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    吡格列酮通過抑制PKA表達抑制AD大鼠腦片模型海馬神經(jīng)元HVA鈣通道電流*

    2016-06-27 07:37:13權乾坤李璽袁海峰王娟王寧寧李明
    西部醫(yī)學 2016年6期
    關鍵詞:阿爾茨海默病激動劑

    權乾坤 李璽 袁海峰 王娟 王寧寧 李明

    (1. 西安交通大學第二附屬醫(yī)院老年病科,陜西 西安 710004;2. 西安交通大學第二附屬醫(yī)院腦病科,陜西 西安 710004;3. 解放軍第四軍醫(yī)大學西京醫(yī)院檢驗中心,陜西 西安 710032)

    ·論著·

    吡格列酮通過抑制PKA表達抑制AD大鼠腦片模型海馬神經(jīng)元HVA鈣通道電流*

    權乾坤1李璽1袁海峰2王娟3王寧寧1李明1

    (1. 西安交通大學第二附屬醫(yī)院老年病科,陜西 西安 710004;2. 西安交通大學第二附屬醫(yī)院腦病科,陜西 西安 710004;3. 解放軍第四軍醫(yī)大學西京醫(yī)院檢驗中心,陜西 西安 710032)

    【摘要】目的探討PPARγ激動劑吡格列酮(pioglitazone, Pio)是否對Aβ致阿爾茨海默病(AD)大鼠腦片模型海馬神經(jīng)元高電壓激活(high-voltage-activated,HVA)鈣通道電流有抑制作用以及是否通過抑制蛋白激酶A(protein kinase A, PKA)表達途徑而實現(xiàn)。方法采用Aβ25~35孵育大鼠腦片制備AD模型;采用全細胞膜片鉗技術觀察Pio干預后AD大鼠腦片模型海馬神經(jīng)元HVA鈣通道在刺激電壓下電流密度、Ⅰ~Ⅴ曲線、激活曲線及失活曲線的變化情況;采用免疫組織化學染色觀察Pio干預后AD大鼠腦片模型PKA蛋白表達情況。結果Aβ孵育可以導致大鼠腦片海馬神經(jīng)元HVA鈣通道電流增加,激活曲線半激活電壓減低,斜率因子增大;失活曲線半失活電壓增大,斜率因子減小。Pio干預后AD大鼠腦片模型海馬神經(jīng)元HVA鈣通道在各激活電壓下電流密度降低;激活曲線半激活電壓增加,斜率因子減小,HVA鈣通道激活對電壓的敏感性降低,不易被激活;失活曲線半失活電壓減小,斜率因子增大,HVA鈣通道失活對電壓的敏感性增加,更易失活;同時海馬神經(jīng)元PKA蛋白表達水平下降。結論Pio可能通過抑制PKA表達途徑抑制AD大鼠腦片海馬神經(jīng)元HVA鈣通道電流,從而減少細胞鈣離子內流,降低細胞內鈣離子水平,對抗Aβ的神經(jīng)毒性。

    【關鍵詞】阿爾茨海默病(AD);PPARγ激動劑;高電壓激活鈣通道電流;蛋白激酶A

    作為過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ, PPARγ)激動劑,噻唑烷二酮類藥物(thiazolidinediones, TZDs)可以增加胰島素敏感性,主要用于Ⅱ型糖尿病治療。最近一些體內或體外研究還表明,TZDs對阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease, AD)具有神經(jīng)保護作用,如吡格列酮可以降低胰島素抵抗大鼠模型腦內β淀粉樣蛋白(beta-amyloid peptide, Aβ)水平[1];羅格列酮可以提高AD轉基因小鼠的學習和記憶能力[2],并通過調節(jié)β分泌酶進而調節(jié)淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein, APP)的產生,影響Aβ形成[1,3,4];還可以通過增加低密度脂蛋白受體相關蛋白1(low density lipoprotein receptor-related protein 1, LRP1)的表達促進Aβ清除[5]。另外,有人給予AD患者每日4 mg羅格列酮口服,連用6個月后AD患者記憶能力明顯改善[6]。然而目前關于TZDs對AD神經(jīng)保護作用機制并不完全清楚。

    神經(jīng)元內鈣離子平衡失調是AD的一個重要的病理改變,Aβ可以在細胞膜上形成新的離子通道或使細胞膜上原有的鈣離子通道發(fā)生磷酸化,從而引起鈣離子內流增加,導致鈣超載,是形成AD發(fā)病的機制之一[7-9]。在Aβ導致的鈣通道磷酸化及鈣通道異常開放過程中,已有研究表明蛋白激酶A(protein kinase A, PKA)參與其中[10],引起細胞內鈣離子水平異常。本實驗擬探討TZDs是否對Aβ致AD大鼠腦片模型海馬神經(jīng)元高電壓激活(high-voltage-activated,HVA)鈣通道電流有抑制作用以及是否通過抑制PKA表達途徑而實現(xiàn),現(xiàn)報告如下。

    1材料和方法

    1.1實驗動物11天左右健康SD大鼠乳鼠(雌雄不分)購自西安交通大學醫(yī)學院實驗動物中心,動物生產許可證號:SCXK(陜)2007-001。實驗中對動物的處理符合中華人民共和國科學技術部頒發(fā)的《關于善待實驗動物的指導性意見》,并得到西安交通大學第二附屬醫(yī)院倫理委員會批準。

    1.2藥物與試劑吡格列酮(pioglitazone, Pio)購自中國恒瑞醫(yī)藥股份有限公司;Aβ25~35(大鼠)購自美國Sigma-Aldrich 公司;多克隆兔抗大鼠PKA抗體、免疫組織化學染色試劑(SP法)及DAB顯色試劑盒購自北京博奧森公司。

    1.3AD腦片模型制備SD乳鼠經(jīng)腹腔注射戊巴比妥鈉麻醉后迅速斷頭,快速取出腦組織(<1 min),置于經(jīng)混合氣體(95 % O2+5 % CO2)飽和的0℃人工腦脊液中冷卻30 s。使用震蕩切片機對腦組織進行切片,切片厚度350 μm。整個切片過程<10 min。

    1.4分組及給藥干預將切好的腦片分為對照組、模型組和Pio組,每組14張腦片,分別按以下方案進行干預。對照組:ACSF(NaCl 126 mM,KCl 5 mM,MgSO4·7H2O 2 mM,CaCl22 mM,NaHCO325 mM,NaH2PO4·2H2O 1.5 mM,Glucose 10 mM,pH7.3~7.4);模型組:ACSF+Aβ25~35(10 μmM);Pio組:ACSF+Aβ25~35(10μmM)+Pio(10 μmM)[11],室溫22℃~24℃,孵育時間2小時,孵育過程中持續(xù)通入混合氣體(95% O2+5 % CO2)。干預結束后每組中7張腦片用于全細胞膜片鉗記錄,另外7張用于免疫組化染色。

    1.5全細胞膜片鉗記錄干預結束后采用全細胞膜片鉗記錄各組大鼠腦片海馬神經(jīng)元HAV鈣通道電流。為減少run down現(xiàn)象,本實驗中以Ba2+代替Ca2+。玻璃微電極尖端阻抗4~8 MΩ。電極外液:TEA-Cl 140 mM,BaCl210 mM,CsCl 5 mM,MgCl21 mM, HEPES 10 mM, 用TEA-OH將pH值調至7.3~7.4。電極內液:CsCl 120 mM,MgCl23 mM,Na2ATP 5 mM,EGTA 10 mM,HEPES 5 mM,用CsOH將pH值調至7.3~7.4。先將電壓鉗制在-40mV(200 ms)使Na+通道充分失活,然后給予脈沖電壓(-40 mV ~+40 mV,步階5 mV,持續(xù)時間200 ms)刺激,記錄相應電壓下產生的電流。另外將電壓鉗制在-40mV(200 ms)使Na+通道充分失活后給予0 mV刺激電壓(200 ms),記錄最大激活電壓下Ba2+電流。實驗中通過加用鈣通道阻滯劑CaCl2證實上述刺激方案得到的是鈣通道電流。

    1.6免疫組織化學染色將孵育后腦片取出,石蠟包埋后進行免疫組化染色,檢測大鼠腦片PKA蛋白表達情況。標本切片后常規(guī)脫蠟,抗原熱修復,正常山羊血清抗體封閉,加入兔抗大鼠PKA多克隆抗體(1∶ 750)4 ℃過夜,然后DAB顯色劑顯色,蘇木素復染、脫水、透明、封片。采用圖像處理與分析系統(tǒng)對切片進行灰度分析,蛋白表達水平越高,灰度值越??;反之,蛋白表達水平越低,灰度值越大。

    1.7數(shù)據(jù)處理與分析采用Clampfit 10.0軟件對數(shù)據(jù)進行采樣后漏減、基線調整等處理,采用GraphPad Prism 5軟件制作Ⅰ~Ⅴ曲線、激活曲線及失活曲線等;為消除差異,通道電流大小以電流密度表示,即電流大小與膜電容之比(pA/pF);激活曲線得到后采用Boltzmann方程:I/Imax= 1-1/{1+exp[(Vx-V1/2)/k]}進行擬合,失活曲線得到后采用Boltzmann方程:I/Imax = 1/{1+exp[(Vx-V1/2)/k]}進行擬合;各組間電流密度、半激活電壓、半失活電壓、斜率因子k值、PKA蛋白表達水平比較采用SPSS 16.0軟件進行單因素方差分析,組間兩兩比較采用Post-hoc LSD-t檢驗,P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

    2結果

    2.1Pio對AD大鼠腦片模型海馬神經(jīng)元HVA鈣通Ⅰ~Ⅴ曲線及最大激活電位下Ba2+電流的影響由Ⅰ~Ⅴ曲線可以看出,在各刺激電壓下,模型組大鼠腦片海馬神經(jīng)元HVA鈣通道Ba2+電流密度較對照組增大(P<0.05);Pio組HVA鈣通道Ba2+電流密度較模型組降低(P<0.05);3組間HVA鈣通道Ⅰ~Ⅴ曲線形狀、開始激活電壓、反轉電壓、最大激活電壓均無明顯差異(均P>0.05),見圖1A。最大激活電壓下各組HVA鈣通道Ba2+電流比較結果表明,大鼠腦片經(jīng)Aβ孵育后海馬神經(jīng)元在最大激活電壓下HVA鈣通道Ba2+電流密度明顯增加(模型組與對照組比較,P<0.05),Pio孵育可以降低最大激活電壓下Ba2+電流密度(Pio組與模型組比較,P<0.05),見圖1B。

    圖1Pio干預后AD大鼠腦片模型海馬神經(jīng)元HVA鈣通道在各刺激電壓下IBa變化

    Figure 1Ⅰ~Ⅴ curve of ICa, HVA and Peak ICa, HVA densities in hippocampal neurons in brain slices in different groups

    2.2Pio對AD大鼠腦片模型海馬神經(jīng)元HVA鈣通道激活的影響激活曲線反應了離子通道開放的速度與難易程度。半激活電壓V1/2反映了離子通道激活對電壓的敏感性,激活曲線斜率因子k值反映了曲線上升的速率。對激活曲線擬合及分析后結果表明,模型組激活曲線較對照組左移,Pio組激活曲線雖位于對照組的左側但較模型組右移,見圖2A;模型組V1/2較對照組小(P<0.05),Pio組V1/2較模型組大(P<0.05),見圖2B;與對照組比較,模型組k值較大(P<0.05),與模型組比較,Pio組k值較小(P<0.05),見圖2C。這些結果表明Aβ增加了HVA鈣通道激活對電壓的敏感性,使通道更容易被激活,并且激活速率增快;而Pio可以有效地對抗Aβ這種作用,降低HVA鈣通道對電壓的敏感性,減慢激活速率。

    2.3Pio對AD大鼠腦片模型海馬神經(jīng)元HVA鈣通道失活的影響失活曲線反應了離子通道失活的速度與難易程度。半失活電壓V1/2反映了離子通道失活對電壓的敏感性,失活曲線斜率因子k值反應了曲線下降的速率。對失活曲線擬合后結果分析表明,模型組失活曲線較對照組明顯右移,Pio組失活曲線較模型組左移,見圖3A;與對照比較,模型組V1/2變大(P<0.05),k值變小(P<0.05);與模型組比較,Pio組V1/2變小(P<0.05),k值增大(P<0.05),見圖3B、C。這些結果表明,Aβ降低了HVA鈣通道失活對電壓的敏感性而使通道不易失活,且失活速率減慢;Pio可以增加HVA鈣通道失活對電壓的敏感性而使通道更易失活,且失活速率增加。

    2.4Pio對AD大鼠腦片模型PKA蛋白表達水平的影響因為PKA參與了Aβ導致的鈣通道磷酸化及鈣通道異常開放[10],從而引起細胞內鈣離子水平增加。所以本實驗觀察了Pio干預后AD模型大鼠腦片PKA蛋白表達水平。免疫組化染色結果表明,與對照組比較,模型組大鼠腦片海馬CA1區(qū)PKA蛋白表達水平增加(P<0.05);與模型組比較,Pio組大鼠腦片海馬CA1區(qū)PKA蛋白表達水平下降(P<0.05),見圖4。

    圖2Pio干預后AD大鼠腦片模型海馬神經(jīng)元HVA鈣通道激活變化

    Figure 2Activation characteristics of HVA calcium channels in hippocampal neurons in brain slices in different groups

    圖3Pio干預后AD模型海馬神經(jīng)元HVA鈣通道失活變化情況

    Figure 3Inactivation characteristics of HVA calcium channels in hippocampal neurons in brain slices in different groups

    圖4各組大鼠腦片海馬CA1區(qū)PKA蛋白表達

    Figure 4Expression of PKA in area CA1 of hippocampus in brain slices in different groups

    3討論

    目前一些臨床或實驗研究將PPARγ激動劑TZDs用于AD治療研究,并取得了一定進展,如降低AD動物模型腦內Aβ水平[1-5],改善AD患者或動物模型的學習記憶能力[2,6]等。PPARγ為配體激活的核轉錄因子,被配體激活后可以與靶基因啟動子上特異性DNA反應元件(peroxisome proliferator responsive element,PPRE)結合,從而調控目的基因的表達[5],如PPARγ可以通過與Aβ起始生成關鍵酶β分泌酶1(β-amyloid cleavage enzyme 1, BACE1)啟動子中PPRE結合從而抑制其表達,影響Aβ生成[4,12];PPARγ還可與Aβ降解酶--胰島素降解酶(Insulin-degrading enzyme, IDE)啟動子中PPRE結合調控IDE基因的轉錄,上調IDE蛋白表達[13],從而促進Aβ降解等。上述研究結果揭示了TZDs對AD神經(jīng)保護作用的部分機制。

    研究表明,細胞內鈣離子超載是AD病理變化之一。細胞內鈣離子水平紊亂可以對下游一系列的信號途徑產生異常作用,包括神經(jīng)元凋亡、突觸結構超微結構損傷、突觸可塑性改變、神經(jīng)元代謝異常、酶系統(tǒng)的激活、信息傳遞異常等[14-16],與AD老年斑形成、早老素突變、tau纏結和突觸功能障礙相關[17]。鈣離子穩(wěn)態(tài)失衡還可以影響膽堿能系統(tǒng)紊亂,影響學習記憶功能[17]。研究表明,AD神經(jīng)元內鈣離子異常與AD核心病理產物Aβ也密切相關,Aβ可以通過MAPK途徑促進培養(yǎng)的皮層神經(jīng)元L型鈣離子通道的磷酸化,從而導致L型鈣離子通道激活,鈣離子的內流增加[18];Aβ還可在神經(jīng)元細胞膜上形成新的通道,從而促進鈣離子的內流[7-9]。另外,也有實驗證實PKA抑制劑H-89可以抑制Aβ對神經(jīng)元HVA鈣通道電流的增加作用[10],這表明PKA也參與了Aβ對神經(jīng)元HVA鈣通道開放的促進作用。PKA是細胞內信號轉導過程中關鍵的物質,由兩個調節(jié)亞單位和兩個催化亞單位組成,當PKA被激活后,調節(jié)亞單位與催化亞單位分離,游離的催化亞單位在Mg2+和ATP的參與下,使通道蛋白絲氨酸和蘇氨酸磷酸化[19],改變蛋白質的構象和功能,最終控制通道的開關[20,21]。

    本實驗證實,Pio可以抑制Aβ致AD大鼠腦片模型中海馬神經(jīng)元HVA鈣通道介導的電流,降低通道激活對電壓的敏感性,增加通道失活對電壓的敏感性,從而降低細胞內鈣離子水平。鑒于已有實驗證實PKA參與了Aβ對神經(jīng)元HVA鈣通道的開放作用,本實驗觀察了Pio干預后AD大鼠腦片模型中PKA的表達情況,結果證實PKA蛋白表達水平降低,這表明Pio可能通過抑制PKA表達途徑抑制Aβ致AD大鼠腦片模型海馬神經(jīng)元 HVA鈣通道開放。但是關于Pio是如何影響PKA蛋白表達還需要進一步證實。

    鈣離子通道分為電壓門控鈣離子通道(voltage-gated Ca2+channel, VGCC)、受體依賴性鈣離子通道、第二信使激活的鈣離子通道、機械性鈣離子通道等,其中研究最多的是VGCC。VGCC根據(jù)對電壓的依賴性分為高電壓激活(HVA)鈣通道和低電壓激活(LVA)鈣通道。HVA鈣通道包括L型、N型、P型、Q型等亞型,LVA鈣通道主要為T型鈣通道。本實驗中僅觀察了Aβ及Pio對HVA鈣通道電流的影響,未進一步觀察對各亞型的影響,未來可進行此方面的研究。

    4結論

    本研究證實,Pio可以通過抑制PKA表達途徑抑制Aβ所致AD大鼠腦片模型中海馬神經(jīng)元HVA鈣通道電流,降低HVA鈣通道激活對電壓的敏感性,使通道不易激活,增加通道失活對電壓的敏感性,使離子通道容易失活,從而減少細胞內鈣離子內流,對抗Aβ神經(jīng)毒性。

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    Pioglitazone inhibits HVA calcium channel currents via PKA in hippocampal neurons in rat brain slice model of AD

    QUAN Qiankun, LI Xi, YUAN Haifeng,et al

    (1.DepartmentofGeriatrics,TheSecondAffiliatedHospitalofXi’anJiaotongUniversity,Xi’an710004,China; 2.DepartmentofEncephalopathy,TheSecondAffiliatedHospitalofXi’anJiaotongUniversity,Xi’an710004,China; 3.ExaminationCenter,XijingHospital,TheFourthMedicalUniversityofPLA,Xi’an700032,China)

    【Abstract】ObjectiveTo examine whether PPARγ agonist pioglitazone inhibits the high-voltage-activated calcium currents (ICa,HVA) via protein kinase A (PKA) in hippocampal neurons in rat brain slice model of AD. MethodsAn experimental Alzheimer disease (AD) model was prepared by exposure of rat brain slices to Aβ25-35. After treatment with pioglitazone, the ICa, HVA elicited in hippocampal neurons in these rat brain slices was recorded by whole-cell patch clamp to analyze the changes in the peak current density, Ⅰ~Ⅴ curve, activation-V curve, and inactivation-V curve. The expression of PKA protein in these slices was detected by immunohistochemistry staining. ResultsExposure of rat brain slices to Aβ led to increase in ICa, HVA, enhance the voltage sensitivity of channel activation, reduce the voltage sensitivity of channel inactivation and increase PKA protein level in hippocampal neurons in rat brain slice model of AD. Pioglitazone treatment significantly inhibited these changes. ConclusionPioglitazone can inhibit HVA calcium channel currents via PKA in hippocampal neurons in rat brain slice model of AD.

    【Key words】Alzheimer disease; PPARγ agonist; High-voltage-activated calcium current; Protein kinase A

    基金項目:陜西省科技攻關計劃項目[2007K16-07(5)]; 西安交通大學第二附屬醫(yī)院院重點基金項目[YJ(ZD)201517]

    通訊作者:李璽,教授,碩士生導師,研究方向:阿爾茨海默病臨床與基礎研究,E-mail: lixi2100@163.com

    【中圖分類號】R-33

    【文獻標志碼】A

    doi:10.3969/j.issn.1672-3511.2016.06.009

    (收稿日期:2016-01-15; 編輯: 母存培)

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