મેથિલીન બ્લૂ, Nrf2 અને માઇટોકોન્ડ્રિયલ જૈવસર્જન: શું માપવામાં આવ્યું અને શું હજી પ્રસ્તાવિત છે

મેથિલીન બ્લૂ વિશેના લખાણમાં એક વાક્ય વારંવાર જોવા મળે છે: તે Nrf2ને સક્રિય કરે છે અને નવા માઇટોકોન્ડ્રિયા બનાવે છે. આ વાક્ય એક જ દાવા જેવું લાગે છે, પરંતુ તેમાં બે જુદી સંકલ્પનાઓ છે, જેનો જુદી પ્રણાલીઓમાં, જુદા પ્રકારના પુરાવા સાથે અભ્યાસ થયો છે. પહેલી એક સંકેતપ્રક્રિયાનો માર્ગ છે, એવો સંવેદક જે રક્ષણાત્મક જનીનોને સક્રિય કરે છે. બીજી એક નિર્માણપ્રક્રિયા છે, જેમાં કોષ વધુ માઇટોકોન્ડ્રિયલ તંત્ર બનાવે છે. સંકેત નિર્માણ શરૂ કરાવી શકે છે, પરંતુ સંકેત સક્રિય થયો તે બતાવવું અને ઇમારત ઊભી થઈ તે બતાવવું એકસરખું નથી; તેમ જ વધુ બાંધકામ સામગ્રી દેખાવાનો અર્થ વધુ સારો ઊર્જા પુરવઠો સાબિત થવો નથી. આ લેખ આ ત્રણ બાબતોને અલગ રાખે છે.

Nrf2ની સંકલ્પના: સંવેદક, ઢાલ નહીં

Nrf2 (ન્યુક્લિયર ફેક્ટર એરિથ્રોઇડ 2-રિલેટેડ ફેક્ટર 2) એક ટ્રાન્સક્રિપ્શન ફેક્ટર છે, એવું પ્રોટીન જેનું કામ જનીનોને સક્રિય કરવાનું છે. સામાન્ય આરામાવસ્થામાં Keap1 નામનું સંવેદક પ્રોટીન તેને કોષરસમાં પકડી રાખે છે અને સતત નાશ માટે કોષના નિકાલતંત્રને સોંપે છે. જ્યારે ઑક્સિડન્ટ્સ અથવા ઇલેક્ટ્રોફાઇલ્સ Keap1 પરના પ્રતિક્રિયાશીલ સિસ્ટીનમાં ફેરફાર કરે છે, ત્યારે આ નિકાલ અટકે છે. નવું બનેલું Nrf2 એકઠું થાય છે, કોષકેન્દ્રમાં જાય છે, નાના Maf પ્રોટીનો સાથે જોડાય છે અને એન્ટીઑક્સિડન્ટ રિસ્પોન્સ એલિમેન્ટ્સ કહેવાતા DNA ક્રમો સાથે બંધાય છે. આ બંધન અનેક રક્ષણાત્મક જનીનોને સક્રિય કરે છે.

આ માર્ગના પ્રમાણભૂત માપનીય સૂચકો ચોક્કસ છે. NQO1 (NAD(P)H ક્વિનોન ડિહાઇડ્રોજનેઝ 1) અને TrxR1 (થાયોરેડોક્સિન રિડક્ટેઝ 1) સૌથી વિશ્વસનીય Nrf2 લક્ષ્ય જનીનોમાં સામેલ છે. HO-1 (હીમ ઑક્સિજનેઝ-1)ની અભિવ્યક્તિ મજબૂત રીતે પ્રેરિત થઈ શકે છે, પરંતુ તે અન્ય નિયામકોને પણ પ્રતિસાદ આપે છે. SOD અને કેટાલેઝ જેવા ઉત્સેચકો એન્ટીઑક્સિડન્ટ તંત્રનો ભાગ છે, પરંતુ તેમના સ્તરો અનેક ટ્રાન્સક્રિપ્શન ફેક્ટર્સ દ્વારા નિયંત્રિત થાય છે, તેથી માત્ર SODમાં વધારો થવાથી તેનું કારણ Nrf2 હતું એવું સાબિત થતું નથી. સંકેતપ્રક્રિયાની ઘટનાની સૌથી નજીકના પુરાવા એટલે કોષકેન્દ્રમાં Nrf2નો સંચય, ARE રિપોર્ટરનું સક્રિય થવું અથવા પ્રમાણભૂત લક્ષ્યોની એવી પ્રેરણા જે Nrf2 દૂર કરવાથી ગાયબ થઈ જાય. બાકી બધું—ઑક્સિડન્ટના નીચા સ્તરો, તણાવ હેઠળ વધુ સારું અસ્તિત્વ ટકાવી રાખવું, વધુ ગ્લુટાથાયોન—પછીની અસર છે, જે અનેક માર્ગો પેદા કરી શકે છે.

આ સંદર્ભમાં મેથિલીન બ્લૂ વિશેનું સૌથી પહેલું પરિણામ આ માપદંડના સંકેતપ્રક્રિયાની નજીકના છેડે આવે છે. nanomolar સ્તરના મેથિલીન બ્લૂના સંપર્કમાં આવેલા ફાઇબ્રોબ્લાસ્ટ્સમાં કોષીય વૃદ્ધાવસ્થા મોડી પડી, સાથે કોમ્પ્લેક્સ IVની માત્રા વધી, ઑક્સિજનનો વપરાશ વધ્યો અને ફેઝ-2 ઉત્સેચકો TrxR1 અને NQO1 પ્રેરિત થયા, જેમ કે મેથિલીન બ્લૂને માઇટોકોન્ડ્રિયલ સુધારા અને કોષીય વૃદ્ધાવસ્થામાં વિલંબ સાથે સૌપ્રથમ જોડનાર અભ્યાસમાં જણાવાયું છે. TrxR1 અને NQO1 એ ચોક્કસ એવા પ્રમાણભૂત Nrf2 લક્ષ્યો છે જે સાવચેત વાચક જોવા માંગે. અભ્યાસે સંકેતપ્રક્રિયાની ઘટના પોતે દર્શાવી નહોતી: કોષકેન્દ્રમાં Nrf2નું માપન નહોતું, ARE રિપોર્ટર નહોતું અને Nrf2 નૉકઆઉટ નિયંત્રણ નહોતું. તેથી પ્રામાણિક અર્થઘટન એ છે કે આ પ્રણાલીમાં મેથિલીન બ્લૂ જાણીતા Nrf2 લક્ષ્ય જનીનોને પ્રેરિત કરે છે, જે Nrf2 સક્રિય થવા સાથે સુસંગત છે, પરંતુ Nrf2ને કારણ તરીકે અલગથી સ્થાપિત કરતું નથી. લક્ષ્ય જનીનની પ્રેરણા એ સ્વિચ સક્રિય થયા પછીનું એક પગલું છે.

જૈવસર્જનની સંકલ્પના: ત્રણ તપાસબિંદુઓ ધરાવતી પ્રક્રિયા

માઇટોકોન્ડ્રિયલ જૈવસર્જન એ પ્રક્રિયા છે જેના દ્વારા કોષ પોતાની માઇટોકોન્ડ્રિયલ ક્ષમતા વધારે છે. પાઠ્યપુસ્તકોમાં દર્શાવેલો તેનો ક્રમ ત્રણ તપાસબિંદુઓમાંથી પસાર થાય છે. પ્રથમ, સહસક્રિયક PGC-1alpha આ પ્રક્રિયા શરૂ કરે છે. બીજું, કોષકેન્દ્રના ટ્રાન્સક્રિપ્શન ફેક્ટર્સ માઇટોકોન્ડ્રિયલ જનીનોની અભિવ્યક્તિ ચલાવે છે, જેમાં માઇટોકોન્ડ્રિયલ DNAની જાળવણી અને પ્રતિકૃતિ કરતું TFAM પણ સામેલ છે (ગૂંચવણ ઊભી કરે એવી બાબત એ છે કે આ ફેક્ટર્સમાંના એકનું નામ NRF1, ન્યુક્લિયર રેસ્પિરેટરી ફેક્ટર 1, છે; તે Nrf2થી જુદું પ્રોટીન છે). ત્રીજું, અંતે કોષમાં વધુ માઇટોકોન્ડ્રિયલ જિનોમ અને વધુ શ્વસનતંત્ર હોય છે, જેને mtDNAની નકલ સંખ્યા, સાઇટ્રેટ સિન્થેઝની પ્રવૃત્તિ અથવા શ્વસન કોમ્પ્લેક્સની માત્રા અને પ્રવૃત્તિ તરીકે માપી શકાય છે.

દરેક તપાસબિંદુનો દાવો અગાઉના કરતાં નબળો કે વધુ મજબૂત હોઈ શકે છે. PGC-1alpha અથવા TFAMના મેસેન્જર RNAમાં વધારો દર્શાવે છે કે પ્રક્રિયા શરૂ કરવાની સૂચના અપાઈ હતી, એ નહીં કે તે પૂર્ણ થઈ. વધુ mtDNA અથવા વધુ કોમ્પ્લેક્સ IV પ્રોટીન વધુ સામગ્રી દર્શાવે છે, પરંતુ પુનર્ગઠિત માઇટોકોન્ડ્રિયા પણ આવાં જ દેખાઈ શકે છે. વધુ સારું શ્વસન, વધુ ઑક્સિજન વપરાશ અથવા કોમ્પ્લેક્સની વધુ પ્રવૃત્તિ દર્શાવે છે કે કાર્ય બદલાયું, પરંતુ એક પણ નવું માઇટોકોન્ડ્રિયન બન્યા વિના કાર્ય સુધરી શકે છે. જૈવસર્જનનો મજબૂત દાવો આ ત્રણેયને જોડે છે: નિયામક, ઘટકોની માત્રા અને કાર્ય.

ફાઇબ્રોબ્લાસ્ટ્સ પરના અનુવર્તી અભ્યાસે આ સાંકળનો મોટાભાગનો ક્રમ તપાસ્યો. 100 nanomolar મેથિલીન બ્લૂથી સારવાર કરાયેલા માનવ IMR90 કોષોમાં NAD અને NADHનો ગુણોત્તર 15 minutesની અંદર ક્ષણિક રીતે વધ્યો અને એક દિવસની અંદર મૂળ સ્તરે પાછો ફર્યો. આ ક્ષણિક ઊર્જાસંકેત પછી ઊર્જા સંવેદક AMPKનું ક્ષણિક ફૉસ્ફોરિલેશન થયું, ત્યારબાદ PGC-1alpha અને કાર્યરત કોમ્પ્લેક્સ IVની રચના માટે જરૂરી પ્રોટીન SURF1 પ્રેરિત થયા. કોમ્પ્લેક્સ IVની પ્રવૃત્તિ લગભગ બમણી થઈ, કોષીય ઑક્સિડન્ટ્સ લગભગ 28 percent ઘટ્યા અને ટેલોમિયર્સ વધુ ધીમે ઘસાયા. સંપૂર્ણ ક્રમ મેથિલીન બ્લૂની રેડોક્સ પ્રવૃત્તિને AMPK અને માઇટોકોન્ડ્રિયલ જૈવસર્જન સાથે જોડતા સંશોધનપત્રમાં રજૂ કરાયો છે.

તે સંશોધનપત્રની બે વિગતો ધ્યાન આપવા જેવી છે, કારણ કે આવી વિગતો સામાન્ય રીતે વર્ણનમાંથી છૂટી જાય છે. પ્રથમ, સક્રિયતા થવા કરતાં તેની રીત વધુ મહત્વની હતી: મેથિલીન બ્લૂએ AMPKને ક્ષણિક રીતે સક્રિય કર્યું, જ્યારે સરખામણી માટેની દવા AICARએ તેને સતત સક્રિય રાખ્યું, અને ક્ષણિક સક્રિયકે કોષીય વૃદ્ધાવસ્થાને આશરે આઠ ગણી વધુ અસરકારક રીતે વિલંબિત કરી. તેથી “મેથિલીન બ્લૂ AMPKને સક્રિય કરે છે” જેવા સ્વરૂપનો દાવો અધૂરો છે; મુખ્ય દાવો એ છે કે તે AMPKને ક્ષણિક રીતે સક્રિય કરે છે, અને આ સરખામણી સૂચવે છે કે સતત સક્રિયતા એ જ કામ કરતી નથી. બીજું, મેથિલીન બ્લૂએ કોષચક્રમાં ફેરફાર કર્યો નહોતો, જે સૌથી સાદી વૈકલ્પિક સમજૂતીને નકારી કાઢે છે: કે કોષો માત્ર વધુ ધીમે વિભાજિત થયા અને તેથી યુવાન જેવા દેખાયા.

ઉંદરોમાં અભ્યાસની શાખા: વર્તન, જિનોમ અને ઇરાદાપૂર્વક વિરોધાભાસી પ્રેરક

મધ્યવયના ઉંદરોનો અભ્યાસ કરતા એક જૂથે કોષસંવર્ધનમાં થયેલા કામને પ્રાણીઓ સુધી વિસ્તાર્યું. 60 days સુધી મોઢેથી મેથિલીન બ્લૂ અપાયા પછી, સારવાર કરાયેલા ઉંદરોમાં સારવાર ન કરાયેલા વૃદ્ધ ઉંદરોની સરખામણીમાં શારીરિક સહનશક્તિ અને આસપાસની શોધખોળનું વર્તન વધુ જળવાયું અને ચિંતા જેવું વર્તન ઓછું જોવા મળ્યું. મગજની પેશીમાં વૃદ્ધત્વે દબાવેલા જનીનો—NRF1, TFAM, SOD2 અને કોમ્પ્લેક્સ IVનું ઉપએકમ COX1—ની અભિવ્યક્તિ પુખ્ત વયના સ્તરો તરફ પાછી આવી અને mtDNAની નકલ સંખ્યા વધી. વર્તન, નિયામક અને જિનોમની માત્રાને જોડતાં આ પરિણામો મેથિલીન બ્લૂ અને મગજના માઇટોકોન્ડ્રિયલ જૈવસર્જન અંગેના મધ્યવયના ઉંદરોના અભ્યાસમાં જણાવાયા છે.

પ્રસ્તાવિત પ્રેરક રસપ્રદ ભાગ છે, કારણ કે તે મેથિલીન બ્લૂ એન્ટીઑક્સિડન્ટ છે એવી સરળ સમજથી વિપરીત જાય છે. સારવાર કરાયેલા ઉંદરોના મગજના માઇટોકોન્ડ્રિયામાં પ્રતિક્રિયાશીલ ઑક્સિજન પ્રજાતિઓનું, ખાસ કરીને હાઇડ્રોજન પેરૉક્સાઇડનું, ઉત્પાદન વધુ જોવા મળ્યું. લેખકોની પ્રસ્તાવિત સમજૂતી એ છે કે હળવો પેરૉક્સાઇડ સંકેત Nrf2 માર્ગને સક્રિય કરે છે, જે પછી જૈવસર્જનની પ્રક્રિયા ચલાવે છે. આ મોડેલમાં મેથિલીન બ્લૂ પ્રેરકના તબક્કે પ્રો-ઑક્સિડન્ટ અને પરિણામના તબક્કે એન્ટીઑક્સિડન્ટ છે. ફાર્માકોલોજિસ્ટ્સ આ પેટર્નને હૉર્મેસિસ કહે છે, જેમાં નાનો તણાવ પોતાના કરતાં વધુ મોટો રક્ષણાત્મક પ્રતિસાદ પ્રેરે છે. પેરૉક્સાઇડનો આ વધારો ખરેખર Nrf2ની સક્રિયતાનું કારણ બને છે કે નહીં તેની સીધી તપાસ થઈ નહોતી; તે પ્રસ્તાવિત જોડાણ છે, માપેલી કડી નહીં.

એ જ જૂથના પૂરક અભ્યાસે આ પ્રસ્તાવની સલામતીના પાસાને કસોટી પર ચડાવ્યો. અલગ પાડેલા મગજના માઇટોકોન્ડ્રિયામાં મેથિલીન બ્લૂએ 50 nanomolar જેટલી ઓછી સાંદ્રતાએ પણ હાઇડ્રોજન પેરૉક્સાઇડનું ઉત્પાદન વધાર્યું, છતાં ઉપચારાત્મક સાંદ્રતાઓએ માઇટોકોન્ડ્રિયલ DNAને શોધી શકાય એવું કોઈ નુકસાન કર્યું નહીં. માત્ર 100 micromolar પર, જે ઉપચારાત્મક સ્તરોથી ઘણું ઊંચું છે, mtDNAના પસંદ કરેલા ટુકડાઓમાં નુકસાન જોવા મળ્યું. 20 micromolar રંગદ્રવ્યને લાલ પ્રકાશ સાથે જોડવાથી સિંગલેટ ઑક્સિજન પેદા થયો, જેણે mtDNAને વ્યાપક નુકસાન કર્યું; આ રંગદ્રવ્યનું જાણીતું પ્રકાશસંવેદક તરીકેનું વર્તન છે, પ્રકાશની ગેરહાજરીમાં તેની ઔષધીય ક્રિયા નહીં. પૂર્વસારવારથી મધ્યમગજના વેન્ટ્રલ ભાગના માઇટોકોન્ડ્રિયાને રોટેનોનથી પ્રેરિત mtDNAની ક્ષતિઓ સામે રક્ષણ પણ મળ્યું. માત્રા અનુસાર પ્રતિસાદ અને જનીનવિષાક્તતાના નિયંત્રણોની વિગતો મેથિલીન બ્લૂ દ્વારા જનીનવિષાક્તતા વિના પેરૉક્સાઇડના ઉત્પાદન અંગેના અભ્યાસમાં આપવામાં આવી છે.

માપેલું સામે પ્રસ્તાવિત: આકૃતિને સમજવી

નીચેની માર્ગ-આકૃતિ આ લેખ માટે બનાવવામાં આવી છે, જેથી લખાણમાં દર્શાવેલો ભેદ સ્પષ્ટ જળવાય. સળંગ કિનારીવાળા ખાના એવા પગલાં દર્શાવે છે જેને મેથિલીન બ્લૂ અંગેના સંશોધનસાહિત્યમાં સીધો પ્રાયોગિક આધાર મળે છે: NAD/NADHમાં ફેરફાર કરતું રેડોક્સ ચક્રણ, AMPKનું ક્ષણિક ફૉસ્ફોરિલેશન, PGC-1alpha અને SURF1ની પ્રેરણા, કોમ્પ્લેક્સ IVની વધેલી પ્રવૃત્તિ, NQO1 અને TrxR1ની પ્રેરણા, ઉંદરના મગજમાં જૈવસર્જન જનીનોની અભિવ્યક્તિ અને mtDNAની નકલ સંખ્યાની પુનઃસ્થાપના, તેમજ ઉપચારાત્મક માત્રાઓએ mtDNAને નુકસાન કર્યા વિના પેરૉક્સાઇડમાં વધારો. તૂટક કિનારીવાળા ખાના પ્રસ્તાવિત કડીઓ દર્શાવે છે: Keap1 દ્વારા પેરૉક્સાઇડ સંકેતની ઓળખ, કોષકેન્દ્રમાં Nrf2નો સંચય રક્ષણાત્મક જનીનોને સક્રિય કરે તે પગલું અને Nrf2ની સક્રિયતાથી જૈવસર્જનની પ્રક્રિયા તરફ જતો કારણદર્શક તીર. આ તૂટક પગલાં સંભવિત છે, માહિતી સાથે સુસંગત છે અને પાઠ્યપુસ્તકોનું પ્રમાણભૂત જીવવિજ્ઞાન છે, પરંતુ આ સંશોધનપત્રોમાં તેમને એવા નિયંત્રણો સાથે માપવામાં આવ્યાં નહોતાં—કોષકેન્દ્રમાં Nrf2, ARE રિપોર્ટર્સ, Nrf2 નૉકઆઉટ—જેના આધારે તેમને સળંગ કિનારીવાળા ખાના તરીકે દર્શાવી શકાય.

આકૃતિ સામે હોય ત્યારે ત્રણ ગૂંચવણો સ્પષ્ટ દેખાય છે. પ્રથમ, NRF1 અને Nrf2 લગભગ એકસરખાં નામ ધરાવતા જુદા પ્રોટીનો છે; ઉંદરોના અભ્યાસે જૈવસર્જનના નિયામક ન્યુક્લિયર રેસ્પિરેટરી ફેક્ટર 1ને માપ્યો હતો, એન્ટીઑક્સિડન્ટ ટ્રાન્સક્રિપ્શન ફેક્ટરને નહીં, અને બંનેને એક માની લેવાથી આખી આકૃતિ એક જ બિંદુમાં સમેટાઈ જાય છે. બીજું, જનીન અભિવ્યક્તિ આ પ્રક્રિયાની શરૂઆત છે, અંત નહીં; TFAM અથવા COX1ના સંદેશાઓની પુનઃસ્થાપના જૈવસર્જન શરૂ કરવાની સૂચનાને આધાર આપે છે, જ્યારે mtDNAની નકલ સંખ્યા અને કોમ્પ્લેક્સ IVની પ્રવૃત્તિ એ સૂચના અમલમાં આવી હોવાના પુરાવા છે. ત્રીજું, એન્ટીઑક્સિડન્ટ પરિણામ Nrf2 માર્ગને સાબિત કરતું નથી; ફાઇબ્રોબ્લાસ્ટ્સમાં ઑક્સિડન્ટ્સનો 28 percent ઘટાડો અને ઉંદરોમાં રોટેનોન સામેનું રક્ષણ વાસ્તવિક અનુવર્તી અસરો છે, પરંતુ અનેક માર્ગો આ અસરો પર આવીને મળે છે.

તૂટક કિનારીવાળા ખાનાને સળંગ બનાવવા શું જરૂરી છે

ખૂટતા પ્રયોગો પ્રમાણભૂત છે. મેથિલીન બ્લૂના સંપર્ક પછી કોષકેન્દ્રમાં Nrf2 પ્રોટીનનું માપન, ક્ષણિક AMPK સંકેત સાથે મેળ ખાતા સમયક્રમમાં કરવામાં આવે, તો તે તપાસશે કે સમન્વિત સક્રિયતાની પરિકલ્પના મુજબ બંને શાખાઓ ખરેખર સાથે સક્રિય થાય છે કે નહીં. ARE દ્વારા સંચાલિત રિપોર્ટર લક્ષ્ય જનીનો પરથી અનુમાન કરવાને બદલે ટ્રાન્સક્રિપ્શન પ્રવૃત્તિની પુષ્ટિ કરશે. Nrf2ને નૉકડાઉન અથવા નૉકઆઉટ કરીને જૈવસર્જનના માપનીય સૂચકો ફરી તપાસવાથી કારણદર્શક તીરની સીધી કસોટી થશે: જો Nrf2 વિના પણ કોમ્પ્લેક્સ IVની પ્રેરણા અને mtDNAમાં વધારો જળવાય, તો પ્રસ્તાવિત જોડાણ ખોટું છે અને AMPKની શાખા એકલી જ આ અસર લાવે છે. પ્રાણીઓમાં, એ જ ત્રણ તપાસબિંદુઓ—નિયામક, ઘટકોની માત્રા અને કાર્ય—સાથે લાંબા સમય સુધી માત્રા આપવાનો અભ્યાસ તપાસશે કે પ્રક્રિયા સક્રિય રહે છે કે અનુકૂલન કરે છે. ત્યાં સુધી, ઊર્જા અને રક્ષણના માર્ગોની સમન્વિત સક્રિયતા તેના લેખકોએ જે કહી હતી તે જ રહે છે: સંભવિત મુખ્ય પરિબળ, સ્થાપિત કાર્યપદ્ધતિ નહીં.

વ્યાપક ઔષધવિજ્ઞાનના સંદર્ભમાંથી આવતા વાચકોને આસપાસની પૃષ્ઠભૂમિ જાણવી હોઈ શકે: મેથિલીન બ્લૂ માઇટોકોન્ડ્રિયલ સ્તરે ઇલેક્ટ્રૉન્સને કેવી રીતે એક સ્થાનેથી બીજા સ્થાને લઈ જાય છે, તે માઇટોકોન્ડ્રિયા અને કોષીય ઊર્જા પર અન્ય કઈ અસરો કરે છે, કોષીય વૃદ્ધાવસ્થા અંગેના તારણો વૃદ્ધત્વના સંશોધનમાં ક્યાં સ્થાન ધરાવે છે, જૈવસર્જનના દાવા જ્ઞાનાત્મક કાર્યક્ષમતા સાથે કેવી રીતે સંબંધિત છે અને માત્રા અંગેની દરેક ચર્ચાની સીમા નક્કી કરતા સલામતીના પુરાવા. આ દરેક પોતાના પુરાવા ધરાવતી અલગ સંકલ્પના છે, અને દરેકને આ લેખે Nrf2 માટે અપનાવેલો માપેલું સામે પ્રસ્તાવિતનો સમાન અભિગમ મળવો જોઈએ.