Methylene blue at hormesis: bakit maaaring magbago ng direksiyon ang mga kurba ng dosis at tugon

Isang daga ang binigyan ng 4 milligrams per kilogram ng methylene blue matapos matutong kumilala ng isang bagay, at kinabukasan ay naalala nito iyon. Isa pang daga ang binigyan ng 50, at halos hindi nito napaikot ang gulong na tinatakbuhan nito. Pareho ang molekula. Hindi pareho ang direksiyon ng epekto. Sinumang nakabasa na ng higit sa ilang pag-aaral tungkol sa methylene blue ay nakatagpo na ng ganitong pagbaligtad, at may pangalan ito: hormesis, isang tugong may dalawang yugto kung saan magkasalungat ang epekto ng mababa at mataas na pagkakalantad sa iisang sinusukat na kinalabasan.

Kapaki-pakinabang lamang ang pangalan kung alam mo kung ano ang ipinapangako nito at kung ano ang hindi. Sinusuri ng artikulong ito ang apat na nailathalang dataset tungkol sa methylene blue, na bawat isa ay may sariling sinusukat na kinalabasan, saklaw ng konsentrasyon at pagkakaayos ng eksperimento, at ipinapakita kung bakit makatwirang mangyari ang ganitong mga pagbaligtad dahil sa kimika ng tina. Nagtatapos ito sa babalang malinaw na hinihingi ng datos: ang kurbang may pinakamataas na punto sa isang eksperimento ay paglalarawan ng eksperimentong iyon, hindi paraan upang pumili ng personal na dosis.

May pangalan ang padron, at mas limitado ang kahulugan nito kaysa sa inaakala

Nilikha nina Southam at Ehrlich ang salitang hormesis noong 1943, at binigyan ito nina Calabrese at Baldwin ng makabagong anyong nakabatay sa dami: isang tugong may dalawang yugto na umaangkop, na nabubuo nang direkta o sa pamamagitan ng pagkompensa matapos maabala ang homeostasis. Pansinin kung ano ang wala sa depinisyong iyon. Hindi lumilitaw ang salitang kapaki-pakinabang. Ang sinasabi lamang ng hormesis ay nagbabago ng direksiyon ang kurba, at wala nang iba.

Nakadepende ang hugis na makikita mo sa kung anong kinalabasan ang nasa patayong aksis. Kapag ang sinusukat ay isang positibong paggana gaya ng aktibidad ng enzyme, paggamit ng oxygen o marka sa memorya, ang pagpapasigla sa mababang dosis na sinusundan ng pagpigil sa mataas na dosis ay gumuguhit ng baligtad na U. Kapag ang sinusukat ay isang masamang kinalabasan, gaya ng dalas ng pagkakaroon ng sakit, ang pagpapababa sa mababang dosis na sinusundan ng pagpapataas sa mataas na dosis ay gumuguhit ng J o U. Pareho ang ugnayan, magkaiba ang nasa patayong aksis. Karamihan sa mga pag-aaral tungkol sa methylene blue ay sumusukat ng mga positibong paggana, kaya gumagamit ang artikulong ito ng mga kurbang baligtad na U, sa pag-unawang ang titik ng alpabeto ay isang pagpili lamang sa pagguhit ng grap.

Ginagawang kongkreto ng pagsusuri noong 2008 na nagtipon ng mga hormetikong tugon sa methylene blue ang laki ng epekto. Sa pag-uugali, pisyolohiya at biyokimika, ang mga tugon sa loob ng sonang nagpapasigla ay umaabot sa humigit-kumulang 130 hanggang 160 porsiyento ng kontrol, na may karaniwang halaga na malapit sa 140, bago bumalik sa antas ng kontrol at pagkatapos ay bumaba pa habang patuloy na tumataas ang dosis. Buod ng maraming eksperimento ang saklaw na iyon, hindi likas na katangian ng molekula. Bawat kurba sa ibaba ay may sariling pinakamataas na punto sa sarili nitong mga yunit.

Bakit partikular na ang molekulang ito ay maaaring magbaligtad ng epekto

Ang methylene blue ay hindi simpleng tagapagbigay ng electron. Isa itong pabalik-balik na tagapagdala. Tumatanggap ng mga electron ang asul na anyong na-oxidize, kaya nagiging walang kulay na anyong na-reduce, at maaaring ipasa ng anyong na-reduce ang mga electron na iyon sa mga susunod na hakbang. Inilalarawan ang pagpapasahang ito ng mga electron na nasa likod ng mga kurba sa paliwanag kung paano inililipat ng methylene blue ang mga electron, at ang papel nito bilang tagapagdala ang sentro ng usapin dito.

Sa mababang konsentrasyon, nagbibigay ang siklong iyon ng alternatibong daan para sa respirasyon. Maaaring ma-oxidize ang tinang na-reduce sa cytochrome oxidase, ang huling enzyme ng kadena ng paglipat ng electron, kaya bumibilis ang paggana nito kasabay ng pagtaas ng paggamit ng oxygen at kapasidad sa respirasyon. Sa mas mataas na konsentrasyon, ang parehong kimikang malakas tumanggap ng electron ay nagsisimulang makipagkompetensiya sa normal na kadena sa halip na tulungan ito: inililihis ang mga electron mula sa karaniwan nilang ruta, direktang kumokonsumo ng oxygen, at lumilikha ng mga reaktibong uri ng oxygen sa halip na enerhiyang magagamit. Kaunting katalitikong tagapagdala, mas malaking daloy; labis na kakompetensiyang sumisipsip ng mga electron, mas maliit na daloy. Ginagawang makatwiran ng kimika ang pagbabago ng direksiyon, ngunit wala itong garantiya kung saan magiging pinakamataas ang anumang partikular na kinalabasan.

Nagmumula sa mga selulang walang anumang mitochondria ang hiwalay na ebidensiya na nakadepende ang epekto sa konsentrasyon. Sa mga eksperimento sa erythrocyte noong 1976, pinasigla ng mababang konsentrasyong 1 micromolar ang hexose monophosphate shunt sa pamamagitan ng rutang lubhang nakadepende sa oxyhemoglobin, samantalang ang konsentrasyong isang daang ulit na mas mataas, na 0.1 millimolar, ay halos hindi naapektuhan ng presensiya ng oxyhemoglobin at nakalikha ng hydrogen peroxide ayon sa lahat ng tatlong pagsusuring ginamit. Parehong tina, dalawang mekanismo, na pinaghiwalay ng konsentrasyon. Hindi nagsasagawa ng respirasyon ang mga pulang selula ng dugo, kaya hindi ito kurbang mitochondrial, ngunit ipinapakita nito ang pagbabago ng katangian ng redox na kimika ng tina habang tumataas ang konsentrasyon—na siyang kailangang mangyari ayon sa paliwanag na nakatuon sa mitochondria.

Apat na kurba, apat na pagkakaayos ng eksperimento

Muling iginuguhit nang magkakatabi sa larawan sa ibaba ang apat na dataset. Pinananatili ng bawat panel ang sarili nitong mga aksis at kondisyon, dahil ang pagpapatong sa mga ito sa iisang iskala ang magiging unang kasinungalingang maihahayag ng artikulong ito. Eskematiko ang guhit; nasa teksto ang eksaktong mga halaga at kondisyon.

Panel A: cytochrome oxidase sa homogenate ng utak ng daga. Ang pinakamalinaw na kurbang mitochondrial ay mula sa datos na muling ipinakita sa pagsusuri, gamit ang homogenate ng utak ng daga: humigit-kumulang 138 porsiyento ng aktibidad ng kontrol sa 0.5 micromolar, bumabalik sa antas ng kontrol malapit sa 5 micromolar, at mas mababa sa panimulang antas malapit sa 10 micromolar, kung saan iminumungkahi ng mga may-akda na kinukuha ng tina ang mga electron mula sa mga normal na complex ng kadena. Homogenate, micromolar, pagsusuring spectrophotometric. Ang pangungusap na iyon ang buong konteksto, at walang kahulugan ang kurba sa labas nito.

Panel B: memorya ng daga at pagtakbo sa gulong. Sa pag-aaral sa memorya ng daga, sinuri ang mga epekto ng isang iniksiyon pagkatapos ng pagsasanay pagkalipas ng 24 oras. Sa mga dosis na 1 hanggang 10 milligrams per kilogram, walang matukoy na pagkakaiba sa paggalaw at pagkain kumpara sa saline, samantalang lubhang nabawasan ang pagtakbo sa gulong sa 50 hanggang 100 milligrams per kilogram (median na 35 kumpara sa 279 ikot), at nagdulot ang pinakamataas na dosis ng pagtayo ng balahibo, hindi koordinadong paggalaw at isang pagkamatay. Pinahusay ng dosis na 4 milligrams per kilogram ang pagkasanay at pagkilala sa bagay: gumugol ang mga dagang binigyan nito ng halos 10 segundo pang higit sa bagong bagay. Tumaas ang pagkonsumo ng oxygen ng utak kapwa sa homogenate na nalantad sa tinang na-reduce sa mababang micromolar na konsentrasyon at sa mga utak na kinuha 24 oras matapos ang 1 milligram per kilogram na ibinigay in vivo. Pansinin ang pagkakahiwalay: gumamit ang pagsusuri ng pag-uugali ng mga sistemikong dosis pagkatapos ng pagsasanay, samantalang gumamit ang pagsusuri ng paggamit ng oxygen ng mga konsentrasyon sa homogenate kasama ang isang dosis in vivo, at dalawang eksperimento ang mga ito, hindi iisang kurba.

Panel C: T-maze ng zebrafish. Sa pag-aaral sa zebrafish, inilubog ang mga sinanay na isda nang 12 oras pagkatapos ng pagsasanay sa mga solusyong may nominal na konsentrasyong 0.1, 0.5, 5.0 o 10.0 micromolar, na inihambing sa kontrol na may asul na pangkulay ng pagkain. Pinakamahusay ang pagganap ng grupong 0.5 micromolar, kapantay ng kontrol ang grupong 5.0, at mas mahina ang pagganap ng grupong 10.0 kaysa sa mga grupong may mas mababang dosis. May dalawang pag-iingat na kasama sa panel. Ang micromolar sa solusyong pinaglubugan ay hindi micromolar sa dugo o utak; may pamamahagi at pag-iipon sa pagitan ng tubig sa tangke at ng tisyu. At mas mahina ang estadistikal na ebidensiya kaysa sa ipinahihiwatig ng hugis: naiiba ang mataas na dosis sa mga grupong may mas mababang dosis, at walang ibang iniulat na makabuluhang pagkakaiba sa mga grupo. Totoo ang kurba ngunit magaspang ang pagkakalarawan nito.

Panel D: ang shunt ng erythrocyte. Inihambing ni Metz at ng mga kasamahan ang 1 micromolar at 0.1 millimolar sa mga pulang selula ng dugo ng tao sa ilalim ng hangin, carbon monoxide, at isang halo na lumilikha ng halos ganap na carboxyhemoglobin sa pisyolohikal na presyon ng oxygen. Bumagsak ang pagpapasigla sa mababang dosis nang walang oxyhemoglobin; halos hindi naapektuhan ang pagpapasigla sa mataas na dosis. Lumitaw lamang ang peroxide sa mataas na dosis. Angkop na itabi ang panel na ito sa iba bilang pagpapakita ng kimika, hindi bilang ikaapat na punto sa kung anong pangkalahatang kurba: walang mitochondria, isang daang ulit ang agwat ng konsentrasyon, at minanipula ang mga halo ng gas.

Bakit hindi magkakatugma ang mga pinakamataas na punto, at bakit hindi dapat

Ang apat na pinakamataas na punto ay nasa 0.5 micromolar sa isang homogenate, 4 milligrams per kilogram na itinurok pagkatapos ng pagsasanay, 0.5 micromolar sa tubig ng tangke, at isang pares ng mababa at mataas na konsentrasyong may agwat na isang daang ulit sa mga pulang selula ng dugo. Ang pagturing sa alinmang dalawa bilang iisang bilang ay pagkakamali sa paghahambing ng magkaibang kategorya. Bawat sinusukat na kinalabasan ay may sariling kurba: hindi kailangang tumugma ang pinakamainam para sa memorya sa pinakamainam para sa aktibidad ng oxidase, pagkonsumo ng oxygen, paggalaw o paglikha ng peroxide. Bawat yunit ng konsentrasyon ay may ibang kahulugan: magkakaibang dami ang micromolar sa homogenate, nominal na micromolar sa solusyong pinaglubugan, sistemikong milligrams per kilogram, at mga konsentrasyon sa plasma, utak at mitochondria, at lalo silang nagkakaiba dahil sa tendensiya ng methylene blue na maipon sa mitochondria at utak. Bawat modelo ay may sarili ring pharmacokinetics: ang species, paraan ng pagbigay, at tiyempo ang nagtatakda kung aling tisyu ang malalantad sa gaano karaming tina at gaano katagal.

Dito rin nagiging mahalaga ang papel ng dosis at paraan ng pagbigay sa kaligtasan ng methylene blue, dahil ang mga epekto ng mataas na dosis sa mga pag-aaral na ito—pagbawas ng paggalaw, hindi koordinadong paggalaw, isang patay na daga, paglikha ng peroxide—ay mga palatandaan ng toksisidad sa kani-kanilang pagkakaayos ng eksperimento, hindi mga batayan ng ligtas na hangganan para sa iba. At sinumang matuksong gawing regimen para sa tao ang 4 milligrams per kilogram sa daga ay dapat munang basahin kung paano nauugnay ang mga natuklasan sa hayop sa ebidensiya sa tao: hindi sapat ang simpleng pagko-convert batay sa milligram-per-kilogram sa pagitan ng mga species.

Ang pagkakamaling dapat iwasan

Kaakit-akit ang baligtad na U dahil mukhang pang-adjust ng dosis na may markadong pinakamainam na punto. Hindi ito ganoon. Inilalarawan ng hormesis ang nangyari sa isang sinusukat na kinalabasan sa isang pagkakaayos ng eksperimento. Pagsama-samahin ang apat na gayong paglalarawan at makakakuha ka ng apat na pinakamataas na punto sa apat na sistema ng yunit, na kabaligtaran ng isang pang-adjust. Ang tapat na paggamit sa mga kurbang ito ay para sa paghahambing at pag-iingat: asahang maaaring bumaligtad ang mga epekto kasabay ng pagbabago ng konsentrasyon, asahang babaligtad ang bawat kinalabasan sa sarili nitong punto, at pagdudahan ang anumang pahayag na nanghihiram ng pinakamataas na punto ng isang eksperimento upang bigyang-katwiran ang isang dosis para sa ibang species, paraan ng pagbigay, tisyu o layunin. Ang pagkakaiba ng mga padron sa eksperimento at mga desisyon tungkol sa personal na dosis ang pangunahing punto ng buong artikulong ito, na inuulit upang hindi ito mapalampas.

Paano basahin ang susunod na pag-aaral tungkol sa dosis at tugon

Angkop ang apat na tanong sa halos bawat kurba ng methylene blue na makikita mo. Anong kinalabasan ang nasa patayong aksis, at ang pagbaligtad ba nito ay guguhit ng U o J. Anong konsentrasyon talaga ang iniulat sa pahalang na aksis: nominal na konsentrasyon sa solusyong pinaglubugan, sa homogenate, sa plasma, tinatayang sa utak, o ang ibinigay na sistemikong dosis. Anong modelo at tiyempo ang nagbunga nito: homogenate, kultura ng selula na may ilaw o walang ilaw, sinanay na mga hayop na binigyan ng dosis bago o pagkatapos ng pagsasanay, at kailan sinuri. At ano ang kontrol: saline, asul na pangkulay ng pagkain, solusyong tagapagdala, at kung sinusuportahan ba ng estadistika ng pag-aaral ang bawat pahayag tungkol sa paghahambing ng dalawang grupo o ang pangkalahatang hugis lamang. Sulit basahin ang pag-aaral na sumasagot sa lahat ng apat. Ang nag-uulat ng pinakamataas na punto nang wala ang mga ito ay nagbigay lamang sa iyo ng bilang na walang malinaw na konteksto.