羅艷敏 何 琦 呂福林 肖 倩張 蕾 仇 玄 晁鳳蕾 唐 勇
(400016 重慶,重慶醫(yī)科大學:組織學與胚胎學教研室,干細胞與組織工程學研究室)
既往研究報道,人類老年化進程中存在認知功能的下降,而女性在絕經(jīng)后,由于雌激素水平的降低,認知功能下降的進程往往會加速[1],且絕經(jīng)期提前的女性更易提前出現(xiàn)癡呆[2]。Sherwin回顧了大量相關的臨床調(diào)查研究,結(jié)果顯示ERT能改善絕經(jīng)后女性的認知功能[3]。在對靈長類動物及嚙齒類動物OVX模型的研究中也證實了ERT能夠改善認知行為[4,5]。ERT可以改善絕經(jīng)后女性的認知功能,這一改變的形態(tài)學基礎自然成為了研究重點。已有大量研究表明ERT是通過增加大腦皮層和海馬內(nèi)神經(jīng)元的突觸可塑性和樹突棘數(shù)量改善OVX后恒河猴及大鼠的認知功能的[6-9]。
過去的研究已經(jīng)證實老年大腦體積的下降主要是由于大腦白質(zhì)的丟失導致[10],并且是以白質(zhì)內(nèi)細小直徑有髓神經(jīng)纖維的大量丟失為主[11]。影像學與行為學研究表明,這種年齡相關的大腦白質(zhì)損害與老年的認知功能下降密切相關[12,13]。前述研究已經(jīng)表明雌激素對認知功能及大腦多處結(jié)構(gòu)有積極影響,那么,雌激素與大腦白質(zhì)的關系如何呢?有研究表明女性絕經(jīng)后,雌激素水平下降可能是導致白質(zhì)體積下降及其他白質(zhì)病變的重要原因之一[14,15]。運用核磁共振成像(MRI)技術,一些學者發(fā)現(xiàn)長期ERT可以減少絕經(jīng)后女性大腦白質(zhì)的老年性丟失及高信號灶[16,17],而另一些學者的研究則表明ERT對絕經(jīng)后女性大腦白質(zhì)的老年性改變并沒有保護作用,反而會加重 大腦萎縮[18-20]???見,ERT 對 絕 經(jīng)后女性大腦白質(zhì)體積的影響尚存在爭議。有髓神經(jīng)纖維為大腦白質(zhì)中的重要組分,但目前國、內(nèi)外尚未見ERT對絕經(jīng)后大腦白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維作用的研究報道。
因此,為進一步深入研究雌激素替代治療對大腦白質(zhì)及白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維的作用,本研究采用卵巢切除的中老年雌性大鼠為模型,以模擬女性絕經(jīng)后低雌激素水平的生理狀態(tài)[21],給予雌激素替代治療,并結(jié)合體視學原理及電子顯微鏡技術研究雌激素替代治療對卵巢切除后中老年大鼠大腦白質(zhì)及白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維的影響。
19只中老年(10-12月齡)雌性SD大鼠,體質(zhì)量(322±11)g,由第三軍醫(yī)大學實驗動物中心提供,在重慶醫(yī)科大學實驗動物中心飼養(yǎng),光照時間為12h/d,室溫(22±2)℃。連續(xù)六天的陰道涂片提示所有動物都處于不規(guī)律的動情周期或持續(xù)性的動情間期。
大鼠在手術進行前均禁食12h,1%的戊巴比妥鈉(0.4ml/100g體重)腹腔麻醉,行背部肋下切口,俯臥位固定于動物手術臺,對手術部位備皮,常規(guī)消毒,切開皮膚、肌肉,摘除雙側(cè)卵巢,逐層縫合傷口。術后給予連續(xù)3d右后腿肌注青霉素(8萬單位/每只)以預防感染。術后第3w,連續(xù)6d觀察大鼠陰道涂片,所有大鼠均處于動情間期。取大鼠尾尖血測血清雌激素水平及處死后尸檢以再次判斷卵巢切除是否完全。術后1m,10只大鼠(OVX+E組)給予持續(xù)1m的17β-estradiol(abcam ab120657)頸背部皮下注射(17β-estradiol溶于無水乙醇,用芝麻油稀釋至0.1g/ml,無水乙醇∶芝麻油為1∶149,皮下注射劑量為0.0025ml/g體質(zhì)量[22],每天9:00a.m.注射)。其余9只大鼠(OVX+Veh組)給予持續(xù)1m的芝麻油頸背部皮下注射(芝麻油內(nèi)混有無水乙醇,無水乙醇∶芝麻油為1∶149,劑量為0.0025ml/g體質(zhì)量,每天9:00a.m.注射)。
為確保卵巢徹底切除及雌激素替代治療的有效性,對卵巢切除術后第3w末及雌激素替代治療后兩個階段所采的血進行血清雌激素水平測定,使用化學發(fā)光法測定血清雌激素水平(儀器為UniCel DxI 800Immunoassay System from Beckman Coulter),該檢測由重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院內(nèi)分泌實驗室完成。
采用DMS22型電腦全自動程控Morris水迷宮(中國醫(yī)學科學院藥物研究所)。水迷宮直徑為150 cm,高為50cm,A、B、C、D 4個入水點將圓桶等分為4個象限。將有機玻璃制圓柱型平臺(直徑9.5 cm,高28.5cm)隨機放入某一象限的中間。水用墨汁染黑,水溫控制在23℃左右,實驗時保持周圍環(huán)境的安靜。每組大鼠均用Morris水迷宮進行連續(xù)6d的空間學習記憶能力的測試。前5d為隱藏平臺實驗,水面高于平臺1-2cm,每個入水點均要測試1次,入水點順序隨機選擇,先把動物置于平臺上15s,讓其熟悉周圍環(huán)境,動物入水時面向池壁,輕放入水。記錄動物的尋臺時間(從入水到找到平臺且四肢爬上平臺的時間,即潛伏期)。若入水180s仍未找到水池中的平臺,可將其置于平臺上15s,并且記錄尋臺時間為180s。若動物爬上平臺未停留15s又入水游泳則繼續(xù)計時,直到其爬上平臺停留15s或游泳時間超過180s。一個入水點測試結(jié)束,從平臺上取下休息60s后再進行下一個入水點的測試。測試環(huán)境及平臺位置相對不變。第6日為可見平臺實驗,重新選擇一個象限放置平臺,平臺高出水面1-2cm。僅選擇兩個遠離平臺的入水點測試,其他過程同隱藏平臺實驗。
水迷宮后,每組大鼠隨機選取5只,對大鼠進行1%的戊巴比妥鈉(0.4ml/100g體質(zhì)量)腹腔麻醉,2%多聚甲醛和2.5%戊二醛混合固定液(pH=7.4)心灌流固定,去除小腦、腦干,將大腦完整取出。
將左、右大腦半球分別沿冠狀線切成l mm的連續(xù)等距切片,在每張大腦切片的枕面隨機疊加透明的等距測點框,在解剖顯微鏡下計數(shù)所有落在白質(zhì)上的測點數(shù)(圖1),根據(jù)卡瓦列里原理[23,24]計算出整個大腦白質(zhì)的總體積V(wm)。
圖1 計數(shù)落在白質(zhì)上的點數(shù)的方法(解剖顯微鏡×10)Fig.1 An illustration of the method to count the number of the points hitting the white matter(anatomy microscope,×10).
每只大鼠大腦隨機抽取一側(cè)半球,在這些半球中,每隔2張切片抽取1張,第1張切片在前3張中隨機確定。在抽取出的大腦組織薄片上隨機疊放等距測點框,在測點擊中白質(zhì)的地方抽取白質(zhì)組織塊,保證白質(zhì)的各個部位都有相同的抽中機率[23],每個大腦半球抽取5個白質(zhì)組織塊。抽取出的白質(zhì)組織塊用4%戊二醛在4℃條件下浸泡固定2h,用0.1 mol/L PBS(pH=7.2)沖洗3次,在1%鋨酸(Os04)中固定l h。脫水、浸透、醋酸雙氧鈾染色。先用球切法(isector)[23]包埋組織塊以保證各個方向分布的神經(jīng)纖維都有相同的抽樣概率,再用常規(guī)電鏡包埋法包埋白質(zhì)組織塊。從每個包埋好的組織塊上隨機切取1張60nm的超薄切片,每張切片上隨機選擇8個視野放大6000倍照相。
8.1 有髓神經(jīng)纖維的長度密度和總長度:在6000倍放大的電鏡照片上隨機疊加無偏計數(shù)框,依據(jù)無偏計數(shù)框的計數(shù)原則(禁線原則)計數(shù)有髓神經(jīng)纖維斷面數(shù)[25](圖2),按公式[23,24]計算白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維的長度密度[Lv(nf/wm)]和白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維總長度L(nf,wm)。
8.2 有髓神經(jīng)纖維的體積密度和總體積:在6000倍放大的電鏡照片上隨機疊加計數(shù)點,計數(shù)落在有髓神經(jīng)纖維上的測點數(shù),以及落在整個照片內(nèi)的白質(zhì)的測點數(shù)[23](圖3),按公式[23,24]計算白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維的體積密度Vv(nf/wm)和白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維的總體積V(nf,wm)。
8.3 髓鞘的體積密度和總體積:在6000倍放大的電鏡照片上隨機疊加計數(shù)點,計數(shù)落在有髓神經(jīng)纖維髓鞘上的計數(shù)點數(shù)以及落在整個照片內(nèi)的白質(zhì)上的計數(shù)點數(shù)[23](圖3),按公式[23,24]計算白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維的髓鞘體積密度Vv(ms)和髓鞘的總體積 V(ms,wm)。
圖2 計數(shù)白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維斷面的方法(透射電鏡×6000)Fig.2 An illustration of the method to count the number of the myelinated fiber profiles in the white matter(Transmission electron microscope,×6,000).
圖3 計數(shù)落在白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維斷面上和髓鞘上測點數(shù)的方法(透射電鏡×6000)Fig.3 An illustration of the method to count the number of the points hitting the myelinated fibers and myelin sheaths in the white matter(Transmission electron microscope,×6,000).
8.4有髓神經(jīng)纖維的平均直徑:測量所有被無偏計數(shù)框計數(shù)的有髓神經(jīng)纖維斷面的直徑。首先確定有髓神經(jīng)纖維斷面的最長軸,與該最長軸相垂直的所有橫軸中最長的一條為其直徑[11]。測量所有被無偏計數(shù)框計數(shù)的有髓神經(jīng)纖維斷面的直徑,并將直徑按0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8μm及1.8μm以上計數(shù)不同直徑等級下的纖維斷面數(shù),然后除以總纖維斷面數(shù),得出每一纖維直徑等級的纖維在總纖維中所占的比例,再乘以有髓神經(jīng)纖維總長度,就得出了每一纖維直徑等級的纖維長度的分布狀況。
使用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件,經(jīng)過正態(tài)分布檢驗后對隱藏平臺實驗的數(shù)據(jù)進行重復測量數(shù)據(jù)的方差分析,可見平臺實驗的數(shù)據(jù)用非參數(shù)檢驗進行分析,P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。將OVX+E組和OVX+Veh組大鼠的大腦白質(zhì)及白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維各統(tǒng)計參數(shù)經(jīng)過正態(tài)分布檢驗后用student-t檢驗進行比較,P<0.05為差異有顯著意義。組內(nèi)的變異由變異系數(shù)CV(coefficient of variation)(CV=SD/Mean)評估。各大腦間有髓神經(jīng)纖維總體積及總長度的生物學變異CVbio(biologic coefficient of variation),可通過體視學抽樣變異(觀察誤差系數(shù),observed coefficient of error,OCE)和觀察腦間變異系數(shù)(observed inter-brain coefficient of variation,OCV),運用公式OCV2= CV2bio+ OCE2[26]得到。OCE可通過每個腦的誤差系數(shù)(coefficient of error,CE)獲得,按公式計 算[27]。由卡瓦列里原理得出的每一個大腦白質(zhì)體積的CE[V(wm)]可根據(jù) Gundersen et al.(1999)[28]給出的公式計算。由于有髓神經(jīng)纖維的長度密度、體積密度以及髓鞘的體積密度為比率估計量,它們的CE可按照Kroustrup和Gundersen[26]給出的公式計算。白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維總體積和總長度的CE值通過Tang和 Nyengaard[23]給出的公式計算。
卵巢切除術后大鼠血清雌激素水平為(10.60±4.95)pg/ml。給予雌激素替代治療后,OVX+E組血清雌激素水平維持在(150.56±25.47)pg/ml,安慰劑治療的OVX+Veh組雌激素水平為(18.33±4.39)pg/ml。
前5d的隱藏平臺實驗中,OVX+E組大鼠每天的潛伏期明顯短于OVX+Veh組(P=0.003,圖4),而在可見平臺實驗中,兩組大鼠的潛伏期之間沒有區(qū)別(P=0.170,圖4)。
圖4 OVX+Veh組與OVX+E組大鼠水迷宮潛伏期的比較Fig.4 Mean escape latencies of OVX+Veh rats and OVX+E rats from day 1to 6(Mean±SEM)are shown.a indicats the latencies of OVX+E rats significantly shorter than those of OVX+Veh rats(P<0.05).
大腦白質(zhì)及白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維的體視學統(tǒng)計結(jié)果以及CE值的計算結(jié)果見表1,白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維直徑分布圖見圖5。大鼠大腦白質(zhì)及有髓神經(jīng)纖維的體視學研究結(jié)果顯示,OVX+Veh組與OVX+E組大鼠的大腦白質(zhì)總體積、白質(zhì)內(nèi)的有髓神經(jīng)纖維的長度密度、總長度和體積密度、有髓神經(jīng)纖維平均直徑以及髓鞘的體積密度均無統(tǒng)計學差異(P>0.05)。主要體視學測量結(jié)果的體視學抽樣變異小于15%,生物學變異(CVbio)占觀察總變異(OCV)的75%左右。
圖5 OVX+veh組大鼠與OVX+E組大鼠有髓神經(jīng)纖維平均直徑分布的比較Fig.5 Comparisons of the myelinated fiber length with different diameters in the white matter between OVX+Veh rats and OVX+E rats.
表1 2組大鼠大腦白質(zhì)及白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維的體視學統(tǒng)計結(jié)果Table1 Stereological results of the white matter and the myelinated fibers in the white matter of the two groups
有大量的臨床研究報道ERT可改善絕經(jīng)后女性的認知功能[3],并且這一結(jié)論在靈長類動物模型及嚙齒類動物模型的研究中也得到了驗證[4,5]。本研究中,經(jīng)過1個月的ERT后,運用Morris水迷宮實驗檢測大鼠的空間記憶能力,OVX+E組的大鼠的空間記憶能力明顯優(yōu)于OVX+Veh組大鼠,這與既往的一些研究結(jié)果是一致的[29,30]。但是包括WHI(Women’s Health Initiative Memory Study)在內(nèi)的諸多臨床調(diào)查研究并沒有證實ERT對絕經(jīng)后女性認知功能的積極作用[31]。Sherwin在對既往臨床的調(diào)查研究回顧中發(fā)現(xiàn),導致ERT對絕經(jīng)后女性認知功能作用差異的關鍵原因在于ERT開始的時間不同,絕經(jīng)后早期階段就開始ERT的女性認知功能得到了改善,而在絕經(jīng)后多年才開始ERT的女性則沒有表現(xiàn)出認知功能的改善[3]。這種ERT對認知功能作用的時間窗假說在動物模型和臨床研究中也得到了證實[32,33]。Sherwin等的綜述中總結(jié)到雌激素替代治療對女性認知的保護作用只體現(xiàn)在年輕女性和中老年女性,而在老年女性則可能對認知造成損害,中老年女性ERT的關鍵時期為50-59歲[32]。Bohacek等的研究提出中老年雌性SD大鼠卵巢切除模型ERT的關鍵時期為卵巢切除術后5個月內(nèi)[33]。本實驗研究中,ERT開始于OVX術后一個月,在中老年卵巢切除大鼠ERT的關鍵時期內(nèi),Morris水迷宮的實驗結(jié)果再次證明了ERT對認知功能的改善作用。
由此看來,在絕經(jīng)后早期或OVX后短期內(nèi)進行ERT對認知功能有積極的作用。基于大腦白質(zhì)在大腦認知功能中的重要地位,ERT對大腦白質(zhì)的作用如何呢?運用核磁共振成像(MRI)技術,Ha等[16]發(fā)現(xiàn)長期的ERT可以減少白質(zhì)的老年性丟失,Liu等[17]報道長期低劑量的ERT可減少絕經(jīng)后女性大腦白質(zhì)的高信號灶。但同樣運用MRI技術測量大腦白質(zhì)信號,Low 等[18]和 Greenberg等[19]的研究發(fā)現(xiàn)ERT對絕經(jīng)后女性的大腦白質(zhì)體積沒有顯著影響,Luoto等[20]的研究甚至表明ERT不僅不能減少絕經(jīng)后女性大腦白質(zhì)病變,反而會加重大腦萎縮。既往關于ERT對大腦白質(zhì)體積作用的研究均為影像學研究[16-20],雖然影像學手段可以直接獲取活體的整個大腦的白質(zhì)信息,但是,影像學信息是間接的,且影響因素復雜。在影像學圖像上,要清楚地劃出白質(zhì)的邊界也不是非常容易。本研究基于現(xiàn)代體視學方法的基本原理,實現(xiàn)了三維空間內(nèi)的精確定量。本實驗研究結(jié)果顯示,為期1m的ERT對中老年卵巢切除大鼠的大腦白質(zhì)的體積并沒有顯著性的影響。這個結(jié)果雖然與Low等[18]和Greenberg等[19]的結(jié)論相一致,但是本研究結(jié)果并不能否認ERT對中老年大腦白質(zhì)的積極作用??偨Y(jié)過去ERT對大腦白質(zhì)體積作用的研究,不難發(fā)現(xiàn),導致結(jié)論不一的因素除了定量方法的局限外,也可能存在ERT治療時間窗的影響。在Ha等的研究中受試對象為平均絕經(jīng)時間25.4年的婦女,接受ERT的持續(xù)時間平均為23.1年,可以說,受試對象基本在絕經(jīng)后短期內(nèi)即開始了ERT[16],結(jié)論為ERT可以減少大腦白質(zhì)的老年性丟失。而在Greenberg等[19]和 Luoto[20]等的研究中,受試對象的平均年齡分別為70歲、74.8歲,而她們的絕經(jīng)年限不詳,ERT開始時間的年齡分布較廣,且ERT開始時間與絕經(jīng)期的關系不詳,他們得出ERT對絕經(jīng)后女性大腦白質(zhì)體積沒有影響的結(jié)論也是可以接受的。在本實驗研究中,ERT開始于OVX術后1m,可以排除雌激素治療時間窗假說的干擾,得出此結(jié)論,有一個關鍵因素為ERT持續(xù)的時間。在Ha等[16]的研究中,ERT持續(xù)時間平均為23.1y,相當于壽命的四分之一,而在本實驗中,僅為期1m的ERT,因此,并不能否認長期ERT可以保護老年大腦白質(zhì)。
有髓神經(jīng)纖維為大腦白質(zhì)中的主要成分,正常老年大腦白質(zhì)存在有髓神經(jīng)纖維的顯著性丟失[11]。有髓神經(jīng)纖維參與神經(jīng)沖動的跳躍式傳導,脫髓鞘改變的神經(jīng)纖維傳導速度下降也許是老年大腦認知功能降低的重要原因之一[34]。本團隊早期研究發(fā)現(xiàn),雄性大鼠大腦白質(zhì)的老年性改變早于雌性,18 m雄性大鼠白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維總長度下降的程度遠大于雌性[35]。18m 雌性大鼠剛進入老年期[36],體內(nèi)雌激素水平還沒有顯著下降,可能是雌激素對髓鞘的保護作用使18m雌性大鼠白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維總長度較年輕大鼠沒有顯著性下降[35]。Crawford等在對實驗性自身免疫性腦脊髓炎模型研究中發(fā)現(xiàn),給予雌激素受體β的配體替代治療后,即使在炎癥存在的情況下,胼胝體內(nèi)軸突的結(jié)構(gòu)和功能均得到保護,并且出現(xiàn)髓鞘再生[37]。Patel等的研究發(fā)現(xiàn),雙環(huán)己酮草酰二腙誘導脫髓鞘的卵巢切除小鼠接受雌激素替代治療后,可促進其胼胝體內(nèi)正常的髓鞘形成、減少脫髓鞘,并且可以促進髓鞘再生[38]。因此,我們推測雌激素可能通過防止有髓神經(jīng)纖維脫髓鞘來保護大腦白質(zhì)的老年性皺縮。本研究基于體視學原理,結(jié)合透射電鏡技術,在細胞水平和超微結(jié)構(gòu)水平定量研究ERT對大腦有髓神經(jīng)纖維的影響。本實驗研究結(jié)果顯示,為期1m的ERT對中老年OVX大鼠的大腦白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維的總體積、總長度、平均直徑及髓鞘的總體積均沒有顯著性的影響。但該結(jié)論與其他學者研究的結(jié)果并不完全矛盾。在本團隊的前期研究發(fā)現(xiàn),中老年雌性大鼠(18m)的白質(zhì)體積較年輕雌性大鼠(6-8m)并沒有顯著性的丟失,而其白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維和髓鞘的體積反而較年輕雌性大鼠明顯增加[35]。因此在本研究中,10-12m的中老年大鼠經(jīng)歷一個月的術后休息期和一個月的ERT,大腦白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維在僅僅兩個月內(nèi)可能并沒有發(fā)生顯著地老年性改變,導致短期的ERT對大腦白質(zhì)體積及白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維的作用均不顯著。
本實驗中主要體視學測量結(jié)果的體視學抽樣變異小于15%,生物學變異(CVbio)占觀察總變異(OCV)的75%左右,這說明體視學抽樣變異僅占觀察總變異的一小部分(表1)。因此,本實驗統(tǒng)計學結(jié)果表明,本實驗設計各階段抽樣的樣本量是足夠的,不需要再對本設計的抽樣方案進行進一步的分析和優(yōu)化。本實驗對中老年卵巢切除大鼠給予一個月ERT,一個月的ERT相對較短,這是本實驗的局限性。為明確ERT對中老年大腦白質(zhì)及白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維的影響,下一步需要進一步研究長期ERT對中老年大腦白質(zhì)及白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維的作用。
綜上所述,為期1m的ERT可以改善中老年卵巢切除大鼠的空間記憶能力,但是對中老年卵巢切除大鼠大腦白質(zhì)及白質(zhì)內(nèi)有髓神經(jīng)纖維并沒有顯著性的影響。本研究運用的方法可為將來運用該模型研究ERT對正常老年大腦白質(zhì)及神經(jīng)退行性疾病狀態(tài)下大腦白質(zhì)的作用提供可靠、有效的研究手段。
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