Efecto del sulforafano sobre la capacidad antioxidante mediada por Nrf2 en el músculo esquelético de ratones expuestos a hipotermia aguda.
El músculo esquelético es un órgano importante para la producción de calor en el cuerpo en condiciones de baja temperatura. Los músculos esqueléticos mantienen la homeostasis de la temperatura corporal mediante la producción de calor con y sin escalofríos en entornos de bajas temperaturas. Este proceso requiere la hidrólisis de una gran cantidad de ATP para convertir su energía química en la energía térmica necesaria para el organismo. El músculo esquelético satisface principalmente las necesidades de producción de calor aumentando la tasa de oxidación y descomposición de ácidos grasos en entornos de baja temperatura, mientras que el aumento de la tasa de oxidación de ácidos grasos mitocondriales va acompañado de una producción acelerada de especies reactivas del oxígeno (ROS). Estudios anteriores han demostrado que la exposición aguda o a largo plazo a bajas temperaturas aumenta la tasa metabólica en reposo y los niveles de ROS del músculo esquelético en ratones. El aumento de los niveles de ROS puede causar daños oxidativos en las proteínas, los ácidos nucleicos y los lípidos del músculo esquelético, afectando así al rendimiento motor y a la recuperación del músculo esquelético. Por lo tanto, la eliminación oportuna de la gran cantidad de ROS producidas por los músculos esqueléticos en entornos de baja temperatura y la mejora de su capacidad antioxidante son cruciales para mantener sus funciones fisiológicas normales.
El sistema de defensa antioxidante mediado por el factor nuclear E2 relacionado con el factor 2 (Nrf2) desempeña un papel crucial en el mantenimiento de la homeostasis redox celular. Cuando las células están sometidas a estrés oxidativo, el Nrf2 del citoplasma no es ubiquitinado ni degradado por su proteína reguladora negativa, Kelch like cyclooxygenase related protein-1 (Keap1). Entra en el núcleo y se une a los elementos de respuesta antioxidante (ARE) en numerosos promotores de genes, regulando la expresión de la mayoría de enzimas antioxidantes y enzimas desintoxicantes de fase II, y ejerciendo un efecto protector contra el estrés oxidativo en el organismo. Sin embargo, los estudios han descubierto que la exposición aguda o a largo plazo a bajas temperaturas reduce significativamente la expresión del ARNm y la proteína Nrf2 en tejidos y órganos de corazón, hígado y pulmón de ratón, lo que indica que los entornos con bajas temperaturas pueden inhibir la expresión de Nrf2 en tejidos y órganos. Sin embargo, no existen informes nacionales ni internacionales sobre si la exposición a la hipotermia aguda también inhibe la expresión de Nrf2 y la capacidad antioxidante en el músculo esquelético.

El sulforafano (SFN) abunda en las plantas crucíferas y se reconoce como un activador específico de Nrf2. Por lo tanto, este estudio trata de observar en primer lugar los efectos de la exposición aguda a la hipotermia durante diferentes duraciones de 1 hora y 3 horas sobre la expresión de Nrf2 y las enzimas antioxidantes, así como la capacidad antioxidante, en el músculo esquelético del ratón; Además, basándose en esto, se exploraron más a fondo los efectos de la administración de SFN antes de la exposición a bajas temperaturas sobre el sistema de enzimas antioxidantes mediado por Nrf2 y la homeostasis redox del glutatión en el músculo esquelético. Este estudio aportará pruebas experimentales preliminares para explorar la posibilidad de utilizar SFN como suplemento nutricional deportivo en entornos de baja temperatura.

Nrf2 es un factor regulador esencial que mantiene la homeostasis redox del músculo esquelético. Estudios anteriores han informado de que la exposición a bajas temperaturas inhibe la expresión de Nrf2 en tejidos y órganos como el corazón, el hígado y los pulmones, lo que conduce a una gran producción de ROS en estos órganos que no pueden ser eliminados. Sin embargo, no ha habido informes sobre los efectos de la exposición aguda a la hipotermia en la expresión de Nrf2 y la capacidad antioxidante en el músculo esquelético. Por lo tanto, este estudio investigó primero los efectos de 1 y 3 horas de exposición a bajas temperaturas sobre el sistema antioxidante mediado por Nrf2 en el músculo esquelético. Los resultados mostraron que el nivel de transcripción del ARNm Nrf2 en el músculo esquelético de ratones expuestos a 3 horas de baja temperatura se redujo significativamente, mientras que el nivel de ROS aumentó significativamente. Los resultados experimentales posteriores también mostraron que, en comparación con el grupo PBS+Con, la expresión de la proteína Nrf2 en el músculo esquelético de los ratones del grupo PBS+Frío mostraba una tendencia decreciente, y el nivel de T-AOC se reducía significativamente, mientras que el nivel de ROS mostraba una tendencia creciente. Se especula que la exposición a bajas temperaturas durante 3 horas puede inhibir la expresión de Nrf2 en el músculo esquelético de ratón y reducir su capacidad antioxidante.

La exposición a bajas temperaturas durante 3 horas reduce la capacidad antioxidante del músculo esquelético, lo que puede estar relacionado con la inhibición de la expresión de enzimas antioxidantes mediada por Nrf2 y la homeostasis redox del glutatión. Estudios previos han informado de que 3 horas de exposición a hipotermia aguda pueden reducir significativamente la expresión de SOD1 en riñones de ratón, tejidos pulmonares y tejido adiposo marrón. La exposición intermitente a bajas temperaturas (8 horas al día durante 3 días) redujo significativamente la actividad de GPX1 y la expresión de la proteína HMOX1 en el tejido pulmonar de ratas. La exposición prolongada a bajas temperaturas (4 horas al día, 6 días a la semana, durante un total de 2 semanas) redujo significativamente la actividad de SOD1 y la expresión de la proteína CAT en el tejido cerebral de ratones. Este estudio descubrió que, en comparación con los grupos 0 y 1h, los niveles de transcripción de ARNm de genes de enzimas antioxidantes (Gpx1, Hmox1, Cat, Sod1, Nqo1) en el músculo esquelético de ratones del grupo 3h se redujeron significativamente. Los resultados experimentales posteriores también mostraron que, en comparación con el grupo PBS+Con, los niveles de transcripción de ARNm de genes de enzimas antioxidantes (Gpx1, Hmox1, Cat, Sod1, Nqo1) en el músculo esquelético de ratones del grupo PBS+Frío mostraron una tendencia decreciente, y la expresión de las proteínas HMOX1 y CAT se redujo significativamente. Puede deducirse que la exposición a bajas temperaturas durante 3 horas puede inhibir la transcripción y traducción de las enzimas antioxidantes mediadas por Nrf2, afectando así a la capacidad antioxidante del músculo esquelético. Además, los estudios han demostrado que la exposición aguda a bajas temperaturas puede reducir el contenido de GSSG y la relación GSH/GSSG en los glóbulos rojos humanos, así como disminuir el contenido de GSH en los tejidos de hígado y estómago de rata. Los resultados de este estudio mostraron que, en comparación con el grupo PBS+Con, el contenido de GSSG en el músculo esquelético y la relación GSH/GSSG de los ratones del grupo PBS+Frío aumentaron y disminuyeron significativamente, respectivamente, mientras que el contenido de GSH no cambió significativamente. Esto indica que la acumulación de GSSG puede ser la razón principal de la disminución de la relación GSH/GSSG.

El efecto específico de activación de SFN sobre Nrf2 ha sido ampliamente confirmado. Un estudio descubrió que una intervención dietética de 12 semanas con SFN activaba el sistema enzimático antioxidante regulado por Nrf2 en el músculo extensor digitorum longus de ratones ancianos, mejorando la fuerza muscular y la resistencia al ejercicio. Además, se inyectó SFN por vía intraperitoneal a ratas tres días antes del ejercicio de agotamiento, lo que produjo una disminución de la actividad de la deshidrogenasa láctica y la creatina fosfoquinasa en plasma, así como un aumento de la expresión y la actividad de las proteínas Nrf2 y de las enzimas antioxidantes (NQO1, GST, GSR) en el músculo lateral del muslo. También aumentaron el tiempo y la distancia desde el ejercicio hasta el agotamiento. Los resultados de la investigación anterior indican que la activación SFN de Nrf2 juega un papel importante en la mejora de su capacidad antioxidante mediada y la resistencia al ejercicio. Por lo tanto, para mejorar la disminución de la capacidad antioxidante del músculo esquelético durante 3 horas de exposición a baja temperatura, suplementamos ratones con SFN antes de 3 horas de exposición a baja temperatura. Los resultados experimentales mostraron que, en comparación con el grupo PBS+Frío, los ratones del grupo SFN+Frío mostraron un aumento significativo de la expresión de ARNm y proteína Nrf2 del músculo esquelético, así como de T-AOC, y una disminución significativa de los niveles de ROS. Recordatorio: La activación de Nrf2 por SFN puede aumentar la T-AOC del músculo esquelético expuesto a baja temperatura durante 3 horas, eliminar el exceso de ROS y tener un efecto positivo en el mantenimiento de la homeostasis redox del músculo esquelético.

El suplemento de SFN mejora la capacidad antioxidante del músculo esquelético en ratones expuestos a bajas temperaturas, lo que está estrechamente relacionado con la activación por SFN del sistema de enzimas antioxidantes mediado por Nrf2. Las enzimas antioxidantes endógenas reguladas por Nrf2 son los principales ejecutores de la eliminación de ROS. Por ejemplo, SOD1 cataliza la dismutación de radicales aniónicos superóxido para generar oxígeno y peróxido de hidrógeno; CAT puede dismutar el peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno; GPX1 cataliza la generación de agua y alcoholes correspondientes a partir de peróxido de hidrógeno o peróxidos orgánicos utilizando GSH como sustrato; NQO1 cataliza la reacción de reducción de doble electrón de la quinona para formar hidroquinona, promueve la excreción de quinona y evita que la quinona genere ROS mediante la reacción de reducción de un solo electrón; HMOX1 cataliza la descomposición de la hemoglobina libre tóxica para producir biliverdina, CO e iones ferrosos con funciones de daño antioxidante. Los resultados de este estudio mostraron que la administración de SFN antes de 3 horas de exposición a bajas temperaturas aumentó significativamente los niveles de transcripción del ARNm de los genes de las enzimas antioxidantes del músculo esquelético (Gpx1, Hmox1, Cat, Sod1, Nqo1) y la expresión proteica de HMOX1 y SOD1 en ratones del grupo SFN+Frío en comparación con el grupo PBS+Frío. Los resultados anteriores indican que la activación SFN de Nrf2 mejora la transcripción y traducción de estos genes de enzimas antioxidantes.

Además, la suplementación con SFN mejora la capacidad antioxidante del músculo esquelético en ratones expuestos a bajas temperaturas. Además del aumento de la expresión de enzimas antioxidantes, también está estrechamente relacionado con la activación por SFN del sistema redox del glutatión mediado por Nrf2. El glutatión es un tripéptido compuesto por ácido glutámico, cisteína y glicina, y es un importante oligopéptido activo de moléculas pequeñas en el sistema de defensa antioxidante de los organismos. El glutatión existe principalmente en forma de GSH en las células. El grupo tiol activo de la cisteína en su molécula puede proporcionar electrones a las ROS, y entonces el GSH se convierte en un dímero estable GSSG para evitar que las ROS tomen continuamente electrones, protegiendo así las proteínas, los lípidos y los ácidos nucleicos del daño oxidativo y manteniendo la homeostasis redox de las células. La generación de GSH en el organismo se realiza principalmente a través de dos vías: la síntesis y la reducción. En primer lugar, el ácido glutámico y la cisteína son catalizados por GCLC y GCLM para formar glutamilcisteína, seguida de glutamilcisteína y glicina que son catalizadas por GSS para formar GSH; en segundo lugar, GSSG puede reducirse a GSH bajo la acción de NADPH y GSR. Por lo tanto, Gclc, Gclm, Gss y Gsr son genes enzimáticos clave que regulan la generación de GSH y son genes diana de Nrf2. Encontramos que después de la suplementación con SFN, los niveles de transcripción de ARNm de los genes glutatión sintasa Gclm, Gss y Gsr en el músculo esquelético de los ratones del grupo SFN+Frío aumentaron significativamente en comparación con el grupo PBS+Frío, y el contenido de GSH y GSSG disminuyó significativamente. Se especula que esto puede ser estrés agudo a baja temperatura, y la suplementación con SFN puede mejorar la síntesis de novo y las vías de reducción de GSH. Sin embargo, el GSH desempeña un papel importante en la eliminación de una gran cantidad de producción de ROS causada por la exposición aguda a bajas temperaturas, lo que en última instancia conduce a un consumo significativo de GSH. A partir del indicador clave para evaluar el equilibrio redox del organismo, la relación GSH/GSSG, puede observarse que la relación GSH/GSSG en el grupo SFN+Frío aumenta significativamente.

En general, este estudio indica que la exposición a hipotermia aguda durante 3 horas inhibe la actividad antioxidante mediada por Nrf2. Antes de la exposición a bajas temperaturas, la administración de sulforafano activó las enzimas antioxidantes mediadas por Nrf2 y los sistemas antioxidantes de glutatión, mejorando la capacidad antioxidante del músculo esquelético.