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Research Article
In der vorliegenden Studie wurde ein einzigartiger Mechanismus identifiziert, durch den Salidrosid mitochondriale Schutzwirkungen auf hypoxische HT22-Zellen ausübt, teilweise über den AMPK/Sirt1/HIF-1α-Signalweg.
Es wurde festgestellt, dass Salidrosid (Sal), ein Wirkstoff von Rhodiola crenulata (Hook. f. et Thoms.) H. Ohba, mitochondriale Schutzwirkungen ausübt, indem er den Stoffwechsel verbessert und die Energieversorgung der Gehirnzellen unter hypoxischen Bedingungen erhöht. Der Wirkmechanismus ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. In der vorliegenden Studie wurde zunächst die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie eingesetzt, um die Auswirkungen von Sal auf die Nukleotidspiegel (ATP, ADP und AMP) zu analysieren. Der Cellular Thermal Shift Assay (CETSA), eine weit verbreitete molekulare Interaktionsmethode zur Validierung und Quantifizierung der Wirkstoffzielbindung in Zellen und Geweben verschiedener Spezies, wurde dann ausgewählt, um die Affinität von Sal zu Proteinen zu bestätigen, die mit dem AMPK/Sirt1/HIF-1α-Signalweg in Verbindung stehen. Die Ergebnisse zeigten, dass Sal die ATP- und ADP-Spiegel in hypoxischen HT22-Zellen erhöhte, während es die AMP-Spiegel senkte. Darüber hinaus zeigte Sal eine stabile Bindung an AMPKα-, p-AMPKα-, Sirt1- und HIF-1α-Proteine. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sal mitochondriale Schutzwirkungen ausüben kann, indem es den AMPK/Sirt1/HIF-1α-Signalweg moduliert, um den Nukleotidgehalt zu regulieren. Diese Studie stellt eine methodische Referenz für die Analyse des Nukleotidgehalts in Zellproben dar und trägt zur Identifizierung und Entdeckung von Angriffspunkten für Verbindungen aus der traditionellen chinesischen Medizin bei.
Das Gehirn reagiert aufgrund seines hohen Stoffwechselbedarfs, seiner begrenzten glykolytischen Kapazität und seiner Abhängigkeit von oxidativer Phosphorylierung sehr empfindlich auf Sauerstoff. Infolgedessen kann die Exposition gegenüber einer sauerstoffarmen Umgebung in großen Höhen leicht zu einer hypobaren hypoxischen Hirnschädigung (HHBI) führen1,2. Epidemiologische Studien deuten darauf hin, dass die Inzidenz der akuten Bergkrankheit bis zu 75 % erreichen kann, wenn Personen, die nicht an große Höhen gewöhnt sind, schnell in hochgelegene Regionen aufsteigen, mit einer Sterblichkeitsrate von etwa 1 % für schwere Fälle. Darüber hinaus kann die Sterblichkeitsrate bei Hirn- oder Lungenödemen in großer Höhe bei bis zu 40 % liegen, wenn keine medizinische Versorgung vorhanden ist3,4.
Die HHBI zeigt ein breites Spektrum an klinischen Symptomen. Leichte bis mittelschwere Fälle können Kopfschmerzen, Schwindel und Gedächtnisverlust umfassen5, während schwere Fälle zu kognitiven Beeinträchtigungen, Bewusstseinsstörungen und potenziell tödlichen Ergebnissen führen können5. Die Prävention und Behandlung von HHBI in hochgelegenen Regionen ist zu einem Schwerpunkt der medizinischen Forschung geworden. Präventive Strategien umfassen in erster Linie adaptives Training in Höhenumgebungen, einschließlich ausreichender Ruhe, ausgewogener Ernährung, richtiger Ernährung und angemessener körperlicher Bewegung 6,7. Darüber hinaus stehen pharmakologische Interventionen zum Schutz der Gehirnzellen und zur Linderung der zerebralen Hypoxie im Mittelpunkt der aktuellen HHBI-Forschung.
Mitochondrien dienen als primäre Energieproduktionszentren in den Zellen und synthetisieren Adenosintriphosphat (ATP), um den zellulären Energiebedarf zu decken. Unter hypoxischen Bedingungen nimmt die mitochondriale Energieproduktion ab, was zu einem verringerten ATP-Spiegel und einer Beeinträchtigung der Zellfunktion führt8. Die hypoxische Schädigung stört auch die mitochondriale Regulation von Ca2+ und der pH-Homöostase und löst Apoptose und Nekroseaus 9,10. Es besteht eine sich gegenseitig verstärkende Beziehung zwischen mitochondrialer Dysfunktion und hypoxischer Hirnverletzung. Einerseits verschlimmert die durch Hypoxie induzierte mitochondriale Beeinträchtigung den Sauerstoffmangel, indem sie den zellulären Energiestoffwechsel weiter reduziert und einen Teufelskreis erzeugt. Auf der anderen Seite erhöht die mitochondriale Dysfunktion den intrazellulären Ca2+-Spiegel, aktiviert apoptotische Kaskaden und führt zum Zelltod11. Obwohl die Mechanismen, die der hypoxischen Hirnschädigung zugrunde liegen, nach wie vor komplex und nicht vollständig verstanden sind, haben mehrere Studien einen gestörten neuronalen mitochondrialen Energiestoffwechsel als kritischen Faktor für ihre Pathogenese identifiziert12,13. Daher kann die weitere Erforschung der mitochondrialen Funktion wertvolle Einblicke in potenzielle therapeutische Ziele für hypoxische Hirnverletzungen liefern.
Salidrosid (Sal) ist ein Wirkstoff, der aus der Plateaupflanze Rhodiola crenulata (Hook. f. et Thoms.) H. Ohba gewonnen wird und häufig in Lebensmitteln, Gesundheitsprodukten und Pharmazeutika verwendetwird 14. Die Summenformel von Sal lautet C14H20O7 und ist auch als 2-(4-Hydroxyphenyl)-ethyl β-D-glucopyranosid bekannt. Es besitzt verschiedene pharmakologische Eigenschaften, darunter Anti-Hypoxie, Antioxidans, Anti-Müdigkeit, Anti-Tumor, immunmodulatorische, entzündungshemmende sowie kardiovaskuläre und zerebrovaskuläre Schutzwirkungen 15,16,17. Unter diesen ist seine Anti-Hypoxie-Wirkung eine der am besten dokumentierten. Neuere Studien haben zunehmend die signifikante mitochondriale Schutzwirkung von Sal als potenziellen Mechanismus für seine präventive und therapeutische Wirkung auf Plateau-induzierte Hirnverletzungen bei Mäusen hervorgehoben14,18. Die genauen molekularen Mechanismen, durch die Sal die ATP-, ADP- und AMP-Spiegel beeinflusst, sind jedoch nach wie vor wenig verstanden.
Die AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK) fungiert als wichtiger Energiesensor, der zur Aufrechterhaltung der zellulären Energiehomöostase beiträgt. Die Aktivierung von AMPK stimuliert Sirtuin 1 (Sirt1), was zu einem Anstieg des intrazellulären NAD+-Spiegels führt19. Studien haben gezeigt, dass Sirt1 den Hypoxie-induzierbaren Faktor 1-alpha (HIF-1α) regulieren kann, um die zelluläre Reaktion auf Hypoxie20 zu koordinieren. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Sal die Öffnung der neuronalen mitochondrialen Permeabilitätsübergangspore hemmt, HIF-1α-vermittelte mitochondriale Energieprozesse reguliert, die neuronale Apoptose abschwächt und die Integrität der Blut-Hirn-Schranke aufrechterhält, wodurch Ratten vor plateauinduzierten Hirnschäden geschütztwerden 14,21. Die Wirkung von Sal auf ATP und seine Metaboliten ADP und AMP bleibt jedoch ungewiss.
Um dies zu untersuchen, wurde zunächst die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) eingesetzt, um die Spiegel dieser drei Nukleotide zu quantifizieren. Darüber hinaus wurde der Cellular Thermal Shift Assay (CETSA) eingesetzt, eine weit verbreitete biophysikalische Technik, die 2013 eingeführt wurde, um Liganden-Protein-Wechselwirkungen in intakten Zellenzu untersuchen 22. Diese Methode wird häufig eingesetzt, um die Wirkstoff-Ziel-Bindung in Zellen und Geweben verschiedener Spezies zu validieren und zu quantifizieren. Insbesondere nach der Co-Inkubation von Zielzelllysaten mit dem Wirkstoff bei unterschiedlichen Temperaturen für eine festgelegte Dauer weist das wirkstoffgebundene Protein eine erhöhte thermische Stabilität auf, wodurch es weniger anfällig für Denaturierung und Ausfällung ist. Die gefällten ungebundenen Proteine werden dann durch Zentrifugation entfernt, und anschließend werden Wirkstoff-Ziel-Wechselwirkungen durch Western-Blot-Analyse des Überstands22 identifiziert. Um potenzielle molekulare Ziele von Sal zu identifizieren, wurde CETSA ausgewählt, um seine Bindungsaffinität mit Proteinen, die mit dem AMPK/Sirt1/HIF-1α-Signalweg in Verbindung stehen, zu bewerten.
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Die kommerziellen Details der Reagenzien und der in dieser Studie verwendeten Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Vorbereitung der Lösung
2. Zellkultur
HINWEIS: Die HT22-Zellkultur und das CoCl 2-stimulierte Hypoxiemodell wurden gemäß einem früheren Berichtetabliert 21.
3. Assay des Nukleotidgehalts (ATP, ADP und AMP)
4. Zellulärer thermischer Shift-Assay (CETSA)
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Die Standardkurven für ATP, ADP und AMP, die durch HPLC nachgewiesen wurden, waren Y = 7006,5X - 222,99, Y = 5217,3X - 17,796 bzw. Y = 9280,1X + 22,749 (Abbildung 1A-C). Die mittels HPLC gemessenen Nukleotidgehalte in jeder Gruppe wurden anhand der Standardkurven berechnet (Abbildung 1D-I). Es zeigte sich, dass CoCl2 die ATP- und ADP-Spiegel in HT22-...
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Mitochondrien sind Schlüsselorganellen, die an der therapeutischen Prävention von HHBI beteiligt sind 23,24,25. Frühere Studien der Gruppe haben bestätigt, dass Sal die Expression von AMPK-, Sirt1- und HIF-1α-Proteinen reguliert, die neuronale Mitochondrienfunktion verbessert und vor HHBI schützt21,24. Die direkte Wirkung von Sal a...
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Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Diese Arbeit wurde unterstützt von der National Natural Science Foundation of China (82274207 und 82474185), dem Science & Technology Department der Provinz Sichuan (2024NSFSC1845), der Science Foundation for Youths of Science & Technology Department der Provinz Sichuan (2023NSFSC1776), dem Key Research and Development Program von Ningxia (2023BEG02012), dem Youth Talent Support Project der China Association of Chinese Medicine für 2024-2026 (2024-QNRC2-B07) und dem Xinglin Scholar Research Förderprojekt der Chengdu University of TCM (XKTD2022013 und QJJJ2024027).
BEITRAG DES AUTORS:
Xiaobo Wang, Yating Zhang, Ya Hou, Rui Li und Xianli Meng haben dieses Projekt konzipiert. Yating Zhang, Ya Hou und Tingting Kuang führten die Experimente durch und analysierten die Daten. Yating Zhang und Hong Jiang schrieben das Manuskript. Xiaobo Wang und Xianli Meng überarbeiteten das Manuskript. Alle Autorinnen und Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und freigegeben.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acetonitrile | Aladdin | A104440 | |
0.22 µm aqueous membrane | Jinteng | JTMF0445 | |
0.22 µm needle type microporous filter membrane | Jinteng | JTSFM013001 | |
0.45 µm organic membrane | Jinteng | JTMF0448 | |
Agilent OpenLab software | Agilent | Version 2.X | |
Antibody-AMPKα | Cell Signaling Technology | #2532 | |
Antibody-HIF-1α | Cell Signaling Technology | #41560 | |
Antibody-p-AMPKα | Cell Signaling Technology | #50081 | |
Antibody-Sirt1 | Cell Signaling Technology | #2028 | |
Antibody-β-actin | Cell Signaling Technology | #4970 | |
BCA protein concentration assay kit | Boster Biological Technology | 17E17B46 | |
Bovine serum albumin | Cywin Innovation (Beijing) Biotechnology Co., Ltd. | SW127-02 | |
Broad-spectrum phosphatase inhibitor (100×) | Boster Biological Technology | AR1183 | |
Chromatographic column | Agilent | SB-C18 | |
CoCl2 | Sigma | 15862 | |
Decolorization shaker | Kylin-Bell | TS-2 | |
Dorsomorphin | MedChemExpress (MCE) | HY-13418A | |
Dulbecco's modified eagle medium | Gibco | 8121587 | |
Electrophoresis buffer | NCM Biotech | 20230801 | |
Fetal bovine serum | Gibco | 2166090RP | |
Goat Anti-rabbit IgG H&L (TRITC) | ZenBioScience Co., Ltd. | 511202 | |
GraphPad Prism software | GraphPad software, LLC | Version 9.0.0 | |
High performance liquid chromatography | Agilent | 1260 Infinity II Prime | |
High speed refrigerated centrifuge | Thermo Fisher Scientific | Legend Micro 17R | |
HRP conjugated affinipure goat anti-rabbit IgG(H+L) | Boster Biological Technology Co., Ltd. | BA1054 | |
HT22 cells | Guangzhou Jennio Biotech Co., Ltd. | JNO-02001 | |
Hypersensitive ECL chemiluminescence kit | NCM Biotech | P10300 | |
Image J software | National Institutes of Health | v1.8.0 | |
Metal heating temperature control instrument | Baiwan Electronictechnology Co., Ltd. | HG221-X3 | |
Methanol | Aladdin | M116118 | |
Nucleotide (ATP, ADP, and AMP) content assay kit | Beijing Solarbio Science & Technology Co., Ltd. | BC5114 | |
PAGE gel rapid preparation kit | Biosharp | PL566B-5 | |
Penicillin-streptomycin | NCM Biotech | C125C5 | |
Phosphate buffered saline (1×) | Gibco | 8120485 | |
Pre-stained color protein marker (10-180 kDa) | Cywin Innovation (Beijing) Biotechnology Co., Ltd. | SW176-02 | |
Protein loading buffer (5x) | Boster Biological Technology | AR1112 | |
PVDF (0.45 μm) | Cywin Innovation (Beijing) Biotechnology Co., Ltd. | SW120-01 | |
Rapid membrane transfer solution | Cywin Innovation (Beijing) Biotechnology Co., Ltd. | SW171-02 | |
RIPA lysate | Boster Biological Technology Co., Ltd. | AR0105 | |
Salidroside | Chengdu Herbpurify Co., Ltd. | RFS-H0400191102 | |
TBS buffer | NCM Biotech | 23HA0102 | |
Transmembrane buffer | NCM Biotech | 23CA2000 | |
Trypsin (0.25%, 1×) | HyClone | J210045 | |
Tween 20 | Shanghai Canspec Scientific Instruments Co., Ltd. | PM12012 | |
Ultrasonic cell disruption apparatus | Ningbo Xinyi ultrasonic equipment Co., Ltd. | JY92-IIDN | |
Visionworks imaging system | Analytik Jena | UVP ChemStudio | |
Vortex mixer | Kylin-Bell | XW-80A |
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