納米金顆粒對大鼠血腦屏障結構的影響

黃昱昊　何敏彤　楊圳沖　廖智恒　許衍揚　李夢圓　柳嘉欣　顧懷宇

納米金顆粒對大鼠血腦屏障結構的影響

黃昱昊何敏彤楊圳沖廖智恒許衍揚李夢圓柳嘉欣顧懷宇

510080 廣州，中山大學中山醫(yī)學院人體解剖學教研室

【摘要】目的觀察頸靜脈注射納米金顆粒對大鼠血腦屏障結構的影響。方法經(jīng)頸靜脈向大鼠注射50 nm金顆粒。分別在1、2、3、4、5、6 h時收集大鼠腦脊液，采用電感偶合等離子體質譜儀檢測腦脊液納米金顆粒濃度。在注射納米金顆粒6 h后取腦組織并固定制片，在透射電鏡下觀察納米金顆粒及腦組織的超微結構；大鼠腦組織制作切片后經(jīng)普魯士藍染色、免疫組織化學染色和免疫熒光染色，在光鏡下觀察大鼠血腦屏障的出血情況和完整性。結果大鼠腦脊液中納米金顆粒濃度隨時間延長逐漸升高，并在3 h后趨于穩(wěn)定；電鏡下可見大鼠腦細胞布滿納米金顆粒，超顯微結構有一定改變；光鏡下，大鼠血腦屏障在普魯士藍染色后可見出血點，在免疫組織化學染色和免疫熒光染色后可見血管缺損。結論納米金顆?？赏高^血腦屏障并造成微小出血點及血管微小缺損。

【關鍵詞】納米顆粒；血腦屏障；大鼠；透射電鏡

近年來，中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病成為國內(nèi)外的研究熱點，例如癲癇、帕金森綜合征、阿爾茨海默病等。但大部分藥物由于不能透過血腦屏障到達靶標，使得中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療成為難點。雖然血腦屏障有效阻擋了毒物進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使其保持相對穩(wěn)定，但同時也阻礙了藥物進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮藥效[1-2]。納米材料作為藥物載體，不僅可與多種藥物結合透過血腦屏障作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，而且可精確控制藥物釋放時間和空間[3-4]。納米技術將會廣泛運用于臨床，但其作用機制和安全性仍未完全闡明。為此，本研究予大鼠注射納米金顆粒，并對其血腦屏障的結構變化進行一系列的觀察，現(xiàn)報告如下。

材料與方法

一、實驗動物及分組

16只SPF級雄性SD大鼠，體質量180～250 g，購于廣東醫(yī)學動物實驗中心。將大鼠分為實驗組和對照組，每組各8只，遵循中山大學實驗室動物管理規(guī)范飼養(yǎng)，大鼠適應性飼養(yǎng)2周。

二、主要藥品和試劑

包括50 nm金顆粒(中國科學院國家納米科學中心)、Claudin-5多克隆抗體(美國Sigma公司)、免疫組織化學試劑盒(北京中衫金橋生物技術有限公司)。

三、實驗方法

1. 納米金顆粒解聚

將納米金顆粒懸液用磷酸鹽緩沖液(PBS)稀釋至0.5 mg/ml，振蕩，然后用數(shù)控超聲波儀在功率300 W、水溫25～30℃時超聲解聚3次，每次10 min。

2. 給藥方法

用異氟醚麻醉大鼠后，在解剖放大鏡下小心暴露大鼠頸靜脈，用血管鉗夾閉頸靜脈近心端血流，在頸靜脈遠心端做一個V形切口后插入插管。實驗組和對照組通過頸靜脈插管分別注射0.5 mg/ml的納米金顆粒溶液5 mg/kg和等體積的PBS溶液。

3. 大鼠腦脊液抽取

用異氟醚麻醉大鼠后，在解剖放大鏡下在大鼠第二骶椎處做一正中縱向切口，小心分離肌肉暴露第二骶椎并用鑷子將其掀開，暴露硬脊膜。在硬脊膜上作一V形切口，將馬尾套管插入蛛網(wǎng)膜下隙，腦脊液即可從管中流出并連續(xù)收集，將套管扎緊并固定于皮膚。在納米金顆粒注射1、2、3、4、5、6 h時收集腦脊液標本。

4. 納米金顆粒的檢測

將收集的腦脊液通過電感等離子體發(fā)射光譜儀[5](ICP-MS，Perkin-Elmer，USA)測定其納米金顆粒濃度，由國家納米科學中心完成。

5. 腦組織取材

在注射納米金顆粒6 h后，注射甲苯噻嗪和氯胺酮(0.011、0.2 mg/kg)麻醉，經(jīng)冠狀動脈用生理鹽水灌流處死后，取腦組織置入4%戊二醛固定液在4℃下固定過夜。

6. 電鏡樣本的制備

將固定的樣本以0.1 mol/L PBS沖洗3次，每次30 min；后用1%四氧化鋨固定1 h，統(tǒng)一方法沖洗3次；丙酮系列脫水，丙酮∶包埋劑Epon812環(huán)氧樹脂(1∶1和1∶2)與純包埋劑系列滲透，包埋聚合；超薄切片，經(jīng)鈾鉛雙重染色；在電子顯微鏡下觀察[6]。

7. 普魯士藍染色、免疫組織化學染色和免疫熒光染色

將已固定好的腦組織行冠狀面切片，厚40 μm。對于每例腦組織標本每逢第6片共12片作普魯士藍染色[7]。每逢第2片共10片作免疫組織化學染色[8]。每逢第4片共10片作免疫熒光染色。

在普魯士藍染色實驗中，將組織切片脫蠟至蒸餾水；普魯士藍染液染色20 min，蒸餾水沖洗；1%伊紅對比染色 1 min，蒸餾水沖洗； 95%乙醇至無水乙醇脫水、二甲苯透明、中性樹膠封片，顯微鏡下觀察。

在免疫組織化學染色實驗中，將組織切片行過氧化物酶阻斷，正常山羊血清封閉，滴加50 μl鼠抗Claudin-5(1∶100)。4℃孵育過夜后，滴加即用型生物素標記的羊抗兔二抗IgG，室溫孵育15 min，辣根過氧化物酶標記鏈霉卵白素工作液室溫孵育15 min，顯色后蒸餾水沖洗終止反應，蘇木素復染、脫水后中性樹膠封片，顯微鏡下觀察。

在免疫熒光染色實驗中，將組織切片用5%驢血清封閉30 min，勿洗；滴加鼠抗Claudin-5(1∶100)，4℃孵育過夜；用PBS沖洗后，滴加驢抗鼠熒光二抗(1∶100)，室溫下避光孵育1 h；甘油封片后熒光顯微鏡下觀察。

四、統(tǒng)計學處理

結果

一、腦脊液中納米金顆粒的形態(tài)及濃度

納米金顆粒懸液經(jīng)充分解聚后，透射電鏡下觀察可見，納米金顆粒的直徑在40～50 nm之間，顆粒分散良好，呈圓球狀，見圖1。實驗組在1、2、3、4、5、6 h腦脊液中納米金顆粒濃度依次為(53±4)、(60±5)、(86±3)、(94±4)、(86±5)、(100±8)μg/L，1 h和2 h、4 h和5 h、5 h和6 h、3 h和5 h、3 h和6 h、4 h和6 h間比較差異無統(tǒng)計學意義(t分別為0.366、2.776、0.190、4.329、1.840、4.329、P均>0.003)，2 h和3 h、3 h和4 h、1 h和3 h、2 h和4 h、2 h和6 h、1 h和4 h、1 h和5 h、1 h和6 h、2 h和6 h間比較差異有統(tǒng)計學意義(t分別為11.598、9.887、5.085、14.429、27.524、4.632、6.002、9.226、19.750、P均<0.003)。大鼠腦脊液中納米金顆粒濃度隨時間延長逐漸升高，并在3 h后趨于穩(wěn)定。對照組中腦脊液的納米金顆粒濃度均為0。

圖1　腦脊液中納米金顆粒的形態(tài)及濃度

A：50 nm金顆粒掃描電鏡圖(×50 000)；B：腦脊液中納米金顆粒濃度隨時間延長的變化情況

二、透射電鏡超微結構改變

電子顯微鏡下，對照組細胞核仁清晰，核膜完整，染色質均勻，線粒體無腫脹，線粒體嵴結構正常；粗面內(nèi)質網(wǎng)結構正常；無納米金顆粒的存在[9]。實驗組細胞核電子密度較低，核周間隙變寬，線粒體輕度腫脹，內(nèi)質網(wǎng)輕度擴張。在脈絡叢、大腦皮質和海馬電鏡圖中均出現(xiàn)大量黑色圓點，直徑約為50 nm，為納米金顆粒，見圖2。

圖2　電子顯微鏡下大鼠脈絡叢、腦皮質和海馬區(qū)的超微結構

A、B、C：對照組(×10 000)；D、E、F：實驗組(×20 000)；A、D脈絡叢；B、E：大腦皮質；C、F：海馬；紅色箭頭：納米金顆粒

三、普魯士藍染色、免疫組織化學染色和免疫熒光染色結果

在顯微鏡下，實驗組大腦皮質、海馬區(qū)和小腦的組織切片中均可觀察到普魯士藍染色陽性的斑塊，但數(shù)目不多，僅有2～3處；而在對照組切片中均未觀察到普魯士藍染色陽性斑塊。正常對照組大鼠Claudin-5在血腦屏障內(nèi)皮細胞間表達強烈清晰呈連續(xù)條帶狀分布。實驗組大鼠的Claudin-5表達水平下降，小血管的緊密連接出現(xiàn)缺損，見圖3。

圖3　大鼠腦組織普魯士藍染色、免疫組織化學染色和免疫熒光染色結果

A、C、E：對照組(×200)；B、D、F：實驗組(B×100,D、F×200)；A、B：普魯士藍染色切片，箭頭所指為出血點；C、D：免疫組織化學染色切片箭頭所指為Claudin-5表達減少及血管破損處；E、F：免疫熒光染色切片，箭頭所指為Claudin-5表達減少及血管破損處

討論

近年隨著納米材料的發(fā)展，納米材料作為藥物載體運用于醫(yī)學領域的研究也越來越多。納米材料作為診斷和治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)相關疾病的重要途徑，能否通過血腦屏障以及會否對其結構或功能造成損害，是研發(fā)納米材料作為診斷或治療手段的一大瓶頸[2]。

廣義的血腦屏障包括血-腦組織屏障和血-腦脊液屏障，由血管內(nèi)皮細胞及其間緊密連接、內(nèi)皮基膜及星形膠質細胞終足組成，它是血液循環(huán)和腦區(qū)之間的屏障，嚴格控制物質的進出，有效抵御血液循環(huán)中有害物質進入腦區(qū)，同時也限制了中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療藥物的進出。本研究一方面運用頸靜脈注射給藥，并實時抽取腦脊液結合電感偶合等離子體質譜分析腦脊液中納米金顆粒濃度的方法，另一方面將腦組織固定后進行普魯士藍染色、免疫組組化學和免疫熒光染色以及電鏡制片，研究納米金顆粒在血腦屏障的透過性。結果顯示，當納米金顆粒通過血腦屏障時，可在腦脊液及腦細胞中檢測到納米金顆粒，納米金顆粒濃度逐漸升高，3 h后趨于穩(wěn)定。推測是由于納米金顆粒在靜脈注射后逐漸在腦脊液中累積，而后金顆粒進出血-腦脊液屏障趨于穩(wěn)定而使?jié)舛染S持在一定范圍內(nèi)。

脈絡叢上皮細胞的完整性是血-腦脊液屏障完整性的重要標志之一，而大腦皮質和海馬區(qū)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要組成部分。本研究顯示，在脈絡叢切片中，納米金顆粒在上皮細胞纖毛上的微絨毛聚集，由此推測納米金顆?？赡苁峭ㄟ^脈絡叢上皮細胞的纖毛進入血-腦脊液屏障的。在大腦皮質和海馬切片中可見納米金顆粒聚集于細胞內(nèi)，其中大腦皮質以細胞核中為多，由此推測納米金顆?？赏高^血-腦組織屏障。在電鏡下，腦組織細胞的超微結構有一定的改變，說明細胞代謝過程發(fā)生改變，但改變細微，是否影響功能應進一步探究。當紅細胞破壞時，血紅蛋白被氧化為含鐵血黃素后可被普魯士藍染成藍色。故推測在藍色斑塊處存在血管破損點，紅細胞經(jīng)破損處擠壓被破壞并聚集在破損處而呈藍色。腦血管的破損可能是由于納米金顆粒通過血腦屏障時造成的，但數(shù)目不多，其他腦組織結構無明顯異常。Claudin-5是腦微血管內(nèi)皮細胞緊密連接中的特異性蛋白，可作為血腦屏障完整的標志[10]。經(jīng)抗體標記后，在光鏡下可見血腦屏障出現(xiàn)微小缺損，這些缺損可能是由于金顆粒通過血腦屏障時造成的。雖然納米金顆粒穿過血腦屏障時破壞了其結構并造成了出血，但破損處的數(shù)目少且出血點小，而且除血腦屏障的組成成分受到損傷，其余腦組織結構無明顯變化。有關大鼠血腦屏障的功能是否受到納米金顆粒的影響尚需進一步研究。

將納米金顆粒經(jīng)頸靜脈注射后，納米金顆粒在透過血腦屏障的同時，使部分腦細胞超微結構改變，造成血腦屏障的微出血和微損傷。據(jù)此推測，納米金顆粒進入血腦屏障的機制可能是通過破壞血腦屏障的結構使其屏障功能障礙而增加血腦屏障對納米金顆粒的透過性[11]。雖然納米金顆粒對血腦屏障的結構造成了一定的損傷，但損傷較為微小且數(shù)量較少，在實驗過程中大鼠的生命體征無明顯改變。在進一步研究中，我們將在大鼠注射納米金顆粒后檢測血腦屏障的功能改變以及觀察大鼠的長期行為學變化。

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Effect of Au nanoparticles on the blood-brain barrier of rats

HuangYuhao,HeMintong,YangZhenchong,LiaoZhiheng,XuYanyang,LiMengyuan,LiuJiaxin,GuHuaiyu.

DepartmentofAnatomy,ZhongshanSchoolofMedicine,SunYat-senUniversity,Guangzhou510080,China

【Abstract】ObjectiveTo study the effect on the structure of blood-brain barrier after the intravenous administration of Au nanoparticles to the rats. Methods 50 nm Au nanoparticles were intravenous administrated into rats through jugular vein. CSF was then collected with a cauda equine catheterization technique at 1, 2, 3, 4, 5 and 6 hours respectively after the administration. And the concentration of Au was detected by ICP-MS analysis. After injection the nanoparticles of 6 hours, the brains of the rats were collected and stored as fixed films, and then to observe the nanoparticles and ultrastructure of brain tissue under the TEM. Other samples were stained by Prussian blue dye, Immunohistochemistry and Immunofluorescence and observed bleeding and integrity of the blood-brain barrier under microscope after making slices of brain tissue in rats. ResultsThe concentration of Au nanoparticles in CSF gradually increased and stabilized after 3 hours. Under TEM, a large amount of Au nanoparticles appeared in the brain tissue and there were some changes of the ultrastructure of the brain tissue. Under microscope, there were hemorrhages after blood-brain barrier in rats were stained by Prussian blue-positive dye and some brain blood vessels were damaged in the Immunofluorescence and Immunohistochemistry staining slice. ConclusionAu nanoparticles are able to permeate the brain-blood barrier and cause micro bleedings and micro damages of brain vessel.

【Key words】Nanoparticles; Blood-brain barrier; Rat; Transmission electron

DOI：10.3969/j.issn.0253-9802.2016.06.003

基金項目：廣東省科技計劃項目(2012B090600019)

通訊作者，顧懷宇，E-mail：gu_huaiyu@yahoo.com

Corresponding author, Gu Huaiyu, E-mail: gu_huaiyu@yahoo.com

(收稿日期：2016-03-25)(本文編輯：林燕薇)

·基礎研究論著·

共同第一作者，何敏彤