhingra, D. & Kumar, V. Активність пальматину, що покращує пам'ять, у мишей з використанням піднесеного плюс лабіринту та водного лабіринту Морріса. Adv. Pharmacol. Sci.

22. Лі Ф., Гун К.-Х., Ву К., Лу Ю.-Ф. & Shi, J.-S. Ікаріїн, виділений з Epimedium brevicornum Maxim, послаблює дефіцит навчання та пам'яті, викликаний d-галактозою у щурів. Pharmacol. біохім. поведінка. 96(3), 301–305 (2010).

23. Пурмемар Е. та ін. Інтраназальний церебролізин послаблює порушення навчання та пам'яті при індукованому D-галактозою старінні у мишей. Exp. Геронтол. 87(Pt A), 16–22 (2017).

24. Oliveira, WH та ін. Вплив метформіну на запалення та короткочасну пам'ять у діабетичних мишей, індукованих стрептозотоцином. Brain Res. 1644, 149–160 (2016).

25. Meyza, KZ, Boguszewski, PM, Nikolaev, E. & Zagrodzka, J. Вік підвищує тривогу та реактивність схеми страху/тривоги у щурів Льюїса. поведінка. Brain Res. 225(1), 192–200 (2011).

26. Кеннеді, Б. К. та Пенніпакер, Дж. К. Ліки, що модулюють старіння: багатообіцяючий, але важкий шлях попереду. переклад рез. 163(5), 456–465 (2014).

27. Chogtu, B. та ін. Оцінка гострих і хронічних ефектів D-галактози на пам'ять і навчання у щурів Wistar. Clin. Психофармакон. Неврологія. 16(2), 153–160 (2018).

28. El-Mir, MY та ін. Нейропротекторна роль протидіабетичного препарату метформіну проти апоптотичної загибелі клітин у первинних нейронах кори. J. Mol. Неврологія. 34(1), 77–87 (2008).

29. Оу, З. та ін. Лікування метформіном запобігає відкладенню амілоїдних бляшок і погіршенню пам'яті у мишей APP/PS1. Поведінка мозку. Імунна. 69, 351–363 (2018).

30. Тао Л. та ін. Нейропротекторний вплив метформіну на черепно-мозкову травму у щурів, пов’язану з NF-κB і сигнальним шляхом MAPK. Brain Res. Бик. 140, 154–161 (2018).

31. Antero, S. & Kai, K. AMP-активована протеїнкіназа (AMPK) контролює процес старіння через інтегровану сигнальну мережу. Старіння Res. 11 (2), 230–241 (2012).

32. Meng, S. et al. Метформін активує АМФ-активовану протеїнкіназу, сприяючи утворенню гетеротримерного комплексу. J. Biol. Chem. 290(6), 3793–3802 (2015).

33. Ghadernezhad, N., Khalaj, L., Pazoki-Toroudi, H., Mirmasoumi, M. & Ashabi, G. Попереднє лікування метформіном покращує навчання та пам’ять при церебральній ішемії переднього мозку: роль сигнального шляху AMPK/BDNF/P70SK . Pharm. Biol. 54(10), 2211–2219 (2016).

34. Поттер В.Б. та ін. Метаболічна регуляція пластичності нейронів енергетичним датчиком AMPK. PLoS ONE 5(2), e8996 (2010).

35. Kauppinen, A., Suuronen, T., Ojala, J., Kaarniranta, K. & Salminen, A. Антагоністичний перехресний зв’язок між NF-κB і SIRT1 у регуляції запалення та метаболічних розладів. Cell Signal 25 (10), 1939–1948 (2013).

36. Salvadó, L. та ін. Олеат запобігає спричиненому насиченими жирними кислотами ER стресу, запаленню та резистентності до інсуліну в клітинах скелетних м’язів через AMPK-залежний механізм. Diabetologia 56 (6), 1372–1382 (2013).

37. Qi, D. et al. Білок теплового шоку 72 пригнічує сигнальний шлях N-кінцевої кінази 3 c-Jun через Akt1 під час церебральної ішемії. Дж. Нейрол. Sci. 317(1–2), 123–129 (2012).

38. Chen, P., Chen, F. & Zhou, B. Антиоксидантні, протизапальні та антиапоптотичні ефекти еллагової кислоти в печінці та мозку щурів, які отримували D-галактозу. Sci. Доповідь 8 (1), 1465 (2018).

39. D'Amelio, M., Cavallucci, V. & Cecconi, F. Передача сигналів нейронної каспази-3: не тільки смерть клітини. Загибель клітин диф. 17(7), 1104–1114.

40. Фенг Ю. та ін. Антиоксидантна та протизапальна дія хлорогенової кислоти у мишей. Pharm. Biol. 54(6), 1027–1034 (2016).

41. Shaikh, NH, Deshmukh, VM & Walvekar, MV Зміна морфології яєчок і кількості сперматозоїдів через лікування гліковітанолідами під час старіння. Asian J. Pharm. Clin. рез. 8(3), 72–77 (2015).

42. Grippa, A. та ін. Комплекс сейпіну Fld1/Ldb16 стабілізує місця контакту ER-ліпідних крапель. J. Cell Biol. 211(4), 829–844 (2015).

43. Лю К., Лян Б., Ван К., Ву Дж. і Цзоу М.-Х. Активація АМФ-активованої протеїнкінази альфа1 полегшує апоптоз ендотеліальних клітин шляхом збільшення експресії антиапоптотичних білків Bcl-2 і сурвівіну. J. Biol. Chem. 285(20), 15346–15355 (2010).

44. Takeda, M., Takahashi, M. & Matsumoto, S. Запалення, посилене нейротрофічним фактором мозку, індуковане придушенням напругозалежних калієвих струмів у нейронах ганглія трійчастого нерва малого діаметра, що проектуються до інтерполяції ядра трійчастого нерва/перехідної зони каудального м’яза. . Neuroscience 261, 223–231 (2014).

45. Джозеф Дж., Коул Г., Хед Е. та Інграм Д. Харчування, старіння мозку та нейродегенерація. J. Neurosci. 29(41), 12795–12801 (2009).

46. ​​Мізісін А. П. та ін. BDNF послаблює функціональні та структурні порушення в нервах щурів, які харчуються галактозою. J. Neuropathol. Exp. Нейрол. 56 (12), 1290–1301 (1997).

47. Chen, Q. та ін. Перепрофілювання протидіабетичних засобів як нова можливість полегшити когнітивні порушення при нейродегенеративних і нейропсихічних розладах. Фронт. Pharmacol. 12, 667874 (2021).

48. Bettio, LEB, Rajendran, L. & Gil-Mohapel, J. Наслідки старіння в гіпокампі та зниження когнітивних функцій. Неврологія. Biobehav 79, 66–86 (2017).

Подяки

Автори дякують медичному факультету Університету Менуфа за надання більшості необхідних засобів.

Авторські внески

OA розробив дослідження та координував лабораторну роботу, виконував дослідження на тваринах, проводив експерименти з молекулярної біології, аналізував дані та написав рукопис. RMS провела гістопатологічні та імуногістохімічні дослідження та проаналізувала дані. RAAAE брав участь у плануванні дослідження, проводив дослідження на тваринах, брав участь у біохімічному аналізі та допомагав у написанні рукопису. Усі автори схвалили остаточний варіант рукопису. Автори заявляють, що всі дані були згенеровані власними силами і що паперова фабрика не використовувалася.

Фінансування

Фінансування відкритого доступу надається Управлінням фінансування науки, технологій та інновацій (STDF) у співпраці з Єгипетським банком знань (EKB).

Конкуруючі інтереси

Автори заявляють про відсутність конкуруючих інтересів.

Додаткова інформація

Листування та запити на матеріали надсилати О.А

【Для отримання додаткової інформації: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】