Triptofánmentes étrend: fiziológiai eszköz az agy szerotonin funkciójának tanulmányozásához

F. Fadda a Cagliari Egyetem Biokémiai és Emberi Élettani Tanszékén, az Emberi Fiziológia Tanszéken, Via Porcell 4, 09124 Cagliari, Olaszország.

Absztrakt

A triptofánmentes étrend az agy szerotoninszintézisének és felszabadulásának specifikus csökkenését eredményezi. Ezt a módszert az idegi szerotonin funkció csökkentésére mind laboratóriumi állatok, mind emberek körében széles körben alkalmazták a szerotonin szerepének tanulmányozására különféle viselkedésekben, például agresszivitásban, alvásban, szexuális viselkedésben, szorongásban, hangulatban, memóriában stb.

Az 1970-es évek eleje óta a táplálkozási kutatások egyik izgalmasabb fejleménye annak demonstrálása, hogy az agy működését befolyásolhatja a különféle tápanyagok étrendben való elérhetősége (áttekintést lásd a 3. hivatkozásban). Az 1970-es évek közepén Gessa és mtsai. (5) először azt mutatták, hogy a triptofán (TRP) nélkülözhetetlen esszenciális aminosavak keverékének akut beadása az agy TRP és szerotonin (5-HT) szintjének specifikus és tartós csökkenését eredményezte patkányokban. Ez az eredmény aktív kutatási területet nyitott meg. Egyrészt megpróbálták megérteni azokat a mechanizmusokat, amelyek révén a triptofánmentes aminosavkeverékek csökkentik az agy 5-HT szintjét, másrészt a TRP-mentes étrendek speciális és nem toxikus eszközt kínáltak a 5-HT a különböző fiziológiai paraméterek és viselkedési indexek szabályozásában laboratóriumi állatokban és emberekben.

1.ÁBRA. Szerotonin szintézis és felszabadulás. A: normál állapot. Két enzim szintetizálja a szerotonint (5-HT): a triptofán-hidroxiláz 5-hidroxi-triptofánt (5-HTP), az aromás 1-aminosav-dekarboxiláz pedig 5-HT-t alkot. A triptofán-hidroxilázt az 5-HT szintézisének sebességkorlátozó lépésének tekintik. A triptofán (TRP) verseng más nagy semleges aminosavakkal (LNAA) az agyban való felvételért. A felszabadulás után az 5-HT kölcsönhatásba lép a különféle szerotonerg receptorokkal; visszanyerik és a szinaptikus vezikulákban tárolják és/vagy a monoamin-oxidáz (MAO) enzim által 5-hidroxi-indolecetsavvá (5-HAA) katabolizálják. B: TRP-mentes étrend után. TRP-mentes aminosavkeverék (T-) az endogén szérum TRP-t gyorsan eltávolítják a keringésből, és elsősorban szöveti fehérjébe való beépítésre használják. A vér TRP csökkenése csökkenti a szerotonerg idegsejtek szintézisét és felszabadulását.

A TRP-mentes aminosav-keverék, amelyet Gessa et al. (5) az összes esszenciális aminosavat tartalmazta, kivéve a TRP-t, valamint a glicint, mint a nitrogéncsoportok integrátorát. A keverék összetétele (% -ban) 45,9 l-glicin, 15,3 l-lizin, 3,0 l-hisztidin, 6,1 l-metionin, 6,9 l-fenilalanin, 3,0 l-leucin, 6,1 l-izoleucin, 5,3 l-treonin, 7,6 l-valin és 0,8 arginin. Ennek a TRP-mentes aminosav-keveréknek patkányokban történő beadása a szérum TRP koncentrációjának hirtelen csökkenését eredményezte, ami az agy TRP, 5-HT és 5-hidroxi-indolecetsav (5-HIAA) szintjének csökkenésével járt patkányagyban. Ugyanezt a hatást figyelték meg vagy kiegyensúlyozott étrendre reagálva, amelyben a TRP-t eltávolították, vagy olyan ételekre reagálva, amelyekben ebben az esszenciális aminosavban hiány volt (1). Érdekes módon Young és mtsai. (13) megállapította, hogy aminosavak TRP-mentes keverékének beadása után a főemlősök cerebrospinális folyadékában csökkent a TRP és az 5-HIAA koncentrációja, de a tirozin és a katekolamin metabolitok homovanillinsav és 3-metoxi-4 koncentrációja csökkent -hidroxi-fenil-etilén-glikol nem, ami arra utal, hogy a keverék nem befolyásolja a katekolaminerg rendszert.

Laboratóriumunkban a TRP-mentes aminosav-keveréket először emberi alanyokban alkalmazták a lehetséges mentális változások értékelésére (2). A keverék minden esszenciális aminosavat tartalmazott, amelynek összetétele (% -ban): 33 l-glicin, 8,8 l-lizin, 12 l-metionin, 12 l-fenilalanin, 12 l-leucin, 7,7 l-izoleucin, 5,5 l -treonin és 8,8 l -valin. Megfigyeltük, hogy 18,2 g fenti keverék jelentős csökkenést okozott a plazma TRP-ben (a kiindulási érték 60% -a 4 órával a lenyelés után), ami a szorongás magas szintjéhez kapcsolódott (lásd alább). Mivel az emberekben a TRP-mentes aminosavkeverékek a laboratóriumi állatokban tapasztaltakhoz hasonlóan csökkentették a szérum TRP-értékét, ez azt jelezte, hogy egy ilyen módszer nem gyógyszeres módszert kínál az agy TRP-tartalmának és feltehetően az agy 5-HT -jének hatékony csökkentésére. Young és mtsai. (14) embereknél TRP-mentes aminosav-keveréket is használt, de az összetétele különbözött a csoportunk által használtól. Az összes aminosavat (az aszparaginsav és a glutaminsav kivételével) azonos arányban használták fel az emberi tejben. Öt órával e TRP-mentes aminosav-keverék bevitele után a plazma TRP-jének 76% -os csökkenését találták.

Nemrégiben Nishizawa és mtsai. (9) beszámolt az 5-HT szintézisének in vivo méréséről az emberi agyban pozitronemissziós tomográfia alkalmazásával. Megmérték az 5-HT szintézis sebességét kiindulási körülmények között és a TRP-mentes aminosav-keverék bevitele után. A TRP diétás kimerülése csökkentette az agy 5-HT szintézisének sebességét férfi és női alanyokban. A TRP-mentes étrend egészséges agyi alanyokban a TRP és az 5-HIAA cerebrospinalis folyadék csökkenését is eredményezte. Ezek az eredmények egyértelműen jelzik, hogy az emberekben a TRP kimerülése az 5-HT szintézisének és forgalmának csökkenését, valamint ezen amin idegsejt felszabadulásának valószínű csökkenését idézi elő.

Felvetődött, hogy az 5-HT felszabadulásának sebessége változik az 5-HT szintézisének sebességével. Ez a feltételezés olyan tanulmányokon alapul, amelyek az 5-HT funkcióval kapcsolatos egyes viselkedési indexek változásáról számolnak be, amikor a plazma és az agy TRP koncentrációja in vivo megváltozik. Nemrégiben Stancampiano et al. (12) in vivo agyi mikrodialízissel vizsgálta az agy TRP-tartalmának csökkenésének az endogén 5-HT felszabadulására gyakorolt hatását. Először bizonyították, hogy a TRP-mentes aminosavkeverék akut beadásával kiváltott TRP-szint csökkenése csökken d-fenfluramin indukálta (2. ábra) és spontán (3. ábra) 5-HT felszabadulás szabadon mozgó patkányok hippokampuszában. Ezenkívül, ha TRP-mentes étrendet alkalmaznak 5 napig, az 5-HT felszabadulása fokozatosan és jelentősen csökken. TRP-mentes étrenddel kezelt patkányokban a diéta ötödik napján az 5-HT nem volt kimutatható a hippocampusban (4. ábra) (publikálatlan megfigyelések). Az 5-HT extracelluláris tartalmának csökkenése a kontroll patkányokban a dialízis cső körüli glia reakciónak volt köszönhető. Összefoglalva, az agy TRP koncentrációjának csökkenése csökkenti az 5-HT szintézist és ezt követően annak felszabadulását.

2. ÁBRA. A T– és B aminosavkeverék hatása a d-fenfluramin által kiváltott 5-HT felszabadulás a hippocampusban. Az értékek 5 patkány átlag ± SE-t jelentenek. A B és a T – keverék befogadása után 120 percnél vett értékek átlaga 48,6 ± 5,7, illetve 33,2 ± 4,3 fmol/40 μl minta volt. d-A fenfluramint (10 mg/kg) 120 perccel adtuk be az aminosav-keverék orális beadása után. + P

3. ÁBRA. A TRP-mentes aminosavkeverék (T–) és a kiegyensúlyozott (B) hatása az 5-HT felszabadulására a hippokampuszban, a bazális felszabadulás százalékában kifejezve. A T– és a B csoport értékeinek átlaga idő = 0 volt 112 ± 11 fmol/40 μl minta. *P

4. ÁBRA. A TRP-mentes (T–) vagy kiegyensúlyozott (B) étrend 5 napos fogyasztásának hatása az 5-HT felszabadulására a hippokampuszban, az előzőleg mért bazális felszabadulás százalékában kifejezve (0. nap) és a fogyókúra alatt. *P

Gessa és munkatársai azt a mechanizmust javasolták, amely révén a TRP-mentes aminosav-étrend beadása a plazmatikus TRP csökkenését, következésképpen az agyi TRP és az 5-HT szintézisét csökkenti. (6) Ezek a kutatók feltételezték, hogy a fehérjeszintézis a fő mechanizmus, amely a TRP csökkenését okozza a vérben. Az étrenddel együtt beadott aminosavak szöveti szinten indukálják a fehérjeszintézist. A fehérjeszintézis során a szöveteknek ki kell használniuk az extracelluláris endogén TRP-t, ezzel csökkentve annak koncentrációját (1. ábraB ). Ennek a hipotézisnek az igazolására a kutatók a TRP-mentes étrend bevitelének hatását vizsgálták olyan patkányokban, amelyeket korábban fehérjeszintézis-inhibitorral, cikloheximiddel kezeltek. A fehérjeszintézis blokkolása növekvő cikloheximid dózisok beadása után blokkolja a TRP-mentes étrend által kiváltott plazmatikus TRP csökkenését (6).

Egy másik mechanizmus, amely hozzájárul az agyi TRP csökkenéséhez a TRP-mentes étrend akut bevitele után, az az, hogy a TRP ugyanazért a vivőrendszerért verseng, amely az összes LNAA-t a vér-agy gáton szállítja. Azt tapasztalták azonban, hogy a hat semleges aminosav beadását követően az agy TRP-re gyakorolt hatása nagyon csekély, ami arra utal, hogy a vér-agy gáton folyó verseny viszonylag kicsi tényező az agy 5-HT (5, 6).

A TRP-mentes aminosav-diéta nem gyógyszeres módszert kínál az agy 5-HT funkciójának hatékony csökkentésére. Más antagonistákkal szemben ennek a módszernek az az előnye, hogy magas a specifitása és a nem toxikus hatása. Ezért ezt a szelektív módszert a központi szerotonerg aktivitás csökkentésére mind laboratóriumi állatokban, mind emberekben széles körben alkalmazták az 5-HT szerepének tanulmányozására különféle fiziológiai és viselkedési funkciókban, például makrotápanyagok kiválasztásában, fájdalomérzékenységben, agresszivitásban, alvásban, szexuális úton viselkedés, hangulat, szorongás, emlékezet és tanulás. Az alábbiakban bemutatjuk a dokumentált viselkedési és fiziológiai hatások rövid áttekintését.

Makrotápanyagok kiválasztása

. Megfigyelték, hogy az állatok spontán módon képesek kiegyensúlyozott mennyiségű makrotápanyagot választani. Ez a megfigyelés egy lehetséges agykontroll mechanizmus létezését sugallta az étel kiválasztásában. Köztudott, hogy a diéta befolyásolja a TRP koncentrációját az agyban, és ezért az 5-HT koncentrációját. A fehérjék elfogyasztása csökkenti a patkány agy TRP-jét és az 5-HT-t, mivel az összes LNAA versenyez a TRP-vel a vér-agy gáton való szállításért. Ezzel szemben a szénhidrátfogyasztás növeli a TRP és az 5-HT mennyiségét az agyban, mivel a szénhidrátok bevitele a vér inzulinszintjének növekedését idézi elő, ami viszont növeli az elágazó láncú aminosavak (leucin, izoleucin és valin) felvételét az izmokba, így csökken plazmatikus koncentrációjuk és versenyük a vér-agy gáton. Mivel a fehérjék és a glükidek ellentétes hatást gyakorolnak az agy 5-HT-jére, az 5-HT ezen ingadozásai képesek szabályozni a fehérjék és a glükidek relatív bevitelét. Ennek a hipotézisnek az alátámasztására a TRP-mentes aminosavkeverék akut beadása fokozta a szénhidrát-szelekciót, míg a TRP-vel kiegészített glükid étkezés jelentősen növeli a fehérje-szelekciót laboratóriumi állatokban.

A TRP-mentes aminosav keveréknek az étel kiválasztására gyakorolt hatását emberen is tanulmányozták (15). Ebben a tanulmányban az emberi alanyok TRP-mentes aminosavkeveréket vagy táplálkozási szempontból kiegyensúlyozott keveréket fogyasztottak. Öt órával a keverékek bevétele után az alanyok különböző ételeket választhattak egy büféből. A TRP-mentes keverék a fehérje-szelekció csökkenésével járt, a szénhidrátokban, a zsírban vagy az összes kalóriában viszont nem. Az emberben megfigyelt fehérjeszelekció-csökkenés összhangban van a laboratóriumi állatoknál megfigyelt fehérjeszelekció-csökkenéssel, ami arra utal, hogy az agy 5-HT szerepet játszhat a makrotápanyagok kiválasztásának ellenőrzésében emberben is.

Fájdalomérzékenység.

Laboratóriumi állatokban a TRP-kiürítési módszer megerősíti a szerotonerg antagonisták alkalmazásával nyert adatokat: a fájdalomérzékelési küszöb csökkentése. A TRP-mentes aminosav-keverék akut beadása, valamint a TRP-hiányos táplálék krónikus beadása a fájdalomérzékenység növekedését okozza a laboratóriumi állatokban. Ezek a megállapítások együttesen megerősítik azt a hipotézist, miszerint az 5-HT szerepet játszik a fájdalmas ingerek iránti érzékenységben (3).

Agresszivitás.

Az egérölő magatartás agresszivitási indexnek számít patkányokban. Az egérölő viselkedést nem gyilkos patkányok indukálták, és elősegítették azokat a gyilkos patkányokat, akiket 4–6 napig TRP-mentes étrenden tartottak (lásd a 12. hivatkozást). Ez a megnövekedett ölési viselkedés az agy 5-HT és 5-HIAA csökkenésével járt. Különböző kutatócsoportok az agresszió több modelljét (azaz a sokk okozta verekedést, a fájdalomérzékenységet és a gyilkossági magatartást) felhasználva megerősítették, hogy egy ilyen étrend növeli az agresszivitást patkányokban. Fokozott agresszivitást és ingerlékenységet figyeltek meg majmoknál is TRP-mentes aminosav-keverék beadása után. Újabban az agresszív válasz jelentős növekedését tapasztalták egészséges emberi alanyokban agressziós paradigma alkalmazásával, egy TRP-mentes aminosav-keverék beadása után (8). Ezek az eredmények összhangban vannak azzal a hipotézissel, miszerint az agy 5-HT neuronjai gátló kontrollt gyakorolnak az agresszív viselkedés felett.

Alvás.

Farmakológiai manipulációk alkalmazásával az alvásban a szerotonerg rendszer szerepét bizonyították, bár az eredmények nem egyértelműek. Az előző jelentésünkben (2) leírtak szerint elkészített TRP-mentes aminosavkeverék akut beadása az embereknél a 4. stádiumú alvás késleltetésének csökkenését és a 4. stádiumú alvás növekedését okozza, de a REM alvás nem változott jelentősen (7 ). Patkányokban viszont a REM alvás szignifikáns csökkenését tapasztalták (7). Bár a teljes alvási időtartam patkányban és emberben nem változott szignifikánsan, az étrend eltérő hatása patkányban és emberben az 5-HT eltérő szerepének köszönhető az alvásszabályozásban.

Szexuális viselkedés.

Az 1960-as évek közepe óta jól ismert, hogy a szerotonerg aktivitás farmakológiai csökkentése kényszeres szexuális aktivitást vált ki laboratóriumi állatokban. E megállapítás alapján különböző kutatócsoportok a TRP hiányos vagy hiányos étrendeket alkalmazták a szexuális viselkedésre gyakorolt lehetséges hatások feltárására. Kimutatták, hogy a TRP-mentes étrend patkányokban és nyulakban egyaránt szignifikánsan megnövelte a hím-hím közötti szerelési magatartást (4). Hasonlóképpen, a TRP-hiányos étrend megkönnyíti a hím patkányok és az ivarzású nőstények kopulációs viselkedését. Ezek az eredmények egyértelműen bizonyítják, hogy az 5-HT gátló szerepet játszik a szexuális viselkedésben. Érdekes módon a TRP-hiányos ételeknek, például a kukoricának afrodiziákum tulajdonságai lehetnek.

Young és mtsai. (14) először megmutatta, hogy egy TRP-mentes aminosav-keverék elfogyasztása normális férfi alanyoknál a hangulat gyors csökkenését okozza. Ezt az eredményt egészséges férfiaknál is megfigyelték, akiknél a család több generáción át szenvedett súlyos affektív rendellenességeket. Ezenkívül a TRP-mentes aminosav-keverék akut bevitele átmeneti depresszív hatást fejthet ki a gyógyszer által visszavezetett depressziós betegeknél (lásd alább). A normál nőkön végzett egyéb vizsgálatok megerősítik a férfiaknál tapasztaltakat. Úgy tűnik azonban, hogy a nők a férfiaknál fogékonyabbak a TRP-kimerülés okozta depressziós hatásokra.

Memória és tanulás.

Nemrégiben azt tapasztaltuk, hogy a TRP-mentes étrend nem befolyásolja az elkerülés tanulását és a térbeli memória teljesítményét patkányokban, bár csökkentette az 5-HT felszabadulását a hippocampusban és a kéregben (11). Az állatokon elért eredményekkel ellentétben Riedel és mtsai. (10) a memória konszolidációjának károsodását állapította meg egészséges önkéntesekben, akiknek pozitív családi anamnézisében depresszió volt, vagy anélkül. Ezek a kutatók alacsonyabb hangulati hatást figyeltek meg olyan betegeknél, akiknek pozitív családi kórtörténetében depresszió volt, de a másik csoportban nem. Azonban mentálisan normális, magas szorongású férfiaknál a TRP-mentes aminosav-keverék akut bevitele fenntartja a szorongást, amely a kiegyensúlyozott étrend helyreállítása után csökken (2). Másrészt a TRP kimerülése a hangulat csökkenését is okozza. Felvetődött, hogy ezek a pszichológiai hatások negatívan befolyásolhatják a pontossági feladat végrehajtását (lásd: 11. hivatkozás). Az embereken nyert adatok megerősítéséhez további vizsgálatokra van szükség nagyobb számú alanynál.

Az elmúlt évtizedben megvizsgálták a rövid távú TRP-kimerülés hatását egyes pszichopatológiai rendellenességekben, amelyek kísérleti bizonyítékai azt sugallják, hogy ezek összefüggenek az 5-HT diszfunkcióval. Például kábítószer-remisszióban szenvedő depressziós betegeknél depressziós relapszusokat figyeltek meg egy TRP-mentes aminosav-keverék bevitele után, fokozatosan visszatérve a normális hangulathoz, amikor a betegek visszatérnek a normál étrendhez. Premenstruációs szindrómában szenvedő nőknél a TRP kimerülése fokozott ingerlékenységet, szorongást és túlreaktivitást okoz. Bulimikus betegeknél a TRP-mentes aminosav-keverék fokozta a diszforiát, valamint a szorongást. Feltételezték, hogy ezek a hatások az agyban bekövetkezett csökkent 5-HT felszabadulásnak köszönhetők. Másrészről más pszichiátriai zavarokban, amelyekben az 5-HT rendszer fontosnak tűnik, akut TRP-kimerülés után semmilyen hatást nem figyeltek meg. Például a rögeszmés-kényszeres rendellenességekben szenvedő betegek nem változtatták meg szignifikánsan a megszállottság és a kényszer átlagát a TRP-mentes aminosav-keverék akut bevitele után. Pánikbetegségben szenvedő betegeknél a TRP-kimerülés nem volt szorongásos vagy pánikogén. Ezekben az esetekben valószínűleg más neurotranszmitter rendszerek, valamint az 5-HT is érintett.

Összegzésképpen elmondható, hogy a TRP kimerülési paradigmát jelenleg specifikus és nem toxikus módszerként alkalmazzák az emberekben az 5-HT funkció ideiglenes csökkentése által okozott hatások értékelésére. A TRP kimerítési módszer alkalmazható olyan viselkedés tanulmányozására, amelyben az 5-HT szerepe ismeretlen. Végül más neurotranszmittereket is befolyásolhat az étrend (azaz a dopamin, a noradrenalin és az acetilkolin) prekurzoraik manipulálásával. A fenilalanin- vagy kolinhiányos étrendek felhasználhatók az adott neurotranszmitterek redukciójával előidézett fiziológiai és viselkedési hatások tanulmányozásához, hasonlóan az 5-HT-nél tapasztaltakhoz.

Nagyon hálás vagyok R. Stancampianónak a drága együttműködésért és a kézirat kritikus elolvasásáért. Köszönöm M. Ibbának az 1. ábra elkészítésében nyújtott segítséget . Elnézést kérek számos fontos hozzászólástól, amelyekre a térkorlátozások miatt nem lehetett hivatkozni.