宋加興,張清秀,何 磊,魏秀娥*
(1.徐州醫(yī)科大學(xué),江蘇 徐州 221004;2.徐州醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,江蘇 徐州 221006)
缺血性腦卒中作為主要的腦血病事件,其危害主要表現(xiàn)為致死率、致殘率高,患者預(yù)后較差,給家庭和社會(huì)帶來了沉重負(fù)擔(dān)[1]。盡管對于缺血性腦卒中有大量的研究,但目前有效的治療手段仍較為局限。NMDA受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor)即N-甲基-D-天冬氨酸受體,是離子型谷氨酸受體的一個(gè)亞型,對神經(jīng)元及神經(jīng)元的軸突和樹突的結(jié)構(gòu)具有調(diào)節(jié)作用,并且參與了突觸可塑性形成[2]。研究表明,在發(fā)生缺血性卒中后,細(xì)胞外谷氨酸的大量上升,使細(xì)胞外的NMDA受體過度刺激,引起興奮性氨基酸毒性,使腦組織神經(jīng)元損傷和神經(jīng)元可塑性發(fā)生改變[3]。美金剛作為一種非競爭性,低親和力的NMDA受體拮抗劑,目前在臨床上主要應(yīng)用于阿爾茨海默病的治療。López-Valdés等人[4]實(shí)驗(yàn)顯示,在缺血性卒中發(fā)生后給予美金剛藥物時(shí),實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷募毙匀毖X損傷可以減輕。這可能與抑制興奮性氨基酸毒性作用有關(guān)。上述實(shí)驗(yàn)給藥時(shí)間主要在缺血前預(yù)處理給藥,或者急性期缺血后短時(shí)間內(nèi)給藥,主要關(guān)注的時(shí)間點(diǎn)均為腦缺血急性期的變化。目前尚不清楚在腦缺血急性期后的恢復(fù)期給予美金剛,對缺血損傷的作用和相關(guān)機(jī)制。細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK1/2)和其下游的環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB),是NMDA受體下游信號通路分子,參與細(xì)胞編碼相關(guān)基因和細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo),與神經(jīng)系統(tǒng)的功能有關(guān)[5]。本實(shí)驗(yàn)在小鼠腦缺血后24 h后給予美金剛干預(yù),研究美金剛對于腦缺血急性期后恢復(fù)期的相關(guān)作用和可能機(jī)制。
選取SPF級8~10周齡C57/BL6J雄性小鼠60只,體重23~26 g,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物購自濟(jì)南朋悅實(shí)驗(yàn)動(dòng)物繁育有限公司[SCXK(魯) 2014-0007]。動(dòng)物飼養(yǎng)于徐州醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物中心屏障系統(tǒng)[SYXK(蘇)2016-0028],溫度25℃,相對濕度50%,維持正常晝夜節(jié)律。動(dòng)物自由進(jìn)食進(jìn)水。實(shí)驗(yàn)經(jīng)徐州醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)審查批準(zhǔn)(IACUC:2018051803)。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在使用中遵循3R原則。
甲酚紫染料(美國Solarbio公司),MCAO硅膠線栓(中國廣州佳靈生物技術(shù)有限公司,型號1800/1900),美金剛試劑(中國MedChemExpress有限公司),戊巴比妥鈉試劑(上海容創(chuàng)生物技術(shù)有限公司),OCT冰凍切片包埋劑(美國Sakura公司),其中兔抗多克隆ERK、p-ERK抗體和兔抗多克隆CREB、p-CREB抗體(美國CST公司),兔抗多克隆PSD-95和Synaptophysin抗體(中國Proteintech公司),兔二抗及ECL發(fā)光液(中國碧云天公司)。
冰凍切片機(jī)(萊卡CM1950),光學(xué)顯微鏡(奧林巴斯BX43),體視顯微鏡(中國Motic公司),Western Blot相關(guān)設(shè)備(美國Bio-Rad公司),動(dòng)物行為學(xué)設(shè)備(中國瑞沃德有限公司),動(dòng)物行為學(xué)分析軟件(美國Harvard Apparatus公司),小鼠激光多普勒血流儀(中國武漢優(yōu)爾生生命科學(xué)裝備有限公司)
1.3.1 動(dòng)物分組與給藥
按照隨機(jī)數(shù)字法將60只C57/BL6J雄性小鼠隨機(jī)分組為假手術(shù)組(Sham)、模型組(MCAO)、美金剛20 mg/kg組(M20)、美金剛4 mg/kg組(M4)及生理鹽水組(NS),每組12只。美金剛藥物濃度參考Culmsee 等人實(shí)驗(yàn)[6-7]。給藥方式為腹腔注射,首次給藥時(shí)間點(diǎn)在缺血再灌注24 h后給藥,其后每天固定時(shí)間點(diǎn)腹腔給藥1次,持續(xù)給藥4周。
1.3.2 小鼠腦缺血再灌注模型
2%戊巴比妥鈉腹腔注射麻醉小鼠后,仰臥位固定行頸部正中切口,使用血管鑷鈍性分離出右側(cè)頸總動(dòng)脈、頸外動(dòng)脈和頸內(nèi)動(dòng)脈分支,使用7-0縫合線在頸總動(dòng)脈及頸外動(dòng)脈處打活結(jié)備用,并用動(dòng)脈夾暫時(shí)夾閉頸內(nèi)動(dòng)脈,用血管剪在頸外動(dòng)脈處剪一小缺口,將硅膠線栓自頸外動(dòng)脈缺口處插入,此時(shí)松開動(dòng)脈夾,線栓順勢緩慢插入頸內(nèi)動(dòng)脈,當(dāng)線栓插入深度距頸動(dòng)脈分叉處8.5 mm左右感到輕微阻力時(shí)停止進(jìn)栓,并用預(yù)留縫合線固定線栓,將小鼠放入37℃恒溫箱中保溫,缺血60 min后,拔出線栓,結(jié)扎血管,縫合皮膚,放入恒溫箱中直至小鼠完全蘇醒,放入飼養(yǎng)箱中。假手術(shù)組僅鈍性分離各個(gè)血管。為了保證造模成功率,在手術(shù)前,術(shù)中和復(fù)灌后使用激光多普勒血流測量法測量局部腦血流量。術(shù)中腦血流下降至基線80%以下,復(fù)灌后腦血流上升至80%以上為造模成功。復(fù)灌后模型組小鼠死亡2只,美金剛20 mg/kg組(M20)死亡3只、美金剛4 mg/kg組(M4)死亡3只及生理鹽水組(NS)死亡3只,后續(xù)補(bǔ)充造模至每組12只樣本。
1.3.3 小鼠腦萎縮體積測定
參考Cai等人[8]方法,腦組織冰凍切片,每隔0.4 mm一片腦片貼于載玻片上(前囟1.3~-2.7 mm之間),將貼好的玻片放入濃度0.1%的甲酚紫溶液中15 min,放入去離子水中1 h后晾干,顯微鏡下拍照,用Image J軟件計(jì)算小鼠腦萎縮體積,將腦片正常側(cè)面積減去梗死側(cè)的面積,即萎縮面積,腦萎縮體積計(jì)算公式為V=1/3×h×(S1+S2+√S1×√S2),其中h為相鄰兩片腦片的間隔,此處h為0.4 mm。
1.3.4 小鼠體重變化
術(shù)前及術(shù)后1~5周時(shí)間點(diǎn)稱量小鼠體重,并與術(shù)前體重進(jìn)行比較。體重變化=術(shù)后各時(shí)間點(diǎn)體重—術(shù)前體重,記錄相應(yīng)數(shù)值。操作采用單盲方法,即評估者對動(dòng)物分組不知情。
1.3.5 改良神經(jīng)功能缺損評分(mNSS)
參考Choi等人[9]方法,在術(shù)前及術(shù)后的1~5周時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行神經(jīng)功能評分,評估內(nèi)容包括小鼠的運(yùn)動(dòng),反射與平衡功能,評分結(jié)果在0~14分之間,分?jǐn)?shù)越高,則表明動(dòng)物損傷越嚴(yán)重。操作采用單盲方法,即評估者對動(dòng)物分組不知情。
1.3.6 粘附物去除實(shí)驗(yàn)(Adhesive removal test)
參考Ma等人[10]方法,用粘附物去除實(shí)驗(yàn)評估動(dòng)物的感覺和運(yùn)動(dòng)功能變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)將小鼠左前爪無毛區(qū)域覆蓋一3 mm×4 mm大小的膠帶,每只小鼠粘貼的力度和方式應(yīng)保持一致。貼完后將小鼠放入飼養(yǎng)籠中,觀察并記錄小鼠接觸膠帶和撕去膠帶的時(shí)間,觀察時(shí)長為120 s,實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次,取結(jié)果的平均值。在小鼠手術(shù)前,應(yīng)提前每天訓(xùn)練1次,持續(xù)3 d,然后在手術(shù)后的1~5周進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。接觸的定義為小鼠爪子出現(xiàn)搖晃或用嘴觸碰膠帶。
1.3.7 小鼠Morris水迷宮試驗(yàn)(Morris water maze)
在術(shù)后的第5周時(shí),提前將小鼠轉(zhuǎn)移至水迷宮房間適應(yīng)環(huán)境,水迷宮水池直徑121 cm,深度為45 cm,直徑10 cm的平臺在水下深度為1 cm,池水溫度保持在21℃~22℃之間。(1)定位航行實(shí)驗(yàn):每只小鼠每天訓(xùn)練4次,共訓(xùn)練4 d。第1天訓(xùn)練時(shí),將小鼠面向池壁沿水面放入水池中,4個(gè)象限各放入一次,開始記錄小鼠找到隱藏在水下平臺的時(shí)間,即逃避潛伏期;如果60 s內(nèi)小鼠未找到平臺,則將小鼠引導(dǎo)至平臺,并使其在平臺停留10 s學(xué)習(xí)記憶平臺所在位置,結(jié)束后將小鼠移走,進(jìn)行下一只實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。第2~4天的操作過程同第1天。(2)空間探索實(shí)驗(yàn):在第5天時(shí),撤掉位于水下的平臺,將小鼠面朝池壁,從平臺所在對側(cè)象限放入水中,行為學(xué)軟件記錄1 min內(nèi)小鼠在平臺所在象限時(shí)間,穿臺次數(shù)和空間探索實(shí)驗(yàn)僅進(jìn)行一次。
1.3.8 蛋白印跡實(shí)驗(yàn)(Western blot)
每組取4只樣本,術(shù)后5周時(shí)間點(diǎn)處死小鼠,提取缺血側(cè)腦組織勻漿后,加入細(xì)胞裂解液,蛋白溶解酶抑制劑裂解,置于4℃離心機(jī)12 000 r/min,離心10 min,移取上清液獲取蛋白。采用BCA試劑盒檢測蛋白濃度。蛋白變性、上樣、進(jìn)行凝膠電泳、轉(zhuǎn)膜(濕轉(zhuǎn)法)。一抗孵育,4℃過夜;二抗室溫孵育1~2 h,配制ECL發(fā)光液發(fā)光、顯影,然后用Image J軟件進(jìn)行蛋白條帶分析。
術(shù)后小鼠體重變化結(jié)果提示,在第4~5周時(shí),與模型組(MCAO)、美金剛4 mg/kg組(M4)和生理鹽水組(NS)相比,美金剛20 mg/kg組(M20)的小鼠體重明顯增加,并且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。術(shù)后小鼠神經(jīng)功能缺損評分提示,在第3~5周時(shí),與模型組(MCAO)、美金剛4 mg/kg組(M4)和生理鹽水組(NS)相比,美金剛20 mg/kg組(M20)小鼠神經(jīng)功能缺損程度明顯降低,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。(見圖1)
腦組織冰凍切片甲酚紫染色結(jié)果提示,與模型組(MCAO)、美金剛4 mg/kg組(M4)和生理鹽水組(NS)相比,美金剛20 mg/kg組(M20)小鼠腦萎縮體積較其他組明顯降低,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。(見圖2)
術(shù)后小鼠粘附物去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示,在第3~5周時(shí),與模型組(MCAO)、美金剛4 mg/kg組(M4)和生理鹽水組(NS)相比,美金剛20 mg/kg組(M20)小鼠開始接觸膠帶與去除膠帶的時(shí)間均出現(xiàn)明顯下降,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。(見圖3)
術(shù)后第5周開始進(jìn)行水迷宮實(shí)驗(yàn),空間探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示,在實(shí)驗(yàn)開始的第2~4天,美金剛20 mg/kg組小鼠可以更快的找到隱藏在水下的平臺,表現(xiàn)為平臺潛伏期明顯下降,與其他三組相比,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);定位航行實(shí)驗(yàn)中:美金剛20 mg/kg組小鼠穿臺次數(shù)較其他三組明顯增多,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);美金剛20 mg/kg組小鼠在平臺所在象限停留時(shí)間明顯多于其他三組小鼠停留時(shí)間,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),在第5天的定位航向?qū)嶒?yàn)中,各組小鼠的游泳速度表明各組小鼠游泳能力無差異(P>0.05),差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。(見圖4)
注:美金剛20 mg/kg組(M20)與模型組(MCAO)相比,*P<0.05;美金剛20 mg/kg組(M20)與美金剛4 mg/kg組(M4)相比,#P<0.05;美金剛20 mg/kg組(M20)與生理鹽水組(NS)相比,&P<0.05。圖1 小鼠體重變化和小鼠mNSS評分變化(n=12)Note. M20 group compared with MCAO group ,*P<0.05.M20 group compared with M4 group ,#P<0.05.M20 group compared with NS group,&P<0.05.Figure 1 Changes in body weight and mNSS scores in the mice
注:美金剛20 mg/kg組(M20)與模型組(MCAO)相比,*P<0.05;美金剛20 mg/kg組(M20)與美金剛4 mg/kg組(M4)相比, #P<0.01;美金剛20 mg/kg組(M20)與生理鹽水組(NS)相比,&P<0.05。圖2 小鼠腦缺血后腦萎縮體積變化(甲酚紫染色)(n=8)Note.M20 group compared with MCAO group ,*P<0.05.M20 group compared with M4 group,#P<0.05.M20 group compared with NS group,&P<0.05.Figure 2 Changes of brain atrophy volume after cerebral ischemia in the mice (cresyl violet staining)
分別以p-ERK1/2/ ERK1/2、p-CREB/ CREB的比值作為ERK1/2與CREB活化表達(dá)的衡量標(biāo)準(zhǔn),與模型組(MCAO)、美金剛4 mg/kg組(M4)和生理鹽水組(NS)相比,美金剛20 mg/kg組(M20)的磷酸化的ERK1/2、CREB的表達(dá)明顯升高,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。(見圖5)
與模型組(MCAO)、美金剛4 mg/kg組(M4)和生理鹽水組(NS)相比,美金剛20 mg/kg組(M20)的PSD-95,synaptophysin蛋白的表達(dá)明顯增多,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。(見圖6)
注:美金剛20 mg/kg組(M20)與模型組(MCAO)相比,*P<0.05;美金剛20 mg/kg組(M20)與美金剛4 mg/kg組(M4)相比,#P<0.05;美金剛20 mg/kg組(M20)與生理鹽水組(NS)相比,&P<0.05。圖3 小鼠粘附物去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較(n=12)Note. M20 group compared with MCAO group,*P<0.05.M20 group compared with M4 group,#P<0.05.M20 group compared with NS group,&P<0.05.Figure 3 Results of mouse adhesive removal test
注:美金剛20 mg/kg組(M20)與模型組(MCAO)相比,*P<0.05;美金剛20 mg/kg組(M20)與美金剛4 mg/kg組(M4)相比,#P<0.05;美金剛20 mg/kg組(M20)與生理鹽水組(NS)相比,&P<0.05。圖4 小鼠Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較(n=12)Note.M20 group compared with MCAO group,*P<0.05.M20 group compared with M4 group,#P<0.05.M20 compared with NS group,&P<0.05.Figure 4 Results of mouse Morris water maze test
注:美金剛20 mg/kg組(M20)與模型組(MCAO)相比,*P<0.05;美金剛20 mg/kg組(M20)與美金剛4 mg/kg組(M4)相比,#P<0.05;美金剛20 mg/kg組(M20)與生理鹽水組(NS)相比,&P<0.05。圖5 小鼠腦組織ERK1/2與CREB蛋白含量比較(n=4)Note. M20 group compared with MCAO group,*P<0.05.M20 group compared with M4 group,#P<0.05.M20 group compared with NS group,&P<0.05.Figure 5 ERK1/21/2 and CREB protein contents in the mouse brain tissue
注:美金剛20 mg/kg組(M20)與模型組(MCAO)相比,*P<0.05;美金剛20 mg/kg組(M20)與美金剛4 mg/kg組(M4)相比,#P<0.05;美金剛20 mg/kg組(M20)與生理鹽水組(NS)相比,&P<0.05。圖6 各組小鼠腦組織PSD-95與synaptophysin蛋白含量比較(n=4)Note.M20 group compared with MCAO group,*P<0.05.M20 group compared with M4 group,#P<0.05.M20 group compared with NS group,&P<0.05.Figure 6 PSD-95 and synaptophysin protein contents in brain tissue of the mice
缺血性卒中起病急,治療時(shí)間窗窄。在腦缺血急性期后,如何最大程度的保護(hù)缺血半暗帶神經(jīng)元的存活,提高神經(jīng)元的可塑性,是目前眾多基礎(chǔ)研究的方向。本實(shí)驗(yàn)采用線栓法構(gòu)建小鼠局灶性腦缺血再灌注模型,較好的模擬了人類腦缺血發(fā)病后靜脈溶栓或介入取栓后,腦缺血再灌注損傷的發(fā)病過程和損傷機(jī)制。
腦缺血再灌注損傷后,突觸后膜NMDA 受體激活,鈣離子通道開放,細(xì)胞外的鈣離子大量進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),引起興奮性氨基酸毒性損傷[11]。美金剛作為NMDA受體拮抗劑,可以干預(yù)興奮性氨基酸毒性引起的腦缺血再灌注損傷。小鼠腦缺血急性期給予美金剛預(yù)處理,可以減輕腦組織的梗死體積和神經(jīng)元損傷,減輕細(xì)胞凋亡,減輕血管神經(jīng)單元的損傷[12]。既往Wang等[7]研究表明,小鼠腦缺血后持續(xù)皮下給予美金剛,小鼠的運(yùn)動(dòng)功能損傷改善,小鼠腦組織紋狀體萎縮體積下降,腦源性神經(jīng)生長因子及血管生長因子表達(dá)增加。小鼠腦缺血后美金剛口服治療,小鼠7 d內(nèi)行為學(xué)結(jié)果及腦梗死體積未出現(xiàn)明顯改善;但在持續(xù)給予美金剛28 d后,小鼠轉(zhuǎn)筒實(shí)驗(yàn)及網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)行為學(xué)結(jié)果出現(xiàn)改善,腦組織中星形膠質(zhì)細(xì)胞增生減少,新生血管密度增加[4]。
ERK1/2與CREB是NMDA受體下游信號通路的蛋白分子,ERK1/2在細(xì)胞的生長、分化中發(fā)揮作用;下游的CREB參與認(rèn)知學(xué)習(xí)及長時(shí)程記憶,參與細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo),與神經(jīng)元的生長、發(fā)育相關(guān)。其中ERK1/2、CREB蛋白的生物活性與其磷酸化水平是相關(guān)的。腦缺血損傷時(shí),由于興奮性氨基酸的毒性作用,組織與細(xì)胞損傷加重,ERK1/2活性受到抑制,其下游的CREB活性受到抑制,另外其下游的Bcl-2及BDNF的活性也受到影響,認(rèn)知學(xué)習(xí)功能受損[13]。小鼠腦缺血損傷后,腦組織中ERK1/2和CREB活性受到抑制,磷酸化表達(dá)水平明顯下降;當(dāng)缺血組織中ERK1/2被激活后,可以抑制鈣離子內(nèi)流,抑制NMDA活性,下游的CREB激活,從而減輕興奮性氨基酸毒性造成的神經(jīng)元損傷,減輕了動(dòng)物的認(rèn)知記憶功能,改善了突觸可塑性[14-15]。本研究顯示,美金剛20 mg/kg組干預(yù)后,小鼠的缺血側(cè)腦組織中p-ERK1/2及p-CREB蛋白表達(dá)明顯升高,而總的ERK1/2及CREB 蛋白含量無明顯變化,小鼠Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)提示缺血小鼠的學(xué)習(xí)記憶功能損傷明顯改善。
突觸后致密物-95(postsynaptic density-95,PSD-95)是位于突觸后膜的一種腳手架蛋白。突觸素(synaptophysin)是一種突觸囊泡部位鈣結(jié)合蛋白。正常情況下,PSD-95與突觸素,在突觸連接的生成及維持中,在NMDA受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)具有重要作用;兩者與腦組織的突觸可塑性及學(xué)習(xí)認(rèn)知功能關(guān)系密切[16-17]。腦缺血損傷時(shí),缺血側(cè)腦組織的PSD-95及synaptophysin蛋白表達(dá)明顯下降,而腦缺血損傷得到抑制時(shí),PSD-95及synaptophysin表達(dá)上調(diào)[18-19]。本研究顯示,腦缺血美金剛20 mg/kg組干預(yù)后,缺血側(cè)腦組織的PSD-95、synaptophysin的蛋白表達(dá)明顯上升,改善了腦缺血小鼠的突觸可塑性及學(xué)習(xí)認(rèn)知功能。
綜上,腦缺血再灌注后持續(xù)美金剛治療,可以促進(jìn)小鼠的神經(jīng)功能損傷的恢復(fù),改善小鼠的認(rèn)知記憶功能,改善腦組織的突觸可塑性表達(dá)。這種延遲的神經(jīng)保護(hù)作用,可能與美金剛激活ERK、CREB信號通路和上調(diào)PSD-95及synaptophysin蛋白的表達(dá)有關(guān)。這為臨床中缺血后卒中病人認(rèn)知功能障礙的預(yù)后治療,提供了新的思路。