王俐君,李 坤,高 潔,吳永康,盧志園,顧祎寧,王星禹,王 健,張宗奇,徐 穎**
(1. 上海中醫(yī)藥大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院 上海 201203;2. 上海中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 上海 201203;3. 上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬曙光醫(yī)院腦病科 上海 200021)
阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease,AD)是全球普遍的神經(jīng)退行性疾病,嚴(yán)重影響患者的認(rèn)知功能,并且會(huì)造成不可逆的記憶喪失,使其喪失自我照顧管理的能力[1-2]。AD 的主要病理特征是胞外β-淀粉樣蛋白(β-amyloid,Aβ)的沉積形成斑塊和胞內(nèi)tau 蛋白積聚形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)[3-4]。近些年來(lái),越來(lái)越多地研究認(rèn)為炎癥在AD 的病理過(guò)程中也發(fā)揮著重要的作用[5],在AD 早期,炎癥反應(yīng)是發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)的作用,但隨著病程的加劇,會(huì)引起炎癥因子的過(guò)度產(chǎn)生和腦內(nèi)的持續(xù)炎癥,并加劇神經(jīng)元和突觸的損傷[6]。因此,將神經(jīng)炎癥作為AD 的治療靶點(diǎn)是一種很有前景的治療策略。
早老素1/2 條件性雙基因敲除(Presenilin1/2 conditional double knockout,PS cDKO)小鼠是 AD 樣的小鼠模型。PS1 和PS2 基因突變是早發(fā)性家族性AD的主要致病原因[7],這2 種基因編碼的跨膜蛋白具有67%相同的氨基酸序列,只是在N-末端和第六疏水環(huán)不同,是γ-分泌酶的亞基,參與β淀粉樣前體蛋白、Notch受體等蛋白的酶解過(guò)程[8]。PS cDKO小鼠表現(xiàn)出一系列的年齡依賴的AD樣表型,像突觸功能異常、tau蛋白的高度磷酸化、腦萎縮、認(rèn)知功能異常和炎癥反應(yīng)的增加[9-10]。對(duì)于炎癥反應(yīng),不僅出現(xiàn)在腦中,也會(huì)擴(kuò)散到周圍,這有助于探究炎癥反應(yīng)在AD 病理過(guò)程的發(fā)揮的作用[11]。
對(duì)于AD 的治療,目前FDA 批準(zhǔn)的藥物有美金剛、多奈哌齊、加蘭他敏和利維思明,并且以Aβ和tau蛋白為靶點(diǎn)的疾病修飾治療研究取得的成果有限,目前沒(méi)有很強(qiáng)的臨床和實(shí)驗(yàn)依據(jù)[12]。慢性炎癥會(huì)導(dǎo)致tau 蛋白的過(guò)度磷酸化、突觸蛋白丟失進(jìn)而導(dǎo)致神經(jīng)元損傷和認(rèn)知功能受損[13]。以慢性炎癥為作用靶點(diǎn),尋找防治AD 的天然藥物,為AD 的防治提供新的治療策略。反式桂皮醛(Trans-cinnamaldehyde,TCA)是肉桂油中的主要活性成分,可以發(fā)揮抗癌、抗炎、殺菌、保護(hù)心臟和抗氧化等作用[14-15]。對(duì)于TCA 的神經(jīng)保護(hù)作用,我們之前的研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)誘導(dǎo)的原代小膠質(zhì)細(xì)胞,TCA 預(yù)處理能夠減弱其形態(tài)改變、減少一氧化氮和白介素-1β(Interleukin-1β,IL-1β)的釋放、通過(guò)縮短誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(Inducible nitric oxide synthase,iNOS)mRNA 的半衰期來(lái)阻斷LPS 誘導(dǎo)的iNOS 表達(dá),并且對(duì)于LPS 刺激的小鼠,TCA 對(duì)其的識(shí)別記憶和空間參考記憶有改善作用,這是通過(guò)改善突觸可塑性、抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的激活、降低 iNOS 和 IL-1β的 mRNA 水平,下調(diào) iNOS 的表達(dá)和阻斷胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2(Extracellular signalregulated kinase1/2,ERK1/2)的磷酸化來(lái)實(shí)現(xiàn)的[16]。另外,對(duì)于6月齡的PS cDKO 小鼠,TCA 通過(guò)阻斷核轉(zhuǎn)錄因子-κB(Nuclear factor kappa B,NF-κB)信號(hào)通路、抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的活化和神經(jīng)炎癥和改善突觸功能障礙來(lái)改善受損的記憶功能[17]。AD 是進(jìn)行性發(fā)展的神經(jīng)退行性疾病,表現(xiàn)為逐漸惡化的認(rèn)知功能障礙和行為異常,其中記憶(屬于認(rèn)知范疇)障礙被認(rèn)為是主要癥狀[18]。TCA 可以改善6 月齡 PS cDKO 小鼠的記憶功能障礙,對(duì)于12月齡的PS cDKO 小鼠的記憶功能障礙是否仍具有改善作用目前尚不清楚。為了檢測(cè)TCA改善記憶障礙的治療潛能,本研究進(jìn)一步探索TCA 對(duì)于AD 的防治作用,借助12 月齡的老年P(guān)S cDKO 小鼠作為AD 模型小鼠,探討TCA 對(duì)小鼠運(yùn)動(dòng)功能、學(xué)習(xí)記憶、空間識(shí)別記憶的影響;探討TCA 對(duì)突觸蛋白和促炎癥因子的影響來(lái)進(jìn)行機(jī)制的探討,為臨床防治AD提供實(shí)驗(yàn)室證據(jù)參考。
對(duì)于PS cDKO 小鼠的繁殖和鑒定方法同文獻(xiàn)[7]。攜帶轉(zhuǎn)基因 Cre,PS1 和 PS2 的基因型為 fPS1/fPS1、PS2-/-的 PS cDKO 小鼠作為 PS cDKO 小鼠;野生型對(duì)照小鼠組選用的是遺傳背景、年齡均相同的同窩小鼠(不攜帶 Cre 基因,PS1 和 PS2 的基因型為 fPS1/+、PS2+/+或者fPS1/+、PS2+/-)。所有小鼠均飼養(yǎng)在上海中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心SPF 級(jí)動(dòng)物房間,飼養(yǎng)溫度為(22±2)°C,明暗周期為12 h,可自由飲食。對(duì)于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行的所有操作都遵守倫理規(guī)定,經(jīng)過(guò)上海中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理和使用委員會(huì)的批準(zhǔn)。9 月齡的PS cDKO 小鼠和其同窩小鼠隨機(jī)分為4 組:野生型組(Wildtype,WT)、野生型 +TCA組(WT+TCA)、模型組(PS cDKO,cDKO)和模型 +TCA 組(cDKO+TCA),每組 15 只。WT + TCA 和 cDKO + TCA 組的小鼠給予含有TCA(240 ppm)的飼料治療,WT 和cDKO 組的小鼠給予普通飼料,共治療90 天。第60 天開(kāi)始進(jìn)行行為學(xué)測(cè)試,行為學(xué)測(cè)試期間繼續(xù)如前給予TCA治療。
電子天平(上海光能儀器廠);電泳儀、電泳槽和轉(zhuǎn)膜槽(美國(guó)Bio-Rad 公司);化學(xué)發(fā)光成像儀(上海天能公司);PCR 儀(瑞士Roche 公司);酶標(biāo)儀(美國(guó)BioTek 公司);TCA(Sigma-Aldrich 公司);BCA 試劑盒(碧云天公司);N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate Receptor,NMDAR)亞基NR1、磷酸化的鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶II alpha(Phosphorylated-Ca/calmodulin-dependent protein kinases II alpha,pαCaMKII)、β-actin 抗體和 HRP 標(biāo)記的抗兔二抗(Cell Signaling Technology 公司);PCR 試劑盒(TaKaRa 公司);小鼠IL-1βELISA試劑盒(R&D Systems公司)。
1.3.1 曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)
將小鼠放到曠場(chǎng)箱中,讓其自由探索15 min,觀察其自主運(yùn)動(dòng)能力,記錄其總共移動(dòng)的距離、速度和持續(xù)時(shí)間。另外,將其在邊緣區(qū)域移動(dòng)時(shí)間的百分比作為衡量小鼠焦慮樣行為的一個(gè)指標(biāo)。
1.3.2 新異物體識(shí)別實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,將小鼠放到曠場(chǎng)箱中適應(yīng)3 天。之后進(jìn)行測(cè)試,在訓(xùn)練階段,在曠場(chǎng)箱中放置2 個(gè)顏色、形狀一樣的物體,讓小鼠自由探索15 min。訓(xùn)練1 h后,將其中1個(gè)物體換成顏色和形狀不同的物體,讓小鼠自由探索15 min;訓(xùn)練24 h后,重復(fù)訓(xùn)練1 h的操作,記錄小鼠探索2 個(gè)物體的時(shí)間。計(jì)算探索任一物體(訓(xùn)練階段)或新物體(測(cè)試階段)的時(shí)間占探索2個(gè)物體總時(shí)間的百分比作為偏好指數(shù)(Preference index)來(lái)作為衡量學(xué)習(xí)記憶的指標(biāo)。
1.3.3 Y迷宮實(shí)驗(yàn)
Y 迷宮包括3 個(gè)臂,臂與臂之間的角度為120°。在訓(xùn)練階段,用擋板堵住其中的1個(gè)臂,讓小鼠自由探索另外 2 個(gè)臂 8 min,1 h 后,撤掉擋板,開(kāi)放第 3 個(gè)臂(稱為新臂),讓小鼠自由探索3個(gè)臂,記錄其進(jìn)入新臂的次數(shù)和持續(xù)時(shí)間,來(lái)評(píng)估小鼠的空間記憶。
1.3.4 Western Blot 檢測(cè)突觸蛋白的表達(dá)水平
?。?5-40)mg 小鼠前額皮質(zhì)加入到預(yù)冷的200 μL 裂解液中,在研磨儀中研磨1 min,之后4℃離心(12000 rpm,10 min),得到蛋白原液。用借助BCA蛋白定量法對(duì)蛋白原液進(jìn)行蛋白定量后,將蛋白濃度定到40 μg·10 μL-1這一標(biāo)準(zhǔn),之后對(duì)蛋白進(jìn)行變性,得到上樣樣品。經(jīng)過(guò)電泳、轉(zhuǎn)膜的過(guò)程,得到轉(zhuǎn)印了蛋白的NC 膜,用5%的脫脂奶粉(目的蛋白:NR1;βactin)或 5% BSA(目的蛋白:p-αCaMKII)室溫封閉1 h,4℃孵 NR1 一抗(1∶1000)、p-αCaMKII 一抗(1∶1000)和β-actin 一抗(1∶1000),過(guò)夜,將膜放在搖床上用TBST 洗3 遍,每次10 min,搖床轉(zhuǎn)速(90-100)rpm,之后孵 HRP 標(biāo)記的二抗(1∶3000),孵育 1 h,再用TBST洗3遍,每次10 min,搖床轉(zhuǎn)速(90-100)rpm。待涂勻發(fā)光液后,放入成像儀中成像。得到的圖片借助Image J軟件進(jìn)行灰度值的測(cè)定。
1.3.5 qRT-PCR檢測(cè)IL-1β的mRNA水平
?。?0-80)mg的小鼠前額皮質(zhì)加入到1 mL Trizol中,之后研磨1 min,插入冰中,加入200 μL 氯仿,冰上靜置后離心,取400 μL上清,加入等體積的異丙醇,顛倒混勻后與冰上靜置,之后離心,倒掉上清,加入75%乙醇(DEPC 水配制)后離心,倒掉上清,倒扣晾干,加入20 μL DEPC 水溶解,用酶標(biāo)儀測(cè)得濃度和純度,得到總RNA。借助逆轉(zhuǎn)錄試劑盒進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄得到cDNA,再用PCR試劑盒配成10 μL體系,IL-1β引物序列為:Forward:CAGGCAGGCAGTATCACTCA;Reverse:AGCTCATATGGGTCCGACAT。在 PCR 儀中擴(kuò)增,進(jìn)而獲得Ct值,并計(jì)算2-△△Ct值作為基因的相對(duì)表達(dá)量。
1.3.6 ELISA檢測(cè)IL-1β的含量
取40 mg 小鼠前額皮質(zhì)加入到200 μL 預(yù)冷的0.9% 的 氯 化 鈉 中 ,進(jìn) 行 研 磨 1 min,4℃ 離 心(12000 rpm,10 min),獲得原液,借助BCA 蛋白定量法進(jìn)行定量,確定上樣量。之后根據(jù)ELISA 試劑盒的說(shuō)明書進(jìn)行逐步操作,計(jì)算出IL-1β的濃度。
采用SPSS Statistics 21.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用X±S.E.M.表示,4 組間比較采用one-way ANOVA 分析,多重比較采用 LSD 檢驗(yàn),將P< 0.05 視為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
在曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中,相較于WT 小鼠,PS cDKO 小鼠在曠場(chǎng)箱中移動(dòng)的距離更長(zhǎng)(P<0.001),且速度更快(P< 0.001),表明PS cDKO 小鼠呈現(xiàn)高度活躍狀態(tài),但TCA 治療后不影響PS cDKO 小鼠移動(dòng)的距離和速度;此外,4組小鼠的邊緣區(qū)時(shí)間百分比沒(méi)有顯著差異(圖1)。以上結(jié)果表明TCA 對(duì)PS cDKO 小鼠的運(yùn)動(dòng)能力沒(méi)有影響。
圖1 TCA不影響小鼠的運(yùn)動(dòng)能力
圖2 TCA改善小鼠的短時(shí)辨識(shí)記憶
新異物體識(shí)別實(shí)驗(yàn)中(圖2),在訓(xùn)練階段,4 組小鼠的對(duì)于物體偏好性沒(méi)有明顯差異,在1 h 測(cè)試階段,與WT 組小鼠相比,PS cDKO 小鼠探索新物體的時(shí)間明顯減少(P< 0.01),這表明PS cDKO 小鼠短時(shí)辨識(shí)記憶受損,而TCA 治療后,PS cDKO 小鼠探索新物體的時(shí)間明顯增加(P<0.05),這表明TCA 可以改善PS cDKO 小鼠受損的短時(shí)辨識(shí)記憶。然而,在24 h 測(cè)試階段,WT組小鼠探索新物體的時(shí)間明顯長(zhǎng)于cDKO 組的小鼠(P< 0.05),這表明PS cDKO 小鼠長(zhǎng)時(shí)記憶能力也受損,但TCA 干預(yù)后對(duì)其沒(méi)有顯著影響。另外,進(jìn)行組內(nèi)比較發(fā)現(xiàn),cDKO+TCA 組的小鼠在1 h 測(cè)試階段對(duì)于新物體的偏好性明顯高于訓(xùn)練階段(P<0.05)。上述結(jié)果表明,TCA 改善PS cDKO 小鼠受損的短時(shí)辨識(shí)記憶,但對(duì)其受損的長(zhǎng)時(shí)記憶沒(méi)有顯著性影響。
在Y迷宮實(shí)驗(yàn)中(圖3),在1 h測(cè)試階段,與WT組小鼠相比,PS cDKO 小鼠進(jìn)入新臂的時(shí)間和次數(shù)明顯減少(P< 0.001),提示PS cDKO 小鼠表現(xiàn)出空間記憶障礙,而TCA 治療后,PS cDKO 小鼠進(jìn)入新臂的時(shí)間和次數(shù)明顯增加(P<0.001),這表明TCA 可以改善PS cDKO小鼠的空間記憶障礙。
NMDAR 在突觸功能、可塑性和神經(jīng)元存活中發(fā)揮重要作用,其中,NR1 是NMDAR 的一個(gè)亞基,αCaMKII 是 NMDAR 的下游分子[19]。與 WT 組小鼠相比,PS cDKO 小鼠前額皮質(zhì)中 NR1 和 p-αCaMKII 蛋白的表達(dá)明顯減少(P< 0.001,P< 0.05);經(jīng)過(guò)TCA 的介入治療后明顯上調(diào)這2 種突觸蛋白的表達(dá)(P<0.05,P<0.01),這表明TCA 可能發(fā)揮改善突觸功能障礙的作用(圖4)。
與WT 組小鼠相比,PS cDKO 小鼠前額皮質(zhì)中的IL-1β的 mRNA 水平明顯升高(P< 0.001),TCA 介入后,可以明顯下調(diào)IL-1β的mRNA 水平(P< 0.001)(圖5)。ELISA 檢測(cè)也得到了一致的結(jié)論,與WT 組小鼠相比,PS cDKO 小鼠前額皮質(zhì)中的IL-1β的含量明顯增多(P< 0.01),TCA 治療后,可以明顯降低IL-1β的含量(P<0.05)。無(wú)論是從mRNA水平還是蛋白水平,TCA 都可以抑制 PS cDKO 小鼠中增高的 IL-1β,從而減少IL-1β的產(chǎn)生。
圖3 TCA改善小鼠的空間記憶障礙
圖4 TCA上調(diào)PS cDKO小鼠前額皮質(zhì)NR1和p-αCaMKII蛋白的表達(dá)
圖5 TCA抑制PS cDKO小鼠前額皮質(zhì)IL-1β的產(chǎn)生
AD 病理過(guò)程錯(cuò)綜復(fù)雜,提出的機(jī)制假說(shuō)也很多,但是目前尚未出現(xiàn)令人滿意的治療藥物。近些年來(lái),神經(jīng)炎癥在AD 病理過(guò)程中發(fā)揮的作用越來(lái)越受到重視,一些流行病學(xué)的研究也建議使用抗炎藥物減少AD 的發(fā)病率[5]。慢性炎癥會(huì)促進(jìn)突觸和神經(jīng)元的丟失、影響突觸可塑性、促進(jìn)tau 蛋白的磷酸化和損害認(rèn)知功能[13]。并且在AD 患者的額葉皮質(zhì)發(fā)現(xiàn)炎癥水平的上調(diào),另外,tau蛋白的磷酸化與炎癥水平成正相關(guān),與突觸密度呈負(fù)相關(guān)[20]。在慢性炎癥的過(guò)程中,激活的小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生和釋放促炎因子,如:IL-1β和腫瘤壞死因子-α(Tumor necrosis factor-α,TNF-α)等,過(guò)度和大量釋放的促炎因子對(duì)腦功能造成損傷[5]。另外,在去世的AD 患者的腦中發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞激活和促炎介質(zhì)水平的增高,并且AD 模型小鼠也支持慢性炎癥在AD病理機(jī)制中發(fā)揮重要作用[21]。
對(duì)于TCA 這一藥物,本實(shí)驗(yàn)室之前發(fā)現(xiàn)其可以通過(guò)阻斷6 月齡的PS cDKO 小鼠的NF-κB 信號(hào)通路來(lái)抑制神經(jīng)炎癥,從而改善NMDA 受體的功能障礙、突觸功能障礙和小鼠的記憶能力[17]。由于PS cDKO 的AD 樣表型是年齡依賴性的,那么,對(duì)于12 月齡的PS cDKO 小鼠,TCA 是否還具有治療效果,本次研究進(jìn)行了初步探索,發(fā)現(xiàn)TCA 仍具有一定的神經(jīng)保護(hù)作用。在行為學(xué)方面,和6月齡的PS cDKO 小鼠相似的是,12月齡PS cDKO 小鼠依然表現(xiàn)出短時(shí)辨識(shí)記憶和空間記憶受損。不同的是,在新異物體識(shí)別實(shí)驗(yàn)24 h 的測(cè)試中,12 月齡的PS cDKO 小鼠表現(xiàn)出了探索新物體的時(shí)間顯著低于WT 組的小鼠,表明其具有長(zhǎng)時(shí)記憶能力障礙,這與之前的研究報(bào)道結(jié)論是一致的[22]。經(jīng)過(guò)為期3 個(gè)月的TCA 干預(yù),可以改善PS cDKO 小鼠受損的短時(shí)辨識(shí)記憶和空間記憶,但長(zhǎng)時(shí)記憶能力障礙沒(méi)有影響。
NMDAR 為谷氨酸門控離子通道型受體,對(duì)Ca2+和Ca2+內(nèi)流具有很高的滲透性,這是突觸形成的必要條件[23],其在學(xué)習(xí)記憶的過(guò)程中發(fā)揮重要作用[24]。NMDAR 亞基包括 NR1、NR2(A-D)和 NR3(A、B),并且其功能異常與AD 密切相關(guān)[25]。CaMKII 是一種突觸蛋白,在NMDAR 參與的Ca2+內(nèi)流誘導(dǎo)的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)中被激活[26],其和NMDAR 是突觸可塑性(長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)和長(zhǎng)時(shí)程抑制)的中心介質(zhì),而突觸可塑性是學(xué)習(xí)記憶的基礎(chǔ)[27]。在12 月齡的PS cDKO 小鼠的前額皮質(zhì)中,NR1 和 p-αCaMKII 這 2 種蛋白的表達(dá)是明顯降低的,而TCA 能夠上調(diào)這2 種突觸蛋白的表達(dá)水平。但是我們以前的研究中TCA對(duì)于6月齡的PS cDKO小鼠前額皮質(zhì)中的表達(dá)水平減少的NR1 蛋白沒(méi)有明顯的改善作用[17]。IL-1β是一種促炎癥因子,其過(guò)度產(chǎn)生會(huì)使神經(jīng)元可塑性和記憶功能受損[28],相較于WT 組的小鼠,12 月齡的 PS cDKO 小鼠前額皮質(zhì)中 IL-1β的mRNA 水平和蛋白水平明顯升高,而TCA 的介入可以明顯抑制IL-1β的產(chǎn)生。
根據(jù)目前的結(jié)果,無(wú)論是6月齡還是12月齡的PS cDKO 小鼠,TCA 都能夠發(fā)揮抑制促炎癥因子IL-1β產(chǎn)生、上調(diào)NR1 和p-αCaMKII 突觸蛋白的表達(dá)和改善短時(shí)記憶和空間識(shí)別記憶障礙的作用。但是TCA 對(duì)于12 月齡PS cDKO 小鼠其它的突觸蛋白和促炎癥介質(zhì)(如:TNF-α、IL-6、iNOS、COX-2)是否會(huì)有影響,以及通過(guò)哪條信號(hào)通路發(fā)揮作用仍需進(jìn)一步地探索。
綜上所述,TCA 能夠抑制前額皮質(zhì)促炎癥因子IL-1β的產(chǎn)生、上調(diào)突觸蛋白的表達(dá)和改善PS cDKO AD 樣小鼠的記憶障礙,具有一定的抗炎和神經(jīng)保護(hù)作用,對(duì)于其內(nèi)在機(jī)制尚需進(jìn)一步的研究,為臨床研究提供可供參考的治療思路。
世界科學(xué)技術(shù)-中醫(yī)藥現(xiàn)代化2021年2期