Metilēnzilais un hormēze: kāpēc devas–atbildes līknes var mainīt virzienu

Viena žurka pēc apmācības atpazīt objektu saņem 4 miligramus metilēnzilā uz kilogramu un nākamajā dienā to atceras. Cita žurka saņem 50 un tikpat kā negriež savu skriešanas riteni. Molekula ir tā pati. Iedarbības virziens gan nav. Ikviens, kurš lasījis vairāk nekā dažus pētījumus par metilēnzilo, ir sastapies ar šo virziena maiņu, un tai ir nosaukums: hormēze — divfāžu atbildes reakcija, kurā maza un liela ekspozīcija vienu un to pašu rādītāju ietekmē pretējos virzienos.

Šis nosaukums ir noderīgs tikai tad, ja zināt, ko tas sola un ko nesola. Rakstā aplūkotas četras publicētas metilēnzilā datu kopas, katra ar savu rādītāju, koncentrācijas diapazonu un eksperimenta apstākļiem, un izskaidrots, kāpēc krāsvielas ķīmiskās īpašības padara šādas virziena maiņas ticamas. Raksts noslēdzas ar brīdinājumu, ko nepārprotami nosaka dati: līkne, kas sasniedz maksimumu vienā eksperimentā, raksturo šo eksperimentu, nevis piedāvā metodi individuālas devas izvēlei.

Šai likumsakarībai ir nosaukums, un tā nozīme ir šaurāka, nekā šķiet

Terminu «hormēze» 1943. gadā ieviesa Southam un Ehrlich, bet tā mūsdienu kvantitatīvo formulējumu izstrādāja Calabrese un Baldwin: adaptīva divfāžu atbildes reakcija, kas rodas tieši vai kompensācijas ceļā pēc homeostāzes traucējuma. Pievērsiet uzmanību tam, kā šajā definīcijā nav. Tajā nav vārda «labvēlīgs». Hormēze nozīmē, ka līkne maina virzienu, un neko vairāk.

Redzamā forma ir atkarīga no tā, kurš rādītājs attēlots uz vertikālās ass. Ja rādītājs ir pozitīva funkcija, piemēram, enzīma aktivitāte, skābekļa patēriņš vai atmiņas novērtējums, stimulācija mazā devā un tai sekojoša inhibīcija lielā devā veido apgrieztu U. Ja rādītājs ir kaut kas nevēlams, piemēram, saslimstība, nomākums mazā devā un tam sekojošs pieaugums lielā devā veido J vai U. Tā pati sakarība, cita ordināta. Lielākā daļa metilēnzilā pētījumu mēra pozitīvas funkcijas, tāpēc šajā rakstā runājam par apgriezta U veida līknēm, apzinoties, ka alfabēta burts ir grafiskā attēlojuma izvēle.

2008. gada pārskats, kurā apkopotas metilēnzilā hormētiskās atbildes reakcijas, sniedz konkrētu priekšstatu par mērogu. Uzvedības, fizioloģijas un bioķīmijas pētījumos atbildes reakcijas stimulācijas zonā sasniedz aptuveni 130 līdz 160 procentus no kontroles līmeņa, vidēji ap 140, pirms, devai turpinot pieaugt, tās atkal samazinās līdz kontroles līmenim un pēc tam zem tā. Šis diapazons ir daudzu eksperimentu kopsavilkums, nevis molekulas īpašība. Katrai tālāk aplūkotajai līknei ir savs maksimums savās mērvienībās.

Kāpēc tieši šīs molekulas iedarbībai vajadzētu mainīt virzienu

Metilēnzilais nav vienkāršs elektronu donors. Tas ir atgriezenisks elektronu pārnesējs. Oksidētā zilā forma pieņem elektronus, pārvēršoties bezkrāsainajā reducētajā formā, un reducētā forma var nodot šos elektronus tālāk. Elektronu pārnese, kas ir šo līkņu pamatā, ir aprakstīta skaidrojumā par to, kā metilēnzilais pārvieto elektronus, un šeit izšķirošā ir tieši šī pārnesēja loma.

Mazā koncentrācijā šis cikls nodrošina elpošanai alternatīvu ceļu. Reducētā krāsviela var oksidēties citohromoksidāzes — elektronu transporta ķēdes pēdējā enzīma — līmenī, palielinot tā katalītisko apriti, kā arī skābekļa patēriņu un elpošanas kapacitāti. Lielākā koncentrācijā tā pati elektronu piesaistīšanas spēja sāk konkurēt ar parasto ķēdi, nevis tai palīdzēt: novirza elektronus no ierastā ceļa, tieši patērē skābekli un rada reaktīvās skābekļa formas, nevis nodrošina lietderīgu enerģijas ražošanu. Neliels katalītiskā pārnesēja daudzums — lielāka plūsma; pārmērīgs konkurējošs elektronu patērētājs — mazāka plūsma. Ķīmiskās īpašības padara virziena maiņu ticamu, taču negarantē, kur kāds konkrēts rādītājs sasniegs maksimumu.

Neatkarīgus pierādījumus par atkarību no koncentrācijas sniedz šūnas, kurām mitohondriju vispār nav. 1976. gada eksperimentos ar eritrocītiem maza, 1 mikromolāra koncentrācija stimulēja heksozes monofosfāta šuntu pa ceļu, kas bija ļoti atkarīgs no oksihemoglobīna, savukārt simtkārt lielākā, 0.1 milimolārā koncentrācijā oksihemoglobīna klātbūtnei tikpat kā nebija nozīmes un visas trīs izmantotās analīzes metodes uzrādīja ūdeņraža peroksīda veidošanos. Tā pati krāsviela, divi mehānismi, kurus nošķir koncentrācija. Eritrocīti neveic šūnu elpošanu, tāpēc šī nav mitohondriju līkne, taču tā parāda, ka, koncentrācijai pieaugot, krāsvielas oksidēšanās–reducēšanās ķīmija maina raksturu — tieši to arī paredz skaidrojums par mitohondrijiem.

Četras līknes, četri eksperimentu apstākļu kopumi

Tālāk redzamajā attēlā četras datu kopas pārzīmētas līdzās. Katram panelim saglabātas savas asis un apstākļi, jo to pārklāšana vienā mērogā būtu pirmā nepatiesība, ko šis raksts varētu pasniegt. Attēls ir shematisks; precīzas vērtības un apstākļi sniegti tekstā.

A panelis: citohromoksidāze žurku smadzeņu homogenātā. Visskaidrākā mitohondriju līkne iegūta pastarpināti — pārskatā tā attēlota, izmantojot žurku smadzeņu homogenāta datus: aptuveni 138 procenti no kontroles aktivitātes pie 0.5 mikromolāras koncentrācijas, atgriešanās kontroles līmenī ap 5 mikromolāru koncentrāciju, kritums zem sākotnējā līmeņa ap 10 mikromolāru koncentrāciju, kur, pēc autoru domām, krāsviela atņem elektronus ķēdes parastajiem kompleksiem. Homogenāts, mikromolāra koncentrācija, spektrofotometriska analīze. Šajā teikumā ietverts viss konteksts, un ārpus tā līkne neko nenozīmē.

B panelis: žurku atmiņa un skriešana ritenī. Žurku atmiņas pētījumā vienreizēju injekciju, kas veiktas pēc apmācības, ietekmi pārbaudīja 24 stundas vēlāk. Devās no 1 līdz 10 miligramiem uz kilogramu kustību aktivitāte un barības uzņemšana neatšķīrās no fizioloģiskā šķīduma kontroles, savukārt 50 līdz 100 miligrami uz kilogramu krasi samazināja skriešanu ritenī (mediāna — 35 pret 279 apgriezieniem), un lielākā deva izraisīja piloerekciju, nekoordinētas kustības un vienu nāves gadījumu. 4 miligramu uz kilogramu deva uzlaboja habituāciju un objektu atpazīšanu: žurkas, kas bija saņēmušas metilēnzilo, pie jaunā objekta pavadīja gandrīz par 10 sekundēm ilgāk. Smadzeņu skābekļa patēriņš pieauga gan homogenātā, kas pakļauts reducētās krāsvielas iedarbībai zemā mikromolārā koncentrācijā, gan smadzenēs, kas iegūtas 24 stundas pēc 1 miligrama uz kilogramu ievadīšanas in vivo. Ievērojiet nošķīrumu: uzvedības pētījumā izmantoja sistēmiskas devas pēc apmācības, bet skābekļa patēriņa pētījumā — koncentrācijas homogenātā un vienu devu in vivo; tie ir divi eksperimenti, nevis viena līkne.

C panelis: zebrzivju T veida labirints. Zebrzivju pētījumā apmācītas zivis pēc apmācības uz 12 stundām iegremdēja šķīdumā ar nominālo koncentrāciju 0.1, 0.5, 5.0 vai 10.0 mikromolāri, salīdzinot ar zilas pārtikas krāsvielas kontroli. 0.5 mikromolārās koncentrācijas grupa uzrādīja vislabāko sniegumu, 5.0 grupa atbilda kontrolei, bet 10.0 grupas sniegums bija sliktāks nekā mazāku devu grupām. Šim panelim ir divas atrunas. Mikromolāra koncentrācija iegremdēšanas šķīdumā nav mikromolāra koncentrācija asinīs vai smadzenēs; starp akvārija ūdeni un audiem ir izkliede un uzkrāšanās. Turklāt statistiskais pamatojums ir vājāks, nekā liek domāt līknes forma: lielās devas grupa atšķīrās no mazāku devu grupām, bet citas statistiski nozīmīgas atšķirības starp grupām netika ziņotas. Līkne ir reāla, taču aptuvena.

D panelis: eritrocītu šunts. Metz un kolēģi salīdzināja 1 mikromolāru un 0.1 milimolāru koncentrāciju cilvēka eritrocītos gaisa, oglekļa monoksīda un tāda gāzu maisījuma vidē, kas pie fizioloģiska skābekļa spiediena nodrošināja gandrīz pilnīgu hemoglobīna pārvēršanos karboksihemoglobīnā. Stimulācija mazajā devā bez oksihemoglobīna krasi samazinājās; stimulāciju lielajā devā tas tikpat kā neietekmēja. Peroksīds parādījās tikai lielajā devā. Šis panelis iederas līdzās pārējiem kā ķīmisko procesu piemērs, nevis kā ceturtais punkts kādā kopējā līknē: nav mitohondriju, koncentrācijas atšķiras simtkārt, gāzu maisījumi ir manipulēti.

Kāpēc maksimumi nesakrīt un tiem nevajadzētu sakrist

Četri maksimumi ir pie 0.5 mikromolāras koncentrācijas homogenātā, 4 miligramiem uz kilogramu, kas injicēti pēc apmācības, 0.5 mikromolāras koncentrācijas akvārija ūdenī un mazas un lielas koncentrācijas pāra eritrocītos, kur vērtības atšķiras simtkārt. Uztvert jebkurus divus no tiem kā vienu un to pašu skaitli ir kategoriju kļūda. Katram rādītājam ir sava līkne: atmiņas optimumam nav jāsakrīt ar oksidāzes aktivitātes, skābekļa patēriņa, kustību aktivitātes vai peroksīda veidošanās optimumu. Katra koncentrācijas mērvienība nozīmē kaut ko citu: mikromolāra koncentrācija homogenātā, nomināla mikromolāra koncentrācija iegremdēšanas šķīdumā, sistēmiski ievadīti miligrami uz kilogramu un koncentrācijas plazmā, smadzenēs un mitohondrijos ir dažādi lielumi, un metilēnzilā tieksme uzkrāties mitohondrijos un smadzenēs neļauj tos pielīdzināt. Katram modelim ir arī sava farmakokinētika: suga, ievadīšanas ceļš un laiks nosaka, kuri audi saskaras ar kādu krāsvielas daudzumu un cik ilgi.

Tieši šeit svarīga kļūst arī devas un ievadīšanas ceļa nozīme metilēnzilā drošumā, jo šajos pētījumos novērotā lielu devu ietekme — kustību aktivitātes nomākums, nekoordinētas kustības, viena beigta žurka, peroksīda veidošanās — ir toksicitātes pazīmes konkrētajos eksperimenta apstākļos, nevis drošuma robežas kādam citam. Un ikvienam, kurš vēlas pārvērst 4 miligramus uz kilogramu žurkai par lietošanas shēmu cilvēkam, vispirms vajadzētu izlasīt, kā dzīvnieku pētījumu rezultāti attiecas uz pierādījumiem cilvēkiem: vienkārša miligramu uz kilogramu pārrēķināšana starp sugām nav pietiekama.

Kļūda, no kuras jāizvairās

Apgrieztais U vilina, jo izskatās pēc devas regulēšanas skalas ar atzīmētu optimālo punktu. Tā tas nav. Hormēze apraksta, kas notika ar vienu rādītāju vienos eksperimenta apstākļos. Apkopojot četrus šādus aprakstus, iegūstam četrus maksimumus četrās mērvienību sistēmās — pilnīgu pretstatu vienotai regulēšanas skalai. Godprātīga šo līkņu izmantošana ir salīdzinoša un piesardzību rosinoša: jārēķinās, ka iedarbība mainīs virzienu atkarībā no koncentrācijas, ka katram rādītājam šī maiņa notiks savā punktā, un jāapšauba jebkurš apgalvojums, kas aizgūst viena eksperimenta maksimumu, lai pamatotu devu citai sugai, citam ievadīšanas ceļam, audiem vai mērķim. Atšķirība starp eksperimentāli novērotām likumsakarībām un lēmumiem par individuālu devu ir visa šī raksta galvenā doma, kas atkārtota vēlreiz, lai nepaliktu nepamanīta.

Kā lasīt nākamo pētījumu par devas–atbildes sakarību

Četri jautājumi der gandrīz katrai metilēnzilā līknei, ar kuru sastapsieties. Kurš rādītājs ir uz vertikālās ass, un vai tā virziena maiņa veidotu U vai J? Kādu koncentrāciju patiesībā attēlo horizontālā ass: nominālo iegremdēšanas šķīdumā, homogenātā, plazmā, aplēsto smadzenēs vai ievadīto sistēmisko devu? Kāds modelis un laika nosacījumi to radījuši: homogenāts, šūnu kultūra apgaismojumā vai tumsā, apmācīti dzīvnieki, kas saņēmuši devu pirms vai pēc apmācības, un kad veikta pārbaude? Un kāda bija kontrole: fizioloģiskais šķīdums, zila pārtikas krāsviela, nesējvide; vai pētījuma statistika pamato katru apgalvojumu par pāru salīdzinājumiem vai tikai kopējo līknes formu? Pētījums, kas atbild uz visiem četriem jautājumiem, ir jūsu laika vērts. Tas, kurš ziņo par maksimumu bez šīm atbildēm, ir devis jums skaitli bez adreses.