Генетика на стареенето

Тази статия е част от изследователската тема

Сборник с доклади от международната конференция Биомедицински иновации за здравословно дълголетие Вижте всички 14 статии

Редактиран от
Алексей Москалев

Институт по биология, Научен център Коми (RAS), Русия

Прегледан от
Джордж А. Гаринис

Критски университет, Гърция

Александър Й. Маслов

Алберт Айнщайн Медицински колеж, САЩ

Принадлежностите на редактора и рецензенти са най-новите, предоставени в техните профили за проучване на Loop и може да не отразяват тяхното положение по време на прегледа.

злокачествените

  • Изтеглете статия
    • Изтеглете PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Допълнителни
      Материал
  • Цитат за износ
    • EndNote
    • Референтен мениджър
    • Прост ТЕКСТ файл
    • BibTex
СПОДЕЛИ НА

Оригинални изследвания СТАТИЯ

  • 1 Катедра по неврология, Университет в Летбридж, Летбридж, AB, Канада
  • 2 програма „Лидери в медицината“, Медицинско училище „Каминг“, Университет в Калгари, Калгари, AB, Канада
  • 3 Група по биоинформатика, Институт по молекулярна биология, Национална академия на науките, Ереван, Армения
  • 4 Центърът за иновации по метаболомика, Департамент по биологични науки, Университет на Алберта, Едмънтън, AB, Канада
  • 5 Отделение по онкология, Champions Oncology, Балтимор, MD, САЩ
  • 6 Катедра по отоларингология и онкология, Университет "Джон Хопкинс", Балтимор, САЩ, САЩ
  • 7 Департамент по биологични науки, Университет в Летбридж, Летбридж, AB, Канада

Оцелелите от рак изпитват многобройни странични ефекти от лечението, които оказват негативно влияние върху качеството им на живот. Когнитивните странични ефекти са особено коварни, тъй като засягат паметта, познанието и ученето. Неврокогнитивните дефицити се появяват преди лечението на рака, възникващи дори преди диагностицирането на рака, и ние ги наричаме „туморен мозък“. Метаболомиката е нова област на изследване, която се фокусира върху метаболомните профили и предоставя важна механистична представа за различни човешки заболявания, включително рак, невродегенеративни заболявания и стареене. Много неврологични заболявания и състояния засягат метаболитните процеси в мозъка. Въпреки това туморният мозъчен метаболом никога не е анализиран. В нашето проучване използвахме анализ на директна инжекция/масспектрометрия (DI-MS), за да установим ефектите от растежа на рак на белия дроб, рак на панкреаса и сарком върху мозъчния метаболом на мишки TumorGraft ™. Открихме, че растежът на злокачествени тумори, различни от ЦНС, е повлиял метаболитните процеси в мозъка, засягайки биосинтеза на протеини и метаболизма на аминокиселините и сфинголипидите. Наблюдаваните метаболитни промени са подобни на тези, съобщени за невродегенеративни заболявания и стареене на мозъка и могат да имат потенциална механистична стойност за бъдещ анализ на туморния мозъчен феномен.

Въведение

Неотдавнашните успехи в развитието на лечението на рака промениха рака от смъртоносна болест в хронично състояние, като по този начин издигнаха оцеляването и качеството на живот в челните редици на здравеопазването. Оцелелите от рак страдат от многобройни странични ефекти от лечения, включително умора и стомашно-чревни, хематологични и кожни проблеми. Освен това, те изпитват свързани с химиотерапията когнитивни промени, обхващащи различни области като работна памет, познание, изпълнителна функция и скорост на обработка. Тези индуцирани от химиотерапията когнитивни промени водят до „химио мозък“ и засягат до 75% от пациентите, като продължават години или дори десетилетия при една трета от индивидите (Janelsins et al., 2011; Ahles, 2012; Andreotti et al., 2015).

Няколко проучвания, проведени през последното десетилетие, показват, че когнитивното увреждане настъпва много преди началото на лечението на рака и дори преди диагностицирането на рака (Hurria et al., 2007; Ahles, 2012). Тези открития предполагат, че ракът сам по себе си (независимо от каквато и да е терапия или лечение) оказва отрицателно въздействие върху централната нервна система (ЦНС) (Hurria et al., 2007). Механизмите на когнитивното увреждане, предизвикано от рак, или „туморен мозък“, все още се нуждаят от допълнително проучване.

В последните ни проучвания установихме, че растежът на злокачествени не-ЦНС тумори води до забележими промени в глобалните модели на генна експресия, засягащи множество сигнални и метаболитни пътища. Тези промени в моделите на генна експресия от своя страна могат да повлияят на нивата на клетъчните метаболити (Brink-Jensen et al., 2013).

Клетъчният метаболом се състои от всички молекули с ниско молекулно тегло, наречени метаболити, които са крайните продукти на биохимичните и генните пътища на експресия в клетките и тъканите. Метаболомиката е сравнително нова област на изследване и се стреми да анализира метаболомните профили и да предостави биологично значими прозрения за метаболитните процеси. Това е ценно за анализа на различни човешки заболявания, включително рак, невродегенеративни заболявания и стареене, като дава както механистични прозрения, така и нови биомаркери на болестите (Armitage and Barbas, 2014; Jones and CAB International, 2014; Jové et al., 2014; Botas и др., 2015; Иванишевич и Сиуздак, 2015; Shao et al., 2016; Wishart et al., 2016; Zhang T. et al., 2016; Zhang X. et al., 2016). Метаболомиката улеснява разбирането на физиологията на организма и реакциите му към храненето и различни условия на околната среда и стимули. Той също е предложен като нов инструмент за проучвания на експозицията (Wild, 2005; Lenox, 2015; Национални академии на науките, 2016; Cheung et al., 2017; Golla et al., 2017). Ракът значително променя метаболитните профили на кръвта, урината и слюнката (Armitage and Barbas, 2014; Falegan et al., 2015; Mal, 2016; Shao et al., 2016, 2017; Wishart et al., 2016; Zhang X. et, 2016; Zhou et al., 2017). Въпреки това туморният мозъчен метаболом никога не е анализиран.

В нашето проучване, ние прилагаме директен поток инжекция/мас спектрометрия (DI-MS) анализ, за ​​да се определи дали растежът на злокачествен стадий IV недребноклетъчен белодробен карцином (NSCLC), рак на панкреаса и саркома причинява промени в мозъчния метаболом на TumorGraft ™ мишки. Открихме, че растежът на злокачествени тумори, различни от ЦНС, повлиява метаболитните процеси в мозъка и идентифицираме метаболитните пръстови отпечатъци за мозъка на тумора. Наблюдаваните метаболитни промени са подобни на тези, съобщени за невродегенеративни заболявания и стареене на мозъка, и могат да имат значителна механистична и диагностична стойност за бъдещи мозъчни изследвания на тумора.

Резултати и дискусия

Ние анализирахме нивата на различни метаболити, принадлежащи на ацилкарнитини, глицерофосфолипиди, сфинголипиди, хексоза, аминокиселини и биогенни амини в мозъка на рак на белия дроб, рак на панкреаса и саркома, носещи туморни мишки. Идентифицирахме метаболитните промени и установихме метаболитните профили на мозъка на мишки, носещи тумор. Първоначално използвахме основния компонент анализ (PCA), статистически инструмент, който помага да се анализират разликите в извадката и да се установят основните променливи в многоизмерен набор от данни. PCA се основава на всички анализирани метаболити. Въпреки че не се наблюдава отчетливо групиране, наблюдавано от първия и втория основен компонент, контролната група ясно се отделя от пробите на панкреатични мишки, носещи тумор на панкреаса през втория компонент (Фигура 1А). По същия начин топлинната карта на различни анализирани метаболити разкрива висока вариабилност в пробите в метаболитните профили за всички групи (Фигура 1В и Фигура S1). Независимо от това, той показа, че растежът на тумори извън ЦНС води до промени в метаболитната активност в мозъка на животни, носещи тумор.

Фигура 1. Ефекти от растежа на тумори извън ЦНС върху профилите на мозъчния метаболит. (А). График на PCA за първия и втория основни компоненти въз основа на анализа на всички метаболити. (Б) Топлинна карта на метаболитния профил на мозъчните тъкани на мишки с рак на панкреаса, рак на белия дроб и сарком, в сравнение с контролите. Всеки ред представлява индивидуална проба, с 3 проби на група. Топлинната карта визуално представлява метаболитен подпис на всяка отделна проба, както и разкрива регулирането нагоре или надолу на метаболитите в проби, принадлежащи към различни групи. Оста X показва примерна група; оста Y изобразява отделни метаболити в метаболитни групи.

Фигура 2. Диаграма на Venn на метаболитни пътища, променени в мозъка на мишки с рак на панкреаса, рак на белия дроб и сарком, в сравнение с контролите.

Фигура 3. Анализ на метаболитните пътища, двупосочно променени в мозъка на мишки с рак на панкреаса, рак на белия дроб и сарком, в сравнение с контролите. Анализът за обогатяване на метаболитния набор позволява да се установи кои пътища са били засегнати в мозъка на мишки, носещи тумор, в сравнение с контролите. Графиките показват резултатите от анализа на свръхпредставяне на различни метаболитни пътища въз основа на отделни метаболити, които са идентифицирани във всяка проба в експериментални групи. Само един път „биосинтез на протеини [аминокиселини]” беше постоянно регулиран и при трите вида рак. Цветовото кодиране представлява р стойностите за метаболитните пътища (тъмно червено показва най-малката р стойност, а бялото най-високо стр-стойност). Дължините на прътите представляват обогатяване на гънките. За рак на панкреаса, коригираната от Holm-Bonferroni стойност на р е от 0,01 (тъмно червено) до 0,9 (бяло). За рак на белия дроб, стр-стойностите варират от 0,0005 (тъмно червено) до 0,9 (бяло). За саркома р стойностите варират от 0,04 до 0,9.

Фигура 4. Диаграми на Venn на регулирани нагоре и надолу метаболитни пътища в мозъка на мишки с рак на панкреаса, рак на белия дроб и сарком, в сравнение с контролите.

Фигура 5. Анализ на метаболитните пътища, регулирани нагоре и надолу в мозъка на мишки с рак на панкреаса, рак на белия дроб и сарком, в сравнение с контролите. Анализът на свръхпредставяне на метаболит позволява да се установи кои пътища са били засегнати в мозъка на мишки, носещи тумор, в сравнение с контролите. За анализ бяха предоставени два отделни списъка с регулирани нагоре и надолу метаболити (посочени в лявата част на фигурата като „НАГОРЕ“ или „НАДОЛУ“). Цветовото кодиране представлява р стойностите за метаболитните пътища (тъмно червено показва най-малката р стойност, а бялото най-високо стр-стойност). Дължините на прътите представляват обогатяване на гънките.

От петте пътища, които бяха засегнати и в трите експериментални групи, процесът на биосинтеза на протеини беше постоянно регулиран (с Holm стр 3, животните бяха разделени на групи от по трима. Наблюдава се растеж на тумора; редовно се измерват размерите на тумора и се изчисляват обемите на тумора, както е описано по-рано (Stebbing et al., 2014). Интактни животни (без тумор, без лечение, н = 3) служи като основен контрол. Животните бяха евтаназирани от предозиране с Euthansol. Мозъците на животните бяха извадени от черепите им и разделени наполовина. След това те бяха замразени в течен азот и съхранявани при -80 ° C до по-нататъшен метаболомичен анализ.

Екстракция на проби от тъкани

Метаболомичното профилиране се извършва в The Metabolomics Innovation Center, Едмънтън, АВ, като се използват леви полукръвни мозъци на мишката. Всяка тъканна проба се претегля и масата й се записва и се приготвя буфер за разграждане на тъканите [85 ml МеОН + 15 ml разтвор на фосфатен буфер (10 тМ)]. След това всяка тъканна проба се хомогенизира в буфера за тъканна екстракция при обем три пъти по-голям от този на тъканта. Например, 90 uL буфер за екстракция на тъкани се използва за 30 mg тъкан. След това хомогенизираните проби се центрофугират при 14 000 rpm и супернатантата се прехвърля в нов флакон. Полученият супернатант се съхранява при -20 ° C до по-нататъшен анализ чрез течна хроматография тандем-масова спектрометрия (LC-MS/MS).

Идентификация и количествено определяне на масспектрометрично съединение с директно впръскване

Приложихме целенасочен количествен метаболомичен подход за анализ на пробите, използвайки масспектрометрия с директно впръскване (AbsoluteIDQ ™ Kit). Този тест в комбинация с масспектрометър 4000 QTrap (Applied Biosystems/MDS Sciex) е използван за целенасочена идентификация и количествено определяне на голям брой ендогенни метаболити, включително аминокиселини, ацилкарнитини, глицерофосфолипиди, сфинголипиди и захари. Този метод комбинира дериватизацията и екстракцията на аналити със селективно мас-спектрометрично откриване, използвайки двойки двойно наблюдение на реакцията (MRM). Вътрешните стандарти, маркирани с изотоп, са интегрирани в Kit филтър за количествено определяне на метаболита.

Задълбочен анализ на мозъчния метаболом

За всяка рака, носеща животинска проба, получихме средната стойност на нивото на метаболит и я разделихме с тази на контролните проби, за да получим стойностите на промяна в пъти (FC). След това представихме регулираните нагоре гени (FC> 1,5) или регулираните надолу гени (FC Ключови думи: туморен мозък, не-ЦНС тумори, метаболомика/профилиране на метаболит, животински модели, стареене на мозъка

Цитиране: Kovalchuk A, Nersisyan L, Mandal R, Wishart D, Mancini M, Sidransky D, Kolb B и Kovalchuk O (2018) Растеж на злокачествени тумори, различни от ЦНС, променя мозъчния метаболом. Отпред. Genet. 9:41. doi: 10.3389/fgene.2018.00041

Получено: 26 ноември 2017 г .; Приет: 30 януари 2018 г .;
Публикувано: 20 февруари 2018 г.

Алексей Москалев, Институт по биология, Научен център Коми (RAS), Русия

Джордж А. Гаринис, Фондация за изследвания и технологии, Елада, Гърция
Александър Й. Маслов, Медицински колеж Алберт Айнщайн, САЩ