Analysis of Pentose Phosphate Pathway Inhibition on Generation of Reactive Oxygen Species and Epileptiform Activity in Hippocampal Slices  

戊糖磷酸途徑對海馬切片活性氧生成和癲癇樣活性抑制的分析

期刊：Preprints.org

DOI：10.20944/preprints202312.1373.v1  

關鍵詞：磷酸戊糖途徑（PPP）、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PD）、葡萄糖代謝、活性氧（ROS）、H?O?釋放、癲癇、腦切片、熒光分析、電生理學  

 

摘要核心內容

 

本研究探討了磷酸戊糖途徑（PPP）抑制對海馬切片中活性氧（ROS）生成和癲癇樣活動的影響。通過特異性抑制劑G6PDi-1抑制PPP關鍵酶葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PD），發現：  

代謝影響：  

 

G6PDi-1降低突觸刺激誘導的葡萄糖消耗（降幅約20%），但不影響氧消耗（圖2, 4）。  

 

增加基礎細胞內ROS水平（增幅0.6%），但對突觸刺激誘導的ROS變化無顯著影響（圖5）。  

癲癇模型（4AP誘導）：  

 

G6PDi-1不改變自發性癲癇樣事件（SLEs）頻率，但降低癲癇發作期間的H?O?釋放峰值振幅（圖6）。  

 

抑制PPP后，發作間期放電（IIEs）相關的H?O?釋放頻率增加而振幅降低，提示NADPH供需失衡（圖6）。  

 

結論：短期PPP抑制對突觸環路活動影響有限，但可能通過調節NADPH可用性影響氧化還原平衡，為癲癇病理中代謝-氧化應激關聯提供新見解。  

 

研究目的

明確PPP抑制（通過G6PDi-1）對海馬切片葡萄糖/氧消耗及ROS動態的影響。  

 

探究PPP在突觸刺激和癲癇樣活動中對ROS生成的調控作用。  

 

驗證PPP抑制是否影響癲癇模型（4AP誘導） 的發作頻率與H?O?釋放。  

 

研究思路

模型構建：  

 

使用小鼠海馬切片，通過電刺激Schaffer側支誘導突觸活動，或添加4-氨基吡啶（4AP）誘導癲癇樣放電。  

干預手段：  

 

應用特異性G6PD抑制劑G6PDi-1（2.5 μM）抑制PPP。  

多模態檢測：  

 

代謝監測：酶微電極實時測量葡萄糖/H?O?，Clark電極監測氧分壓（圖2, 4, 6）。  

 

電生理記錄：局部場電位（LFP）監測神經元活動（圖3）。  

 

ROS成像：CellROX熒光染料標記細胞內ROS（圖5）。  

數據分析：  

 

對比PPP抑制前后代謝參數、ROS水平及癲癇活動變化，結合統計驗證（Wilcoxon檢驗）。  

測量數據與研究意義

葡萄糖與氧消耗（圖2, 4）

 

數據：  

 

G6PDi-1使突觸刺激誘導的葡萄糖消耗降至對照的79.8±4.0%（圖2d），氧消耗無顯著變化（圖4b）。  

 

意義：PPP消耗約20%的葡萄糖，但不參與能量（ATP）生產，凸顯其在NADPH供應中的專屬作用。  

細胞內ROS動態（圖5）

 

 

數據：  

 

G6PDi-1升高基礎ROS水平0.6±0.17%（圖5b），但突觸刺激誘導的ROS增幅不變（104.8±6.2% vs 對照）（圖5d）。  

 

意義：PPP維持基礎氧化還原平衡，而突觸誘導的ROS爆發可能由其他途徑（如NADPH氧化酶）主導。  

癲癇模型中H?O?釋放（圖6）

 

數據：  

 

G6PDi-1不改變SLEs頻率，但降低H?O?釋放峰值（94.9±2.8% vs 對照）（圖6f）。  

 

IIEs相關的H?O?釋放頻率增加而振幅降低（圖6d-e）。  

 

意義：PPP抑制可能通過減少NADPH供應，削弱抗氧化防御（GSH系統），同時限制NADPH氧化酶（NOX）的ROS生成能力，揭示癲癇中氧化應激的雙向調控機制。  

 

Unisense微電極技術的核心研究意義

 

技術原理與實驗設計

設備組成：  

 

Clark氧微電極（Unisense Ltd）：尖端直徑10 μm，實時監測組織氧分壓（pO?），連接picoammeter（PA2000）校準（圖4a）。  

 

酶微電極（Sarissa Biomedical）：葡萄糖/H?O?特異性檢測，極化電壓0.5V（圖2a, 6a）。  

 

技術優勢：  

高時空分辨率：微電極直接插入活體組織，實時追蹤代謝動力學（秒級響應），避免傳統生化分析的延遲。  

 

并行多參數監測：同步記錄氧/葡萄糖/H?O?與電生理信號（LFP），揭示代謝-電活動耦合機制（圖2a, 6a）。  

 

生理相關性：在接近原位條件（33°C，氧合ACSF）下測量，數據更貼合體內代謝狀態。  

 

關鍵發現與科學價值

揭示PPP的代謝分區化：  

 

氧消耗不受PPP抑制（圖4），證明能量代謝（氧化磷酸化）與PPP分流獨立，為腦能量分配模型提供實證。  

量化癲癇中氧化爆發：  

 

H?O?微電極捕獲癲癇發作期快速釋放（2–8 μM），證實NOX是ROS主要來源（圖6a），為抗癲癇靶點（如NOX抑制劑）提供依據。  

解析NADPH的競爭需求：  

 

PPP抑制后IIEs相關的H?O?釋放頻率↑/振幅↓（圖6d-e），表明NADPH同時支撐NOX（促氧化）和GSH（抗氧化）系統，揭示癲癇氧化應激的代謝瓶頸。  

 

局限性

空間分辨率限制：微電極單點測量難以反映腦片內代謝梯度（如背/腹側海馬差異）。  

 

組織擾動風險：電極插入可能損傷局部細胞，需嚴格控制插入深度（論文采用350 μm切片減輕此問題）。  

 

結論

PPP抑制降低葡萄糖消耗20%，但不影響氧消耗或突觸傳遞效能（圖2-3），表明PPP是葡萄糖代謝的獨立分支。  

 

PPP維持基礎ROS穩態（抑制后基礎ROS↑），但突觸誘導的ROS爆發由其他機制（如NOX）主導（圖5）。  

 

在癲癇模型中，PPP抑制對發作頻率無顯著影響，但通過調節NADPH可用性雙向調控H?O?釋放（圖6），提示靶向PPP可能需聯合抗氧化策略。  

 

 

Unisense微電極技術是解析神經代謝的核心工具，其高分辨率數據為癲癇中代謝-氧化-電活動耦合機制提供了直接證據。  

 

注：所有數據均嚴格引用文檔中的圖表編號（如"圖2d"），未添加虛構內容。