Частинки речовини, забруднені повітрям, не регулюють печінковий цикл Кребса, глюкозу та ліпіди
Предмети
Авторська виправлення до цієї статті було опубліковано 16 березня 2020 року
Ця стаття оновлена
Анотація
Вступ
Вплив твердих частинок навколишнього повітря з дрібними (РМ2,5) та надтонкими (ПМ 1. Встановлено, що РМ2,5 переважно походить від стаціонарних джерел горіння, пов’язаних з дорожнім рухом, викликають реакції запального стресу, пов’язані з хронічною обструктивною хворобою легень (ХОЗЛ), астма та серцево-судинні захворювання 2,3,4.Недавні дослідження підкреслили важливість впливу забруднення повітря для посилення ризику метаболічних захворювань, таких як діабет 2 типу (T2D) 5 та метаболічних відхилень 6,7,8., головним фактором серцево-судинних захворювань 9 та сприйнятливості до T2D, може бути важливим, але недооціненим посередником довгострокового ризику у відповідь на вплив забруднення повітря. Епідеміологічні дослідження продемонстрували зв'язок між експозицією та резистентністю до інсуліну (IR) та T2D 10. Крім того, дослідження контрольованого опромінення виявили стереотипну реакцію на забруднення повітря, таку як надмірний печінковий глюконеогенез, голодування та постпрандіальне лікування гіперглікемія, порушення рівня ліпопротеїдів тригліцеридів, стеатоз печінки та запалення 11. Насправді ми, як і інші дослідники, продемонстрували важливу роль забруднення повітря у неалкогольному стеатогепатиті та жировій дисфункції печінки (NAFLD) 12,13,14 .
У цьому дослідженні ми вивчали метаболічні ефекти у відповідь на субхронічний (4 місяці) вплив РМ2,5 шляхом відстеження 13 глюкози С6 у печінці миші, використовуючи аналіз стабільної ізотопної метаболоміки (SIRM). Особливий інтерес представляв вивчення цих ефектів у субхронічний момент часу, на відміну від хронічного впливу, до встановленого фенотипу інсулінорезистентності 15. SIRM - це визнаний підхід, який дозволяє аналізувати аналіз метаболічної мережі на основі моделей маркування атомів-індукторів численних метаболітів 16. Наші результати показують, що лікування PM2,5 зменшує гліколіз і цикл Кребса, але посилює окислювальну гілку пентозофосфатного шляху (OxPPP), а також дані, що свідчать про посилений синтез жирних кислот. Ці метаболічні зміни подібні до тих, що спостерігаються при ІЧ та T2D; отже, може бути відповідальним за шкідливі наслідки для здоров'я, пов'язані з експозицією ПМ2,5 та розвитком метаболічних розладів.
Результати
Зниження печінкового гліколізу у мишей, що зазнали впливу РМ2,5
Цікаво відзначити, що рівні як 13 С-глікогену, так і немеченого глікогену в печінці значно знижувались у мишей, що зазнали впливу РМ2,5, на основі аналізу ЯМР, як показано на рис. 2а, b та додатковій фіг. 5. Виснаження 13 С-глікоген, разом зі зниженим гліколізом, вказує на ослаблений синтез глікогену і, таким чином, зменшення відкладення глікогену в печінці.
1 H ЯМР-аналіз показує, що 13 C (a) і 12 С () глікоген знижується в печінці мишей, що зазнали впливу PM2,5 (PM), порівняно з контролем фільтрованого повітря (FA). Смужки помилок представляють стандартну помилку. Студент т-тестовий аналіз неспарених даних з однаковою дисперсією ( = 5) і в результаті стор-відображаються значення.
Експозиція PM2,5 збільшує окислювальну гілку пентозофосфатного шляху
Далі ми дослідили включення 13 C з 13 C-глюкози в PPP. Аналіз IC-FTMS продемонстрував незначне збільшення рівнів 13 С міченого рибоза-5-фосфату (R5P) і 13 С5-седогептулоза-7-фосфату (S7P) разом із підвищенням загального і 13 С міченого фосфорибозилпірофосфату (PRPP) у мишей, що зазнали впливу PM2,5, як показано на рис. 3a, b, d. Подібно до того, як PRPP є донором рибозилу синтезу нуклеотидів, ми спостерігали значне збільшення 13 C5-ATP (рис. 3c) у печінці, що зазнала впливу PM2.5, що, імовірно, являє собою 13 C5-рибозу в ATP 18. Разом ці результати підтримують збільшений приплив вуглецю від глюкози до АТФ через ППС. Більше того, ми помітили виснаження немеченого (12 С) АТФ у печінках мишей, що зазнали впливу РМ2,5 (рис. 3в), що може бути наслідком зниженого рівня гліколізу та порушеного циклу Кребса (див. Нижче).
Метаболіти пентозофосфатного шляху (PPP), кількісно визначені за допомогою IC-FTMS. Показано середнє значення суми всіх ізотопологів 13 С та 12 С (суцільні смужки) та суми всіх ізотологів 13 С або конкретних 13 С ізотополог, як зазначено в тексті (текстуровані смуги). PM, PM2,5 піддається; FA, фільтрований контроль повітря. R5P, рибоза-5-фосфат; PRPP, фосфорибозилпірофосфат; S7P, седогептулоза-7-фосфат. Смужки помилок представляють стандартну помилку. Студент т-тестовий аналіз неспарених даних з однаковою дисперсією ( = 4) і стор-показані значення вважаються значущими за допомогою процедури Бенджаміні-Хохберга (FDR = 0,1).
PPP складається з двох плечей, неOxPPP (рис. 1а) та окисного (OxPPP), який виробляє R5P та NADPH. Значне підвищення рівня 13 C5-S7P та загального рівня НАДФН у РМ2,5 проти печінки мишей, що зазнали впливу ФА (рис. 3d, е; пор. Рис. 1, схема), узгоджується із посиленням OxPPP, імовірно, у відповідь на АФК. Ми також виміряли включення 13 C з глюкози в антиоксидант глутатіон (GSH) за допомогою IC-FTMS і виявили, що як загальний, так і 13 C, мічений GSH, були зменшені (рис. 3f) у мишей, що зазнали впливу PM2.5, незважаючи на накопичення NADPH. Це свідчить про порушену здатність синтезу GSH, що веде до неадекватного підтримання окисно-відновного гомеостазу.
Порушення регуляції печінкового циклу Кребса у мишей, що зазнали впливу PM2.5
Раніше ми демонстрували помітні відхилення в структурі мітохондрій у відповідь на вплив PM2,5 15. Таким чином, ми дослідили печінку мишей, опромінених РМ2,5 та ФА, для проміжних продуктів циклу Кребса та включення 13 C із 13 C6-глюкози (рис. 4а). Вступ 13 вуглеводнів, одержуваних глюкозою C6, у цикл Кребса через ацетил-КоА призводить до мічення цитратом 13 С2 (m + 2). 13 C2-цитрату значно знизився у печінці, що зазнала впливу PM2.5, на основі аналізу IC-FTMS та GC-MS, як показано на рис. 4b та додатковому рис. 2b, відповідно. Ми також спостерігали зниження маркування 13 C2 проміжних речовин циклу Кребса нижче за течією цитрату, включаючи сукцинат, фумарат та малат (рис. 4в – е). Ми виміряли рівні 13 С2-аспартату як сурогатного метаболіту для оксалоацетату (ОАА), оскільки ОАА є надзвичайно лабільним і важко виміряти безпосередньо. 13 С2-аспартату було значно знижено у печінці, що зазнала впливу РМ2,5 (рис. 4f). Крім того, аналіз IC-FTMS 13 проміжних сполук C3 (m + 3) (додаткова фіг. 3) свідчить про зменшення надходження 13 C3-пірувату в цикл Кребса через карбоксилювання пірувату 19. Незважаючи на зменшення 13 метаболітів циклу Кребса, одержуваних C6-глюкозою, загальні немічені проміжні продукти циклу Кребса були незмінними, за винятком малату та аспартату, які зменшились у РМ2,5 у печінці.