Auswirkung des zirkadianen Rhythmus auf die NAD des Gehirns, gemessen durch Phosphor-Magnetresonanzspektroskopie bei 7 Tesla (ChronoBrain)

Die Entdeckung der zirkadianen Uhr hat erstmals eine genetische Grundlage für das Verhalten geschaffen, und unser Verständnis des zirkadianen Rhythmus (CIR) hat sich seitdem erweitert, um molekulare Einblicke in Physiologie und Krankheit zu liefern. Es bleibt jedoch die Herausforderung, diese Erkenntnisse über die Rolle der CIR in Zellen und Geweben in die Klinik zu übertragen. Viele mechanistische präklinische Experimente haben gezeigt, dass die CIR direkt mit den Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD)-Spiegeln und dem NAD-Redoxverhältnis verbunden ist und dass die NAD-Oszillationsamplitude während des Alterns und im Modell neurologischer Erkrankungen verringert wird. Menschliche Ex-vivo-Daten haben auch gezeigt, dass NAD in menschlichen roten Blutkörperchen im Laufe der Zeit oszilliert. Während zunehmende Beweise in Modellorganismen die zentrale Rolle von NAD im Gehirn für die Aufrechterhaltung der Energiehomöostase und der CIR veranschaulichen, sind ähnliche Daten beim Menschen spärlich. Bis heute wurde über keine Studie am Menschen über die Wirkung der CIR auf die NAD-Spiegel im Gehirn berichtet.

NAD ist ein lebenswichtiger Cofaktor, der an der Bioenergetik des Gehirns für den Stoffwechsel und die Produktion von Adenosintriphosphat (ATP), der Energiewährung des Gehirns, beteiligt ist. NAD liegt in oxidierter (NAD+) oder reduzierter (NADH) Form vor, wobei NAD+/NADH (das Redoxverhältnis) eine wichtige Determinante der zytosolischen und mitochondrialen metabolischen Homöostase ist. Darüber hinaus ist NAD+ ein Schlüsselsubstrat für mehrere NAD+-abhängige Enzyme und wird von mindestens vier Klassen von Enzymen verbraucht, die an der genomischen Stabilität, der mitochondrialen Homöostase, adaptiven Stressreaktionen und dem Überleben von Zellen beteiligt sind, einschließlich Sirtuinen. Die Modulation der subzellulären NAD+-Synthese kann das Timing von Signalwegen regulieren. Die zirkadianen Rhythmen von Säugetieren werden durch die kontrollierte Expression der Nicotinamid-Phosphoribosyltransferase (NAMPT) mit der Stoffwechselaktivität koordiniert. Die Regulierung von NAMPT wiederum führt zu oszillierenden NAD+-Spiegeln. Die rhythmische Oszillation von NAD+ dient als Feedback-„Timer“, indem sie die Aktivitäten von NAD+-abhängigen Enzymen, einschließlich Sirtuinen, moduliert und dabei hilft, die Periodizität der Zyklen festzulegen. NAMPT-Oszillationen diktieren auch die mitochondrialen NAD+-Spiegel und koordinieren die Zellatmung mit Wachphasen. In diesen Fällen treibt die Modulation der NAMPT-Spiegel den Anstieg und Abfall der NAD+-Konzentrationen voran, die dazu dienen, die Dauer der Sirtuin-Aktivität zu begrenzen.

Eine genaue Kontrolle des Neurostoffwechsels ist für die Gehirnfunktion notwendig, da das Feuern der Neuronen dynamische Änderungen des lokalen Energiebedarfs hervorruft. Die Astrozyten-Neuron-Laktat-Shuttle-Hypothese (ANLS) bietet eine Möglichkeit zu verstehen, wie diese sich ändernden Bedürfnisse erfüllt werden. In diesem Modell erhöht die neuronale Aktivität das extrazelluläre Glutamat, das eine erhöhte Glukoseaufnahme und Glykolyse in Astrozyten stimuliert. In Astrozyten wird Laktat durch das Enzym Laktatdehydrogenase im Zytoplasma reversibel aus Pyruvat produziert. Dieses Enzym benötigt NAD als Cofaktor und ein NADH wird in NAD+ umgewandelt, wenn ein Pyruvatmolekül in Laktat umgewandelt wird. Die Astrozyten setzen dann dieses Laktat frei und erhöhen seine extrazelluläre Konzentration. Wichtig für die ANLS-Hypothese ist, dass Laktat von nahegelegenen Neuronen als Energiequelle genutzt werden kann.

Darüber hinaus schwanken unter dem Einfluss der CIR-Regulierung die psychologischen und physiologischen Funktionen des Menschen mit der Zeit während des Tages. Dieser Effekt wurde in vielen kognitiven Bereichen sowie bei riskanten Entscheidungen und Belohnungsfunktionen beobachtet.

Die Hypothese ist, dass der NAD-Spiegel im Gehirn durch die CIR moduliert wird und dass das NAD-Redoxverhältnis im Laufe des Tages steigen sollte. Das primäre Ziel dieses Projektes ist es, den NAD-Status des Gehirns morgens und nachmittags zu bestimmen. Viele vorklinische Ergebnisse deuten auf eine tägliche Wirkung auf NAD im Gehirn hin, klinische Daten sind jedoch nicht verfügbar.

In dieser Studie werden NAD+- und NADH-Spiegel der Okzipitalregion durch 31P-MR-Spektroskopie bei 7 T bestimmt. Gesamt-NAD (tNAD) und NAD-Redoxverhältnis NAD+/NADH werden ebenfalls berechnet. Die Messung wird morgens im nüchternen Zustand (AM-Sitzung) und am Nachmittag (PM-Sitzung) 3 Stunden nach der Mittagsaufnahme durchgeführt. Um zu bestätigen, dass die AM- und PM-Messungen in zwei verschiedenen zirkadianen Zuständen durchgeführt werden, wird das Speichel-Cortisol gemessen. Gleichzeitiger Nachweis anderer Energiemetabolite (z.B. Laktat, PCr, ATP) werden für die explorative Analyse erfasst. Um zu untersuchen, wie der NAD-Status mit Verhaltensmessungen der Belohnungsaktivierung korreliert, wird der automatische Balloon Analogue Risk Task (BART)-Test am Ende jeder AM- und PM-Sitzung durchgeführt.