技術(shù)文章
硫化物的分解代謝
可改善缺氧性腦損傷
-哺乳動物的大腦極易遭受缺氧影響-
大腦對缺氧敏感的機制尚不全部清楚。H2S是一種抑制線粒體呼吸的氣體,缺氧可以誘導(dǎo)H2S的積累。Eizo Marutani等人研究發(fā)現(xiàn),在小鼠、大鼠和自然耐缺氧的地松鼠中,大腦對缺氧的的敏感性與SQOR的水平及分解硫化物的能力成反比。
硫醌氧化還原酶(sulfide: quinone oxidoreductase , SQOR)是一種谷胱甘肽還原酶家族的膜結(jié)合黃素蛋白,為硫化物氧化解毒的一種關(guān)鍵酶。沉默的SQOR增加了大腦對缺氧的敏感性,而神經(jīng)元特異性的SQOR表達則阻止了缺氧誘導(dǎo)的硫化物積累、生物能量衰竭和缺血性腦損傷。降低線粒體中SQOR的表達,不僅增加了大腦對缺氧的敏感性,也增加了心臟和肝臟對缺氧的敏感性。硫化物的藥理清除維持了缺氧神經(jīng)元的線粒體呼吸,并使小鼠能夠抵抗缺氧。
相關(guān)研究于2021年5月發(fā)表在Nature子刊Nature communications上,題為《Sulfide catabolism ameliorates hypoxic brain injury》,該研究由美國馬薩諸塞州總醫(yī)院以及哈佛醫(yī)學(xué)院共同完成。
該研究團隊一開始的研究方向并不是尋找可以治療腦卒中的靶點,他們的研究方向是「人體冬眠」,就像以往科幻電影里的那種,得了某種不治之癥,然后進行冷凍或者其他技術(shù)的冬眠,等待科技進步以后,再次復(fù)蘇。
一開始,他們是要尋找可以對小鼠進行催眠的物質(zhì),鎖定在了H2S。期初,吸入H2S的小鼠進入了一種「冬眠」?fàn)顟B(tài),體溫下降,無法動彈。但是,令人驚訝的是,小鼠很快就對吸入H2S的影響產(chǎn)生了耐受性。到了第五天,他們行動正常,不再受到H2S的影響。更有趣的現(xiàn)象是,研究團隊發(fā)現(xiàn),對H2S耐受的小鼠,對缺氧也能非常好的耐受。因而研究團隊提出了SQOR基因在耐缺氧中起發(fā)揮重要作用的假設(shè)。
實驗方法描述
所有小鼠都被飼養(yǎng)在12小時的晝/夜循環(huán)中,溫度在20-25°C之間,濕度在40%-60%之間。
-間歇性H2S吸入-
小鼠暴露于80 ppmH2S的空氣中連續(xù)5天,每天4小時。實驗過程中實時監(jiān)測H2S濃度和FiO2。每天在H2S吸入前后測量直腸溫度,以檢查H2S對體溫的影響。
-CO2產(chǎn)生量的測量-
最后一次的吸入空氣或H2S24小時后,在對照組或硫化物預(yù)處理小鼠中測量二氧化碳的產(chǎn)生。將小鼠放置在全身體積描記系統(tǒng)內(nèi),并測量二氧化碳的產(chǎn)量。
-小鼠的缺氧和缺氧耐受性-
為了測量缺氧耐受性,在最后一次空氣或H2S吸入24小時后,將小鼠放入透明的塑料室中。然后,用低氧氣體混合物以1 L/min連續(xù)沖洗腔室,以達到所需的FiO2。在缺氧暴露期間連續(xù)觀察小鼠最多60 min,當(dāng)小鼠出現(xiàn)嚴(yán)重痛苦跡象(扭動或發(fā)作、呼吸頻率低于6/分鐘和尿失禁)時,將其取出,用5%異氟烷安樂窒息并視為死亡。
-組織采集-
將小鼠采用異氟醚麻醉,呼吸機機械通氣。用空氣或缺氧氣體混合物通氣3 min后,將小鼠進行安樂窒息,開始取材。
實驗數(shù)據(jù)
a:對照組和硫化物預(yù)處理組(SPC)小鼠的體溫
b:二氧化碳產(chǎn)生率(VCO2)
c:血漿中硫化物的濃度
d:血漿中的硫代硫酸鹽、腦組織中的硫化物濃度
f:腦組織中的硫代硫酸鹽、
g:存活率
h:小鼠在5% O2低氧下的VCO2
i:常氧和5%低氧下,腦組織中的硫化物
j:per sulfide,k NADH/NAD+比
l:乳酸水平。m腦組織中的SQOR相對表達量,
n、o:腦組織和心臟組織中 SQOR蛋白水平
p、q:離體腦線粒體的氧氣消耗速率 (OCR)
r:計算得到的 ATP轉(zhuǎn)換率。
地松鼠的缺氧耐受性和硫胺分解代謝增強
研究團隊用RNA沉默SQOR,發(fā)現(xiàn)可增加大腦對缺氧的敏感性,而神經(jīng)元特異性SQOR的表達可阻止缺氧誘導(dǎo)的硫化物積聚、生物能衰竭和缺血性腦損傷。
SQOR可改善神經(jīng)元細胞的線粒體功能
降低線粒體的SQOR基因的表達,不只是大腦,而且心臟、肝臟對缺氧的敏感性都增加了。
硫化物清除劑的作用
通過藥物清除硫化物,可維持缺氧神經(jīng)元的線粒體呼吸過程,使小鼠耐受缺氧。該研究闡明了硫化物分解代謝在缺氧時能量平衡中的關(guān)鍵作用,并確定了缺血性腦損傷的治療靶點。
在自然界中很多強有力的證據(jù)可以證明該研究的結(jié)論。例如,已知雌性哺乳動物比雄性哺乳動物更能抵抗缺氧,而前者的SQOR水平更高。當(dāng)女性的SQOR水平被人為降低時,她們就更容易缺氧(雌激素可能是觀察到的SQOR增加的原因),例如更年期。此外,一些冬眠動物,如地松鼠,對缺氧有很強的耐受性,這使得它們能夠在冬季身體新陳代謝減緩的情況下生存下來。一只地松鼠的大腦比同樣大小的老鼠的SQOR高出100倍。
該研究的主要研究者說:“人腦的SQOR水平非常低,這意味著即使是少量的H2S積累,就可以影響神經(jīng)元的健康。我們希望有一天我們研發(fā)出像SQOR一樣有效的藥物,這些藥物可以用來治療缺血性中風(fēng),以及心臟驟停引起的缺氧。
-塔望科技-解決方案-
全身體積描記系統(tǒng)
小鼠放置于體積描記器內(nèi),可以實時監(jiān)測呼吸,也可進行低氧干預(yù)、H2S暴露。可進行低氧耐受實驗,也可監(jiān)測動物的 耗氧量、CO2產(chǎn)生量、呼吸代謝率等。
全身暴露染毒系統(tǒng)
可以進行長期H2S暴露染毒、低氧實驗等。
動物能量代謝系統(tǒng)
可以綜合評估動物不同處理后的各種表型變化:進食量、進水量、進食進水模式、活動量、耗氧量、CO2產(chǎn)生量、呼吸代謝率等。
動物低氧高氧實驗系統(tǒng)
各種常壓/低壓/高壓下的缺氧/高氧實驗。可進行恒定低氧,也可進行間歇低氧。
-相關(guān)文獻-
Marutani E, Morita M, Hirai S et al. "Sulfide catabolism ameliorates hypoxic brain injury".[J]. Nat Commun 12, 3108 (2021).
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