β-hydroksibutyraatin oksidaatio edistää immunometaboliittien kertymistä aktivoituneisiin mikroglia-soluihin

Adrian Beniton, Nabil Hajjin, Kevin O’Neill’n, Hector C. Keunin, & Nelofer Syedin tutkimus on julkaistu elokuun 26. päivänä 2020: 10.3390/metabo10090346

Sairastan etenevää MS-tautia. Olen aiemmissa artikkeleissa useita kertoja viitannut ketogeeniseen ruokavalioon yhtenä MS-taudin progressiota hidastavana terapiavaihtoehtona. Lisääntyvä kliininen näyttö osoittaa, että solujen glukoosinoton troofinen häiriö vaikuttaa neurodegeneraatioon Parkinsonin ja Alzheimerin tautien lisäksi myös mm. progressiivisessa multippeliskleroosissa.

Tässä katsauksessa kummastellaan mihin ketogeenisen ruokavalion vaikutus hermosoluja suojaavana, eli neuroprotektiivisena terapiana perustuu. Lets go!

Laajennan ja yritän parhaani mukaan myös selventää Beniton, Haijin et. al. tutkimusta

Saatteeksi: Neurologi ja kirjailija: Dr. Sophie Christoph kirjoittaa ketogeenisesta ruokavaliosta MS-taudin terapiana:

Ketogeeninen ruokavalio voi muuttaa immuunivastetta ja siten vaikuttaa MS-taudin etenemiseen. Eläinkokeet vahvistavat tämän havainnon.

Lihavuus on MS-taudin oireita pahentava riskitekijä. Ketogeeninen ruokavalio voi hillitä taudin etenemistä ja siihen liittyviä tulehdustiloja laihtumisen seurauksena. Viimeaikaiset tutkimukset viittaavat ruokailutottumusten ja sairauden tai oireiden vakavuuden väliseen vahvaan korrelaatioon.

Suuressa poikkileikkaustutkimuksessa ruokavalion laatuun ja aktiiviseen elämäntapaan liittyi kohentunut vireys, alhaisempi väsymys, ahdistuksen ja masennuksen lieveneminen, kognitiivisten kykyjen paraneminen ja neurologisten särkyjen helpottuminen.

Ketogeeninen ruokavalio tarjoaa vaihtoehtoisen energialähteen hermosoluille. Koska solujen rappeutuminen on ainakin osittain seurausta solujen glukoosinoton heikkenemisestä, betahydroksibutyraatti energiasubstraattina turvaa solujen energiansaannin.

Ketogeeniset ruokavaliot imitoivat aineevaihdunnan tasolla paastotilaa. Aineenvaihdunta siirtyy pois glykolyysin tuottamasta energiantuotannosta ja kohti rasvahappojen beeta-oksidaatiota ensisijaisena energialähteenä.

Ketogeeninen ruokavalio voi olla hyödyllinen MS-potilaille, koska:

  • ROS:ia ja RNS:iä (reaktiivisia happi- ja typpiradikaaleja) muodostuu vähemmän
  • veri-aivoesteen läpi kulkeutuvat ketoaineet säätelevät antioksidanttien signalointireittejä
  • ketoaineet lisäävät energiantuotantoa aivokudoksessa
  • eläimillä ja ihmisillä tehdyt tutkimukset vahvistavat, että ketogeeniset ruokavaliot vähentävät tulehduksellisia biomarkkereita veressä ja aivo-selkäydinnesteessä
  • kokeellisen autoimmuunisen enkefaliitin (EAE) hiirimallissa ketogeeninen ruokavalio johti motorisen vamman korjaantumiseen, parempaan oppimiseen ja muistiin, suurempiin hippokampuksen tilavuuksiin ja periventrikulaaristen vaurioiden remyelinaatioon
  • tulehduksellisten sytokiinien tukahdutettuun tuotantoon
  • lisääntyneisiin hermosolujen korjausprosesseihin
  • ketogeeninen ruokavalio parantaa MS-potilaiden väsymystä, masennusta ja laskee painoa
  • ketogeeninen ruokavalio ehkäisee ja parantaa MS:n aiheuttamaa neurodegeneraatiota ja neuroinflammaatiota

Mitokondrioiden toimintahäiriöt näyttävät olevan keskeisiä MS-patogeneesin neurodegeneratiivisessa vaikutuksessa. Tämä johtaa ATP:n heikompaan saatavuuteen, mikä voi edistää aksonin atrofiaa ja rappeutumista.

In vitro– ja eläintutkimusten mukaan ketogeenisen ruokavalion on osoitettu parantavan mitokondrioiden toimintaa ja edistävän siten aksonien terveyttä edistämällä ATP-tuotantoa ja mitokondrioiden biogeneesiä, ohittamalla mitokondrioiden häiriintyneet prosessit, lisäämällä antioksidanttien määrää ja vähentämällä oksidatiivisia vaurioita.

Tutkimukset ovat raportoineet merkittäviä eroja suolistobakteerien pitoisuudessa, monimuotoisuudessa ja koostumuksessa MS-potilailla ja niiden vaikutuksessa immuunijärjestelmän säätelyyn. Noin 3 kuukauden ketogeenisen ruokavalion jälkeen tämä tila parani myös MS-potilailla.

Tietoa kertyy jatkuvasti. Tälläkin hetkellä on käynnissä useita tutkimuksia, joissa selvitetään ketoosin vaikutuksia aivojen rappeutumista aiheuttaviin neurodegeneratiivisiin tauteihin, kuten Parkinsonin tauti, Alzheimerin tauti ja primaaristi progressiivinen MS.

Immuunisolujen metabolinen säätely on keskeinen vaikuttaja immunologisissa tapahtumissa

Julkaisin Ruokasodassa hiljattin kaksi tätä aihetta syventävää pitkää tutkimuskatsausta (Neurodegeneraation ja aksonaalisten vaurioiden mekanismit progressiivisessa multippeliskleroosissa: 1 & 2). Ketogeenisen ruokavalion myönteisiä vaikutuksia primaaristi progressiivisessa multippeliskleroosissa on kuvattu tässä: Ketogeeninen ruokavalio ja PPMS.

Pidemmittä puheitta, mennään asiaan

Tieto leukosyyttien metabolisesta säätelystä on lisääntynyt valtavasti, mutta keskushermoston mikroglia-solujen metabolisesta säätelystä tiedetään yhä paljon vähemmän. Tässä tutkimuksessa osoitetaan, että muiden hermoston solujen tapaan, myös mikroglia-solut pystyvät hapettamaan betahydroksibutyraatista energiaa sitruunahappokierrossa.

Vaihtoehtoisten ravintoaineiden rooli hermosolujen energiasubstraattina tunnetaan huonosti. Vielä vuosituhannen alkupuolella lähtökohtainen oletus oli, että aivojen solut eivät toimi ilman glukoosia. Tämä käsitys kuitenkin kumottiin virheellisenä viimeistään 1960-luvulla. Tieto ei saavuttanut laajemmin lääketieteellistä yhteisöä ja tutkimus jäi pienen piirin kuriositeetiksi.

Ongelmana ovat pitkään olleet tutkimusmenetelmien rajoitukset. Aineenvaihdunnan määrittelyssä on pitänyt tuvautua kovien faktojen lisäksi arvauksiin ja valistuneisiin mielipiteisiin.

Uusilla kehittyneemmillä tutkimusmenetelmillä nähdään tarkemmin ja syvemmälle. Aineenvaihdunnan mekanismeja voidaan korjata siellä, missä on veikattu väärää hevosta. Tämä selittää sen, että tieto aineenvaihdunnan mekanismeista täsmentyy nopeasti.

Glukoosin uskottiin olevan välttämätöntä aivoille, vaikka glukoosin saantia rajoittavaa ketogeenista ruokavaliota on käytetty lääkeresistentin epilepsian kohtausten hillitsemiseen noin sadan vuoden ajan. Hiilihydraattien (glukoosin) rajoittamista sovellettiin menestyksellisesti diabeteksen hoitoon jo 1700 ja 1800 lukujen vaihteessa. Ketogeenisen ruokavalion hyödyt eivät ole uusi ilmiö. Ne tunnettiin vuosituhansia ennen, kuin hiilihydraattien rajoittamisen terveyshyödyt unohdettiin viime vuosisadan puolenvälin jälkeen.

Ketogeeninen ruokavalio, aivan kuten paasto, olisi käytännössä mahdotonta, jos elimistöllä ei olisi mekanismeja korvata glukoosin saantia aivosolujen energianlähteenä muilla energiasubstraateilla.

β-hydroksibutyraatin oksidaatio edistää immunometaboliittien kertymistä aktivoituneisiin mikroglia-soluihin

Tässä tutkimuksessa käytettiin stabiilien isotooppien (13C) jäljitysstrategioita ja metabolomiikkaa* hahmottamaan β-hydroksibutyraatin (BHB) oksidatiivista metaboliaa ihmisen (HMC3) ja hiiren (BV2) mikroglia-soluissa sekä β-hydroksibutyraatin vuorovaikutusta glukoosin kanssa lepo- ja LPS- elli lipopolysakkaridi-aktivoidussa BV2:ssa.

Lipopolysakkarideja esiintyy gramnegatiivisten bakteerien ulkokalvon pinnalla, jossa ne toimivat endotoksiineina ja aktivoivat elimistön immuunijärjestelmän.

*Metabolomiikka on uusi menetelmä, jolla tutkitaan pienimolekyylisten metaboliittien rakennetta, toimintaa ja yhteisvaikutuksia elimistön soluissa, kudoksissa, veressä ja eritteissä.

β-hydroksibutyraatti tuodaan ja hapetetaan TCA-syklissä eli sitruunahappokierrossa molemmissa solulinjoissa, minkä jälkeen sytosolinen NADH : NAD+ -suhde muuttuu.

Nikotiiniamidiadeniinidinukleotidi (NAD+)

NAD+ eli nikotiiniamidiadeniinidinukleotidi on kaikissa elävissä soluissa esiintyvä tärkeä koentsyymi. Rakenteeltaan se on dinukleotidi, jossa nikotiiniamidiemäksen sisältävä nukleotidi ja adeniininukleotidi ovat liittyneet toisiinsa fosfaattiryhmiensä välityksellä.

NAD+ ja sen pelkistynyt muoto NADH toimivat koentsyymeinä monissa tärkeissä biologisissa hapetus-pelkistysreaktioissa. NAD+ muistuttaa rakenteeltaan toista tärkeää koentsyymiä NADP+:a eli nikotiiniamidiadeniinidinukleotidifosfaattia, jossa lisäksi on adenosiiniin liittynyt fosfaattiryhmä.NAD+ osallistuu lähinnä katabolisiin reaktioihin, kun taas NADP+:lla on tärkeä rooli anabolisissa reaktioissa.

Eliöt tuottavat NAD+:a kahdella eri tavalla. Niin sanotussa de novo -synteesissä, jota säätelevät BNA-geenit, eliöt valmistavat aminohappo tryptofaanista kinoliinihappoa. Kinoliinihappo muutetaan nikotiinihappomononukleotidiksi, joka muutetaan nikotinaattinukleotidiadenylyylitransferaasientsyymin avulla desamino-NAD+:ksi. NAD+-syntaasientsyymi muuttaa desamino-NAD+:n NAD+:ksi.

Eliöt biosyntetisoivat NAD+:a myös sen hajoamisessa syntyvästä nikotiiniamidista. Nikotiiniamidi muutetaan nikotiiniamidaasientsyymin avulla nikotiinihapoksi. Nikotiinihaposta muodostetaan nikotiinihappomononukleotidia, joka muokataan NAD+:ksi kuten de novo -synteesissä.

NAD+ on bioreaktioissa hapetin ja NADH pelkistin. NAD+ kiinnittyy entsyymeihin, jotka katalysoivat dehydrausreaktioita. Tällaisia ovat esimerkiksi glykolyysin yhteydessä tapahtuva glyseraldehydi-3-fosfaatin muuttaminen 1,3-bisfosfoglyseraatiksi, alkoholien hapettaminen aldehydeiksi, jota katalysoi alkoholidehydrogenaasi sekä glutamaatin hajotus.

Muita entsyymejä, joille NAD+ toimii koentsyyminä, ovat muun muassa UDP-galaktoosiepimeraasi, adenosyylihomokysteinaasi, 3-dehydrokinaattisyntaasi, ornitiinisyklodeaminaasi ja urokanaasi.- Wikipedia

BV2-soluissa stimulaatio lipopolysakkaridilla sääteli glykolyyttistä virtausta, lisäsi sytosolista NADH : NAD+ -suhdetta ja edisti glykolyyttisen dihydroksiasetonifosfaatin (DHAP) välituotetta.

β-hydroksibutyraatin lisääminen lisäsi LPS:n aiheuttamaa DHAP:n kertymistä ja edisti glukoosista johdetun laktaatin vientiä.

β-hydroksibutyraatti (BHB) lisäsi myös synergistisesti sukkinaatin ja muiden keskeisten immunometaboliittien, kuten sitruunahappokierron tuottamien a-ketoglutaraatin ja fumaraatin, LPS:n aiheuttamaa kertymistä. Lopuksi BHB sääteli avaintulehdusta edistävän (M1-polarisaatio) markkerigeenin, NOS2:n, ilmentymistä LPS:llä aktivoiduissa BV2-soluissa.

Yhteenvetona: havaitsimme β-hydroksibutyraatin mahdollisesti immunomoduloivaksi metaboliseksi substraatiksi, joka säätelee metabolista uudelleenohjelmointia tulehdusta edistävän vasteen aikana.

Betahydroksibutyraatti, β-hydroksibutyraatti eli betahydroksivoihappo tai BHB

Rakkaalla lapsella on monta nimeä. β-hydroksibutyraatti eli β-hydroksivoihappo on energia–aineenvaihdunnassa syntyvä ketoniyhdiste eli ns. ketoaine. Muita elimistön ketoaineita ovat asetoni ja asetoasetaatti.

Ketoaineita muodostuu elimistön energiatilan mukaisesti joko vapaista eli esteröitymättömistä rasvahapoista (free fatty acids eli FFA/non-esterified fatty acids eli NEFA) tai haihtuvista rasva-hapoista (volatile fatty acids eli VFA).

Ketoaineet erittyvät vapaasti munuaisissa virtsaan, joten virtsasta voidaan havaita ketoaineita melko pian ketoottisen tilanteen alkamisen jälkeen. On kuitenkin hyvä muistaa, että virtsaliuskojen ketoainemääritys havaitsee vain asetoasetaatin (ja vähemmässä määrin asetonin), muttei β-hydroksibutyraattia. β-hydroksibutyraatti on se ketoaine, jota syntyy eniten ketoosissa.

Ihmisillä β-hydroksibutyraatti voidaan syntetisoida maksassa rasvahappojen (esim. Butyraatti), β-hydroksi-β-metyylibutyraatin ja ketogeenisten aminohappojen aineenvaihdunnan reaktioiden avulla. Aineenvaihdunta muuttaa nämä yhdisteet asetoasetaatiksi, joka on ensimmäinen ketoaine, joka tuotetaan paastotilassa.

β-hydroksibutyraatin biosynteesiä asetoasetaatista katalysoi β-hydroksibutyraattidehydrogenaasientsyymi. Butyraatti voidaan myös metaboloida β-hydroksibutyraatiksi toisen metaboliareitin kautta, joka ei sisällä asetoasetaattia metabolisena välituotteena.

Tämä metabolinen reitti on seuraava β-hydroksibutyraatin pitoisuus ihmisen veriplasmassa, kuten muissakin ketoelimissä, kasvaa ketoosin kautta. Tämä kohonnut β-hydroksibutyraattitaso on luonnollisesti odotettavissa, koska p-hydroksibutyraatti muodostuu asetoasetaatista.

Aivot voivat käyttää β-hydroksibutyraattia energialähteenä, kun verensokeri on alhainen.

Diabetesta sairastavien potilaiden ketonitasot voidaan mitata virtsan tai veren kautta diabeettisen ketoasidoosin (happomyrkytys) osoittamiseksi.

Ketogeneesi tapahtuu, kun maksasolujen oksaloasetaatti ehtyy, mikä johtuu vähentyneestä hiilihydraattien saannista (ruokavalion tai paaston seurauksena).

Koska oksaloasetaatti on ratkaisevan tärkeä tekijä asetyyli-CoA:n (asetyylikoentsyymi-A on kaikkien energiaravinteiden välimuoto sitruunahaoppokierrossa) pääsemiseksi TCA-sykliin (trikarboksyylihappokeirto) eli sitruunahappokiertoon, asetyyli-CoA:n nopea tuotanto rasvahappohapetuksesta runsaan oksaloasetaatin puuttuessa ylittää TCA-syklin heikentyneen kapasiteetin ja tuloksena oleva ylimäärä asetyyli-CoA siirtyy kohti ketoaineiden tuotantoa.

β-hydroksibutyraatti pystyy läpäisemään keskushermostoa suojaavan veri-aivoesteen

Näin se pääsee ravitsemaan keskushermoston soluja. β-hydroksibutyyrihappotaso kasvaa maksassa, sydämessä, luurankolihaksissa, aivoissa ja muissa kudoksissa liikunnan, kalorien rajoittamisen, paaston ja ketogeenisten ruokavalioiden seurauksena.

Yhdisteen on havaittu toimivan histonideasetylaasin (HDAC) estäjänä. Estämällä HDAC-luokan I isoentsyymien HDAC2 ja HDAC3, β-hydroksibutyraatin on havaittu lisäävän aivoperäisen neurotroofisen tekijän (BDNF) pitoisuutta ja TrkB-signalointia hippokampuksessa.

Jyrsijätutkimuksissa on havaittu, että pitkäaikainen liikunta lisää plasman β-hydroksibutyraattipitoisuuksia, mikä indusoi BDNF-geenin promoottoreita hippokampuksessa.

Näillä havainnoilla voi olla kliininen merkitys masennuksen, ahdistuneisuuden ja kognitiivisten vajaatoimintojen hoidossa. Ketogeenistä ruokavaliota käyttävillä epilepsiapotilailla veren β-hydroksibutyraattitasot korreloivat parhaiten kohtausten hallinnan asteen kanssa. Optimaalisen antikonvulsanttivaikutuksen kynnys näyttää olevan noin 4 mmol / l.

Tutkimus

Mikroglia-solut ovat keskushermoston (CNS) immuunisoluja. Arviolta 10% kaikista keskushermoston soluista on mikroglia-soluja.

Nämä solut ovat viime aikoina herättäneet runsaasti kiinnostusta, koska niillä on kriittinen rooli yleisimmissä aivosairauksissa, kuten dementia, aivohalvaus ja aivokasvaimet. Aivosairaudessa tai immuunialtistuksessa levossa oleva mikroglia hyväksyy ohjelmalliset muutokset, jotka liittyvät sytokiinien ja kemokiinien vapautumiseen.

Sytokiinit ja kemokiinit

Sytokiini on proteiinirakenteinen solujen välisen viestinnän välittäjäaine, joka on löydetty immunologisen tutkimustyön yhteydessä. Sytokiinin ja kasvutekijän, joka on toinen paikallisesti vaikuttava kudoshormonityyppi, välinen ero on lähinnä löytöhistoriasta, eikä toimintatavasta tai muista ominaisuuksista johtuva. Valkosolut tuottavat suurimman osan sytokiineista. Immuunijärjestelmän ohjaus on niiden keskeisin tehtävä.

Immuunijärjestelmää ohjailevat sytokiinit voidaan jakaa toimintansa pääasiallisen luonteen perusteella viiteen pääryhmään: tuumorinekroositekijät, interferonit, interleukiinit, hematopoieettiset kasvutekijät ja muut kasvutekijät. Sytokiineja voidaan luokitella myös tuottajasolujensa mukaan. Esimerkiksi lymfosyyttien tuottamia sytokiineja kutsutaan lymfokiineiksi ja monosyyttien monokiineiksi.

Tuumorinekroositekijät (TNF) ovat ehkä keskeisimpiä ensisijaisia aktivoivia välittäjäaineita immunovasteen käynnistyksessä. Tuumorinekroositekijän nimi juontuu sen löytöhistoriasta, kun joidenkin syöpäpotilaiden kasvainten havaittiin surkastuvan bakteeritulehduksen yhteydessä. Myöhemmin saatiin selville, että kasvainten tuhoutumiseen vaikuttaa keskeisesti eräiden valkosolujen, makrofagien ja T-lymfosyyttien, tuottama proteiini, joka ristittiin tuumorinekroositekijäksi.

Hematopoieettiset kasvutekijät ohjailevat ja stimuloivat immunojärjestelmän solujen erilaistumista ja tuotantoa luuytimessä ja muissa verisoluja muodostavissa kudoksissa. Immunojärjestelmän kannalta ehkä keskeisin hematopoieettinen kasvutekijä on granulosyytti-makrofagi-solulinjaa stimuloiva tekijä. – Wikipedia

Kemokiinit saavat aikaan kemotaksista eli solun liikkumista joko suurempaa kemokiinipitoisuutta kohti tai siitä poispäin. Kemokiinit ovat yli 40 tunnetun molekyylin joukko rakenteeltaan samankaltaisia, pienikokoisia polypeptidejä (8-14 kDa), jotka sitoutuessaan kemokiinireseptoreihin aktivoivat ne. Kemokiinit ja niiden reseptorit luokitellaan C, CC, CXC ja CXXXC perheisiin sen mukaan, miten kemokiinin N-terminaalinen kysteiini paikantuu.

Kemokiinireseptorit ovat luonteeltaan G-proteiineja, joiden aktivoituminen käynnistää sarjan biokemiallisia reaktioita, kuten fosfatidyyli-inositolitrifostaatin hydrolysoitumisen, proteiinikinaasi C:n aktivoitumisen, kalsium-ionien sisänvirtauksen, sekä rac- ja Rho-proteiinien aktivaation. Rac ja Rho osallistuvat solun migraatioon säädellen aktiiniverkoston rakentumista lamellipodeissa ja filopodeissa.

Kemokiinien on osoitettu säätelevän erilaisia immuunijärjestelmän vasteita siten, että T-solujen alalajit ilmentävät eri kemokiinireseptoreita. Tämä puolestaan vaikuttaa siihen, mihin kudoksiin kyseiset T-solut voivat vaeltaa.

Monosyyteissä ja lepäävissä T-soluissa esiintyvät kemokiinireseptorit CCR5 and CXCR4 osallistuvat tulehdusreaktioihin, ja samat reseptorit avustavat HIV-virusten tarttumisessa T-soluihin. – Solunetti


Nämä polarisoidut solut on perinteisesti luokiteltu joko tulehdusta edistäviksi (M1-tyyppi) tai anti-inflammatorisiksi (M2-tyyppi) muutaman molekyylimarkkerin ilmentymisen mukaan. Molekyylit, kuten lipopolysakkaridi (LPS) ja interferoni-y (IFN-y), ovat voimakkaita M1-polarisaation promoottoreita, kun taas IL-4 indusoi M2-polarisaatiota.

Todisteiden lisääntyminen on kuitenkin osoittanut M1 / M2-kehyksen rajoitukset. Mikroglian polarisaatio on edelleen intensiivisen tieteellisen tutkimuksen aiheena. Lisääntyvä tutkimusnäyttö antaa ratkaisevan merkityksen solujen aineenvaihdunnalle mikrogliumin toiminnan ja polarisaation säätelyssä.

Solunulkoinen metabolinen ympäristö ja metabolisten reaktioiden ohjaamat muutokset solunsisäisessä aineenvaihduntaympäristössä, moduloivat vasteen immunologisiin signaaleihin.

Perifeerisissä immuunisoluissa mekanismit, joilla tulehdus vaikuttaa energia-aineenvaihduntaan, tunnetaan jo hyvin. Mikroglia-alueen viimeaikaiset havainnot osoittavat, että tämä immuunisolutyyppi sitoutuu erilaisiin metaboliareitteihin stimulaatiomallista riippuen.

Paljon vähemmän tiedetään kuitenkin siitä, kuinka energia-aineenvaihdunta ja metabolinen mikroympäristö vaikuttavat immuunivasteisiin. Immunometabolian havainnot ovat osoittaneet, että perifeeriset immuunisolut voivat sopeutua vaihteleviin ympäristöhaasteisiin metaboloimalla muita vaihtoehtoisia ravintoaineita kuin glukoosia (asetaattia, aminohappoja ja rasvahappoja).

Mikrogliassa tämä ns. metabolisen joustavuuden ilmiö ja vaihtoehtoisten substraattien energia-aineenvaihdunta ymmärretään edelleen puutteellisesti. Vasta äskettäin raportoitiin, että mikroglia voi glukoosin puuttuessa siirtyä käyttämään glutamiinia vaihtoehtoisena polttoaineena mikrogliafunktion ylläpitämiseksi.

Metabolisen joustavuuden merkitys lisääntyy samalla, kun metabolisen mikroympäristön merkityksestä immuunitoiminnan säätelylle saadaan lisää todisteita

Äskettäin on keksitty termi immunometaboliitit tai sytokiinien kaltaiset metaboliitit kuvaamaan metaboliitteja sukkinaattia, itakononaattia, laktaattia, fumaraattia ja a-ketoglutaraattia. Nämä ovat metaboliitteja, joilla on tärkeä vaikutus leukosyyttien aktivaatiossa ja erilaistumisessa, ja jotka ovat riippumattomia niiden tavanomaisesta roolista biosynteesissä ja bioenergeettisissä aineissa.

Ruokavalio-interventiot ovat osoittaneet terapeuttista potentiaalia aineenvaihduntaympäristön ja immuunijärjestelmän säätelijöinä. Tällaisista ruokavalioista ketogeeniset ruokavaliot ovat olleet suosittuja erityisesti aivosairauksien, kuten epilepsian ja gliooman (aivokasvain) hoidossa.

Huomio: Multippeliskleroosi aiheuttaa todellista tuhoa keskushermoston valkeassa ja harmaassa aineessa.Arpeumat ja kuolleiden neuroneiden muodostamat ”mustat aukot” ovat yhtä todellisia kuin amputoitu sormi tai varvas, joka ei ihmeenomaisesti jotain eliksiiriä nauttimalla kasva takaisin.

Ruokavalio-interventio terapiana hidastaa ja ehkäisee uusien hermostovaurioiden syntyä. Olemassaolevat vauriot voivat ehkä jossain määrin korjautua vuosien tai vuosikymmenten aikana neurogeneesin, remyelinaation ja neuroplastisuuden avulla, mutta sellaisesta ei ole tieteellistä näyttöä.

Yhtä kaikki, ketogeeninen ruokavalio hidastaa ja ehkäisee uusien leesioiden syntyä. Sen parempaan nykylääketiede ei oikein MS-taudin kohdalla pysty. Tämä on masentavaa, mutta samalla rohkaisevaa. Se on se, mitä me multippelisklerootikot voimme itsellemme antaa. Kukaan ei osaa korjata jo syntyneitä valkean ja harmaan aineen vaurioita, mutta me voimme ehkäistä uusien vaurioiden syntymistä ja hidastaa invalidisoivaa prosessia.

Tähän ruokavalioon liittyvien monien terveysvaikutusten joukossa ketoaine β-hydroksibutyraatin (BHB) endogeenisen tuotannon lisääntyminen on yksi biologisesti merkittävimmistä vaikutuksista.

Todiste tämän metaboliitin merkityksellisyydestä on se, että β-hydroksibutyraatti yksinään annettuna tuottaa ketogeenisen ruokavalion hyödylliset vaikutukset äärimmäisissä olosuhteissa.

Tämä on ajankohtainen aihe. NASA rahoittaa β-hydroksibutyraatin ja ketoosin vaikutuksia selvittäviä tutkimuksia, koska tulevaisuuden Mars-lentojen astronauttien aineenvaihdunta ja kognitiiviset kyvyt äärioloissa halutaan maksimoida. USAn puolustusministeriö rahoittaa ketoaineiden ja ketoosin tutkimusta, koska ketoosin uskotaan parantavan taistelusukeltajien toimintakykyä äärioloissa.

Ketoosin neuroprotektiiviset ja kognitiota tehostavat vaikutukset todentuvat erityisen hyvin äärioloissa. Karppaus ei vittuilusta huolimatta ole enää pienen pöpiseurakunnan ruokauskonto, vaan faktisesti ihmisen aineenvaihduntaa ja immuunijärjestelmää tehostava ruokavalio.

β-hydroksibutyraatti on nelihiilinen molekyyli, joka syntyy maksan rasvahappojen hapettuessa, kun elimistö ei saa glukoosia. Se voi toimia signalointimolekyylinä sitoutumalla suoraan G-proteiiniin kytkettyyn reseptoriin GPR109A tai histonideasetylaasin (HDAC) estäjänä sekä epäsuorasti oksidatiivisen aineenvaihdunnan kautta, minkä jälkeen muodostuu asetyyli-CoA ja NADH, eli asetyylikoentsyymi-A ja nikotiiniamidiadeniinidinukleotidin pelkistynyt muoto.

Vaikka β-hydroksibutyraatin suoria signalointivaikutuksia aivoissa ja mikroglia-alueella on tutkittu laajasti eri järjestelmissä, sen metaboliaa mikrogliassa ei ole aiemmin kartoitettu.

Kun otetaan huomioon metabolisen signaloinnin ja uudelleenohjelmoinnin keskeinen rooli immuniteetissa, β-hydroksibutyraatin metabolisten vaikutusten ymmärtäminen mikrogliassa nousee perustavanlaatuiseksi kysymykseksi.

Tässä käytimme stabiilin isotoopin (13C) jäljitystä ja metabolomiikkaa β-hydroksibutyraatin oksidatiivisen aineenvaihdunnan ja glukoosimetabolian välisen vuorovaikutuksen lepo- ja LPS- eli lipopolysakkaridi-aktivoidun mikroglian vertailuun.

Arvioimme myös β-hydroksibutyraatin vaikutusta lipopolysakkaridiin kohdistuvaan tulehdusvasteeseen analysoimalla polarisaatiotuottajien ilmentymässä tapahtuvia muutoksia.

Lipopolysakkaridi (LPS)on suurikokoinen molekyyli, joka koostuu lipidistä ja polysakkaridista. Molekyylin rakenteessa on kolme kovalenttisin sidoksin yhdistynyttä osaa: O-polysakkaridi eli O-antigeeni, ydinoligosakkaridi ja lipidi A. Lipopolysakkarideja esiintyy gramnegatiivisten bakteerien ulkokalvon pinnalla, jossa ne toimivat endotoksiineina ja aktivoivat elimistön immuunijärjestelmän.

Tulokset


Mikroglia-solut hapettavat β-hydroksibutyraattia TCA-syklissä

Sitruunahappokierto eli Krebsin sykli eli trikarboksyylihappokierto (TCA-kierto) on solujen mitokondrioissa tapahtuva monivaiheinen kemiallinen prosessi, jossa ravintoaineista peräisin olevat hiiliatomit hapettuvat hiilidioksidiksi ja samojen molekyylien sisältämät vedyt siirtyvät elektroninsiirtäjäkoentsyymeille. Prosessissa vapautuu energiaa, ja se on solujen pääasiallinen energianlähde.

Ennen kuin ravintoaineet kuten hiilihydraatit ja rasvat voivat tulla mukaan sitruunahappokiertoon, solussa tapahtuvien muiden prosessien on muutettava ne sopivaan muotoon, etenkin asetyyliryhmäksi, joka sitoutuu koentsyymi-A:n kanssa aktiiviseksi etikkahapoksi eli asetyylikoentsyymi-A:ksi. Lisäksi kierron eri vaiheissa sitoutuu vesimolekyylejä, ja siinä vapautuu hiilidioksidia sekä vetyioneja ja elektroneja. Nämä vapautuneet vetyionit ja ylimääräiset elektronit siirtyvät hapetus-pelkistysreaktioissa elektroninsiirtäjäkoentsyymeille, joita ovat NAD+:a ja FAD. Koentsyymeiltä vedyt siirtyvät edelleen elektroninsiirtoketjuun, jonka päätteeksi ne yhtyvät hengitysilmasta tulleen hapen kanssa vesimolekyyleiksi.

Syklisessä reaktiossa sitoutuu myös yksi fosforihappomolekyyli, jolloin muodostuu yksi korkeaenergiainen ATP-molekyyli GTP-välivaiheen kautta, ja neljä pelkistynyttä elektroninsiirtäjäkoentsyymiä (kolme NADH:ta ja yksi FADH2) kutakin pilkkoutunutta ja hapettunutta asetyylikoentsyymi-A:ta kohti. Sitruunahappokierto tapahtuu pääosin mitokondrion matriksissa, kun taas elektroninsiirtoketju tapahtuu mitokondrion sisäkalvolla.

Yksi sitruunahappokierron entsyymi, sukkinaattidehydrogenaasi, on mitokondrion sisäkalvon entsyymi. Se voi syöttää saamansa elektronit suoraan mitokondrion sisäkalvolla tapahtuvaan elektroninsiirtoketjuun.


β-hydroksibutyraatin metabolian tutkimuksessa mikroglia-solulinjat BV2 (hiiri) ja HMC3 (ihminen) valittiin mikroglia-solumalleiksi.

β-hydroksibutyraatin pitoisuus nousee olosuhteissa, joille on tunnusomaista rajoitettu glukoosin saatavuus. Vaikka β-hydroksibutyraatin hapettumisen on jo kauan tiedetty tapahtuvan hermosoluissa, astrosyyteissä ja oligodendrosyyteissä, todisteita β-hydroksibutyraatin hapettumisesta mikroglia-soluissa ei vielä ole.

Pyrimme ensin vahvistamaan, voiko mikroglia hapettaa β-hydroksibutyraattia, sekä ymmärtämään, miten glukoosin saatavuus muuttaa β-hydroksibutyraatin aineenvaihduntaa.

Näiden hypoteesien testaamiseksi teimme stabiilin isotooppien jäljityskokeen käyttäen 13C-leimattua β-hydroksibutyraattia. 13C-leimattujen substraattien käyttö mahdollistaa hiilen kulkeutumisen jäljittämisen eri aineenvaihduntareittien kautta ja liittymisen alavirran metaboliitteihin.

β-hydroksibutyraatti hapetetaan kolmivaiheisen ketoaineiden hapetusreitin kautta, minkä jälkeen tuotetaan NADH:ta ja asetyyli-CoA:ta, jotka voidaan siirtää sitruunahappokiertoon. (Kuva 1)

BV2- ja HMC3-viljelmiä täydennettiin tasaisesti 5 mmol/l 13C-leimatulla BHB:lla (13C4-BHB) viljelyolosuhteissa, jotka eivät sisältäneet lisättyä glukoosia, 1 tai 5 mmol/l leimaamatonta glukoosia (12C6-glukoosi).

Rinnakkaisanalyysi 13C-leimatulla glukoosilla (13C6-glukoosi) vahvisti glykolyyttisen virtauksen merkittävän vähenemisen glukoosia rajoittavassa ympäristössä (kuvio S1A, B). Tuloksemme osoittivat, että sekä BV2 että HMC3 voivat tuoda ja hapettaa β-hydroksibutyraattia, kuten TCA-syklin m +2 13C-rikastus osoittaa. Välituotteina sitraatti, a-ketoglutaraatti, glutamaatti, sukkinaatti, fumaraatti ja malaatti (kuva 1B).

Tuloksemme osoittivat myös, että glukoosin saatavuus muuttaa β-hydroksibutyraatin vaikutusta eri tavalla kussakin solulinjassa. BV2-soluissa β-hydroksibutyraatin hapettuminen lisääntyi vähitellen glukoosipitoisuuden laskiessa, mikä ilmeni m+2 13C-rikastumisen kasvuna kaikissa sitruunahappokierron välituotteissa (kuvio 1B, vasemmalla).

HMC3-soluilla ei ollut samaa vastemallia, ja β-hydroksibutyraatin hapettuminen pysyi vakiona riippumatta glukoosipitoisuudesta, mistä osoittaa tasainen m +2 13C-rikastumisen osuus TCA-syklin välituotteissa (kuvio 1B, oikea).

Mielenkiintoista on, että sekä BV2- että HMC3-soluissa havaittavissa oleva osa 13C4-BHB-johdetuista hiilistä transformoitiin laktaatiksi (kuvio S2A, B) ja pyruvaatiksi (kuvio S2C, D).

Havaitsimme erityisesti solunsisäisen m+2 13C2-laktaatin lisääntymisen glukoosista riippuvaisella tavalla, mikä viittaa vaihtoehtoiseen β-hydroksibutyraatin metaboliareittiin, joka paranee glukoosia rajoittavissa olosuhteissa.

On raportoitu, että mikroglia-soluilla on joustava aineenvaihdunta ja glukoosipuutteessa ne voivat nopeasti siirtyä käyttämään glutamiinia mitokondrioiden aineenvaihdunnan ja valvontatoimintojen ylläpitämiseen. Siksi testataksemme mahdollisuutta, että β-hydroksibutyraatti voisi aiheuttaa mikroglia-proliferaation (lisääntymisen) hyvin matalan glukoosin olosuhteissa, viljelimme BV2- ja HMC3-soluja 0,1 mmol/l glukoosissa, johon oli lisätty 5 tai 10 mmol/l leimaamatonta β-hydroksibutyraattia.

Tuloksemme osoittavat, että β-hydroksibutyraatti ei aiheuttanut mikroglian lisääntymistä missään solulinjassa (kuva S2E, F). Koska sekä glukoosi että β-hydroksibutyraatinn metaboliareitit ovat mukana NADH:n tuotannossa, olimme kiinnostuneita siitä, voisiko β-hydroksibutyraatti muuttaa bioenergeettistä aineenvaihduntaa ja redox-tilaa indusoimalla muutoksia NADH : NAD+ -suhteessa.

Tämän suhteen on äskettäin raportoitu hallitsevan synnynnäisiä tulehdusvasteita transkriptionaalisen repressorin CtBP:n kautta. Sytosolinen NADH : NAD+ -suhde voidaan arvioida epäsuorasti mittaamalla laktaatin ja pyruvaatin solunsisäisten tasojen suhde (kuvio 1C) . Kuten odotettiin, 5 mmol/l glukoosissa viljellyillä soluilla oli suurempi NADH : NAD+ -suhde kuin 1 mmol/ glukoosissa viljellyillä soluilla (kuvio 1D, E).

BV2-soluissa β-hydroksibutyraatin lisääminen lisäsi NADH : NAD+ -suhdetta, kun soluja viljeltiin 5 mmol/l glukoosissa, mutta ei 1 mmol/l glukoosissa (kuvio 1D). HMC3-soluissa β-hydroksibutyraatin lisäys nosti suhdetta sekä 1 että 5 mmol/l glukoosiolosuhteissa (kuvio 1E).

Tutkimme myös β-hydroksibutyraatin isäyksen vaikutusta metaboliittitasoihin useilla metaboliareiteillä soluissa, joita viljeltiin 1 ja 5 mmol/l glukoosissa. BV2-solujen aineenvaihdunta reagoi paremmin β-hydroksibutyraattiin kuin HMC3. 1 mmol/l glukoosissa BV2-solut, joihin oli lisätty β-hydroksibutyraattia, osoittivat laktaatin, glysiinin ja glutamaatin kertymistä, kun taas 5 mmol/l glukoosissa havaittiin laktaatin kertymistä ja glutamaatin konsentraation pienenemistä (kuvio S3A).

HMC3-soluissa β-hydroksibutyraatti edisti glutamaatin kerääntymistä matalassa glukoosissa viljellyissä soluissa (kuvio S3B). Nämä tiedot yhdessä vahvistavat, että β-hydroksibutyraatti hapetetaan sitruunahappokierrossa (TCA-syklissä) mikroglia-soluissa ja edistää NADH:n tuotantoa ja sytosolisen NADH : NAD+ -suhteen säätelyä.

β-hydroksibutyraatin (BHB) hapettuminen hiiren (BV2) ja ihmisen (HMC3) soluissa.

  1. (A) Kaavamainen esitys 13C4-BHB: stä johdetusta 13C-rikastuksesta.
  2. (B) TCA-syklin välituotteiden (Cit, sitraatti; αKG, α-ketoglutaraatti; Glu, glutamaatti; Suc, sukkinaatti; Fum, fumaraatti; Mal, malaatti) m + 2 13C-rikastus BV2- ja HMC3-soluissa viljelyolosuhteissa joko ilman lisättiin glukoosia tai 1 tai 5 mM 12C6-glukoosia ja 5 mM 13C4-BHB 24 tunnin ajan. Pylväät edustavat n = 3 biologisen replikaation keskiarvoa ± SD. Tiedot analysoitiin yksisuuntaisella ANOVA: lla metaboliittia kohti, mitä seurasi Tukey-testi.
  3. (C) Kaavioesitys sytosolisesta NADH : NAD+ -suhteesta tasapainossa laktaatti: pyruvaatti-suhteen kanssa.
  4. (D, E) Sytosolinen NADH : NAD+ -suhde arvioitu käyttämällä laktaatin ja pyruvaatin solunsisäisiä tasoja BV2: ssa (D) ja HMC3: ssa (E). Pylväät edustavat n = 2-3 (-BHB) ja n = 5-6 (+ BHB) biologisten kopioiden keskiarvoa ± SD. Tiedot analysoitiin kaksisuuntaisella ANOVA:lla, jota seurasi Sidakin testi (-BHB vs. + BHB glukoosiluokassa). Tilastollista merkitsevyyttä merkitään * p <0,05, ** p <0,01 ja **** p <0,0001.

β-Hydroxybutyraatti muuttaa LPS:n aiheuttaman glykolyyttisen vasteen

β-hydroksibutyraatin roolia mikrogliassa ja neuroinflammatiossa on aiemmin tutkittu erilaisissa sairausmalleissa. β-hydroksibutyraatin metabolisia vaikutuksia mikroglia-aktivaatioon ja taustalla olevaan metaboliseen uudelleenohjelmointiin ei kuitenkaan tunneta.

Tutkimusten mukaan yhä useampi todiste osoittaa, että metabolinen häiriö voi muuttaa mikroglia-vastetta immuunisignaaleihin. Siksi haluamme ymmärtää β-hydroksibutyraatin vaikutusta LPS-aktivoituun mikrogliaan liittyvään metaboliseen uudelleenohjelmointiin.

Koska BV2-solut reagoivat metabolisesti paremmin β-hydroksibutyraatin lisäykseen ja aiemmat tutkimukset olivat optimoineet LPS-stimulaation ja luonnehtineet osittain tämän solulinjan metabolista vastetta, BV2 valittiin malliksi tutkittaessa β-hydroksibutyraatin vaikutuksia LPS:n aiheuttamaan metaboliseen uudelleenohjelmointiin.

BV2-soluja viljeltiin 5 mmol/l 13C6-glukoosin läsnä ollessa ja käsiteltiin joko 5 mmol/l 12C4–β-hydroksibutyraatilla, 100 ng / ml LPS:llä tai molemmilla 6 tuntia.Onnistuneen aktivaation vahvisti tulehdusmerkinnän NOS2 uudelleen säätely (kuvio S4A). Glykolyyttisen aineenvaihdunnan muutosten tutkimiseksi mitasimme 13C-rikastumisen ja keskeisten glykolyyttisten välituotteiden suhteellisen runsauden (kuvio 2A). Vaikka LPS-hoito ei muuttanut glukoosin ottonopeutta, havaitsimme korkeamman glukoosinottotrendin soluissa, joita hoidettiin yksin β-hydroksibutyraatilla tai yhdessä LPS:n kanssa, mikä ei saavuttanut tilastollista merkitsevyyttä (kuvio 2B).

LPS:n, mutta ei β-hydroksibutyraatin lisääminen lisäsi glykolyyttistä virtausta solunsisäisen m+3 13C-pyruvaatin (kuvio 2C) ja m+3 13C-laktaatin (kuvio 2D) nousun perusteella.

Johdonmukaisesti tämä glykolyyttisen vuon kasvu, kun soluja käsiteltiin LPS:llä, liittyi sytosolisen NADH : NAD+ -suhteen nousuun (kuvio 2E). Pelkkä β-hydroksibutyraatin täydentäminen ei muuttanut NADH : NAD+ -suhdetta, mutta LPS:n ja β-hydroksibutyraatin yhdistelmä vähensi tätä verrattuna yksin LPS:ään. Mielenkiintoista on, että LPS:n ja β-hydroksibutyraatin vaikutukset 13C-laktaatin vientiin seurasivat eri suuntausta kuin solunsisäisen 13C-pyruvaatin ja 13C-laktaatin tuotanto. Vaikka erilliset hoidot LPS:llä tai β-hydroksibutyraatilla yksinään eivät muuttaneet 13C-laktaatin vientinopeutta, yhdistelmähoito lisäsi dramaattisesti 13C-laktaatin vientiä väliaineeseen (kuvio 2F), mikä viittaa siihen, että β-hydroksibutyraatti voisi muuttaa glukoosista otetun hiilen kohtaloa sekä laktaattimetaboliaa ja vientiä.

Tutkimme myös muutoksia joidenkin glykolyyttisten välituotteiden suhteellisessa runsaudessa (otoksen koko). Havaitsimme suuren dihydroksiasetonifosfaatin (DHAP) (kuvio 2G, H) pitoisuuden nousun LPS:llä käsitellyissä soluissa, jotka lisääntyivät enemmän, kun soluja käsiteltiin samanaikaisesti LPS:llä ja β-hydroksibutyraatilla, mikä viittaa synergistiseen metaboliseen vasteeseen molemmille aineille.

Löysimme myös seriinin, glysiinin ja metioniinin merkittäviä kertymiä, kun soluja käsiteltiin LPS:llä ja β-hydroksibutyraatilla samanaikaisesti (kuvio 2G). Nämä tulokset osoittavat yhdessä, että LPS lisää glykolyyttistä virtausta ja sytosolista NADH : NAD+ -suhdetta ja että BHB muuttaa LPS:n aiheuttamaa glykolyyttistä fenotyyppiä edistämällä laktaatin vientiä ja glykolyyttisten välituotteiden kertymistä.

β-hydroksibutyraatti edistää mitokondrioiden aineenvaihduntaa ja TCA-syklin välituotteiden kertymistä

Kuten aikaisemmin on esitetty kuviossa 1B, mikroglia-solut hapettavat β-hydroksibutyraattia sitruunahappokierrossa (TCA-syklissä). Viime vuosina useiden TCA-syklin välituotteiden on raportoitu osallistuvan immuniteetin signalointiin ja säätelyyn, mutta on epäselvää vaikuttaako tämä aineenvaihdunnan säätely myös mikrogliassa.

Lipopolysakkaridi-stimulaatiolla mitattiin sitruunahappokierron välituotteiden 13C-rikastuminen ja suhteellinen runsaus BV2-soluissa samoissa koeolosuhteissa kuin kuvassa 2. Pelkästään LPS-käsittely kasvatti 13C-glukoosista johdettujen hiilien virtausta mitokondrioihin. M+2 13C-sitraatin lisääntymieen liittyen (kuvio 3A).


Vastaavasti kuviossa 1B esitettyjen tulosten kanssa yksin β-hydroksibutyraatin lisääminen vähensi 13C-rikastumista kaikissa sitruunahappokierron välituotteissa verrattuna soluihin, joita viljeltiin ilman β-hydroksibutyraattia 13C-leimauksen laimentamisen vuoksi.

Lipopolysakkaridin lisääminen yhdessä β-hydroksibutyraatin kanssa lisäsi merkittävästi m+2 13C-sitraatin ja muiden TCA-syklin välituotteiden, kuten:

13C-a-ketoglutaraatin 13C-glutamaatin

13C-sukkinaatin

13C-malaatin

13C-fumaraatin

osuutta verrattuna B β-hydroksibutyraattiin yksin (kuva 3A).

Tutkimme myös muutoksia sitruunahappokierron välituotteiden ja aminohappojen suhteellisessa esiintymisessä. Erillinen käsittely lipopolysakkaridilla, muttei betahydroksibutyraatilla, lisäsi käsiteltyjen solujen sukkinaatin tasoa merkittävästi käsittelemättömiin soluihin verrattuna (kuvio 3B, C). Vastaava ilmiö on aiemmin raportoitu makrofageissa.

Sukkinaattitasot nousivat edelleen soluissa, joita oli käsitelty LPS:llä ja BHB:llä. Tämä viittaa synergistiseen vaikutukseen yhtäläisellä altistuksella näille kahdelle metaboliitille.

Pelkkä BHB-hoito ei muuttanut merkittävästi minkään tutkitun metaboliitin tasoja, mutta hoito LPS:lla ja BHB:lla yhdessä lisäsi myös immunometaboliittien fumaraatin (kuva 3D) ja a-ketoglutaraatin (kuva 3E) tasoja. Lisäksi havaittiin sitraatin, glutamaatin, malaatin ja pyroglutamaatin lisääntymistä, kun soluja käsiteltiin LPS:llä ja BHB:llä samanaikaisesti (kuvio 3B).

Tuloksemme osoittavat, että β-hydroksibutyraatti edistää mitokondrioiden metaboliaa ja sitruunahappokierron immunometaboliittien kertymistä LPS-aktivoiduihin soluihin.

β-hydroksibutyraatti tehostaa lipopolysakkaridin aiheuttaman tulehdusta ehkäisevän markkerin NOS2 stimulaatiota

β-hydroksibutyraatinn vaikutuksen ymmärtämiseksi mikroglian aktivaatiossa ja polarisaatiossa BV2-soluja käsiteltiin pienellä (1 ng / ml) tai suurella (100 ng / ml) LPS-annoksella, 5 mmol/l β-hydroksibutyraatilla tai molempien yhdistelmällä. ja määritettiin M1 (NOS2 ja IL-1p) ja M2 (ARG1) polarisaatiomerkkien ilmentyminen (kuvio 4A, B).

Stimulaatio joko pienellä tai korkealla LPS-konsentraatiolla yksin johti NOS2- ja IL-1β-ilmentymisen voimakkaaseen säätelyyn. Ainoastaan suurella LPS-pitoisuudella käsitellyt solut vähensivät merkittävästi ARG1:n ilmentymistä.

Pelkästään β-hydroksibutyraatin lisääminen ei vaikuttanut minkään geenin ilmentymiseen, mutta mikä tärkeintä, solut, joita oli hoidettu pienen LPS- ja BHB-annoksen yhdistelmällä, osoittivat NOS2-ilmentymisen lisääntynyttä säätelyä verrattuna pelkästään LPS: llä käsitellyihin soluihin.

Millaisia ajatuksia tämä herätti?

Tässä käyttämällä stabiilin isotoopin jäljitystä 13C-BHB:n kanssa olemme osoittaneet, että mikroglia-solut voivat tuoda ja hapettaa betahydroksibutyraattia sitruunahappokierrossa, jolloin sytosolinen NADH : NAD+ -suhde kasvaa myöhemmin.

Käyttämällä 13C-glukoosia havaitsimme, että lipopolysakkaridi (LPS) säätelee glykolyyttistä virtausta, lisää NADH : NAD+ -suhdetta ja edistää DHAP: n kertymistä. β-hydroksibutyraatin lisääminen lisäsi LPS:n indusoimaa DHAP:n kertymistä ja edisti glukoosista johdetun laktaatin vientiä. β-hydroksibutyraatti lisäsi myös synergistisesti sukkinaatin ja muiden keskeisten immunometaboliittien, kuten TCA-syklin tuottamien a-ketoglutaraatin ja fumaraatin, lipopolysakkaridin aiheuttamaa kertymistä.

β-hydroksibutyraatti on tärkein ketoaine yhdessä asetoasetaatin ja asetonin kanssa. Ketoaineita syntetisoituu maksassa rasvakudoksista tai ravinnon rasvahapoista. β-hydroksibutyraatin peruskonsentraatio plasmassa terveillä koehenkilöillä on suhteellisen pieni, viitearvojen ilmoitettuina 0,04–0,08 mmol/l ja tyypillisesti <0,5 mmol/l, ja se nousee erityisolosuhteissa, kuten paaston aikana (5–6 mmol/l), ketogeenisellä ruokavaliolla (1 mmol/l) tai diabeettisessa ketoasidoosissa (> 10 mmol/l).

Glukoosi on aivoille edullinen energiasubstraatti. Toisin kuin useimmat muut kudokset, aivot eivät voi käyttää rasvahappoja energiaksi, kun verensokeritaso vaarantuu. Alhaisen saatavuuden aikoina sitä voidaan kuitenkin täydentää vaihtoehtoisten substraattien, kuten monokarboksylaattipyruvaatin, laktaatin, asetaatin ja ketoaineiden hapetuksella. Suurin osa tämänhetkisestä tiedosta vaihtoehtoisten ravintoaineiden käytöstä aivosoluissa on saatu hermosoluista ja astrosyyteistä tai kokoaivokokeissa joko in vivo tai aivokuoren viipaleina.

Tuloksemme osoittavat selvästi, että mikroglia-solut BV2 ja HMC3 voivat tuoda ja hapettaa ketoaine β-hydroksibutyraattia. Monokarboksylaattikuljettimet (MCT) kuljettavat β-hydroksibutyraattia aktiivisesti aivoihin.

β-hydroksibutyraatin hapettuminen asetyyli-CoA: ksi tapahtuu lineaarisen metabolisen reaktion sekvenssin kautta, jota katalysoivat entsyymit β-hydroksibutyraattidehydrogenaasi (BDH1 / 2), sukkinyyli-CoA: 3: oksohappo-CoA-transferaasi (SCOT) ja asetyyli-CoA-asetyylitransferaasi ( ACAT1 / 2), minkä jälkeen tuotetaan yksi NADH- ja sukkinaattimolekyyli ja kaksi asetyyli-CoA-molekyyliä. SCOT koodaa geeni OXCT1, ja sen katsotaan olevan nopeutta rajoittava vaihe ketoaineen hapetuksessa.

Tuloksemme osoittavat, että mikroglia, kuten neuronit, astrosyytit ja oligodendrosyytit, omaavat entsymaattisen aktiivisuuden ketoaineiden hapettamiselle. Useat tutkimukset ovat raportoineet ikään, lajeihin ja aivojen alueeseen liittyvistä eroista entsyymiaktiivisuudessa, joka liittyy ketoaineiden hapettumiseen. Ketoaineiden hapettumisen (ketolyysin) säätelystä tiedetään vähän.

Solutasolla ketogeneesiä ohjaa säätelyverkko, johon osallistuvat AMPK, mTOR ja PPARa.

Yhteenvetona voidaan todeta, että tutkimus antoi uusia tietoja, jotka selittävät betahydroksibutyraatin toimintaa mikroglia-solulinjoissa. Osoitamme myös, kuinka β-hydroksibutyraatti lisää tunnettujen immunomoduloivien (immuunijärjestelmää säätelevien) metaboliittien tasoa näissä malleissa. Synteettisissä gliooma-hiirimalleissa ketogeeninen ruokavalion ja sädehoidon yhdistelmä johti kasvaimen täydelliseen hävittämiseen, mikä viittaa siihen, että ketogeeninen ruokavalio ohjaa immuunijärjestelmän toimintaa.




Salaperäiset sirtuiinit

Salaperäiset sirtuiinit tehostavat solujen aineenvaihduntaa, hidastavat ikääntymistä, säätelevät geenien aktiivisuutta ja suojaavat aivoja. Mutta mitä sirtuiinit ovat ja miten ne vaikuttavat aineenvaihduntaan?

”Jo 1930-luvulta asti on tiedetty, että energiarajoitus pidentää jyrsijöiden elinikää. Nimenomaan energiamäärä (noin 60-70 % normaalista) eikä energian lähde näyttää tässä suhteessa olevan ratkaiseva tekijä. Energiamäärän vähentäminen saa aikaan kehon lämpötilan laskun sekä glukoosi- ja insuliinipitoisuuden, painon ja rasvamäärän vähenemisen (Guarente ja Picard 2005). Vähäinen energiansaanti tekee eläimet resistentiksi ulkoisille stressitekijöille, kuten oksidatiiviselle stressille. Tämä on tärkeä sopeutumismekanismi, sillä ikääntymisen uskotaan liittyvän ROS:n (reactive oxygen species) muodostukseen.”- Professori Markku Laakso / Duodecim


Johdanto

Nyt syntyviä sukupolvia odottavat ilmastonmuutoksen, hallitsemattoman väestönkasvun ja taloudellisesti yhä selvemmin jakaantuneen maailman asettamat haasteet.

Toisaalta lääketieteellinen kehitys ja ymmärrys geenien toiminnasta lupaa tuleville sukupolville pitkää ja tervettä elämää. Eräs mullistavimmista lääketieteellisistä keksinnöistä viime vuosina on ollut CRISPR-Cas-9 geenisakset, joilla DNA:sta voidaan leikata viallisia jaksoja ja korvata ne terveillä jaksoilla. Samaan aikaan ymmärrys ikääntymisestä ja siihen vaikuttavista aineenvaihduntamekanismeista on täsmentynyt.

Salaperäiset sirtuiinit ohjaavat ja tehostavat solujen rasva-aineenvaihduntaa silloin kun glukoosin saanti on vähäistä. Niukka energiansaanti käynnistää aineenvaihdunnan luonnollisen sopeutumismekanismin, johon osallistuu SIRT1-geeni. Sirtuiinit ovat NAD+ -riippuvaisia solujen apoptoosia, tulehdusvastetta, solujen elämänkaarta, geenitranskriptiota ja aineenvaihduntaa sääteleviä proteiiniasetylaaseja.


NAD+ eli nikotiiniamidiadeniinidinukleotidi ja proteiiniasetylaasit

Molekyylibiologiaan harjaannuttamattoman silmissä nämä sanat ovat silkkaa hepreaa. Mitä ne tarkoittavat ja mitä helvettiä ne meille tekevät? Vaikeilla sanoilla on miltei maagisia tarkoituksia. Mitä koentsyymit, kofaktorit ja entsyymit ovat?

NAD+ on kaikissa elävissä soluissa esiintyvä koentsyymi. Koentsyymit (tai kofaktorit) ovat orgaanisia molekyylejä tai epäorgaanisia metalli-ioneja, joka entsyymin on sidottava itseensä toimiakseen kemiallisia reaktioita katalysoivana entsyyminä.

Monet koentsyymeistä ovat vitamiineja, osa metalleja, kuten kofaktori-ionit Mn2+, Mg2+ ja Zn2+. Entsyymi, johon ei ole sitoutunut sen luontaista kofaktoria tai kofaktoreita on toimimaton apoentsyymi. Koentsyymi muodostaa entsyymin proteiiniosan eli apoentsyymin kanssa toimivan entsyymin.

Epäorgaanisia kofaktoreita ovat mm. ravinnosta saatavat metalli-ionit Cu2+, Fe2+ tai Fe3+, K+, Mg2+. Arvaatte varmaan, että näitä on paljon enemmän, mutta eiköhän pointti selvinnyt.

Nämä epäorgaaniset kofaktorit muodostavat apoentsyymien kanssa entsyymejä, kuten: sytokromi-c-oksidaasin, katalaasin, peroksidaasin, pyryvaattikinaasin, heksokinaasin ja glukoosi-6-fosfataasin.

Monet orgaanisista koentsyymeistä ovat vitamiineja tai niiden johdannaisia, kuten biosytiini, koentsyymi A, 5’-deoksiadenosyylikobolamiini, flaviiniadeniinidinukleotidi, lipoaatti, NADH/NAD+, pyriokdaalifosfaatti jne. Näiden koentsyymien esiasteet ovat vitamiineja, kuten biotiini (B7), pantoteenihappo(B5), B12, riboflaviini (B2), niasiini (B3), B6, folaatti (B9) ja tiamiini (B1).

Entsyymit ovat kemiallisia aineenvaihduntareaktioita nopeuttavia biologisia katalyytteja. Ne ovat yleensä proteiineja, mutta myös RNA-molekyylit eli ribotsyymit voivat olla entsyymejä. Entsyymien vaikutus perustuu niiden kykyyn alentaa substraattiin kohdistuvan reaktion aktivaatioenergiaa. Ilman entsyymejä kemialliset reaktiot tapahtuisivat soluissa liian hitaasti, eikä elämä olisi mahdollista. Nopeimmat entsyymit muuttavat jopa 40 miljoonaa molekyyliä reaktiotuotteiksi sekunnissa.


NAD+ ja sen pelkistynyt muoto NADH toimivat koentsyymeinä monissa biologisissa hapetus-pelkistysreaktioissa.

Nikotiiniamidiadeniinidinukeotidi muistuttaa kemialliselta rakenteeltaan toista tärkeää koentsyymiä, nikotiiniamidiadeniinidinukleodifosfaattia (NADP+). NAD+ osallistuu katabolisiin aineenvaihduntareaktioihin ja NADP+ on tärkeä koentsyymi anabolisissa reaktioissa.

Kataboliset aineenvaihduntareaktiot pilkkovat monimutkaisia molekyylejä yksinkertaisemmiksi ja anaboliset aineenvaihduntareaktiot rakentavat yksinkertaisemmista molekyyleistä suurempia ja monimutkaisempia molekyylirakenteita.

Eliöt tuottavat NAD+:a kahdella tavalla:

1. Geenien säätelemässä de novo-synteesissä tryptofaanista (aminohappo) syntetisoidaan ensin kinoliinihappoa, joka muutetaan nikotiinihappomononukleotidiksi ja edelleen nikotinaattinukleotidiadenyylitransferaasientsyymin avulla desamino- NAD+:ksi.
NAD+ syntaasientsyymi muuttaa desamino- NAD+:n nikotiiniamidiadeniinidinukleotidiksi.

2. NAD+-biosynteesiä tapahtuu myös nikotiiniamidista, joka prosessoidaan nikotiiniamidaasientsyymin avulla nikotiinihapoksi. Nikotiinihaposta muodostetaan nikotiinihappomononukleotidia, joka muokataan NAD+:ksi kuten de novo -synteesissä.

Proteiiniasetylaasit ovat asetyyliryhmään kiinnittyviä proteiineja. Deasetylaasit poistavat osia asetyyliryhmästä. Nisäkkäillä tunnetaan seitsemän erilaista ja erilaisiin reaktioihin osallistuvaa sirtuiinia. Esimerkiksi SIRT1-3 ja SIRT5 ovat deasetylaaseja. Solun tumassa on SIRT1:tä, SIRT6:ta ja SIRT7:ää. Mitokondrioissa on puolestaan SIRT3-5:tä ja solulimassa SIRT2:ta.

Mitä ne sirtuiinit siellä soluissa tekevät?

SIRT1 säätelee aineenvaihduntaa ja solujen elinkaarta
SIRT2 ja SIRT6 saattavat vaikuttaa kasvaimien kehittymiseen ja syöpään
SIRT3 ja SIRT4 osallistuvan aineenvaihdunnan säätelyyn
SIRT4 liittyy aminohappovälitteiseen insuliinin eritykseen

SIRT1 vaikuttaa erityisesti energia-aineenvaihdunnan kannalta keskeisissä kudoksissa, kuten haimassa, maksassa ja rasvakudoksessa. SIRT1:n aktivoituminen lisää insuliiniherkkyyttä ja laskee glukoosi- ja insuliinipitoisuuksia.

Koska SIRT1 on PPAR*-estäjä (*peroxisome proliferator-activated receptor), se kiihdyttää rasvakudoksen lipolyysiä vapauttamalla rasvakudoksiin varastoituja rasvahappoja verenkiertoon.

Lipolyysi vs. lipogeneesi

Lipolyysi pilkkoo rasvasoluihin varastoituja triglyseridejä glyseroliksi ja vapaiksi rasvahapoiksi. Glyseroli kulkeutuu verenkierron mukana maksaan, ja rasvahapot energialähteiksi luurankolihaksille, maksalle ja sydämelle.

Lipolyysi aktivoituu paaston ja vähän hiilihydraatteja sisältävän ruokavalion yhteydessä hormonaalisesti lipolyyttisten hormonien: glukagonin, kortikotropiinin, adrenaliinin ja noradrenaliinin vaikutuksesta.

Lipolyysin tarkoitus on säästää glukoosia punasoluille ja hermosoluille, jotka eivät pysty käyttämään rasvahappoja energiantuotannossa. Lipolyysille vastakkainen aineenvaihduntareaktio on lipogeneesi, joka prosessoi ja varastoi ylimääräisiä sokereita rasvahapoiksi.

Insuliini osallistuu ravinnon soluun pääsyyn sekä ravinteiden varastoimiseen lihas-, maksa- ja rasvasoluihin. Glukagoni ja muut lipolyyttiset hormonit purkavat solujen sokeri- ja rasvavarastoja verenkiertoon, jolloin niitä voidaan käyttää solujen energiantuotannossa.

Lipolyysiä ohjaa lipaasi. Kun haima erittää vereen insuliinia, lipolyysi estyy. Rasvakudos on herkkä insuliinin säätelylle. Kun veren insuliinipitoisuus laskee, lipolyyttiset hormonit ohjaavat lipaasin toimintaa. Tämä käynnistää lipolyysin ja rasvahappoja vapautuu rasvasoluista vereen.

Veren mukana soluihin kulkeutuneista rasvahapoista tuotetaan beetaoksidaatiossa asetyylikoentsyymi-A:ta, joka on kaikille energiaravinteille yhteinen väliaine sitruunahappokierrossa. Asetyylikoentsyymi-A voi jatkaa solujen energiantuotantoa mitokondrioissa tapahtuvassa sitruunahappokierrossa, jos glukoneogeneesi ei ole käynnissä.

Kun SIRT1 aktivoituu, insuliinin eritys haimasta lisääntyy. SIRT1myös suojaa haiman beetasoluja oksidatiiviselta stressiltä.

PCG-1:n*-aktivoituminen (*peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1) lisää glukoosin syntetisoimista maksassa osana SIRT1-aktivaatiota. PCG-1 kasvattaa mitokondrioiden määrää ja kokoa sekä kiihdyttää rasvahappojen hapettumista beetaoksidaatiossa. Nämä tekijät yhdessä vaikuttavat suotuisasti glukoosin aineenvaihduntaan.

SIRT1 suojaa keskushermoston soluja neurodegeneratiivisilta prosesseilta. Punaviinin, mustikoiden, viinimarjojen ja karpaloiden sisältämä fenoliyhdiste resveratroli on SIRT1-aktivaattori, joka lisää PCG-1-aktivaatiota. Tämä on tutkimuksissa tehostanut mitokondrioiden toimintaa, energiankulutusta ja hapenottokykyä. Se voi lisätä myös solujen insuliiniherkkyyttä ja laskea rasvamaksaan sairastumisen riskiä.

Resveratroli on eläinkokeissa suojannut runsaasti energiaa ravinnosta saavia hiiriä lihomiselta estämällä PPAR:n* (*peroxisome proliferator-activated receptor) aktivaation. SIRT1 voi vaikuttaa suotuisasti aikuistyypin diabetekseen, sillä se lisää solujen insuliiniherkkyyttä ja haiman insuliinin eritystä, sekä laskee painoa ja kehoon varastoituneen rasvan määrää.

Yhteenveto

SIRT1 (Silent Information Regulator 1) osallistuu useisiin aineenvaihduntaprosesseihin ja energia-aineenvaihdunnan säätelyyn. SIRT1 vaikuttaa lihavuuteen ja aikuistyypin diabetekseen säätelemällä rasvojen aineenvaihduntaa ja mitokondrioiden biogeneesiä.

Sirtuiinien hermoja ja aivosoluja suojaava vaikutus perustuu toisaalta SIRT1:n oksidatiivista stressiä vähentävään vaikutukseen ja toisaalta SIRT1:n kykyyn vähentää tulehdusvastetta sitoutumalla NF-kB*:en (Nuclear Factor-kappaB) ja siten ehkäistä hermosoluissa tapahtuvaa neurodegeneraatiota ja atrofiaa.

NF-kB

Hiirikokeissa sekä akuutit, että pitemmän ajan kuluessa syntyvät hermosoluvauriot johtavat lähes aina aivojen mikrogliasolujen aktivaatioon. M1-tyypin mikrogliat erittävät tulehdusta edistäviä sytokiineja, jotka lisäävät osaltaan hermosolujen atrofiaa, kun taas M2-tyypin solut poistavat kuolleita soluja ja erittävät vaurioituneisiin hermoston osiin erilaisia kasvutekijöitä.

Keskeisenä tulehdusreaktioiden välittäjänä toimii transkriptiotekijä, tumatekijä kappaB (NF-kB) ja erityisesti sen p50/105-alayksikkö. Hiirikokeissa havaittiin, että NF-kB p50/105-alayksiköllä on merkittävä rooli aivojen tulehdusreaktioiden välittäjänä ja sitä kautta aivojen uusien hermosolujen muodostumisessa. NF-kB p50/105-alayksikön puuttumisen vaikutus vaihtelee eri tautimalleissa ja eri ikäisillä hiirillä.  (Taisia Rõlova)

”Tulehdus on immuunijärjestelmän aikaansaama reaktio, jonka avulla elimistö pyrkii vastaamaan infektioon tai kudosvaurioon ja korjaamaan sen. Matala-asteinen krooninen tulehdus on häiriötila, joka voi ylläpitää tulehdusvasteita kudoksissa aineenvaihdunnan muutosten kautta ja johtaa edelleen kudosvaurioihin sekä altistaa monille sairauksille, kuten astmalle, Alzheimerin taudille, sydän- ja verisuonitaudeille ja erilaisille syöville.”- Anu Wiklund

VIDEO

OSA 1: Energia-aineenvaihdunnan perusteet

Evoluution seurauksena ihmiselle on kehittynyt tehokkaita selviytymismekanismeja toisaalta adaptiivisen immuunijärjestelmän kautta erilaisia taudinaiheuttajia vastaan, ja toisaalta turvaamaan välttämättömät elintoiminnot silloinkin, kun ravintoa ei ole riittävästi saatavilla.

Terve nuori aikuinen selviää pelkällä vedellä kolmisenkymmentä vuorokautta. Aineenvaihdunta käyttää energianlähteenä ensimmäiseksi elimistön sokeri- ja rasvavarastot, mutta ravinnonpuutteen jatkuessa myös lihasten proteiineja käytetään energian lähteenä välttämättömien elintoimintojen turvaamiseksi.

Nykyinen yltäkylläisyys ja ravinnon helppo saatavuus on uusi ilmiö. Meille ruoka ja sen vaivaton saatavuus on itsestäänselvyys, mutta kaukaiset esivanhempamme joutuivat elämään pitkiäkin aikoja hyvin niukalla ravinnolla tai kokonaan ilman ruokaa.

Varhaiset ihmiset söivät silloin, kun ravintoa oli tarjolla ja paastosivat, kun ruokaa ei ollut. Ravinnosta saatu ylimääräinen energia varastoitiin rasva- ja lihassoluihin. Lihominen auttoi ihmisiä selviämään niukoista ajoista.

Toisaalta ravinnon saatavuuden epävarmuus on ilmeisesti vaikuttanut erilaisten biologisten selviytymismekanismien kehittymisen lisäksi eräänlaisen psykologisen selviytymismoodin syntymiseen. Nälkäinen ihminen valpastuu, aistit tarkentuvat, keskittymiskyky paranee, ympäristön hahmottaminen tehostuu, päätöksenteko nopeutuu jne. Tälle on biokemialliset ja hormonaaliset syyt. Väitän, että hieman nälkäinen ihminen on älyllisesti ja fyysisesti parhaimmillaan. Se on asia, josta toki voi kiistellä.

Sokeria vai rasvaa? Kuinka solut saavat energiaa?

Kaikki solut voivat käyttää glukoosia energianlähteenä. Solujen sytoplasmassa tapahtuva glykolyysi pilkkoo glukoosimolekyylin kahdeksi pyruvaatiksi, mikä tuottaa kaksi runsasenergistä ATP-molekyyliä. Kummastakin pyruvaatista saadaan oksidatiivisessa dekarboksylaatiossa kaksi asetyylikoentsyymi-A:ta.

Aminohapot, hiilihydraatit ja rasvahapot on muutettava asetyyliryhmiksi ja liitettävä koentsyymi-A:han, jotta ne pääsevät mitokondriossa tapahtuvaan sitruunahappokiertoon. Sitruunahappokierrossa pyruvaateista saadaan vielä kolmisenkymmentä ATP-molekyyliä. Tämän soluhengityksen lopputuotteena on vettä ja hiilidioksidia.

Myös rasvaa (ja proteiineja) voidaan käyttää energian tuottamiseen. Aineenvaihdunta osaa käyttää esimerkiksi eräitä proteiineista saatavia ja vapaita aminohappoja glukoosia tuottavassa glukoneogeneesissä.

Rasvojen energia-aineenvaihdunnan perusta on beetaoksidaatio, ketoosi ja ketogeneesi. Solujen kannalta hiilihydraateista saatava glukoosi on kaikkein helpoin ja nopein energianlähde. Siihen aineenvaihduntamme on totutettu lapsesta alkaen. Rasvan ja proteiinien muuttaminen energiaksi kelpaavaan muotoon edellyttää useita aineenvaihduntareaktioita.

Lähtökohtaisesti keho suosii siis hiilihydraatteja energianlähteenä. Hiilihydraatit pilkotaan sokereiksi, jotka imeytyvät ohutsuolen epiteelin läpi verenkiertoon. Glukoosi kohottaa verensokeria ja haima reagoi glukoosipitoisuuden kasvuun erittämällä vereen insuliinia. Insuliinimolekyyli kiinnittyy solun pinnassa olevaan insuliinireseptoriin ja toimii kuin avain, joka avaa solun glukoosimolekyyleille.

Fruktoosi prosessoidaan maksassa ensisijaisesti glykogeeneiksi eli kymmenistä tuhansista glukoosimolekyyleistä muodostuviksi polysakkarideiksi. Nämä ovat nopeita varastosokereita. Osa fruktoosista muutetaan glukoosiksi, joka vapautuu verenkiertoon ja 1-2 % fruktoosista muutetaan triglyserideiksi.

Myös veressä oleva ylimääräinen glukoosi muutetaan mahdollisuuksien mukaan lihasten glykogeeneiksi. Glykogeenivarastojen rajallisen koon vuoksi osa glukoosista varastoidaan rasvasoluihin ja muutetaan rasvasolussa tapahtuvassa lipogeneesissä triglyserideiksi.

Veren glukoosipitoisuuden laskiessa haiman alfasolut erittävät vereen glukagonia, joka vapauttaa maksan glykogeenivarastoista glukoosia vereen ja lihasten glykogeeneistä glukoosia lihasten käyttöön. Näin verensokeri pysyy tasaisena myös aterioiden välillä.


Entä sitten kun sokerivarastot loppuvat?

Maksan ja lihasten sokerivarastot voivat loppua paastotessa, hyvin niukkaenergisellä ruokavaliolla tai hiilihydraattien saantia rajoitettaessa. Tällöin elimistön on turvauduttava varastoimaansa energiaan eli läskiin.

Veren glukoosipitoisuuden laskun seurauksena vereen erittyy lipolyyttisiä hormoneja: glukagonia, kortikotropiinia, adrenaliinia ja noradrenaliinia. Näiden vaikutuksesta elimistön rasva-aineenvaihdunta tehostuu.

Ketoaineiden tuotanto

Lipolyysi purkaa rasvasolujen triglyseridejä glyseroliksi ja vapaiksi rasvahapoiksi. Glyseroli kulkeutuu maksaan, jossa sitä voidaan hyödyntää mm. glukoosia syntetisoivassa glukoneogeneesissä.

Soluihin kulkeutuvat vapaat rasvahapot pilkotaan beetaoksidaatiossa asetyylikoentsyymi-A:ksi. Glukoneogeneesin yhteydessä asetyylikoentsyymi-A:ta ei voida hapettaa normaalisti mitokondrioissa, vaan ylimääräisestä asetyylikoentsyymi-A:sta muodostetaan 3-hydroksi-3-metyyliglutaryyli-koentsyymi-A-syntaasin katalysoimana 3-hydroksi-3-metyyliglutaryyli-koentsyymi-A:ta (HMG-KoA) ja edelleen mitokondrioissa 3-hydroksi-3-metyyliglutaryyli-koentsyymi-A-lyaasin (HMG-KoA-lyaasi) katalysoimassa reaktiossa ketoaineita: asetoasetaattia ja siitä edelleen betahydroksibutyraattia ja asetonia.

Asetyylikoentsyymi-A on kaikille ravintoaineille yhteinen väliaine solun valmistaessa energiaa. Sen asetyyliryhmän hiilet hapettuvat hiilidioksidiksi sitruunahappokierrossa (Krebsin sykli) ja vedyt siirtyvät erityisten koentsyymien avulla elektroninsiirtoketjuun. Näissä reaktioissa syntyy energiaa, joka varastoidaan fosfaattiyhdisteisiin, kuten ATP.

Oksidatiivinen fosforylaatio

Oksidatiivinen fosforylaatio on elektroninsiirtoketjusta ja ATP-syntaasista koostuva aineenvaihduntareitti. Happea käyttävien solujen ATP-energiasta noin 90 % syntyy oksidatiivisessa fosforylaatiossa eli kun ravintoaineet hapettuvat ja energia sitoutuu suurienergisiin fosfaattiyhdisteisiin, kuten ATP.

Oksidatiivinen fosforylaatio, glykolyysi ja sitruunahappokierto päättävät solun katabolisen energiantuotannon. Glykolyysissä, rasvahappojen oksidaatiossa ja trikarboksyylihappokierrossa muodostuneiden pelkistyneiden koentsyymien (NADH ja FADH2) elektronit siirtyvät oksidatiivisen fosforylaation elektroninsiirtoketjuun. Nämä elektronit pelkistävät happimolekyylit vedeksi, jolloin vapautuva energia sitoutuu ATP:nä.

Yhdestä glukoosimolekyylistä saadaan noin 30 suurienergistä ATP-molekyyliä.

Katabolisessa aineenvaihdunnassa pienimolekyyliset yhdisteet (aminohapot, monosakkaridit, rasvahapot) pilkotaan ja ”poltetaan” solujen energiaksi. Kaikkien energiaravinteiden yhteinen väliaine on asetyylikoentsyymi-A.

Asetyylikoentsyymi-A voidaan pilkkoa sitruunahappokierrossa, jossa sen hiiliatomit hapettuvat hiilidioksidiksi ja vetyatomit siirtyvät hapetus-pelkistysreaktioissa keoentsyymeille (NADH ja FADH2) Nämä siirtävät vetyä sitruunahappokierron ja elektroninsiirtoketjun välillä. Koentsyymit menettävät elektronit ja hapettuvat NAD+:ksi ja FAD:ksi, jotka jatkavat kiertoa.

Osa 2: Ketoosi ja sirtuiinit

Ketoosi kiihdyttää sirtuiinien aktivaatiota soluissa. Sirtuiinit kuuluvat histonideasetylaaseihin (HDAC). Ne ovat proteiineja, jotka poistavat asetyyliryhmän geenin histonista ja näin ”sammuttavat” geenin ilmentymisen eli ekspression.

Jokainen solu sisältää yksilön jokaisen geenin, mutta geeni ilmentyy vain tietyissä soluissa, ja joskus vain tiettyyn aikaan. Sammutettua geeniä ei lueta proteiinin valmistuksessa.

Ketoosi lisää sirtuiini1:en (SIRT1) määrää hippokampuksen eli aivoturson alueella ohimolohkojen sisäosissa korvien lähellä. Kummankin ohimolohkon hippokampus on yhteydessä toiseen ja hypotalamukseen aivokaaren välityksellä.

Nyt liikutaan kiistanalaisilla vesillä. Vuosittain arviolta 2,8 miljoonaa ihmistä kuolee lihavuuden aiheuttamiin komplikaatioihin. Tutkimuksissa on havaittu, että väestöjen keskimääräinen älykkyys laskee. Voisiko olla niin, että runsasenerginen ravinto ei tuhoa vain terveyttämme, vaan myös kognitiiviset kykymme? Voisimmeko elää nälässä terveempinä ja älykkäämpinä. Siinä on provokatiivinen keskustelunaihe kahvipöytään.

Hippokampus ja deklaratiivinen muisti


Hippokampus osallistuu muistitoimintoihin. Erityisen tärkeä hippokampus on deklaratiivisen muistin eli säilömuistin toiminnassa. Deklaratiivinen muisti jakautuu semanttiseen ja episodiseen muistiin. Semanttiseen muistiin tallentuvat asiat, joiden merkitys ymmärretään. Episodimuistiin tallentuu välähdyksenomaisia muistoja tapahtumista. SIRT1-puutos aiheuttaa kognition, muistin ja suunnitelmallisuuden häiriötilan.

”Li-Huei Tsai’s group found that Sirt1 regulates memory by forming a complex that downregulates microRNA miR-134.  This microRNA targets mRNA transcripts for the key learning and memory genes CREB and BDNF, so by keeping miR-134 low, Sirt1 promotes memory formation by keeping CREB and BDNF levels high.”

2016 tehdyssä tutkimuksessa (Heyward et al.) havaittiin, että jatkuvasti liikaravittujen hiirien muistitoiminnot heikkenivät ja hippokampuksen sirt1-pitoisuudet laskivat. Muistia ja oppimista säätelevien geenien ekspression heikkeneminen assosioitui DNA:n lisääntyneeseen metylaatioon.

Tutkijat raportoivat myös SIRT1-geeniin liittyvän DNA:n hydroksimetylaation vähenemisestä. Runsaasti energiaa sisältävän ravinnon aiheuttama DNA:n metylaatio hiirillä alleviivaa ympäristövälitteisten epigeneettisten muutosten vaikutuksia geenin ilmentymiseen.

Hydroksimetylaation merkitys aivojen toiminnalle on yhä arvailujen varassa, mutta tutkijat uskovat, että hydroksimetyloitunut DNA estää eräiden repressiivisten kompleksien sitoutumisen DNA:han.

Kolmas ruokavalioon liittyvä havaittu epigeneettinen mekanismi on, että yksi kolmesta ketoainetyypistä, betahydroksibutyraatti on itsessään endogeeninen HDAC-estäjä. Vaikka sirtuiinit estävät muistin repressoreita (torjujat?), toiset HDAC-luokan histonideasetylaasit voivat estää muistia parantavien geenien toimintaa. Tällaisten histonideasetylaasien estäjät parantavat muistin toimintaa ja niillä on suuri terapeuttinen potentiaali.

Moses Chaon tutkijaryhmä havaitsi, että betahydroksibutyraatti lisää hippokampuksen BDNF-expressiota estämällä HDAC2:ta ja HDAC3-5:tä. Käänsin edellisen kappaleen niin sekavasti, että täsmennetään: betahydroksibutyraatti parantaa muistiin vaikuttavien geenien ilmentymistä estämällä eräitä histonideasetylaaseja.

Eläinkokeiden perusteella ravinnosta saadun energian rajoittaminen ja ketogeeninen ruokavalio suojaavat aivojen soluja, tehostavat muistia ja parantavat kognitiivisia toimintoja. Vastaavasti runsasenerginen ja hiilihydraattipainotteinen ravinto ylläpitää oksidatiivista stressiä ja kasvattaa neurodegeneratiivisten muutosten riskiä.  Eräässä lievistä muistivaikeuksista kärsivillä vanhuksilla toteutetussa tutkimuksessa kuuden viikon vähähiilihydraattinen ruokavalio paransi koehenkilöiden verbaalista muistia. Toisessa kokeessa terveille nuorille aikuisille annettiin annos glukoosia. Kognitiivisia kykyjä mitattiin ennen glukoosia ja sen jälkeen. Tässä tutkimuksessa nuorten kognitiiviset kyvyt heikkenivät 20 minuuttia glukoosiannoksen jälkeen.

Ketogeeninen ruokavalio säätelee NAD+-riippuvaisia entsyymejä ja vähentää DNA:n vaurioita hippokampuksen alueella

Ketogeenisen ruokavalion (KD) epileptisia kohtauksia vähentävät vaikutukset on hyvin dokumentoitu. Ketogeeninen ruokavalio on joillain lapsilla ainoa tehokas keino vähentää epilepsiaan liittyviä kohtauksia.

Hiljattain on havaittu ketogeenisen ruokavalion terapeuttinen potentiaali useiden neurodegeneratiivisten sairauksien hoidossa. Kokeellinen todistusaineisto ketoruokavalion hyödyistä on kuitenkin edelleen puutteellista.

Rotilla tehdyssä tutkimuksessa on osoitettu, että ketogeenistä ravintoa saavien rottien hippokampuksen alueen solujen nikotiiniamidiadeniinidinukleotidi+ (NAD+) -tasot kasvavat.

NAD+ on soluaineenvaihdunnan toiminnalle välttämätön koentsyymi, signalointimolekyyli, soluterveyden markkeri sekä pitkäikäisyyteen ja DNA:n vaurioiden korjaamiseen osallistuvien entsyymien, kuten sirtuiinien ja poly-ADP riboosi polymeraasi-1:n (PARP-1) substraatti.

NAD+-riippuvaisten entsyymien aktivaatio voi selittää laajemminkin ketogeenisen ruokavalion hyödyllisiä vaikutuksia. En mene tarkemmin tuon rottakokeen arviointiin, mutta sen tulokset olivat hyvin rohkaisevia aivojen terveyden osalta.

Miten ketogeeninen ruokavalio suojaisi aivoja?

Ketogeeninen (KD) eli LCHF-ruokavalio sisältää hyvin niukasti hiilihydraatteja, runsaasti rasvoja ja kohtuullisesti proteiineja. Hiilihydraattien määrä rajoitetaan noin 10 prosenttiin päivittäisestä energiansaannista. Suurin osa päivittäisestä energiasta saadaan rasvasta, jonka määrä voi olla 60-70 % päivittäisestä energiansaannista. Proteiinien saanti pidetään 20-30 prosentin tasolla päivittäisestä energiansaannista.

KD ohjaa energia-aineenvaihdunnan helpoista ja nopeista hiilihydraateista (glukoosista) enemmän energiaa kuluttavaan rasva-aineenvaihduntaan, jossa vapaista rasvahapoista valmistettuja ketoaineita käytetään solujen ATP:n lähteenä.

Vähän hiilihydraatteja ja runsaasti rasvaa sisältävä ruokavalio on ainoa tehokas hoitomuoto lasten lääkeresistentin epilepsian epileptisten kohtausten hillitsemiseen. (Neal et al., 2009; Sharma et al., 2013; Cervenka et al., 2017)

Jatkuvasti kasvava tutkimusnäyttö osoittaa, että ketogeenisella ruokavaliolla on suotuisia vaikutuksia terveyteen (Yang and Cheng, 2010; Winter et al., 2017; Augustin et al., 2018) sekä pitkäikäisyyteen (Newman et al., 2017; Roberts et al., 2017).

Tuoreissa tutkimuspapereissa ketogeenisen ruokavalion terveysvaikutukset assosioituvat vahvasti NAD -koentsyymiin (Elamin et al., 2017), joka on välttämätön ATP:n prosessoinnille ja hapetus-pelkistys-reaktiolle. Ketoaine-perusteisessa aivosolujen energia-aineenvaihdunnassa pelkistyy vähemmän NAD-molekyylejä, kuin glukoosiin perustuvassa energia-aineenvaihdunnassa. Tämän seurauksena aivosoluihin jää korkeampia pitoisuuksia hapettuneita NAD+ -molekyylejä.

Ketogeeninen ruokavalio voi havaintojen perusteella indusoida nopeita ja pysyviä muutoksia NAD+ / NADH -suhteissa aivojen runsaasti energiaa kuluttavalla hippokampuksen alueella. Tämä aivojen osa tunnetaan leikkimielisellä nimellä – kohtausportti (seizure gate). Vastaavia havaintoja on tehty ikääntyneillä hiirillä. Sen sijaan ketoaineisiin nojaavan energia-aineenvaihdunnan ei havaittu vaikuttavan aivokuoren alueella.

Korkeammat NAD+ -tasot rajoittavat epileptisia kohtauksia ja kasvattavat koe-eläinten elinajan odotetta (Lin and Guarente, 2003; Mills et al., 2016; Liu et al., 2017). Kokeellisesti kohotetut NAD+ -arvot tehostavat mitokondrioiden toimintaa, suojaavat oksidatiivisen stressin aiheuttamilta vaurioilta ja vähentävät solujen kuolemaa (Kussmaul and Hirst, 2006). Nämä vaikutukset palautuvat alemman tason aineenvaihduntareitteihin.

NAD+ on kahden entsyymiryhmän, sirtuiinien ja poly-(ADP-riboosi) polymeraasien eli PARP:ien substraatti. Nämä entsyymiryhmät vaikuttavat solujen toimintaan geenien ilmentymisestä DNA:n vaurioiden korjaamiseen (Belenky et al., 2007).

NAD+-riippuvaiset sirtuiini-entsyymit ovat tärkeitä aineenvaihdunnan, tulehdusvasteiden ja DNA:n vaurioiden korjaamisen säätelijöinä. Sirt1 osallistuu transkriptiotekijöiden, kasvutekijöiden, anti-apoptisten (ohjattua solukuolemaa estävien) ja anti-inflammatoristen proteiinien deasetylaatioon, eli asetyyliryhmien purkuun.

Sirt1 on välttämätön kognitiivisten toimintojen, muistin ja neuroplastisuuden normaalille toiminnalle (Michan et al., 2010) ja sillä on havaittu epileptisia kohtauksia ehkäiseviä vaikutuksia. Ravinnosta saatavan energian (kaloreiden) rajoittaminen ja ketogeeninen ruokavalio assosioituvat solujen parempaan terveyteen ja ainakin eläinkokeissa odotettavissa olevan elinajan pidentymiseen. Sirt6 ja Sirt7 osallistuvat suoraan DNA:n emäsjaksojen korjaamiseen, mikä vähentää ikääntymisen aiheuttamia DNA-vaurioita.

Lopuksi

On kiinnostavaa seurata sirtuiinien ja ketogeenisen ruokavalion tutkimuksia. Väitteet karppauksen, rasvojen ja ketogeenisen ruokavalion haitallisuudesta ovat vähintäänkin liioiteltuja ja todennäköisesti jopa haitallisia. Tutkimusaineisto sirtuiinien molekyylibiologisesta roolista ja ketogeenisen ruokavalion terveysvaikutuksista karttuu vauhdilla. Minä palaan tähän aiheeseen Ruokasodassa varmasti vieläkin täsmällisempien tutkimusten kautta. Omalla kohdallani olen havainnut, että vähäisempi ravinnonsaanti kasvattaa motivaatiota, muistia ja aktiivisuutta. Nämä tutkimukset näyttävät vahvistavan omia huomioitani.

PS. Iloista ja rauhallista joulua!

Lähteinä olen käyttänyt erikseen ilmoitettujen lähteiden lisäksi mm. Duodecimia ja Wikipdiaa yleisimpien aineenvaihduntareaktioiden osalta. Kuvien lähde: Pixabay

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2928875/

https://www.jneurosci.org/content/36/4/1324.long

https://elifesciences.org/articles/15092

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fncel.2018.00263/full

https://www.duodecimlehti.fi/lehti/2007/19/duo96781