Effekt av dygnsrytm på hjärnans NAD mätt med fosformagnetisk resonansspektroskopi vid 7 Tesla (ChronoBrain)

Upptäckten av dygnsklockan etablerade först en genetisk grund för beteende, och vår förståelse av dygnsrytm (CIR) har sedan dess utökats för att ge molekylära insikter om fysiologi och sjukdomar. Ändå kvarstår utmaningen att översätta dessa insikter om CIR:s roll i celler och vävnader till kliniken. Många mekanistiska prekliniska experiment har visat att CIR är direkt kopplat till nivåerna av nikotinamidadenin-dinukleotid (NAD) och NAD-redoxförhållandet och att NAD-oscillationsamplituden minskar under åldrande och i modellen för neurologiska sjukdomar. Human ex-vivo-data har också visat att NAD svänger över tiden i mänskliga röda blodkroppar. Medan ökande bevis i modellorganismer illustrerar hjärnans NADs centrala roll för att upprätthålla energihomeostas och CIR, är liknande data hos människor sparsamma. Hittills har ingen studie rapporterats på människa om effekten av CIR på hjärnans NAD-nivåer.

NAD är en viktig kofaktor involverad i hjärnans bioenergetik för metabolism och produktion av adenosintrifosfat (ATP), hjärnans energivaluta. NAD finns i en oxiderad (NAD+) eller reducerad (NADH) form, där NAD+/NADH (redoxförhållandet) är en viktig determinant för cytosolisk och mitokondriell metabolisk homeostas. Dessutom är NAD+ ett nyckelsubstrat för flera NAD+-beroende enzymer och konsumeras av minst fyra klasser av enzymer involverade i genomisk stabilitet, mitokondriell homeostas, adaptiva stressresponser och cellöverlevnad, inklusive Sirtuins. Modulering av subcellulär NAD+-syntes kan reglera tidpunkten för signalvägar. Däggdjurs dygnsrytm koordineras med metabolisk aktivitet genom kontrollerat uttryck av nikotinamidfosforibosyltransferas (NAMPT). Reglering av NAMPT resulterar i sin tur i oscillerande NAD+-nivåer. Den rytmiska oscillationen av NAD+ fungerar som en "timer" för återkoppling genom att modulera aktiviteterna hos NAD+-beroende enzymer, inklusive sirtuiner, vilket hjälper till att fastställa periodiciteten för cyklerna. NAMPT-svängningar dikterar också mitokondriella NAD+-nivåer och koordinerar cellandning med vakna perioder. I dessa fall driver modulering av NAMPT-nivåer ökningen och fallet av NAD+-koncentrationer som tjänar till att begränsa varaktigheten av Sirtuins aktivitet.

Fin kontroll av neurometabolism är nödvändig för hjärnans funktion, eftersom neuronal avfyring producerar dynamiska förändringar i det lokala energibehovet. Astrocyte Neuron Lactate Shuttle Hypothesis (ANLS) ger ett sätt att förstå hur dessa förändrade behov tillgodoses. I denna modell ökar neuronal aktivitet extracellulärt glutamat, vilket stimulerar ökat glukosupptag och glykolys i astrocyter. Inom astrocyter produceras laktat från pyruvat på ett reversibelt sätt av laktatdehydrogenasenzymet i cytoplasman. Detta enzym kräver NAD som en kofaktor och en NADH omvandlas till NAD+ när en pyruvatmolekyl omvandlas till laktat. Astrocyterna frisätter sedan detta laktat, vilket ökar dess extracellulära koncentration. Viktigt för ANLS-hypotesen kan laktat användas av närliggande neuroner som en energikälla.

Vidare, under påverkan av CIR-förordningen, fluktuerar människans psykologiska och fysiologiska funktioner med tiden under dagen. Denna effekt har observerats i många kognitiva domäner, såväl som i riskfyllt beslutsfattande och belöningsfunktion.

Hypotesen är att hjärnans NAD-nivå moduleras av CIR och att NAD-redoxkvoten bör öka under dagen. Det primära målet med detta projekt är att fastställa hjärnans NAD-status på morgonen och på eftermiddagen. Många prekliniska resultat har föreslagit en dygnseffekt på hjärnans NAD, men inga kliniska data finns tillgängliga.

I denna studie kommer NAD+- och NADH-nivån i den occipitala regionen att bestämmas med 31P-MR-spektroskopi vid 7 T. Total NAD (tNAD) och NAD-redoxförhållande NAD+/NADH kommer också att beräknas. Mätningen kommer att utföras på morgonen i fastande tillstånd (AM-session) och mitt på eftermiddagen (PM-session) 3 timmar efter lunchintaget. För att bekräfta att AM- och PM-mätningarna görs i två olika dygnslägen kommer spottisol att mätas. Samtidig detektering av andra energimetaboliter (t.ex. laktat, PCr, ATP) kommer att förvärvas för explorativ analys. För att utforska hur NAD-status korrelerar med beteendemässiga mått på belöningsaktivering, kommer det automatiska Balloon Analogue Risk Task (BART)-testet att utföras i slutet av varje AM- och PM-session.