即時(shí)高壓氧治療對(duì)大鼠腦缺血后腦水腫及水通道蛋白4表達(dá)的影響

陳方圓，于敏，張立新，張志強(qiáng)

·基礎(chǔ)研究·

即時(shí)高壓氧治療對(duì)大鼠腦缺血后腦水腫及水通道蛋白4表達(dá)的影響

陳方圓，于敏，張立新，張志強(qiáng)

目的觀察即時(shí)高壓氧治療對(duì)缺血早期腦水腫形成的影響，并探討其可能的機(jī)制。方法健康成年雄性清潔級(jí)Sprague-Dawley大鼠18只，隨機(jī)分為假手術(shù)組(n=6)、對(duì)照組(n=6)和高壓氧組(n=6)。對(duì)照組及高壓氧組采用線栓法制備大鼠大腦中動(dòng)脈阻塞(MCAO)模型，其中高壓氧組在艙內(nèi)升壓時(shí)進(jìn)行模型制備并予高壓氧治療60 min。各組均于術(shù)后6 h行Longa評(píng)分法評(píng)分，采用干濕比重法檢測(cè)腦組織含水量，免疫組化SP法觀察水通道蛋白4(AQP4)表達(dá)，應(yīng)用圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行半定量分析。結(jié)果與對(duì)照組比較，高壓氧組大鼠神經(jīng)功能評(píng)分改善(P＜0.05)，缺血半球腦含水量減少(P＜0.05)，AQP4表達(dá)量減少(P＜0.05)。結(jié)論即時(shí)高壓氧治療可有效緩解腦缺血后癥狀，對(duì)腦水腫的發(fā)生有抑制作用；AQP4表達(dá)減少可能是其機(jī)制之一。

腦缺血；高壓氧；神經(jīng)功能評(píng)分；腦水腫；水通道蛋白4；大鼠

[本文著錄格式]陳方圓，于敏，張立新，等.即時(shí)高壓氧治療對(duì)大鼠腦缺血后腦水腫及水通道蛋白4表達(dá)的影響[J].中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐,2014,20(9):823-826.

腦是人體最重要的器官，質(zhì)量?jī)H占體質(zhì)量的2%～3%，但其需氧量卻占全身供給量的20%～25%。腦中幾乎無(wú)葡萄糖和氧的儲(chǔ)備，因此腦組織對(duì)缺血缺氧耐受性極差。高壓氧目前被認(rèn)為可能通過提高組織溶解氧含量及增加氧氣在組織中的彌散距離，改善組織缺氧狀態(tài)，從而避免組織因缺血缺氧發(fā)生的一系列損傷[1-2]。但同時(shí)高壓氧的干預(yù)時(shí)間及次數(shù)一直是學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論的問題[2-3]。本實(shí)驗(yàn)采用升壓過程中，在氧艙內(nèi)制備大鼠腦缺血模型，缺血同時(shí)給予高壓氧治療，并以缺血后6 h神經(jīng)功能學(xué)評(píng)分、腦組織含水量、水通道蛋白4(aquaporin-4,AQP4)表達(dá)作為觀測(cè)指標(biāo)，觀察即時(shí)高壓氧治療對(duì)局灶性腦缺血損傷的作用，并初步探討其治療機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與儀器

健康成年雄性清潔級(jí)Sprague-Dawley大鼠18只，體質(zhì)量200～250 g，由中國(guó)醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。標(biāo)準(zhǔn)飼料喂養(yǎng)，使用動(dòng)物專用潔凈墊料，恒溫20～25℃。高壓氧治療采用煙臺(tái)宏遠(yuǎn)GY3200型氧艙。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 分組將18只大鼠按隨機(jī)數(shù)表法隨機(jī)分為假手術(shù)組、對(duì)照組和高壓氧組，每組6只。假手術(shù)組不做造模處理，只相應(yīng)解剖、分離和縫合；對(duì)照組建立局灶性大腦中動(dòng)脈閉塞(middle cerebral artery occlusion, MCAO)模型；高壓氧組則在高壓氧艙升壓過程中制備MCAO模型，升壓20 min，穩(wěn)壓(2個(gè)大氣壓)70 min，穩(wěn)壓后吸100%純氧60 min，中間休息兩個(gè)5 min；降壓20 min出艙。將大鼠置于約1 m3的密閉容器中，將氧氣管連接其中，并將該容器內(nèi)溫度控制在22～25℃，其中放入少量碳酸鈣以吸收大鼠呼出的二氧化碳。

1.2.2 模型制備采用改良Longa線栓法。選用直徑0.26 mm市售尼龍魚線，剪成5 cm長(zhǎng)，一端用細(xì)砂紙打磨光滑，頭端浸入液態(tài)硅膠中5 mm，確保提起后有薄層硅膠膜附于魚線表面，測(cè)量總直徑為0.27～0.30 mm，待硅膠涼干后使用。大鼠造模前禁食24 h，禁水6 h。稱重后3.5%水合氯醛0.4 ml/100 g腹腔注射麻醉。麻醉后動(dòng)物仰臥固定于手術(shù)臺(tái)上，于頸前正中切開皮膚，游離右側(cè)頸總動(dòng)脈(CCA)及其頸內(nèi)動(dòng)脈(ICA)和頸外動(dòng)脈(ECA)，電凝ECA分支并結(jié)扎ECA。動(dòng)脈夾夾閉CCA和ICA，在距CCA分叉3 mm處用4.5號(hào)針頭扎一小孔，將已栓線插入CCA，向上穿過CCA分叉處進(jìn)入ICA；松開ICA的動(dòng)脈夾，繼續(xù)將尼龍線插入到ICA顱內(nèi)段，插入深度平均為(18.5± 0.5)mm，外留10 mm。結(jié)扎ICA起始段，固定栓線。消毒并逐層縫合皮膚。將動(dòng)物側(cè)臥置于單獨(dú)的籠內(nèi)。假手術(shù)組大鼠操作方法相同，只是插入魚線深度＜10 mm。

1.2.3 模型入選標(biāo)準(zhǔn)以上實(shí)驗(yàn)動(dòng)物均于6 h后斷頭取腦。取腦前參照Longa評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分0分或4分者剔除，死亡者剔除，其余視為造模成功，納入模型組。如模型組數(shù)量不足，則隨時(shí)補(bǔ)充每組所需數(shù)量。

1.2.4 觀測(cè)指標(biāo)

1.2.4.1 一般行為學(xué)觀察術(shù)后按時(shí)觀察大鼠的外觀、反應(yīng)、進(jìn)食、活動(dòng)等情況并進(jìn)行記錄。

1.2.4.2 神經(jīng)功能學(xué)評(píng)分模型成功后6 h，采用Longa評(píng)分法進(jìn)行神經(jīng)功能評(píng)分。0分，無(wú)明顯神經(jīng)功能缺損(肢體活動(dòng)正常)；1分，輕度局灶性神經(jīng)功能癥狀缺失(不能完全伸展左側(cè)前肢)；2分，中度局灶性功能缺失(行走時(shí)向左側(cè)旋轉(zhuǎn))；3分，重度神經(jīng)功能缺失(行走時(shí)向左側(cè)傾倒)；4分，極重度損傷(不能自發(fā)行走，意識(shí)喪失)。

1.2.4.3 腦組織含水量測(cè)定各組缺血后6 h，麻醉后快速斷頭取腦。采用干濕比重法測(cè)定腦組織含水量。稱取濕重后，于85℃烤箱中烘烤至恒重，稱取干重，按Elliott公式計(jì)算腦含水量：

1.2.4.4 AQP4的表達(dá)神經(jīng)功能評(píng)分完畢后，各組大鼠斷頭處死，取出完整腦組織，冠狀切下嗅球及額極前部約4 mm，取此切面向后約2 mm厚腦組織常規(guī)固定[4]，石蠟包埋，切片，片厚5 μm。相鄰切片置于經(jīng)多聚賴氨酸包被的清潔載玻片上，SP法免疫組織化學(xué)染色。

切片脫蠟后置于3%H2O2溶液中孵育30 min，0.01 mol/L PBS(pH=7.4)滌洗5 min，共3次；置0.01 mol/L檸檬酸鹽緩沖液(pH=6.0)中，加熱至100℃抗原修復(fù)3 min，室溫冷卻30 min；PBS洗5 min，共3次；正常山羊血清封閉液37℃孵育30 min，滴加一抗(兔抗大鼠AQP4多克隆抗體，l∶900稀釋)，4℃孵育過夜。PBS洗5 min，共3次；加入生物素化二抗工作液(山羊抗兔IgG)37℃孵育20 min；PBS洗5 min，共3次；加辣根過氧化物酶37℃孵育20 min；DAB顯色30 s；蘇木素復(fù)染后中性樹膠封片。每只鼠取1張完整切片，在腦皮質(zhì)表達(dá)區(qū)取4個(gè)完整而不重疊的視野，高倍鏡視野下(400×)拍攝數(shù)碼照片后輸入計(jì)算機(jī)，采用醫(yī)學(xué)圖像分析系統(tǒng)BI-2000測(cè)定每個(gè)視野下AQP4蛋白平均光密度值，取平均值。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 神經(jīng)功能學(xué)評(píng)分

對(duì)照組和高壓氧組大鼠在造模6 h后均出現(xiàn)不同程度神經(jīng)功能缺損體征：行動(dòng)遲緩、拖步，被提尾懸空時(shí)左側(cè)前肢不能伸直，行走時(shí)向左側(cè)傾倒、轉(zhuǎn)圈等。高壓氧組神經(jīng)功能學(xué)評(píng)分低于對(duì)照組。見表1。

表1 各組大鼠神經(jīng)功能學(xué)評(píng)分

2.2 腦組織含水量

各組缺血對(duì)側(cè)腦組織含水量無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。缺血側(cè)對(duì)照組和高壓氧組均高于假手術(shù)組(P＜0.05)，對(duì)照組高于高壓氧組(P＜0.05)。見表2。

表2 各組腦組織含水量(mg%)

2.3 AQP4表達(dá)

圖1 對(duì)照組及高壓氧組AQP4表達(dá)

AQP4陽(yáng)性表達(dá)多位于血管周邊的星形膠質(zhì)細(xì)胞足突上，胞漿內(nèi)亦有少量表達(dá)，胞核未見表達(dá)。陽(yáng)性細(xì)胞為空泡狀，且在缺血灶周邊的表達(dá)輕于缺血核心區(qū)。對(duì)照組缺血側(cè)可見大量AQP4陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)，高壓氧組表達(dá)低于對(duì)照組。見圖1、表3。

表3 各組腦組織AQP4表達(dá)(平均光密度值)

3 討論

目前研究認(rèn)為，高壓氧的治療機(jī)理主要是在高壓狀態(tài)下，氧氣在組織中的溶解量及彌散距離得以增加，并以生理方式經(jīng)體液循環(huán)供應(yīng)到全身各處，特別是缺氧組織中，從而糾正缺氧，延緩因缺氧造成的組織傷害，促進(jìn)組織修復(fù)[1-3]。本實(shí)驗(yàn)采用缺血同時(shí)給予高壓氧治療，目的是最大限度發(fā)揮高壓氧對(duì)缺血組織的保護(hù)作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，缺血同時(shí)給予單次高壓氧治療即可有效改善腦梗死后肢體功能。大鼠腦缺血后6 h的神經(jīng)功能缺損體征，包括行動(dòng)遲緩、拖步，被提尾懸空時(shí)左側(cè)前肢不能伸直，行走時(shí)向左側(cè)傾倒、轉(zhuǎn)圈等，高壓氧組均較對(duì)照組有一定程度減輕，神經(jīng)功能評(píng)分高壓氧組與對(duì)照組比較有顯著性差異；這與高壓氧組腦水腫程度減輕、AQP4表達(dá)量下降的結(jié)果一致。

AQPs是一種紅細(xì)胞膜上的膜通道蛋白，目前被認(rèn)為有極高的水通透性，而對(duì)其他小分子不通透。迄今為止，在哺乳動(dòng)物腦組織中共發(fā)現(xiàn)3種水通道蛋白：AQP1、AQP4和AQP9。AQP4為其中最重要的一種，主要分布在側(cè)腦室及導(dǎo)水管的室管膜細(xì)胞、脈絡(luò)叢上皮、下丘腦、視上核、海馬齒狀回和小腦的Pukinje細(xì)胞[5-8]。有研究證實(shí)，體外培養(yǎng)敲除AQP4基因的星形膠質(zhì)細(xì)胞，對(duì)水分子的通透性降低[9-10]，提示AQP4在腦組織液體轉(zhuǎn)運(yùn)，腦水腫的發(fā)生、發(fā)展及消散，腦脊液的生成及重吸收等方面發(fā)揮著重要作用。

本研究顯示，AQP4在腦缺血中心及周邊神經(jīng)細(xì)胞中均有高表達(dá)，可能與缺血后應(yīng)激反應(yīng)所致腦血管收縮，使缺血中心和周邊腦組織中存在不同程度缺血、缺氧有關(guān)。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，腦缺血后AQP4的表達(dá)和腦水腫的變化一致，AQP4表達(dá)量高則腦水腫程度重，AQP4表達(dá)量低則腦水腫程度輕，相關(guān)研究證實(shí)了這一結(jié)論[8,11-12]。

如果能有效抑制AQP4的表達(dá)，將有可能減輕缺血后腦水腫的程度。Papadopoulos等的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，AQP4基因敲除小鼠，損傷后腦水腫的形成明顯滯后于未敲除組，而60 h的生存率亦明顯提高[9-10]。本研究顯示，腦缺血經(jīng)過高壓氧干預(yù)，腦組織水腫程度降低。說(shuō)明在缺血早期，單次高壓氧治療即能有效減輕缺血后組織的水腫程度。有研究指出，早期和每日多次高壓氧治療能更為有效地降低缺血后腦組織的水腫程度，提高存活率。

眾多研究表明，高壓氧減輕腦水腫存在多種途徑和機(jī)制，抑制AQP4表達(dá)僅是其中一種。有人認(rèn)為，高壓氧可通過抑制低氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)的表達(dá)，減輕腦組織的水腫程度[13-15]等。詳細(xì)機(jī)制還需進(jìn)一步研究證實(shí)。

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Effects of Instant Hyperbaric Oxygen Therapy on Brain Edema and Expression of Aquaporin-4 after Cerebral Ischemia in Rats

CHEN Fang-yuan,YU Min,ZHANG Li-xin,ZHANG Zhi-qiang.Rehabilitation Center,Shengjing Hospital,China Medical University, Shenyang,Liaoning 110022,China

ObjectiveTo observe the effects of instant hyperbaric oxygen(HBO)therapy on brain edema and aquaporin-4(AQP4)expression after cerebral ischemia in rats.Methods18 healthy adult male Sprague-Dawley rats were randomly divided into sham group(n=6), control group(n=6)and HBO group(n=6).Middle cerebral artery occlusion model was established with modified Longa method in the control group and HBO group.HBO was administered after cerebral ischemia immediately in HBO group for 60 min.They were observed with the neurological function score,brain tissue water content and AQP4 experssion 6 h after operation.ResultsCompared with the control group,the neurological score in HBO group improved significantly(P＜0.05),while the brain tissue water content and brain AQP4 expression decreased(P＜0.05).ConclusionHBO may improve the neurological function and brain edema after cerebral ischemia,which may relate with inhibiting the expression ofAQP4.

cerebral ischemia;hyperbaric oxygen;neurological score;brain edema;aquaporin-4;rats

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.09.008

R743.3

A

1006-9771(2014)09-0823-04

2013-10-23

2013-11-27)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.81101462)。

中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院康復(fù)科，遼寧沈陽(yáng)市110022。作者簡(jiǎn)介：陳方圓(1987-)，女，漢族，遼寧沈陽(yáng)市人，碩士，醫(yī)師，主要研究方向：高壓氧治療腦血管病。通訊作者：張志強(qiáng)，男，漢族，遼寧沈陽(yáng)市人，主任醫(yī)師，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：物理因子治療腦血管病。E-mail:zhangzq@sj-hospital.org。