黃芪皂甙Ⅳ對(duì)大鼠腦缺血/再灌注損傷海馬神經(jīng)元凋亡及Livin、Caspase-9、Caspase-3表達(dá)的影響

王 瑩,李文媛,李明秋,丁 利,管業(yè)秋,趙斯達(dá)

(牡丹江醫(yī)學(xué)院解剖教研室,黑龍江牡丹江157011)

腦缺血后恢復(fù)腦血流是治療腦缺血最關(guān)鍵的方法,但再灌注后可加重缺血腦組織的損傷,這種損傷以凋亡為主,因此減少缺血/再灌注后神經(jīng)元凋亡為重要的腦保護(hù)機(jī)制。細(xì)胞凋亡線(xiàn)粒體通路中重要酶Caspase-9和Caspase-3在線(xiàn)粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中起著重要的作用[1]。通過(guò)干預(yù)線(xiàn)粒體通路,可阻斷細(xì)胞凋亡的進(jìn)程。Livin作為一種新發(fā)現(xiàn)的凋亡抑制蛋白(IAP)能夠干預(yù)線(xiàn)粒體通路,發(fā)揮抑制細(xì)胞凋亡的作用[2]。但對(duì)于Livin、Caspase-9和Caspase-3在腦缺血再灌注損傷中的作用研究較少。黃芪皂甙Ⅳ是一種純化小分子皂甙(分子量784),作為黃芪的主要活性成分,已被廣泛的應(yīng)用于缺血性腦血管病的治療[3],能夠促進(jìn)腦缺血損傷的神經(jīng)功能恢復(fù)。但關(guān)于黃芪皂甙Ⅳ在腦缺血中抑制細(xì)胞凋亡的機(jī)制研究尚不明確。本研究通過(guò)建立大鼠大腦中動(dòng)脈缺血(MCAO)模型,觀(guān)察黃芪皂甙Ⅳ對(duì)大鼠海馬區(qū)神經(jīng)細(xì)胞凋亡及Livin、caspase-9、caspase-3表達(dá)的影響,探討黃芪皂甙Ⅳ抑制細(xì)胞凋亡的作用機(jī)制,為黃芪皂甙Ⅳ臨床治療腦缺血再灌注損傷提供新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 動(dòng)物 雄性SD大鼠42只,清潔級(jí),體質(zhì)量280～320 g,購(gòu)于中國(guó)醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心(許可證號(hào):SYXK[遼]2003-0013)。

1.2 試劑與藥物 黃芪皂甙Ⅳ(西安賽邦醫(yī)藥),純度98%。用時(shí)以生理鹽水配成質(zhì)量濃度1.0 mg/mL。尼莫地平注射液(河北醫(yī)科大學(xué)制藥廠(chǎng)),20 mg/100 mL,用時(shí)以生理鹽水配成質(zhì)量濃度為0.1 mg/mL。Livin、Caspase-9和Caspase-3多克隆抗體、免疫組化SP試劑盒、TUNEL試劑盒購(gòu)于北京中山生物試劑公司;TRI-zol試劑、SuperscriptII反轉(zhuǎn)錄酶、dNTPs購(gòu)自Invitrogen公司;TaqDNA聚合酶、DL 2000 DNA標(biāo)志物購(gòu)自Takara公司;Livin、Caspase-9、Caspase-3和β-actin引物由大連寶生物合成。

1.3 動(dòng)物模型制備與分組 大鼠按體質(zhì)量分層,隨機(jī)分為4組:假手術(shù)組(n=6)、模型組(n=12)、尼莫地平對(duì)照組(n=12)、黃芪皂甙Ⅳ組(n=12)。參照宮健偉等[5]的線(xiàn)栓改良法復(fù)制大鼠左側(cè)大腦MCAO腦缺血模型。各組于缺血前5 min第1次給藥,腹腔注射,缺血后12、24、48 h給藥3次,共給藥4次。黃芪皂甙Ⅳ給藥劑量為20 mg/kg,尼莫地平注射液給藥劑量為1 mg/kg,均為臨床等效劑量。假手術(shù)組和模型組給予等體積生理鹽水。術(shù)后當(dāng)日給大鼠飲水,次日開(kāi)始自由飲食。

1.4 神經(jīng)功能評(píng)估 采用Chen等[6]報(bào)道的神經(jīng)功能損害評(píng)分表(neurological severity scores,NSS),從運(yùn)動(dòng)、感覺(jué)、反射、平衡4方面進(jìn)行神經(jīng)功能損害評(píng)估,22分為最嚴(yán)重的神經(jīng)功能損害,即評(píng)分越高神經(jīng)功能損害越嚴(yán)重。缺血后3 d各組大鼠分別進(jìn)行NSS評(píng)分。

1.5 免疫組織化學(xué)檢測(cè) 缺血后3 d,取腦組織行冰凍切片,在視交叉后1～4 mm處冠狀切面切開(kāi),在海馬齒狀平面連續(xù)冠狀切片,片厚4 μ m。組織薄片以PBS漂洗2次,0.5%過(guò)氧化氫孵育10 min;PBS漂洗3次,正常山羊血清37℃孵育15 min后,滴加稀釋后的一抗Livin(1∶100)、Caspase-3(1∶150),Caspase-9(1∶150),4℃過(guò)夜。滴加生物素標(biāo)記體,30 min,37℃。滴加過(guò)氧化物-鏈霉素卵白素37℃,30 min。DAB顯色液顯色。蘇木精復(fù)染,以PBS代替一抗作陰性對(duì)照。鏡下觀(guān)察并攝片。陽(yáng)性率的定量分析:每個(gè)標(biāo)本取4張切片,400倍光鏡下每張切片在海馬隨機(jī)選5個(gè)視野,用計(jì)算機(jī)圖像分析系統(tǒng)(HPIAS-1000)對(duì)各組陽(yáng)性細(xì)胞進(jìn)行IOD值分析。

1.6 凋亡神經(jīng)元的檢測(cè) 采用原位末端TUNEL標(biāo)記法檢測(cè)。將甲醛固定大鼠海馬組織標(biāo)本常規(guī)脫水,石蠟包埋,連續(xù)切片,厚4 μ m,脫蠟后按照In situ-Apoptosis Detection Kit說(shuō)明書(shū)操作;陰性對(duì)照采用pH 7.2～7.6,0.01 mol/L PBS代替TUNEL反應(yīng)液。陽(yáng)性率的定量分析:每個(gè)標(biāo)本取4張切片,每張切片在海馬隨機(jī)選5個(gè)視野,400倍光鏡下應(yīng)用目鏡陽(yáng)性細(xì)胞所占的百分比。細(xì)胞凋亡指數(shù)(apoptosis index,AI)=凋亡陽(yáng)性細(xì)胞總數(shù)/細(xì)胞總數(shù)。

1.7 實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)

1.7.1 總RNA提取 每組取6只在水合氯醛麻醉下,經(jīng)心臟灌流焦碳酸二乙酯(DEPC)處理的生理鹽水,以沖凈血液。取大鼠缺血側(cè)海馬區(qū)腦組織50mg,置于液氮中冷凍,采用Trizol法提取總RNA。進(jìn)行RNA純度鑒定。

1.7.2 采用嵌合熒光檢測(cè)法 以O(shè)LIGO六聚體為逆轉(zhuǎn)錄引物,以提取的總RNA為模板,在A(yíng)MV催化下反轉(zhuǎn)錄出cDNA。根據(jù)TAKARA Real time PCR試劑盒與擴(kuò)增儀說(shuō)明,采用50 μ L反應(yīng)體系:引物設(shè)計(jì)及合成按照已報(bào)道的序列設(shè)計(jì)并合成Livin、Caspase-3、Caspase-9以及內(nèi)參照β肌動(dòng)蛋白β-actin的特異性引物。各引物的序列為:Livin:上游5'-CTGGGACCCGTGGGAAGAAC-3',下游5'-TCCTGGGCACTTTCAGAC TG-3',169bp。Caspase-3:上游5'-AATTCAAGGGACGGG TCATG-3',下游5'-GCTTGTGCGCGTACAGTTTC-3',100 bp。Caspase-9:上游5'-CCAGATGCTGTCCCAT ACC-3',下游5'-ATTGGCGACCCTGAGAAG-3',228bp。β-actin:上游5'-TGGTGGGT ATGGGTCAGAAGGACTC-3',下游5'-CATGGCTGGGGTGTTGAAGGTCTCA-3',265 bp。總反應(yīng)體系包括cDNA 4 μ L,1 mmol/LdNTPs 10 μ L,10 xTaq聚合酶buffer 5 μ L,上下游引物各2 μ L(10 pmol/L),Mg2+3 μ L,去離子水18 μ L,TaqTM 25 μ L,放入Light Cycler定量PCR反應(yīng)儀,反應(yīng)條件:變性94℃30 s,退火54℃45 s,延伸72℃45 s,反應(yīng)循環(huán)數(shù)為45,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定量曲線(xiàn)對(duì)PCR產(chǎn)物定量分析。

1.7.3 每個(gè)標(biāo)本擴(kuò)增Livin、Caspase-3、Caspase-9基因同時(shí)都擴(kuò)增β-actin為對(duì)照,每次擴(kuò)增均設(shè)置pGEM-TCaspase3,pGEM-T-Caspase9,pGEM-T-β-actin,pGEM-TLivin質(zhì)粒標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn);記錄標(biāo)本CT值,首先以各組標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)CT值,回歸出各自的回歸方程(Livin、Caspase-3,Caspase-9,β-actin),再由回歸方程計(jì)算出各標(biāo)本的目的基因表達(dá)量,計(jì)算出Livin、Caspase-3、Caspase-9和β-actin的平均CT值以及△CT值,通過(guò)2ΔΔCt方法進(jìn)行相對(duì)定量。

1.8 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 所得數(shù)據(jù)均采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行分析,連續(xù)型變量采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,多組間均數(shù)比較用單因素方差分析,2組間均數(shù)比較方差齊時(shí)用LSD法,方差不齊時(shí)用Games-Howell法。P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 神經(jīng)功能評(píng)分 假手術(shù)組神經(jīng)功能損害評(píng)分值為0,無(wú)神經(jīng)功能損害。黃芪皂甙Ⅳ組(8.21±0.89)分,其神經(jīng)功能損害評(píng)分低于模型組(10.06±0.96)分和尼莫地平組(11.06±0.96)分,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。

2.2 免疫組織化學(xué)染色和TUNEL染色 Livin、Caspase-3、Caspase-9陽(yáng)性細(xì)胞胞質(zhì)著色,呈棕黃色或棕褐色。假手術(shù)組海馬中未見(jiàn)Caspase-3、Caspase-9蛋白表達(dá),Livin蛋白有少量表達(dá)。模型組Livin蛋白也表達(dá)很少,與假手術(shù)組比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05),但Caspase-9和Caspase-3蛋白表達(dá)較假手術(shù)組顯著增加(P＜0.05)。與模型組和尼莫地平對(duì)照組比較,黃芪皂甙Ⅳ組Livin蛋白表達(dá)顯著增高(P＜0.05),Caspase-9和Caspase-3蛋白表達(dá)顯著下降(P＜0.05)。假手術(shù)組腦組織未見(jiàn)細(xì)胞凋亡。模型組、尼莫地平對(duì)照組、黃芪皂甙Ⅳ組均可見(jiàn)到海馬區(qū)細(xì)胞凋亡,凋亡細(xì)胞胞質(zhì)呈棕褐色,黃芪皂甙Ⅳ組凋亡指數(shù)明顯少于模型組和尼莫地平組,差別有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05),見(jiàn)表1。

2.3 實(shí)時(shí)熒光定量RT-PCR的擴(kuò)增效率檢測(cè) 假手術(shù)組海馬區(qū)中未見(jiàn)Caspase-3和Caspase-9 mRNA表達(dá),Livin mRNA表達(dá)較少,模型組Livin mRNA表達(dá)較假手術(shù)組無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但Caspase-9和Caspase-3 mRNA表達(dá)較假手術(shù)組比較(P＜0.05)。與模型組和尼莫地平對(duì)照組比較,黃芪皂甙Ⅳ組Livin mRNA表達(dá)顯著增高(P＜0.05),Caspase-9和Caspase-3 mRNA表達(dá)顯著下降(P＜0.05),見(jiàn)表2。

3 討論

腦缺血性損傷的機(jī)制和防治一直是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[7],海馬神經(jīng)元對(duì)缺血具有選擇性敏感,短暫性腦缺血即可導(dǎo)致該區(qū)神經(jīng)元的遲發(fā)性死亡(DND),所以海馬成為缺血性腦損傷研究的一個(gè)典型腦區(qū)。隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)短暫腦缺血后海馬出現(xiàn)DND與細(xì)胞凋亡密切相關(guān)。目前研究發(fā)現(xiàn),腦缺血神經(jīng)元凋亡受多種基因調(diào)控。天冬氨酸特異的半胱氨酸蛋白激酶家族(Caspase)是細(xì)胞凋亡過(guò)程中最重要的蛋白酶,迄今為止這一家族至少有14個(gè)成員,其中Caspase-9、Caspase-3是細(xì)胞凋亡線(xiàn)粒體通路中最重要的蛋白酶。線(xiàn)粒體通路是指氧自由基、鈣超載等凋亡刺激因素使線(xiàn)粒體通透性增加,線(xiàn)粒體跨膜電位下降,釋放細(xì)胞色素C(CytoC),CytoC主要激活Caspase-9進(jìn)而也激活下游的Caspase-3,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[8]。而Livin作為一個(gè)新的凋亡抑制蛋白能夠作用于線(xiàn)粒體途徑,可以直接與Caspase-9前體蛋白(proCaspase-9)和其激活形式結(jié)合從而抑制其活性,還可以直接結(jié)合并抑制Caspase-3的活性,阻斷他們依次裂解激活,同時(shí)阻斷了Caspase-3對(duì)proCaspase-9的反饋激活,抑制細(xì)胞的調(diào)亡[9]。本研究發(fā)現(xiàn),假手術(shù)組大鼠腦組織未見(jiàn)細(xì)胞凋亡、Caspase-9和Caspase-3的表達(dá),Livin表達(dá)很少。模型組可見(jiàn)到海馬神經(jīng)元細(xì)胞凋亡,Caspase-9、Caspase-3顯著表達(dá)(P＜0.05),且與凋亡分布一致。但模型組Livin表達(dá)較少,我們推測(cè)可能與腦缺血損傷后Caspase-9和Caspase-3表達(dá)增強(qiáng)并與之結(jié)合有關(guān)。

表1 海馬區(qū)神經(jīng)元細(xì)胞凋亡指數(shù)及Livin、Caspase-9、Caspase-3蛋白平均光密度值(OD)比較(±s,n=6)

表1 海馬區(qū)神經(jīng)元細(xì)胞凋亡指數(shù)及Livin、Caspase-9、Caspase-3蛋白平均光密度值(OD)比較(±s,n=6)

注:與假手術(shù)組比較,##P＜0.01;與模型組比較,△P＜0.05。

?

表2 海馬區(qū)Livin、Caspase-9、Caspase-3 mR NA相對(duì)表達(dá)(2-Δ ΔCt值)比較(±s,n=6)

表2 海馬區(qū)Livin、Caspase-9、Caspase-3 mR NA相對(duì)表達(dá)(2-Δ ΔCt值)比較(±s,n=6)

注:與假手術(shù)組比較,##P＜0.01;與模型組比較,△P＜0.05。

?

本實(shí)驗(yàn)中,黃芪皂甙Ⅳ組的神經(jīng)功能恢復(fù)明顯優(yōu)于尼莫地平對(duì)照組和模型組,提示黃芪皂甙Ⅳ具有神經(jīng)保護(hù)作用,這為黃芪皂甙Ⅳ治療缺血性腦損傷提供了行為學(xué)上的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。盡管黃芪皂甙Ⅳ在腦缺血損傷條件下能夠發(fā)揮多種作用,但其在腦缺血再灌注后對(duì)細(xì)胞凋亡的作用機(jī)制仍不明確。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與尼莫地平對(duì)照組和模型組相比較,黃芪皂甙Ⅳ能明顯上調(diào)Livin表達(dá),下調(diào)Caspase-9和Caspase-3表達(dá),降低神經(jīng)元細(xì)胞凋亡指數(shù)。但Caspase-9、Caspase-3表達(dá)下調(diào)是由于黃芪皂甙Ⅳ直接抑制Caspase-3和Caspase-9表達(dá),還是因黃芪皂甙Ⅳ上調(diào)Livin從而抑制Caspase-9、Caspase-3活性所致,仍有待進(jìn)一步研究。

綜上所述,黃芪皂甙Ⅳ可能通過(guò)上調(diào)海馬區(qū)Livin表達(dá),下調(diào)Caspase-9和Caspase-3表達(dá),抑制細(xì)胞凋亡線(xiàn)粒體途徑,來(lái)減少腦缺血后神經(jīng)元凋亡,對(duì)腦缺血損傷發(fā)揮保護(hù)作用。

[1]Liu Y,Sercombe R,Xie D.Inhibition of caspase-9 activation andapoptosis is involved in ischemic preconditioning-induced neuroprotection in rat brain[J].Neurol Res,2007,29(8):855-861.

[2]梁春艷,馬萍.凋亡抑制蛋白Livin抗癌新靶點(diǎn)[J].現(xiàn)代腫瘤醫(yī)學(xué),2008,6(16):1055-1057.

[3]Luo Y,Qin Z,Hong Z,et al.Astragaloside IV protects against ischemic brain injury in a murine model of transient focal ischemia[J].Neurosci Lett,2004,363:218-223.

[4]王瑩,李文媛,鄭海星,等.黃芪皂甙Ⅳ對(duì)大鼠腦缺血/再灌注損傷海馬神經(jīng)元凋亡及相關(guān)基因表達(dá)的影響[J].中國(guó)臨床保健雜志,2011,14(4):401-403.

[5]宮健偉,葉蕾.補(bǔ)陽(yáng)還五湯對(duì)腦缺血再灌注大鼠腦組織NO及NOS的影響[J].長(zhǎng)春中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào),2010,26(6):819.

[6]Chen J,Sanberg PR,Li Y,et al.Intravenous administration of human umbilical cord blood reducesbehavioral deficits after stroke in rats[J].Stroke,2001,32(3):2682-2688.

[7]崔海月,王慶國(guó).缺血性腦血管病發(fā)病機(jī)制的新進(jìn)展[J].長(zhǎng)春中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào),2009,25(2):291-292.

[8]袁長(zhǎng)青,丁振華.Caspase的活化及其在細(xì)胞凋亡中的作用[J].生理學(xué)進(jìn)展,2002,33(3):220-224.

[9]王瑩,李文媛,楊春壯.黃芪皂甙Ⅳ聯(lián)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)大鼠腦缺血再灌注海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡及Livin、Caspase-9蛋白的影響[J].中西醫(yī)結(jié)合心腦血管病雜志,2011,9(8):979-982.