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      視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡對(duì)延遲整流鉀電流的影響*

      2016-06-01 11:31:17徐亞吉路雪婧段俊國(guó)
      中國(guó)病理生理雜志 2016年8期
      關(guān)鍵詞:膜電位神經(jīng)節(jié)線粒體

      趙 瑛, 徐亞吉, 路雪婧, 段俊國(guó)△

      (1成都中醫(yī)藥大學(xué)視覺(jué)生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610075; 2成都大學(xué)生理教研室,四川 成都 610106)

      視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡對(duì)延遲整流鉀電流的影響*

      趙 瑛1, 徐亞吉2, 路雪婧1, 段俊國(guó)1△

      (1成都中醫(yī)藥大學(xué)視覺(jué)生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610075;2成都大學(xué)生理教研室,四川 成都 610106)

      目的: 觀察視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cells,RGCs)凋亡對(duì)延遲整流鉀電流(delayed recti-fier K+currents,IK)的影響。方法: 將原代培養(yǎng)2~3 d的SD乳大鼠RGCs分為對(duì)照組、加壓0.5 h組、加壓1 h組、加壓1.5 h組和加壓2 h組,對(duì)照組為常規(guī)培養(yǎng)6 d;其它各組常規(guī)培養(yǎng)6 d后用自行設(shè)計(jì)的加壓裝置加壓80 mmHg,時(shí)間分別為0.5 h、1 h、1.5 h和2 h,通過(guò)連續(xù)波長(zhǎng)多功能微孔板檢測(cè)儀檢測(cè)各組RGCs線粒體的熒光強(qiáng)度;通過(guò)全細(xì)胞膜片鉗技術(shù)觀察各組細(xì)胞膜電容(membrane capacitance,Cm)的變化,觀察對(duì)照組與加壓1 h組IK、V1/2、k和Gmax的變化。結(jié)果: 對(duì)照組RGCs線粒體的熒光強(qiáng)度與加壓0.5 h組比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性,而加壓1 h、1.5 h和2 h各組RGCs線粒體的熒光強(qiáng)度顯著低于對(duì)照組(P<0.05);對(duì)照組RGCs的細(xì)胞Cm與加壓0.5 h組比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性,其余各組RGCs的細(xì)胞Cm顯著低于對(duì)照組(P<0.05)。與對(duì)照組比較,加壓1 h能使電流幅度顯著增加,在刺激電位為-10 mV~60 mV時(shí),加壓1 h組的電流密度明顯大于對(duì)照組(P<0.05)。加壓1 h組的Gmax值明顯高于對(duì)照組(P<0.05),V1/2顯著小于對(duì)照組(P<0.01),兩組間比較k值的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性。結(jié)論: 視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡伴有IK通道電導(dǎo)增加,IK增大。

      延遲整流鉀電流; 視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞; 加壓; 細(xì)胞凋亡

      青光眼是不可逆致盲性眼病,病理基礎(chǔ)是視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cells,RGCs)凋亡,視野缺損,因此探索RGCs凋亡機(jī)理對(duì)預(yù)防和治療青光眼有重要意義。越來(lái)越多的研究表明,細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度降低是多種細(xì)胞凋亡途徑的重要因素,胞內(nèi)鉀外流是引起老年癡呆患者海馬神經(jīng)元凋亡的關(guān)鍵[1],隨著凋亡細(xì)胞內(nèi)K+的丟失,細(xì)胞內(nèi)促凋亡因子Bax表達(dá)增加使細(xì)胞凋亡[2]。我們前期的研究發(fā)現(xiàn),青光眼大鼠的RGCs促凋亡因子Bax增加,凋亡抑制因子Bcl-2的表達(dá)減少,RGCs的凋亡增多[3]。然而尚不清楚在凋亡過(guò)程中RGCs的K+電流是如何變化的。為此,本研究探討壓力誘導(dǎo)RGCs凋亡時(shí)延遲整流鉀電流(delayed rectifier K+currents,IK)的變化,探索RGCs凋亡的機(jī)理,為防止青光眼視神經(jīng)疾病奠定基礎(chǔ)。

      材 料 和 方 法

      1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及分組

      SD乳鼠(出生2~3 d),雌雄不拘,由成都中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。將分離培養(yǎng)的乳鼠RGCs分為對(duì)照組、加壓0.5 h組、加壓1 h組、加壓1.5 h組和加壓2 h組。對(duì)照組為常規(guī)培養(yǎng)6 d;其余各組為常規(guī)培養(yǎng)6 d后用自行設(shè)計(jì)的加壓裝置加壓80 mmHg,時(shí)間分別為0.5 h、1 h、1.5 h和2 h。

      2 主要試劑與儀器

      多聚鳥(niǎo)氨酸、多聚賴氨酸、胰蛋白酶、ATP-Mg、 GTP、phosphocreatin、EGTA和Asp(Sigma);層黏連蛋白(Roche);胎牛血清、HEPES、 DMEM/F12、B-27、Thy1.1單克隆抗體、rhodamine 123和二甲基亞砜(Invitrogen);羊抗鼠IgG(北京中杉金橋生物科技有限公司);寧夏枸杞多糖(由香港大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室饋贈(zèng))。Multiclamp 700B膜片鉗系統(tǒng)(Axon);P-97電極拉制儀(Sutter);Ti倒置顯微鏡(Nikon);DMi1倒置顯微成像系統(tǒng)(Leica);SMZ445體視顯微鏡(Nikon)

      3 方法

      3.1 RGCs的培養(yǎng) 用文獻(xiàn)報(bào)道的方法[4]分離培養(yǎng)RGCs。取出生2~3 d內(nèi)的SD乳鼠,75%乙醇消毒,斷頸處死,無(wú)菌條件下取眼球,置入含青霉素的PBS液中。在體視顯微鏡下沿角膜剪開(kāi),去除晶狀體和玻璃體,鈍性分離視網(wǎng)膜。將視網(wǎng)膜放入終濃度0.125%的胰蛋白酶中,吸管輕輕吹打,消化10 min,加入胎牛血清終止消化,用200目無(wú)菌鋼篩網(wǎng)過(guò)濾,濾液離心2次,1 000 r/min,每次10 min,棄上清液。向沉淀中加入DMEM/F12培養(yǎng)液(含90% DMEM/F12、10%胎牛血清、1×105U/L青霉素、100 mg/L鏈霉素),吸管吹打使之分散均勻制成單細(xì)胞懸液。將視網(wǎng)膜細(xì)胞懸液加入經(jīng)羊抗鼠IgG和小鼠抗大鼠Thy-1.1單克隆抗體包被的培養(yǎng)皿中,在37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱中孵育30 min,使視網(wǎng)膜RGCs與Thy-1.1單克隆抗體充分結(jié)合。去除懸液,用無(wú)血清DMEM/F12培養(yǎng)液反復(fù)漂洗,清除培養(yǎng)皿表面未黏附細(xì)胞。用0.125%胰蛋白酶消化黏附的細(xì)胞5 min,小牛血清終止消化。收集細(xì)胞,1 000 r/min離心5 min,去上清,加入含胎牛血清的DMEM/F12培養(yǎng)液,用吸管反復(fù)吹打,使細(xì)胞分散均勻,制成細(xì)胞懸液,計(jì)數(shù),將細(xì)胞懸液按每孔1×106個(gè)接種于經(jīng)多聚鳥(niǎo)氨酸、層黏連蛋白包被的24孔板中,置于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。

      3.2 線粒體膜電位的檢測(cè) 用0.125%胰蛋白酶消化黏附的細(xì)胞5 min,小牛血清終止消化,收集細(xì)胞,1 000 r/min離心5 min,加入PBS液使細(xì)胞懸浮,將懸液加入酶標(biāo)板中,靜置30 min貼壁,加入已配置好的1 μmol/L rhodamine 123,每孔20 μL,使終濃度至0.5 μmol/L,37 ℃孵育20 min,用PBS洗滌2次,用連續(xù)波長(zhǎng)多功能微孔板檢測(cè)各組RGCs線粒體膜熒光強(qiáng)度,激發(fā)光波長(zhǎng)為488 nm,發(fā)射光波長(zhǎng)為532 nm,重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)。

      3.3 全細(xì)胞膜片鉗記錄 在室溫條件(20~25 ℃)下記錄各組RGCs的膜電容(membrane capacitance,Cm)以及對(duì)照組與加壓1 h組的IK。采樣頻率為10 kHz,低通濾波頻率2 kHz,保持電位鉗制在-50 mV,以10 mV的階躍,從-50 mV去極化至+60 mv,鉗制時(shí)間為200 ms。電極液(mmol/L):KOH 110、KCl 20、Asp 110、MgCl21、HEPES 10、EGTA 5、ATP-Mg 5、GTP 0.1、phosphocreatin 5,用KOH調(diào)節(jié)pH值至7.2;細(xì)胞浴液(mmol/L):NaCl 136、KCl 5.4、CaCl21.0、MgCl21.0、NaH2PO40.33、HEPES 5、glucose 10、CoCl23,用NaOH調(diào)節(jié)pH值至7.35。

      4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

      采用Clampfit 10.0和Origin 7.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并作圖,采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)表示,兩組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),多組間進(jìn)行比較采用單因素方差分析(one-way ANOVA),各組均數(shù)間兩兩比較采用LSD法,以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

      結(jié) 果

      1 加壓對(duì)RGCs線粒體膜電位的影響

      線粒體膜電位與rhodamine 123熒光強(qiáng)度成正比,因此可通過(guò)rhodamine 123熒光強(qiáng)度間接觀察線粒體膜電位的變化。對(duì)照組與加壓0.5 h組比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性,加壓1 h組、加壓1.5 h組和加壓2 h組顯著低于對(duì)照組(P<0.05),見(jiàn)圖1。

      Figure 1.Time courses of pressure-induced decreses in rhodamine 123 fluorescence in the mitochondria of RGCs. Mean±SD.n=6.*P<0.05,**P<0.01vscontrol group.

      圖1 加壓時(shí)間延長(zhǎng)引起RGCs線粒體膜電位減小

      2 加壓對(duì)細(xì)胞Cm的影響

      為了觀察加壓誘導(dǎo)凋亡細(xì)胞體積的變化,我們?cè)陔娚韺?shí)驗(yàn)中觀察了加壓不同時(shí)間的細(xì)胞Cm,對(duì)照組和加壓0.5 h組細(xì)胞的Cm差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性,加壓1 h、1.5 h和2 h組細(xì)胞的Cm均顯著低于對(duì)照組(P<0.05),而加壓1.5 h和2 h組細(xì)胞的Cm差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性,見(jiàn)圖2。

      3 凋亡的RGCsIK的改變

      加壓80 mmHg 1 h能使RGCs發(fā)生凋亡,因此,本研究采用全細(xì)胞電壓鉗制脈沖刺激模式記錄對(duì)照組和加壓1 h組RGCs 的IK。選擇胞體光澤好、細(xì)胞膜光滑、立體感強(qiáng)的細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。與對(duì)照組比較,加壓1 h能使電流幅度顯著增加。各階躍電壓下的電流大小以電流密度(電流/膜電容)表示,做電流-電壓(I-V)曲線,與對(duì)照組比較,在刺激電位為-10 mV~60 mV時(shí),加壓組的電流密度明顯大于對(duì)照組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性(P<0.05),見(jiàn)圖3。

      Figure 2.Time courses of pressure-induced decreses in the membrane capacitance. Mean±SD.n=8.**P<0.01vscontrol group.

      圖2 加壓時(shí)間延長(zhǎng)引起細(xì)胞膜電容減小

      4 凋亡的RGCsIK的動(dòng)力學(xué)改變

      從IK電流-電壓曲線中獲得數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為電導(dǎo)值,以標(biāo)準(zhǔn)化電導(dǎo)值對(duì)膜電位作圖,用Boltzmann方程G=Gmax/{1+exp[(V1/2-Vm)/k]}擬合,得到最大電導(dǎo)值(Gmax)、IK電流激活曲線、IK半數(shù)激活電壓(V1/2)和斜率k值。加壓1 h組的Gmax與對(duì)照組的Gmax比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性(P<0.05),加壓1 h組的V1/2與對(duì)照組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性(P<0.01);兩組比較k值間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性,見(jiàn)圖4、表1。

      討 論

      青光眼是全世界第二位致盲性眼病,據(jù)流行病學(xué)調(diào)查顯示,目前,我國(guó)40歲以上人群中,青光眼患者達(dá)到2 210萬(wàn)人,且青光眼患者數(shù)量呈逐年上升的趨勢(shì)[5],青光眼的主要病理變化是視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的凋亡及視神經(jīng)的永久性損害,視野缺損,因此,探索青光眼視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡的機(jī)制尤為重要。

      細(xì)胞凋亡是細(xì)胞死亡的主要形式之一,誘導(dǎo)凋亡的方法根據(jù)研究者們研究的對(duì)象和目的而采取不同的方法,國(guó)內(nèi)外研究己證實(shí)外來(lái)機(jī)械壓力可導(dǎo)致淋巴細(xì)胞凋亡[6],神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的損傷或凋亡[7-8]。本實(shí)驗(yàn)室早已建立了成熟的加壓誘導(dǎo)RGCs細(xì)胞凋亡的方法,發(fā)現(xiàn)加壓80 mmHg 1 h能誘發(fā)RGCs凋亡[9],采用加壓的方法誘導(dǎo)RGCs凋亡模擬了眼球在高壓狀態(tài)下引起RGCs凋亡及損傷的情況。

      線粒體在細(xì)胞凋亡過(guò)程中發(fā)揮積極主動(dòng)的調(diào)控作用,而且處于多種凋亡調(diào)控通路和信號(hào)的中心地位[10]。正常的線粒體膜電位是生存所必須的,當(dāng)細(xì)胞受到凋亡誘導(dǎo)因素作用后,線粒體膜受到破壞使其膜電位降低,導(dǎo)致線粒體內(nèi)促凋亡蛋白分子釋放,使細(xì)胞凋亡。Rhodamine 123是一種可透過(guò)細(xì)胞膜的陽(yáng)離子熒光染料,是一種線粒體跨膜電位的指示劑,rhodamine 123熒光與線粒體膜電位呈線性關(guān)系。我們的研究顯示隨著加壓時(shí)間大于1 h,rhodamine 123熒光強(qiáng)度降低,該研究結(jié)果與凋亡的大腦紋狀體神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)rhodamine 123顆粒熒光強(qiáng)度降低[11],缺氧誘導(dǎo)的大鼠皮層神經(jīng)細(xì)胞線粒體膜電位降低一致[12]。熒光強(qiáng)度的降低可能與加壓引起RGCs線粒體膜完整性破壞有關(guān),從線粒體中釋放出活性氧(reactive oxygen species,ROS)、caspase-3、caspase-9等促凋亡蛋白[13-14]可能引起壓力誘導(dǎo)的RGCs凋亡。我們的研究還發(fā)現(xiàn),加壓80 mmHg 1 h、1.5 h、2 h會(huì)引起RGCs的Cm變小,而加壓1.5 h 與加壓2 h無(wú)明顯的差異,細(xì)胞Cm間接反映了細(xì)胞體積的大小,這與細(xì)胞凋亡時(shí)細(xì)胞體積變小的基本形態(tài)學(xué)特性一致。我們的這些研究結(jié)果也再次證明了加壓 80 mmHg 1 h可引起RGCs凋亡。

      Figure 3.The delayed rectifier K+currents in control group and pressure 1 h group. A: voltage clamp protocol, voltage step from -50 to 60 mV; B: current traces ofIKin control group and pressure 1 h group; C: current (I)-voltage (V) relationship of the 2 groups. Mean±SD.n=9.*P<0.05,**P<0.01vscontrol group.

      圖3 加壓1 h組與對(duì)照組IK的變化

      Figure 4.The conductance-voltage curves for control and pressure 1 h groups. Mean±SD.n=9.

      圖4 加壓1 h組和對(duì)照組的電導(dǎo)-電壓曲線

      表1 兩組IK的動(dòng)力學(xué)特征

      *P<0.01,**P<0.05vscontrol group.

      大量的研究發(fā)現(xiàn),多種細(xì)胞凋亡伴有細(xì)胞內(nèi)鉀離子的外流增加,本研究發(fā)現(xiàn)加壓引起細(xì)胞IK增大,V1/2左移變小,Gmax增加,這一研究結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的神經(jīng)細(xì)胞凋亡時(shí)外向鉀電流增加[15]一致,說(shuō)明RGCs凋亡也伴有外向鉀電流增加,增加的原因可能是細(xì)胞膜上的K+通道數(shù)開(kāi)放增多,電導(dǎo)增大,但并不能說(shuō)明通道開(kāi)放的速度增快。此外,外向鉀電流的增加,細(xì)胞內(nèi)容物減少,促進(jìn)了細(xì)胞體積變小,這也可能是細(xì)胞凋亡時(shí)體積變小的原因。然而,RGCs凋亡時(shí)外向鉀電流增加是否是RGCs凋亡的必要條件,鉀通道在RGCs凋亡過(guò)程中的作用是什么?哪種類型的鉀通道參與RGCs凋亡我們還要做進(jìn)一步的研究。

      致謝: 感謝蘇國(guó)輝院士為本研究提供寧夏枸杞多糖。

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      (責(zé)任編輯: 盧 萍, 羅 森)

      Effects of retinal ganglion cell apoptosis on delayed rectifier K+currents

      ZHAO Ying1, XU Ya-ji2, LU Xue-jing1, DUAN Jun-guo1

      (1KeyLaboratoryforVisionPhysiology,ChengduUniversityofTraditionalChineseMedicine,Chengdu610075,China;2DepartmentofPhysiology,ChengduUniversity,Chengdu610106,China.E-mail:duanjgs@126.com)

      AIM: To investigate the effects of rat retinal ganglion cell (RGC) apoptosis on delayed rectifier K+currents (IK). METHODS: The retinas of 2~3 d newborn Sprague-Dawley rats were dissociated into cell suspension by trypsin digestion. The RGCs were cultured and divided into control group, pressure 0.5 h group, pressure 1 h group, pressure 1.5 h group and pressure 2 h group. The cells were cultured regularly for 6 d in control group, and the cells in other groups were cultured regularly for 6 d and gave pressure of 80 mmHg for 0.5 h, 1 h, 1.5 h and 2 h, respectively. The rhodamine 123 fluorescence from labeled RGC mitochondrion was detected by continuous wavelength multifunctional microplate detection instrument. The membrane capacitance (Cm) in different groups andIKin the pressure 1 h group were recorded from the RGCs by whole-cell patch-clamp technique. RESULTS: No difference of rhodamine 123 fluorescence in the RGC mitochondria between control group and pressure 0.5 h group was observed. Rhodamine 123 fluorescence in the other 3 groups was significantly lower than that in control group (P<0.05). No difference of theCmbetween control group and pressure 0.5 h group was found, and theCmin the other 3 groups was significantly lower than that in control group (P<0.05). The amplitudes ofIKwere higher than that in control group. At the test potential from -10 mV to 60 mV, the current density in pressure 1 h group was significantly higher than that in control group (P<0.05). The maximal conduction (Gmax) in pressure 1 h group was significantly higher than that in control group. The voltage forIKchannel half-activation (V1/2) in pressure 1 h group declined comparison with control group (P<0.01), and thekvalue had no significant difference between the 2 groups. CONCLUSION: Retinal ganglion cell apoptosis accompanies with delayed rectifier K+current enhancement.

      Delayed rectifier K+currents; Retinal ganglion cells; Pressure; Apoptosis

      1000- 4718(2016)08- 1403- 05

      2016- 02- 26

      2016- 06- 15

      國(guó)家科技部重大新藥創(chuàng)制資助項(xiàng)目(No. 2009ZX09103-369);四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(No. 200ZD013)

      R774.6;R339.14

      A

      10.3969/j.issn.1000- 4718.2016.08.010

      雜志網(wǎng)址: http://www.cjpp.net

      △通訊作者 Tel: 028-87715032; E-mail: duanjgs@126.com

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