Ф. Фада е в Катедрата по биохимия и физиология на човека, Секция по физиология на човека, Университет в Каляри, Via Porcell 4, 09124 Каляри, Италия.

Резюме

Диетите без триптофан произвеждат специфично намаляване на синтеза и освобождаването на серотонин в мозъка. Този метод за понижаване на нервната серотонинова функция е широко използван както при лабораторни животни, така и при хора, за да се изследва ролята на серотонина в различни видове поведение, като агресивност, сън, сексуално поведение, тревожност, настроение, памет и т.н.

От началото на 70-те години на миналия век едно от най-вълнуващите събития в изследванията на храненето е демонстрацията, че мозъчната функция може да бъде повлияна от наличието на различни хранителни вещества в диетата (за преглед вж. Реф. 3). По средата на 70-те години, Gessa et al. (5) за първи път демонстрира, че острото приложение на смес от незаменими аминокиселини без триптофан (TRP) води до специфично и дълготрайно намаляване на нивата на TRP на мозъка и серотонин (5-HT) при плъхове. Този резултат отвори активно поле за изследвания. От една страна са правени опити да се разберат механизмите, чрез които смесите от аминокиселини без триптофан намаляват нивата на 5-НТ в мозъка, а от друга страна, диетите без TRP предлагат специфичен и нетоксичен инструмент за изучаване на ролята на 5-HT в регулирането на различни физиологични параметри и поведенчески индекси при лабораторни животни и хора.

диети

ФИГУРА 1. Синтез и освобождаване на серотонин. A: нормално състояние. Два ензима синтезират серотонин (5-HT): триптофан хидроксилазата прави 5-хидрокситриптофан (5-HTP), а ароматната 1-аминокиселинна декарбоксилаза образува 5-HT. Триптофан хидроксилазата се счита за стъпка, ограничаваща скоростта в синтеза на 5-НТ. Триптофанът (TRP) се конкурира с други големи неутрални аминокиселини (LNAA) за усвояване в мозъка. След освобождаване 5-HT взаимодейства с различни серотонергични рецептори; той се улавя и съхранява в синаптичните везикули и/или се катаболизира от ензима моноаминооксидаза (МАО) до 5-хидроксииндоцетна киселина (5-HAA). Б.: след диета без TRP. След предизвикателна доза от аминокиселинна смес без TRP (T-) ендогенният серумен TRP бързо се отстранява от циркулацията и се използва предимно за включване в тъканния протеин. Спадът на TRP в кръвта намалява синтеза и освобождаването в серотонергичните неврони.

Безметна TRP аминокиселинна смес, описана от Gessa et al. (5) съдържа всички основни аминокиселини с изключение на TRP, плюс глицин като интегратор на азотни групи. Съставът на сместа беше (в%) 45,9 l -глицин, 15,3 l-лизин, 3,0 l-хистидин, 6,1 l-метионин, 6,9 l-фенилаланин, 3,0 l-левцин, 6,1 l-изолевцин, 5,3 l -треонин, 7,6 l -валин и 0,8 аргинин. Прилагането на тази аминокиселинна смес без TRP при плъхове води до рязък спад в концентрацията на серумен TRP, свързан с намаляване на нивата на TRP на мозъка, 5-HT и 5-хидроксииндоцетна киселина (5-HIAA) в мозъка на плъхове. Същият ефект се наблюдава или в отговор на балансирана диета, при която TRP е отстранен, или в отговор на храни с дефицит на тази незаменима аминокиселина (1). Интересното е, че Young et al. (13) установява, че след прилагането на смес от аминокиселини без TRP, концентрацията на TRP и 5-HIAA намалява в цереброспиналната течност на приматите, но концентрацията на тирозин и метаболитите на катехоламин хомованилова киселина и 3-метокси-4 -хидроксифенилетилен гликол не, което предполага, че катехоламинергичната система не се влияе от сместа.

В нашата лаборатория аминокиселинната смес без TRP за първи път се използва при хора за оценка на възможни психични промени (2). Сместа съдържа всички незаменими аминокиселини, чийто състав (в%) е: 33 l -глицин, 8.8 l-лизин, 12 l-метионин, 12 l-фенилаланин, 12 l-левцин, 7.7 l-изолевцин, 5.5 l -треонин и 8,8 l -валин. Забелязахме, че 18,2 g от горната смес причиняват значителен спад в TRP на плазмата (60% от първоначалната стойност 4 часа след поглъщането), което е свързано с високо ниво на тревожност (вж. По-долу). Доколкото смесите на аминокиселини без TRP при хора предизвикват спад в серумния TRP, подобен на този, получен при лабораторни животни, това показва, че такава техника предлага нефармакологични средства за ефективно намаляване на съдържанието на TRP в мозъка и вероятно мозък 5-HT. Young и сътр. (14) също са използвали аминокиселинна смес без TRP при хора, но съставът е различен от този, използван от нашата група. Те използваха всички аминокиселини (с изключение на аспарагинова и глутаминова киселина) в същите пропорции, които се срещат в човешкото мляко. Пет часа след поглъщането на тази аминокиселинна смес без TRP е установено 76% намаление на TRP в плазмата.

Наскоро Nishizawa et al. (9) съобщават за in vivo измерване на синтеза на 5-НТ в човешкия мозък с използване на позитронно-емисионна томография. Те измерват скоростта на синтез на 5-НТ в изходни условия и след поглъщане на смес от аминокиселини без TRP. Изчерпването на TRP в храната понижава скоростта на синтеза на 5-НТ в мозъка при мъже и жени. Диетата без TRP също води до спад в цереброспиналната течност TRP и 5-HIAA при здрави хора. Тези резултати ясно показват, че изчерпването на TRP при хората предизвиква спад в синтеза и оборота на 5-HT, както и вероятно намаляване на освобождаването на невроните на този амин.

Предполага се, че скоростта на освобождаване на 5-HT варира в сравнение със скоростта на синтез на 5-HT. Това предположение се основава на проучвания, съобщаващи за промени в някои поведенчески индекси, свързани с 5-НТ функцията, когато концентрациите на TRP в плазмата и мозъка се променят in vivo. Наскоро Stancampiano et al. (12), използвайки in vivo мозъчна микродиализа, изследва ефекта от намаляването на съдържанието на мозъчен TRP върху освобождаването на ендогенен 5-HT. Те за първи път демонстрират, че намаляването на нивата на TRP, индуцирано от острото приложение на смес без TRP аминокиселини, намалява д-индуцирано от фенфлурамин (фиг. 2) и спонтанно (фиг. 3) освобождаване на 5-НТ в хипокампуса на свободно движещи се плъхове. Освен това, когато се прилага диета без TRP в продължение на 5 дни, има прогресивно и значително намаляване на освобождаването на 5-HT. При плъхове, лекувани с диета без TRP, на петия ден от диетата 5-HT не се открива в хипокампуса (фиг. 4) (непубликувани наблюдения). Намаляването на извънклетъчното съдържание на 5-НТ при контролни плъхове се дължи на глиална реакция около диализната епруветка. В заключение, намаляването на концентрацията на TRP в мозъка намалява синтеза на 5-HT и впоследствие освобождаването му.

ФИГУРА 2. Ефект на смес от аминокиселини T- и B върху д-предизвикан от фенфлурамин освобождаване на 5-HT в хипокампуса. Стойностите представляват средно ± SE на 5 плъха. Средните стойности, взети на 120 минути след поглъщане на смеси В и Т–, са съответно 48,6 ± 5,7 и 33,2 ± 4,3 fmol/40 μl проба. д-Фенфлурамин (10 mg/kg) се прилага 120 минути след перорално приложение със смес от аминокиселини. + P


ФИГУРА 3. Ефект на аминокиселинна смес без ТРР (T–) и балансирана (B) върху освобождаването на 5-HT в хипокампуса, изразено като процент от основното освобождаване. Средна стойност на стойностите на T– и B групи, взети при време = 0 е 112 ± 11 fmol/40 μl проба. *P


ФИГУРА 4. Ефект от 5-дневна консумация на диети без TRP (T–) или балансирани (B) върху освобождаване на 5-HT в хипокампуса, изразен като процент от основното освобождаване, измерено преди (ден 0) и по време на диета. *P

Механизмът, чрез който администрирането на аминокиселинна диета без TRP води до намаляване на плазматичния TRP и съответно на мозъчния TRP и синтеза на 5-HT, е предложен от Gessa et al. (6). Тези изследователи предположиха, че синтезът на протеини е основният механизъм, причиняващ намаляване на TRP в кръвта. Аминокиселините, прилагани с диетата, индуцират протеинов синтез на тъканни нива. По време на протеиновия синтез тъканите трябва да използват извънклетъчния ендогенен TRP, като по този начин намаляват неговата концентрация (фиг. 1Б. ). За да проверят тази хипотеза, изследователите са изследвали ефекта от поглъщането на диета без TRP при плъхове, третирани преди това с инхибитор на протеинов синтез, циклохексимид. Блокадата на протеинов синтез след прилагане на нарастващи дози циклохексимид блокира намаляването на плазматичния TRP, индуциран от диета без TRP (6).

Друг механизъм, който допринася за намаляване на мозъчния TRP след острото поглъщане на диета без TRP, е, че TRP се конкурира за същата система носител, която транспортира всички LNAA през кръвно-мозъчната бариера. Установено е обаче, че след прилагането на шестте неутрални аминокиселини ефектът върху мозъчния TRP е много слаб, което предполага, че конкуренцията на кръвно-мозъчната бариера е относително незначителен фактор за намаляване на мозъчния 5-HT (, 6).

Аминокиселинната диета без TRP предлага нефармакологично средство за ефективно намаляване на мозъчната 5-HT функция. По отношение на други антагонисти, предимството на този метод се крие във високата му специфичност и нетоксичност. Следователно, този селективен метод за понижаване на централната серотонинергична активност е широко използван както при лабораторни животни, така и при хора, за да се изследва ролята на 5-НТ в различни физиологични и поведенчески функции, като подбор на макронутриенти, чувствителност към болка, агресивност, сън, сексуална поведение, настроение, безпокойство и памет и учене. Кратък преглед на документирани поведенчески и физиологични ефекти е даден по-долу.

Избор на макронутриенти

. Забелязано е, че животните могат спонтанно да избират балансирано количество макронутриенти. Това наблюдение предполага съществуването на възможен механизъм за контрол на мозъка за избор на храна. Добре известно е, че диетата влияе върху концентрацията на TRP в мозъка и следователно върху концентрацията на 5-HT. Поглъщането на протеини намалява TRP на мозъка на плъхове и 5-HT, тъй като всички LNAA се конкурират с TRP за транспортиране през кръвно-мозъчната бариера. И обратно, консумацията на въглехидрати увеличава TRP и 5-HT в мозъка, тъй като поглъщането на въглехидрати предизвиква повишаване на инсулина в кръвта, което от своя страна увеличава усвояването на аминокиселините с разклонена верига (левцин, изолевцин и валин) в мускулите, като по този начин намалява тяхната плазматична концентрация и конкуренция при кръвно-мозъчната бариера. Тъй като протеините и глюцидите имат противоположни ефекти върху 5-НТ на мозъка, тези колебания в 5-НТ могат да контролират относителния прием на протеини и глюциди. В потвърждение на тази хипотеза, острото прилагане на аминокиселинна смес без TRP увеличава селекцията на въглехидрати, докато глюцидното хранене, допълнено с TRP, значително увеличава селекцията на протеини при лабораторни животни.

Ефектът на TRP-свободна аминокиселинна смес върху избора на храна е изследван и при хора (15). В това проучване хората са погълнали аминокиселинна смес без TRP или хранително балансирана. Пет часа след поглъщането на смесите, на субектите е било позволено да избират различни храни от бюфет. Сместа без TRP е свързана с намаляване на селекцията на протеини, но не и на въглехидратите, мазнините или общите калории. Намаляването на селекцията на протеини, наблюдавано при хора, е в съответствие с намаляването на селекцията на протеини, наблюдавано при лабораторни животни, като по този начин се предполага, че мозъкът 5-HT може да участва в контрола на избора на макронутриенти и при хората.

Чувствителност към болка.

При лабораторни животни методът за изчерпване на TRP потвърждава данните, получени чрез използване на серотонинергични антагонисти: намаляване на прага на възприемане на болката. Острото приложение на смес от аминокиселини без TRP, както и хроничното приложение на храна с дефицит на TRP, води до повишаване на чувствителността към болка при лабораторни животни. Заедно тези открития потвърждават хипотезата, че 5-НТ е замесен в чувствителност към болезнени стимули (3).

Агресивност.

Поведението на убиване на мишки се счита за индекс на агресивност при плъхове. Поведението на убиване на мишки се предизвиква при плъхове, които не убиват, и се улеснява при плъхове убийци, държани на диета без TRP в продължение на 4–6 дни (вж. Реф. 12). Това повишено поведение на убиване е свързано с намаляване на мозъчните 5-HT и 5-HIAA. Различни изследователски групи, използващи няколко модела на агресия (т.е. предизвикана от шок борба, чувствителност към болка и поведение на убийство), потвърдиха, че такава диета увеличава агресивността при плъхове. Повишена агресивност и раздразнителност се наблюдава и при маймуните след прилагане на аминокиселинна смес без TRP. Съвсем наскоро бе установено значително увеличаване на агресивния отговор при здрави хора при използване на агресивна парадигма след прилагане на аминокиселинна смес без TRP (8). Тези резултати са в съответствие с хипотезата, че мозъчните 5-НТ неврони упражняват инхибиторен контрол върху агресивното поведение.

Спете.

С използването на фармакологични манипулации ролята на серотонинергичната система е демонстрирана по време на сън, въпреки че резултатите не са еднозначни. Острото приложение на смес без TRP аминокиселини, приготвена, както е описано в предишния ни доклад (2), причинява при хората намаляване на латентността на съня в етап 4 и увеличаване на съня на етап 4, но REM сънят не се променя значително (7 ). От друга страна, при плъхове е установено значително намаляване на REM съня (7). Въпреки че общата продължителност на съня при плъхове и хора не се е променила значително, различният ефект от диетата при плъхове и хора може да се дължи на различната роля на 5-HT в регулирането на съня.

Сексуално поведение.

От средата на 60-те години е добре известно, че фармакологичното намаляване на серотонергичната активност предизвиква компулсивна сексуална активност при лабораторни животни. Въз основа на тази констатация различни изследователски групи са използвали диети, които са или с недостиг или с липса на TRP, за да разкрият възможните ефекти върху сексуалното поведение. Доказано е, че диетата без TRP води до значително увеличаване на поведението на мъже към мъже както при плъхове, така и при зайци (4). По същия начин диетата с дефицит на TRP улеснява копулативното поведение на мъжки плъхове с жени в еструса. Тези резултати ясно показват, че 5-НТ играе инхибираща роля в сексуалното поведение. Интересното е, че храната с дефицит на ГТО, като царевицата, може да има свойства на афродизиак.

Young и сътр. (14) първо демонстрира, че поглъщането на аминокиселинна смес без TRP води до бързо понижаване на настроението при нормални мъже. Този резултат се наблюдава и при здрави мъже с фамилна анамнеза за много поколения на големи афективни разстройства. Освен това, острото поглъщане на смес от аминокиселини без TRP може да има преходен депресивен ефект при пациенти с депресия при ремисия на лекарството (вж. По-долу). Други изследвания, проведени върху нормални жени, потвърждават това, което е установено при мъжете. Въпреки това жените изглеждат по-податливи от мъжете на депресивния ефект, предизвикан от изчерпване на TRP.

Памет и учене.

Наскоро установихме, че диетата без TRP не влияе върху избягването на обучението, нито върху ефективността на пространствената памет при плъхове, въпреки че намалява освобождаването на 5-HT в хипокампуса и кората (11). За разлика от резултатите, получени при животни, Riedel et al. (10) откриват увреждане на консолидацията на паметта при здрави доброволци със или без положителна фамилна анамнеза за депресия. Тези изследователи наблюдават понижаващ ефект на настроението при субекти с положителна фамилна анамнеза за депресия, но не и от другата група. Въпреки това, при психически нормални мъже с високи нива на тревожност, острото поглъщане на аминокиселинна смес без TRP поддържа тревожност, която намалява след възстановяване на балансираната диета (2). От друга страна, изчерпването на TRP също води до понижаване на настроението. Предполага се, че тези психологически ефекти могат да имат отрицателен ефект върху изпълнението на задача за точност (вж. Справка 11). Необходими са допълнителни проучвания с по-голям брой пациенти, за да се потвърдят данните, получени при хора.

През последното десетилетие се наблюдава разследването на ефекта от краткосрочното изчерпване на TRP при някои психопатологични нарушения, в които експерименталните доказателства сочат, че те са свързани с 5-НТ дисфункция. Например, при пациенти с депресия при ремисия на лекарството се наблюдават депресивни рецидиви след поглъщане на смес от аминокиселини без TRP, с постепенно връщане към нормалното настроение, когато пациентите се върнат към нормална диета. При жени с предменструален синдром изчерпването на TRP причинява повишена раздразнителност, тревожност и свръхдейност. При пациенти с булимия аминокиселинната смес без TRP подобрява дисфорията, както и тревожността. Предполага се, че тези ефекти могат да се дължат на намалено освобождаване на 5-HT в мозъка. От друга страна, при други психиатрични разстройства, при които 5-НТ системата изглежда важна, не се наблюдава ефект след остро изчерпване на TRP. Например, пациентите с обсесивно-компулсивни разстройства не променят значително средния си рейтинг на обсесия и принуда след остро поглъщане на смес от аминокиселини без TRP. При пациенти с паническо разстройство изчерпването на TRP не е анксиогенно или паникогенно. В тези случаи вероятно са замесени други невротрансмитерни системи, както и 5-HT.

В заключение, понастоящем парадигмата за изчерпване на TRP се използва като специфичен и нетоксичен метод за оценка на ефектите, причинени от временно намаляване на 5-НТ функцията при хората. Методът на изчерпване на TRP може да се използва за изследване на поведение, при което ролята на 5-HT е неизвестна. И накрая, други невротрансмитери могат да бъдат повлияни от диетата (т.е. допамин, норадреналин и ацетилхолин) чрез манипулиране на техните предшественици. Диетите, в които липсва фенилаланин или холин, могат да се използват като инструмент за изследване на физиологичните и поведенчески ефекти, произведени от намаляване на съответните невротрансмитери, подобно на това, което се открива за 5-HT.

Най-благодарен съм на Р. Станкампиано за ценното сътрудничество и критичното четене на ръкописа. Благодаря на М. Иба за помощта при изграждането на фиг. 1 . Извинявам се на авторите на много важни приноси, които не могат да бъдат цитирани поради ограничение на пространството.