Влияние ингибитора гликолиза (2-ДГ) и разобщителя окисления и фосфорилирования (2,4-ДНФ) на метаболиты головного мозга

Отклонения в метаболизме головного мозга – результат долговременных патологических процессов, которые в конечном итоге проявляются как симптомы болезней Альцгеймера, Паркинсона или множественного склероза и многих других нейропаталогий, как, например, диабетическая нейропатия. Дефицит доступной энергии для клеток головного мозга на фоне нейродегенеративных заболеваний может развиваться как под влиянием возрастного снижения экспрессии гликолитических ферментов, так и при индуцировании провоспалительными цитокинами разобщения окисления и фосфорилирования. Исходя из того, что активность многих ферментов находится под контролем аденозинтрифосфата (АТФ) или кофакторов, таких как никотинамидадениндинуклеотид (НАДН) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН), дефицит энергии может быть причиной метаболических изменений в ткани мозга. В некоторых клинических исследованиях, в которых использовалась протонная ядерная магнитно-резонансная спектроскопия (1H ЯМР спектроскопия), выявлены метаболические изменения в ткани головного мозга у пациентов с нейродегенеративными заболеваниями. Однако данные разных авторов довольно противоречивы, вероятно, из-за сложного генеза метаболических нарушений. В настоящем исследовании проверена гипотеза о разнонаправленных изменениях метаболизма под влиянием разобщителя окисления и фосфорилирования 2,4-динитрофенола (2,4-ДНФ) и 2-деокси-D-глюкозы (2-ДГ), блокирующей доступ глюкозы в клетки головного мозга. Методом 1H ЯМР спектроскопии показано, что 2-ДГ приводит к преобладанию возбуждающих (глутамин+глутамат) нейромедиаторов над тормозными (гамма-аминомасляная кислота), а 2,4-ДНФ вызывает противоположные эффекты. Биохимические механизмы наблюдаемых изменений требуют специального исследования, однако можно отметить, что дефицит АТФ, вызванный ингибированием гликолиза, и дефицит АТФ, обусловленный действием разобщителей, сопровождаются разнонаправленными изменениями в интенсивности цикла трикарбоновых кислот. Эти изменения интенсивности цикла Кребса соотносятся с разнонаправленными изменениями баланса возбуждающих и тормозных нейромедиаторов. Полученные результаты показывают, что 1H ЯМР спектроскопия может быть эффективным методом дифференцированной прижизненной оценки дефицита доступной энергии, вызванного общим подавлением энергообмена в нервных клетках или разобщением окисления и фосфорилирования.

метаболиты головного мозга, 2-деокси-D-глюкоза, 2,4-динитрофенол, 1H ЯМР спектроскопия, нейродегенеративные заболевания

1. Dang Y.X., Shi K.N., Wang X.M. Early changes in glutamate metabolism and perfusion in basal ganglia following hypoxia-ischemia in neonatal piglets: A multi-sequence 3.0t MR study. Front. Physiol. 2017;8:237. DOI 10.3389/fphys.2017.00237.

2. Gulevich R.G., Akulov A.E., Shikhevich S.G., Kozhemyakina R.V., Plyusnina I.Z. Proton magnetic resonance spectroscopy of neurometabolites in the hippocampi of aggressive and tame male rats. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2015;19(4):432-438. DOI 10.18699/VJ15.057. (in Russian)

3. Kalinchuk A.V., Urrila A.S., Alanko L., Heiskanen S., Wigren H.K., Suomela M., Stenberg D., Porkka-Heiskanen T. Local energy depletion in the basal forebrain increases sleep. Eur. J. Neurosci. 2003; 17(4):863-869.

4. Liu H., Dai C., Fan Y., Guo B., Ren K., Sun T., Wang W. From autophagy to mitophagy: the roles of P62 in neurodegenerative diseases. J. Bioenerg. Biomembr. 2017; 49(5):413-422. DOI 10.1007/ s10863-017-9727-7.

5. Mordel J., Sheikh A., Tsohataridis S., Kanold P.O., Zehendner C.M., Luhmann H.J. Mild systemic inflammation and moderate hypoxia transiently alter neuronal excitability in mouse somatosensory cortex. Neurobiol. Dis. 2016;88:29-43. DOI 10.1016/j.nbd.2015. 12.019.

6. Moshkin M.P., Akulov A.E., Petrovski D.V., Saik O.V., Petrovskiy E.D., Savelov A.A., Koptyug I.V. Proton magnetic resonance spectroscopy of brain metabolic shifts induced by acute administration of 2-deoxy-D-glucose and lipopolysaccharides. NMR Biomed. 2014;27:399-405. DOI 10.1002/nbm.3074.

7. Perry R.J., Kim T., Zhang X.M., Lee H.Y., Pesta D., Popov V.B., Zhang D., Rahimi Y., Jurczak M.J., Cline G.W., Spiegel D.A., Shulman G.I. Reversal of hypertriglyceridemia, fatty liver disease, and insulin resistance by a liver-targeted mitochondrial uncoupler. Cell Metab. 2013;18(5):740-748. DOI 10.1016/j.cmet.2013.10.004.

8. Provencher S.W. Estimation of metabolite concentrations from localized in vivo proton NMR spectra. Magn. Reson. Med. 1993;30(6): 672-679.

9. Shiino A., Watanabe T., Shirakashi Y., Kotani E., Yoshimura M., Morikawa S., Inubushi T., Akiguchi I. The profile of hippocampal metabolites differs between Alzheimer’s disease and subcortical ischemic vascular dementia, as measured by proton magnetic resonance spectroscopy. J. Cereb. Blood Flow Metab. 2012;32:805-815. DOI 10.1038/jcbfm.2012.9.

10. Waldman A.D.B., Rai G.S., McConnell J.R., Chaudry M., Grant D. Clinical brain proton magnetic resonance spectroscopy for management of Alzheimer’s and sub-cortical ischemic vascular dementia in older people. Arch. Gerontol. Geriatr. 2002;35:137-142.