輻射對腦海馬神經(jīng)元的影響及其作用機(jī)制研究*

高 玲 劉青杰*

人體腦中的海馬區(qū)由于形狀和海馬相似，因此被稱為海馬體(Hippocampus)。海馬體主管人類近期主要記憶，將其存入大腦皮層并轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰糜洃?。已知人類出生時(shí)，神經(jīng)元的數(shù)量達(dá)到1000億個(gè)左右，但從20歲開始逐年下降，到了40歲，神經(jīng)細(xì)胞的數(shù)量開始以每天約1萬個(gè)的速度遞減，從而對記憶力、協(xié)調(diào)性及大腦功能造成影響。海馬體在記憶和學(xué)習(xí)中的重要作用目前已得到了充分的認(rèn)識，海馬萎縮患者的記憶力明顯下降，并且可患焦慮癥。研究發(fā)現(xiàn)，阿爾茨海默病和癲癇與海馬體病變有關(guān)。功能缺失研究表明，與出生時(shí)存在的海馬神經(jīng)元相比，成年小鼠后分化的海馬神經(jīng)元在學(xué)習(xí)和記憶中發(fā)揮作用?？梢姾蠓只暮ｑR神經(jīng)元細(xì)胞在維持海馬功能中發(fā)揮重要作用[1]。

目前，已知輻射對認(rèn)知可產(chǎn)生損害，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)電離輻射引起的認(rèn)知損害常表現(xiàn)為海馬依賴的認(rèn)知功能下降，而非海馬依賴的認(rèn)知功能損害不明顯。Ferrer等[2]研究表明，大鼠受2 GyX射線單次照射可導(dǎo)致海馬區(qū)細(xì)胞發(fā)生死亡。目前，越來越多的腦部放療患者發(fā)生記憶力減退甚至癡呆。有研究表明，電離輻射可能通過誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生炎性因子或引發(fā)血管內(nèi)皮細(xì)胞老化等機(jī)制導(dǎo)致海馬損傷[3-4]。然而，后分化的海馬神經(jīng)元細(xì)胞在輻射誘導(dǎo)海馬損傷中的作用研究還未涉及，鑒于后分化的海馬神經(jīng)元細(xì)胞在海馬認(rèn)知中的重要作用，因此從神經(jīng)元細(xì)胞的角度闡明輻射所致的腦海馬損傷及其作用機(jī)制具有重要理論意義。

1 輻射對小鼠神經(jīng)行為和學(xué)習(xí)記憶能力的影響

海馬在多項(xiàng)行為功能及學(xué)習(xí)記憶中發(fā)揮重要作用，因此海馬神經(jīng)元受到損傷后勢必會(huì)引起神經(jīng)行為的變化。前期研究發(fā)現(xiàn)，妊娠小鼠宮內(nèi)受到氚水照射后對仔鼠生長發(fā)育及反射行為產(chǎn)生影響，0.015 Gy及以上劑量組仔鼠體重、開眼及向親性行為指標(biāo)；0.05 Gy及以上劑量組張耳、出牙和感覺功能指標(biāo)；0.10 Gy及以上劑量組曠場實(shí)驗(yàn)食物迷宮、水迷宮實(shí)驗(yàn)指標(biāo)與對照組有明顯差異。Y迷宮單向刺激回避反射試驗(yàn)以及條件反射試驗(yàn)結(jié)果表明，照射組陽性率和達(dá)標(biāo)率顯著低于正常對照組[5-6]。周湘艷等[7]同期研究結(jié)果表明，γ射線照射后生長抑素(somatostatin，SOM)含量升高。選擇3個(gè)不同劑量氚水照射后檢測雄性仔代小鼠腦垂體中SOM和下丘腦中精氨酸加壓素(Arginine vasopressin，AVP)含量的影響，結(jié)果顯示：24.09×104Bq/g體重氚水照射組與對照組相比其SOM含量略微增加但無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；其他2個(gè)劑量組則出現(xiàn)了非常顯著的升高；AVP含量在144.54×104Bq/g體重氚水照射組與對照組比較顯著降低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其他2組亦呈現(xiàn)降低趨勢，但無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[8]。進(jìn)一步研究表明，照射組的腦體比與對照組相比較顯著降低，且海馬CA1、CA3及CA4區(qū)椎體細(xì)胞顯著減少[9]。提示輻射可導(dǎo)致生理標(biāo)志出現(xiàn)延緩，反射行為獲得延遲，學(xué)習(xí)記憶能力下降。

2 輻射對腦海馬神經(jīng)元產(chǎn)生影響并致其細(xì)胞凋亡

研究發(fā)現(xiàn)，氚照射后海馬神經(jīng)元丟失正確聯(lián)系、突觸的形成減少、樹突分支定向障礙、腦神經(jīng)元樹突數(shù)目及樹突棘減少，這些可能與認(rèn)知損傷有重要關(guān)系[10-11]。研究發(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)13 d的海馬神經(jīng)元144.54×104Bq/g體重氚水照射與對照組比較形態(tài)學(xué)發(fā)生明顯的變化(如圖1所示)[5]。圖1可見對照組神經(jīng)元胞核和核仁清楚可見，表面光潔，邊緣清晰，胞體暈光明顯，折光性強(qiáng)并有分枝，形成明顯的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。48.18×104Bq/g體重氚水照射組及144.54×104Bq/g體重氚水照射組與對照組相比生長緩慢，細(xì)胞體較小，視野中細(xì)胞數(shù)較少，細(xì)胞輪廓不清，界限模糊，胞漿顆粒變多，折光性降低，出現(xiàn)空泡、腫脹、斷裂及崩解，形成較稀疏的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)氚照射過的小鼠海馬神經(jīng)元Ca2+電流顯著降低，小鼠腦細(xì)胞出現(xiàn)凋亡現(xiàn)象并伴隨p53蛋白的表達(dá)升高[10]。眾多的研究發(fā)現(xiàn)，輻射可引起神經(jīng)元前體細(xì)胞死亡，同時(shí)還可殺傷分裂后期的未成熟神經(jīng)元。由此可見，輻射對腦海馬產(chǎn)生確定性的影響。

圖1 體外培養(yǎng)13 d的海馬神經(jīng)元48.18×104 Bq/g體重氚水照射組與對照組形態(tài)學(xué)比較

Fritsch等[12]研究發(fā)現(xiàn)，處于增殖狀態(tài)的干細(xì)胞或神經(jīng)元前體細(xì)胞對電離輻射很敏感，發(fā)育中的幼年鼠腦組織神經(jīng)元對射線高度敏感，低至0.25 Gy則可導(dǎo)致其發(fā)生凋亡。同期研究也發(fā)現(xiàn)，加入氚水的中腦培養(yǎng)基12 h可以引起細(xì)胞產(chǎn)生凋亡，培養(yǎng)的第4 d凋亡比例可達(dá)28.1%[13]。同時(shí)，出生前受照的仔鼠在出生6 d后大腦皮質(zhì)第V層凋亡細(xì)胞的百分?jǐn)?shù)較對照組增加，受氚水照射組的凋亡細(xì)胞百分?jǐn)?shù)高于X射線照射組(如圖2所示)。研究表明，照射后一系列分子生物學(xué)和細(xì)胞事件將會(huì)誘導(dǎo)放射性腦損傷發(fā)生，這些事件包括DNA損傷修復(fù)信號通路激活、細(xì)胞周期檢查點(diǎn)變化、細(xì)胞凋亡以及基因表達(dá)譜改變等[14]。而事件終點(diǎn)將中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)具有增殖潛能的細(xì)胞作為靶點(diǎn)，引起其數(shù)量減少[15]。

圖2 受照后仔鼠出生6 d后大腦皮質(zhì)細(xì)胞凋亡情況

神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cell，NSC)是存在于成體腦組織中的一種干細(xì)胞，可分化成神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞，也可轉(zhuǎn)分化成血細(xì)胞和骨骼肌細(xì)胞?？梢娸椛湟坏p傷了具有分化為各種神經(jīng)細(xì)胞潛能的NSC，造成的后果是非常嚴(yán)重的。因此，輻射只要不損傷腦海馬NSC(使其凋亡)，NSC就可以重新分化出各種功能性神經(jīng)細(xì)胞替代原有的細(xì)胞，即海馬功能損傷就存在著修復(fù)和恢復(fù)的可能。

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在NSC的分化以及增殖中十分重要。目前已知的凋亡通路有線粒體依賴途徑的凋亡、死亡受體途徑的凋亡以及其他形式的凋亡[16]。同時(shí)已知當(dāng)激活Notch信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路時(shí)，干細(xì)胞進(jìn)行增殖，Notch活性受到抑制時(shí)干細(xì)胞進(jìn)入分化程序。提示利用Notch信號通路，可精確調(diào)控NSC向神經(jīng)功能細(xì)胞分化的過程和比例[17]。此外，Janus激酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)遞質(zhì)與轉(zhuǎn)錄激活劑(JAK-STAT)信號途徑也參與干細(xì)胞的調(diào)控[18]。

3 分析與展望

阿爾茨海默癥患者大腦呈現(xiàn)不同程度的彌漫性腦萎縮，其中腦海馬萎縮最為明顯。全球阿爾茨海默協(xié)會(huì)曾經(jīng)預(yù)測，到2010年全球罹患癡呆癥的患者數(shù)量預(yù)計(jì)將達(dá)到3560萬人；2030年達(dá)到6570萬人；2050年則將上升至11540萬人[19]。中國目前患阿爾茨海默癥及其他老年期癡呆癥的患者接近1000萬人，已是全球阿爾茨海默癥第一大國[20]。隨著人口老齡化，阿爾茨海默癥已經(jīng)成為全世界所關(guān)注的公共健康問題。

從上述作者研究中發(fā)現(xiàn)：SOM和AVP廣泛分布于體內(nèi)，具有神經(jīng)遞質(zhì)的典型特征，在腦海馬中的含量很高。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明，腦內(nèi)SOM易受神經(jīng)元損傷的影響，且以海馬區(qū)最明顯并出現(xiàn)明顯的神經(jīng)細(xì)胞凋亡現(xiàn)象[21]。AVP含量顯著性減低，可能與這些腦區(qū)遭受損傷，細(xì)胞變性、壞死、脫落以及AVP投射纖維破壞有關(guān)。另外，還可能與氧肽酶(aminopetidaes)的活性增高有關(guān)，因?yàn)锳VP無重?cái)z取機(jī)制，主要是酶降解失活，因此一旦氧肽酶活性增高，增加了AVP的降解率，AVP則會(huì)降低。當(dāng)細(xì)胞出現(xiàn)凋亡，腦的正常功能勢必會(huì)受到影響，并引起一系列的后果，如衰老和腦萎縮。神經(jīng)肽類活性物質(zhì)含量、海馬神經(jīng)元體外培養(yǎng)形態(tài)學(xué)觀察和細(xì)胞凋亡結(jié)果是造成神經(jīng)損傷的原因之一。

4 結(jié)語

輻射可致小鼠腦海馬神經(jīng)元細(xì)胞凋亡、學(xué)習(xí)記憶能力下降、以致造成腦海馬萎縮。對未來研究的設(shè)想：①破解輻射及其他因素導(dǎo)致腦海馬損傷的關(guān)鍵分子途徑，從神經(jīng)元干細(xì)胞凋亡、腦組織蛋白質(zhì)異常、神經(jīng)遞質(zhì)及其受體異常以及自由基損傷等角度深入研究輻射所致腦海馬損傷和認(rèn)知損害的作用機(jī)制，對于提高海馬體病變患者遠(yuǎn)期生存質(zhì)量有著深遠(yuǎn)意義；②揭示衰老生物鐘(線粒體)在腦萎縮中的奧秘，系統(tǒng)探討線粒體在神經(jīng)元干細(xì)胞維持、分化及細(xì)胞重編中的重要作用，分析人類線粒體與此相關(guān)疾病的干細(xì)胞模型及其在藥物篩選中的前景，展望未來利用人類基因靶向修飾技術(shù)治療線粒體相關(guān)疾病的可行性，為今后預(yù)防和治療輻射致腦海馬損傷提供重要的研究策略。

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