Vliv cirkadiánního rytmu na mozkovou NAD měřený fosforovou magnetickou rezonanční spektroskopií při 7 Tesla (ChronoBrain)

Objev cirkadiánních hodin nejprve vytvořil genetický základ pro chování a naše chápání cirkadiánního rytmu (CIR) se od té doby rozšířilo, aby poskytlo molekulární pohledy na fyziologii a nemoci. Výzvou však zůstává převést tyto poznatky týkající se role CIR v buňkách a tkáních na kliniku. Mnoho mechanistických předklinických experimentů ukázalo, že CIR je přímo spojena s hladinami nikotinamidadenin dinukleotidu (NAD) a redoxním poměrem NAD a že amplituda oscilace NAD se snižuje během stárnutí a v modelu neurologických onemocnění. Lidská ex-vivo data také ukázala, že NAD osciluje v čase v lidských červených krvinkách. Zatímco přibývající důkazy v modelových organismech ilustrují ústřední roli mozkového NAD pro udržování energetické homeostázy a CIR, podobných údajů u lidí je řídké. Dosud nebyla u lidí hlášena žádná studie o účinku CIR na hladiny NAD v mozku.

NAD je životně důležitý kofaktor zapojený do bioenergetiky mozku pro metabolismus a produkci adenosintrifosfátu (ATP), energetické měny mozku. NAD existuje v oxidované (NAD+) nebo redukované (NADH) formě, přičemž NAD+/NADH (redoxní poměr) je důležitou determinantou cytosolické a mitochondriální metabolické homeostázy. Kromě toho je NAD+ klíčovým substrátem pro více enzymů závislých na NAD+ a je spotřebováván alespoň čtyřmi třídami enzymů zapojených do genomové stability, mitochondriální homeostázy, adaptivních stresových reakcí a přežití buněk, včetně sirtuinů. Modulace subcelulární syntézy NAD+ může regulovat načasování signálních drah. Cirkadiánní rytmy savců jsou koordinovány s metabolickou aktivitou prostřednictvím řízené exprese nikotinamid fosforibosyltransferázy (NAMPT). Regulace NAMPT zase vede k oscilaci úrovní NAD+. Rytmická oscilace NAD+ slouží jako „časovač“ zpětné vazby tím, že moduluje aktivity enzymů závislých na NAD+, včetně sirtuinů, což pomáhá stanovit periodicitu cyklů. Oscilace NAMPT také diktují mitochondriální hladiny NAD+ a koordinují buněčné dýchání s obdobími bdění. V těchto případech modulace hladin NAMPT řídí vzestup a pokles koncentrací NAD+, které slouží k omezení trvání aktivity Sirtuins.

Jemná kontrola neurometabolismu je nezbytná pro funkci mozku, protože neuronální pálení vytváří dynamické změny v místní poptávce po energii. Hypotéza astrocytárního neuronového laktátu (ANLS) poskytuje jeden způsob, jak pochopit, jak jsou tyto měnící se potřeby splněny. V tomto modelu neuronální aktivita zvyšuje extracelulární glutamát, který stimuluje zvýšený příjem glukózy a glykolýzu v astrocytech. V astrocytech je laktát produkován z pyruvátu reverzibilním způsobem pomocí enzymu laktátdehydrogenázy v cytoplazmě. Tento enzym vyžaduje NAD jako kofaktor a jeden NADH se přemění na NAD+, když se jedna molekula pyruvátu přemění na laktát. Astrocyty pak tento laktát uvolňují a zvyšují jeho extracelulární koncentraci. Pro hypotézu ANLS je důležité, že laktát může být využíván blízkými neurony jako zdroj energie.

Dále, vlivem regulace CIR, lidské psychické a fyziologické funkce kolísají s časem během dne. Tento efekt byl pozorován v mnoha kognitivních doménách, stejně jako v rizikovém rozhodování a funkci odměňování.

Hypotézou je, že hladina NAD v mozku je modulována CIR a že redoxní poměr NAD by se měl během dne zvyšovat. Primárním cílem tohoto projektu je zjistit stav NAD v mozku ráno a odpoledne. Mnoho předklinických výsledků naznačovalo denní účinek na mozkovou NAD, ale nejsou k dispozici žádné klinické údaje.

V této studii bude hladina NAD+ a NADH okcipitální oblasti stanovena pomocí 31P-MR spektroskopie při 7 T. Rovněž bude vypočítán celkový NAD (tNAD) a NAD redoxní poměr NAD+/NADH. Měření bude prováděno ráno nalačno (dopoledne) a odpoledne (odpoledne) 3 hodiny po obědě. Aby se potvrdilo, že se měření AM a PM provádějí ve dvou různých cirkadiánních stavech, bude měřen slinný kortizol. Současná detekce jiných energetických metabolitů (např. laktát, PCr, ATP) budou získány pro explorační analýzu. Abychom prozkoumali, jak stav NAD koreluje s behaviorálními měřítky aktivace odměny, bude na konci každé relace dopoledne a odpoledne proveden automatický test BART (Baloon Analogue Risk Task).