Metilensko modrilo in hormeza: zakaj lahko krivulje odziva na odmerek spremenijo smer

Ena podgana po učenju prepoznavanja predmeta prejme 4 miligrame metilenskega modrila na kilogram in se ga naslednji dan spomni. Druga prejme 50 in komaj še vrti tekaško kolo. Molekula je ista. Smer učinka ni. Vsakdo, ki je prebral več kot le nekaj člankov o metilenskem modrilu, je naletel na ta preobrat, ki ima tudi ime: hormeza, dvofazni odziv, pri katerem nizka in visoka izpostavljenost isto merjeno spremenljivko potiskata v nasprotni smeri.

Izraz je uporaben le, če veste, kaj obljublja in česa ne. Ta članek obravnava štiri objavljene nabore podatkov o metilenskem modrilu, vsakega s svojo merjeno spremenljivko, razponom koncentracij in eksperimentalno zasnovo, ter pokaže, zakaj so zaradi kemijskih lastnosti barvila takšni preobrati verjetni. Konča se z opozorilom, ki ga narekujejo podatki: krivulja, ki v nekem poskusu doseže vrh, opisuje ta poskus in ni metoda za izbiro osebnega odmerka.

Vzorec ima ime, njegov pomen pa je ožji, kot se zdi

Izraz hormeza sta leta 1943 skovala Southam in Ehrlich, sodobno kvantitativno obliko pa sta mu dala Calabrese in Baldwin: prilagoditveni dvofazni odziv, ki nastane neposredno ali s kompenzacijo po porušenju homeostaze. Bodite pozorni na to, česa v tej opredelitvi ni. Beseda koristen se ne pojavi. Hormeza pove, da krivulja spremeni smer, in nič več.

Oblika, ki jo vidite, je odvisna od tega, katera merjena spremenljivka je na navpični osi. Kadar gre za pozitivno funkcijo, kot so encimska aktivnost, poraba kisika ali rezultat preizkusa spomina, spodbujanje pri nizkem odmerku, ki mu sledi zaviranje pri visokem, izriše obrnjeni U. Kadar gre za nekaj slabega, kot je pojavnost bolezni, zaviranje pri nizkem odmerku, ki mu sledi povečanje pri visokem, izriše J ali U. Enako razmerje, druga ordinata. Večina raziskav metilenskega modrila meri pozitivne funkcije, zato ta članek govori o krivuljah obrnjenega U, pri čemer je treba razumeti, da je črka abecede posledica izbire načina prikaza.

Pregledni članek iz leta 2008, ki je zbral hormetične odzive na metilensko modrilo, poda konkretno predstavo o velikosti učinka. Pri vedenju, fiziologiji in biokemiji odzivi v območju spodbujanja dosežejo približno 130 do 160 odstotkov kontrolne vrednosti, s povprečjem blizu 140, nato pa z nadaljnjim naraščanjem odmerka padejo nazaj na kontrolno vrednost in pod njo. Ta razpon je povzetek številnih poskusov, ne lastnost molekule. Vsaka spodnja krivulja ima svoj vrh v svojih enotah.

Zakaj bi prav ta molekula lahko obrnila smer učinka

Metilensko modrilo ni preprost donor elektronov. Je reverzibilni prenašalec. Oksidirana modra oblika sprejema elektrone in postane brezbarvna reducirana oblika, ta pa lahko elektrone preda naprej. Prenos elektronov v ozadju teh krivulj je opisan v razlagi, kako metilensko modrilo prenaša elektrone, in ta prenašalna vloga je tu bistvena.

Pri nizkih koncentracijah to kroženje celičnemu dihanju ponuja alternativno pot. Reducirano barvilo se lahko oksidira pri citokrom oksidazi, končnem encimu verige prenosa elektronov, s čimer poveča hitrost njenega delovanja ter porabo kisika in dihalno zmogljivost. Pri višjih koncentracijah začne ista kemijska težnja po sprejemanju elektronov tekmovati z običajno verigo, namesto da bi ji pomagala: elektrone preusmerja z njihove običajne poti, neposredno porablja kisik in ustvarja reaktivne kisikove zvrsti namesto uporabne energije. Malo katalitičnega prenašalca pomeni večji pretok; preveč konkurenčnega ponora pomeni manjšega. Zaradi teh kemijskih lastnosti je sprememba smeri verjetna, vendar ne zagotavljajo, kje bo katera koli merjena spremenljivka dosegla vrh.

Neodvisni dokazi za odvisnost od koncentracije izvirajo iz celic, ki sploh nimajo mitohondrijev. V poskusih z eritrociti iz leta 1976 je nizka koncentracija 1 mikromol spodbujala heksozni monofosfatni obvod po poti, ki je bila močno odvisna od oksihemoglobina, medtem ko je bila stokrat višja koncentracija 0.1 milimola skoraj neodvisna od njegove prisotnosti in je po rezultatih vseh treh uporabljenih analiz ustvarjala vodikov peroksid. Isto barvilo, dva mehanizma, ločena s koncentracijo. Eritrociti ne morejo izvajati celičnega dihanja, zato to ni mitohondrijska krivulja, vendar kaže, da redoks kemija barvila z naraščanjem koncentracije spreminja značaj, kar je natanko tisto, kar zahteva razlaga mitohondrijskega delovanja.

Štiri krivulje, štiri eksperimentalne zasnove

Spodnja slika na novo prikazuje štiri nabore podatkov drugega ob drugem. Vsak prikaz ohranja svoje osi in pogoje, saj bi bilo njihovo prekrivanje na enotni lestvici prva neresnica, ki bi jo ta članek lahko predstavil. Risba je shematska; natančne vrednosti in pogoji so navedeni v besedilu.

Prikaz A: citokrom oksidaza v homogenatu podganjih možganov. Najjasnejša mitohondrijska krivulja je povzeta iz drugega vira, saj je bila v preglednem članku izrisana na podlagi podatkov o homogenatu podganjih možganov: približno 138 odstotkov kontrolne aktivnosti pri 0.5 mikromola, vrnitev na kontrolno vrednost pri približno 5 mikromolih in padec pod izhodiščno vrednost pri približno 10 mikromolih, kjer avtorji domnevajo, da barvilo odvzema elektrone običajnim kompleksom verige. Homogenat, mikromolarne koncentracije, spektrofotometrična analiza. Ta stavek zajema celoten kontekst in zunaj njega krivulja ne pove ničesar.

Prikaz B: spomin podgan in vrtenje tekaškega kolesa. V raziskavi spomina pri podganah so učinke enkratnih injekcij po učenju preverjali 24 ur pozneje. Pri odmerkih od 1 do 10 miligramov na kilogram se gibanje in hranjenje nista razlikovala od kontrolne skupine s fiziološko raztopino, medtem ko so odmerki od 50 do 100 miligramov na kilogram močno zmanjšali vrtenje tekaškega kolesa (mediana 35 v primerjavi z 279 obrati), najvišji odmerek pa je povzročil naježeno dlako, nekoordinirano gibanje in eno smrt. Odmerek 4 miligramov na kilogram je izboljšal habituacijo in prepoznavanje predmetov: podgane, ki so ga prejele, so novemu predmetu namenile skoraj 10 sekund več. Poraba kisika v možganih se je povečala tako v homogenatu, izpostavljenem nizkim mikromolarnim koncentracijam reduciranega barvila, kot v možganih, odvzetih 24 ur po dajanju 1 miligrama na kilogram in vivo. Upoštevajte ločitev: pri vedenju so uporabili sistemske odmerke po učenju, pri porabi kisika pa koncentracije v homogenatu in en odmerek in vivo; to sta dva poskusa, ne ena krivulja.

Prikaz C: cebrice v labirintu v obliki črke T. V raziskavi na cebricah so naučene ribe po učenju za 12 ur potopili v kopeli z nominalnimi koncentracijami 0.1, 0.5, 5.0 ali 10.0 mikromola, za kontrolo pa uporabili modro živilsko barvilo. Skupina pri 0.5 mikromola je dosegla najboljši rezultat, skupina pri 5.0 je bila enakovredna kontroli, skupina pri 10.0 pa je dosegla slabši rezultat kot skupine z nižjimi odmerki. Ob tem prikazu veljata dve opozorili. Mikromolarna koncentracija v kopeli ni mikromolarna koncentracija v krvi ali možganih; med vodo v akvariju in tkivom sta porazdelitev in kopičenje. Poleg tega je statistična podpora šibkejša, kot nakazuje oblika: skupina z visokim odmerkom se je razlikovala od skupin z nižjimi odmerki, o drugih statistično značilnih razlikah med skupinami pa niso poročali. Krivulja temelji na podatkih, vendar je groba.

Prikaz D: obvod v eritrocitih. Metz in sodelavci so primerjali 1 mikromol z 0.1 milimola v človeških eritrocitih v prisotnosti zraka, ogljikovega monoksida in mešanice, ki je pri fiziološkem parcialnem tlaku kisika povzročila skoraj popolno pretvorbo hemoglobina v karboksihemoglobin. Spodbujanje pri nizki koncentraciji je brez oksihemoglobina skoraj izginilo; na spodbujanje pri visoki koncentraciji je to komaj vplivalo. Peroksid se je pojavil le pri visoki koncentraciji. Ta prikaz sodi ob druge kot prikaz kemije, ne kot četrta točka na neki skupni krivulji: brez mitohondrijev, stokratna razlika v koncentraciji, eksperimentalno prilagojene plinske mešanice.

Zakaj se vrhovi ne ujemajo in se tudi ne bi smeli

Štirje vrhovi oziroma primerjave so pri 0.5 mikromola v homogenatu, 4 miligramih na kilogram, injiciranih po učenju, 0.5 mikromola v vodi akvarija ter pri paru nizke in visoke koncentracije v eritrocitih, med katerima je stokratna razlika. Obravnavati kateri koli dve od teh vrednosti kot isto količino je kategorijska napaka. Vsaka merjena spremenljivka ima svojo krivuljo: optimum za spomin se ne ujema nujno z optimumom za aktivnost oksidaze, porabo kisika, gibanje ali nastajanje peroksida. Vsaka koncentracijska enota pomeni nekaj drugega: mikromolarna koncentracija v homogenatu, nominalna mikromolarna koncentracija v kopeli, sistemski miligrami na kilogram ter koncentracije v plazmi, možganih in mitohondrijih so različne količine, težnja metilenskega modrila h kopičenju v mitohondrijih in možganih pa te razlike ohranja. Vsak model doda svojo farmakokinetiko: vrsta, pot dajanja in časovni potek določajo, katero tkivo bo izpostavljeno kakšni količini barvila in kako dolgo.

Tu postane pomembna tudi vloga odmerka in poti dajanja pri varnosti metilenskega modrila, saj so učinki visokih odmerkov v teh člankih — zaviranje gibanja, nekoordinirano gibanje, ena poginula podgana, nastajanje peroksida — znaki toksičnosti v njihovih lastnih eksperimentalnih pogojih, ne varnostne meje za kogar koli drugega. Kdor bi želel 4 miligrame na kilogram pri podgani pretvoriti v režim uporabe pri človeku, bi moral najprej prebrati, kako se izsledki pri živalih povezujejo z dokazi pri ljudeh: preprosto preračunavanje miligramov na kilogram med vrstami je neustrezno.

Napaka, ki se ji je treba izogniti

Obrnjeni U je privlačen, ker je videti kot regulator odmerjanja z označeno optimalno točko. To ni. Hormeza opisuje, kaj se je zgodilo z eno merjeno spremenljivko v eni eksperimentalni zasnovi. Če združite štiri takšne opise, dobite štiri vrhove v štirih sistemih enot, kar je nasprotje regulatorja odmerjanja. Poštena uporaba teh krivulj je primerjalna in opozorilna: pričakujte, da se bodo učinki s koncentracijo obrnili, pričakujte, da se bo vsaka merjena spremenljivka obrnila pri svoji točki, in ne zaupajte nobeni trditvi, ki si izposodi vrh iz enega poskusa, da bi upravičila odmerek pri drugi vrsti, poti dajanja, tkivu ali namenu. Razlika med eksperimentalnimi vzorci in osebnimi odločitvami o odmerjanju je bistvo celotnega članka, ki ga tu še enkrat poudarjamo, da ne bi ostalo spregledano.

Kako brati naslednji članek o odzivu na odmerek

Štiri vprašanja so uporabna pri skoraj vsaki krivulji metilenskega modrila, na katero boste naleteli. Katera merjena spremenljivka je na navpični osi in ali bi njen preobrat izrisal U ali J. Katero koncentracijo dejansko prikazuje vodoravna os: nominalno v kopeli, v homogenatu, v plazmi, ocenjeno v možganih ali dani sistemski odmerek. Kateri model in časovni potek sta jo ustvarila: homogenat, celična kultura pri prižganih ali ugasnjenih lučeh, naučene živali, ki so odmerek prejele pred učenjem ali po njem, in kdaj so jih testirali. In kakšna je bila kontrola: fiziološka raztopina, modro živilsko barvilo, nosilec ter ali statistika članka podpira vsako trditev o parni primerjavi ali le celotno obliko. Članek, ki odgovori na vsa štiri vprašanja, je vreden vašega časa. Tisti, ki brez njih poroča o vrhu, vam je dal številko brez naslova.