Die Einwirkung von blauem Licht kann die Alterung beschleunigen

Ein neuer Grenzen im Alter Studie gibt Einblicke in die neuartigen Mechanismen, durch die Blaulicht (BL)-Exposition in Fliegen nicht-retinale Zellstoffwechselwege eingreift. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die BL-Exposition wahrscheinlich ähnliche Auswirkungen auf menschliche Zellen hat, wie z. B. auf Haut, Fett und andere Gewebe.

Lernen: Chronisches blaues Licht führt bei Drosophila zu einer beschleunigten Alterung, indem es den Energiestoffwechsel und die Neurotransmitterspiegel beeinträchtigt. Bildnachweis: Aleksy Boyko / Shutterstock.com

Hintergrund

BL, ein häufiger Bestandteil von Licht emittierenden Dioden (LED), ist ein hochenergetisches Licht mit kurzen Wellenlängen, das Netzhautschäden verursachen kann. Frühere Studien deuten darauf hin, dass BL Netzhautdegeneration, altersbedingte Makulopathie und Glaukom verursachen kann; Die Mechanismen, die für die BL-assoziierte Phototoxizität verantwortlich sind, bleiben jedoch unklar.

Drosophila melanogaster, die häufiger als Fruchtfliege bezeichnet wird, zeigt ebenfalls eine akute BL-Phototoxizität. Die Exposition von Facettenaugen gegenüber BL führt zu Lipidperoxidation, oxidativem Stress und Netzhautdegeneration aufgrund von Phototransduktion. Diese Wirkungen wurden bei Wild- und Mutantenfliegen mit abgetragenen Augen (eya2) berichtet.

Über das Studium

Die aktuelle Studie zielte darauf ab, die Auswirkungen einer chronischen BL-Exposition auf die Stoffwechselwege innerhalb der extraretinalen Gewebe von eya2 zu ermitteln.

Hierin wurden Fliegen 10 oder 14 Tage lang in völliger Dunkelheit oder konstanter BL-Exposition gehalten. Metabolitenprofile der Zellen wurden unter Verwendung von Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie (LC-MS) und Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) bewertet.

Studienergebnisse

Eine konstante BL-Exposition reduzierte die Langlebigkeit von eya2 signifikant. Weitere Untersuchungen ergaben eine signifikantere Abnahme der Langlebigkeit von Fliegen, die 14 Tage lang BL ausgesetzt waren, im Vergleich zu denen, die 10 Tage lang BL ausgesetzt waren.

Zu keinem dieser Zeitpunkte wurde ein Todesfall registriert. Einige Fliegen, die unter konstanter BL-Exposition blieben, starben jedoch nach 16 Tagen, während andere in konstanter Dunkelheit (DD) überlebten. Diese Beobachtung impliziert, dass die Fliegen aufgrund einer konstanten BL-Exposition entweder irreversiblen oder reversiblen Schaden erleiden können.

Anschließend bewerteten die Forscher die Neurodegeneration bei männlichen Mutantenfliegen, die 10, 14 oder 16 Tage lang BL ausgesetzt waren, und verglichen diese Ergebnisse mit DD-Kontrollen zu denselben Zeitpunkten. Zu diesem Zweck hatte eine 10-tägige konstante Exposition gegenüber BL eine ähnlich vernachlässigbare Vakuolisierung wie die, die bei DD-Kontrollen beobachtet wurde. Jedoch wurde nach 14 Tagen eine signifikante Vakuolisierung im Gehirn bei BL-exponierten Fliegen im Vergleich zu DD-Kontrollen zu diesem Zeitpunkt beobachtet.

Weitere Untersuchungen der Stoffwechselprofile von männlichem eya2 nach konstanter BL-Exposition an 10 und 14 Tagen unter Verwendung von LC-MS und GC-MS wurden durchgeführt. LC-MS von BL-exponierten Fliegen für 10 Tage identifizierte 175 Metaboliten, neun signifikant verändert im Vergleich zu DD-Kontrollen.

Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) ergab eine schwache Trennung und minimale Abdeckungsrate. Darüber hinaus waren die Spiegel der meisten Metaboliten nach konstanter BL-Exposition reduziert.

LC-MS von BL-exponierten Fliegen für 14 Tage führte zur Identifizierung von 176 Metaboliten, von denen 30 im Vergleich zu DD-Kontrollen signifikant verändert waren. Dies weist darauf hin, dass signifikantere metabolische Veränderungen induziert wurden, wenn die Dauer der BL-Exposition zunahm.

Von den 30 Metaboliten wurden 21 herunterreguliert und neun hochreguliert. Mit Ausnahme von Uridindiphosphat-Glucose (UPD-Glucose), Hydroxypropionat und 3-Ureidopropanoat blieben die meisten Metaboliten, die nach 10 Tagen konstanter BL-Exposition verändert waren, auch nach 14 Tagen signifikant verändert. Die Riboflavin- und Succinatspiegel zeigten die signifikantesten Reduktionen bzw. Erhöhungen aller Metaboliten.

GC-MS von 14 Tage lang BL-exponierten Fliegen wies insgesamt 87 Metaboliten nach, von denen 10 signifikant verändert waren. Die konstante Exposition gegenüber BL reduzierte auch die Metabolitenspiegel.

Insgesamt wurden fünf herunterregulierte und fünf hochregulierte Metaboliten nachgewiesen. Es gab signifikante Unterschiede in den Konzentrationen von Beta-Alanin, Glycerin-3-phosphat (G3P) und Succinat. Signifikante Veränderungen wurden auch bei Metaboliten von 3-Aminoisobutansäure, Threonin, Citrat, Isoleucin und Homoserin festgestellt.

Sowohl LC-MS als auch GC-MS an Fliegen mit konstanter BL-Exposition zeigten, dass Succinat einer der am stärksten erhöhten Metaboliten ist, was auf eine beeinträchtigte Aktivität des Enzyms Succinat-Dehydrogenase (SDH) hindeutet. Wenn die SDH-Aktivität sowohl bei DD-Kontroll- als auch bei BL-exponierten Fliegen für 10 und 14 Tage bewertet wurde, wurde zu beiden Zeitpunkten eine signifikante Verringerung der SDH-Aktivität nach BL-Exposition beobachtet. Somit können SDH-Spiegel verwendet werden, um eine metabolische Beeinträchtigung zu bestimmen.

Der Metabolismus von Alanin, Aspartat und Glutamat (AAG) sowie der Tricarbonsäurezyklus (TCA), der Butanoatstoffwechsel und der Riboflavinstoffwechsel waren die am stärksten veränderten Stoffwechselwege nach BL-Exposition. Die BL-Exposition reduzierte auch signifikant die Spiegel vieler nicht-essentieller Aminosäuren wie Aspartat, Glutamat, Asparagin, Alanin und Arginosuccinat.

Metaboliten des TCA-Zyklus wie Acetoacetat, Citrat und von Glukose abgeleitetes Pyruvat waren nach konstanter BL-Exposition signifikant reduziert, was auf schwere Beeinträchtigungen der Energieproduktion nach BL-Exposition hindeutet.

Die BL-Exposition führte auch zu einem signifikanten Anstieg der Adenindiphosphat (ADP)-Spiegel. Umgekehrt waren die Adenintriphosphat (ATP)-Spiegel nach 14 Tagen konstanter BL-Exposition in einem größeren Ausmaß reduziert als nach 10 Tagen BL-Exposition. Beide ATP-Reduktionen bezogen sich auf die der DD-Kontrollfliegen.

Eine signifikante Neurodegeneration wurde auch bei Fliegen nach einer 14-tägigen BL-Exposition beobachtet. Insbesondere wurden signifikante Reduktionen der inhibitorischen Gamma-Aminobuttersäure (GABA), exzitatorischen Glutamat-, Histamin- und Alaninspiegel beobachtet.

Es wurde kein signifikanter Unterschied zwischen den Dopamin- und Acetylcholinspiegeln bei DD-Kontrollfliegen und den BL-exponierten Fliegen beobachtet. Allerdings waren die Serotoninspiegel bei BL-exponierten Fliegen leicht erhöht. Diese Befunde deuten auf ein Ungleichgewicht der Neurotransmitter im mutierten augenlosen D. melanogaster hin.

Glutamat, das eine wichtige Rolle bei der metabolischen Homöostase spielt, war bei BL-exponierten Fliegen ebenfalls mangelhaft. Um die Rolle des Glutamatmangels bei der Beschleunigung der Alterung von BL-exponierten Fliegen zu bestätigen, wurde die Nahrung der Fliegen mit 200 und 400 Mikrogramm (µg)/ml Glutamat ergänzt.

Eine Dosis von 200 µg/ml Glutamat hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Lebensdauer von BL-exponierten Fliegen. Im Vergleich dazu verkürzte eine 400-µg/ml-Ergänzung die Lebensdauer von Fliegen im Vergleich zu Kontrollen, denen kein Glutamat zugesetzt wurde.

Riboflavin, das auch als Vitamin B2 bekannt ist, war der am stärksten verminderte Metabolit nach konstanter BL-Exposition. Die Wirkungen einer Riboflavin-Ergänzung auf mutierte Fliegen nach chronischer BL-Exposition wurden getestet. Zu diesem Zweck verkürzten sowohl 200 als auch 400 µg/ml Riboflavin die Lebensdauer von Fliegen im Vergleich zu Kontrollen, die nicht ergänzt wurden.

Schlussfolgerungen

Die aktuelle Studie liefert neue Einblicke in die Mechanismen, durch die BL lebenswichtige Stoffwechselwege und spezifische Prozesse in Drosophila melanogaster beeinflusst, insbesondere in Zellen, die nicht auf Phototransduktion spezialisiert sind.

Referenz:

• Yang, J., Song, Y., Law, A., et al. (2022). Chronisches blaues Licht führt bei Drosophila zu einer beschleunigten Alterung, indem es den Energiestoffwechsel und die Neurotransmitterspiegel beeinträchtigt. Grenzen im Alter. doi:10.3389/fragi.2022.983373.

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