Lamivudina mejora el deterioro cognitivo en ratones SAMP8: integrando la evaluación farmacológica in vivo y la farmacología en red Ⅱ

May 29, 2023

3|RESULTADOS

3.1|3TC revierte la pérdida de peso corporal causada por el envejecimiento y mejora la puntuación de senescencia

Los cambios de peso corporal de los ratones en diferentes grupos experimentales se muestran en la Figura 1D. Los resultados mostraron que todos los ratones ganaron peso corporal en 4 semanas. Bajo una dieta estándar, los ratones SAMP8 tratados con 3TC aumentaron de peso más rápido que los tratados con vehículos. Los resultados de los puntajes de senescencia antes y después de los tratamientos con 3TC o vehículo mostraron que los puntajes de senescencia promedio de los ratones SAMP8 fueron relativamente más altos, mientras que el tratamiento con 3TC logró la tendencia inversa (Figura 1E). Los resultados de las puntuaciones relacionadas con la senescencia de cada grupo de ratones recolectados el último día del experimento mostraron que los ratones SAMP8 tratados con 3TC mostraron mejoras significativas en varias puntuaciones de senescencia, incluido el brillo de la piel (p < 0. 01, t=3.901), la opacidad corneal (p < 0.01, t=4.753) y la úlcera de la córnea (p < 0.05 , t=6.125) (Tabla complementaria S1).

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3.2|3TC mejora el declive cognitivo de ratones SAMP8

Se llevaron a cabo las pruebas del laberinto de agua de Morris para evaluar laefectos cognitivosde 3TC (Figura 2). Los resultados de las trayectorias y los experimentos de navegación direccional durante cinco días consecutivos demostraron que los ratones SAMR1 mostraron latencias de escape significativamente más bajas que las de los ratones SAMP8 (p < 0.05, t=3. 194) (Figura 2A–B). Sin embargo, en el tercer y quinto día, las latencias de escape de los ratones SAMP8 tratados con 3TC fueron significativamente más cortas en comparación con los ratones SAMP8 tratados con vehículo (p < 0.05, t=3.115), mientras que no hubo resultados estadísticos. se reveló significación en comparación con el grupo SAMR1. Aunque la velocidad de natación de los ratones SAMP8 tratados con 3TC el primer día fue significativamente más rápida que la de los otros dos grupos, no se detectaron diferencias significativas entre los tres grupos experimentales en los siguientes 4 días de los experimentos (Figura 2C).

Los resultados de los ensayos de sonda y la trayectoria en el sexto día mostraron que tanto el grupo SAMR1 como el grupo SAMP8 tratado con 3TC pasaron más tiempo en el cuadrante objetivo que el grupo SAMP8 tratado con vehículo (p < 0).{{ 19}}5, t=4.512, Figura 2D-E). Además, el número de cruces también fue mayor tanto en los ratones SAMR1 como en el grupo SAMP8 tratado con 3TC que en el grupo SAMP8 tratado con vehículo, y se reveló una diferencia estadísticamente significativa entre los grupos con y sin tratamiento con 3TC (p < 0.05, t=5.79; Figura 2F). El grupo SAMP8 tratado con vehículo mostró las latencias más altas para encontrar la plataforma bajo el agua entre todos los grupos con una diferencia estadísticamente significativa revelada entre los grupos tratados y no tratados con 3TC (p < 0.05, t=4.415; Figura 2G).


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FIGURA 2 Los efectos del tratamiento con 3TC en las mejoras del deterioro cognitivo en ratones SAMP8. (A) Mapa de trayectoria de ratones después de ingresar al agua desde el segundo cuadrante durante la prueba de navegación de posicionamiento en el quinto día. (B) Latencia de escape en el experimento de navegación de posicionamiento para cada grupo. (C) Velocidad de natación de ratones en cada grupo en pruebas de comportamiento. (D) Mapa de trayectoria de ratones en el experimento de exploración espacial. (E) Porcentaje del tiempo total pasado en el cuadrante objetivo durante las pruebas de prueba en cada grupo. (F) El número de veces que los ratones cruzaron la plataforma en cada grupo en los ensayos de sonda. (G) Tiempo de escape al objetivo. Los datos se presentan como media ± SD. Prueba t de Student: *p < 0.05, **p < 0.01 y ***p < 0.001. ns: sin significación estadística. Los asteriscos negros o "ns" representan una comparación con el grupo de vehículos SAMR1 plus. Los asteriscos rojos o "ns" representan una comparación con el grupo de vehículos SAMP8 plus. Cada grupo constaba de un mínimo de ocho animales.


3.3|Genes objetivo de 3TC revelados por la PCR cuantitativa en tiempo real

Estudios previos han demostrado que 3TC puede reducir las señales de respuesta de SASP e IFN-I a las células del músculo liso de ratones que envejecen, pero no hay informes sobre los genes asociados de enfermedades neurológicas degenerativas en el tejido cerebral. Para explorar el efecto de 3TC en el cerebro de los ratones, investigamos la expresión de diez genes candidatos de interés en el hipocampo y la corteza de los ratones mediante PCR cuantitativa en tiempo real. En el hipocampo (Figura 3A), los genes significativamente regulados al alza para el envejecimiento (grupos de SAMR1 frente a SAMP8 tratados con vehículo) incluían un gen relacionado con el transposón (L1-ORF1, p <0). 05), tres genes de respuesta de IFN-I (Ifna, Irf7 y Oas1, p < {{20}}.05), dos genes relacionados con la EA (PS{ {19}} y APP, p < 0.01) y tres genes representativos de SASP (Il6, Mmp3 y Pai1, p < 0.01), mientras que la reducción significativa Los genes regulados para el tratamiento con 3TC (grupos de SAMP8 tratados con vehículo frente a SAMP8 tratados con 3TC) incluyeron un gen relacionado con el transposón (L1-ORF2, p < 0,05), dos genes de respuesta a IFN-I (Ifna y Oas1, p < 0,001) y tres genes SASP representativos (Il6, Mmp3 y Pai1, p < 0,01). Se obtuvieron resultados similares en la corteza, aunque la regulación positiva del gen relacionado con la EA disminuyó con el tratamiento de 3TC en la corteza en comparación con el hipocampo (p < 0,05; Figura 3B).

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3.4|3TC atenúa anomalías morfológicas y pérdida de neuronas en el hipocampo de ratones SAMP8 inducida por el envejecimiento

Aplicamos los métodos de tinción H & E y Nissl para investigar los cambios morfológicos causados ​​por 3TC en el hipocampo, que era el área clave de la cognición y la memoria. En comparación con el grupo de SAMR1 tratado con un vehículo, el grupo de SAMP8 tratado con un vehículo mostró una mayor tasa de eliminación de las neuronas del hipocampo, una disposición ligeramente desordenada de las células, concentración nuclear encontrada en algunas neuronas y leve edema del hipocampo. Estos daños mejoraron en los grupos tratados con 3TC (Figura 4A). Las pérdidas de células neuronales viables positivas para Nissl con cambios neuropatológicos típicos se observaron en el grupo SAMP8 según la tinción de Nissl, mientras que estos cambios se revirtieron parcialmente en el grupo de SAMP8 tratado con 3TC (Figura 4B-C). La muerte de neuronas en el hipocampo también se detectó mediante la tinción de TUNEL con la mayor y menor cantidad de células positivas para TUNEL (verde) observadas en el grupo de SAMP8 tratado con vehículo y el grupo de SAMR1 tratado con vehículo, respectivamente, mientras que el grupo de SAMP8 tratado con 3TC se reveló significativamente menos que el grupo de SAMP8 tratado con vehículo (Figura 4D-E).


3.5|Objetivos putativos de 3TC

El análisis de farmacología en red reveló un total de 269 proteínas como los objetivos predichos para 3TC con 164 identificadas por la base de datos Pharmmapper y 105 por la base de datos ChEMBL, respectivamente (Tabla complementaria S3). La red PPI se construyó sobre la base de los genes objetivo de 3TC utilizando la base de datos String con un total de 32 nodos centrales en la red identificados como los objetivos clave de 3TC en los ratones SAMP8 (Figura 5A). Usamos String 9.1 para imitar las interacciones entre las proteínas objetivo clave de 3TC para identificar tres grupos de proteínas con funciones similares (Figura 5B).

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3.6|Análisis de enriquecimiento de las redes objetivo clave de 3TC

3.6.1|Análisis de GO

El análisis de enriquecimiento GO de los genes objetivo identificados bajo el tratamiento de 3TC usando STRING reveló un total de 550 procesos biológicos con p < 0.05 (Figura 6A; Tabla complementaria S4), como el respuesta a ácido químico, la respuesta a especies reactivas de oxígeno y la regulación negativa del proceso apoptótico. El análisis GO también identificó un total de 23 componentes celulares con p < 0,01, como el sistema de endomembrana, la vesícula citoplasmática, la vesícula, la parte citoplasmática y la parte de la membrana plasmática (Tabla complementaria S5), mientras que un total de 69 funciones moleculares identificadas por Los análisis GO se agruparon en un total de 19 categorías (Tabla complementaria S6). Vale la pena señalar que el término de unión a la proteína tau, que se pensaba que estaba relacionado conenfermedad de alzheimer, mostró una relación significativa con 3TC (p < 0.05).

3.6.2|Vías metabólicas de las redes diana 3TC

El análisis KEGG evaluó un total de 109 vías de tratamiento significativas (p < 0.05; Figura 6B; Tabla complementaria S7) con muchas vías asociadas con cánceres, incluido el vías en el cáncer, carcinogénesis química, cáncer de próstata, proteoglicanos en el cáncer y los microARN en el cáncer. Se reveló que tres vías estaban relacionadas con la neuroinflamación, la muerte celular y la transducción de señales neuronales, incluidas la señalización de estrógenos (p < 0.0001), la inositida de fósforo 3-quinasa y la proteína quinasa B (PI3K/Akt) (p < 0,0001), y las vías de señalización de la interacción neuroactiva ligando-receptor (p < 0,001).27–29

3.6.3|Modo de enlace

Se realizaron estudios de acoplamiento entre 3TC y tres objetivos potenciales seleccionados, es decir, EGFR que representa la vía de señalización de estrógenos, AKT1 que representa la vía de señalización de P13K/Akt y ADRB2 que representa la vía de señalización de interacción neuroactiva ligando-receptor. Los resultados del análisis del modo de unión mostraron (Figura 6C) que los residuos de aminoácidos Thr854, Asn842, Arg841 y Glu762 de la proteína receptora EGFR interactuaban con moléculas pequeñas de ligandos 3TC para formar enlaces de hidrógeno, mientras que los residuos de aminoácidos Lys55, Val40, Ala53, Met111, Val158, Asn114, Leu168, Ser155, Asp169, Lys153, Asn156s y Gly35 formaron interacciones hidrofóbicas con pequeñas moléculas del ligando 3TC. Los residuos de aminoácidos Asp292, Glu191, His194, Glu198s y ​​Thr195 de la proteína receptora AKT1 formaron una interacción de enlaces de hidrógeno con 3TC, mientras que los residuos de aminoácidos Phe179, Leu295, Glu198 y Lys179 formaron una interacción hidrófoba con 3TC. Los residuos de aminoácidos Asp331 y Phe332 de ADRB2 interactuaron con 3TC para formar un enlace de hidrógeno, mientras que los residuos de aminoácidos Phe336, Ala335, Val54, Ala57, Ile58, Leu64, Asn69, Ile72 y Pro330 de ABRB2 formaron una interacción hidrófoba con 3TC. Estos resultados de los estudios de acoplamiento proporcionaron evidencia de la unión de 3TC a sus objetivos, lo cual fue importante para comprender el mecanismo de acción del fármaco. Además, realizamos experimentos in vitro para verificar los resultados del análisis bioinformático.


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FIGURA 3 Efectos del tratamiento con 3TC sobre las expresiones de genes candidatos en tejidos de cerebro de ratón. Los ratones se trataron con vehículo o 3TC continuamente durante 4 semanas. Para todas las condiciones, la expresión de L1-ORF1 y L1-ORF2, tres genes de respuesta IFN-I representativos (Ifna, Irf7 y Oas1), dosGenes relacionados con la enfermedad de Alzheimer(PS{{0}} y APP) y tres genes SASP representativos (Il6, Mmp3 y Pai1) en el hipocampo (A) y la corteza (B) se evaluaron mediante PCR cuantitativa en tiempo real con el perfil de expresión de genes mostrados en el histograma. Prueba t de Student: *p < 0.05, **p < 0,01 y ***p < 0,001. ns: sin significación estadística. Los asteriscos negros o "ns" representan una comparación con el grupo de vehículos SAMR1 plus. Los asteriscos rojos o "ns" representan una comparación con el grupo de vehículos SAMP8 plus.


3.7|3TC protege a las células HT22 de la citotoxicidad inducida por FA al regular una variedad de moléculas

Para explorar los efectos de 3TC como inhibidor de la transcriptasa inversa en neuronas senescentes in vitro, inducimos la senescencia en células HT22 con FA. Los resultados mostraron que LINE-1 se activó en las neuronas senescentes y esta tendencia se revirtió con 3TC (Figura 7A–B). Además, 3TC mostró un efecto antagonista sobre la muerte celular inducida por FA (Figura 7C). Como era de esperar, la estimulación de las células TH22 con FA durante 24 h resultó en una inhibición significativa en la expresión de EGFR, p-AKT1 y ADRB2 (p < 0.001), en comparación con el control no tratado , mientras que el cotratamiento con 3TC condujo a un aumento significativo de la expresión de EGFR, p-AKT1 y ADRB2 inducidos por FA (p < 0,001; Figura 7D,E).

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4|DISCUSIÓN

Las disminuciones cognitivas, especialmente la pérdida de memoria, generalmente se asocian con el envejecimiento natural. Elefectos del envejecimientoson particularmente pronunciados en la corteza prefrontal y el hipocampo, las áreas del cerebro que están involucradas críticamente en la cognición y el estado de ánimo.30 Los ratones SAMP8 se derivaron de la línea SAM-P/2 como un modelo de demencia de ratón que envejece rápidamente. Un estudio anterior mostró que los ratones SAMP8 exhibieron un deterioro cognitivo relacionado con la edad con una vida útil corta, mostrando déficits progresivos de aprendizaje y memoria, así como características neuropatológicas de demencia en la corteza prefrontal y el hipocampo.31 La vida útil de los ratones SAMP8 es casi la mitad de esa. de SAMR1, que se usaron como controles para el SAMP8.32 En nuestro estudio, los ratones SAMP8 se seleccionaron como un modelo animal ideal para investigar la disminución de la función cognitiva durante el envejecimiento, con los ratones homólogos SAMR1 que se desarrollan normalmente como un anti- grupo de control de senescencia

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FIGURA {{0}}TC disminuye la lesión neuronal en el hipocampo de ratones SAMP8. (A) Fotomicrografías de secciones de hipocampo teñidas con H y E para cada grupo de ratones (barra=50 μm). Las flechas negras marcan núcleos concentrados y las flechas azules marcan áreas donde las neuronas se pierden y se desorganizan gravemente. (B) Identificación de supervivencia neuronal mediante tinción de Nissl en el hipocampo (barra=20 μm). (C) La cantidad de células neuronales sanas en cada campo visual con cuerpos de Nissl densamente teñidos. (D) Imágenes de células apoptóticas marcadas con el ensayo TUNEL (verde) en cada grupo de ratones (barra=20 μm). (E) Cuantificación de células positivas para TUNEL en cada campo visual. Los datos se presentan como media ± SD. Prueba t de Student: ***p < 0,001. Los asteriscos negros representan una comparación con el grupo de vehículos SAMR1 plus. Los asteriscos rojos representan una comparación con el grupo de vehículos SAMP8 plus.


El envejecimiento generalmente hace que el cuerpo pierda peso debido a la pérdida de masa ósea, la atrofia muscular y la disfunción en el sistema digestivo.33 Nuestros resultados mostraron que 3TC alivió parcialmente la tendencia a la pérdida de peso. En comparación con los ratones no tratados, los ratones SAMP8 tratados con 3TC mostraron una tendencia a aumentar su peso corporal con la edad. Estos resultados son consistentes con los informados anteriormente, lo que sugiere que 3TC mejora la salud de los cuerpos de los ratones.34 Para evaluar de manera objetiva y precisa los efectos del tratamiento con 3TC en la mejora de lacaracteristicas de envejecimientode ratones, registramos las puntuaciones de senescencia durante el tratamiento. Nuestros resultados mostraron que con el aumento del tiempo de tratamiento con 3TC, los ratones SAMP8 mostraron una tendencia a desacelerar el envejecimiento. Específicamente, el tratamiento con 3TC jugó un papel importante en la mejora del brillo de la piel, la opacidad de la córnea y la úlcera de la córnea causada por el envejecimiento en ratones SAMP8. Estos resultados sugieren que el objetivo antisenescencia de 3TC existe en la piel y los tejidos de la córnea. Estudios previos confirmaron que L1 se usó como diana para mejorar las enfermedades degenerativas causadas por el envejecimiento, mientras que los inhibidores de la transcriptasa inversa, incluido 3TC, se usaron como inhibidores transponibles de L1.13 Hasta la fecha, el mecanismo molecular del papel de L1 en el sistema nervioso y el La posibilidad de tratar enfermedades relacionadas con el sistema nervioso como la EA mediante la regulación de L1 no se ha explicado de manera convincente. Además, los estudios han sugerido que la recombinación genética en el gen APP puede ser un evento clave en la patogenia de la EA esporádica, que es un tipo de demencia. requieren actividades de transcriptasa inversa de las funciones proteicas. Por lo tanto, los inhibidores de la transcriptasa inversa como el 3TC pueden desempeñar un papel en la prevención y el tratamiento de la EA que provoca el deterioro cognitivo. Esta especulación fue confirmada por nuestros resultados de los experimentos del laberinto acuático de Morris que investigan los efectos de 3TC en la capacidad cognitiva en ratones SAMP8.

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FIGURA 7 Los experimentos in vitro confirmaron las moléculas clave de 3TC contra la degeneración neuronal. La senescencia de las células HT22 de neuronas de ratón es inducida por formaldehído (FA). (A) Detección de inmunofluorescencia de LINE-1 ORF1p en grupos de control, FA y FA más 3TC (bar=20 μm). (B) Cuantificación del análisis de inmunofluorescencia en (A). (C) Cuantificación de las neuronas supervivientes por campo ×400 en varios grupos. (D) EGFR, p-AKT1 y ADRB2 se detectaron mediante análisis de transferencia Western. (E) Cuantificación del análisis de transferencia Western en (D). Prueba t de Student: ***p < 0,001. Los asteriscos negros representan una comparación con el grupo de control. Los asteriscos rojos representan una comparación con el grupo FA


Nuestros resultados de las pruebas del laberinto acuático de Morris mostraron que después de 5 días de entrenamiento de natación, los ratones SAMP8 que habían tomado 3TC por vía oral pudieron encontrar la plataforma oculta más rápido que los ratones SAMP8 no tratados. Teniendo en cuenta que los ratones tratados con 3TC mostraron un mayor peso corporal, lo que puede estar relacionado con el número de músculos esqueléticos, registramos la velocidad de nado de cada grupo de ratones para eliminar el efecto de la fuerza muscular. Aunque los ratones que tomaron 3TC nadaron más rápido que otros grupos el primer día de entrenamiento de natación, la diferencia no persistió en los siguientes 4 días. Por lo tanto, descartamos la influencia de la fuerza muscular en los resultados de las pruebas de laberinto de agua. De manera similar, los resultados del experimento de exploración espacial en el sexto día demostraron que los ratones SAMP8 tratados con 3TC mostraron una tendencia a encontrar la plataforma original de forma más activa que los ratones no tratados. Estos resultados sugieren que el tratamiento con 3TC mejora el deterioro cognitivo y de la memoria causado por el envejecimiento en ratones SAMP8. Para explorar los posibles mecanismos moleculares de 3TC que mejoran el envejecimiento cerebral, aplicamos PCR cuantitativa en tiempo real para medir los niveles de ARNm de genes candidatos en los tejidos corticales y del hipocampo de cada grupo de ratones. Nuestros resultados sugirieron que el tratamiento con 3TC inhibió la L1 inducida por el envejecimiento en el cerebro y disminuyó la expresión de genes relacionados con IFN, SASP y AD, lo que indica que el tratamiento con 3TC suprimió las vías de señal activadas por el envejecimiento. Nuestros resultados sugieren que 3TC puede mejorar la inteligencia y los fenotipos de envejecimiento al inhibir la transposición de L1 para, en última instancia, mejorar la inflamación crónica en el cerebro causada por el envejecimiento. Observamos que se necesitan más estudios para brindar un fuerte apoyo a estos mecanismos moleculares de mejorar el envejecimiento cerebral mediante el tratamiento con 3TC revelado en este estudio. En la actualidad, la investigación sobre el mecanismo farmacológico de los inhibidores de la transcriptasa inversa sobre las células nerviosas se está llevando a cabo en nuestro laboratorio utilizando modelos de células neuronales y gliales de envejecimiento in vitro.

Nuestros resultados de los experimentos de tinción de HE y Nissl indicaron que 3TC remedió la pérdida de neuronas en el hipocampo causada porenvejecimiento, mejorando en última instancia la neurodegeneración al rescatar a las neuronas de la muerte. Además, observamos más células apoptóticas en el hipocampo de los ratones SAMP8 en comparación con los ratones SAMR1. Nuestros resultados demostraron además que el tratamiento con 3TC redujo significativamente el número de células apoptóticas, probablemente debido al efecto directo de 3TC en las proteínas relacionadas con la vía apoptótica u otras moléculas aguas arriba.

El aprendizaje y la memoria son habilidades cognitivas importantes que involucran una red compleja de regiones cerebrales funcionales que trabajan juntas para administrar y procesar información. Por lo tanto, cualquier compuesto que muestre efectos en el cerebro debe tomarse con precaución y sus posibles objetivos deben entenderse por completo. El enfoque de farmacología de redes es una tecnología analítica sistemática que se utiliza para explorar las redes de interacción de múltiples factores, como enfermedades, fármacos, genes y objetivos proteicos. Realizamos los análisis de farmacología en red, incluidos los análisis de PPI y de enriquecimiento, basados ​​en un total de 269 objetivos potenciales (con 32 objetivos principales) de 3TC anotados utilizando las bases de datos Pharmmapper y ChEMBL. Nuestros resultados demostraron que 3TC puede desempeñar un papel importante en el mantenimiento de las funciones normales del sistema nervioso a través de la señalización de estrógenos y las vías de señalización de la interacción neuroactiva ligando-receptor y PI3K/Akt, lo que explica aún más los efectos de 3TC en la protección de las funciones nerviosas normales. e inhibiendo la muerte celular neuronal. Se seleccionaron moléculas representativas en las vías relevantes para llevar a cabo experimentos de acoplamiento molecular e in vitro para confirmar los resultados del análisis bioinformático. Para proporcionar más evidencia que respalde estos mecanismos moleculares especulados de 3TC que funcionan sinérgicamente con el sistema nervioso, se necesitan más estudios para identificar los componentes exactos involucrados y regulados en estas vías.

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Como parte deterapia antirretroviral(ART), 3TC ha sido ampliamente estudiado en los últimos años y ha sido aprobado para el tratamiento del virus de la hepatitis B crónica (HBV).35 Cabe señalar que si 3TC se usa para tratarlesiones neurodegenerativas relacionadas con el envejecimiento, es necesario considerar su toxicidad farmacológica debido a la debilidad del sistema inmunológico en poblaciones ancianas y pacientes con cáncer. Los estudios han demostrado que las reacciones adversas comunes de 3TC incluyen infección del tracto respiratorio superior, náuseas, vómitos, dolor abdominal y diarrea. Por lo tanto, la aplicación clínica de 3TC debe ser extremadamente cautelosa. En la actualidad, 3TC se puede utilizar como una herramienta farmacológica para estudiar mecanismos moleculares, pero no como una terapia putativa. En resumen, nuestro estudio ha demostrado por primera vez que 3TC mejora las funciones cognitivas de los ratones SAMP8 al revertir el envejecimiento del cerebro, proporcionando evidencia experimental para el uso de inhibidores de la transcriptasa inversa como tratamientos potenciales para enfermedades neurodegenerativas.


RECONOCIMIENTO

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (81670942, 81470704 y 81972057).

CONFLICTO DE INTERÉS Los autores declaran no tener ningún conflicto de interés.


REFERENCIAS

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