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技術(shù)文章
硫化物的分解代謝
可改善缺氧性腦損傷
-哺乳動(dòng)物的大腦極易遭受缺氧影響-
大腦對(duì)缺氧敏感的機(jī)制尚不全部清楚。H2S是一種抑制線粒體呼吸的氣體，缺氧可以誘導(dǎo)H2S的積累。Eizo Marutani等人研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠、大鼠和自然耐缺氧的地松鼠中，大腦對(duì)缺氧的的敏感性與SQOR的水平及分解硫化物的能力成反比。
硫醌氧化還原酶（sulfide: quinone oxidoreductase , SQOR）是一種谷胱甘肽還原酶家族的膜結(jié)合黃素蛋白，為硫化物氧化解毒的一種關(guān)鍵酶。沉默的SQOR增加了大腦對(duì)缺氧的敏感性，而神經(jīng)元特異性的SQOR表達(dá)則阻止了缺氧誘導(dǎo)的硫化物積累、生物能量衰竭和缺血性腦損傷。降低線粒體中SQOR的表達(dá)，不僅增加了大腦對(duì)缺氧的敏感性，也增加了心臟和肝臟對(duì)缺氧的敏感性。硫化物的藥理清除維持了缺氧神經(jīng)元的線粒體呼吸，并使小鼠能夠抵抗缺氧。
相關(guān)研究于2021年5月發(fā)表在Nature子刊Nature communications上，題為《Sulfide catabolism ameliorates hypoxic brain injury》，該研究由美國馬薩諸塞州總醫(yī)院以及哈佛醫(yī)學(xué)院共同完成。
該研究團(tuán)隊(duì)一開始的研究方向并不是尋找可以治療腦卒中的靶點(diǎn)，他們的研究方向是「人體冬眠」，就像以往科幻電影里的那種，得了某種不治之癥，然后進(jìn)行冷凍或者其他技術(shù)的冬眠，等待科技進(jìn)步以后，再次復(fù)蘇。
一開始，他們是要尋找可以對(duì)小鼠進(jìn)行催眠的物質(zhì)，鎖定在了H2S。期初，吸入H2S的小鼠進(jìn)入了一種「冬眠」?fàn)顟B(tài)，體溫下降，無法動(dòng)彈。但是，令人驚訝的是，小鼠很快就對(duì)吸入H2S的影響產(chǎn)生了耐受性。到了第五天，他們行動(dòng)正常，不再受到H2S的影響。更有趣的現(xiàn)象是，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)H2S耐受的小鼠，對(duì)缺氧也能非常好的耐受。因而研究團(tuán)隊(duì)提出了SQOR基因在耐缺氧中起發(fā)揮重要作用的假設(shè)。
實(shí)驗(yàn)方法描述
所有小鼠都被飼養(yǎng)在12小時(shí)的晝/夜循環(huán)中，溫度在20-25°C之間，濕度在40%-60%之間。
-間歇性H2S吸入-
小鼠暴露于80 ppmH2S的空氣中連續(xù)5天，每天4小時(shí)。實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測H2S濃度和FiO2。每天在H2S吸入前后測量直腸溫度，以檢查H2S對(duì)體溫的影響。
-CO2產(chǎn)生量的測量-
最后一次的吸入空氣或H2S24小時(shí)后，在對(duì)照組或硫化物預(yù)處理小鼠中測量二氧化碳的產(chǎn)生。將小鼠放置在全身體積描記系統(tǒng)內(nèi)，并測量二氧化碳的產(chǎn)量。
-小鼠的缺氧和缺氧耐受性-
為了測量缺氧耐受性，在最后一次空氣或H2S吸入24小時(shí)后，將小鼠放入透明的塑料室中。然后，用低氧氣體混合物以1 L/min連續(xù)沖洗腔室，以達(dá)到所需的FiO2。在缺氧暴露期間連續(xù)觀察小鼠最多60 min，當(dāng)小鼠出現(xiàn)嚴(yán)重痛苦跡象（扭動(dòng)或發(fā)作、呼吸頻率低于6/分鐘和尿失禁）時(shí)，將其取出，用5%異氟烷安樂窒息并視為死亡。
-組織采集-
將小鼠采用異氟醚麻醉，呼吸機(jī)機(jī)械通氣。用空氣或缺氧氣體混合物通氣3 min后，將小鼠進(jìn)行安樂窒息，開始取材。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
a：對(duì)照組和硫化物預(yù)處理組（SPC）小鼠的體溫
b：二氧化碳產(chǎn)生率（VCO2）
c：血漿中硫化物的濃度
d：血漿中的硫代硫酸鹽、腦組織中的硫化物濃度
f：腦組織中的硫代硫酸鹽、
g：存活率
h：小鼠在5% O2低氧下的VCO2
i：常氧和5%低氧下，腦組織中的硫化物
j：per sulfide，k NADH/NAD+比
l：乳酸水平。m腦組織中的SQOR相對(duì)表達(dá)量，
n、o：腦組織和心臟組織中 SQOR蛋白水平
p、q：離體腦線粒體的氧氣消耗速率 (OCR)
r：計(jì)算得到的 ATP轉(zhuǎn)換率。
地松鼠的缺氧耐受性和硫胺分解代謝增強(qiáng)
研究團(tuán)隊(duì)用RNA沉默SQOR，發(fā)現(xiàn)可增加大腦對(duì)缺氧的敏感性，而神經(jīng)元特異性SQOR的表達(dá)可阻止缺氧誘導(dǎo)的硫化物積聚、生物能衰竭和缺血性腦損傷。
SQOR可改善神經(jīng)元細(xì)胞的線粒體功能
降低線粒體的SQOR基因的表達(dá)，不只是大腦，而且心臟、肝臟對(duì)缺氧的敏感性都增加了。
硫化物清除劑的作用
通過藥物清除硫化物，可維持缺氧神經(jīng)元的線粒體呼吸過程，使小鼠耐受缺氧。該研究闡明了硫化物分解代謝在缺氧時(shí)能量平衡中的關(guān)鍵作用，并確定了缺血性腦損傷的治療靶點(diǎn)。
在自然界中很多強(qiáng)有力的證據(jù)可以證明該研究的結(jié)論。例如，已知雌性哺乳動(dòng)物比雄性哺乳動(dòng)物更能抵抗缺氧，而前者的SQOR水平更高。當(dāng)女性的SQOR水平被人為降低時(shí)，她們就更容易缺氧(雌激素可能是觀察到的SQOR增加的原因），例如更年期。此外，一些冬眠動(dòng)物，如地松鼠，對(duì)缺氧有很強(qiáng)的耐受性，這使得它們能夠在冬季身體新陳代謝減緩的情況下生存下來。一只地松鼠的大腦比同樣大小的老鼠的SQOR高出100倍。
該研究的主要研究者說：“人腦的SQOR水平非常低，這意味著即使是少量的H2S積累，就可以影響神經(jīng)元的健康。我們希望有一天我們研發(fā)出像SQOR一樣有效的藥物，這些藥物可以用來治療缺血性中風(fēng)，以及心臟驟停引起的缺氧。
-塔望科技-解決方案-
全身體積描記系統(tǒng)
小鼠放置于體積描記器內(nèi)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測呼吸，也可進(jìn)行低氧干預(yù)、H2S暴露?？蛇M(jìn)行低氧耐受實(shí)驗(yàn)，也可監(jiān)測動(dòng)物的 耗氧量、CO2產(chǎn)生量、呼吸代謝率等。
全身暴露染毒系統(tǒng)
可以進(jìn)行長期H2S暴露染毒、低氧實(shí)驗(yàn)等。
動(dòng)物能量代謝系統(tǒng)
可以綜合評(píng)估動(dòng)物不同處理后的各種表型變化：進(jìn)食量、進(jìn)水量、進(jìn)食進(jìn)水模式、活動(dòng)量、耗氧量、CO2產(chǎn)生量、呼吸代謝率等。
動(dòng)物低氧高氧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
各種常壓/低壓/高壓下的缺氧/高氧實(shí)驗(yàn)。可進(jìn)行恒定低氧，也可進(jìn)行間歇低氧。
-相關(guān)文獻(xiàn)-
Marutani E, Morita M, Hirai S et al. "Sulfide catabolism ameliorates hypoxic brain injury".[J]. Nat Commun 12, 3108 (2021).
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