Metileno mėlynasis ir hormezė: kodėl dozės ir atsako kreivės gali keisti kryptį

Viena žiurkė, išmokusi atpažinti objektą, gauna 4 miligramus metileno mėlynojo kilogramui kūno masės ir kitą dieną jį prisimena. Kita žiurkė gauna 50 ir vos suka bėgimo ratą. Molekulė ta pati. Poveikio kryptis – ne. Kiekvienas, perskaitęs daugiau nei kelis straipsnius apie metileno mėlynąjį, yra susidūręs su šiuo krypties pasikeitimu. Jis turi pavadinimą: hormezė – dvifazis atsakas, kai mažas ir didelis poveikio lygis tą patį vertinamą rodiklį keičia priešingomis kryptimis.

Šis pavadinimas naudingas tik žinant, ką jis žada ir ko nežada. Šiame straipsnyje nagrinėjami keturi publikuoti metileno mėlynojo duomenų rinkiniai, kurių kiekvienas turi savą vertinamą rodiklį, koncentracijų intervalą ir eksperimento sąlygas. Taip pat aiškinama, kodėl dėl šio dažiklio cheminių savybių tokie krypties pasikeitimai yra tikėtini. Straipsnis baigiamas perspėjimu, kurį diktuoja duomenys: viename eksperimente piką pasiekusi kreivė yra to eksperimento aprašymas, o ne asmeninės dozės parinkimo metodas.

Šis dėsningumas turi pavadinimą, o jo reikšmė siauresnė, nei atrodo

Hormezės terminą 1943 m. pasiūlė Southam ir Ehrlich, o šiuolaikinę kiekybinę jo sampratą suformulavo Calabrese ir Baldwin: tai adaptyvus dvifazis atsakas, atsirandantis tiesiogiai arba dėl kompensacinių procesų sutrikus homeostazei. Atkreipkite dėmesį, ko šiame apibrėžime nėra. Jame nėra žodžio „naudingas“. Hormezė reiškia, kad kreivė keičia kryptį, ir nieko daugiau.

Matoma forma priklauso nuo to, koks rodiklis pateiktas vertikaliojoje ašyje. Kai rodiklis yra teigiama funkcija, pavyzdžiui, fermento aktyvumas, deguonies suvartojimas ar atminties įvertis, stimuliavimas maža doze ir po jo einantis slopinimas didele doze sudaro apverstą U. Kai rodiklis yra nepageidaujamas reiškinys, pavyzdžiui, ligos dažnis, slopinimas maža doze ir po jo einantis sustiprėjimas didele doze sudaro J arba U. Tas pats ryšys, kita ordinatė. Daugumoje metileno mėlynojo tyrimų matuojamos teigiamos funkcijos, todėl šiame straipsnyje kalbama apie apverstos U formos kreives, suprantant, kad abėcėlės raidė priklauso nuo pasirinkto duomenų vaizdavimo.

2008 m. apžvalga, kurioje surinkti hormetiniai atsakai į metileno mėlynąjį, leidžia konkrečiau įvertinti mastą. Elgsenos, fiziologijos ir biochemijos tyrimuose atsakai stimuliavimo zonoje pasiekia maždaug 130–160 procentų kontrolinės vertės, vidutiniškai apie 140, o dozei toliau didėjant grįžta iki kontrolinės vertės ir nukrinta žemiau jos. Šis intervalas apibendrina daugelį eksperimentų, o ne apibūdina molekulės savybę. Kiekviena toliau pateikta kreivė turi savą piką, išreikštą savais vienetais.

Kodėl būtent šios molekulės poveikis gali keisti kryptį

Metileno mėlynasis nėra paprastas elektronų donoras. Jis yra grįžtamasis elektronų pernešiklis. Oksiduota mėlyna forma priima elektronus ir tampa bespalve redukuota forma, o redukuota forma gali perduoti tuos elektronus toliau. Šias kreives lemiantis elektronų perdavimas aprašytas pasakojime apie tai, kaip metileno mėlynasis perneša elektronus, ir čia svarbiausias yra būtent šis pernešimas.

Esant mažoms koncentracijoms, toks ciklas suteikia ląsteliniam kvėpavimui alternatyvų kelią. Redukuotas dažiklis gali būti oksiduojamas veikiant citochromo oksidazei, galutiniam elektronų pernašos grandinės fermentui, todėl didėja šio fermento katalizinis aktyvumas, deguonies suvartojimas ir kvėpavimo pajėgumas. Esant didesnėms koncentracijoms, ta pati elektronus aktyviai priimanti cheminė sistema pradeda konkuruoti su įprasta grandine, užuot jai padėjusi: nukreipia elektronus nuo jų įprasto kelio, tiesiogiai vartoja deguonį ir, užuot prisidėjusi prie energijos gamybos, sudaro reaktyviąsias deguonies formas. Nedidelis katalizinis pernešiklio kiekis – didesnis srautas; perteklinis konkuruojantis elektronų sugėriklis – mažesnis. Dėl šių cheminių savybių krypties pasikeitimas yra tikėtinas, tačiau jos nieko negarantuoja apie tai, kur konkretus rodiklis pasieks piką.

Nepriklausomų priklausomybės nuo koncentracijos įrodymų suteikia ląstelės, kurios visai neturi mitochondrijų. 1976 m. eksperimentuose su eritrocitais maža, 1 mikromolio litre koncentracija stimuliavo heksozės monofosfato šuntą mechanizmu, kuris labai priklausė nuo oksihemoglobino, o šimteriopai didesnės, 0.1 milimolio litre koncentracijos poveikis beveik nepriklausė nuo oksihemoglobino buvimo, ir visais trimis taikytais tyrimo metodais buvo nustatyta vandenilio peroksido gamyba. Tas pats dažiklis, du mechanizmai, kuriuos skiria koncentracija. Eritrocitai negali vykdyti ląstelinio kvėpavimo, todėl tai nėra mitochondrijų veiklos kreivė. Tačiau ji rodo, kad didėjant koncentracijai keičiasi dažiklio oksidacijos ir redukcijos cheminių procesų pobūdis – būtent to ir reikia mitochondrijų veiklos paaiškinimui.

Keturios kreivės, keturios eksperimentų sąlygos

Toliau pateiktame paveiksle keturi duomenų rinkiniai perbraižyti greta. Kiekviena dalis išlaiko savas ašis ir sąlygas, nes jų sujungimas į vieną skalę būtų pirmasis šio straipsnio klaidinantis žingsnis. Piešinys scheminis; tikslios vertės ir sąlygos pateiktos tekste.

A dalis: citochromo oksidazė žiurkės smegenų homogenate. Aiškiausia mitochondrijų veiklos kreivė pateikta ne pirminiame šaltinyje, o apžvalgoje, kur ji nubraižyta pagal žiurkių smegenų homogenato duomenis: maždaug 138 procentai kontrolinio aktyvumo esant 0.5 mikromolio litre koncentracijai, grįžimas iki kontrolinės vertės ties maždaug 5 mikromoliais litre, kritimas žemiau pradinio lygio ties maždaug 10 mikromolių litre. Pastaruoju atveju, autorių nuomone, dažiklis atima elektronus iš įprastų grandinės kompleksų. Homogenatas, mikromoliai litre, spektrofotometrinis tyrimas. Šis sakinys yra visas kontekstas, ir už jo ribų kreivė nieko nereiškia.

B dalis: žiurkių atmintis ir bėgimas rate. Žiurkių atminties tyrime vienkartinių injekcijų, suleistų po mokymo, poveikis buvo vertinamas po 24 valandų. 1–10 miligramų kilogramui kūno masės dozės nepakeitė judėjimo ir maitinimosi, palyginti su fiziologinio tirpalo grupe, o 50–100 miligramų kilogramui dozės smarkiai sumažino bėgimą rate (mediana – 35 apsisukimai, palyginti su 279). Didžiausia dozė sukėlė plaukų pasišiaušimą, nekoordinuotus judesius ir vieną žūtį. 4 miligramų kilogramui dozė pagerino pripratimą ir objektų atpažinimą: metileno mėlynojo gavusios žiurkės naujam objektui skyrė beveik 10 sekundžių daugiau. Smegenų deguonies suvartojimas padidėjo ir homogenate, veiktame mažos mikromolinės redukuoto dažiklio koncentracijos, ir smegenyse, paimtose praėjus 24 valandoms po 1 miligramo kilogramui dozės suleidimo in vivo. Atkreipkite dėmesį į skirtumą: elgsenos tyrime naudotos sisteminės dozės po mokymo, o deguonies suvartojimo tyrime – koncentracijos homogenate ir viena dozė in vivo. Tai du eksperimentai, o ne viena kreivė.

C dalis: danijos T formos labirinte. Danijų tyrime išmokytos žuvys po mokymo buvo 12 valandų panardintos į tirpalus, kurių nominaliosios koncentracijos buvo 0.1, 0.5, 5.0 arba 10.0 mikromolių litre; kontrolinėje grupėje naudotas mėlynas maistinis dažiklis. 0.5 mikromolio litre grupės rezultatai buvo geriausi, 5.0 grupės atitiko kontrolinės grupės rezultatus, o 10.0 grupės buvo prastesni nei mažesnių dozių grupių. Su šia dalimi susiję du perspėjimai. Mikromoliai litre tirpale nėra mikromoliai litre kraujyje ar smegenyse; tarp akvariumo vandens ir audinio vyksta pasiskirstymas bei kaupimasis. Be to, statistiniai įrodymai silpnesni, nei leidžia manyti kreivės forma: didelės dozės grupė skyrėsi nuo mažesnių dozių grupių, tačiau kitų reikšmingų skirtumų tarp grupių nebuvo nurodyta. Kreivė tikra, bet apytikslė.

D dalis: eritrocitų šuntas. Metz ir kolegos palygino 1 mikromolio litre ir 0.1 milimolio litre koncentracijas žmogaus eritrocituose oro, anglies monoksido ir dujų mišinio aplinkoje; pastarasis, esant fiziologiniam deguonies slėgiui, beveik visą hemoglobiną pavertė karboksihemoglobinu. Be oksihemoglobino mažos dozės stimuliuojantis poveikis smarkiai sumažėjo, o didelės dozės poveikis beveik nepakito. Peroksidas susidarė tik esant didelei dozei. Ši dalis šalia kitų pateikiama dėl cheminių procesų, o ne kaip ketvirtas taškas kokioje nors bendroje kreivėje: nėra mitochondrijų, koncentracijos skiriasi šimteriopai, dujų mišinių sudėtis keičiama.

Kodėl pikai nesutampa ir neturėtų sutapti

Keturi pikai yra ties 0.5 mikromolio litre homogenate, 4 miligramais kilogramui, suleistais po mokymo, 0.5 mikromolio litre akvariumo vandenyje ir mažos bei didelės koncentracijos pora eritrocituose, kurios vertės skiriasi šimteriopai. Bet kuriuos du iš jų laikyti tuo pačiu dydžiu yra kategorijų painiojimo klaida. Kiekvienas rodiklis turi savą kreivę: atminčiai optimalus lygis nebūtinai sutampa su optimaliu oksidazės aktyvumo, deguonies suvartojimo, judėjimo ar peroksido gamybos lygiu. Kiekvienas koncentracijos vienetas reiškia ką kita: mikromoliai litre homogenate, nominalūs mikromoliai litre tirpale, sisteminiai miligramai kilogramui, koncentracijos plazmoje, smegenyse ir mitochondrijose yra skirtingi dydžiai, o metileno mėlynojo polinkis kauptis mitochondrijose ir smegenyse neleidžia jų sutapatinti. Kiekvienas modelis turi savą farmakokinetiką: rūšis, vartojimo būdas ir laikas lemia, kurį audinį pasieks dažiklis, kiek jo ten pateks ir kiek laiko jis ten išliks.

Čia svarbus ir dozės bei vartojimo būdo vaidmuo metileno mėlynojo saugumui, nes šiuose straipsniuose aprašyti didelių dozių poveikiai – judėjimo slopinimas, nekoordinuoti judesiai, viena žuvusi žiurkė, peroksido susidarymas – yra toksiškumo požymiai konkrečiomis tų eksperimentų sąlygomis, o ne saugumo ribos kam nors kitam. O kiekvienas, ketinantis 4 miligramus kilogramui žiurkei paversti žmogaus vartojimo schema, pirmiausia turėtų perskaityti, kaip gyvūnų tyrimų rezultatai siejasi su žmonių tyrimų įrodymais: paprasto miligramų kilogramui perskaičiavimo tarp rūšių nepakanka.

Klaida, kurios reikia vengti

Apversta U vilioja, nes atrodo kaip dozės reguliavimo skalė su pažymėtu optimaliu tašku. Tačiau taip nėra. Hormezė apibūdina tai, kas nutiko vienam rodikliui vienomis eksperimento sąlygomis. Sudėję keturis tokius aprašymus gausite keturis pikus keturiose vienetų sistemose – visišką reguliavimo skalės priešingybę. Šias kreives sąžininga naudoti palyginimui ir perspėjimui: tikėkitės, kad kintant koncentracijai poveikis gali keisti kryptį, kad kiekvieno rodiklio kryptis pasikeis ties savu tašku, ir nepasitikėkite jokiu teiginiu, kuris vieno eksperimento piku grindžia dozę kitai rūšiai, kitam vartojimo būdui, audiniui ar tikslui. Eksperimentinių dėsningumų ir asmeninių dozavimo sprendimų skirtumas yra viso šio straipsnio esmė. Tai pakartota dar kartą, kad neliktų nepastebėta.

Kaip skaityti kitą straipsnį apie dozės ir atsako ryšį

Keturi klausimai tinka beveik kiekvienai metileno mėlynojo kreivei, su kuria susidursite. Koks rodiklis pateiktas vertikaliojoje ašyje ir ar jo krypties pasikeitimas sudarytų U, ar J? Kokią koncentraciją iš tiesų rodo horizontalioji ašis: nominaliąją tirpalo, homogenato, plazmos, apskaičiuotą smegenų koncentraciją ar suleistą sisteminę dozę? Koks modelis ir laiko parinkimas lėmė rezultatą: homogenatas, ląstelių kultūra apšviestoje aplinkoje ar tamsoje, išmokyti gyvūnai, kuriems dozė skirta prieš mokymą ar po jo, ir kada jie buvo tirti? Ir kas buvo kontrolė: fiziologinis tirpalas, mėlynas maistinis dažiklis, nešiklis; ar straipsnio statistika pagrindžia kiekvieną porinio palyginimo teiginį, ar tik bendrą formą? Straipsnis, atsakantis į visus keturis klausimus, vertas jūsų laiko. Tas, kuris pateikia piką be šių atsakymų, pateikė skaičių be adreso.