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單線態(tài)氧對大鼠腦細(xì)胞線粒體能量代謝的影響

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文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2020.12.022

氧，以活性氧(ROS)的形式參與氧化應(yīng)激，氧化應(yīng)激是許多疾病觸發(fā)的主要因素之一，同時(shí)活性氧還可以作為信號(hào)和細(xì)胞刺激參與細(xì)胞的許多生理過程。單線態(tài)氧(¹O₂)是活性氧的一種，是氧氣(三線態(tài)氧)的電子激發(fā)態(tài)(氧分子的**激發(fā)態(tài))的通稱。水溶液中單線態(tài)氧的壽命高于大多數(shù)活性氧。

因此，單線態(tài)氧可以作為信號(hào)和刺激分子參與許多生理過程，或者與三線態(tài)氧參與相同的反應(yīng)，但是單線態(tài)氧可能具有更高的反應(yīng)活性和效率。由于技術(shù)限制，單線態(tài)氧在生理學(xué)和病理學(xué)中的作用尚不明確，與其他活性氧相比，無法進(jìn)行深層次的研究。

氧電極-1.png

已有報(bào)道證實(shí)1267nm的紅外激光脈沖照射有機(jī)溶液和癌細(xì)胞可以產(chǎn)生單線態(tài)氧。利用這一現(xiàn)象，2021年英國倫敦大學(xué)Plamena R. Angelova 課題組在Free Radical Biology andMedicine 雜志上發(fā)表了題為“Singletoxygen stimulates mitochondrial bioenergetics in brain cells ”的研究論文，探討了1267nm激光照射產(chǎn)生的單線態(tài)氧對大鼠腦細(xì)胞線粒體能量代謝的影響。

主要研究結(jié)果如下：

（一）1267nm激光可誘導(dǎo)初級(jí)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生單線態(tài)氧，并且隨著激光照射強(qiáng)度的增加，單線態(tài)氧的產(chǎn)生速率加快(圖1)

圖1. 1267nm激光照射下神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞的單線態(tài)氧產(chǎn)量

（二）單線態(tài)氧對線粒體的影響

人體細(xì)胞以ATP的形式產(chǎn)生能量滿足不同組織器官能量需求。大腦是一個(gè)相對較小的器官(約占體重的1-2%)，但是能量需求巨大，消耗的氧氣和葡萄糖是其他器官的十倍。

如此高水平的氧氣和代謝條件的變化很容易產(chǎn)生活性氧，那么單線態(tài)是否會(huì)對線粒體產(chǎn)生影響呢？

線粒體膜電位(Δψm)是線粒體健康和功能的指標(biāo)。1267 nm激光照射后，初級(jí)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞的線粒體膜電位均呈劑量依賴性增加。同時(shí)，在1267 nm的高強(qiáng)度激光(>205 mW；187.8 J/cm2)照射下，神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞Δψm瞬時(shí)下降。

這表明高強(qiáng)度1267nm激光照射下產(chǎn)生的單線態(tài)氧對線粒體有毒害作用(圖2a, b & c)。

圖2. 1267nm激光照射增加了線粒體膜電位，激活了NADH和FADH依賴的呼吸

NADH是線粒體電子傳遞鏈(ETC)復(fù)合體I的底物和電子供體。低強(qiáng)度的1267 nm激光照射，不會(huì)改變NADH自發(fā)熒光的水平(圖2d)。然而，高強(qiáng)度的激光照射，線粒體NADH池減少20–30%，而FAD的自發(fā)熒光增加(圖2d, e)，這與線粒體復(fù)合物II的激活相對應(yīng)。

因此，1267nm激光產(chǎn)生的單線態(tài)氧會(huì)激活神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞中線粒體ETC復(fù)合物I和復(fù)合物II。

圖3. 1267nm激光照射刺激神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中ATP的產(chǎn)生

另一方面，1267nm激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的單線態(tài)氧對線粒體呼吸的影響導(dǎo)致了ATP產(chǎn)生加快，并且隨著照射強(qiáng)度的增加，ATP產(chǎn)生加快(圖3)。

（三）單線態(tài)氧對線粒體呼吸的影響

為了進(jìn)一步研究單線態(tài)氧對線粒體呼吸的影響，本文利用英國Hansatech公司生產(chǎn)的Clark液相氧電極研究了單線態(tài)氧影響下的大鼠腦線粒體狀態(tài)呼吸。

在1267nm激光照射下離體大鼠腦線粒體的耗氧量隨著照射強(qiáng)度的增加而加快。同時(shí)，1267nm激光產(chǎn)生的單線態(tài)氧激活了線粒體的ADP依賴性(V3)和非ADP依賴性(V4)呼吸，但是呼吸控制率RCR沒有顯著變化，表明線粒體呼吸的加快不是由線粒體解偶聯(lián)引起的(圖4 c)。

圖4. 1267nm激光照射提高了線粒體氧化磷酸化效率

此外，1267nm激光照射導(dǎo)致了ADP/O的增加(圖4a)，表明單線態(tài)氧存在時(shí)線粒體的氧化磷酸化效率提高。添加0.5μM FCCP能夠激活線粒體最大耗氧量，1267nm激光照射的線粒體呼吸速率顯著高于對照組。

結(jié)論

1267nm激光照射產(chǎn)生的單線態(tài)氧會(huì)導(dǎo)致大鼠腦線粒體膜電位增加，NADH和FADH依賴性呼吸的激活，重要的是，雖然呼吸控制率沒有顯著變化，但是單線態(tài)氧增加了線粒體的最大呼吸速率，ADP/O增加，線粒體呼吸的激活刺激了細(xì)胞產(chǎn)生更多的ATP。因此，1267nm激光脈沖產(chǎn)生的單線態(tài)氧可以作為大腦線粒體呼吸和ATP生成的激活劑。

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