谷青芳, 尉杰忠, 郭敏芳, 魏文悅, 肖保國(guó), 張光先, 馬存根△
(1山西大同大學(xué)神經(jīng)炎癥及變性疾病基礎(chǔ)與應(yīng)用研究山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 大同 037009; 2山西醫(yī)科大學(xué), 山西 太原 030000; 3復(fù)旦大學(xué)華山醫(yī)院神經(jīng)病學(xué)研究所, 上海 200025; 4托馬斯·杰弗遜大學(xué)神經(jīng)學(xué)系, 美國(guó) 賓夕法尼亞州 費(fèi)城 19107)
阿爾茨海默病(Alzheimer disease,AD)是一種主要發(fā)生在老年人的神經(jīng)退行性疾病,隨著我國(guó)老齡化社會(huì)的到來(lái),AD 患者數(shù)量迅速上升,給家庭和社會(huì)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。AD 的形成有多種病因,但其確切的發(fā)病機(jī)制尚不清楚[1]。β淀粉樣蛋白(amyloid β-protein,Aβ)和tau蛋白構(gòu)成了AD患者大腦中老年斑的主要神經(jīng)毒性成分,這2種蛋白質(zhì)的斑塊和纏結(jié)破壞了大腦的神經(jīng)元,損害了病人的記憶從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)和記憶障礙[2]。迄今為止,大多數(shù)旨在改變單一病理因素(例如膽堿能功能障礙或Aβ異常沉積)的治療措施都失敗了,因?yàn)樗鼈冎会槍?duì)有限的AD致病因素[1-2]。
Rho激酶是近十年來(lái)發(fā)現(xiàn)參與細(xì)胞諸多活動(dòng)的主要激酶之一。Rho相關(guān)激酶(Rho-associated kinase,ROCK)的異常激活也已在AD實(shí)驗(yàn)?zāi)P湍X中被發(fā)現(xiàn),并且可能參與AD疾病的發(fā)生和發(fā)展[3]。值得注意的是激活Rho激酶信號(hào)通路,可導(dǎo)致生長(zhǎng)錐的萎縮和軸突生長(zhǎng)抑制,而ROCK抑制劑可以明顯促進(jìn)脊髓損傷后小鼠軸突再生和功能恢復(fù)[3],ROCK抑制劑Y-27632對(duì)各種原因?qū)е碌纳窠?jīng)損傷均具有抑制作用,可增加神經(jīng)元的存活和神經(jīng)突起的延長(zhǎng)[4-6],因此ROCK通路可能是促進(jìn)中樞神經(jīng)保護(hù)的主要信號(hào)通路。因此,近年來(lái)尋找能夠拮抗突觸再生抑制分子或阻斷其與受體結(jié)合通路的ROCK抑制劑成為研究熱點(diǎn)。新近的ROCK抑制劑系列研究已證明ROCK抑制劑在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的修復(fù)中發(fā)揮重要作用[3-6],Rho激酶抑制劑將為促進(jìn)AD神經(jīng)保護(hù)和功能恢復(fù)提供新的思路和作用靶點(diǎn)。
多年來(lái)人們一直在尋找高效低毒的新型Rho激酶抑制劑。我們前期篩選了一系列合成的新型Rho激酶抑制劑衍生物,選擇FSD-C10與fasudil進(jìn)行了一系列的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在發(fā)現(xiàn)FSD-C10具有與fasudil諸多相似的生物學(xué)特征基礎(chǔ)上,證實(shí)FSD-C10具有細(xì)胞毒性低和對(duì)血管影響小等優(yōu)勢(shì)[7]。本研究試圖在此基礎(chǔ)上研究FSD-C10治療AD動(dòng)物模型的效果,并進(jìn)一步探討其在神經(jīng)變性病變中的免疫調(diào)節(jié)及神經(jīng)保護(hù)機(jī)制。
清潔級(jí)雄性8月齡APP/PS1雙轉(zhuǎn)基因(transgenic,Tg)小鼠20只(體重18~22 g),同窩同性別8月齡野生型C57BL/6小鼠10只(體重18~20 g)。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物置于室溫和光照可控的無(wú)菌動(dòng)物房清潔飼養(yǎng)[(25±2)℃,12 h 明暗交替,相對(duì)濕度40%]。該實(shí)驗(yàn)按照國(guó)際實(shí)驗(yàn)動(dòng)物科學(xué)理事會(huì)的指導(dǎo)方針進(jìn)行,并得到了山西大同大學(xué)動(dòng)物倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)(倫理批準(zhǔn)號(hào):1601)。
APP/PS1Tg小鼠購(gòu)自上海南方模式生物科技發(fā)展有限公司,可表達(dá)人的APPswe基因與早老素PS1-dE9基因,能產(chǎn)生高水平的Aβ1-42纖維沉積,在8月齡時(shí)可出現(xiàn)Aβ老年斑,是國(guó)際通用的AD模型鼠之一。APP/PS1Tg實(shí)驗(yàn)小鼠隨機(jī)分為模型(NS)組與FSD-C10治療組,分別持續(xù)腹腔注射給予生理鹽水(0.9% NaCl,n=10)和FSD-C10(25 mg·kg-1·d-1,n=10) 2個(gè)月,野生(WT)組取10只正常老齡小鼠同法給予等量生理鹽水。
FSD-C10化合物購(gòu)自天津紅日藥業(yè)股份有限公司;兔抗小鼠Aβ1-42抗體(Millipore);兔抗小鼠磷酸化tau蛋白(phosphorylated tau, p-tau)、第668位蘇氨酸磷酸化的淀粉樣前體蛋白[phosphorylated amyloid precursor protein at Thr668, p-APP (Thr668)]、β位點(diǎn)APP剪切酶1 (beta-site APP-cleaving enzyme 1, BACE1)、突觸后致密區(qū)蛋白95(postynaptic density protein 95, PSD-95)抗體購(gòu)自Cell Signaling Technology;抗突觸小泡蛋白(synaptophysin)和α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異噁唑丙酸受體(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor, AMPAR)抗體購(gòu)自Abcam。
水迷宮軟件SMART 3.0及硬件購(gòu)自深圳瑞沃德生命科技有限公司;冰凍切片機(jī)購(gòu)自L(fǎng)eica;酶標(biāo)儀購(gòu)買(mǎi)于THERMO;凝膠成像分析儀購(gòu)自Bio-Rad。
3.1莫里斯水迷宮(Morris water maze,MWM)實(shí)驗(yàn) MWM是一個(gè)高50 cm,直徑90 cm的圓形水池,水池裝滿(mǎn)用食用白色素調(diào)和形成的不透明的水,水溫維持在21~23 ℃。 MWM通過(guò) SMART 3.0軟件分為4 個(gè)象限:西北(northwest,NW)、東北(northeast,NE)、西南(southwest,SW)和東南(southeast,SE)象限。在SW象限放一個(gè)逃生平臺(tái)(5.0 cm×5.0 cm),低于水面2.0 cm。每次實(shí)驗(yàn)中,訓(xùn)練小鼠從起點(diǎn)到達(dá)平臺(tái)的時(shí)間和距離,時(shí)長(zhǎng)每次60 s,如果在60 s期間小鼠沒(méi)有到達(dá)平臺(tái),則引導(dǎo)幫助小鼠到達(dá)平臺(tái),訓(xùn)練完成后,對(duì)認(rèn)知功能進(jìn)行5 d的認(rèn)知功能測(cè)定,然后將平臺(tái)移除進(jìn)行空間探索,以確定小鼠對(duì)平臺(tái)空間位置的記憶能力。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,小鼠游動(dòng)的蹤跡被SMART 3.0系統(tǒng)攝像頭跟蹤記錄并分析處理各項(xiàng)指標(biāo),包括動(dòng)物從入水到平臺(tái)的時(shí)間、動(dòng)物第1次到達(dá)平臺(tái)所在象限時(shí)間、動(dòng)物達(dá)到平臺(tái)的平均距離、動(dòng)物在平臺(tái)所在象限待的時(shí)間占總時(shí)間的比例、動(dòng)物在平臺(tái)所在象限游的路徑距離占總路徑距離的比例、動(dòng)物在平臺(tái)所在象限活動(dòng)度占總活動(dòng)度的比例,通過(guò)比較時(shí)間和距離判斷小鼠對(duì)平臺(tái)空間位置的記憶能力。
3.2標(biāo)本采集 水迷宮實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,腹腔注射100 g/L 的水合氯醛(每只0.2 mL)麻醉小鼠。每組取5只小鼠用4%多聚甲醛灌流進(jìn)行體內(nèi)組織固定,然后分離腦組織,OTC包埋后切10 μm冠狀冰凍切片,-80 ℃保存,進(jìn)行組織免疫熒光染色。各組剩余5只小鼠冰上快速取腦組織,用組織裂解液在4 ℃條件下裂解組織蛋白,并用BCA法測(cè)定蛋白含量,制備蛋白上樣緩沖液樣品,進(jìn)行Western blot法檢測(cè)。
3.3免疫熒光染色 將上述制備的冰凍切片用 PBS 洗3 次,每次5 min;1% BSA室溫封閉1 h;I 抗(包括抗Aβ1-42、p-tau、 synaptophysin、 AMPAR-1 和AMPAR-2抗體, 稀釋比例為1∶1 000),4 ℃孵育過(guò)夜;次日用PBS洗 3 次,每次5 min;加AlexaFlour 555或AlexaFlour 488熒光標(biāo)記的 II 抗(1∶1 000,Thermo Scientific)室溫孵育2 h, 50% 甘油封片,熒光顯微鏡觀察蛋白的表達(dá)和分布。
3.4Western blot法檢測(cè)蛋白水平 將上述制備的蛋白上樣緩沖液樣品,用10%(質(zhì)量濃度)SDS-PAGE分離蛋白,電泳完畢后,將分離好的蛋白凝膠用濕式轉(zhuǎn)移法轉(zhuǎn)移到PVDF膜(穩(wěn)流200 mA,2 h)。5%(質(zhì)量濃度)脫脂奶粉封閉2 h,用 5%脫脂牛奶稀釋 I 抗[包括抗p-APP (Thr668)、BACE1、synaptophysin、 PSD-95、AMPAR-1 和AMPAR-2抗體,稀釋比例為1∶1 000]分別加至膜上,4 ℃過(guò)夜。次日洗滌后孵育HPR耦聯(lián)的 II 抗(稀釋比例1∶1 000)室溫45 min。洗膜后使用 Bio-Rad 凝膠成像分析儀檢測(cè)染色條帶強(qiáng)度,以檢測(cè)蛋白條帶吸光度與內(nèi)參照GAPDH或β-actin的吸光度比值表示。
數(shù)據(jù)采用GraphPad Prism 5.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理。所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)至少3次,計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)來(lái)表示,兩組比較采用t檢驗(yàn),3組組間比較采用單因素方差分析及Dunnett’s post-hoc檢驗(yàn),以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
觀察新型Rho激酶抑制劑FSD-C10對(duì)APP/PS1Tg小鼠的治療潛力,我們首先以藥物干預(yù)起始時(shí)小鼠的行為和病理變化作為基線(xiàn)來(lái)進(jìn)行比較。首先采取水迷宮實(shí)驗(yàn)檢測(cè)小鼠學(xué)習(xí)記憶能力,由游泳運(yùn)動(dòng)軌跡可見(jiàn)野生組小鼠搜索策略多為直線(xiàn)式和趨向式,小鼠的運(yùn)動(dòng)軌跡主要集中在目標(biāo)平臺(tái)象限的位置,而AD模型組小鼠搜索策略多為邊緣式和隨機(jī)式,小鼠的運(yùn)動(dòng)軌跡多沿著池壁及遠(yuǎn)離目標(biāo)平臺(tái)象限的位置運(yùn)動(dòng),搜索效率明顯低于野生組,見(jiàn)圖1A。與野生組相比,AD模型組搜索平臺(tái)逃避潛伏期時(shí)間明顯增加(P<0.05),小鼠在平臺(tái)所在象限滯留時(shí)間占總時(shí)間的比例和小鼠在平臺(tái)所在象限游的路徑距離占總路徑距離的比例明顯減少(P<0.01)。而三組小鼠的游泳速度相當(dāng),差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,這表明小鼠在水下平臺(tái)定位所需的不同時(shí)間與運(yùn)動(dòng)能力無(wú)關(guān),提示AD模型組小鼠認(rèn)知功能較野生組小鼠下降,AD 模型制備成功。
經(jīng)過(guò)2 個(gè)月FSD-C10治療后,F(xiàn)SD-C10治療組APP/PS1Tg小鼠的認(rèn)知功能較AD模型組明顯改善,小鼠搜索潛伏期明顯縮短(P<0.05),小鼠在平臺(tái)所在象限滯留時(shí)間占總時(shí)間的比例和小鼠在平臺(tái)所在象限游的路徑距離占總路徑距離的比例明顯增加(P<0.05), 見(jiàn)圖1B,提示FSD-C10可有效促進(jìn)APP/PS1Tg小鼠學(xué)習(xí)記憶能力改善。
Figure 1.The cognitive ability of the mice in each group was analyzed by Morris water maze (MWM) test. A: the typical diagram of the 3 groups; B: the corresponding parameters of MWM test. Mean±SD. n=10. *P<0.05, **P<0.01 vs NS group.
免疫熒光組織化學(xué)染色結(jié)果顯示,F(xiàn)SD-C10組和AD模型組小鼠的大腦皮層及海馬齒狀回(dentate gyrus,DG)區(qū)均有Aβ老年斑陽(yáng)性表達(dá)。AD模型組小鼠腦內(nèi)Aβ老年斑呈散在分布,數(shù)量多,體積大;經(jīng)FSD-C10治療后小鼠腦內(nèi)的上述蛋白數(shù)量減少,體積減少,而野生組小鼠大腦海馬DG區(qū)和皮層區(qū)經(jīng)免疫組織化學(xué)染色,未見(jiàn)明顯Aβ蛋白陽(yáng)性反應(yīng),見(jiàn)圖2。
Figure 2.FSD-C10 attenuated Aβ1-42 and p-tau levels in hippocampal DG area and cerebral cortex of the mice in the 3 groups detected by immunohistochemistry.
Western blot 結(jié)果顯示,AD模型組和FSD-C10組小鼠腦內(nèi)的p-APP (Thr668)蛋白水平均高于野生組小鼠;與AD模型組相比,F(xiàn)SD-C10組小鼠腦內(nèi)的p-APP (Thr668)蛋白水平明顯高于AD組小鼠(P<0.05),見(jiàn)圖3A。這表明FSD-C10促進(jìn)APP蛋白向非淀粉樣途徑代謝,導(dǎo)致腦內(nèi)寡聚體Aβ的減少。另外,F(xiàn)SD-C10治療后小鼠腦內(nèi)BACE1 蛋白水平降低:FSD-C10組小鼠腦內(nèi)的BACE1蛋白水平明顯低于AD組小鼠(P<0.01),但尚未達(dá)到野生組水平,見(jiàn)圖3B。
Figure 3.The protein levels of p-APP (Thr668)(A) and BACE1 (B) in the brain tissues of the mice in the 3 groups determined by Western blot. Mean±SD. n=5. *P<0.05, **P<0.01 vs NS group.
免疫熒光組織化學(xué)染色檢測(cè)APP/PS1Tg小鼠海馬DG區(qū)、海馬CA3區(qū)及皮層區(qū)突觸相關(guān)蛋白的表達(dá),結(jié)果顯示,與AD模型組相比,F(xiàn)SD-C10治療組小鼠這些區(qū)域出現(xiàn)synaptophysin、AMPAR-1和AMPAR-2蛋白的陽(yáng)性反應(yīng)細(xì)胞表達(dá),染色較深,海馬DG區(qū)、海馬CA3區(qū)及皮層區(qū)陽(yáng)性細(xì)胞體積大,呈圓形或橢圓形,見(jiàn)圖4A、B。
Figure 4.FSD-C10 induced the expression of synapse-associated proteins. A: FSD-C10 induced the expression of synaptophysin in hippocampal DG area, hippocampal CA3 area and cerebral cortex of the mice in the 2 groups detected by immunohistoche-mistry; B: FSD-C10 induces the expression of AMPAR-1 and AMPAR-2 in hippocampal DG area, hippocampal CA3 area and cerebral cortex of the mice in the 2 groups detected by immunohistochemistry; C: the protein levels of synaptophysin, AMPAR-1, AMPAR-2 and PSD-95 in the brain tissues of the mice in the 2 groups determined by Western blot. Mean±SD. n=5. *P<0.05, **P<0.01 vs NS group.
Western blot 檢測(cè)APP/PS1Tg小鼠腦內(nèi)突觸相關(guān)蛋白的表達(dá),F(xiàn)SD-C10治療組小鼠腦內(nèi)synaptophsin、AMPAR-1、AMPAR-2和PSD-95的蛋白表達(dá)條帶均比對(duì)照AD模型組小鼠明顯變粗、顏色變深,表明其蛋白表達(dá)增加(P<0.05或P<0.01),見(jiàn)圖4C。
因此,我們通過(guò)免疫組化和Western blot兩種實(shí)驗(yàn)方法均證明FSD-C10治療可上調(diào)APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠突觸相關(guān)蛋白的表達(dá)。
AD的病理學(xué)特征之一是出現(xiàn)老年斑Aβ。Aβ 是淀粉樣前體蛋白APP被一系列蛋白水解酶裂解的產(chǎn)物,是AD的核心致病物質(zhì)。 正常情況下APP 的代謝途徑是α-分泌酶途徑,裂解APP產(chǎn)生可溶性的sAPPα片段,可促進(jìn)神經(jīng)軸突生長(zhǎng),突觸形成;病理情況下APP的代謝途徑是β-分泌酶途徑,裂解APP產(chǎn)生Aβ1-40和Aβ1-42,它們難溶于水,可聚集形成老年斑。Aβ具有很強(qiáng)的自聚性,只要形成聚集體,就能表現(xiàn)出明顯的神經(jīng)毒性,造成突觸損傷,線(xiàn)粒體功能障礙,神經(jīng)元變性死亡,最終導(dǎo)致AD的發(fā)生[8]。在本實(shí)驗(yàn)研究中,我們應(yīng)用新型Rho激酶抑制劑FSD-C10對(duì)AD的APP/PS1Tg小鼠模型進(jìn)行持續(xù) 2 個(gè)月的治療,結(jié)果顯示FSD-C10可有效改善空間認(rèn)知功能,小鼠腦內(nèi)的Aβ數(shù)量減少,體積變小,提示該治療在行為學(xué)及中樞神經(jīng)系統(tǒng)病理學(xué)的良好效果。 而FSD-C10治療后APP/PS1Tg小鼠腦內(nèi)p-APP (Thr668)蛋白表達(dá)增多,同時(shí)FSD-C10治療后β-分泌酶BACE1蛋白表達(dá)減少,促進(jìn)了APP蛋白向非淀粉樣途徑代謝轉(zhuǎn)化,減少小鼠腦內(nèi)的Aβ老年斑的沉積。這些結(jié)果可能是改善小鼠認(rèn)知功能的直接原因,但FSD-C10如何促進(jìn)APP蛋白向非淀粉樣途徑代謝轉(zhuǎn)化其具體的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制仍需進(jìn)一步深入的探討。
在AD的APP/PS1Tg小鼠模型中,Aβ的病理性升高可誘導(dǎo)突觸損失[9]。雖然確切的分子機(jī)制尚未完全了解,但是寡聚體Aβ與突觸可塑性喪失和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能障礙有關(guān)[10-11]。通常認(rèn)為Aβ可結(jié)合突觸相關(guān)蛋白使其失活,因此作為AD中突觸可塑性喪失的病理機(jī)制[10-11]。 突觸是神經(jīng)元之間信息傳遞的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu),任何突觸都可能表現(xiàn)出不斷變化的傳遞效能,這就是突觸可塑性[12]。synaptophysin是囊泡形成和胞吐作用所需的突觸前囊泡的主要整合膜蛋白[13],用來(lái)檢測(cè)突觸的密度和分布,而AD患者腦海馬結(jié)構(gòu)內(nèi)synaptophysin蛋白含量比正常人明顯減少,提示AD患者的海馬神經(jīng)元突觸密度下降[14-15]。Bertoni-Freddari等[16]研究發(fā)現(xiàn),皮質(zhì)和海馬突觸聯(lián)系缺失的嚴(yán)重程度與AD的癡呆程度呈正相關(guān)。谷氨酸受體在人體海馬區(qū)中發(fā)揮了重要的作用,它屬于神經(jīng)遞質(zhì)受體,參與突觸傳遞,神經(jīng)元生長(zhǎng)和分化,突觸可塑性以及學(xué)習(xí)和記憶[17]。當(dāng)神經(jīng)元去極化時(shí),谷氨酸被釋放到突觸間隙中,與谷氨酸受體結(jié)合[18],參與快速興奮性突觸傳遞和神經(jīng)遞質(zhì)的釋放,與學(xué)習(xí)和記憶密切相關(guān)[19]?,F(xiàn)在的研究已經(jīng)公認(rèn)長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long-term potentiation,LTP)和長(zhǎng)時(shí)程抑制(long-term depression,LTD)現(xiàn)象是學(xué)習(xí)記憶活動(dòng)的細(xì)胞水平的生物學(xué)基礎(chǔ)[20]。在突觸后膜,AMPAR能誘發(fā)和維持LTP,促進(jìn)學(xué)習(xí)記憶行為。相反 AMPAR 從突觸后膜移除是 LTD的重要環(huán)節(jié)。Yasuda等[21]的研究證實(shí),AD 病人海馬區(qū)域 GluR1和GluR2/3 水平分別下降 43% 和 38%,提示突觸后膜 AMPAR 數(shù)目和功能的改變可能與 AD 認(rèn)知障礙的發(fā)生有關(guān)。PSD-95是一種調(diào)節(jié)突觸分布的重要支架蛋白,PSD-95組織突觸蛋白以介導(dǎo)興奮性突觸的功能和結(jié)構(gòu)可塑性并維持突觸體內(nèi)平衡[22]。PSD-95被認(rèn)為在突觸成熟過(guò)程中發(fā)揮作用,因?yàn)樗貏e容易受到Aβ的毒性作用[23], 因此PSD-95下調(diào)可能是由Aβ引起的病理級(jí)聯(lián)事件中的重要中間步驟。FSD-C10治療后突觸可塑性相關(guān)蛋白,如synaptophysin、AMPAR和PSD-95蛋白的表達(dá)增加。FSD-C10可能通過(guò)上調(diào)這些突觸相關(guān)蛋白的表達(dá)來(lái)維持突觸的正常功能。
綜上所述,本研究顯示新型Rho激酶抑制劑FSD-C10治療后雙轉(zhuǎn)基因AD 模型小鼠認(rèn)知功能障礙及中樞神經(jīng)系統(tǒng)病理改變顯著改善,其神經(jīng)保護(hù)作用機(jī)制可能與促進(jìn)APP/PS1雙轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)APP蛋白向非淀粉樣途徑代謝,減少腦內(nèi)Aβ寡聚體的生成,降低Aβ老年斑的沉積,減少tau蛋白的數(shù)量有關(guān)。此外,通過(guò)上調(diào)突觸相關(guān)蛋白synaptophy-sin、AMPAR及PSD-95的表達(dá),增強(qiáng)突觸可塑性,可能是FSD-C10改善APP/PS1Tg小鼠認(rèn)知功能的重要機(jī)制。