DOI: https://doi.org/10.1007/s12035-024-04196-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38703343
تاريخ النشر: 2024-05-04
المؤلف: Sarah A. Elfakharany وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة التأثيرات العصبية الواقية لجزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) على التغيرات السلوكية وعلامات الإجهاد التأكسدي في نموذج الفئران المعرضة للإجهاد المستمر (CRS). تم تقسيم 50 فأراً إلى ثلاث مجموعات: مجموعة ضابطة، مجموعة CRS غير المعالجة، ومجموعة CRS المعالجة بجرعات متفاوتة من SeNPs (1، 2.5، أو 5 ملغ/كغ) تم إعطاؤها عن طريق التغذية الفموية لمدة 21 يوماً. تم إجراء تقييمات سلوكية، تلتها تحليلات كيميائية حيوية وهستولوجية للقشرة الجبهية والحصين، مع التركيز على مستويات السيروتونين، وعلامات الإجهاد التأكسدي (مالونديالديهايد (MDA)، الجلوتاثيون المختزل (GSH)، وإنزيم الجلوتاثيون بيروكسيداز (GPx))، وعامل نخر الورم ألفا (TNF-α)، وكاسباز-3.
أشارت النتائج إلى أن جرعة 2.5 ملغ/كغ من SeNPs كانت الأكثر فعالية في تحسين الآثار السلبية لـ CRS، مما زاد من مستويات السيروتونين، وحسن كلاً من السلوكيات الشبيهة بالقلق والاكتئاب، فضلاً عن الهيكلية الهستولوجية لمناطق الدماغ المدروسة. تسلط هذه الأبحاث الضوء على إمكانيات SeNPs كعلاج دوائي ضد التأثيرات السلبية للإجهاد المزمن، مشيرة إلى خصائصها المضادة للأكسدة، والمضادة للالتهابات، والمضادة للموت الخلوي كآليات أساسية. هناك حاجة لإجراء تحقيقات مستقبلية لاستكشاف الديناميات الدوائية، والسمية، وتأثيرات SeNPs على تكوين الأعصاب وتكوين المشابك في سياق CRS.
مقدمة
تستعرض مقدمة ورقة البحث الطبيعة متعددة الأوجه للإجهاد وتأثيراته الفسيولوجية والنفسية على صحة الإنسان. يحفز الإجهاد استجابات من خلال تنشيط محور السمبثاوي-الكظري (SAM) ومحور الوطاء-الغدة النخامية-الكظرية (HPA). يسهل محور SAM استجابة سريعة تتميز بإفراز الإبينفرين والنورإبينفرين، بينما يبدأ محور HPA استجابة أبطأ تتضمن هرمون إفراز الكورتيكوتروبين (CRH) وإفراز الجلوكوكورتيكويد اللاحق. يؤدي الإجهاد المزمن إلى فرط تنشيط محور HPA، مما ينتج عنه مستويات مرتفعة من الجلوكوكورتيكويد التي يمكن أن تسبب تغييرات هيكلية ووظيفية في مناطق الدماغ الحيوية مثل القشرة الجبهية والحصين، والتي تعتبر ضرورية لتنظيم العواطف ومعالجة الإجهاد.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط المقدمة الضوء على دور الإجهاد التأكسدي، الذي يُعرف بأنه عدم توازن بين الأنواع التفاعلية للأكسجين (ROS) والدفاعات المضادة للأكسدة، خاصة في الدماغ، الذي يكون عرضة بسبب استهلاكه العالي من الأكسجين وانخفاض مستويات مضادات الأكسدة. لقد أظهرت الدراسات أن الإجهاد النفسي المزمن ينشط الميكروغليا، مما يؤدي إلى إفراز السيتوكينات المسببة للالتهابات وزيادة تنظيم البروتينات المسببة للموت الخلوي، مما يقلل في النهاية من مستويات الناقلات العصبية التي تنظم المزاج، مثل السيروتونين. تناقش الورقة أيضًا استخدام نماذج حيوانية، وخاصة نموذج الإجهاد المستمر (CRS)، لدراسة تأثيرات الإجهاد المزمن على شكل ووظيفة الدماغ. علاوة على ذلك، تقدم مجال النانوميدسين، مع التركيز على إمكانيات جزيئات السيلينيوم النانوية كطريق علاجي واعد بسبب توافرها الحيوي الفائق، وخصائصها المضادة للأكسدة، وانخفاض سمّيتها مقارنة بأشكال السيلينيوم التقليدية، مع التركيز على تأثيراتها المحتملة الواقية للعصب في سياق الإجهاد المزمن.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام 50 فأراً من ذكور ويستار البالغة، تتراوح أعمارها بين 8-10 أسابيع وتزن بين 200-250 غرام، للتحقيق في تأثيرات الإجهاد المستمر (CRS) وعلاج جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs). تم تربية الفئران تحت ظروف مختبرية محكومة وتم تقسيمها إلى ثلاث مجموعات تجريبية بعد فترة تكيف لمدة 7 أيام. تلقت المجموعة الضابطة (n = 10) ماء مقطر دون التعرض للإجهاد، بينما خضعت مجموعة CRS غير المعالجة (n = 10) لـ 6 ساعات من الإجهاد المقيد يوميًا لمدة 21 يومًا، حيث تم حرمانها أيضًا من الطعام والماء. تم تقسيم مجموعة CRS-SeNPs المعالجة (n = 30) إلى ثلاث مجموعات فرعية، كل منها تتلقى جرعات مختلفة من SeNPs (1 ملغ/كغ، 2.5 ملغ/كغ، أو 5 ملغ/كغ) عن طريق التغذية الفموية قبل التعرض للإجهاد.
تم مراقبة أوزان الجسم في الأيام 7 و14 و21، وتم إجراء تقييمات سلوكية بعد فترة العلاج التي استمرت 21 يومًا. في اليوم 26، تم التضحية بالفئران، وتم استخراج أدمغتها لمزيد من التحليل. تم جمع أنسجة القشرة الجبهية والحصيني للتحليل الكيميائي الحيوي والفحص الهستوباثولوجي، بينما تم إعداد عينات إضافية من المجموعات الفرعية المعالجة بـ SeNPs لفحص الميكروسكوب الإلكتروني الناقل (TEM) للتحقق من امتصاص SeNPs. اتبعت جميع الإجراءات التجريبية الإرشادات الأخلاقية وتمت الموافقة عليها من قبل لجنة المراجعة المؤسسية المعنية.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ليست نتيجة للصدفة العشوائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج اتجاهًا واضحًا في سلوك النظام، كما يتضح من الأشكال والجداول المرفقة، التي تقدم تمثيلًا بصريًا للبيانات.
علاوة على ذلك، تُظهر تحليل التباين (ANOVA) الذي تم إجراؤه أن الفروق بين المجموعات ذات دلالة إحصائية، مما يدعم الفرضية المطروحة في بداية البحث. تسهم النتائج في تعزيز المعرفة الحالية من خلال تأكيد النظريات السابقة بينما تقدم أيضًا رؤى جديدة يمكن أن تفيد الدراسات المستقبلية. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية المتغيرات المدروسة وتأثيراتها على المجال الأوسع من البحث.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) باستخدام بولي إيثيلين جلايكول (PEG)-200 والجلوكوز كعامل مختزل، مما أسفر عن جزيئات كروية أحادية التشتت بأحجام تتراوح بين 20 إلى 30 نانومتر. أكدت التحليلات من خلال الميكروسكوب الإلكتروني الناقل (TEM) وتشتت الضوء الديناميكي (DLS) استقرار وتوزيع حجم SeNPs. أظهرت الاختبارات السلوكية على الفئران المعرضة للإجهاد المستمر (CRS) أن العلاج بـ SeNPs، خاصة عند جرعات 2.5 ملغ/كغ، حسّن بشكل كبير من سلوكيات القلق والنشاط الحركي، كما يتضح من زيادة الدخول والوقت المستغرق في الأذرع المفتوحة خلال اختبارات المتاهة المرتفعة والحقول المفتوحة. بالإضافة إلى ذلك، أشار اختبار السباحة القسري إلى تقليل اليأس السلوكي، بينما اقترح اختبار تفضيل السكروز تخفيف الأهدونية.
كشفت الاختبارات العصبية الكيميائية الحيوية أن علاج SeNPs أدى إلى زيادات كبيرة في مستويات السيروتونين في كل من أنسجة القشرة الجبهية والحصيني، إلى جانب انخفاضات في علامات الإجهاد التأكسدي مثل المالونديالديهايد (MDA) وزيادات في مستويات الجلوتاثيون (GSH) ونشاط إنزيم الجلوتاثيون بيروكسيداز. علاوة على ذلك، أدى العلاج بـ SeNPs إلى انخفاض مستويات علامات الالتهاب، بما في ذلك عامل نخر الورم ألفا (TNF-α) وكاسباز-3، مما يشير إلى تأثير محتمل واقٍ للعصب. أكدت الفحوصات الهستوباثولوجية هذه النتائج، حيث أظهرت تحسينًا في الشكل العصبي وتقليل التغيرات التنكسية في القشرة الجبهية والحصين للفئران المعالجة بـ SeNPs مقارنةً بمجموعات CRS غير المعالجة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن SeNPs قد تقدم فوائد علاجية في التخفيف من آثار الإجهاد المزمن على السلوك والكيمياء العصبية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s12035-024-04196-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38703343
Publication Date: 2024-05-04
Author(s): Sarah A. Elfakharany et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
This study investigates the neuroprotective effects of selenium nanoparticles (SeNPs) on behavioral changes and oxidative stress markers in a rat model subjected to chronic restraint stress (CRS). A total of 50 rats were divided into three groups: a control group, an untreated CRS group, and a CRS group treated with varying doses of SeNPs (1, 2.5, or 5 mg/kg) administered via oral gavage for 21 days. Behavioral assessments were conducted, followed by biochemical and histological analyses of the prefrontal cortex and hippocampus, focusing on serotonin levels, oxidative stress markers (malondialdehyde (MDA), reduced glutathione (GSH), and glutathione peroxidase (GPx)), tumor necrosis factor alpha (TNF-α), and caspase-3.
The results indicated that the 2.5 mg/kg dose of SeNPs was the most effective in ameliorating the adverse effects of CRS, enhancing serotonin levels, and improving both anxiety-like and depressive-like behaviors, as well as the histological architecture of the brain regions studied. This research highlights the potential of SeNPs as a pharmacological intervention against the negative impacts of chronic stress, suggesting their antioxidant, anti-inflammatory, and anti-apoptotic properties as underlying mechanisms. Future investigations are warranted to explore the pharmacodynamics, toxicity, and effects of SeNPs on neurogenesis and synaptogenesis in the context of CRS.
Introduction
The introduction of the research paper outlines the multifaceted nature of stress and its physiological and psychological impacts on human health. Stress triggers responses through the activation of the sympatho-adrenomedullary (SAM) axis and the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis. The SAM axis facilitates a rapid response characterized by the release of epinephrine and norepinephrine, while the HPA axis initiates a slower response involving corticotropin-releasing hormone (CRH) and subsequent glucocorticoid secretion. Chronic stress leads to HPA axis overactivation, resulting in elevated glucocorticoid levels that can induce structural and functional changes in critical brain regions such as the prefrontal cortex and hippocampus, which are essential for emotional regulation and stress processing.
Additionally, the introduction highlights the role of oxidative stress, defined as an imbalance between reactive oxygen species (ROS) and antioxidant defenses, particularly in the brain, which is vulnerable due to its high oxygen consumption and low antioxidant levels. Chronic psychological stress has been shown to activate microglia, leading to the release of pro-inflammatory cytokines and upregulation of pro-apoptotic proteins, ultimately diminishing neurotransmitter levels that regulate mood, such as serotonin. The paper also discusses the use of animal models, particularly the chronic restraint stress (CRS) model, to study the effects of chronic stress on brain morphology and function. Furthermore, it introduces the field of nanomedicine, emphasizing the potential of selenium nanoparticles as a promising therapeutic avenue due to their superior bioavailability, antioxidant properties, and lower toxicity compared to traditional selenium forms, with a focus on their possible neuroprotective effects in the context of chronic stress.
Methods
In this study, 50 adult male Wistar rats, aged 8-10 weeks and weighing between 200-250 g, were utilized to investigate the effects of chronic restraint stress (CRS) and selenium nanoparticles (SeNPs) treatment. The rats were housed under controlled laboratory conditions and divided into three experimental groups after a 7-day adaptation period. The control group (n = 10) received distilled water without stress exposure, while the untreated CRS group (n = 10) underwent 6 hours of restraint stress daily for 21 days, during which they were also deprived of food and water. The CRS-SeNPs treated group (n = 30) was further subdivided into three subgroups, each receiving different doses of SeNPs (1 mg/kg, 2.5 mg/kg, or 5 mg/kg) via oral gavage prior to the stress exposure.
Body weights were monitored at days 7, 14, and 21, and behavioral assessments were conducted following the 21-day treatment period. On day 26, the rats were sacrificed, and their brains were extracted for further analysis. Prefrontal cortical and hippocampal tissues were collected for biochemical analysis and histopathological examination, while additional samples from the SeNPs-treated subgroups were prepared for transmission electron microscopy (TEM) to verify SeNPs uptake. All experimental procedures adhered to ethical guidelines and were approved by the relevant institutional review board.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are not due to random chance. Additionally, the results demonstrate a clear trend in the behavior of the system, as illustrated by the accompanying figures and tables, which provide a visual representation of the data.
Furthermore, the analysis of variance (ANOVA) conducted shows that the differences among the groups are statistically significant, supporting the hypothesis posited at the outset of the research. The findings contribute to the existing body of knowledge by confirming previous theories while also introducing new insights that could inform future studies. Overall, the results underscore the importance of the studied variables and their implications for the broader field of inquiry.
Discussion
In this study, selenium nanoparticles (SeNPs) were synthesized using polyethylene glycol (PEG)-200 and glucose as a reducing agent, resulting in monodispersed spherical particles with sizes ranging from 20 to 30 nm. Characterization through transmission electron microscopy (TEM) and dynamic light scattering (DLS) confirmed the stability and size distribution of the SeNPs. Behavioral tests on rats subjected to chronic restraint stress (CRS) demonstrated that treatment with SeNPs, particularly at doses of 2.5 mg/kg, significantly improved anxiety-like behaviors and locomotor activity, as evidenced by increased entries and time spent in open arms during the elevated plus maze and open field tests. Additionally, the forced swim test indicated reduced behavioral despair, while the sucrose preference test suggested alleviation of anhedonia.
Neurobiochemical assays revealed that SeNPs treatment led to significant increases in serotonin levels in both prefrontal cortical and hippocampal tissues, alongside reductions in oxidative stress markers such as malondialdehyde (MDA) and enhancements in glutathione (GSH) levels and glutathione peroxidase activity. Furthermore, treatment with SeNPs resulted in decreased levels of inflammatory markers, including tumor necrosis factor-alpha (TNF-α) and caspase-3, indicating a potential neuroprotective effect. Histopathological examinations corroborated these findings, showing improved neuronal morphology and reduced degenerative changes in the prefrontal cortex and hippocampus of SeNPs-treated rats compared to untreated CRS controls. Overall, the results suggest that SeNPs may offer therapeutic benefits in mitigating the effects of chronic stress on behavior and neurobiochemistry.