Particulele derivate din poluarea aerului disregulează ciclul Krebs hepatic, glucoza și lipidele

Subiecte

O corecție de autor a acestui articol a fost publicată la 16 martie 2020

Acest articol a fost actualizat

Abstract

Introducere

Expunerea la particule de aer ambiant cu substanțe fine (PM2.5) și ultrafine (PM 1. S-a stabilit că PM2.5 este derivat în principal din surse de combustie staționare și legate de trafic declanșează răspunsuri la stres inflamator asociat cu boli pulmonare obstructive cronice (BPOC) ), astmul și afecțiunile cardiovasculare 2,3,4 Studii recente au evidențiat importanța expunerii la poluarea aerului în potențarea riscului de boli metabolice precum diabetul de tip 2 (T2D) 5 și anomaliile metabolice 6,7,8 T2D este, într-adevăr, un factor principal al bolilor cardiovasculare 9 și susceptibilitatea la T2D pot reprezenta un mediator important, dar subapreciat, al riscului pe termen lung ca răspuns la expunerea la poluarea aerului. Studiile epidemiologice au demonstrat o asociere între expunere și rezistența la insulină (IR) și T2D 10. În plus, studiile de expunere controlată au descoperit un răspuns stereotip la poluarea aerului, cum ar fi gluconeogeneza hepatică excesivă, postul și post-prandial hiperglicemie, anomalii ale lipoproteinelor trigliceridice, steatoză hepatică și inflamație 11. De fapt, noi, precum și alți cercetători, am demonstrat rolul important pe care îl joacă poluarea aerului în steatohepatita nealcoolică și disfuncția ficatului gras (NAFLD) 12,13,14 .

În acest studiu am examinat efectele metabolice ca răspuns la expunerea sub-cronică (4 luni) la PM2.5 prin urmărirea 13 C6-glucoză la ficatul șoarecilor utilizând analiza metabolomică stabilă cu izotop rezolvat (SIRM). A fost de un interes deosebit să se studieze aceste efecte la un moment subcronic, spre deosebire de expunerea cronică, înainte de fenotipul stabilit al rezistenței la insulină 15. SIRM este o abordare recunoscută care permite analiza analizei rețelei metabolice pe baza modelelor de etichetare a atomilor de urmărire a numeroșilor metaboliți 16. Rezultatele noastre arată că tratamentul cu PM2.5 a redus glicoliza și ciclul Krebs, dar a îmbunătățit ramura oxidativă a căii pentozfosfatului (OxPPP), precum și datele care sugerează creșterea sintezei acizilor grași. Aceste modificări metabolice sunt similare cu cele observate în IR și T2D; prin urmare, poate fi responsabil pentru efectele dăunătoare asupra sănătății asociate cu expunerea la PM2.5 și dezvoltarea tulburării metabolice.

Rezultate

Scăderea glicolizei hepatice la șoarecii expuși PM2.5

poluarea

Este interesant de remarcat faptul că nivelurile de 13 C-glicogen și glicogen nemarcat în ficat au fost semnificativ reduse la șoarecii expuși PM2,5 pe baza analizei RMN, așa cum se arată în Fig. 2a, b și figurile suplimentare. 5. Epuizarea 13-glicogenului, împreună cu scăderea glicolizei, indică sinteza atenuată a glicogenului și, astfel, scăderea depunerii de glicogen în ficat.

Analiza RMN 1 H arată că 13 C (A) și 12 C () glicogenul este redus în ficatul șoarecilor expuși la PM2,5 (PM) comparativ cu controlul aerului filtrat (FA). Barele de erori reprezintă o eroare standard. Student t-analiza testului datelor nepereche cu varianță egală ( = 5) și rezultat -valorile afișate.

Expunerea la PM2.5 crește ramura oxidativă a căii pentozfosfatului

Apoi, am examinat încorporarea 13 C din 13 C-glucoză în PPP. Analiza IC-FTMS a arătat o creștere nesemnificativă a nivelurilor de fosforat 5-fosfat (R5P) și 13 C5-sedoheptuloză-7-fosfat (S7P) marcate, împreună cu o creștere atât a nivelurilor totale de fosforibosil pirofosfat (PRPP), cât și a celor 13 C la șoareci expuși PM2.5, așa cum este descris în Fig. 3a, b, d. În concordanță cu faptul că PRPP este donatorul de ribozil al sintezei de nucleotide, am observat o creștere semnificativă a 13 C5-ATP (Fig. 3c) în ficatul expus la PM2.5, care probabil prezintă 13 C5-riboză în ATP 18. Împreună, aceste rezultate susțin un flux crescut de carbon de la glucoză la ATP prin PPP. Mai mult decât atât, am observat epuizarea ATP neetichetat (12 C) la ficatul șoarecilor expuși la PM2,5 (Fig. 3c), care ar putea rezulta din scăderea glicolizei și a ciclului Krebs compromis (vezi mai jos).

Metaboliții căii pentozei fosfat (PPP) cuantificate prin IC-FTMS. Afișat este media sumei tuturor izotopologilor 13 C și 12 C (bare solide) și a sumei tuturor izotopologilor 13 C sau a celor 13 C specifici izotopolog așa cum este indicat în text (bare texturate). PM, PM2,5 expus; FA, control al aerului filtrat. R5P, riboză-5-fosfat; PRPP, fosforibozil pirofosfat; S7P, sedoheptuloză-7-fosfat. Barele de erori reprezintă o eroare standard. Student t-analiza testului datelor nepereche cu varianță egală ( = 4) și -valorile prezentate considerate semnificative folosind procedura Benjamini-Hochberg (FDR = 0,1).

PPP constă din două brațe, nonOxPPP (Fig. 1a) și oxidativ (OxPPP), care produce R5P și NADPH. Creșterea substanțială a 13 C5-S7P și a nivelurilor totale de NADPH în PM2.5 față de ficatul expus la șoareci FA (Fig. 3d, e; cf. Fig. 1, schemă) este în concordanță cu OxPPP îmbunătățit probabil ca răspuns la ROS. Am măsurat, de asemenea, încorporarea a 13 C din glucoză în glutationul antioxidant (GSH) de către IC-FTMS și am constatat că atât GSH total cât și 13 C au fost reduse (Fig. 3f) la șoarecii expuși PM2.5 în ciuda acumulării de NADPH. Acest lucru sugerează compromisul capacității de sinteză a GSH, ceea ce duce la menținerea inadecvată a homeostaziei redox.

Dereglarea ciclului hepatic Krebs la șoarecii expuși PM2.5

Am demonstrat anterior anomalii marcate în structura mitocondrială ca răspuns la expunerea la PM2,5 15. Prin urmare, am examinat ficatul șoarecilor expuși PM2.5 și FA pentru intermediarii ciclului Krebs și încorporarea 13 C din 13 C6-glucoză (Fig. 4a). Introducerea a 13 carboni derivați din glucoză C6 în ciclul Krebs prin acetil-CoA are ca rezultat marcarea citratului cu 13 C2 (m + 2). 13 C2-citratul a fost redus semnificativ în ficatul expus la PM2.5 pe baza analizei IC-FTMS și GC-MS așa cum se arată în Fig. 4b și figurile suplimentare. 2b, respectiv. De asemenea, am observat marcarea redusă a 13 C2 a intermediarilor ciclului Krebs în aval de citrat, inclusiv succinat, fumarat și malat (Fig. 4c - e). Am măsurat nivelurile de 13 C2-aspartat ca metabolit surogat pentru oxaloacetat (OAA), deoarece OAA este foarte labil și dificil de măsurat direct. 13 C2-aspartatul a fost redus semnificativ la ficatul expus la PM2.5 (Fig. 4f). În plus, analiza IC-FTMS a intermediarilor 13 C3 (m + 3) (Fig. Suplimentară 3) sugerează scăderea intrării de la 13 C3-piruvat în ciclul Krebs prin carboxilarea piruvatului 19. În ciuda scăderii a 13 metaboliți ai ciclului Krebs derivat din glucoză C6, intermediarii totali ai ciclului Krebs nemarcat au fost nemodificați, cu excepția malatului și aspartatului, care au scăzut în ficatul PM2,5.