脳低酸素時のミトコンドリア障害の初期マーカーとしてのフラビンアデニンジヌクレオチド蛍光

Flavin Adenine Dinucleotide Fluorescence as an Early Marker of Mitochondrial Impairment During Brain Hypoxia.

• Nikolaus Berndt
• Richard Kovács
• Jörg Rösner
• Iwona Wallach
• Jens P Dreier
• Agustin Liotta

抄録

マルチモーダル連続ベッドサイドモニタリングは、神経危機的ケア中に虚血のリスクがある患者における早期治療の層別化のための有望なオプションとして認識されるようになってきている。現在使用されているモダリティは、例えば、酸素利用可能性および硬膜下コルチコグラフィーである。ミトコンドリア機能の評価は、これらのモダリティを補完する興味深いものである。例えば、フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）蛍光は、ミトコンドリアの酸化還元状態を直接知ることができる。そこで我々は、FAD蛍光法を用いてin vitroおよびin vivoで脳組織の低酸素の影響をモニターする可能性を探った。実験結果と計算モデルを組み合わせることで、蛍光シグナルの原因となる可能性のある発生源を特定し、神経細胞のエネルギー代謝における低酸素に関連した代謝変化についての洞察を得ることができた。インビトロでは、低酸素はFADの還元的シフト、シナプス伝達の障害、間質性カリウム[K]の増加によって特徴づけられた。コンピュータシミュレーションでは、FADの変化はクエン酸サイクル酵素α-ケトグルタル酸デヒドロゲナーゼとピルビン酸デヒドロゲナーゼに由来すると予測された。この研究では、このようなFADの変化は、クエン酸サイクルの酵素であるケトグルタル酸デヒドロゲナーゼとピルビン酸デヒドロゲナーゼに由来すると予測された。In silicoでは、初期の低酸素状態の後、グルコース枯渇による一過性の再酸素化段階を経て、生体内でのFADのダイナミクスが説明できるかもしれない。本研究では、低酸素時のミトコンドリア機能のモニタリングにFAD蛍光を容易に利用できることを示唆しており、マルチモーダル脳モニタリングを補完するための基礎代謝プロセスを鑑別するための診断ツールとしての可能性を示唆している。

Multimodal continuous bedside monitoring is increasingly recognized as a promising option for early treatment stratification in patients at risk for ischemia during neurocritical care. Modalities used at present are, for example, oxygen availability and subdural electrocorticography. The assessment of mitochondrial function could be an interesting complement to these modalities. For instance, flavin adenine dinucleotide (FAD) fluorescence permits direct insight into the mitochondrial redox state. Therefore, we explored the possibility of using FAD fluorometry to monitor consequences of hypoxia in brain tissue in vitro and in vivo. By combining experimental results with computational modeling, we identified the potential source responsible for the fluorescence signal and gained insight into the hypoxia-associated metabolic changes in neuronal energy metabolism. In vitro, hypoxia was characterized by a reductive shift of FAD, impairment of synaptic transmission and increasing interstitial potassium [K]. Computer simulations predicted FAD changes to originate from the citric acid cycle enzyme α-ketoglutarate dehydrogenase and pyruvate dehydrogenase. In vivo, the FAD signal during early hypoxia displayed a reductive shift followed by a short oxidation associated with terminal spreading depolarization. In silico, initial tissue hypoxia followed by a transient re-oxygenation phase due to glucose depletion might explain FAD dynamics in vivo. Our work suggests that FAD fluorescence could be readily used to monitor mitochondrial function during hypoxia and represents a potential diagnostic tool to differentiate underlying metabolic processes for complementation of multimodal brain monitoring.