Die Wirkung von Sulforaphan auf die Nrf2-vermittelte antioxidative Kapazität im Skelettmuskel von Mäusen, die einer akuten Hypothermie ausgesetzt sind
Die Skelettmuskulatur ist ein wichtiges Organ für die Wärmeproduktion im Körper bei niedrigen Temperaturen. Die Skelettmuskulatur hält die Körpertemperatur durch Wärmeproduktion bei niedrigen Temperaturen aufrecht, sowohl durch Zittern als auch durch Nicht-Zittern. Dieser Prozess erfordert die Hydrolyse einer großen Menge von ATP, um dessen chemische Energie in die vom Körper benötigte Wärmeenergie umzuwandeln. Die Skelettmuskulatur deckt den Bedarf an Wärmeproduktion hauptsächlich durch die Erhöhung der Fettsäureoxidations- und -abbaurate in kalten Umgebungen, während die Erhöhung der mitochondrialen Fettsäureoxidationsrate von einer beschleunigten Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) begleitet wird. Frühere Studien haben gezeigt, dass eine akute oder langfristige Exposition gegenüber niedrigen Temperaturen die Ruhe-Stoffwechselrate und die ROS-Konzentration in der Skelettmuskulatur von Mäusen erhöht. Der Anstieg der ROS-Konzentrationen kann oxidative Schäden an Skelettmuskelproteinen, Nukleinsäuren und Lipiden verursachen und dadurch die motorische Leistung und die Erholung der Skelettmuskulatur beeinträchtigen. Daher sind die rechtzeitige Beseitigung der großen Menge an ROS, die von Skelettmuskeln bei niedrigen Temperaturen produziert werden, und die Verbesserung ihrer antioxidativen Kapazität entscheidend für die Aufrechterhaltung ihrer normalen physiologischen Funktionen.
Das antioxidative Abwehrsystem, das durch den Nuclear Factor E2 Related Factor 2 (Nrf2) vermittelt wird, spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der zellulären Redox-Homöostase. Wenn Zellen unter oxidativem Stress stehen, wird Nrf2 im Zytoplasma nicht ubiquitiniert oder durch sein negatives regulatorisches Protein, Kelch like Cyclooxygenase related protein-1 (Keap1), abgebaut. Es dringt in den Zellkern ein und bindet an Antioxidantien-Reaktions-Elemente (ARE) an zahlreichen Genpromotoren, wodurch die Expression der meisten antioxidativen Enzyme und Phase-II-Entgiftungsenzyme hochreguliert wird und eine schützende Wirkung gegen oxidativen Stress im Körper ausgeübt wird. Studien haben jedoch ergeben, dass eine akute oder langfristige Exposition gegenüber niedrigen Temperaturen die Expression von Nrf2 mRNA und Protein in den Geweben und Organen von Herz, Leber und Lunge von Mäusen signifikant reduziert, was darauf hindeutet, dass niedrige Temperaturen die Expression von Nrf2 in Geweben und Organen hemmen können. Es gibt jedoch keinen Bericht aus dem In- und Ausland darüber, ob eine akute Hypothermie-Exposition auch die Nrf2-Expression und die antioxidative Kapazität im Skelettmuskel hemmt.

Sulforaphan (SFN) ist in Kreuzblütlern reichlich vorhanden und wird als spezifischer Aktivator von Nrf2 angesehen. Daher wird in dieser Studie zunächst versucht, die Auswirkungen einer akuten Hypothermie-Exposition über eine Dauer von 1 Stunde und 3 Stunden auf die Expression von Nrf2 und antioxidativen Enzymen sowie die antioxidative Kapazität im Skelettmuskel der Maus zu beobachten. Darauf aufbauend wurden außerdem die Auswirkungen der Verabreichung von SFN vor der Kälteexposition auf das Nrf2-vermittelte antioxidative Enzymsystem und die Glutathion-Redox-Homöostase im Skelettmuskel weiter untersucht. Diese Studie wird vorläufige experimentelle Beweise für die Erforschung der Möglichkeit von SFN als Sporternährungsergänzung in Niedrigtemperaturumgebungen liefern.

Nrf2 ist ein zentraler Regulationsfaktor, der die Redox-Homöostase der Skelettmuskulatur aufrechterhält. Frühere Studien haben berichtet, dass eine Exposition gegenüber niedrigen Temperaturen die Nrf2-Expression in Geweben und Organen wie Herz, Leber und Lunge hemmt, was zu einer hohen Produktion von ROS in diesen Organen führt, die nicht abgebaut werden können. Es gibt jedoch keine Berichte über die Auswirkungen einer akuten Hypothermie-Exposition auf die Nrf2-Expression und die antioxidative Kapazität im Skelettmuskel. Daher wurden in dieser Studie zunächst die Auswirkungen einer 1- und 3-stündigen Kälteexposition auf das Nrf2-vermittelte antioxidative System in der Skelettmuskulatur untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass das Transkriptions-Niveau der Nrf2-mRNA im Skelett-Muskel von Mäusen, die 3 Stunden lang einer niedrigen Temperatur ausgesetzt waren, signifikant reduziert war, während das Niveau der ROS signifikant erhöht war. Die anschließenden experimentellen Ergebnisse zeigten auch, dass im Vergleich zur PBS+Con-Gruppe die Expression des Nrf2-Proteins im Skelettmuskel von Mäusen in der PBS+Cold-Gruppe einen abnehmenden Trend zeigte, und der T-AOC-Spiegel war signifikant reduziert, während der ROS-Spiegel einen steigenden Trend zeigte. Es wird vermutet, dass eine 3-stündige Kälte-Exposition die Expression von Nrf2 im Maus-Skelettmuskel hemmen und seine antioxidative Kapazität reduzieren könnte.

Eine 3-stündige Exposition gegenüber niedrigen Temperaturen verringert die antioxidative Kapazität der Skelettmuskulatur, was mit der Hemmung der Nrf2-vermittelten Expression antioxidativer Enzyme und der Glutathion-Redox-Homöostase zusammenhängen könnte. Frühere Studien haben berichtet, dass eine 3-stündige akute Hypothermie-Exposition die SOD1-Expression in den Nieren, dem Lungengewebe und dem braunen Fettgewebe von Mäusen signifikant reduzieren kann. Intermittierende Kälteexposition (8 Stunden pro Tag für 3 Tage) reduzierte signifikant die GPX1-Aktivität und die HMOX1-Proteinexpression im Lungengewebe von Ratten. Langfristige Niedrigtemperatur-Exposition (4 Stunden pro Tag, 6 Tage pro Woche, für insgesamt 2 Wochen) reduzierte signifikant die SOD1-Aktivität und die CAT-Protein-Expression im Gehirngewebe von Mäusen. Diese Studie fand heraus, dass im Vergleich zu den Gruppen 0 und 1 Stunde die mRNA-Transkriptionswerte der antioxidativen Enzym-Gene (Gpx1, Hmox1, Cat, Sod1, Nqo1) im Skelettmuskel von Mäusen in der 3-Stunden-Gruppe signifikant reduziert waren. Die anschließenden experimentellen Ergebnisse zeigten auch, dass im Vergleich zur PBS+Con-Gruppe die mRNA-Transkriptionsniveaus der antioxidativen Enzymgene (Gpx1, Hmox1, Cat, Sod1, Nqo1) im Skelettmuskel der Mäuse in der PBS+Cold-Gruppe eine abnehmende Tendenz aufwiesen und die Expression der HMOX1- und CAT-Proteine signifikant reduziert war. Daraus kann gefolgert werden, dass eine 3-stündige Kälte-Exposition die Transkription und Translation von Nrf2-vermittelten antioxidativen Enzymen hemmen kann und dadurch die antioxidative Kapazität der Skelettmuskulatur beeinträchtigt. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass eine akute Kälte-Exposition den GSSG-Gehalt und das GSH/GSSG-Verhältnis in menschlichen roten Blutkörperchen reduzieren kann, sowie den GSH-Gehalt im Leber- und Magen-Gewebe von Ratten verringert. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass im Vergleich zur PBS+Con-Gruppe der GSSG-Gehalt der Skelettmuskeln und das GSH/GSSG-Verhältnis der Mäuse in der PBS+Cold-Gruppe signifikant anstieg bzw. abnahm, während sich der GSH-Gehalt nicht signifikant veränderte. Dies deutet darauf hin, dass die Akkumulation von GSSG der Hauptgrund für die Abnahme des GSH/GSSG-Verhältnisses sein könnte.

Die spezifische Aktivierungswirkung von SFN auf Nrf2 ist weitgehend bestätigt worden. In einer Studie wurde festgestellt, dass eine 12-wöchige SFN-Diät das Nrf2-regulierte antioxidative Enzymsystem im Streckmuskel (Extensor digitorum longus) älterer Mäuse aktivierte und so die Muskelkraft und die Ausdauerleistung verbesserte. Darüber hinaus wurde Ratten drei Tage vor dem Erschöpfungstraining intraperitoneal SFN injiziert, was zu einem Rückgang der Laktatdehydrogenase- und Kreatinphosphokinase-Aktivität im Plasma sowie zu einem Anstieg der Nrf2-Proteinexpression und der Aktivität der antioxidativen Enzyme (NQO1, GST, GSR) im seitlichen Oberschenkelmuskel führte. Auch die Zeit und die Entfernung von der Übung bis zur Erschöpfung nahmen zu. Die oben genannten Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die SFN-Aktivierung von Nrf2 eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der durch SFN vermittelten antioxidativen Kapazität und der körperlichen Ausdauer spielt. Um die Abnahme der antioxidativen Kapazität der Skelettmuskulatur während einer 3-stündigen Kälteexposition zu verbessern, haben wir den Mäusen vor der 3-stündigen Kälteexposition SFN verabreicht. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Mäuse der SFN+Kälte-Gruppe im Vergleich zur PBS+Kälte-Gruppe einen signifikanten Anstieg der Nrf2-mRNA- und Protein-Expression in der Skelettmuskulatur sowie der T-AOC und eine signifikante Abnahme der ROS-Werte zeigten. Zur Erinnerung: Die SFN-Aktivierung von Nrf2 kann den T-AOC des Skelettmuskels, der 3 Stunden lang einer niedrigen Temperatur ausgesetzt war, erhöhen, übermäßige ROS beseitigen und eine positive Wirkung auf die Aufrechterhaltung der Redox-Homöostase des Skelettmuskels haben.

Die Zufuhr von SFN erhöht die antioxidative Kapazität der Skelettmuskulatur von Mäusen, die niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind, was eng mit der Aktivierung des Nrf2-vermittelten antioxidativen Enzymsystems durch SFN zusammenhängt. Die endogenen antioxidativen Enzyme, die durch Nrf2 reguliert werden, sind die Hauptakteure der ROS-Beseitigung. So katalysiert beispielsweise SOD1 die Dismutation von Superoxidanion-Radikalen zur Erzeugung von Sauerstoff und Wasserstoffperoxid; CAT kann Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff zerlegen; GPX1 katalysiert die Erzeugung von Wasser und entsprechenden Alkoholen aus Wasserstoffperoxid oder organischen Peroxiden unter Verwendung von GSH als Substrat; NQO1 katalysiert die Doppelelektronen-Reduktionsreaktion von Chinon zur Bildung von Hydrochinon, fördert die Ausscheidung von Chinon und verhindert, dass Chinon durch eine Einzelelektronen-Reduktionsreaktion ROS erzeugt; HMOX1 katalysiert die Zersetzung von toxischem freiem Hämoglobin zur Bildung von Biliverdin, CO und Eisen-Ionen mit antioxidativen Schadensfunktionen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass die Verabreichung von SFN vor einer 3-stündigen Kälteexposition die mRNA-Transkriptionsniveaus der Gene für antioxidative Enzyme in der Skelettmuskulatur (Gpx1, Hmox1, Cat, Sod1, Nqo1) und die Proteinexpression von HMOX1 und SOD1 in Mäusen der SFN+Cold-Gruppe im Vergleich zur PBS+Cold-Gruppe signifikant erhöhte. Die oben genannten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die SFN-Aktivierung von Nrf2 die Transkription und Translation dieser antioxidativen Enzymgene fördert.

Darüber hinaus erhöht die Zufuhr von SFN die antioxidative Kapazität der Skelettmuskulatur von Mäusen, die niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind. Neben der erhöhten Expression antioxidativer Enzyme steht dies auch in engem Zusammenhang mit der SFN-Aktivierung des Nrf2-vermittelten Glutathion-Redoxsystems. Glutathion ist ein Tripeptid, das sich aus Glutaminsäure, Cystein und Glycin zusammensetzt und ein wichtiges, in kleinen Molekülen aktives Oligopeptid im antioxidativen Abwehrsystem von Organismen ist. Glutathion kommt in den Zellen hauptsächlich in Form von GSH vor. Die aktive Thiolgruppe des Cysteins in seinem Molekül kann ROS Elektronen zur Verfügung stellen, woraufhin GSH in ein stabiles Dimer GSSG umgewandelt wird, um zu verhindern, dass ROS ständig Elektronen abgreifen, wodurch Proteine, Lipide und Nukleinsäuren vor oxidativen Schäden geschützt und die Redox-Homöostase der Zellen aufrechterhalten werden. Die Bildung von GSH im Körper erfolgt hauptsächlich über zwei Wege: Synthese und Reduktion. Erstens werden Glutaminsäure und Cystein durch GCLC und GCLM zur Bildung von Glutamylcystein katalysiert, gefolgt von Glutamylcystein und Glycin, die durch GSS zur Bildung von GSH katalysiert werden; zweitens kann GSSG unter der Wirkung von NADPH und GSR zu GSH reduziert werden. Daher sind Gclc, Gclm, Gss und Gsr wichtige Enzymgene, die die Bildung von GSH regulieren und nachgeschaltete Zielgene von Nrf2 sind. Wir fanden heraus, dass nach einer SFN-Supplementierung die mRNA-Transkriptionsniveaus der Glutathion-Synthase-Gene Gclm, Gss und Gsr im Skelettmuskel von Mäusen der SFN+Kalt-Gruppe im Vergleich zur PBS+Kalt-Gruppe signifikant erhöht waren und der Gehalt an GSH und GSSG signifikant verringert war. Es wird vermutet, dass dies auf akuten Kältestress zurückzuführen ist und dass die Supplementierung mit SFN die De-novo-Synthese und die Reduktionswege von GSH verbessern kann. GSH spielt jedoch eine wichtige Rolle bei der Beseitigung einer großen Menge an ROS-Produktion, die durch eine akute Niedrigtemperaturbelastung verursacht wird, was letztlich zu einem erheblichen Verbrauch von GSH führt. Aus dem Schlüsselindikator für die Bewertung des Redox-Gleichgewichts des Körpers, dem GSH/GSSG-Verhältnis, ist ersichtlich, dass das GSH/GSSG-Verhältnis in der SFN+Kälte-Gruppe signifikant erhöht ist.

Insgesamt zeigt diese Studie, dass eine 3-stündige akute Hypothermie-Exposition die Nrf2-vermittelte antioxidative Aktivität hemmt. Vor der Exposition gegenüber niedrigen Temperaturen aktivierte die Verabreichung von Sulforaphan Nrf2-vermittelte antioxidative Enzyme und antioxidative Glutathion-Systeme, was die antioxidative Kapazität der Skelettmuskulatur erhöhte.