Effect van circadiaans ritme op hersen-NAD gemeten met fosfor-magnetische resonantiespectroscopie bij 7 Tesla (ChronoBrain)

De ontdekking van de circadiane klok legde voor het eerst een genetische basis voor gedrag vast, en ons begrip van het circadiane ritme (CIR) is sindsdien uitgebreid om moleculaire inzichten in fysiologie en ziekte te verschaffen. Toch blijft het een uitdaging om deze inzichten over de rol van de CIR in cellen en weefsels te vertalen naar de kliniek. Veel mechanistische preklinische experimenten hebben aangetoond dat de CIR direct verband houdt met de niveaus van nicotinamide-adenine-dinucleotide (NAD) en de NAD-redoxverhouding en dat de NAD-oscillatieamplitude afneemt tijdens veroudering en in het model van neurologische aandoeningen. Menselijke ex-vivo-gegevens hebben ook aangetoond dat NAD in de loop van de tijd oscilleert in menselijke rode bloedcellen. Terwijl toenemend bewijs in modelorganismen de centrale rol van NAD in de hersenen illustreert voor het handhaven van energiehomeostase en de CIR, zijn vergelijkbare gegevens bij de mens schaars. Tot op heden is er bij de mens geen onderzoek gerapporteerd naar het effect van de CIR op de NAD-niveaus in de hersenen.

NAD is een essentiële cofactor die betrokken is bij de bio-energetica van de hersenen voor het metabolisme en de productie van adenosinetrifosfaat (ATP), de energievaluta van de hersenen. NAD bestaat in een geoxideerde (NAD+) of gereduceerde (NADH) vorm, waarbij NAD+/NADH (de redoxverhouding) een belangrijke determinant is van cytosolische en mitochondriale metabole homeostase. Bovendien is NAD+ een belangrijk substraat voor meerdere NAD+-afhankelijke enzymen en wordt het geconsumeerd door ten minste vier klassen van enzymen die betrokken zijn bij genomische stabiliteit, mitochondriale homeostase, adaptieve stressreacties en celoverleving, waaronder Sirtuins. Modulatie van subcellulaire NAD+-synthese kan de timing van signaalroutes reguleren. Circadiane ritmes van zoogdieren worden gecoördineerd met metabole activiteit door gecontroleerde expressie van Nicotinamide-fosforibosyltransferase (NAMPT). Regulering van NAMPT resulteert op zijn beurt in oscillerende NAD+ niveaus. De ritmische oscillatie van NAD+ dient als feedback 'timer' door de activiteiten van NAD+-afhankelijke enzymen, waaronder sirtuïnes, te moduleren, wat helpt om de periodiciteit van de cycli vast te stellen. NAMPT-oscillaties dicteren ook mitochondriale NAD+-niveaus en coördineren cellulaire ademhaling met wakkere perioden. In deze gevallen drijft modulatie van NAMPT-niveaus de stijging en daling van NAD + -concentraties aan die dienen om de duur van Sirtuins-activiteit te beperken.

Een nauwkeurige controle van het neurometabolisme is noodzakelijk voor de hersenfunctie, omdat het afvuren van neuronen dynamische veranderingen in de lokale energievraag veroorzaakt. De Astrocyte Neuron Lactate Shuttle Hypothesis (ANLS) biedt een manier om te begrijpen hoe aan deze veranderende behoeften wordt voldaan. In dit model verhoogt neuronale activiteit extracellulair glutamaat, wat een verhoogde glucoseopname en glycolyse in astrocyten stimuleert. Binnen astrocyten wordt lactaat op een omkeerbare manier geproduceerd uit pyruvaat door het lactaatdehydrogenase-enzym in het cytoplasma. Dit enzym heeft NAD nodig als co-factor en één NADH wordt omgezet in NAD+ wanneer één pyruvaatmolecuul wordt omgezet in lactaat. De astrocyten geven vervolgens dit lactaat vrij, waardoor de extracellulaire concentratie toeneemt. Belangrijk voor de ANLS-hypothese is dat lactaat door nabijgelegen neuronen kan worden gebruikt als energiebron.

Bovendien fluctueren de menselijke psychologische en fysiologische functies onder invloed van de CIR-regeling gedurende de dag met de tijd. Dit effect is waargenomen in veel cognitieve domeinen, evenals in risicovolle besluitvorming en beloningsfuncties.

De hypothese is dat het NAD-niveau in de hersenen wordt gemoduleerd door de CIR en dat de NAD-redoxratio gedurende de dag zou moeten toenemen. Het primaire doel van dit project is het bepalen van de NAD-status van de hersenen in de ochtend en in de middag. Veel preklinische resultaten hebben een diurnaal effect op NAD in de hersenen gesuggereerd, maar er zijn geen klinische gegevens beschikbaar.

In deze studie zal het NAD+- en NADH-niveau van de occipitale regio worden bepaald door middel van 31P-MR-spectroscopie bij 7 T. Totale NAD (tNAD) en NAD redoxratio NAD+/NADH zullen ook worden berekend. De meting wordt 's morgens uitgevoerd in nuchtere toestand (AM-sessie) en halverwege de middag (PM-sessie) 3 uur na de lunchinname. Om te bevestigen dat de AM- en PM-metingen in twee verschillende circadiane toestanden worden uitgevoerd, wordt speekselcortisol gemeten. Gelijktijdige detectie van andere energiemetabolieten (bijv. lactaat, PCr, ATP) worden verkregen voor verkennende analyse. Om te onderzoeken hoe de NAD-status correleert met gedragsmetingen van beloningsactivering, wordt de automatische Balloon Analogue Risk Task (BART) -test uitgevoerd aan het einde van elke AM- en PM-sessie.