Новое  исследование  Frontiers in Aging дает представление о новых механизмах, посредством которых воздействие синего света (BL) мешает метаболическим путям клеток сетчатки у мух. Эти результаты показывают, что воздействие BL, вероятно, оказывает аналогичное воздействие на клетки человека, такие как клетки кожи, жира и других тканей.

Исследование:  постоянный синий свет приводит к ускоренному старению дрозофилы за счет нарушения энергетического обмена и уровня нейротрансмиттеров. Изображение предоставлено: Алексей Бойко / Shutterstock.com

Фон

BL, который является обычным компонентом светодиодов (LED), представляет собой высокоэнергетический свет с короткими длинами волн, который может вызвать повреждение сетчатки. Предыдущие исследования предполагают, что BL может вызывать дегенерацию сетчатки, возрастную макулопатию и глаукому; однако механизмы, ответственные за фототоксичность, связанную с BL, остаются неясными.

Также было показано, что Drosophila melanogaster , которую чаще называют плодовой мухой,  испытывает острую фототоксичность BL. Воздействие BL на сложные глаза ускоряет перекисное окисление липидов, окислительный стресс и дегенерацию сетчатки из-за фототрансдукции. Об этих эффектах сообщалось у диких и мутантных мух с удаленными глазами ( eya2 ).

Об исследовании

Текущее исследование было направлено на выяснение эффектов хронического воздействия BL на метаболические пути в экстраретинальных тканях eya2 .

При этом мухи содержались в полной темноте или при постоянном воздействии BL в течение 10 или 14 дней. Метаболитные профили клеток оценивали с использованием жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии (ЖХ-МС) и газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ-МС).

Результаты исследования

Постоянное воздействие BL значительно снижало продолжительность жизни eya2 . Дальнейшие исследования выявили более значительное снижение продолжительности жизни мух, подвергшихся воздействию БЛ в течение 14 дней, по сравнению с мухами после 10 дней воздействия БЛ.

Ни в один из этих моментов времени не было зарегистрировано ни одной смерти. Однако часть мух, остававшихся при постоянном воздействии BL, погибала через 16 дней, тогда как другие выживали в условиях постоянной темноты (DD). Это наблюдение подразумевает, что мухи могут получить либо необратимые, либо обратимые повреждения из-за постоянного воздействия BL.

Впоследствии исследователи оценили нейродегенерацию у самцов мух-мутантов, подвергшихся воздействию BL в течение 10, 14 или 16 дней, и сравнили эти результаты с контролем DD в те же моменты времени. С этой целью постоянное воздействие BL в течение 10 дней приводило к такой же незначительной вакуолизации, как и наблюдаемая в контрольной группе DD. Однако через 14 дней у мух, подвергшихся воздействию BL, наблюдалась значительная вакуолизация головного мозга по сравнению с контрольной группой DD в этот момент времени.

Было проведено дальнейшее исследование метаболических профилей самцов  eya2 после постоянного воздействия BL на 10 и 14 дни с использованием ЖХ-МС и ГХ-МС. ЖХ-МС мух, подвергшихся воздействию BL в течение 10 дней, выявила 175 метаболитов, девять из которых значительно изменились по сравнению с контролем DD.

Анализ главных компонентов (PCA) выявил слабое разделение и минимальную степень охвата. Кроме того, уровни большинства метаболитов были снижены после постоянного воздействия BL.

ЖХ-МС мух, подвергавшихся воздействию BL в течение 14 дней, привела к идентификации 176 метаболитов, 30 из которых были значительно изменены по сравнению с контролями DD. Это указывает на то, что более значительные метаболические изменения были вызваны увеличением продолжительности воздействия BL.

Из 30 метаболитов 21 подвергался негативной регуляции, а 9 активировались. За исключением уридиндифосфата глюкозы (UPD-глюкозы), гидроксипропионата и 3-уреидопропаноата, большинство метаболитов, которые были изменены после 10 дней постоянного воздействия БЛ, оставались значительно измененными через 14 дней.

Уровни рибофлавина и сукцината демонстрировали наиболее значительное снижение и увеличение, соответственно, всех метаболитов.

ГХ-МС мух, подвергшихся воздействию BL, в течение 14 дней обнаружил в общей сложности 87 метаболитов, 10 из которых были значительно изменены. Постоянное воздействие BL также снижало уровень метаболитов.

Всего было обнаружено пять метаболитов с пониженной и пятью активированными метаболитами. Были значительные различия в концентрациях бета-аланина, глицерин-3-фосфата (G3P) и сукцината. Значительные изменения были также обнаружены в метаболитах 3-аминоизобутановой кислоты, треонина, цитрата, изолейцина и гомосерина.

Как ЖХ-МС, так и ГХ-МС на мухах с постоянным воздействием BL показали, что сукцинат является одним из наиболее значительно повышенных метаболитов, что свидетельствует о нарушении активности фермента сукцинатдегидрогеназы (SDH). Когда активность SDH оценивали как у мух, подвергавшихся воздействию DD, так и у мух, подвергшихся воздействию BL, в течение 10 и 14 дней, значительное снижение активности SDH после воздействия BL наблюдалось в обе временные точки. Таким образом, уровни СДГ можно использовать для определения метаболических нарушений.

Метаболизм аланина, аспартата и глутамата (AAG), а также цикл трикарбоновых кислот (TCA), метаболизм бутаната и метаболизм рибофлавина были наиболее сильно измененными путями после воздействия BL. Воздействие BL также значительно снижало уровни многих заменимых аминокислот, таких как аспартат, глутамат, аспарагин, аланин и аргиносукцинат.

Метаболиты цикла ТСА, такие как ацетоацетат, цитрат и пируват, полученный из глюкозы, были значительно снижены после постоянного воздействия BL, что подразумевает серьезные нарушения выработки энергии после воздействия BL.

Воздействие BL также привело к значительному увеличению уровня адениндифосфата (АДФ). И наоборот, уровни аденинтрифосфата (АТФ) снижались после 14 дней постоянного воздействия BL в большей степени по сравнению со снижением, наблюдаемым после 10 дней воздействия BL. Оба снижения АТФ относились к таковому у контрольных мух DD.

Значительная нейродегенерация также наблюдалась у мух после воздействия BL в течение 14 дней. В частности, наблюдалось значительное снижение ингибирующей гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), возбуждающего глутамата, гистамина и аланина.

Не наблюдалось существенной разницы между уровнями дофамина и ацетилхолина у мух в контроле DD и у мух, подвергшихся воздействию BL. Однако уровни серотонина были умеренно повышены у мух, подвергшихся воздействию BL. Эти результаты свидетельствуют о дисбалансе нейротрансмиттеров у мутантного безглазого  D. melanogaster .

Глутамат, который играет важную роль в метаболическом гомеостазе, также был дефицитен у мух, подвергшихся воздействию BL. Для подтверждения роли дефицита глутамата в ускорении старения мух, подвергшихся воздействию БЛ, в рацион мух добавляли 200 и 400 микрограммов (мкг)/мл глутамата.

Доза глутамата 200 мкг/мл не оказывала существенного влияния на продолжительность жизни мух, подвергшихся воздействию BL. Для сравнения, добавка 400 мкг/мл сокращала продолжительность жизни мух по сравнению с контрольной группой, не получавшей добавки глутамата.

Рибофлавин, также известный как витамин B2, был наиболее значительно уменьшенным метаболитом после постоянного воздействия BL. Было проверено влияние добавок рибофлавина на мутантных мух после хронического воздействия BL. С этой целью как 200, так и 400 мкг/мл рибофлавина сокращали продолжительность жизни мух по сравнению с контрольной группой, которая не получала добавки.

Выводы

Настоящее исследование дает новое понимание механизмов, с помощью которых BL влияет на жизненно важные метаболические пути и специфические процессы у  Drosophila melanogaster , особенно в клетках, не специализирующихся на фототрансдукции.