Συγκριτική μελέτη του μεταβολικού προτύπου εγκεφαλικών περιοχών ενηλίκων μυών με μεθόδους συστημικής βιολογίας
Authors: Βασιλοπούλου Αικατερίνη 
Published: September 2021

Ο εγκέφαλος αποτελεί ένα όργανο υψηλής πολυπλοκότητας το οποίο αποτελέιται από επιμέρους περιοχές με διαφορετικούς λειτουργικούς ρόλους και βιοχημικά χαρακτηριστικά. Η βιοχημεία του δεν είναι πλήρως μελετημένη καθώς οι περισσότερες ερευνητικές ομάδες εστιάζουν στη μελέτη λίγων επιλεγμένων μορίων σε μια ή δύο εγκεφαλικές περιοχές οι οποίες συνδέονται με την υπό μελέτη παθολογική κατάσταση στο αρσενικό κυρίως φύλο. Κατ’ αυτό τον τρόπο υπάρχει ανάγκη συστημικής και συστηματικής μελέτης της μεταβολικής φυσιολογίας του εγκεφάλου στο πλάισιο των επιμέρους εγκεφαλικών περιοχών και του φύλου. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μέσω του πεδίου της Συστημικής Βιολογίας και μέσω των υψηλής απόδοσης βιομοριακών αναλύσεων ή αλλιώς ομικών αναλύσεων και πιο συγκεκριμένα της μεταβολομικής ανάλυσης που χρησιμοποιείται στην παρούσα διατριβή. Στο πλαίσιο αυτό ευρύτρεος στόχος της παρούσας διατριβής τέθηκε η εφαρμογή μεθόδων Συστημικής Βιολογίας στη μελέτη της μοριακής φυσιολογίας εγκεφάλου μοντέλου μυός συγκεκριμένης παθοφυσιολογίας. Η υπό μελέτη παθοφυσιολογία αφορά το χρόνιο υποθυρεοειδισμό ενηλίκων (ΧΥΕ) για τον οποίο οι τρέχουσες βιβλιογραφικές αναφορές δεν συνηγορούν σε μια άποψη λόγω διαφορετικών πρωτοκόλλων και χειρισμών που ακολουθούνται κάθε φορά, δημιουργώντας την ανάγκη ολιστικής μελέτης της επίδρασής του στη μεταβολική φυσιολογία του εγκεφάλου. Αναλυτικότερα έγινε εφαρμογή της μεταβολομικής ανάλυσης στη μελέτη της φυσιολογίας πέντε επιμέρους εγκεφαλικών περιοχών (φλοιός, παρεγκεφαλίδα, μεσεγκέφαλος, ιππόκαμπος και ραβδωτό) και των δύο φύλων σε μοντέλο μυός Χρόνιου Ενήλικου Υποθυρεοειδισμού (ΧΕΥ) με χρήση Χρωματογραφίας Αερίων-Φασματομετρίας Μάζας (ΧΑ-ΦΜ). Ο ΧΥΕ επάχθηκε μέσω χορήγησης 1% w/v KClO4 στο πόσιμο νερό 2μηνών πειραματοζώων για χρονικό διάστημα 60 ημερών. Η εφαρμογή της μεταβολομικής ανάλυσης στον εγκεφαλικό ιστό απαιτεί την προτυποποίηση τόσο των προ- και αναλυτικών αλλά και υπολογιστικών βημάτων καταλήγοντας στην ανακατασκευή του εν δυνάμει μεταβολικού δικτύου. Συνολικά αναλύθηκαν 245 βιολογικά δείγματα τα οποία αντιστοιχούν σε 735 μεταβολικά πρότυπα. Η διαδικασία της ταυτοποίησης, του φιλτραρίσματος και της κανονικοποίησης των μεταβολομικών δεδομένων κατέληξε σε 73 κοινούς μεταβολίτες του κεντρικού μεταβολισμού του άνθρακα στο φλοιό, την παρεγκεφαλίδα και το μεσεγκέφαλο ενώ λόγω του μικρότερου μεγέθους τους, το προτύπου του ιπποκάμπου αποτελείται από 49 και του ραβδωτού από 45 από αυτούς τους μεταβολίτες. Η πολυπαραμετρική στατιστική ανάλυση έδειξε ότι η κύρια παράμετρος διαχωρισμού των μεταβολομικών δεδομένων είναι η μεταβολική διαφοροποίηση των επιμέρους εγκεφαλικών περιοχών υπό φυσιολογικές συνθήκες. Ο φλοιός, η παρεγκεφαλίδα και ο μεσεγκέφαλος στηρίζονται κυρίως στο γλυκο-κεντρικό μεταβολισμό ενώ οι δυο μικόρτρες επριοχές στον λιπιδο-κεντρικό μεταβολσιμό. Ο φλοιός παρουσιάζει επίσης αυξημένη σηματοδότηση και αντιοξειδωτική άμυνα ενώ ο μεσεγκέφαλος έχει υψηλές συγκεντρώσεις σε χοληστερόλη και σε μόρια που εκτός του σηματοδοτικού τους ρόλου δρούν και ως νευροδιαβιβαστές. Το αραχιδονικό οξύ που σχετίζεται με τις διαδικασίες μνήμης-μάθησης και νευρογένεσης είναι το χαρακτηριστικό μόριο του ιπποκάμπου. Τέλος το ραβδωτό είναι περιοχή πλούσια σε λιπίδια όπως οκταδεκανοϊκό και μυριστικό οξύ. Παρατηρήθηκε επίσης φυλοειδικότητα η οποία εκφράζεται με ιστοειδικό τρόπο με το μεσεγκέφαλο να είμαι μη φυλοειδική περιοχή ενώ η παρεγκεφαλίδα παρουσιάζει το πλέον διαφοροποιημένο προτύπου μεταξύ των δυο φύλων. Η scyllo-ινοσιτόλη που συνδέεται με τη γλυκόλυση εμφανίζεται στατιστικώς σημαντικά μειωμένη και το άγνωστο μόριο Un_0060 στατιστικώς σημαντικά αυξημένο στις περιοχές των θηλυκών ως πρός τα αρσνεικά πειραματόζωα αποτελόντας δείκτες της φυλοειδικότητας.Λαμβάνοντας υπόψη τις αγγειακές αλληλεπιδράσεις των ιστών με το αίμα έχει αριστοποιηθεί και εφαρμοστεί πρωτόκολλο διαπότισης (χρήση 0.9% w/v NaCl) για την απομάκρυνση του αίματος από το σώμα των πειραματοζώων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι μετά την απομάκρυνση του αίματος αν και παρατηρούνται ποσοτικές αλλαγές σε κάθε εγκεφαλική περιοχή, δεν επηρεάζεται η καθεαυτό φυσιολογία του ιστού. Αναλυτικότερα παρατηρήθηκε και στα δυο φύλα μείωση της σχετικής συγκέντρωσης μορίων τα οποία ο ιστός λαμβάνει από την κυκλοφορία του αίματος και σχετίζονται με το γλυκο-κεντρικό μεταβολισμό και ανάδειξη του λιπιδο-κεντρικού μεταβολισμού για αναπλήρωση του κύκλου του κιτρικού οξέος οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι ο ιστός βασίζεται στ δικό του μεταβολισμό όσον αφορά τη β-οξείδωση λιπιδίων ενώ όσον αφορά το γλυκο-κεντρικό του μεταβολσιμό στηρίζεται κυρίως στο αίμα. Ο ΧΥΕ επηρεάζει τη μεταβολική φυσιολογία του εγκεφάλου με ιστοειδικό και φυλοειδικό τρόπο με τα θηλυκά πειραματόζωα να είναι λιγότερο επηρεασμένα. Τα κύρια μεταβολικά μονοπάτια που επηρεάζονται αφορούν στο γλυκο-κεντρικό, λιπιδο-κεντρικό μεταβοσλιμό και την αντιοξειδωτική άμυνα. Μετά την απομάκρυνση του αίματος, συγκριτική ανάλυση της επίδρασης του ΧΥΕ στη μεταβολική φυσιολογία των επιμέρους εγκεφαλικών περιοχών έδειξε ότι ο φλοιός είναι η μόνη περιοχή που επηρεάζεται από την υπό μελέτη διαταραχή σε παρόμοια μεταβολικά μονοπάτια με τα μη διαποτισμένα δείγματα και στα δυο φύλα οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι τα μεταβολικά μονοπάτια για τα οποία ο ιστός στηρίζεται στο δικό του μεταβολισμό δεν επηρεάζονται από το ΧΥΕ. Συμπερασματικά, μέσω της μελέτης αυτής φαίνεται η σημαντικότητα της συστημικής ανάλυσης για την κατανόηση της πολυπλοκότητας του εγκεφάλου στο πλαίσιο του ανακατασκευασμένου δικτύου. Στα πλάισια αυτά πραγματοποιήθηκε χαρτογράφηση του μεταβολιού προτύπου των πέντε επιμέρους εγκεφαλικών περιοχών και των δυο φύλων και μελέτη των μεταβολικών μονοπατιών που τις διαφοροποιούν. Ο ΧΥΕ επηρεάζει τη μεταβολική φυσιολογία του εγκεφάλου με ιστοειδικό και φυλοειδικό τρόπο ενώ η αλληλεπίδραση των ιστών με το αίμα είναι μια παράμετρος η οποία θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κάθε φορά. Συνοπτικά, τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής αποδεικνύουν ότι το νέο πεδίο της Συστημικής Βιολογίας είναι ικανό να προσεγγίσει τον εγκέφαλο με ολιστικό τρόπο και να γεφυρώσει το χάσμα μεταξύ της μοριακής βιολογίας και της νευροφυσιολογίας ορίζοντας για πρώτη φορά ένα νέο πεδίο στην έρευνα του εγκεφάλου, αυτό της Μοριακής Συστημικής Νευροφυσιολογίας.