长期服用甲基苯丙胺对线粒体呼吸代谢和氧化还原稳态分子机制详解

引言：

吸毒将导致其脑功能和代谢的改变。其中多巴胺中脑边缘系统直接或间接地介导了甲基苯丙胺和其他成瘾物质的成瘾特性。

甲基苯丙胺（METH），是冰毒的有效成分，注射后，其血浆浓度在几分钟内达到峰值，且有较长的半衰期（约10小时），有助于其成瘾，并产生神经毒性作用。冰毒暴露会导致线粒体电子传递链的功能改变，并降低一些线粒体复合体亚基的表达，也可以增加活性氧（ROS），影响氧化还原稳态，并导致多巴胺神经元的损伤，长期服用甲基苯丙胺对线粒体呼吸代谢和氧化还原稳态的功能改变尚不清楚。
美国马里兰州马里兰大学医学院解剖学和神经生物学系联合俄克拉荷马医学研究基金会发表了标题为“Long-term methamphetamine self-administration increases mesolimbic mitochondrial oxygen consumption and decreases striatal glutathione ”的文章，通过使用高分辨率呼吸测定法来确定线粒体复合物的耗氧率（OCR）及其相应的过氧化氢（H₂O₂）的产生，研究了长期暴露于冰毒自我给药对其大脑线粒体功能的影响。

本研究旨在确定富含多巴胺的中脑边缘区对长时间冰毒给药引起的线粒体氧化还原稳态不平衡的敏感性。首先，训练小鼠长期暴露于甲基苯丙胺，并收集大脑腹侧纹状体（vST）和腹侧中脑（vMB）的样本，使用HPLC检测还原型和氧化型谷胱甘肽（GSH）的的变化。然后，通过其线粒体复合体对耗氧率（OCR）和过氧化氢产生的检测，来评估这两个区域的线粒体复合体的功能。

实验方法：
 

1. 成年雄性小鼠，注射甲基苯丙胺，几周后取其脑组织样本（约2-5毫克）至加有皂苷的（50μg/mL）缓冲液X（含7.23 K₂EGTA, 2.77 CaK₂EGTA, 20 imidazole, 0.5 DTT, 20 taurine, 5.7 ATP, 14.3 PCr, 6.56 MgCl₂–6H₂O, 50 K-MES）中进行透化30 min，后用缓冲液Z（含105 K-MES, 30 KCl, 10 K₂HPO₄, 5 MgCl₂–6H₂O, 0.5 mg/ml BSA）进行3x5min冲洗。用Oroboros O2k同时检测其OCR和线粒体过氧化氢的产生（需安装检测过氧化氢的绿色荧光模块）。

2. 检测舱室中加入荧光指示剂AmR, HRP

3. 依次添加底物和抑制剂，顺序如下：

谷氨酸(GLU)、苹果酸(MAL)-复合体I主导的电子传递链底物，测LEAK呼吸

二磷酸腺苷(ADP)-ATP合酶底物，开启磷酸化过程

琥珀酸(SUC)-复合体II底物

鱼藤酮(ROT)-复合体I抑制剂

抗霉素A(AA)-复合体III抑制剂，关闭电子传递

抗坏血酸（ASC）和N、N、N‘、N′-四甲基对苯二胺（TMPD）-复合体IV底物

4. 使用Datlab软件进行数据处理。

实验结果：
与未注射动物的脑组织相比，腹侧纹状体（vST）和腹侧中脑（vMB）的无任何试剂的基础组织呼吸均增加；长期冰毒暴露组小鼠的组织OCR检测中观察到各个复合体活性增加。

图.甲基苯丙胺（METH）给药后的线粒体呼吸
 

结论：

此研究表明甲基苯丙胺给药促进氧化环境，从而消耗GSH水平；此外发现，中脑边缘区域达到了更高的线粒体呼吸代谢，但这种较高的代谢状态并不会增加线粒体产生的过氧化氢。因此将线粒体代谢的增加解释为中脑边缘系统的适应过程，是由于冰毒暴露的持续压力可维持多巴胺的释放。此外，OCR正成为与行为和药理学操作相关的多巴胺回路激活的一个指标。因此，我们关于中脑边缘区域线粒体呼吸增加的数据可能反映了该通路参与调节甲基苯丙胺的强化效应，也是一种维持大脑生理多巴胺功能的代偿机制。

参考文献：

Dominguez-Lopez S, Ahn B, Sataranatarajan K, Ranjit R, Premkumar P, Van Remmen H, Beckstead MJ. Long-term methamphetamine self-administration increases mesolimbic mitochondrial oxygen consumption and decreases striatal glutathione. Neuropharmacology. 2023 Apr 1;227:109436. doi: 10.1016/j.neuropharm.2023.109436. Epub 2023 Jan 21. PMID: 36693561; PMCID: PMC10080784.