Effetto del ritmo circadiano sul NAD cerebrale misurato mediante spettroscopia di risonanza magnetica del fosforo a 7 Tesla (ChronoBrain)

La scoperta dell'orologio circadiano ha stabilito per la prima volta una base genetica per il comportamento e da allora la nostra comprensione del ritmo circadiano (CIR) si è ampliata per fornire approfondimenti molecolari sulla fisiologia e sulla malattia. Tuttavia, la sfida rimane quella di tradurre nella clinica queste intuizioni riguardanti il ​​ruolo del CIR nelle cellule e nei tessuti. Molti esperimenti preclinici meccanicistici hanno dimostrato che il CIR è direttamente collegato ai livelli di nicotinamide adenina dinucleotide (NAD) e al rapporto redox del NAD e che l'ampiezza dell'oscillazione del NAD diminuisce durante l'invecchiamento e nel modello delle malattie neurologiche. I dati umani ex-vivo hanno anche dimostrato che il NAD oscilla nel tempo nei globuli rossi umani. Mentre le prove crescenti negli organismi modello illustrano il ruolo centrale del NAD cerebrale per il mantenimento dell'omeostasi energetica e del CIR, dati simili nell'uomo sono scarsi. Ad oggi, nessuno studio è stato riportato nell'uomo sull'effetto del CIR sui livelli di NAD nel cervello.

Il NAD è un cofattore vitale coinvolto nella bioenergetica cerebrale per il metabolismo e la produzione di adenosina trifosfato (ATP), la valuta energetica del cervello. Il NAD esiste in una forma ossidata (NAD+) o ridotta (NADH), con NAD+/NADH (il rapporto redox) che è un importante determinante dell'omeostasi metabolica citosolica e mitocondriale. Inoltre, il NAD+ è un substrato chiave per più enzimi dipendenti dal NAD+ ed è consumato da almeno quattro classi di enzimi coinvolti nella stabilità genomica, nell'omeostasi mitocondriale, nelle risposte adattative allo stress e nella sopravvivenza cellulare, comprese le sirtuine. La modulazione della sintesi subcellulare di NAD+ può regolare i tempi delle vie di segnalazione. I ritmi circadiani dei mammiferi sono coordinati con l'attività metabolica attraverso l'espressione controllata della nicotinamide fosforibosiltransferasi (NAMPT). La regolazione del NAMPT, a sua volta, si traduce in livelli oscillanti di NAD+. L'oscillazione ritmica del NAD+ funge da "timer" di feedback modulando le attività degli enzimi dipendenti dal NAD+, comprese le sirtuine, aiutando a stabilire la periodicità dei cicli. Le oscillazioni NAMPT dettano anche i livelli mitocondriali di NAD+ e coordinano la respirazione cellulare con i periodi di veglia. In questi casi, la modulazione dei livelli di NAMPT determina l'aumento e la diminuzione delle concentrazioni di NAD+ che servono a limitare la durata dell'attività delle Sirtuine.

Il controllo preciso del neurometabolismo è necessario per la funzione cerebrale, poiché l'attivazione neuronale produce cambiamenti dinamici nella richiesta locale di energia. L'Astrocyte Neuron Lactate Shuttle Hypothesis (ANLS) fornisce un modo per capire come vengono soddisfatte queste mutevoli esigenze. In questo modello, l'attività neuronale aumenta il glutammato extracellulare, che stimola l'aumento dell'assorbimento del glucosio e della glicolisi negli astrociti. All'interno degli astrociti, il lattato viene prodotto dal piruvato in modo reversibile dall'enzima lattato deidrogenasi nel citoplasma. Questo enzima richiede NAD come cofattore e un NADH viene convertito in NAD+ quando una molecola di piruvato viene convertita in lattato. Gli astrociti rilasciano quindi questo lattato, aumentandone la concentrazione extracellulare. Importante per l'ipotesi ANLS, il lattato può essere utilizzato dai neuroni vicini come fonte di energia.

Inoltre, sotto l'influenza del regolamento CIR, le funzioni psicologiche e fisiologiche umane fluttuano nel tempo durante il giorno. Questo effetto è stato osservato in molti domini cognitivi, così come nel processo decisionale rischioso e nella funzione di ricompensa.

L'ipotesi è che il livello di NAD nel cervello sia modulato dal CIR e che il rapporto NAD redox dovrebbe aumentare durante il giorno. L'obiettivo principale di questo progetto è determinare lo stato del NAD cerebrale al mattino e al pomeriggio. Molti risultati preclinici hanno suggerito un effetto diurno sul NAD cerebrale, ma non sono disponibili dati clinici.

In questo studio, il livello di NAD+ e NADH della regione occipitale sarà determinato mediante spettroscopia 31P-MR a 7 T. Verranno calcolati anche il NAD totale (tNAD) e il rapporto NAD redox NAD+/NADH. La misurazione sarà condotta al mattino a digiuno (sessione AM) ea metà pomeriggio (sessione PM) 3 ore dopo l'assunzione del pranzo. Per confermare che le misurazioni AM e PM sono effettuate in due diversi stati circadiani, verrà misurato il cortisolo salivare. Rilevamento simultaneo di altri metaboliti energetici (ad es. lattato, PCr, ATP) saranno acquisiti per l'analisi esplorativa. Per esplorare in che modo lo stato NAD è correlato alle misure comportamentali dell'attivazione della ricompensa, il test automatico Balloon Analogue Risk Task (BART) verrà eseguito alla fine di ogni sessione AM e PM.