模擬失重對(duì)成年小鼠閃光視網(wǎng)膜電圖和視網(wǎng)膜微循環(huán)的影響

戴旭鋒,保金華,陳曉萍,李文炯,黃海笑,陳 浩

0 引言

失重狀態(tài)下液體懸浮無(wú)沉降，航天員體內(nèi)的流體靜壓消失，血液和其他體液不像重力條件下那樣慣常地流向下身。相反，約有2000mL血液由下身轉(zhuǎn)移到胸腔和頭部，其中20%左右重分布到頭面部，可引起宇航員面部浮腫、頭脹、頸部靜脈曲張和鼻咽部堵塞等改變[1-3]。血液重新分布后，頭部灌流壓增高20～30mmHg[4-6]。近年來(lái)國(guó)外航天醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，航天員在太空失重環(huán)境下，出現(xiàn)了不同程度的視覺(jué)功能和解剖學(xué)的改變，包括視盤水腫、眼球變扁、視網(wǎng)膜皺褶、遠(yuǎn)視以及眼內(nèi)壓升高等；這些改變有的人是短暫的，有些人要持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。初步研究結(jié)果提示，可能與航天員頭部(尤其是眼球)血液重新分布有關(guān)[2-3,7]。至于失重對(duì)眼球尤其是視網(wǎng)膜的影響有多大，能否恢復(fù)，是否會(huì)造成視網(wǎng)膜永久性損害等，這些問(wèn)題目前尚不清楚。文獻(xiàn)報(bào)道一些嚙齒類動(dòng)物在地面，通過(guò)改變體位的方式，可以模擬失重狀態(tài)下體液重分布[8-9]，本研究選擇小鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在觀察指標(biāo)方面，閃光視網(wǎng)膜電圖(electroretinogram,ERG)能客觀反映視網(wǎng)膜整體功能，其中振蕩電位(oscillatory potentials,OPs)還能敏感地反映視網(wǎng)膜中內(nèi)層的血液循環(huán)狀態(tài)[10-11]。本研究通過(guò)以上功能學(xué)檢測(cè)，并結(jié)合一些相關(guān)的形態(tài)學(xué)研究，來(lái)初步探討模擬失重對(duì)小鼠視網(wǎng)膜的影響。

1 材料和方法

1.1材料健康雄性2月齡清潔級(jí)C57BL/6J小鼠36只，體質(zhì)量23±3g，由北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司提供，許可證號(hào)：SCXK(蘇)2016-0003。小鼠飼養(yǎng)于12h明/12h暗交替環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)及操作，均在溫州醫(yī)科大學(xué)眼視光學(xué)院動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行。小鼠的喂養(yǎng)和使用，符合浙江省實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理的有關(guān)規(guī)定和條例。10%熒光素鈉注射液購(gòu)自美國(guó)愛(ài)爾康公司；小鼠源抗Rhodopsin抗體(一抗)購(gòu)自美國(guó)Millipore公司，兔源抗紅/綠視錐細(xì)胞視蛋白(Opsin)抗體(一抗)、兔源抗藍(lán)視錐細(xì)胞Opsin抗體(一抗)和Cy3標(biāo)記的山羊抗兔IgG(二抗)均購(gòu)自德國(guó)Merck Millipore公司，Alexa Fluor 488標(biāo)記的山羊抗小鼠IgG(二抗)購(gòu)自美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司；TUNEL細(xì)胞凋亡檢測(cè)試劑盒購(gòu)自美國(guó)Roche公司。

1.2方法

1.2.1動(dòng)物模型的制備和分組按隨機(jī)原則，將動(dòng)物分為3個(gè)實(shí)驗(yàn)組和3個(gè)相應(yīng)的對(duì)照組，最終每組6只小鼠。實(shí)驗(yàn)組參照Morey-Holton大鼠尾部懸吊法[8]，稍加改進(jìn)，使之更適合建立小鼠模擬失重模型。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物單籠飼養(yǎng)，尾部懸吊于籠頂，后肢自然懸空不受力，軀干長(zhǎng)軸與籠底水平約呈30°角。前肢可正常抓地，小鼠能在籠底一定范圍自由活動(dòng)，但始終保持頭低位，造成腹部和后肢的體液頭向重分布。期間，動(dòng)物能順利進(jìn)食和飲水。對(duì)照組小鼠也單籠飼養(yǎng)，尾部裝置同實(shí)驗(yàn)組，但軀干長(zhǎng)軸與籠底水平可呈0°角。對(duì)照組小鼠的攝食量，與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)組前1d的攝入量相同。具體分組如下：實(shí)驗(yàn)1組(尾懸15d)，實(shí)驗(yàn)2組(尾懸30d)，實(shí)驗(yàn)3組(懸吊30d后恢復(fù)體位30d)；對(duì)照1組(正常飼養(yǎng)15d)，對(duì)照2組(正常飼養(yǎng)30d)，對(duì)照3組(正常飼養(yǎng)60d)。作為對(duì)照的3組小鼠不改變正常體位，分別飼養(yǎng)15、30和60d，然后同樣進(jìn)行視網(wǎng)膜檢測(cè)。

1.2.2 ERG小鼠暗適應(yīng)過(guò)夜后，用復(fù)方托吡卡胺眼藥水充分散瞳。氯胺酮(72mg/kg)和賽拉嗪(4mg/kg)混合液腹腔注射，動(dòng)物全身麻醉后在角膜緣放置環(huán)狀細(xì)金絲電極，作為記錄電極；雙耳正中頭皮下插入的針狀電極作為參考電極，尾根部皮下插入的針狀電極作為地電極。全視野球形刺激器(Ganzfeld Q450)，標(biāo)準(zhǔn)白色閃光強(qiáng)度為3.0(cd·s)/m2，誘導(dǎo)暗適應(yīng)ERG。記錄混合反應(yīng)時(shí)，通頻帶設(shè)為0.2～500Hz；記錄OPs時(shí)，通頻帶設(shè)為65～300Hz[12]，單次閃光刺激持續(xù)時(shí)間為2ms，對(duì)相關(guān)反應(yīng)波的幅值進(jìn)行測(cè)量并分析。

1.2.3熒光素眼底血管造影應(yīng)用小動(dòng)物視網(wǎng)膜影像系統(tǒng)(Micron IV)，對(duì)小鼠行熒光素眼底血管造影(fluorescein fundus angiography,FFA)檢查。小鼠全身麻醉后置于專用的小動(dòng)物臺(tái)上，使用人工淚液防止角膜干燥及屈光間質(zhì)混濁，被檢眼充分散瞳。調(diào)整小鼠眼位，鏡頭向角膜緩慢推進(jìn)，不斷調(diào)焦直至眼底清晰可見(jiàn)，且視乳頭基本居中。然后，動(dòng)物腹腔注射熒光素鈉(0.001mL/g)。藍(lán)光照射下，循環(huán)至眼底血管的熒光素被激發(fā)出黃綠色熒光，對(duì)視網(wǎng)膜微血管的循環(huán)情況進(jìn)行拍照[13]。

1.2.4免疫組化檢測(cè)感光細(xì)胞視色素或視蛋白的表達(dá)取材、固定和脫水：小鼠處死后馬上取眼球，在1×PBS中快速剪除角膜，將眼球即刻浸泡在4%多聚甲醛溶液中固定過(guò)夜(pH=7.4，4℃)，固定好的眼球在30%蔗糖中脫水4h。冰凍切片制備：眼球標(biāo)本在包埋劑中浸2h，-80℃包埋然后冰凍切片，片厚12μm，切片方向與視軸平行。貼片于載玻片，在室溫下干燥30min。免疫熒光染色：冰凍切片置于穿透液(0.3% Triton X-100)中30min，增強(qiáng)細(xì)胞膜的通透性。常溫下，在5%牛血清白蛋白(工作液)中封閉1h。滴加一抗孵育過(guò)夜(4℃)，常溫下二抗孵育2h(避光)。用到的一抗有小鼠源抗Rhodopsin抗體(1∶300)、兔源抗兩種視錐細(xì)胞Opsin抗體(1∶400)，合適的二抗有山羊抗小鼠IgG(1∶400)和山羊抗兔IgG-Cy3(1∶1000)。1×PBS清洗，滴加DAPI染細(xì)胞核，免疫熒光顯微鏡(Zeiss)檢查。

1.2.5視網(wǎng)膜組織細(xì)胞凋亡檢測(cè)TUNEL(TdT-mediated dUTP nick end labeling)細(xì)胞凋亡試劑盒是用來(lái)檢測(cè)組織細(xì)胞在凋亡早期過(guò)程中細(xì)胞核DNA的斷裂情況[14]。小鼠視網(wǎng)膜冰凍切片在0.2%的Triton X-100中處理，然后浸洗干凈。將50μL的TdT和450μL熒光素標(biāo)記的dUTP液混勻，制備成TUNEL反應(yīng)混合液。TUNEL技術(shù)常常造成假陰性或假陽(yáng)性，因此有陽(yáng)性對(duì)照和陰性對(duì)照可更準(zhǔn)確地對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。陽(yáng)性對(duì)照先加100μL的DNaseⅠ液，反應(yīng)控制在15℃～25℃，持續(xù)時(shí)間為10min，然后再加50μL的反應(yīng)混合液；陰性對(duì)照僅加50μL熒光素標(biāo)記的dUTP液。本實(shí)驗(yàn)懸吊組和相應(yīng)的對(duì)照組視網(wǎng)膜標(biāo)本，直接加50μL的反應(yīng)混合液；切片在暗濕盒中反應(yīng)1h(37℃)，漂洗干凈后蓋上蓋玻片，在熒光顯微鏡(激發(fā)光的波長(zhǎng)為488nm)下觀察。

圖1 模擬失重組和對(duì)照組小鼠暗適應(yīng)閃光ERG A：混合反應(yīng);B：OPs。

圖2 模擬失重組和對(duì)照組小鼠FFA圖 熒光素注射后5min進(jìn)行拍照，在距離視乳頭3PD的區(qū)域，比較各組視網(wǎng)膜的微循環(huán)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)1組視網(wǎng)膜微血管網(wǎng)，較其他組更加密集，呈迂曲、擴(kuò)張的表現(xiàn)。A：對(duì)照1組；B：實(shí)驗(yàn)1組；C：實(shí)驗(yàn)2組；D：實(shí)驗(yàn)3組。

表1 模擬失重組和對(duì)照組小鼠暗適應(yīng)閃光ERG的b波和O2波幅值比較

統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：采用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS17.0分析數(shù)據(jù)，所有定量資料均滿足正態(tài)分布，以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。懸吊組與相應(yīng)天數(shù)的對(duì)照組之間，數(shù)據(jù)比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1模擬失重對(duì)小鼠ERG的影響閃光ERG的混合反應(yīng)和OPs，都是在3.0(cd·s)/m2的強(qiáng)光刺激下，由視網(wǎng)膜產(chǎn)生的生物電信號(hào)。混合反應(yīng)b波幅值，實(shí)驗(yàn)1組較對(duì)照1組升高，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.860,P<0.05，圖1A，表1)。實(shí)驗(yàn)2、3組的b波幅值，與對(duì)照2、3組相比，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=1.350、-0.487,均P>0.05，表1)。同混合反應(yīng)不同，OPs是在較窄通頻帶(本實(shí)驗(yàn)設(shè)為65～300Hz)條件下記錄到的一組節(jié)律性小波，后者不受b波影響。小鼠OPs一般含有3～6個(gè)子波，各子波間隔時(shí)間約為10ms，其中第二子波(O2)相對(duì)比較穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)1組O2幅值為197±33μV，對(duì)照1組O2的幅值為336±47μV，兩者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-5.938,P<0.001，圖1B，表1)。實(shí)驗(yàn)2、3組的O2幅值，與對(duì)照2、3組比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-1.887、1.023,均P>0.05，表1)。

2.2模擬失重對(duì)小鼠視網(wǎng)膜血液循環(huán)的影響10%熒光素鈉在1s內(nèi)被快速注射完畢，然后開(kāi)始計(jì)時(shí)。注射后3～5s，視乳頭及視網(wǎng)膜動(dòng)脈開(kāi)始顯影，然后各級(jí)血管相繼快速充盈；至5min時(shí)，視網(wǎng)膜毛細(xì)血管已充盈；5min后脈絡(luò)膜的背景熒光開(kāi)始逐漸變亮。在熒光素注射后5min時(shí)，對(duì)距離視乳頭相同距離的后極部視網(wǎng)膜，進(jìn)行觀察并比較微循環(huán)狀態(tài)。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)1組視網(wǎng)膜微血管網(wǎng)較其他組更加密集，呈迂曲擴(kuò)張的表現(xiàn)，而視網(wǎng)膜大血管管徑、走行未見(jiàn)明顯異常(圖2B)。實(shí)驗(yàn)2、3組，微循環(huán)均未顯示明顯異常，與相應(yīng)的對(duì)照組沒(méi)有區(qū)別(圖2C、D)。

2.3各組感光細(xì)胞視色素或視蛋白的表達(dá)以及TUNEL染色情況模擬失重的實(shí)驗(yàn)組中，感光細(xì)胞視色素或視蛋白的表達(dá)未見(jiàn)明顯異常(圖3)。在此基礎(chǔ)上，我們還進(jìn)行TUNEL細(xì)胞凋亡檢測(cè)，觀察模擬失重是否造成視網(wǎng)膜中內(nèi)層神經(jīng)細(xì)胞的損傷。根據(jù)特殊的熒光素標(biāo)記，TUNEL試劑盒能準(zhǔn)確地定位正在凋亡的組織細(xì)胞。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，模擬失重的3個(gè)懸吊組小鼠，視網(wǎng)膜各層組織細(xì)胞均未見(jiàn)明顯的凋亡(圖4)，與相應(yīng)的對(duì)照組沒(méi)有區(qū)別。

3 討論

太空失重狀態(tài)與人類生存的地球環(huán)境完全不同，失重對(duì)已適應(yīng)地球重力作用的哺乳動(dòng)物的影響，已成為空間生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。國(guó)際公認(rèn)的在地面模擬失重效應(yīng)(體液頭向重分布)的方法，包括適用于人[15]和獼猴的頭低位臥床實(shí)驗(yàn)[16]，以及適用于小型嚙齒類動(dòng)物的尾懸吊實(shí)驗(yàn)[9]。以小鼠為例，體位改變后身體軀干與水平面的夾角越大，腹部和后肢體液發(fā)生頭向轉(zhuǎn)移的量越多。但夾角過(guò)大時(shí)，正常的進(jìn)食進(jìn)水會(huì)受到嚴(yán)重影響，將導(dǎo)致動(dòng)物體質(zhì)量銳減，存活期普遍很短(≤1wk)，造模反而不能成功。

圖3 模擬失重組和對(duì)照組小鼠視網(wǎng)膜感光細(xì)胞視色素或視蛋白的表達(dá)(免疫熒光染色×200)視桿細(xì)胞感光色素(Rhodopsin)染成綠色，視錐細(xì)胞視蛋白(Opsin)染成紅色，細(xì)胞核染成藍(lán)色。A：對(duì)照1組；B：實(shí)驗(yàn)1組；C：實(shí)驗(yàn)2組；D：實(shí)驗(yàn)3組。

圖4 模擬失重組和對(duì)照組小鼠視網(wǎng)膜組織細(xì)胞凋亡檢測(cè)(TUNEL染色×200)凋亡細(xì)胞中斷裂DNA會(huì)結(jié)合特異性的基團(tuán)，并產(chǎn)生顯色反應(yīng)。A：陽(yáng)性對(duì)照；B：對(duì)照1組；C：實(shí)驗(yàn)1組；D：實(shí)驗(yàn)2組；E：實(shí)驗(yàn)3組。ONL：外核層；INL：內(nèi)核層；GCL：神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層。

當(dāng)身體軀干與水平面的夾角減至30°時(shí)[9]，動(dòng)物正常的進(jìn)食和飲水量基本不受影響，除造模容易成功外，實(shí)驗(yàn)的干擾因素也最少。

哺乳動(dòng)物的外層視網(wǎng)膜組織，基本上都含有兩種感光細(xì)胞，分別為視桿和視錐細(xì)胞。視桿細(xì)胞感光色素(Rhodopsin)和視錐細(xì)胞特異性O(shè)psin的表達(dá)情況，與視網(wǎng)膜的生理功能和ERG結(jié)果密切相關(guān)。閃光ERG能夠客觀、敏感地反映全視網(wǎng)膜的整體功能。ERG混合反應(yīng)的b波上升支，通常有一組規(guī)律的振蕩小波(OPs)，后者被認(rèn)為起源于視網(wǎng)膜中內(nèi)層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的抑制性反饋回路[10-11]。我們以小鼠作為研究對(duì)象，動(dòng)物改變體位后短期內(nèi)OPs幅值下降。OPs幅值的變化同b波不一致，提示前者可能是模擬失重狀態(tài)下，體液重新分布所導(dǎo)致的特異性改變。從ERG混合反應(yīng)以及感光細(xì)胞視色素或視蛋白的表達(dá)情況來(lái)分析，視網(wǎng)膜外層的神經(jīng)細(xì)胞(光感受器)并未受到較大的影響。模擬失重狀態(tài)下體液重新分布，可能主要影響視網(wǎng)膜中內(nèi)層的功能。本研究發(fā)現(xiàn)，視網(wǎng)膜OPs的變化規(guī)律，可以用來(lái)驗(yàn)證動(dòng)物造模是否成功。

根據(jù)本研究中幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)的ERG數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜功能變化呈如下趨勢(shì)：(1)模擬失重短期內(nèi)(尾懸15d)，視網(wǎng)膜中內(nèi)層呈現(xiàn)功能下降，小鼠OPs幅值約為正常水平的60%。(2)模擬失重時(shí)間延長(zhǎng)(尾懸30d)，可能隨著動(dòng)物自身調(diào)節(jié)機(jī)制的啟動(dòng)，視網(wǎng)膜相關(guān)功能又出現(xiàn)回升，此時(shí)OPs幅值達(dá)到正常水平的85%左右。(3)尾懸30d小鼠恢復(fù)正常體位1mo后，視網(wǎng)膜中內(nèi)層功能基本上能完全恢復(fù)至正常水平。除了小鼠之外，人體在地面模擬失重的實(shí)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)OPs在一定范圍內(nèi)發(fā)生波動(dòng)[17]。

臨床上發(fā)現(xiàn)，OPs對(duì)視網(wǎng)膜中內(nèi)層的血液循環(huán)狀態(tài)比較敏感。比如糖尿病視網(wǎng)膜病變和視網(wǎng)膜靜脈阻塞的早期，由于視網(wǎng)膜循環(huán)發(fā)生阻滯和靜脈淤血，OPs幅值可顯著降低[10-11]。本研究中小鼠尾懸15d發(fā)生OPs異常，進(jìn)一步行FFA檢測(cè)，也發(fā)現(xiàn)該時(shí)間點(diǎn)視網(wǎng)膜微血管網(wǎng)呈迂曲、擴(kuò)張的特點(diǎn)。以上可能與小鼠腹部及后肢的血液大量回流到頭部，導(dǎo)致暫時(shí)的視網(wǎng)膜微循環(huán)異常有關(guān)。人體頭低足高位臥床，模擬失重狀態(tài)下血液重新分配，短期內(nèi)也會(huì)造成頭面部供血增加，同時(shí)引起眼部血液循環(huán)改變，這種改變對(duì)視功能可能造成影響[7]。

小鼠尾懸30d組，動(dòng)物機(jī)體可能已經(jīng)對(duì)模擬失重(體液頭向重分布)狀態(tài)產(chǎn)生適應(yīng)，此時(shí)視網(wǎng)膜微循環(huán)和神經(jīng)生物電反應(yīng)出現(xiàn)恢復(fù)。人體模擬失重早期，視網(wǎng)膜在表現(xiàn)為功能的下降后；隨著自身調(diào)節(jié)機(jī)制的啟動(dòng)，視網(wǎng)膜功能也會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)性升高，甚至超出正常水平；隨著不斷地自身調(diào)節(jié)，最終也能恢復(fù)到正常水平[17]。小鼠模擬失重短期內(nèi)，形態(tài)學(xué)上除了視網(wǎng)膜微循環(huán)發(fā)生暫時(shí)性改變外，TUNEL染色未見(jiàn)視網(wǎng)膜組織細(xì)胞的結(jié)構(gòu)性損傷。

從航天員經(jīng)歷過(guò)的短、中期在軌飛行情況來(lái)看[7]，失重對(duì)眼球的影響并不大且基本上能完全恢復(fù)。這與本研究中，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的一些形態(tài)和功能檢查結(jié)果基本一致。隨著懸吊時(shí)間延長(zhǎng)，視網(wǎng)膜微循環(huán)的異常狀態(tài)發(fā)生改善，提示動(dòng)物機(jī)體可能存在某種神經(jīng)血管的調(diào)節(jié)機(jī)制。然而航天員長(zhǎng)期在太空工作和生活后，視網(wǎng)膜及其功能出現(xiàn)紊亂，除了失重狀態(tài)下全身體液重分布外，可能也和其他因素有關(guān)，如宇宙輻射，航天器內(nèi)空氣組成和濕度異常，特殊航空食譜，以及航天員生物節(jié)律異常等[18-19]。

小鼠尾懸短期內(nèi)ERG-OPs異常，可能與視網(wǎng)膜中內(nèi)層的微循環(huán)狀態(tài)改變有關(guān)。相關(guān)的視覺(jué)電生理檢測(cè)，不僅可以用來(lái)驗(yàn)證動(dòng)物體液頭向重分布的造模是否成功外；將來(lái)還可能適用于失重狀態(tài)下，對(duì)宇航員的視網(wǎng)膜功能進(jìn)行無(wú)創(chuàng)性監(jiān)測(cè)。