Wpływ rytmu okołodobowego na NAD mózgu mierzony za pomocą spektroskopii rezonansu magnetycznego fosforu przy 7 Tesli (ChronoBrain)

Odkrycie zegara okołodobowego po raz pierwszy stworzyło genetyczną podstawę zachowania, a od tego czasu nasze rozumienie rytmu okołodobowego (CIR) rozszerzyło się, zapewniając molekularny wgląd w fizjologię i choroby. Jednak wyzwaniem pozostaje przełożenie tych spostrzeżeń dotyczących roli CIR w komórkach i tkankach na praktykę kliniczną. Wiele mechanistycznych eksperymentów przedklinicznych wykazało, że CIR jest bezpośrednio powiązany z poziomami dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NAD) i stosunkiem redoks NAD oraz że amplituda oscylacji NAD zmniejsza się podczas starzenia iw modelu chorób neurologicznych. Ludzkie dane ex-vivo wykazały również, że NAD oscyluje w czasie w ludzkich krwinkach czerwonych. Podczas gdy coraz więcej dowodów w organizmach modelowych ilustruje centralną rolę NAD mózgu w utrzymaniu homeostazy energetycznej i CIR, podobnych danych dotyczących ludzi jest niewiele. Do tej pory nie zgłoszono żadnego badania na ludziach dotyczącego wpływu CIR na poziomy NAD w mózgu.

NAD jest istotnym kofaktorem zaangażowanym w bioenergetykę mózgu w metabolizmie i produkcji trifosforanu adenozyny (ATP), waluty energetycznej mózgu. NAD występuje w postaci utlenionej (NAD+) lub zredukowanej (NADH), przy czym NAD+/NADH (stosunek redoks) jest ważnym wyznacznikiem cytozolowej i mitochondrialnej homeostazy metabolicznej. Ponadto NAD+ jest kluczowym substratem dla wielu enzymów zależnych od NAD+ i jest zużywany przez co najmniej cztery klasy enzymów zaangażowanych w stabilność genomu, homeostazę mitochondriów, adaptacyjne reakcje na stres i przeżycie komórek, w tym sirtuiny. Modulacja subkomórkowej syntezy NAD+ może regulować synchronizację szlaków sygnałowych. Rytmy okołodobowe ssaków są skoordynowane z aktywnością metaboliczną poprzez kontrolowaną ekspresję fosforybozylotransferazy nikotynamidu (NAMPT). Z kolei regulacja NAMPT skutkuje oscylacją poziomów NAD+. Rytmiczne oscylacje NAD+ służą jako „zegar” ze sprzężeniem zwrotnym, modulując aktywność enzymów zależnych od NAD+, w tym sirtuin, pomagając ustalić okresowość cykli. Oscylacje NAMPT dyktują również mitochondrialne poziomy NAD + i koordynują oddychanie komórkowe z okresami czuwania. W takich przypadkach modulacja poziomów NAMPT powoduje wzrost i spadek stężeń NAD+, które służą ograniczeniu czasu trwania aktywności sirtuin.

Dokładna kontrola neurometabolizmu jest niezbędna do funkcjonowania mózgu, ponieważ odpalanie neuronów powoduje dynamiczne zmiany lokalnego zapotrzebowania na energię. Hipoteza Astrocyte Neuron Lactate Shuttle (ANLS) zapewnia jeden ze sposobów zrozumienia, w jaki sposób te zmieniające się potrzeby są zaspokajane. W tym modelu aktywność neuronów zwiększa zewnątrzkomórkowy glutaminian, który stymuluje zwiększony wychwyt glukozy i glikolizę w astrocytach. W astrocytach mleczan jest wytwarzany z pirogronianu w sposób odwracalny przez enzym dehydrogenazę mleczanową w cytoplazmie. Enzym ten wymaga NAD jako kofaktora, a jeden NADH jest przekształcany w NAD+, gdy jedna cząsteczka pirogronianu jest przekształcana w mleczan. Następnie astrocyty uwalniają ten mleczan, zwiększając jego stężenie pozakomórkowe. Co ważne dla hipotezy ANLS, mleczan może być wykorzystywany przez pobliskie neurony jako źródło energii.

Ponadto pod wpływem rozporządzenia CIR funkcje psychiczne i fizjologiczne człowieka ulegają fluktuacjom w czasie w ciągu dnia. Efekt ten zaobserwowano w wielu domenach poznawczych, a także w ryzykownym podejmowaniu decyzji i funkcji nagrody.

Hipoteza jest taka, że ​​poziom NAD w mózgu jest modulowany przez CIR i że stosunek redoks NAD powinien wzrastać w ciągu dnia. Głównym celem tego projektu jest określenie statusu NAD mózgu rano i po południu. Wiele wyników badań przedklinicznych sugerowało dzienny wpływ na NAD mózgu, jednak żadne dane kliniczne nie są dostępne.

W tym badaniu poziom NAD+ i NADH w okolicy potylicznej zostanie określony za pomocą spektroskopii 31P-MR przy 7 T. Całkowity NAD (tNAD) i stosunek redoks NAD+/NADH również zostaną obliczone. Pomiar zostanie przeprowadzony rano na czczo (sesja AM) i po południu (sesja PM) 3 godziny po spożyciu obiadu. Aby potwierdzić, że pomiary AM i PM są wykonywane w dwóch różnych stanach okołodobowych, zostanie zmierzony poziom kortyzolu w ślinie. Jednoczesna detekcja innych metabolitów energetycznych (np. mleczan, PCr, ATP) zostaną pozyskane do analizy eksploracyjnej. Aby zbadać, w jaki sposób status NAD koreluje z behawioralnymi miarami aktywacji nagrody, na koniec każdej sesji przed południem i po południu zostanie przeprowadzony automatyczny test BART (Balloon Analogue Risk Task).