李興偉,吳鑒明
(皖南醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)三系,安徽 蕪湖 241002)
酒精中毒是一種遍及全球的公共衛(wèi)生問題。酒精中毒可以因酒精毒性作用、代謝異常等因素而導(dǎo)致多系統(tǒng)的急、慢性病變。酒精中毒能夠?qū)е聶C(jī)體發(fā)生多種病理性改變,其中以腦損害最為突出,導(dǎo)致認(rèn)知功能的異常。已知環(huán)磷腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)通過CREB 133位磷酸化(p-CREB),通過對(duì)各種神經(jīng)活性蛋白的翻譯,最終影響學(xué)習(xí)記憶功能[1]。目前關(guān)于p-CREB與酒精染毒對(duì)學(xué)習(xí)記憶功能損傷的研究少見報(bào)道[2]。本研究通過測(cè)定不同濃度酒精對(duì)大鼠學(xué)習(xí)記憶功能的影響,以期闡明酒精攝入時(shí)間、劑量與神經(jīng)行為改變之間的關(guān)系以及行為學(xué)與病理變化的關(guān)系,探討亞急性酒精染毒大鼠的學(xué)習(xí)記憶與p-CREB表達(dá)的相關(guān)性。
1.1 動(dòng)物及分組 雄性SD清潔型大鼠(購于南京市江寧區(qū)青龍山動(dòng)物繁殖場(chǎng),合格證號(hào):2015668)60只,約7周齡,體重180~220 g。隨機(jī)平均分為4組:對(duì)照組(control group,C組),低濃度染毒組(low alcohol administration group,L 組),中濃度染毒組(moderate alcohol administration group,M 組),高濃度染毒組(high alcohol administration group,H組)。
1.2 方法 大鼠正常喂養(yǎng)1周后開始染毒。無水乙醇分別配制成酒精含量為0.16 g/ml(低濃度組)、0.32 g/ml(中濃度組)、0.48 g/ml(高濃度組)的溶液,按15 ml/kg體重進(jìn)行灌胃,對(duì)照組用15 ml/kg體重蒸餾水灌胃。第1周每天分兩次灌胃,每兩天間隔1 d,第2周改為每天灌胃1次,每3天間隔1 d。各組分別在灌胃14 d、21 d和28 d后行以下實(shí)驗(yàn)。
1.2.1 行為學(xué)實(shí)驗(yàn)
1.2.1.1 一般觀察 每周觀察記錄大鼠飲食、體重、睡眠和活動(dòng)等。
1.2.1.2 Morris水迷宮實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)前訓(xùn)練:酒精溶液灌胃前,在水迷宮中大鼠游泳訓(xùn)練,隨機(jī)選擇一個(gè)入水點(diǎn),將大鼠面向池壁放入水中,3次分別從3個(gè)象限(目標(biāo)象限除外)的入水點(diǎn)入水,直至大鼠入水后能夠找到平臺(tái)。歷時(shí)3 d,第1天讓大鼠自由游泳2 min。從第2天起,每天訓(xùn)練3次,每次間隔1 h。
潛伏期(定位航行實(shí)驗(yàn),反映空間記憶的獲得和參照物記憶能力):即大鼠由入水到爬上隱匿平臺(tái)的時(shí)間(s)。如果大鼠在120 s內(nèi)未找到平臺(tái),將其引至平臺(tái)上放置20s,這時(shí)潛伏期記為120 s。
尋求正確次數(shù)(空間搜索實(shí)驗(yàn),檢測(cè)空間記憶的保持和工作記憶能力):撤去平臺(tái),即大鼠2 min內(nèi)經(jīng)過原平臺(tái)位置上方水域(探索策略)的次數(shù),得出目標(biāo)象限時(shí)間/總時(shí)間。
1.2.2 血液酒精濃度檢測(cè) 不同天數(shù)的染毒大鼠,水迷宮試驗(yàn)結(jié)束后戊巴比妥腹腔麻醉,心腔取血,用氣相色譜儀(HP6890)檢測(cè)大鼠血液酒精濃度。
1.2.3 海馬組織的病理學(xué)觀察 取血后的大鼠經(jīng)心臟快速灌注沖洗生理鹽水約250 ml,再用4%多聚甲醛(PBS配制,pH 7.4)約500 ml灌注沖洗固定,取全腦,在4%多聚甲醛中固定20 h,脫水、包埋、切片,HE染色,光鏡觀察組織細(xì)胞形態(tài)。
1.2.4 p-CREB蛋白免疫組化染色 同以上(1.2.3)方法制作的切片,按照p-CREB蛋白免疫組織化學(xué)染色試劑盒說明,進(jìn)行免疫組化染色操作(SABC法)。
1.2.5 圖像分析 用Olympus顯微鏡和計(jì)算機(jī)影像分析系統(tǒng)進(jìn)行圖像分析。高倍(×400)視野下,利用0.2網(wǎng)形目鏡尺分別對(duì)大鼠海馬CA3區(qū)隨機(jī)選取5個(gè)視野,依次計(jì)數(shù)每個(gè)視野內(nèi)陽性細(xì)胞數(shù),以其平均值作為該切片層面的陽性細(xì)胞數(shù),以同一個(gè)動(dòng)物4個(gè)切片層面的平均陽性細(xì)胞數(shù)作為該動(dòng)物的陽性細(xì)胞數(shù),各組動(dòng)物再分別計(jì)算其組內(nèi)陽性細(xì)胞數(shù)。
1.2.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用方差分析,組間兩兩比較用SNK檢驗(yàn),對(duì)樣本的血液酒精濃度、海馬p-CREB陽性細(xì)胞數(shù)、行為學(xué)反應(yīng)三項(xiàng)結(jié)果,進(jìn)行相關(guān)分析。檢驗(yàn)水準(zhǔn):α =0.05,P <0.05為差異有顯著性。
2.1 一般觀察 染毒1周后,對(duì)照組及低濃度組大鼠灌胃操作順利,中濃度組和高濃度組灌胃有抗拒。對(duì)照組大鼠體重正常增長;低濃度多數(shù)大鼠出現(xiàn)體重過度增長;中、高濃度組多數(shù)大鼠出現(xiàn)精神萎靡,覓食及活動(dòng)減少,營養(yǎng)不良,毛發(fā)無光澤,體重增長緩慢或下降。
2.2 行為學(xué)檢測(cè)結(jié)果 見表1~4。
表1 酒精染毒前大鼠的學(xué)習(xí)記憶情況(±s,n=15)Tab 1 The conditions of learning and memory in rats before alcohol exposure(±s,n=15)
表1 酒精染毒前大鼠的學(xué)習(xí)記憶情況(±s,n=15)Tab 1 The conditions of learning and memory in rats before alcohol exposure(±s,n=15)
C、L、M、H分別代表對(duì)照組、低濃度組、中濃度組、高濃度組。右上角字母相同者表示SNK法比較P>0.05,字母不同者表示P<0.05,下同
項(xiàng)目 C L M H F值 P值潛伏期(s) 34.3 ±12.7a 42.6 ±18.5a 39.8 ±10.4a 36.4 ±14.2a 0.906 0.447 1.626 0.198尋求正確次數(shù) 5.13 ±1.96a 5.08 ±1.68a 5.58 ±1.62a 5.08 ±2.35a 0.190 0.903目標(biāo)象限時(shí)間/總時(shí)間 0.34 ±0.09a 0.35 ±0.11a 0.30 ±0.06a 0.31 ±0.09a
表2 酒精染毒14 d對(duì)大鼠學(xué)習(xí)記憶的影響(±s,n=15)Tab 2 Alcohol exposure for 14 days on learning and memory in rats(±s,n=15)
表2 酒精染毒14 d對(duì)大鼠學(xué)習(xí)記憶的影響(±s,n=15)Tab 2 Alcohol exposure for 14 days on learning and memory in rats(±s,n=15)
項(xiàng)目 C L M H F值 P值潛伏期(s) 28.0 ±11.1a 33.0 ±15.5a 45.3 ±19.3a 52.6 ±25.3b 3.597 0.022尋求正確次數(shù) 4.75 ±1.67a 3.67 ±1.61a 3.92 ±1.93a 4.08 ±1.51a 0.691 0.563目標(biāo)象限時(shí)間/總時(shí)間 0.40 ±0.07a 0.40 ±0.08a 0.44 ±0.18a 0.44 ±0.18a 0.266 0.850
表3 酒精染毒21 d對(duì)大鼠學(xué)習(xí)記憶的影響(±s,n=10)Tab 3 Alcohol exposure for 21 days on learning and memory in rats(±s,n=10)
表3 酒精染毒21 d對(duì)大鼠學(xué)習(xí)記憶的影響(±s,n=10)Tab 3 Alcohol exposure for 21 days on learning and memory in rats(±s,n=10)
項(xiàng)目 C L M H F值 P值潛伏期(s) 26.8 ±11.1a 41.4 ±18.7a 54.3 ±21.4b 60.1 ±28.4b 4.043 0.017尋求正確次數(shù) 5.75 ±1.76a 3.50 ±1.51b 3.13 ±0.99b 2.63 ±1.06b 3.856 0.020目標(biāo)象限時(shí)間/總時(shí)間 0.33 ±0.14a 0.18 ±0.08b 0.20 ±0.07b 0.25 ±0.09b 8.172 0.000
表4 酒精染毒28 d對(duì)大鼠學(xué)習(xí)記憶的影響(±s,n=5)Tab 4 Alcohol exposure for 28 days on learning and memory in rats(±s,n=5)
表4 酒精染毒28 d對(duì)大鼠學(xué)習(xí)記憶的影響(±s,n=5)Tab 4 Alcohol exposure for 28 days on learning and memory in rats(±s,n=5)
項(xiàng)目 C L M H F值 P值潛伏期(s) 13.3 ±4.03a 50.0 ±10.4b 72.5 ±32.0b 79.0 ±28.0b 7.303 0.005尋求正確次數(shù) 6.25 ±1.26a 2.00 ±0.82b 1.50 ±0.58b 1.25 ±0.96b 25.333 0.000目標(biāo)象限時(shí)間/總時(shí)間 0.38 ±0.03a 0.25 ±0.07b 0.23 ±0.01b 0.18 ±0.07b 11.071 0.001
表1表明,大鼠染毒前學(xué)習(xí)記憶差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。由表2~4可見,酒精染毒14 d,高濃度組大鼠潛伏期增加,與對(duì)照組相比差異顯著(P <0.05);酒精染毒21 d、28 d 時(shí),低、中、高濃度3組大鼠潛伏期增加,中、高濃度組2 min內(nèi)尋求正確次數(shù)減少、目標(biāo)時(shí)間/總時(shí)間下降低,與對(duì)照組比較均有顯著性差異(P<0.05)。
2.3 血液酒精濃度檢測(cè)結(jié)果 各組大鼠不同染毒天數(shù)的血液酒精濃度見表5。
表5 4組大鼠不同染毒天數(shù)的血液酒精濃度**(mg/100 ml,±s,n=5*)Tab 5 Blood alcohol concentration in rats of the 4 groups at diverse days of exposure to alcohol(mg/100 ml,±s,n=5*)
表5 4組大鼠不同染毒天數(shù)的血液酒精濃度**(mg/100 ml,±s,n=5*)Tab 5 Blood alcohol concentration in rats of the 4 groups at diverse days of exposure to alcohol(mg/100 ml,±s,n=5*)
* 每次按照序號(hào)取5只大鼠(n=5)采血,余下進(jìn)入下階段實(shí)驗(yàn);**最后一次灌胃1 h后取血,然后取腦檢測(cè)其他指標(biāo)
天數(shù) C L M H F值 P值14 d 0.00a 37.05 ±4.72b 66.95 ±15.88c 125.89 ±18.70d 292.358 0.000 90.714 0.000 21 d 0.00a 22.74 ±8.12b 35.37 ±4.56c 48.50 ±4.90d 76.878 0.000 28 d 0.00a 59.03 ±4.16b 104.17 ±9.82c 173.56 ±15.92d
2.4 病理學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.4.1 HE染色 高濃度14 d組及低、中、高濃度21 d、28 d組大鼠海馬CA1、CA3區(qū)及齒狀回神經(jīng)細(xì)胞均出現(xiàn)不同程度的排列不規(guī)則,層數(shù)減少,部分細(xì)胞體積增大,海馬細(xì)胞變性,數(shù)目減少,排列紊亂,尤其以高濃度28 d組較為明顯(圖1~4)。
2.4.2 海馬 p-CREB免疫陽性細(xì)胞的表達(dá) p-CREB免疫陽性細(xì)胞核呈圓形和橢圓形,大小不均,大多數(shù)顯色較深,光鏡下呈均質(zhì)狀,邊界清晰。對(duì)照組齒狀回顆粒層p-CREB免疫陽性細(xì)胞的體積小且密集,成典型的帶狀分布,CA3區(qū)的錐體細(xì)胞層的陽性細(xì)胞較顆粒層明顯減少且體積較大。酒精染毒14 d時(shí),對(duì)照組和低濃度組p-CREB表達(dá)明顯,海馬錐體細(xì)胞著色較深,中、高濃度組大鼠海馬p-CREB表達(dá)較對(duì)照組明顯下降(P<0.05);酒精染毒21、28 d時(shí),低、中、高濃度組大鼠海馬p-CREB表達(dá)較對(duì)照組明顯下降,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05,圖5~8)。
表6 大鼠海馬組織CA3區(qū)p-CREB陽性細(xì)胞數(shù)比較(±s,n=5*)Tab 6 Comparison of p-CREB positive cell number in CA3 zone of hippocampus(±s,n=5*)
表6 大鼠海馬組織CA3區(qū)p-CREB陽性細(xì)胞數(shù)比較(±s,n=5*)Tab 6 Comparison of p-CREB positive cell number in CA3 zone of hippocampus(±s,n=5*)
* 每次按照序號(hào)取5只大鼠(n=5)采血后解剖取腦組織,余下進(jìn)入下階段實(shí)驗(yàn)
14 d 21 d 28 d C 125.20 ±19.98a 125.20 ±19.98a 125.20 ±19.98a 0.006 0.000 0.000 L 109.00 ±8.66a 101.20 ±9.36b 85.80 ±5.63b M 104.20 ±10.89b 92.60 ±11.72b 72.00 ±11.68b H 90.00 ±9.67b 78.00 ±9.67b 54.00 ±8.28c F 值 6.139 10.896 28.787 P值
2.5 血液酒精濃度與p-CREB及行為學(xué)反應(yīng)的相關(guān)性 見表7、8。
表7 血液酒精濃度的p-CREB及行為學(xué)反應(yīng)相關(guān)性分析Tab 7 Pearson correlation analysis of blood alcohol concentration and p-CREB and behavioral responses
表7表明:除酒精染毒14 d大鼠血液酒精濃度與尋求正確次數(shù)相關(guān)性無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外,其余各組指標(biāo)與血液酒精濃度有相關(guān)性:隨著酒精濃度的增加,潛伏期延長,尋求正確次數(shù)減少、陽性細(xì)胞數(shù)下降,且具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
表8表明:酒精染毒14 d和28 d,大鼠血液酒精濃度與尋求正確次數(shù)的線性回歸關(guān)系無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),而與潛伏期、陽性細(xì)胞數(shù)線性回歸關(guān)系有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);酒精染毒21 d大鼠血液酒精濃度與潛伏期及尋求正確次數(shù)的線性回歸關(guān)系無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),而與陽性細(xì)胞數(shù)的線性回歸關(guān)系有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
表8 血液酒精濃度與p-CREB及行為學(xué)反應(yīng)的多因素線性回歸分析Tab 8 Multiple linear regression analysis of blood alcohol concentration and p-CREB and behavioral responses
3.1 亞急性酒精中毒動(dòng)物模型 已有研究者用體積分?jǐn)?shù)為30%的乙醇溶液按10 ml/kg劑量給實(shí)驗(yàn)小鼠灌胃,發(fā)現(xiàn)亞急性酒精中毒致小鼠學(xué)習(xí)記憶功能障礙及海馬突觸界面結(jié)構(gòu)可塑性退變[3]。本實(shí)驗(yàn)以 0.16 g/ml、0.32 g/ml、0.48 g/ml三種濃度酒精溶液,按15 ml/kg體重(生理鹽水作為對(duì)照),分別灌胃14 d、21 d、28 d后,檢測(cè)實(shí)驗(yàn)大鼠的學(xué)習(xí)記憶行為學(xué)反應(yīng)、p-CREB表達(dá)水平變化及海馬CA1、CA3區(qū)及齒狀回神經(jīng)細(xì)胞的病理形態(tài)學(xué)改變。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析顯示,上述三者與血液酒精濃度之間存在劑量-反應(yīng)的相關(guān)性。故認(rèn)為初步建立了亞急性酒精中毒的動(dòng)物模型。
3.2 酒精對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物行為學(xué)影響 Morris水迷宮(Morris water maze,MWM)是用于研究大鼠空間學(xué)習(xí)記憶的裝置,在研究動(dòng)物的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛應(yīng)用[4,5]。乙醇為低分子脂溶性物質(zhì),攝入乙醇1 h內(nèi)血液中乙醇含量達(dá)到最高,之后呈直線趨勢(shì)下降[6],故在酒精溶液灌胃后1 h之內(nèi)取血為宜。
本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各染毒組酒精灌胃不同天數(shù)后,隨著酒精劑量、時(shí)間的增加,大鼠記憶能力受到抑制,潛伏期延長,錯(cuò)誤次數(shù)增加,該抑制作用增強(qiáng)。酒精染毒14 d,高濃度組大鼠潛伏期增加,與對(duì)照組相比差異顯著(P <0.05);酒精染毒 21 d、28 d 時(shí),低、中、高濃度3組大鼠潛伏期增加,中、高濃度組2 min內(nèi)尋求正確次數(shù)減少、目標(biāo)象限時(shí)間/總時(shí)間下降低,與對(duì)照組比較均有顯著性差異(P<0.05)。表明高濃度組的血液酒精濃度(125.89 mg/100 ml)在14 d內(nèi)即已經(jīng)造成大鼠記憶再現(xiàn)障礙,低濃度組(39.61 mg/100 ml)、中濃度組(68.83 mg/100 ml)、高濃度組(115.98 mg/100 ml)在21 d內(nèi)可造成大鼠記憶再現(xiàn)障礙。文獻(xiàn)報(bào)道乙醇對(duì)小鼠學(xué)習(xí)記憶功能有明顯的抑制作用[7,8],本實(shí)驗(yàn)印證,這種抑制作用與染毒時(shí)間和血液酒精濃度存在相關(guān)性,即潛伏期和血液酒精濃度呈正相關(guān) (P<0.05);尋求正確次數(shù)和血液酒精濃度呈負(fù)相關(guān) (P<0.05)。
3.3 亞急性酒精中毒與p-CREB表達(dá) 在大腦細(xì)胞中表達(dá)的環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB),是一種具有轉(zhuǎn)錄因子功能的蛋白,參與長期記憶的形成和短期記憶向長期記憶轉(zhuǎn)化[1],CREB 133位磷酸化(p-CREB),可以啟動(dòng)下游基因轉(zhuǎn)錄,通過各種神經(jīng)活性蛋白的翻譯,最終影響單個(gè)神經(jīng)元和整個(gè)神經(jīng)元回路的功能,與學(xué)習(xí)記憶功能密切相關(guān)。Asher等在分子水平研究發(fā)現(xiàn),酒精導(dǎo)致CREB磷酸化水平升高[9];趙燕等研究急性酒精攝入海馬內(nèi) CREB磷酸化水平升高[2];又有研究[10,11]表明,慢性酒精暴露致鼠腦內(nèi) CREB 磷酸化水平降低,結(jié)果不完全一致。本實(shí)驗(yàn)觀察到,酒精染毒14 d時(shí),中、高濃度組大鼠海馬p-CREB表達(dá)較對(duì)照組明顯下降(P<0.05);酒精染毒21、28 d時(shí),低、中、高濃度組大鼠海馬p-CREB表達(dá)較對(duì)照組明顯下降(P<0.05)。顯示亞急性酒精染毒大鼠海馬內(nèi)CREB磷酸化水平下降,且海馬 CA3區(qū)p-CREB陽性細(xì)胞數(shù)和血液酒精濃度呈負(fù)相關(guān)(P<0.01)。因此認(rèn)為,大鼠海馬內(nèi)CREB表達(dá),可以作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物亞急性酒精中毒的一項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)。
3.4 亞急性酒精中毒的神經(jīng)病理改變 本實(shí)驗(yàn)觀察到高濃度染毒14 d及低、中、高濃度染毒21 d、28 d,大鼠海馬CA1、CA3區(qū)椎體細(xì)胞及齒狀回顆粒細(xì)胞均出現(xiàn)不同程度的排列不規(guī)則,層數(shù)減少;部分細(xì)胞體積增大,海馬細(xì)胞變性,數(shù)目減少,排列紊亂,以高濃度28 d組為明顯(圖3)。上述結(jié)果,與文獻(xiàn)報(bào)道[12]相吻合??梢哉J(rèn)為,大鼠海馬 CA1、CA3區(qū)椎體細(xì)胞及齒狀回顆粒細(xì)胞的變化,是亞急性酒精中毒的病理形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。
綜上所述,本研究通過酒精灌胃方式給大鼠染毒,運(yùn)用Morris水迷宮檢測(cè)大鼠學(xué)習(xí)記憶功能損傷情況,建立了亞急性酒精中毒致大鼠學(xué)習(xí)記憶障礙模型。發(fā)現(xiàn)亞急性酒精中毒對(duì)學(xué)習(xí)記憶損傷與染毒時(shí)間、濃度呈直線正相關(guān),可能通過調(diào)節(jié)海馬內(nèi)p-CREB蛋白表達(dá)來影響大鼠學(xué)習(xí)記憶能力。但海馬內(nèi)p-CREB如何調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)記憶過程尚不清楚,有待今后進(jìn)一步研究和探討。
(致謝:1、本實(shí)驗(yàn)中水迷宮部分在皖南醫(yī)學(xué)院細(xì)胞電生理研究室完成,由衷感謝導(dǎo)師汪萌芽教授的指導(dǎo)和秦雯同學(xué)的幫助;2、由衷感謝皖南醫(yī)學(xué)院法醫(yī)毒理教研室張武老師在酒精氣象色譜檢測(cè)中的指導(dǎo)。)
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