A szulforafán hatása az Nrf2 által közvetített antioxidáns kapacitásra az akut hipotermiának kitett egerek vázizomzatában
A vázizomzat a test hőtermelésének fontos szerve alacsony hőmérsékleten. A vázizomzat a testhőmérséklet homeosztázisát alacsony hőmérsékletű környezetben mind a remegés, mind a nem remegő hőtermelés révén tartja fenn. Ehhez a folyamathoz nagy mennyiségű ATP hidrolízisére van szükség, hogy a kémiai energiát a szervezet által igényelt hőenergiává alakítsuk. A vázizomzat elsősorban a zsírsavak oxidációjának és lebomlásának sebességének növelésével elégíti ki a hőtermelés szükségletét alacsony hőmérsékletű környezetben, míg a mitokondriális zsírsav-oxidáció sebességének növekedése a reaktív oxigénfajok (ROS) felgyorsult termelésével jár együtt. Korábbi vizsgálatok kimutatták, hogy az alacsony hőmérsékletnek való akut vagy hosszú távú kitettség növeli a nyugalmi anyagcsererátát és a vázizom ROS-szintjét egerekben. A ROS-szintek növekedése oxidatív károsodást okozhat a vázizom fehérjékben, nukleinsavakban és lipidekben, ezáltal befolyásolva a vázizomzat motoros teljesítményét és regenerálódását. Ezért a vázizmok által alacsony hőmérsékletű környezetben termelt nagy mennyiségű ROS időben történő eltávolítása és antioxidáns kapacitásának javítása kulcsfontosságú a normális élettani funkciók fenntartásához.
A nukleáris faktor E2-hez kapcsolódó 2-es faktor (Nrf2) által közvetített antioxidáns védelmi rendszer döntő szerepet játszik a sejtek redox-homeosztázisának fenntartásában. Amikor a sejtek oxidatív stressznek vannak kitéve, az Nrf2 a citoplazmában nem ubikvitinálódik, illetve nem bomlik le negatív szabályozó fehérjéje, a Kelch like cyclooxygenase related protein-1 (Keap1) által. Bejut a sejtmagba, és számos gén promóterén lévő antioxidáns válaszelemhez (ARE) kötődik, felszabályozva a legtöbb antioxidáns enzim és II. fázisú méregtelenítő enzim expresszióját, és védőhatást fejt ki a szervezetben az oxidatív stresszel szemben. Vizsgálatok azonban azt találták, hogy az alacsony hőmérsékletnek való akut vagy hosszú távú expozíció jelentősen csökkenti az Nrf2 mRNS és fehérje kifejeződését egérszív, máj és tüdő szövetekben és szervekben, ami arra utal, hogy az alacsony hőmérsékleti környezet gátolhatja az Nrf2 kifejeződését a szövetekben és szervekben. Nincs azonban itthon és külföldön jelentés arról, hogy az akut hipotermia-expozíció gátolja-e az Nrf2 expresszióját és antioxidáns kapacitását a vázizomzatban is.

A szulforafán (SFN) bőségesen megtalálható a keresztesvirágú növényekben, és az Nrf2 specifikus aktivátoraként ismert. Ezért ez a tanulmány először is megpróbálja megfigyelni a különböző időtartamú (1 óra és 3 óra) akut hipotermia-expozíció hatásait az Nrf2 és az antioxidáns enzimek expressziójára, valamint az antioxidáns kapacitásra egér vázizomzatban; Továbbá, ez alapján tovább vizsgáltuk az SFN alacsony hőmérséklet-expozíció előtti adagolásának hatásait az Nrf2 által közvetített antioxidáns enzimrendszerre és a glutation redox homeosztázisra a vázizomzatban. Ez a vizsgálat előzetes kísérleti bizonyítékot szolgáltat az SFN mint sporttáplálékkiegészítő lehetőségének feltárásához alacsony hőmérsékletű környezetben.

Az Nrf2 egy alapvető szabályozó faktor, amely fenntartja a vázizomzat redox-homeosztázisát. Korábbi tanulmányok arról számoltak be, hogy az alacsony hőmérséklet-expozíció gátolja az Nrf2 expresszióját olyan szövetekben és szervekben, mint a szív, a máj és a tüdő, ami nagy mennyiségű ROS termelődéséhez vezet ezekben a szervekben, amelyek nem tudnak kiürülni. Nem számoltak be azonban az akut hipotermia-expozíciónak az Nrf2 expressziójára és a vázizomzat antioxidáns kapacitására gyakorolt hatásáról. Ezért ez a tanulmány először az 1 és 3 órás alacsony hőmérséklet-expozíció hatását vizsgálta az Nrf2 által közvetített antioxidáns rendszerre a vázizomzatban. Az eredmények azt mutatták, hogy a 3 órás alacsony hőmérsékletnek kitett egerek vázizomzatában az Nrf2 mRNS átírási szintje jelentősen csökkent, míg a ROS szintje jelentősen megnőtt. A későbbi kísérleti eredmények azt is mutatták, hogy a PBS+Con csoporthoz képest a PBS+Cold csoportban az egerek vázizomzatában az Nrf2 fehérje expressziója csökkenő tendenciát mutatott, és a T-AOC szintje jelentősen csökkent, míg a ROS szintje növekvő tendenciát mutatott. Feltételezhető, hogy a 3 órás alacsony hőmérséklet-expozíció gátolhatja az Nrf2 expresszióját az egér vázizomban és csökkentheti annak antioxidáns kapacitását.

Az alacsony hőmérsékletnek való 3 órás expozíció csökkenti a vázizom antioxidáns kapacitását, ami az Nrf2 által közvetített antioxidáns enzimek expressziójának és a glutation redox homeosztázis gátlásával függhet össze. Korábbi tanulmányok arról számoltak be, hogy 3 órás akut hipotermia-expozíció jelentősen csökkentheti a SOD1 expresszióját egér vesében, tüdőszövetben és barna zsírszövetben. Az intermittáló alacsony hőmérséklet-expozíció (napi 8 óra 3 napon keresztül) jelentősen csökkentette a GPX1 aktivitást és a HMOX1 fehérje expresszióját patkányok tüdőszövetében. A hosszú távú alacsony hőmérséklet-expozíció (napi 4 óra, heti 6 napon át, összesen 2 héten keresztül) jelentősen csökkentette a SOD1 aktivitást és a CAT fehérje expresszióját egér agyszövetben. A vizsgálat megállapította, hogy a 0 és 1 órás csoportokhoz képest a 3 órás csoportban az egerek vázizomzatában az antioxidáns enzim gének (Gpx1, Hmox1, Cat, Sod1, Nqo1) mRNS átírási szintje szignifikánsan csökkent. A későbbi kísérleti eredmények azt is kimutatták, hogy a PBS+Con csoporthoz képest a PBS+Cold csoportban az egerek vázizomzatában az antioxidáns enzim gének (Gpx1, Hmox1, Cat, Sod1, Nqo1) mRNS átírási szintje csökkenő tendenciát mutatott, és a HMOX1 és CAT fehérjék expressziója jelentősen csökkent. Ebből arra lehet következtetni, hogy a 3 órás alacsony hőmérséklet-expozíció gátolhatja az Nrf2 által közvetített antioxidáns enzimek transzkripcióját és transzlációját, ezáltal befolyásolva a vázizom antioxidáns kapacitását. Emellett vizsgálatok kimutatták, hogy az akut alacsony hőmérsékleti expozíció csökkentheti a GSSG-tartalmat és a GSH/GSSG arányt az emberi vörösvértestekben, valamint csökkentheti a GSH-tartalmat a patkánymáj és a gyomor szöveteiben. E vizsgálat eredményei azt mutatták, hogy a PBS+Con csoporthoz képest a PBS+Cold csoportban az egerek vázizomzatának GSSG-tartalma és GSH/GSSG aránya jelentősen megnőtt, illetve csökkent, míg a GSH-tartalom nem változott jelentősen. Ez azt jelzi, hogy a GSH/GSSG arány csökkenésének fő oka a GSSG felhalmozódása lehet.

Az SFN Nrf2-re gyakorolt specifikus aktiváló hatását széles körben megerősítették. Egy vizsgálat megállapította, hogy 12 hetes SFN étrendi beavatkozás aktiválta az Nrf2 által szabályozott antioxidáns enzimrendszert idős egerek extensor digitorum longus izomzatában, javítva az izomerő és a fizikai állóképesség állapotát. Ezenkívül patkányoknak három nappal a kimerítő edzés előtt intraperitoneálisan SFN-t adtak be, ami a plazma laktát-dehidrogenáz és kreatin-foszfokináz aktivitásának csökkenését, valamint az Nrf2 és az antioxidáns enzimek (NQO1, GST, GSR) fehérjeexpressziójának és aktivitásának növekedését eredményezte az oldalsó combizomban. Az edzéstől a kimerülésig eltelt idő és távolság is nőtt. A fenti kutatási eredmények azt mutatják, hogy az SFN aktiválása az Nrf2 fontos szerepet játszik az általa közvetített antioxidáns kapacitás és az edzésállóképesség fokozásában. Ezért a vázizom antioxidáns kapacitásának 3 órás alacsony hőmérséklet-expozíció során bekövetkező csökkenésének javítása érdekében 3 órás alacsony hőmérséklet-expozíció előtt SFN-t adtunk az egereknek. A kísérleti eredmények azt mutatták, hogy a PBS+Hideg csoporthoz képest az SFN+Hideg csoport egereknél jelentősen nőtt a vázizom Nrf2 mRNS és fehérje expressziója, valamint a T-AOC, és jelentősen csökkent a ROS szintje. Emlékeztetőül: Az Nrf2 SFN aktiválása növelheti a 3 órán át alacsony hőmérsékletnek kitett vázizom T-AOC értékét, megszüntetheti a túlzott ROS-t, és pozitív hatással van a vázizom redox-homeosztázisának fenntartására.

Az SFN pótlása növeli az alacsony hőmérsékletnek kitett egerek vázizomzatának antioxidáns kapacitását, ami szorosan összefügg az Nrf2 által közvetített antioxidáns enzimrendszer SFN általi aktiválásával. Az Nrf2 által szabályozott endogén antioxidáns enzimek a ROS-tisztítás fő végrehajtói. Például a SOD1 katalizálja a szuperoxid-anion gyökök dismutációját oxigén és hidrogén-peroxid előállítására; a CAT képes a hidrogén-peroxidot vízzé és oxigénné dismutálni; a GPX1 katalizálja a víz és a megfelelő alkoholok előállítását hidrogén-peroxidból vagy szerves peroxidokból GSH-t szubsztrátként használva; Az NQO1 katalizálja a kinon kettős elektron redukciós reakcióját hidrokinon képződéséhez, elősegíti a kinon kiválasztását, és megakadályozza, hogy a kinon ROS-t generáljon az egyelektronos redukciós reakció révén; a HMOX1 katalizálja a toxikus szabad hemoglobin bomlását biliverdin, CO és vasionok előállítása céljából, antioxidáns károsító funkciókkal. A vizsgálat eredményei azt mutatták, hogy az SFN beadása 3 óra alacsony hőmérséklet-expozíció előtt jelentősen megnövelte a vázizom antioxidáns enzim génjeinek (Gpx1, Hmox1, Cat, Sod1, Nqo1) mRNS átírási szintjét és a HMOX1 és SOD1 fehérje expresszióját az SFN+Cold csoport egereiben a PBS+Cold csoporthoz képest. A fenti eredmények arra utalnak, hogy az SFN aktiválja az Nrf2-t, ami fokozza ezen antioxidáns enzimgének transzkripcióját és transzlációját.

Ezenkívül az SFN pótlása növeli a vázizomzat antioxidáns kapacitását az alacsony hőmérsékletnek kitett egereknél. Az antioxidáns enzimek fokozott expressziója mellett ez szorosan összefügg az Nrf2 által közvetített glutation redox rendszer SFN általi aktiválásával is. A glutation egy tripeptid, amely glutaminsavból, ciszteinből és glicinből áll, és a szervezetek antioxidáns védelmi rendszerében fontos kis molekulájú aktív oligopeptid. A glutation elsősorban GSH formájában létezik a sejtekben. A molekulájában lévő cisztein aktív tiolcsoportja képes elektronokat szolgáltatni a ROS-nak, majd a GSH stabil dimerré, GSSG-vé alakul, hogy megakadályozza a ROS folyamatos elektronrablását, így védi a fehérjéket, lipideket és nukleinsavakat az oxidatív károsodástól és fenntartja a sejtek redox-homeosztázisát. A GSH keletkezése a szervezetben főként két útvonalon keresztül történik: szintézis és redukció. Először is, a glutaminsav és a cisztein a GCLC és a GCLM katalizálásával glutamilciszteint képez, majd a glutamilcisztein és a glicin a GSS katalizálásával GSH-t. Másodszor, a GSSG a NADPH és a GSR hatására GSH-vá redukálható. Ezért a Gclc, Gclm, Gss és Gsr kulcsfontosságú enzimgének, amelyek szabályozzák a GSH keletkezését, és az Nrf2 downstream célgénjei. Megállapítottuk, hogy SFN-kiegészítést követően az SFN+Cold csoportba tartozó egerek vázizomzatában a glutationszintáz gének Gclm, Gss és Gsr mRNS-átírási szintje szignifikánsan megnövekedett a PBS+Cold csoporthoz képest, és a GSH és GSSG tartalma szignifikánsan csökkent. Feltételezhető, hogy ez akut alacsony hőmérsékletű stressz lehet, és az SFN-pótlás fokozhatja a GSH de novo szintézisét és redukciós útjait. A GSH azonban fontos szerepet játszik az akut alacsony hőmérsékleti expozíció által okozott nagy mennyiségű ROS-termelés megszüntetésében, ami végső soron a GSH jelentős fogyasztásához vezet. A szervezet redox egyensúlyának értékelésére szolgáló legfontosabb mutatóból, a GSH/GSSG arányból látható, hogy a GSH/GSSG arány az SFN+Cold csoportban jelentősen megnövekedett.

Összességében ez a vizsgálat azt jelzi, hogy a 3 órás akut hipotermia-expozíció gátolja az Nrf2 által közvetített antioxidáns aktivitást. Az alacsony hőmérsékletnek való kitettséget megelőzően a szulforafán adagolása aktiválta az Nrf2 által közvetített antioxidáns enzimeket és a glutation antioxidáns rendszereket, növelve a vázizom antioxidáns kapacitását.