DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-55891-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42243212
تاريخ النشر: 2026-06-04
المؤلف: István Lénárt وآخرون
الموضوع الرئيسي: التربتوفان واضطرابات الدماغ
نظرة عامة
تستقصي هذه الدراسة التأثيرات العصبية الواقية للإمباغليفلوزين (EMPA)، وهو مثبط لمُركّب نقل الصوديوم والجلوكوز 2 (SGLT2)، في نموذج فأر لمرض باركنسون (PD) الذي تم تحفيزه بواسطة 1-ميثيل-4-فينيل-1،2،3،6-تتراهيدروبيريدين (MPTP). تركز الأبحاث على تعديل استقلاب التريبتوفان، ومستويات الناقلات العصبية، وعلامات مضادات الأكسدة في النواة المذنبة. باستخدام الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء مع مطياف الكتلة (UHPLC-MS/MS) وتحليلات إحصائية متعددة المتغيرات، تكشف الدراسة أن علاج EMPA يغير أنماط الاستقلاب بشكل كبير، مما يعزز إنتاج المستقلبات العصبية الواقية من مسار الكينورينين، مثل حمض الكينورينيك (KA)، وحمض الأنثرانيل (AA)، وحمض الزانثورينيك (XA). بالإضافة إلى ذلك، يقلل EMPA من الإجهاد التأكسدي والسمية العصبية من خلال تعديل نظام الجلوتاثيون (GSH) وتقليل مستويات 3-هيدروكسيكينورينين (3OHK) في الحيوانات المعدلة وراثيًا Sirtuin3 (S3KO).
تشير النتائج إلى أن EMPA لا يؤثر فقط على استقلاب الجلوكوز، بل يمارس أيضًا تأثيرات عصبية واقية من خلال تحسين توازن الأكسدة والاختزال وتفعيل وظائف الميتوكوندريا، لا سيما في نماذج S3KO. تدعم هذه النتائج إمكانية استخدام EMPA ومثبطات SGLT2 المشابهة كاستراتيجيات علاجية للأمراض التنكسية العصبية من خلال تعديل المسارات الاستقلابية ومسارات الأكسدة والاختزال. ومع ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث للتحقق من هذه الآليات على المستويات البروتينية والنسخية واستكشاف قابليتها للتطبيق في مرض باركنسون البشري.
مقدمة
يعتبر مرض باركنسون (PD) اضطرابًا عصبيًا تنكسيًا شائعًا يؤثر على أكثر من 10 ملايين شخص على مستوى العالم، ويتميز بتدهور الخلايا العصبية الدوبامينية في المادة السوداء وتراكم البروتينات غير المطوية α-synuclein في أجسام ليوي. على الرغم من وجود آليات مختلفة مقترحة لأسباب حدوثه – بما في ذلك العوامل الوراثية، والخلل الوظيفي للميتوكوندريا، والإجهاد التأكسدي، والتأثيرات البيئية – لا تزال الآلية الدقيقة لمرض PD غامضة. ومن الجدير بالذكر أن استقلاب التريبتوفان (TRP) المتغير قد تم الإشارة إليه في مرض PD، حيث يلعب دورًا كبيرًا في النقل العصبي، واستقلاب الطاقة، وتنظيم المناعة. يتم استقلاب معظم TRP من خلال مسار الكينورينين (KYN)، مما ينتج مستقلبات نشطة عصبيًا يمكن أن تحمي أو تضر الخلايا العصبية، اعتمادًا على توازن هذه المستقلبات.
تسلط الدراسة الضوء على أهمية مسار KYN في علم الأمراض لمرض PD، مشيرة إلى أن عدم تنظيم الإنزيمات الرئيسية يمكن أن يؤدي إلى زيادة في المستقلبات السامة عصبيًا، مما يسهم في السمية المفرطة والإجهاد التأكسدي الذي لوحظ في مرضى PD. تستخدم الأبحاث نموذج MPTP، وهو نظام حيوي مثبت جيدًا يحاكي علم الأمراض لمرض PD، للتحقيق في تأثيرات MPTP على استقلاب TRP، ومستويات الناقلات العصبية، ونظام مضادات الأكسدة الجلوتاثيون. بالإضافة إلى ذلك، تستكشف الدراسة التأثيرات العصبية الواقية المحتملة للإمباغليفلوزين (EMPA)، وهو مثبط انتقائي لمُركّب نقل الصوديوم والجلوكوز 2 (SGLT2)، على هذه التغيرات الاستقلابية، باستخدام الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء مع مطياف الكتلة (UHPLC-MS/MS) لتحديد كميات المستقلبات في أدمغة كل من الحيوانات الضابطة والحيوانات المعالجة بـ MPTP من النوع البري و SIRT3 المعدلة وراثيًا.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام ذكور الفئران من النوع البري C57BL/6J (WT) و Sirtuin3 المعدلة وراثيًا (S3KO) بعمر 12 أسبوعًا للتحقيق في تأثيرات EMPA في نموذج مرض باركنسون (PD) الذي تم تحفيزه بواسطة السم العصبي MPTP. كانت الفئران، التي تزن حوالي 21±3 جرام، مستمدة من مختبرات جاكسون وتم تقسيمها إلى ثماني مجموعات تجريبية بناءً على جينومها وعلاجها: WT ضابطة، WT المعالجة بـ MPTP، WT المعالجة بـ EMPA، WT المعالجة بـ MPTP+EMPA، S3KO ضابطة، S3KO المعالجة بـ MPTP، S3KO المعالجة بـ EMPA، و S3KO المعالجة بـ MPTP+EMPA.
تم إنشاء نموذج PD الناتج عن MPTP من خلال الحقن داخل الصفاق لـ MPTP بجرعة 15 ملغ/كغ، تم إعطاؤها خمس مرات بفواصل زمنية قدرها ساعتين خلال يوم واحد. بعد الحقنة النهائية لـ MPTP، تلقت الفئران علاجًا عن طريق الفم مع EMPA بجرعة 15 ملغ/كغ مرة واحدة يوميًا لمدة 21 يومًا متتاليًا. تم إجراء التوزيع العشوائي لمجموعات العلاج بواسطة باحث معصوب العينين، مما يضمن غياب العوامل المربكة التجريبية. تم الحفاظ على جميع الحيوانات في ظروف خاضعة للرقابة، بما في ذلك دورة ضوء/ظلام لمدة 12 ساعة ودرجة حرارة 23 ± 2 °م، مع وصول غير محدود إلى الطعام العادي والماء.
النتائج
استقصت الدراسة التغيرات الاستقلابية في الحيوانات من النوع البري (WT) و S3KO بعد العلاجات بـ MPTP و MPTP المدمج مع EMPA، باستخدام طريقة UHPLC-MS/MS المستهدفة لتحديد كميات المستقلبات ذات الصلة العصبية، مع التركيز بشكل خاص على مستقلبات الكينورينين (KYN) وعلامات الإجهاد التأكسدي. تم استخدام تحليل إحصائي هرمي لتحديد الفروق المهمة بين المجموعات. أشارت النتائج إلى أن علاج EMPA حسّن بشكل كبير مستويات مستقلبات KYN العصبية الواقية وقلل من الإجهاد التأكسدي في نموذج مرض باركنسون (PD) الناتج عن MPTP، مما يشير إلى دور محتمل للعلاج العصبي الواقى لـ EMPA.
بالإضافة إلى ذلك، تم تأكيد فعالية MPTP كسم عصبي في تحفيز مرض PD، حيث أظهرت المجموعات المعالجة بـ MPTP انخفاضًا كبيرًا (p < 0.05) في تركيزات الناقلات العصبية الدوبامينية مقارنة بالمجموعات الضابطة. تم تعزيز هذا الانخفاض من خلال المستويات الملحوظة من الدوبامين (DA) وحمض الديهيدروكسي فينيل أسيتيك (DOPAC)، كما هو موضح في الشكل التكميلي S2. تدعم هذه النتائج مجتمعة الإمكانية العلاجية لـ EMPA في التخفيف من الاضطرابات الاستقلابية المرتبطة بمرض PD.
المناقشة
في قسم المناقشة من ورقة البحث، تم فحص تأثيرات الإمباغليفلوزين (EMPA) على المسارات الاستقلابية المتعلقة بالعصبية الواقية والإجهاد التأكسدي في نموذج مرض باركنسون (PD). وجدت الدراسة أن EMPA زاد بشكل كبير من مستويات الكينورينينات العصبية الواقية – تحديدًا حمض الكينورينيك (KA)، وحمض الأنثرانيل (AA)، وحمض الزانثورينيك (XA) – في الحيوانات المعالجة بـ MPTP+EMPA، مما يشير إلى تحول في استقلاب التريبتوفان نحو المسارات العصبية الواقية. كان هذا التأثير ملحوظًا بشكل خاص في الفئران المعدلة وراثيًا Sirtuin3 (S3KO)، التي أظهرت تحسينًا في توازن الأكسدة والاختزال وانخفاضًا في مستويات المستقلبات السامة عصبيًا مثل 3-هيدروكسيكينورينين (3OHK). تشير النتائج إلى أن EMPA قد يمارس تأثيرات عصبية واقية تتجاوز تأثيره في خفض الجلوكوز، ربما من خلال تفعيل وظيفة الميتوكوندريا وتعديل الاستجابات الالتهابية عبر مسار AMPK-NRF2.
بالإضافة إلى ذلك، سلطت الدراسة الضوء على دور EMPA في تقليل الإجهاد التأكسدي، كما يتضح من تحسين مستويات الجلوتاثيون (GSH) ونسبة GSH/GSSG المواتية في الحيوانات المعالجة بـ MPTP+EMPA من نوع S3KO. يدعم تقليل مؤشر الإجهاد التأكسدي المزيد من إمكانية EMPA كاستراتيجية علاجية للأمراض التنكسية العصبية. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية EMPA في تعديل المسارات الاستقلابية ومسارات الأكسدة والاختزال، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في آلياته على المستويات البروتينية والنسخية، فضلاً عن قابليته للتطبيق في مرض باركنسون البشري.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-55891-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42243212
Publication Date: 2026-06-04
Author(s): István Lénárt et al.
Primary Topic: Tryptophan and brain disorders
Overview
This study investigates the neuroprotective effects of empagliflozin (EMPA), a sodium-glucose cotransporter 2 (SGLT2) inhibitor, in a mouse model of Parkinson’s disease (PD) induced by 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP). The research focuses on the modulation of tryptophan metabolism, neurotransmitter levels, and antioxidant markers in the striatum. Using ultra-high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry (UHPLC-MS/MS) and multivariate statistical analyses, the study reveals that EMPA treatment significantly alters metabolic patterns, enhancing the production of neuroprotective metabolites from the kynurenine pathway, such as kynurenic acid (KA), anthranilic acid (AA), and xanthurenic acid (XA). Additionally, EMPA reduces oxidative stress and neurotoxicity by modulating the glutathione (GSH) system and decreasing levels of 3-hydroxykynurenine (3OHK) in Sirtuin3 knock-out (S3KO) animals.
The findings suggest that EMPA not only influences glucose metabolism but also exerts neuroprotective effects by improving redox balance and activating mitochondrial functions, particularly in S3KO models. These results support the potential of EMPA and similar SGLT2 inhibitors as therapeutic strategies for neurodegenerative diseases through the modulation of metabolic and redox pathways. However, further research is necessary to validate these mechanisms at the proteomic and transcriptomic levels and to explore their applicability in human PD.
Introduction
Parkinson’s disease (PD) is a prevalent neurodegenerative disorder affecting over 10 million people globally, characterized by the degeneration of dopaminergic neurons in the substantia nigra and the accumulation of misfolded α-synuclein into Lewy bodies. Despite various proposed mechanisms for its etiology—including genetic factors, mitochondrial dysfunction, oxidative stress, and environmental influences—the precise pathogenesis of PD remains elusive. Notably, altered tryptophan (TRP) metabolism has been implicated in PD, with significant roles in neurotransmission, energy metabolism, and immune regulation. The majority of TRP is metabolized through the kynurenine (KYN) pathway, producing neuroactive metabolites that can either protect or damage neurons, depending on the balance of these metabolites.
The study highlights the relevance of the KYN pathway in PD pathophysiology, noting that dysregulation of key enzymes can lead to an increase in neurotoxic metabolites, contributing to excitotoxicity and oxidative damage observed in PD patients. The research utilizes the MPTP model, a well-established in vivo system that mimics PD pathology, to investigate the effects of MPTP on TRP metabolism, neurotransmitter levels, and the glutathione antioxidant system. Additionally, the study explores the potential neuroprotective effects of empagliflozin (EMPA), a selective sodium-glucose co-transporter 2 (SGLT2) inhibitor, on these metabolic alterations, employing ultra-high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry (UHPLC-MS/MS) for metabolite quantification in the brains of both control and MPTP-treated wild-type and SIRT3 knock-out animals.
Methods
In this study, 12-week-old male Wild-type C57BL/6J (WT) and Sirtuin3 knockout (S3KO) mice were utilized to investigate the effects of EMPA in a Parkinson’s disease (PD) model induced by the neurotoxin MPTP. The mice, weighing approximately 21±3 g, were sourced from Jackson Laboratories and divided into eight experimental groups based on their genotype and treatment: WT control, WT MPTP-treated, WT EMPA-treated, WT MPTP+EMPA-treated, S3KO control, S3KO MPTP-treated, S3KO EMPA-treated, and S3KO MPTP+EMPA-treated.
The MPTP-induced PD model was established through intraperitoneal injections of MPTP at a dosage of 15 mg/kg, administered five times at two-hour intervals within a single day. Following the final MPTP injection, the mice received oral treatment with EMPA at 15 mg/kg once daily for 21 consecutive days. Random assignment to treatment groups was conducted by a blinded investigator, ensuring the absence of experimental confounders. All animals were maintained under controlled conditions, including a 12-hour light/dark cycle and a temperature of 23 ± 2 °C, with unrestricted access to standard chow and water.
Results
The study investigated metabolic changes in wild-type (WT) and S3 knockout (S3KO) animals following treatments with MPTP and MPTP combined with EMPA, utilizing a targeted UHPLC-MS/MS method to quantify neurologically relevant metabolites, particularly focusing on kynurenine (KYN) metabolites and oxidative stress markers. A hierarchical statistical analysis was employed to identify significant differences among the groups. The findings indicated that EMPA treatment significantly improved levels of neuroprotective KYN metabolites and reduced oxidative stress in the MPTP-induced Parkinson’s disease (PD) model, suggesting a potential neuroprotective role for EMPA.
Additionally, the effectiveness of MPTP as a neurotoxin in inducing PD was confirmed, as the MPTP-treated groups exhibited a significant decrease (p < 0.05) in concentrations of dopaminergic neurotransmitters compared to control groups. This reduction was further substantiated by the observed levels of dopamine (DA) and dihydroxyphenylacetic acid (DOPAC), as illustrated in Supplementary Figure S2. These results collectively support the therapeutic potential of EMPA in mitigating metabolic disturbances associated with PD.
Discussion
In the discussion section of the research paper, the effects of empagliflozin (EMPA) on metabolic pathways related to neuroprotection and oxidative stress in a Parkinson’s disease (PD) model were examined. The study found that EMPA significantly increased the levels of neuroprotective kynurenines—specifically kynurenic acid (KA), anthranilic acid (AA), and xanthurenic acid (XA)—in MPTP+EMPA-treated animals, suggesting a shift in tryptophan metabolism towards neuroprotective pathways. This effect was particularly pronounced in Sirtuin3 knockout (S3KO) mice, which exhibited improved redox balance and reduced levels of neurotoxic metabolites such as 3-hydroxykynurenine (3OHK). The findings indicate that EMPA may exert neuroprotective effects beyond its glucose-lowering action, potentially through the activation of mitochondrial function and modulation of inflammatory responses via the AMPK-NRF2 pathway.
Additionally, the study highlighted the role of EMPA in reducing oxidative stress, as evidenced by improved glutathione (GSH) levels and a favorable GSH/GSSG ratio in S3KO MPTP+EMPA-treated animals. The reduction of the oxidative stress index further supports EMPA’s potential as a therapeutic strategy for neurodegenerative diseases. Overall, the results underscore the importance of EMPA in modulating metabolic and redox pathways, warranting further investigation into its mechanisms at the proteomic and transcriptomic levels, as well as its applicability in human PD.