范海玲,尹水貴,婁 普,任素偉,黃 勝,陳 翔
(1.溫州醫(yī)學(xué)院,2.溫州醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院育英兒童醫(yī)院,浙江溫州325027)
新生兒缺氧缺血性腦損傷(hypoxia/ischemia brain damage,HIBD)是新生兒期危害最大的常見病,病死率高,且常遺留下腦癱,后者以中樞性運(yùn)動(dòng)障礙為特征,常伴隨有認(rèn)知功能障礙等神經(jīng)功能缺陷,其在國內(nèi)外均有一定發(fā)病率且有增高趨勢,因其發(fā)病機(jī)理復(fù)雜,臨床治療棘手,因此尋找阻止腦損傷進(jìn)程,增強(qiáng)腦組織修復(fù)的治療策略對HIBD患兒具有重要的臨床意義。腺苷是一種內(nèi)源性神經(jīng)保護(hù)劑,近年來有關(guān)腺苷和腺苷受體A2A(adenosine A2Areceptor,A2AR)在成年鼠缺血性腦損傷中有神經(jīng)保護(hù)作用,研究發(fā)現(xiàn)A2AR拮抗劑可以對抗成年鼠缺血性腦損傷引起的神經(jīng)元凋亡[1],Li Wei等[2]發(fā)現(xiàn)敲除A2AR可以減少急性腦外傷受損引起的神經(jīng)元凋亡,因此A2AR可能在控制各種腦損傷引起的神經(jīng)元凋亡方面起著重要的作用,然而相關(guān)的機(jī)制目前還不明確。c-jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)信號(hào)通路是絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的其中一條,與細(xì)胞凋亡密切相關(guān)[3]。然而在A2AR敲除新生小鼠HIBD模型中有關(guān)神經(jīng)細(xì)胞凋亡機(jī)制的研究尚未見報(bào)道。因此本實(shí)驗(yàn)通過建立7日齡新生小鼠HIBD模型,模擬圍生期缺氧缺血性腦損傷的病理改變,進(jìn)一步動(dòng)態(tài)觀察HIBD后各時(shí)間點(diǎn)小鼠的神經(jīng)行為學(xué)和腦組織細(xì)胞形態(tài)學(xué)改變、神經(jīng)細(xì)胞凋亡以及P-JNK表達(dá)的變化,研究敲除A2AR對HIBD模型小鼠腦組織神經(jīng)細(xì)胞凋亡的影響并初步探討其可能的作用機(jī)制,為腺苷早期用于該類疾病引起的腦功能損害提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
TUNEL細(xì)胞凋亡原位檢測試劑盒(美國Roche公司),P-JNK兔單克隆抗體(CST公司),DAB顯色試劑盒(美國ZYMED公司),RSS-51W型氧氣監(jiān)測儀CYES-II(德國LEICA公司),體式顯微鏡 ST60(寧波舜宇儀器有限公司),BX51光學(xué)顯微鏡(日本Olympus公司),Image ProPlus 6.0彩色醫(yī)學(xué)圖像分析系(美國Media Cybernetics公司)等。
由美國波士頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子神經(jīng)藥理學(xué)研究所引進(jìn)A2AR敲除雜合子小鼠,在溫州醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心SPF級(jí)對引進(jìn)的雜合子小鼠進(jìn)行繁殖,根據(jù)基因型鑒定結(jié)果篩選A2AR敲除型(adenosine A2Areceptor knockout,A2ARKO)和 A2AR野生型(adenosine A2Areceptor wildtype,A2ARWT)小鼠供本實(shí)驗(yàn)使用。新生小鼠7日齡,雌雄不限,共80只。分組如下:敲除型假手術(shù)組(sham knockout,SKO)與野生型假手術(shù)組(sham wildtype,SWT),敲除型模型組(model knockout,MKO)與野生型模型組(modelwildtype,MWT),模型組分1 d,3 d,7 d,共8小組。新生小鼠入選標(biāo)準(zhǔn):體重(3±0.5)g,平面翻正反射成績高于正常值(2 s)兩倍或兩倍以上的小鼠要剔除。
參照經(jīng)典Rice-Vannucci法建立7日齡新生小鼠HIBD模型[4]。將小鼠仰臥固定于手術(shù)板上,4%水合氯醛腹腔內(nèi)麻醉后,在解剖顯微鏡下行頸部正中切口,分離出左側(cè)頸總動(dòng)脈,并用5-0號(hào)滅菌絲線遠(yuǎn)近端雙線結(jié)扎,縫合傷口。整個(gè)手術(shù)過程在10 min內(nèi)完成?;謴?fù)2 h后將小鼠置于37℃的恒溫密閉缺氧瓶內(nèi),并輸入8%氧氣和92%氮?dú)獾幕旌蠚怏w,缺氧1 h;缺氧結(jié)束后,將存活的小鼠返回母鼠身邊繼續(xù)哺乳喂養(yǎng)。假手術(shù)組:僅游離左頸總動(dòng)脈但不結(jié)扎且無缺氧處理。
1.4.1 短期神經(jīng)功能評(píng)定 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物造模后1 d,檢測三種新生小鼠特殊的發(fā)育反射[5]:(1)翻正反射(righting reflex):從小鼠仰臥位置開始計(jì)時(shí),到小鼠自行翻身成俯臥位、前后爪放平計(jì)時(shí)停止;(2)趨地反射(geotaxis reflex):將小鼠頭朝下置于傾斜度為40°斜坡上,記錄小鼠扭轉(zhuǎn)身體(90°)頭朝上所用的時(shí)間;(3)懸崖逃避反射(cliff aversion reflex):將小鼠前爪懸于桌面邊緣之外,桌面離地1 m,記錄小鼠扭轉(zhuǎn)身體(90°)離開桌面邊緣所用的時(shí)間,若(2)和(3)項(xiàng)反射在20 s內(nèi)不能完成,則剔除。另一方面,觀察模型組小鼠是否出現(xiàn)向右轉(zhuǎn)圈,若無,則剔除。
1.4.2 腦組織病理學(xué)檢測 到達(dá)規(guī)定時(shí)間點(diǎn)后,4%多聚甲醛經(jīng)心內(nèi)灌注固定腦組織,隨后切取含海馬的大腦組織塊置于4%多聚甲醛液中4℃固定24 h。常規(guī)脫水,石蠟包埋。選取海馬齒狀回互相環(huán)抱平面連續(xù)冠狀切片,切片厚3~4μm,每隔5張取1張切片,每只小鼠取2張切片分別做HE染色和尼氏染色,在光鏡下觀察。
1.4.3 神經(jīng)細(xì)胞凋亡檢測 每只小鼠取1張石蠟切片用TUNEL染色,按說明書進(jìn)行操作,DAB顯色,含棕褐色和棕黃色顆粒細(xì)胞為陽性(凋亡)細(xì)胞。每張切片用Olympus-BX51顯微鏡及圖像采集系統(tǒng)采集缺血側(cè)海馬CA1區(qū)(×400倍)光鏡下5個(gè)不重疊視野,應(yīng)用美國IPP 6.0圖像分析軟件對凋亡細(xì)胞陽性表達(dá)的區(qū)域測量累積光密度值(integrated optical density,IOD)。
1.4.4 SP法免疫組化檢測缺血側(cè)海馬 CA1區(qū) PJNK陽性細(xì)胞的表達(dá) 簡要步驟如下:每只小鼠隨機(jī)選5張切片脫蠟,3%H2O2于37℃15~20 min滅活內(nèi)源性酶,PBS洗5 min×3次;微波修復(fù)抗原 10 min,降至室溫,PBS洗 5 min×3次;滴加 P-JNK(1∶100)單抗單抗工作液,4℃孵育過夜,復(fù)溫 45 min,PBS洗5min×3次;滴加山羊抗兔IgG抗體-HRP多聚體二抗,37℃孵育30 min,PBS洗5 min×3次,經(jīng)DAB顯色,蘇木精復(fù)染,脫水、透明、封片,用PBS代替一抗作為陰性對照。結(jié)果判定:缺血側(cè)海馬CA1區(qū)P-JNK陽性表達(dá)細(xì)胞為胞漿、胞核均可呈現(xiàn)棕黃色。每只動(dòng)物隨機(jī)取免疫組化切片3張,Olympus-BX51顯微鏡及圖像采集系統(tǒng)采集每張切片缺血側(cè)海馬 CA1區(qū)(×400倍)光鏡下5個(gè)不重疊視野,用美國IPP 6.0圖像分析軟件測量累積光密度值(integrated optical density,IOD),再計(jì)算其平均光密度值(IOD/area),即 P-JNK陽性細(xì)胞表達(dá)的相對含量。
所有數(shù)據(jù)以均值 ±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,應(yīng)用SPSS 16.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。兩組間比較采用t檢驗(yàn),多組間比較用單因素方差(one-way ANOVA)分析,兩兩比較用 LSD-t檢驗(yàn),方差不齊的用 Dunnett’T3檢驗(yàn),兩變量的相關(guān)性采用Pearson線性相關(guān)分析。
2.1.1 新生小鼠HIBD神經(jīng)行為學(xué)的改變 (1)造模過程中小鼠的行為學(xué)改變:缺氧約10 min,動(dòng)物開始煩躁不安,缺氧15~20 min,出現(xiàn)呼吸加深加快,口唇發(fā)紺;約30 min大部分站立不穩(wěn),偶有激惹現(xiàn)象;40~50min大部分小鼠活動(dòng)明顯減少,平面翻正反射時(shí)間超過10 s,膚色蒼白發(fā)紺明顯;1 h時(shí)幾乎所有小鼠出現(xiàn)翻身不能、嗜睡。(2)短期神經(jīng)功能評(píng)定:實(shí)驗(yàn)動(dòng)物造模后1 d,模型組約80%的小鼠出現(xiàn)向右轉(zhuǎn)圈,與基因型無關(guān)。通過檢測三種新生小鼠特殊的發(fā)育反射,結(jié)果表明S組小鼠均未出現(xiàn)明顯的神經(jīng)功能缺損癥狀,M組小鼠完成翻正反射、趨地反射和懸崖逃避反射的時(shí)間明顯長于S組(P<0.01),均出現(xiàn)不同程度的神經(jīng)功能缺損癥狀,并且M1dKO組完成上述反射的時(shí)間均長于M1dWT組(P<0.01、P<0.05),各組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表 1)。
Tab.1 Effect of adenosine A2A receptor knockout(A2ARKO)on righting reflex and geotaxis reflex and cliff aversion reflex followed 1 day of newbornmice after hypoxia/ischemia brain damage(s,±s)
Tab.1 Effect of adenosine A2A receptor knockout(A2ARKO)on righting reflex and geotaxis reflex and cliff aversion reflex followed 1 day of newbornmice after hypoxia/ischemia brain damage(s,±s)
S:Sham;WT:Wildtype;KO:Knockout;M:Model*P<0.05,**P<0.01 vs Sham group;#P<0.05,##P<0.01 vs WT group
Group n Righting reflex Geotaxis reflex Cliff aversion reflex SWT 10 2.9000±0.7379 7.6000±0.7888 10.8000±1.1236 SKO 10 3.2000±0.6325 7.3000±0.2134 11.0000±1.0541 M1dWT 30 3.9667±0.5561** 13.6333±0.9353** 15.3667±0.8899**M1dKO 30 5.2000±0.6644**## 15.7667±0.3781**## 15.9667±1.3515**#
2.1.2 新生小鼠HIBD腦組織細(xì)胞形態(tài)學(xué)變化即腦組織病理光鏡結(jié)果 (1)HE染色結(jié)果:S組大腦海馬CA1區(qū)細(xì)胞排列整齊,細(xì)胞間質(zhì)均勻,細(xì)胞結(jié)構(gòu)正常,未見神經(jīng)細(xì)胞變性壞死等明顯病理變化。M組缺血側(cè)海馬CA1區(qū)結(jié)構(gòu)模糊,組織間隙明顯增寬,細(xì)胞和間質(zhì)水腫較嚴(yán)重,出現(xiàn)明顯空泡化;M1d組損傷最明顯。與MWT組比較,MKO組各時(shí)間點(diǎn)病理損傷均有不同程度的加重(圖1)。(2)尼氏染色結(jié)果:S組大腦海馬CA1區(qū)結(jié)構(gòu)清晰,細(xì)胞形態(tài)正常,排列整齊,尼氏小體呈深藍(lán)色斑塊狀,分布量多。M組缺血側(cè)海馬CA1區(qū)結(jié)構(gòu)模糊,細(xì)胞數(shù)減少,排列稀疏,細(xì)胞腫脹,甚至尼氏小體出現(xiàn)溶解、空泡化,尼氏小體大量脫失;M1d組損傷最明顯。與MWT組比較,MKO組各時(shí)間點(diǎn)細(xì)胞的腫脹及空泡化較明顯,尼氏小體的丟失量更多(圖2)。
2.1.3 TUNEL染色檢測凋亡神經(jīng)細(xì)胞結(jié)果 S組腦組織海馬CA1區(qū)有少許的凋亡細(xì)胞,而SKO組和SWT組無顯著性差異(P>0.05)。與 S組比較,M組缺血側(cè)海馬CA1區(qū)各時(shí)間點(diǎn)凋亡細(xì)胞均明顯增加,差異顯著(P<0.01)。M1d神經(jīng)細(xì)胞凋亡表達(dá)至高峰,隨后逐漸下降,MKO組和MWT組有相似的表達(dá)規(guī)律。與MWT組比較,MKO組神經(jīng)凋亡細(xì)胞表達(dá)的較多,各組差異顯著(P<0.01,圖 3)。
Fig.1 Hematoxylin-Eosin staining in ischemic hippocampus CA1 domain of newbornmice(×400)
Fig.2 Nissl’s staining in ischemic hippocampus CA1 domain of newbornmice(×400)
Fig.3 Expression ofnerve cellapoptosis in ischemic hippocampus CA1 domain of newbornmice.Brown staining represents positive expression in nuclei(TUNELDAB×400)
S組腦組織海馬CA1區(qū)有散在的P-JNK陽性細(xì)胞表達(dá),而 SKO組和 SWT組無顯著性差異(P>0.05)。與S組比較,M組缺血側(cè)海馬 CA1區(qū)各時(shí)間點(diǎn)P-JNK陽性細(xì)胞表達(dá)均明顯增加,差異顯著(P<0.01);M1d達(dá)高峰,隨后逐漸下降;與 MWT組比較,MKO組有較多的P-JNK陽性細(xì)胞表達(dá),以1 d為著(P<0.01),隨著時(shí)間的延長,P-JNK的陽性細(xì)胞越來越少,3 d時(shí)(P<0.05),7 d時(shí)(P>0.05,圖 4)。0.01vsWT group
Fig.4 Expression of P-JNK in ischemic hippocampus CA1 domain ofnewbornmice.Brown staining represents positive expression in cytoplasm and nuclei(Immunohistochemistry DAB×400)
大腦海馬CA1區(qū)的神經(jīng)細(xì)胞凋亡表達(dá)與P-JNK的陽性細(xì)胞表達(dá)呈顯著正相關(guān)(r=0.837,P<0.01,圖 5)。
Fig.5 Correlation analysis between expression of P-JNK and expression of nerve cell apoptosis in ischemic hippocampus CA1 of newbornmice(r=0.837,P<0.01)
圍生期(妊娠28周到生后4周)腦損傷是導(dǎo)致兒童腦性癱瘓,殘疾,精神發(fā)育遲滯、學(xué)習(xí)困難和癲癇等神經(jīng)功能障礙性疾病最主要的原因。例如,缺血、缺氧、黃疸、早產(chǎn)、出血、感染等均是圍生期主要致腦損害的危險(xiǎn)因素。生后7日齡的小鼠腦發(fā)育程度類似足月兒,缺氧的時(shí)間長短與腦損傷程度有關(guān),且重度腦損傷不利于腦保護(hù)作用的研究,故本實(shí)驗(yàn)采用的是腦缺血后缺氧1 h所導(dǎo)致的輕中度腦損傷,使用7日齡A2ARKO和A2ARWT小鼠制作HIBD模型進(jìn)行腦損傷發(fā)病機(jī)制的研究,初步探討敲除A2AR對新生小鼠HIBD所致神經(jīng)細(xì)胞凋亡的影響及可能的作用機(jī)制。新生鼠HIBD是整個(gè)腦組織經(jīng)歷缺血-缺氧-再灌注的病理生理過程,HIBD模型制作成功的指標(biāo)有:神經(jīng)行為異常、顯微鏡下腦組織病理形態(tài)學(xué)改變、神經(jīng)細(xì)胞大量凋亡等,本實(shí)驗(yàn)對這些指標(biāo)進(jìn)行檢測,結(jié)果表明:M組出現(xiàn)明顯的神經(jīng)行為異常;缺血側(cè)腦組織海馬CA1區(qū)在光鏡下顯示M組有明顯的缺血性病理改變,神經(jīng)細(xì)胞變性壞死甚至發(fā)生空泡化,尤以1 d組最明顯;同時(shí)發(fā)現(xiàn)M組神經(jīng)細(xì)胞凋亡較S組顯著增加。這些結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)成功建立新生小鼠HIBD模型。隨著時(shí)間的推移,病理變化均逐漸減輕,這一現(xiàn)象表明缺血性腦損傷再灌注期病理變化的減輕可能與神經(jīng)細(xì)胞的自身修復(fù)有關(guān)。
腺苷是中樞神經(jīng)系統(tǒng)普遍存在的一種神經(jīng)遞質(zhì),各種腦損傷時(shí),由于代謝負(fù)荷加重和組織反應(yīng)能力下降導(dǎo)致胞外腺苷濃度迅速上升,進(jìn)而產(chǎn)生一系列病理生理效應(yīng)。A2AR在海馬、皮層、紋狀體等處均有表達(dá),但海馬是缺血敏感區(qū)域,且與認(rèn)知密切相關(guān),故本實(shí)驗(yàn)選取A2AR敲除新生小鼠HIBD后缺血側(cè)海馬進(jìn)行神經(jīng)細(xì)胞凋亡機(jī)制的研究。有關(guān)新生大鼠G蛋白偶聯(lián)的A2AR研究發(fā)現(xiàn)出生時(shí)CGS 21680的結(jié)合位點(diǎn)是成年鼠的3,5日齡是成年鼠的15.5,15日齡是成年鼠的1/3,25日齡是成年鼠的75,CGS 21680的結(jié)合位點(diǎn)從出生后到成年逐漸增多,所以此結(jié)合位點(diǎn)越少,A2AR的親和力越高,推測早期的A2AR在腦發(fā)育過程中起重要作用[6]。Bona等[7]對7日齡大鼠進(jìn)行HIBD后給予非選擇性腺苷受體拮抗劑茶堿,A1R拮抗劑(DPCPX),A2AR拮抗劑SCH58261,14 d后發(fā)現(xiàn)茶堿和SCH58261有保護(hù)缺氧缺血性腦損傷的作用。腺苷作為一種內(nèi)源性神經(jīng)保護(hù)劑,我們的實(shí)驗(yàn)表明,在7日齡新生小鼠 HIBD后,與野生型小鼠相比較,敲除A2AR加重近期行為學(xué)障礙、腦組織病理損傷以及神經(jīng)細(xì)胞凋亡,且結(jié)果與 Adén U[8]的研究結(jié)果一致,卻與 Bona等[7]的結(jié)果相矛盾,推測可能與以下因素有關(guān):(1)受體的數(shù)量:新生鼠A2AR的數(shù)量較成年鼠少;(2)受體的功能:在新生鼠HIBD后使用抑制劑時(shí)尚有部分受體存在并且發(fā)揮作用。研究發(fā)現(xiàn)A2AR在成年鼠缺血性腦損傷中與新生鼠HIBD中的作用不同,推測可能是未成熟腦組織缺血性腦損傷的病理生理機(jī)制不同所造成。
c-jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)促進(jìn)細(xì)胞凋亡的機(jī)制有二:一是JNK使轉(zhuǎn)錄因子的活性增強(qiáng),促進(jìn) P53、Bax、FasL、TNF等促凋亡蛋白表達(dá);二是作用于線粒體的Bax途徑。JNK通路的激活與細(xì)胞凋亡關(guān)系密切,可介導(dǎo)氧化應(yīng)激、細(xì)胞因子、紫外線、蛋白質(zhì)合成抑制劑、滲透壓應(yīng)激等。缺血/再灌注模型中發(fā)現(xiàn)特異性腺苷A2AR拮抗劑SCH 58261可通過抑制MAPK通路的表達(dá)起到神經(jīng)保護(hù)作用[17],而且該神經(jīng)保護(hù)與抑制缺血/再灌注后少突膠質(zhì)細(xì)胞JNK/MAPK通路的活化有關(guān),與小膠質(zhì)細(xì)胞 ERK1/2通路活化無關(guān)[2],A2AR還在控制各種缺血性腦損傷引起的神經(jīng)元凋亡方面起著重要的作用[9、10]。這些結(jié)果表明 A2AR在控制缺血性腦損傷引起的神經(jīng)元凋亡過程中可能與MAPK密切有關(guān)。在實(shí)驗(yàn)過程中,我們觀察到M組海馬CA1區(qū)PJNK陽性細(xì)胞的表達(dá)較S組明顯增多(P<0.01);與MWT組比較,MKO組P-JNK陽性細(xì)胞表達(dá)明顯增多,以1 d組最明顯,且 P-JNK只在新生小鼠HIBD后的早期高表達(dá);神經(jīng)凋亡細(xì)胞與P-JNK陽性細(xì)胞的表達(dá)呈顯著正相關(guān),但高表達(dá)持續(xù)的時(shí)間比PJNK要長。因此敲除A2AR增加新生小鼠HIBD導(dǎo)致的神經(jīng)細(xì)胞凋亡及加重腦損害的過程,可能與早期P-JNK的高表達(dá)有關(guān),提示敲除A2AR可能通過促進(jìn)早期P-JNK的持續(xù)激活而加重HIBD的神經(jīng)細(xì)胞凋亡,推測可能存在其他可能的凋亡機(jī)制。
由以上結(jié)果我們可以得出結(jié)論,早期P-JNK的持續(xù)激活可能參與A2AR敲除增加新生小鼠HIBD的神經(jīng)細(xì)胞凋亡及加重腦損害的過程。本實(shí)驗(yàn)首次對腺苷敲基因新生小鼠HIBD的凋亡機(jī)制進(jìn)行研究,為腺苷早期用于該類疾病引起的腦功能損害提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。然而要真正闡明A2AR與神經(jīng)凋亡細(xì)胞之間的關(guān)系還有待于進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。
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