Metformin blaži nevrokognitivno okvaro pri staranju preko aktivacije poti AMPK/BDNF/PI3K 2. DEL

Glikozid cistanche lahko tudi poveča aktivnost SOD v srčnem in jetrnem tkivu ter znatno zmanjša vsebnost lipofuscina in MDA v vsakem tkivu, učinkovito lovi različne reaktivne kisikove radikale (OH-, H₂O₂ itd.) in ščiti pred povzročeno poškodbo DNK z OH-radikali. Cistanche feniletanoidni glikozidi imajo močno sposobnost lovljenja prostih radikalov, večjo redukcijsko sposobnost kot vitamin C, izboljšajo aktivnost SOD v suspenziji semenčic, zmanjšajo vsebnost MDA in imajo določen zaščitni učinek na delovanje membrane semenčic. Cistanche polisaharidi lahko povečajo aktivnost SOD in GSH-Px v eritrocitih in pljučnem tkivu eksperimentalno starajočih se miši, ki jih povzroča D-galaktoza, pa tudi zmanjšajo vsebnost MDA in kolagena v pljučih in plazmi ter povečajo vsebnost elastina. dober čistilni učinek na DPPH, podaljša čas hipoksije pri starajočih se miših, izboljša aktivnost SOD v serumu in upočasni fiziološko degeneracijo pljuč pri eksperimentalno starajočih se miših. Pri celični morfološki degeneraciji so poskusi pokazali, da ima Cistanche dobro antioksidativno sposobnost in ima potencial, da postane zdravilo za preprečevanje in zdravljenje bolezni staranja kože. Hkrati ima ehinakozid v Cistanche pomembno sposobnost čiščenja prostih radikalov DPPH in lahko lovi reaktivne kisikove vrste, preprečuje razgradnjo kolagena, ki jo povzročijo prosti radikali, in ima tudi dober učinek popravljanja poškodb anionov prostih radikalov timina.

Kliknite na Dopolnilo korenine Cistanche proti staranju

【Za več informacij: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Poleg tega aktivacija signalizacije AMPK zavira vnetne reakcije z aktiviranjem SIRT129, stimulacijo proteinov FOXO35 in zaviranjem ER stresa ter zmanjšanjem oksidativnega stresa. Vsi ti mehanizmi bodo nato zavirali signalizacijo NF-κB in nevrovnetje, povezano s staranjem36. Poleg svojih protivnetnih učinkov je AMPK vključen v različne dejavnosti, vključno z angiogenezo, izboljšanjem avtofagije in indukcijo mitohondrijskih beljakovin16.

Čeprav so poročali o zaščitnih vlogah, odvisnih od AMPK v različnih kontekstih, so načini metformina, neodvisni od AMPK, manj raziskani. Ta študija je razkrila, da je prišlo do pomembnega zmanjšanja regulacije gena PI3K v skupini, ki je prejemala D-gal, v primerjavi s kontrolno skupino, medtem ko je sočasna uporaba metformina vodila do povečanja njegove ravni v primerjavi s skupino, ki je prejemala D-gal. PI3K/Akt je ena od pomembnih signalnih poti pri preprečevanju celične apoptoze. Aktivaciji PI3K lahko sledi fosforilacija Akt1. Akt1 lahko zavira fosforilacijo JNK3, ki spodbuja aktivacijo c-Jun. C-Jun je protein, ki lahko inducira izražanje apoptotičnih proteinov37. Tako bo aktivacija Akt1 povzročila inaktivacijo JNK3 in c-Jun, nato pa se delež preživetja celic izboljša. Zato smo raziskali učinke metformina na celično apoptozo s preučevanjem imunohistokemične reakcije apoptotičnih markerjev kaspaze-3 in Bcl-2. Ta študija je pokazala povečanje izražanja apoptotičnega markerja kaspaze-3 z zmanjšanjem izražanja anti-apoptotičnega markerja Bcl-2 v hipokampusu skupine D-gal v primerjavi s kontrolo skupina. V podporo našim rezultatom so prejšnje študije potrdile, da mitohondrijski ROS inducira aktivacijo velikega števila mitohondrijskih apoptotičnih proteinov, kar vodi do celične apoptoze in poškodb organov38. Številni apoptotični proteini so tesno povezani z anti-apoptotičnimi proteini pri staranju, ki ga povzroča injekcija D-gal39. Znano je, da je kaspaza-3 ključni dejavnik apoptoze pri sesalcih40. Beljakovina Bcl-2 je ključna pri zaviranju apoptoze. Je znan dejavnik pri staranju celic in njegova prekomerna ekspresija lahko učinkovito prepreči apoptozo, ki jo povzročajo prosti radikali41. Splošno prepričanje je, da Bcl-2 deluje navzdol od aktivacije kaspaze-3 in je tako apoptoza inhibirana42. Kot je razvidno iz naših rezultatov, uporaba metformina pomembno zmanjša razmerje kaspaza-3/Bcl-2. Ti rezultati so bili pridobljeni iz drugih študij, ki kažejo, da aktivacija AMPK z metforminom poveča izražanje proteina Bcl-2, tako da ščiti pred apoptotično celično smrtjo, ki jo povzroči D-gal, in poveča sposobnost preživetja nevronov43.

BDNF je zanimiv molekularni kandidat, ki bi lahko pomagal vzpostaviti povezavo med molekularnimi in biokemičnimi spremembami ter okvarami spomina, povezanimi s staranjem. Optimalna kognitivna funkcija je povezana z učinkovito plastičnostjo nevronov. Napake spomina, povezane s staranjem, so lahko povezane s spremembami v izražanju in regulaciji proteinov, povezanih s plastičnostjo, kot je BDNF, ki je pomemben nevrotrofični dejavnik. Dokazano je, da zmanjšanje BDNF vodi do nevronske atrofije in smrti44.

Ta študija je pokazala, da je bila raven BDNF v skupini z D-gal znatno nižja v primerjavi s kontrolno skupino. Zmanjšanje BDNF in/ali njegovih receptorjev pri starajočih se živalih je bilo očitno v prejšnjih študijah45. Mizisin et al. predlagal, da presnova galaktoze z aldozo reduktazo vpliva na delovanje in strukturo aksonov s spreminjanjem proizvodnje živčnega in mišičnega BDNF46. Nasprotno, zdravljenje z metforminom je bilo povezano s pomembnim povečanjem BDNF v primerjavi s skupino D-gal. Naši rezultati so bili v skladu s predhodno objavljenimi poročili, ki so pokazala, da metformin poveča BDNF preko aktivacije AMPK47.

Zaradi njegove kritične vloge pri LTP se domneva, da je BDNF bistveni del celičnega mehanizma, ki podpira oblikovanje in vzdrževanje spomina s spodbujanjem sinaptične konsolidacije. BDNF poveča shranjevanje pomnilnika s spodbujanjem sprememb v morfologiji hrbtenice, ki vodi do stabilizacije LTP. BDNF lahko poveča tudi število, velikost in kompleksnost dendritičnih bodic. Poleg tega BDNF poveča nevrogenezo s spremembami v celični proliferaciji10. Vezava BDNF na receptorje TrkB inducira aktivnost PI3K, ki zavira apoptozo in spodbuja preživetje celic22.

Skupaj naša študija kaže, da bi lahko bili učinki metformina proti staranju pri izboljšanju nevrokognitivnih motenj vsaj delno posledica aktivacije poti AMPK/BDNF/PI3K.

Hipokampus ima pomembno vlogo pri učenju in utrjevanju spomina, pa tudi pri uravnavanju vedenja in razpoloženja, kjer se tako funkcionalna kot strukturna plastičnost pojavi tudi v odrasli dobi. Prejšnje študije so poročale, da je hipokampus s staranjem podvržen številnim strukturnim spremembam tako na grobi kot na celični ravni48. H & E študija hipokampusa v skupini D-gal je pokazala hudo nevronsko degeneracijo z več apoptotičnimi telesi in gliozo. Ta rezultat bi lahko razložili s škodljivimi učinki d-galaktoze pri indukciji oksidativnega stresa, vnetja in apoptoze. Poleg tega smo ovrednotili nivoje izražanja proteina sinaptičnega markerja (sinaptofizin) v hipokampusu. Sinaptofizin je marker sinaptične plastičnosti. Uporablja se kot specifičen marker za presinaptični terminal, njegova raven pa je povezana s sinaptično gostoto. Naši rezultati so pokazali, da je bila ekspresija sinaptofizina bistveno manjša v skupini D-gal v primerjavi s kontrolno skupino. Ti rezultati so bili v skladu s predhodno poročanimi študijami, ki so pokazale okvaro sinaptogeneze, ki jo povzroča D-galin, v hipokampusu3. Vendar pa je sočasno zdravljenje z metforminom in D-gal obnovilo izražanje sinaptofizina in strukturo hipokampalnega tkiva na ravni, ki so blizu njihovim kontrolnim ravnem. Dokazi so pokazali, da metformin spodbuja nevrogenezo pri glodalcih in ljudeh ter krepi nastanek prostorskega spomina24,41. Povečanje sinaptične gostote in nevrogeneze v hipokampusu gre z roko v roki z izboljšanjem rezultatov nevrovedenjskih testov v tej skupini. To bi lahko razložili z antioksidativnimi, protivnetnimi in antiapoptotičnimi učinki metformina, ki so posredovani z aktivacijo signalne poti AMPK/BDNF/PI3K.

Sklepi

Naše ugotovitve podpirajo uporabo D-gal v modelu podgan za izvajanje študij, povezanih s staranjem. Ugotovili smo, da bi metformin lahko ublažil motnje spomina in kognitivne pomanjkljivosti, ki jih povzroča staranje. Mehanizmi, ki so verjetno vpleteni, so izboljšanje nevro-vnetja, oslabitev oksidativnega stresa, izboljšanje izražanja anti-apoptotičnega proteina Bcl-2 ter spodbujanje nevrogeneze in sinaptične plastičnosti. Verjeli smo, da bi lahko te mehanizme posredovali prek aktivacije poti AMPK/BDNF/PI3K. Kolikor nam je znano, je to prva študija, ki je dokazala delovanje metformina na izboljšanje kognitivnih motenj pri starih podganah z aktivacijo te poti. Zato naše ugotovitve kažejo, da je metformin koristno sredstvo proti staranju.

Razpoložljivost podatkov

Objavljeno na spletu: 12. oktober 2022

Reference

1. Cheng, S.-M. et al. Anti-apoptotični učinki diosgenina v starajočih se možganih, ki jih povzroča d-galaktoza. Am. J. Chin. med. 48(02), 391–406 (2020).

2. Feng, Q., Chen, B., Wang, C., Nie, C. & Li, T. Mehanizmi pod metforminom in rapamicinom kot zdravili proti staranju. Predtiski Authorea (2020).

3. Nam, SM et al. Askorbinska kislina blaži z d-galaktozo povzročeno staranje možganov s povečanjem hipokampalne nevrogeneze in izboljšanjem spominske funkcije. Hranila 11 (1), 176 (2019).

4. Hou, Y. et al. Staranje kot dejavnik tveganja za nevrodegenerativne bolezni. Nat. Rev. Neurol. 15 (10), 565–581 (2019).

5. Tsai, S.-J. & Yin, M.-C. Anti-glikativni in protivnetni učinki protokatehove kisline v možganih miši, zdravljenih z d-galaktozo. Food Chem. Toxicol. 50, 3198–3205 (2012).

6. Zhang, Q., Li, X. & Cui, X. d-galaktozno poškodovana nevrogeneza v hipokampusu odraslih miši. Nevrol. Res. 27, 552–556 (2005).

7. Fatemi, I. et al. Zaščitni učinek metformina na model staranja, ki ga povzroča d-galaktoza pri miših. Iran J. Basic Med. Sci. 21(1), 19–25 (2018).

8. Budni, J. et al. Peroralno dajanje d-galaktoze povzroči kognitivne okvare in oksidativne poškodbe pri podganah. Obnašaj se. Brain Res. 302, 35–43 (2015).

9. Rea, IM et al. Starost in s starostjo povezane bolezni: vloga sprožilcev vnetja in citokinov. Spredaj. Immunol. 9, 586–586 (2018).

10. Miranda, M., Morici, JF, Zanoni, MB in Bekinschtein, P. Nevrotrofični faktor, pridobljen iz možganov: ključna molekula za spomin v zdravih in patoloških možganih. Spredaj. Celica. Neurosci. 13, 363–363 (2019).

11. Jinpiao, Z. et al. Metformin zmanjša s sevofluranom povzročeno nevrokognitivno okvaro z AMPK-ULK1-odvisno avtofagijo pri starih miših. Brain Res. Bik. 157, 18–25 (2020).

12. Martin-Montalvo, A. et al. Metformin izboljša zdravje in življenjsko dobo pri miših. Nat. Komun. 4, 2192–2192 (2013).

13. Zhang, Q.-Q. et al. Terapija z metforminom in kognitivna disfunkcija pri bolnikih s sladkorno boleznijo tipa 2: metaanaliza in sistematični pregled. Medicina 99 (10), e19378 (2020).

14. Zhao, M. et al. Dajanje metformina preprečuje okvaro spomina, ki jo povzroča hipobarična hipoksija pri podganah. Obnašaj se. Brain Res. 363, 30–37 (2019).

15. Li, J., Deng, J., Sheng, W. & Zuo, Z. Metformin zmanjša nevropatologijo, podobno Alzheimerjevi bolezni, pri debelih miših, odpornih na leptin. Pharmacol. Biochem. Obnašaj se. 101(4), 564–574 (2012).

16. Ge, XH et al. Metformin ščiti možgane pred ishemijo/reperfuzijsko poškodbo prek signalnih poti PI3K/Akt1/JNK3 pri podganah. Physiol. Obnašaj se. 170, 115–123 (2017).

17. Krzysztoforska, K. et al. Dajanje protokatehuinske kisline vpliva na spomin in obnovi hipokampalni in kortikalni promet serotonina pri podganjem modelu oralne okvare spomina, ki jo povzroča d-galaktoza. Obnašaj se. Brain Res. 368, 111896 (2019).

18. Zou, W. et al. Vodikov sulfid izboljša kognitivno disfunkcijo pri diabetičnih podganah, ki jih povzroča streptozotocin: Vključuje zatiranje stresa endoplazmatskega retikuluma hipokampusa. Oncotarget 8 (38), 64203–64216 (2017).

19. Xuan, AG et al. Valprojska kislina ublaži napake spomina in zmanjša odlaganje amiloida v transgenskem mišjem modelu Alzheimerjeve bolezni. Mol. Neurobiol. 51(1), 300–312 (2015).

20. Walf, AA & Frye, CA Uporaba povišanega plus labirinta kot testa vedenja, povezanega z anksioznostjo, pri glodavcih. Nat. Protoc. 2 (2), 322–328.

21. Dhingra, D. & Kumar, V. Dejavnost palmatina za izboljšanje spomina pri miših z uporabo povišanega plus labirinta in vodnega labirinta Morris. Adv. Pharmacol. Sci.

22. Li, F., Gong, Q.-H., Wu, Q., Lu, Y.-F. & Shi, J.-S. Icariin, izoliran iz Epimedium brevicornum Maxim, zmanjša motnje učenja in spomina, ki jih povzroča d-galaktoza pri podganah. Pharmacol. Biochem. Obnašaj se. 96(3), 301–305 (2010).

23. Pourmemar, E. et al. Intranazalni cerebrolizin zmanjša motnje učenja in spomina pri staranju, ki ga povzroči D-galaktoza, pri miših. Exp. Gerontol. 87(Pt A), 16–22 (2017).

24. Oliveira, WH et al. Učinki metformina na vnetje in kratkoročni spomin pri diabetičnih miših, ki jih povzroča streptozotocin. Brain Res. 1644, 149–160 (2016).

25. Meyza, KZ, Boguszewski, PM, Nikolaev, E. & Zagrodzka, J. Starost poveča anksioznost in reaktivnost kroga strah/tesnoba pri podganah Lewis. Obnašaj se. Brain Res. 225(1), 192–200 (2011).

26. Kennedy, BK & Pennypacker, JK Zdravila, ki uravnavajo staranje: obetavna, a težka pot naprej. prevod Res. 163(5), 456–465 (2014).

27. Chogtu, B. et al. Vrednotenje akutnih in kroničnih učinkov D-galaktoze na spomin in učenje pri podganah Wistar. Clin. Psihofarmakon. Neurosci. 16(2), 153–160 (2018).

28. El-Mir, MY et al. Nevroprotektivna vloga antidiabetičnega zdravila metformin proti apoptotični celični smrti v primarnih kortikalnih nevronih. J. Mol. Neurosci. 34(1), 77–87 (2008).

29. Ou, Z. et al. Zdravljenje z metforminom preprečuje odlaganje amiloidnih oblog in poslabšanje spomina pri miših APP/PS1. Obnašanje možganov. Imun. 69, 351–363 (2018).

30. Tao, L. et al. Nevroprotektivni učinki metformina na travmatično poškodbo možganov pri podganah, povezanih s signalno potjo NF-κB in MAPK. Brain Res. Bik. 140, 154–161 (2018).

31. Antero, S. & Kai, K. AMP-aktivirana proteinska kinaza (AMPK) nadzoruje proces staranja prek integriranega signalnega omrežja. Staranje Res. Rev. 11(2), 230–241 (2012).

32. Meng, S. et al. Metformin aktivira protein-kinazo, ki jo aktivira AMP, tako da spodbuja tvorbo heterotrimernega kompleksa. J. Biol. Chem. 290 (6), 3793–3802 (2015).

33. Ghadernezhad, N., Khalaj, L., Pazoki-Toroudi, H., Mirmasoumi, M. & Ashabi, G. Predhodno zdravljenje z metforminom izboljšano učenje in spomin pri možganski ishemiji prednjih možganov: Vloga signalne poti AMPK/BDNF/P70SK . Pharm. Biol. 54 (10), 2211–2219 (2016).

34. Potter, WB et al. Presnovna regulacija nevronske plastičnosti z energijskim senzorjem AMPK. PLoS ONE 5(2), e8996 (2010).

35. Kauppinen, A., Suuronen, T., Ojala, J., Kaarniranta, K. & Salminen, A. Antagonistično preslušavanje med NF-κB in SIRT1 pri regulaciji vnetja in presnovnih motenj. Cell Signal 25 (10), 1939–1948 (2013).

36. Salvadó, L. et al. Oleat preprečuje z nasičenimi maščobnimi kislinami povzročen ER stres, vnetje in inzulinsko odpornost v celicah skeletnih mišic prek mehanizma, ki je odvisen od AMPK. Diabetologia 56 (6), 1372–1382 (2013).

37. Qi, D. et al. Protein toplotnega šoka 72 zavira signalno pot c-Jun N-terminalne kinaze 3 prek Akt1 med cerebralno ishemijo. J. Neurol. Sci. 317(1–2), 123–129 (2012).

38. Chen, P., Chen, F. & Zhou, B. Antioksidativni, protivnetni in anti-apoptotični učinki elagične kisline v jetrih in možganih podgan, zdravljenih z D-galaktozo. Sci. Rep. 8 (1), 1465 (2018).

39. D'Amelio, M., Cavallucci, V. & Cecconi, F. Nevronska kaspaza-3 signalizacija: Ne samo celična smrt. Celična smrt se razlikuje. 17 (7), 1104–1114.

40. Feng, Y. et al. Antioksidacijski in protivnetni učinki klorogenske kisline pri miših. Pharm. Biol. 54 (6), 1027–1034 (2016).

41. Shaikh, NH, Deshmukh, VM & Walvekar, MV Sprememba morfologije testisov in števila semenčic zaradi zdravljenja z glikovitanolidi med staranjem. Asian J. Pharm. Clin. Res. 8(3), 72–77 (2015).

42. Grippa, A. et al. Kompleks seipin Fld1/Ldb16 stabilizira kontaktna mesta ER-lipidnih kapljic. J. Cell Biol. 211 (4), 829–844 (2015).

43. Liu, C., Liang, B., Wang, Q., Wu, J. & Zou, M.-H. Aktivacija proteinske kinaze alfa1, aktivirane z AMP, ublaži apoptozo endotelijskih celic s povečanjem izražanja anti-apoptotičnih proteinov Bcl-2 in survivina. J. Biol. Chem. 285 (20), 15346–15355 (2010).

44. Takeda, M., Takahashi, M. & Matsumoto, S. Vnetje okrepljeno z možganskim nevrotrofnim faktorjem povzročeno zaviranje napetostno odvisnih kalijevih tokov v nevronih trigeminalnega ganglija z majhnim premerom, ki štrlijo na interpolate trigeminalnega jedra/caudalis prehodno območje . Nevroznanost 261, 223–231 (2014).

45. Joseph, J., Cole, G., Head, E. & Ingram, D. Prehrana, staranje možganov in nevrodegeneracija. J. Neurosci. 29 (41), 12795–12801 (2009).

46. ​​Mizisin, AP et al. BDNF oslabi funkcionalne in strukturne motnje v živcih podgan, hranjenih z galaktozo. J. Neuropathol. Exp. Nevrol. 56 (12), 1290–1301 (1997).

47. Chen, Q. et al. Ponovna uporaba antidiabetičnih zdravil kot nova priložnost za ublažitev kognitivnih motenj pri nevrodegenerativnih in nevropsihiatričnih motnjah. Spredaj. Pharmacol. 12, 667874 (2021).

48. Bettio, LEB, Rajendran, L. & Gil-Mohapel, J. Učinki staranja na hipokampus in kognitivni upad. Neurosci. Biobehav 79, 66–86 (2017).

Zahvala

Avtorji se zahvaljujejo Medicinski fakulteti Univerze Menoufa za zagotavljanje večine zahtevanih prostorov.

Avtorski prispevki

OA je zasnoval študijo in koordiniral laboratorijsko delo, izvajal študije na živalih, izvajal poskuse molekularne biologije, analiziral podatke in pripravil osnutek rokopisa. RMS je izvedel histopatološke in imunohistokemijske študije ter analiziral podatke. RAAAE je sodeloval pri načrtovanju študije, izvedel študije na živalih, sodeloval pri biokemijski analizi in pomagal pri pripravi rokopisa. Vsi avtorji so potrdili končno verzijo rokopisa. Avtorji izjavljajo, da so bili vsi podatki pridobljeni interno in da ni bila uporabljena nobena papirnica.

financiranje

Financiranje z odprtim dostopom zagotavlja Te Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) v sodelovanju z Te Egyptian Knowledge Bank (EKB).

Konkurenčni interesi

Avtorji izjavljajo, da ni konkurenčnih interesov.

Dodatne informacije

Korespondenco in zahteve za gradivo je treba nasloviti na OA

【Za več informacij: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】