Bảo vệ thần kinh bằng metformin và thymoquinone chống lại sự thoái hóa thần kinh gây ra bởi ethanol ở các tế bào vỏ não chuột cận huyết

Springer Science and Business Media LLC - 2012
Ikram Ullah1, Najeeb Ullah1, Muhammad Imran Naseer1, Hae Young Lee1, Myeong O.K. Kim1
1Department of Biology, College of Natural Sciences (RINS) and Applied Life Science (BK 21), Gyeongsang National University, Jinju, 660-701, Republic of Korea

Tóm tắt

Tóm tắt Đặt vấn đề Sự tiếp xúc với ethanol trong giai đoạn phát triển sớm gây ra cái chết tế bào thần kinh nghiêm trọng bằng cách kích hoạt nhiều con đường căng thẳng và gây ra các rối loạn thần kinh, chẳng hạn như ảnh hưởng của rượu đối với thai nhi hoặc hội chứng rượu bào thai. Nghiên cứu này đã điều tra tác động của ethanol đối với các sự kiện nội bào khiến cho các tế bào thần kinh đang phát triển dễ bị apoptosis thông qua tín hiệu trung gian canxi. Mặc dù các cơ chế phân tử gây độc thần kinh của ethanol chưa được xác định hoàn toàn, nhưng sự rối loạn chức năng ty thể, sự thay đổi cân bằng canxi và các protein liên quan đến apoptotic đã được liên quan đến độc tính của ethanol. Nghiên cứu hiện tại được thiết kế để đánh giá các cơ chế bảo vệ thần kinh của metformin (Met) và thymoquinone (TQ) trong điều kiện độc tính của ethanol ở các tế bào vỏ não chuột con trong ngày mang thai (GD) 17.5. Kết quả Chúng tôi phát hiện rằng Met và TQ, tách riêng và kết hợp, tăng cường sự sống sót của tế bào sau khi tiếp xúc với ethanol (100 mM) trong 12 giờ và làm giảm sự gia tăng canxi tự do trong bào tương [Ca2+]c. Hơn nữa, Met và TQ duy trì thế điện sinh lý bình thường của ty thể (ΔψM), thường bị giảm bởi sự tiếp xúc với ethanol. Sự gia tăng canxi tự do trong bào tương [Ca2+]c và sự giảm thế điện màng ty thể sau khi tiếp xúc với ethanol đã làm giảm đáng kể sự biểu hiện của một protein chống apoptotic chính (Bcl-2), tăng biểu hiện của Bax, và kích thích sự giải phóng cytochrome-c từ ty thể. Việc điều trị bằng Met và TQ đã ức chế chuỗi quá trình apoptotic bằng cách tăng biểu hiện của Bcl-2. Các hợp chất này cũng ức chế sự kích hoạt của caspase-9 và caspase-3 và giảm sự cắt PARP-1. Hình dạng hình thái của cái chết tế bào được đánh giá bằng nhuộm TUNEL, Fluoro-Jade-B và PI. Các phương pháp nhuộm này cho thấy cái chết tế bào nhiều hơn sau điều trị với ethanol, trong khi Met, TQ hoặc sự kết hợp Met và TQ ngăn ngừa cái chết tế bào apoptotic do ethanol gây ra. Kết luận Các phát hiện này gợi ý rằng Met và TQ là những tác nhân bảo vệ mạnh mẽ chống lại quá trình apoptosis thần kinh do ethanol gây ra ở các tế bào vỏ não chuột cận huyết. Dữ liệu tổng hợp cho thấy Met và TQ có tiềm năng làm giảm độc tính thần kinh của ethanol và tiết lộ cơ chế mục tiêu bảo vệ có thể có đối với các tác động gây hại của ethanol trong giai đoạn phát triển não bộ sớm.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Jones KL, Smith DW, Ulleland CN, Streissguth AP: Pattern of malformation in offspring of chronic alcoholic mothers. Lancet. 1973, 1: 1267-1271.

Miller MW: Effects of alcohol on the generation and migration of cerebral cortical neurons. Science. 1986, 233: 1308-1311. 10.1126/science.3749878.

Miller MW: Mechanisms of ethanol induced neuronal death during development: from the molecule to behavior. Alcohol Clin Exp Res. 1996, 20: 128-132. 10.1111/j.1530-0277.1996.tb01762.x.

Naseer MI, Lee HY, Ullah N, Ullah I, Park MS, Kim SH, Kim MO: Ethanol and PTZ effects on siRNA-mediated GABAB1 receptor: Down regulation of intracellular signaling pathway in prenatal rat cortical and hippocampal neurons. Synapse. 2010, 64: 181-190. 10.1002/syn.20712.

Carloni S, Mazzoni E, Balduini W: Caspase-3 and calpain activities after acute and repeated ethanol administration during the rat brain growth spurt. J Neurochem. 2004, 89: 197-203. 10.1111/j.1471-4159.2004.02341.x.

Olney JW, Tenkova T, Dikranian K, Muglia LJ, Jermakowicz WJ: Ethanol-induced caspase-3 activation in the in vivo developing mouse brain. Neurobiol Dis. 2002, 9: 205-219. 10.1006/nbdi.2001.0475.

Sastry PS, Rao KS: Apoptosis and the nervous system. J Neurochem. 2000, 74: 1-20.

Cory S, Adams JM: The Bcl-2 family: Regulators of the cellular life-or-death switch. Nat Rev Cancer. 2002, 2: 647-656. 10.1038/nrc883.

Roth KA, D'sa C: Apoptosis and brain development. Ment Ratard Dev Disabil Res. 2001, 7: 261-266. 10.1002/mrdd.1036.

Green DR, Reed JC: Mitochondria and apoptosis. Science. 1998, 281: 1309-1312.

Roy S: Caspase at the heart of the apoptotic cell death pathway. Chem Res Toxicol. 2000, l13: 961-962.

Heaton MB, Paiva M, Marsiglio KS: Ethanol influences on Bax translocation, mitochondrial membrane potential, and reactive oxygen species generation are modulated by vitamin E and brain-derived neurotrophic factor. Alcohol Clin Exp Res. 2011, 6: 1-12.

Nilsen J, Chen S, Irwin RW, Iwamoto S, Brinton RD: Estrogen protects neuronal cells from amyloid beta-induced apoptosis via regulation of mitochondrial proteins and function. BMC Neuroscience. 2006, 7: 1-14. 10.1186/1471-2202-7-1.

Kahraman S, Zup LS, McCarthy MM, Fiskum G: GABAergic mechanism of profol toxicity in immature neurons. J Neurosurg Ansethesiol. 2008, 20: 233-240. 10.1097/ANA.0b013e31817ec34d.

Chong ZZ, Li F, Maiese K: Oxidative stress in the brain: Novel cellular targets that govern survival during neurodegenerative disease. Prog in Neurobiol. 2005, 75: 207-246. 10.1016/j.pneurobio.2005.02.004.

Mattson MP, Kroemer G: Mitochondria in cell death: novel targets for neuroprotection and cardioprotection. Trends in Mol Med. 2003, 9: 196-205. 10.1016/S1471-4914(03)00046-7.

Detaille D, Guigas B, Chauvin C, Batandier C, Fontaine E, Wiernsperger N, Leverve X: Metformin prevents high glucose-induced endothelial cell death through a mitochondrial permeability transition-dependent process. Diabetes. 2005, 54: 2179-2187. 10.2337/diabetes.54.7.2179.

El-Mir MY, Dominique D, Gloria RV, Maria DE, Bruno G, Stephane A, Eric F, Angeles A, Xavier L: Neuroprotective role of antidiabetic drug metformin against apoptotic cell death in primary cortical neurons. J Mol Neurosci. 2008, 34: 77-87. 10.1007/s12031-007-9002-1.

Houghton PJ, Zarka R, de las Heras B, Hoult JR: Fixed oil of nigella sativa and derived thymoquinone inhibit eicosanoid generation in leukocytes and membrane lipid peroxidation. Planta Med. 1995, 611: 33-6.

Nagi MN, Mansour MA: Protective effect of thymoquinone against doxorubicin-induced cardiotoxicity in rats: a possible mechanism of protection. Pharmacol Res. 2000, 41: 283-289. 10.1006/phrs.1999.0585.

Mousavi SH, Tayarani-Najaran Z, Asghari M, Sadeghnia HR: Protective effect of nigella sativa extract and thymoquinone on serum/glucose deprivation-induced PC12 cells death. Cell Mol Neurobiol. 2010, 30: 591-598. 10.1007/s10571-009-9484-1.

Kanter M: Nigella sativa and derived thymoquinone prevents hippocampal neurodegeneration after chronic toluene exposure in rats. Neurochem Res. 2008, 33: 579-588. 10.1007/s11064-007-9481-z.

Al-Majed AA, Al-Omar FA, Nagi MN: Neuroprotective effects of thymoquinone against transient forebrain Ischemia in the rat hippocampus. European Journal of Pharmacology. 2006, 543: 40-47. 10.1016/j.ejphar.2006.05.046.

Radad K, Moldzio R, Taha M, Rausch WD: Thymoquinone protects dopaminergic neurons against MPP+ and rotenone. Phytother Res. 2009, 23: 696-700. 10.1002/ptr.2708.

Naseer MI, Najeeb U, Ikram U, Zubair Hassan H, Yang MBC, Kim MO: Vitamin-C protects ethanol induced apoptotic neurodegeneration in postnatal rat brain. Pak J Med Sci. 2009, 25: 718-722.

Naseer MI, Lee HY, Kim MO: Neuroprotective effect of vitamin c against the ethanol and nicotine modulation of GABAB receptor and PKA-α expression in prenatal rat brain. Synapse. 2010, 64: 467-477. 10.1002/syn.20752.

Li P, Nijhawan D, Budihardjo I, Srinivasula SM, Ahmad M, Alnemri ES, Wang X: Cytochrome c and dATP-dependent formation of Apaf-1/caspase-9 complex initiates an apoptotic protease cascade. Cell. 1997, 91: 479-489. 10.1016/S0092-8674(00)80434-1.

Thornberry NA, Lazebnik Y: Caspases: enemies within. Science. 1998, 281: 1312-1316.

Berger NA: Poly (ADP-ribose) in the cellular response to DNA damage. Radiat Res. 1985, 101: 4-15. 10.2307/3576299.

Clarren SK, Smith DW: The fetal alcohol syndrome. New Engl J Med. 1978, 298: 1063-1067. 10.1056/NEJM197805112981906.

Lindsley TA, Kerlin AM, Rising LJ: Time-lapse analysis of ethanol's effects on axon growth in vitro. Dev Brain Res. 2003, 30: 191-199.

Miki T, Harris SJ, Wilce PA, Takeuchi Y, Bedi KS: Effects of alcohol exposure during early life on neuron numbers in the rat hippocampus, I. Hilus neurons and granule cells. Hippocampus. 2001, 13: 388-398.

Sakata-Haga H, Sawada K, Hisano S, Fukui Y: Administration schedule for an ethanol-containing diet in pregnancy affects types of offspring brain malformations. Acta Neuropathol. 2002, 104: 305-312.

Young C, Roth KA, Klocke BJ, West T, Holtzman DM, Labruyere J, Qin YQ, Dikranian K, Olney JW: Role of caspase-3 in ethanol-induced developmental neurodegeneration. Neurobiol Dis. 2005, 20: 608-614. 10.1016/j.nbd.2005.04.014.

Ramachandran V, Watts LT, Maffi SK, Chen J, Schenker S, Henderson G: Ethanol-induced oxidative stress precedes mitochondrially mediated apoptotic death of cultured fetal cortical neurons. J Neurosci Res. 2003, 74: 577-588. 10.1002/jnr.10767.

Antonio AM, Druse MJ: Antioxidants prevent ethanol-associated apoptosis in fetal rhombencephalic neurons. Brain Res. 2008, 1204: 16-23.

Nestler JE, Jakubowicz DJ, Evans WS, Pasquali R: Effects of metformin on spontaneous and clomiphene-induced ovulation in the polycystic ovary syndrome. New Engl J Med. 1998, 338: 876-80.

Ippei K, Toru Y, Shozo Y, Mika Y, Toshitsugu S: Metformin enhances the differentiation and mineralization of osteoblastic MC3T3- E1 cells via AMP kinase activation as well as eNOS and BMP-2 expression. Biochem and Biophys Res Commun. 2008, 375: 414-419. 10.1016/j.bbrc.2008.08.034.

Zhou G, Myers R, Li Y, Chen Y, et al: Role of AMP-activated protein kinase in mechanism of metformin action. J Clin Invest. 2001, 108: 1105-7.

Shaw RJ, Lamia KA, Vasquez D, Koo SH, Bardeesy N, Depinho RA: The kinase LKB1 mediates glucose homeostasis in liver and therapeutic effects of metformin. Science. 2005, 310: 1642-6. 10.1126/science.1120781.

Bailey CJ, Turner RC: Metformin. New Engl J Med. 1998, 339: 1860-1861. 10.1056/NEJM199812173392517.

Zou MH, Kirkpatrick SS, Davis BJ, Nelson JS, Wiles WG, Schlattner U: Activation of the AMP-activated protein kinase by the antidiabetic drug metformin in vivo. Role of mitochondrial reactive nitrogen species. J Biol Chem. 2004, 279: 43940-51. 10.1074/jbc.M404421200.

Martin TM, Benghuzzi H, Tucci M: The effect of conventional and sustained delivery of thymoqinone and levodopa on SH-SY5Y human neuroblastoma cells. Biomed Sci Instrum. 2006, 42: 332-337.

Badary OA, Nagi MN, Alshabana OA, AlShawaf HA, AlSohaibani MO, Al Bekairi AM: Thymoqinone ameliorates the nephrotoxicity induced by cisplatin in rodents and potentiates its antitumor activity. Can J Physiol Pharmacol. 1997, 75: 1356-1361. 10.1139/y97-169.

Simasko MS, Boyadjieva N, De A, Sarkar DK: Effect of ethanol on calcium regulation in rat fetal hypothalamic cells in culture. Brain Res. 1999, 824: 89-96. 10.1016/S0006-8993(99)01188-9.

Xiao ZM, Li LJ, Yu SZ, Li CY, Zheng JQ: Effects of extracellular Ca2+ influx and intracellular Ca2+ release on ethanol-induced cytoplasm Ca2+ overload in cultured superior cervical ganglion neurons. Neuroscience Letters. 2005, 390: 98-103. 10.1016/j.neulet.2005.08.004.

Shy Y: A structural view of mitochondria-mediated apoptosis. Nat Struct Biol. 2001, 8: 394-401. 10.1038/87548.

Merry DE, Korsmeyer SJ: Bcl-2 gene family in the nervous system. Annu Rev Neurosci. 1997, 20: 245-267. 10.1146/annurev.neuro.20.1.245.

Kim MY, Zhang T, Kraus WL: Pol(ADP-ribosyl)ation by PARP-1:PAR-laying NAD in to nuclear signal. Genes Dev. 2005, 19: 1951-1967. 10.1101/gad.1331805.

Cherian PP, Schenker S, Henderson GI: Ethanol-mediated DNA damage and PARP-1 apoptotic responses in cultured fetal cortical neurons. Alcohol Clin Exp Res. 2008, 32: 1-9.

Malgaroli A, Milani D, Meldolesi J, Pozzan T: Fura-2 measurement of cytosolic free Ca+2 in monolayers and suspensions of various types of animal cells. J Cell Biol. 1987, 105: 2145-2155. 10.1083/jcb.105.5.2145.

Grynkyewicz G, Poenie M, Tsien RY: A new generation of Ca+2 indicators with greatly improved fluorescence properties. J Biol Chem. 1985, 260: 3440-3450.

Reers M, Smith TW, Chen LB: J-aggregate formation of a carbocyanine as a quantitative fluorescencet indicator of membrane potential. Biochemistry. 1991, 30: 4480-4486. 10.1021/bi00232a015.

Naseer MI, Li S, Kim MO: Maternal epileptic seizure induced by pentylenetetrazol: apoptotic neurodegeneration and decreased GABAB1 receptor expression in prenatal rat brain. Mol Brain. 2009, 2: 1-20. 10.1186/1756-6606-2-1.

Schmued LC, Hopkins KJ: Fluoro-Jade B: a high affinity fluorescent marker for the localization of neuronal degeneration. Brain Res. 2000, 874: 123-130. 10.1016/S0006-8993(00)02513-0.

Thông tin
Thông tin xuất bản

Springer Science and Business Media LLC

Thông tin tác giả