oxidative

  • obiecte
  • abstract
  • introducere
  • Rezultatul
  • Demografia donatorilor de țesuturi
  • GSH, GSSG, 3-NT, 3-CT și 8-oxo-dG
  • Activitatea aconitazei
  • 8-oxo-dG este asociat cu GSH/GSSG în creier
  • discuţie
  • Informatii suplimentare
  • Documente Word
  • Tabel suplimentar 1
  • Tabelul suplimentar 2

obiecte

abstract

Anomaliile din creier se numără printre cele mai frecvent înregistrate modificări ale creierului autismului. 2, 3, 4 Studiile de neuroimagistică au raportat un volum redus de vermis, precum și volumul cerebelos total, în timp ce analizele post-mortem au relevat o reducere semnificativă a numărului de celule Purkinje la persoanele cu autism. 5, 6, 7, 8 Dovezile implicării neuroimune în creier includ prezența neurogliei activate și niveluri ridicate de citokine, precum și autoanticorpi la proteinele creierului. 9, 10, 11

Anomaliile din gyrusul timpului mai ridicat (STG) sunt considerate semnificative în autism, deoarece joacă un rol important în procesarea sunetului și dezvoltarea vorbirii. 12 STG conține zona Brodmann 22 (BA22), care în emisfera stângă corespunde zonei Wernicke, o regiune implicată în procesarea vorbirii. Analizele de neuroimagistică au evidențiat un volum crescut de STG la persoanele cu autism, în concordanță cu o constatare recentă a unei asimetrii mai mari de dreapta a STG la persoanele cu autism. 13, 14 Într-o analiză microscopică a BA22 la indivizii cu autism, s-a observat o scădere a densității celulelor neuronale și o creștere a densității celulelor gliale. 15 Activarea neuroimună în autismul STG a fost raportată într-un studiu și au fost găsite niveluri crescute de transcrieri ale mai multor gene imune. 16

Au fost raportați biomarkeri ai stresului oxidativ în numeroase tulburări neurologice și psihiatrice, inclusiv boala Alzheimer, boala Parkinson, 18 schizofrenie, 19, 20 tulburare bipolară 21 și alcoolism, 22 și pot reflecta un mecanism fiziopatologic comun de bază. Numeroși indicatori de stres oxidativ au fost anterior documentați în sângele copiilor cu autism, inclusiv activități enzimatice antioxidante scăzute, peroxidare crescută a lipidelor și acumulare de produse finale avansate de glicație. 23, 24, 25 În trei cohorte independente de caz/control, copiii cu autism s-au dovedit a avea niveluri plasmatice anormale de metaboliți în calea metabolismului glutationului redox. 26, 27, 28 În aceste studii, s-a constatat că concentrația medie de glutation redus (GSH), antioxidant intracelular primar și tampon redox a fost semnificativ redusă, în timp ce disulfura de glutation oxidată (GSSG) a crescut semnificativ, rezultând o reducere a glutationului raport.redox (GSH/GSSG) în plasmă și celule imune primare de la copii cu autism. 29 În rezumat, dovezile combinate sugerează că copiii cu autism au un microambient cu celule imune extracelulare (plasmă) și intracelulare mai oxidat decât copiii cu control neafectat.

Stresul oxidativ și deteriorarea apar atunci când mecanismele de apărare antioxidante nu reușesc să contracareze eficient sursele endogene sau exogene ale speciilor reactive de oxigen. Glutationul este principalul antioxidant responsabil pentru menținerea micromediului intracelular care este esențial pentru funcționarea și viabilitatea normală a celulelor. GSH/GSSG este un indicator fiabil al stării redox celulare, iar reducerea cronică a GSH/GSSG reflectă capacitatea antioxidantă redusă și susceptibilitatea crescută la deteriorarea oxidativă. Recent, o creștere a proteinei oxidative și a deteriorării ADN-ului a fost asociată cu o scădere a GSH/GSSG intracelular și plasmatic la copiii cu autism, sugerând că scăderea capacității de apărare antioxidantă la acești copii poate avea o consecință funcțională în ceea ce privește deteriorarea oxidativă aparentă. 31

Deși există dovezi din ce în ce mai mari că biomarkerii cu stres oxidativ crescut sunt prezenți în sângele copiilor cu autism, prezența stresului oxidativ și a deficitului de glutation în creierul cu autism a rămas relativ subestimată. În creierul copiilor cu autism Sajdel-Sulkowska și colab. 32, 33 au constatat o creștere semnificativă a 3-nitrotirozinei (3-NT), un marker al deteriorării proteinelor oxidative și a fost observată o tendință de creștere a 8-oxo-deoxiguanozinei (8-oxo-dG), un marker al deteriorării oxidative a ADN-ului. Un alt grup a remarcat o creștere semnificativă a hidroperoxizilor lipidici din creier și a cortexului tranzitoriu în cazurile de autism comparativ cu martorii. În plus, un număr mai mare de celule care conțin lipofuscină, o matrice de produse de degradare lizozomală și un marker de stres oxidativ au fost detectate în BA22 comparativ cu martorii. 15 În creierul cu autism, de asemenea, nu a fost investigat dezechilibrul pro-oxidativ glutation redox observat anterior în plasmă și celulele imune de la copiii cu autism.

În general, concluziile acestui studiu susțin ipoteza noastră și rolul dezechilibrului redox de glutation și al stresului oxidativ în neuropatologia autismului. Acest studiu oferă în plus noi dovezi că producția de superoxid mitocondrial poate fi crescută în anumite zone ale creierului și că procesul neuroinflamator poate promova stresul oxidativ și deteriorarea celulelor afectate.

Rezultatul

Demografia donatorilor de țesuturi

Nu s-au găsit diferențe între grupurile de autism și grupurile de control în ceea ce privește vârsta medie, sexul sau intervalul post-mortem pentru creier sau BA22. Rasa și cauza decesului au fost cât mai apropiate de cazurile și controalele disponibile; cu toate acestea, la câțiva indivizi rasa și cauza morții nu erau cunoscute (tabelele suplimentare 1 și 2).

GSH, GSSG, 3-NT, 3-CT și 8-oxo-dG

Figura 1 prezintă concentrațiile relative de GSH, GSSG, 3-NT, 3-CT și 8-oxo-dG în probele de autism și de control și în probele BA22. Toți metaboliții măsurați au fost modificați semnificativ în autism comparativ cu controalele identice în ambele regiuni ale creierului analizate. GSH a fost redus la nivelul creierului autist cu 43% comparativ cu creierul de control (P

Dezechilibrul redox de glutation și creșterea biomarkerilor de stres oxidativ în creierul autismului (CB) și regiunea Brodmann 22 (BA22). Cromatografia lichidă de înaltă performanță (HPLC) și HPLC/spectrometria de masă au fost utilizate pentru a măsura biomarkeri în probe de autism și țesuturi de control din CB și BA22 (n = 15 și 12 cazuri și martori/grup) și s-au normalizat la conținutul de proteine. Concentrațiile glutationului redus (GSH; A ), glutation oxidat (GSSG; b ), capacitate de reducere redox/antioxidantă a glutationului (GSH/GSSG; c ), 3-nitrotirozină (3-NT; d ), 3-clorotirozină (3-CT) e ) 8-oxo-deoxiguanozină (8-oxo-dG; f ) este raportat ca medie ± sd * P ** P = 0,01; # P = 0, 02.

Imagine la dimensiune completă

Activitatea aconitazei

Figura 2a prezintă activitatea aconitazei (nmol min-1 ml -1) măsurată atât în ​​probele de creier, cât și în cele de autism și martorii BA22. Activitatea medie a aconitazei în creier din cazurile de autism a fost semnificativ mai mică decât în ​​țesuturile cerebrale de la controale (45,3%; P

Activitatea aconitazei este redusă în autismul cerebral (CB) și este asociată cu capacitatea de glutation redox/antioxidant (GSH/GSSG) în control și autism CB și regiunea Brodmann 22 (BA22). ( A ) Activitatea aconitazei a fost măsurată în probe de țesut post mortem înghețate și de control din CB și BA22 (n = 15 și 12 cazuri și martori/grup) și normalizată la conținutul de proteine. Datele sunt prezentate deoarece activitatea medie a aconitazei ± sd a fost semnificativ redusă în CB autism (3, 99 ± 2, 34) comparativ cu CB control (7, 29 ± 1, 85). Diferența de activitate aconitază între autismul BA22 (3, 30 ± 1, 88) și controlul BA22 (5, 47 ± 3, 78) nu a atins importanță. b ) În cazul combinat și grupul de control al probelor de CB, activitatea aconitazei a fost semnificativ asociată cu GSH/GSSG (P = 0,01). ( c ) În BA22 în cazuri combinate și martori, activitatea aconitazei a fost asociată în mod semnificativ în mod similar cu GSH/GSSG (P = 0,03). Deși semnificația corelațiilor din probele de autism este irelevantă, gruparea valorilor cazurilor (în cercuri deschise) în cadranul stânga jos al fiecărui grafic este evidentă. * P

8-oxo-deoxiguanozina (8-oxo-dG) este asociată cu glutation redox/capacitate antioxidantă (GSH/GGSG) în creier. În cazul combinat și grupul de control al probelor de creier, 8-oxo-dG a fost semnificativ asociat cu GSH/GSSG (P 32, 44). Deteriorarea ADN-ului (3-NT, 8-oxo-dG), precum și biomarkeri funcționali ai inflamației (3-CT) și producția de superoxid mitocondrial (activitate aconitază).

Reducerea relativă a activității aconitazei în creierul autismului este o nouă descoperire importantă care sugerează o consecință funcțională a stresului oxidativ în această zonă. În țesutul cerebral, aconitaza se găsește în principal în mitocondrii, unde funcționează ca o enzimă în ciclul acidului tricarboxilic. Aconitaza mitocondrială este extrem de sensibilă la inactivarea oxidativă de către radicalii superoxizi, care sunt produși în imediata apropiere de lanțul de transport al electronilor (ETC). Pe lângă faptul că este un marker al deteriorării proteinelor oxidative, scăderea activității aconitazei este considerată un indicator sensibil al producției crescute de superoxid mitocondrial. 45, 46

Mecanismul de inactivare a aconitazei mitocondriale. Aconitaza mitocondrială este o enzimă ciclică a acidului tricarboxilic (TCA) care catalizează conversia citratului în izocitrat. Conține un grup de fier-sulf ([4Fe-4S]) în situl său activ, care este inactivat de superoxid (O -) produs în imediata apropiere ca produs secundar al lanțului de transport al electronilor. Acest lucru duce la eliberarea Fe +2 și a unei molecule de peroxid de hidrogen (H2O2), care poate reacționa prin reacția Fenton pentru a forma un radical hidroxil (OH). Capacitatea redox de glutation (GSH/GSSG) va fi redusă datorită creșterii producției de radicali liberi și va permite o mai mare inactivare a superoxidului aconitază și va fi creat un ciclu de autoamplificare dacă nu este rezolvat.

Imagine la dimensiune completă

Inactivarea aconitazei și stresul oxidativ au fost raportate în alte tulburări neuropsihiatrice și neurodegenerative cu tulburări mitocondriale cunoscute, inclusiv schizofrenia, 50, 51 boala Huntington 52 și boala Parkinson. 53, 54 Un studiu al disfuncției mitocondriale din creierul autismului a constatat niveluri reduse de proteine ​​ale mai multor complexe ETC din creier, cortexul frontal și temporal. Există dovezi că disfuncția mitocondrială poate fi prezentă la un subgrup semnificativ de copii cu autism și contribuie la anomaliile multisistemice observate la unii copii cu autism. 55, 56, 57 Reducerea semnificativă a activității aconitazei necesită o investigație continuă a interacțiunilor dintre disfuncția mitocondrială, producția de superoxid și activitatea complexă ETC modificată în autism.

Derivatul de tirozină proteică oxidată, 3-NT, oferă o urmă biochimică stabilă a deteriorării proteinelor oxidative și s-a dovedit a fi crescut în plasma copiilor cu autism într-un studiu anterior. Au fost raportate niveluri ridicate de 3-NT în multe boli cu patologie de stres oxidativ, inclusiv alcoolism, fumat, diabet, ateroscleroză și fibroză chistică. Derivatul tirozinei, 3-NT, este compus în principal din peroxinitrit, un radical liber dăunător generat din superoxid și NO. Astfel, creșterea semnificativă a nivelurilor de 3-NT observate în creierul autismului și BA22 nu a fost neașteptată și este în concordanță cu producția crescută de superoxid și cu inactivarea aconitazei.

Pe lângă faptul că este un marker clasic al deteriorării proteinelor oxidative, nivelurile ridicate de 3-NT indică o producție crescută de NO. Excesul de NO concurează pentru antioxidanții MnSOD și GSH pentru superoxid și promovează formarea peroxinitritului. 59 NO poate inhiba în mod reversibil respirația mitocondrială în complexul IV, în timp ce peroxinitritul mai dăunător poate inactiva permanent complexele I, III și V. 60 Într-un studiu anterior, am demonstrat o sensibilitate crescută a celulelor limfoblastoidice autizabile la depolarizarea acută a membranei mitocondriale a NO și a altor substanțe azotate. niveluri raportate în plasmă și celule roșii din sânge la copiii cu autism. 24, 48, 61, 62 Celulele neurogliale exprimă iNOS (NO sintază inductibilă) și produc cantități mari de NO atunci când sunt activate de citokine. 63, 64 În mod interesant, prezența citokinelor pro-inflamatorii și a neurogliei activate9 a fost raportată în creierul autismului printre alte zone, sugerând că neuroglia activată produce exces de NO și poate contribui la formarea peroxinitritului și la creșterea deteriorării proteinelor 3-NT observate în prezent . studiu.

Niveluri semnificativ crescute de 3-CT în creierul autismului și BA22 sunt noi descoperiri sugestive ale unei afecțiuni cronice neuroinflamatorii în aceste zone. Celulele fagocitare activate produc acid hipocloros, un produs al activității mieloperoxidazei (MPO), care este stimulat în timpul activării imune, ducând la un derivat 3-CT. 35 Expresia crescută a MPO a fost demonstrată anterior în condiții neurologice cronice, cum ar fi boala Alzheimer, boala Parkinson 65 și scleroza multiplă. 67 Creșterea observată a 3-CT în probele de creier autist și BA22 este prima indicație a expresiei crescute a MPO în creierul autist și susține rapoartele anterioare de activare microglială și citokine inflamatorii în creierul autist. Rolul inflamației și al activării microgliene în neuropatologia autismului necesită investigații și confirmări suplimentare.

În plus față de markerii de deteriorare oxidativă a proteinelor, 8-oxo-dG, un marker de deteriorare oxidativă a ADN-ului, a fost semnificativ crescut în creier și BA22 din cazurile de autism comparativ cu martorii. Aductul 8-oxo-dG din ADN-ul mitocondrial și nuclear este o leziune pre-mutagenă formată în primul rând prin atacul radicalului hidroxil (• OH). Este asociat cu deteriorarea ADN-ului oxidativ în condiții precum îmbătrânirea, cancerul și expunerea prooxidativă la mediu. 68 În creier, 8-oxo-dG a fost asociat negativ cu GSH/GSSG în grupul combinat de cazuri și în grupul de control (Figura 3); cu toate acestea, această asociație nu a atins importanță în regiunea BA22. Eliberarea Fe2 asociată cu inactivarea aconitazei mitocondriale mediate de superoxid s-a dovedit a fi o sursă importantă de formare a radicalilor OH prin chimia Fenton. 47 Împreună, aceste date sugerează că capacitatea antioxidantă redusă a GSH/GSSG nu este suficientă pentru a preveni supraproducția de • OH și că neafectat • OH poate ajunge la nucleu și poate forma un aduct de ADN oxidant, 8-oxo-dG.

Interacțiunile prezise între fiecare dintre biomarkerii măsurați de stres oxidativ și daune, disfuncție mitocondrială și inflamație sunt prezentate în Figura 5. Superoxidul crescut generat din mitocondriile disfuncționale promovează formarea excesului de H 2 O 2, un substrat pentru hipoclorul mediat de MPO. sinteza acidului. și formarea unui biomarker inflamator, 3-CT. Creșterea superoxidului poate fi combinată cu NO, ducând la formarea unui radical peroxinitrit și a unui biomarker al deteriorării proteinelor oxidative, 3-NT. Radicalul hidroxil este generat atât de inactivarea aconitazei, cât și de activitatea MPO și promovează formarea de 8-oxo-dG. Creșterile cronice ale acestor radicali liberi afectează capacitatea redox/antioxidantă a GSH/GSSG, permițând formarea radicalilor liberi nedeschise și ciclul de întreținere în sine, ducând la stres oxidativ cronic și daune. Absența unei corelații între vârstă și biomarkeri sugerează că stresul oxidativ este o stare cronică de autism, deoarece același model de biomarkeri crescuți este observat într-un interval de vârstă atât de larg.

Interacțiuni propuse între biomarkeri măsurați și stres oxidativ. Superoxidul crescut generat din mitocondriile disfuncționale promovează formarea excesului de H 2 O 2, un substrat pentru sinteza acidului percloric mediat de mieloperoxidază (MPO) și formarea biomarkerului inflamator, 3-clorotirozina (3-CT). Creșterea oxidului nitric (NO) în combinație cu niveluri ridicate de superoxid duce la formarea unui radical peroxinitrit și a unui biomarker al deteriorării de către proteina oxidativă, 3-nitrotirozina (3-NT). Radicalul hidroxil este generat de inactivarea aconitazei și MPO și promovează formarea de 8-oxo-deoxiguanozină (8-oxo-dG). Creșterile cronice ale acestor radicali liberi afectează glutationul redox/capacitatea antioxidantă (GSH/GSSG), permițând formarea radicalilor liberi nedeschise și ciclul de întreținere în sine, ducând la stres oxidativ cronic.

Imagine la dimensiune completă

În rezumat, arătăm pentru prima dată că markerii periferici ai stresului oxidativ și ai daunelor observați anterior în plasmă și celulele imune sunt în mod similar ridicați în cele două zone afectate ale creierului în autism, cerebel și BA22. Aceste observații sugerează că mediile prooxidative și stresul oxidativ sunt omniprezente și sistematice la persoanele cu autism. Relația negativă dintre GSH/GSSG și proteina oxidativă și deteriorarea ADN sugerează că capacitatea redusă de glutation redox în creierul cu autism poate avea o consecință funcțională în ceea ce privește producția crescută de superoxid mitocondrial și starea inflamatorie cronică. Cu toate acestea, deoarece autismul este influențat de mulți factori genetici și de mediu care interacționează, care sunt specifici creierului post-mortem și limitărilor de caz, aceste observații vor necesita studii de urmărire.