劉瑞蓮,屈紅林,陳伊琳,毛海峰
抑郁癥是一種患病率、復(fù)發(fā)率和自殺率較高的精神類疾病,嚴(yán)重影響機(jī)體健康,給社會、家庭和個人造成巨大危害,雖然有大量學(xué)者提出炎癥反應(yīng)[1]、神經(jīng)營養(yǎng)因子異常[2]、DNA 甲基化調(diào)控、去甲腎上腺素學(xué)說[3]、五羥色胺(5-HT)學(xué)說[4]、神經(jīng)通路學(xué)說,以及遺產(chǎn)因素、神經(jīng)生化因素和心理社會因素的假說,但其確切的發(fā)病機(jī)制尚不十分明確。當(dāng)前臨床上多采用藥物治療、心理療法、物理治療、中醫(yī)治療等方法,治療起效慢、應(yīng)答率低、治愈率低的現(xiàn)狀已經(jīng)使其成為當(dāng)今全世界的重大難題之一,已有較多研究結(jié)果顯示,通過運(yùn)動對抑郁癥進(jìn)行干預(yù)具有明顯的優(yōu)勢,但其作用機(jī)制的研究尚處于起步階段。V.KRISHNAN等[5-6]證實(shí)抑郁癥發(fā)病過程中存在明顯的海馬區(qū)域神經(jīng)元凋亡與萎縮現(xiàn)象,研究指出神經(jīng)元凋亡誘導(dǎo)的海馬組織損傷可能是誘發(fā)抑郁癥患者器質(zhì)性病變的基礎(chǔ)之一[7]。作為應(yīng)激性損傷的主要靶器官的海馬是記憶、學(xué)習(xí)和情緒控制的重要區(qū)域,其損傷通常造成空間記憶缺失、方位定向錯誤。細(xì)胞凋亡又稱為細(xì)胞程序化死亡[8],主要參與細(xì)胞分化、調(diào)節(jié)機(jī)體發(fā)育、正常細(xì)胞更新以及某些疾病的病理改變[9-10],其中海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡已經(jīng)在抑郁癥患者與動物實(shí)驗(yàn)的海馬病理改變中得以驗(yàn)證[11-12]。有氧運(yùn)動抗海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡已經(jīng)在阿爾茨海默病[13]、血管性癡呆[14]等神經(jīng)損傷類,糖尿病[15]、肥胖癥[16]等代謝類疾病,以及有氧運(yùn)動促進(jìn)藥物治療抑郁癥等方面得以證實(shí)[17]。課題組前期的實(shí)驗(yàn)研究[18]已證實(shí)有氧運(yùn)動可通過激活BDNF及其miR-195的靶向調(diào)控發(fā)揮抗凋亡作用改善抑郁小鼠海馬功能,但具體的作用機(jī)制尚不深入。在前期項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合高通量測序結(jié)合生物信息學(xué)分析方法篩選出運(yùn)動干預(yù)海馬神經(jīng)凋亡的機(jī)制與5-HT、Bcl-2、Caspase-3 和PARP 等的差異表達(dá)可能密切相關(guān),本研究擬通過驗(yàn)證有氧運(yùn)動改善抑郁小鼠海馬5-HT、Bcl-2、Caspase-3 和 PARP 的變化,探討 Bcl-2/Caspase-3/PARP 信號通路參與有氧運(yùn)動改善抑郁癥小鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡的作用機(jī)制。
SPF 級健康雄性 8 周齡 KM 小鼠 36 只,體重 25~30 g,由湖南斯萊克景達(dá)實(shí)驗(yàn)動物有限公司提供,實(shí)驗(yàn)動物合格證號:SCXK湘2016-0002。所有小鼠在室溫(25±1)℃,相對濕度為50%的環(huán)境中自由飲水、標(biāo)準(zhǔn)飲食。36 只小鼠按隨機(jī)數(shù)字法分為3 組(n=12):空白對照組(Control 組,CG)、不可預(yù)知性應(yīng)激模型組(CUMS 組,MG)和造模運(yùn)動干預(yù)組(CUMS+Exercise組,CE)。
MG 組和CE 組小鼠借鑒相關(guān)文獻(xiàn)[19-20],采用28天慢性不可預(yù)見性應(yīng)激刺激構(gòu)建抑郁模型,即選用包括晝夜調(diào)整、禁食、禁水、傾斜鼠籠、改變光照性質(zhì)、潮濕墊料、溫水游泳、低溫游泳、水平震蕩、束縛、白噪音等在內(nèi)的13 種應(yīng)激方式,按每天2~3 種刺激方式隨機(jī)數(shù)字法生成刺激方案,為避免因相同刺激引起的適應(yīng)性,微調(diào)刺激方案,確保相鄰時間不重復(fù)刺激方式。
神經(jīng)行為學(xué)評定。糖水偏好指數(shù)(sucrose preference test,SPT):P.WILLNER 等[21]的研究提出糖水偏好指數(shù)下降可作為評價(jià)抑郁模型的核心指標(biāo),其可用于評價(jià)實(shí)驗(yàn)小鼠的快感缺失。測試時,先適應(yīng)性訓(xùn)練小鼠含糖飲水。適應(yīng)期后,禁食禁水10 h 后,每只小鼠的鼠籠放置2 個水瓶,分別為蒸餾水和含1%蔗糖的蔗糖水[22-23],200 mL/瓶,供小鼠自由飲水,30 min 后交換兩瓶水的位置,實(shí)驗(yàn)1 h 后稱取兩瓶水中的重量,計(jì)算蔗糖偏好指數(shù)(%)。糖水偏好指數(shù)與動物的快感程度呈正相關(guān),其值越小則表明動物快感缺失越嚴(yán)重[24]。與空白對照組,糖水偏好指數(shù)呈顯著性減小,即可判定為抑郁造模成功。強(qiáng)迫游泳(forced swimming test,F(xiàn)ST):測試時將小鼠單獨(dú)放置于直徑為10 cm 的強(qiáng)迫游泳儀玻璃缸中,水深30 cm,水溫(25±2)℃,計(jì)時6 min,記錄后4 min 內(nèi)游泳累計(jì)不動時間。強(qiáng)迫游泳時間越長,抑郁癥狀也就越嚴(yán)重[25]。
CE 組小鼠在造模評定完成后,次日進(jìn)行適應(yīng)性跑臺運(yùn)動,適應(yīng)性訓(xùn)練按照0坡度,10 m/min的速度訓(xùn)練10 min,之后每天遞增10 min,直到60 min。間歇一天后,參照T.G.BEDFORD[26]改良訓(xùn)練方案進(jìn)行中低強(qiáng)度正式訓(xùn)練,即按照0坡度、10 m/min,60 min/天,每周6天,連續(xù)訓(xùn)練8周。
所有小鼠禁食過夜。次日以1%的戊巴比妥鈉(50 mg/kg)腹腔注射麻醉,每組隨機(jī)選取6 只小鼠進(jìn)行腦在體固定,腦固定完成后,冰上剝離顱骨,取出腦組織于4%的多聚甲醛固定48 h 以上;另外6 只小鼠冰浴下分離小鼠海馬組織,稱重后分兩管,左側(cè)海馬用于Western blot檢測,右側(cè)海馬用于提取總RNA,用于 RT-PCR 檢測。 ELISA 試劑盒購自 ABclonal(USA),兔抗多克隆抗體 Bcl-2、BDNF、APRP、5-HT購自CUSABIO,PCR mRNA 引物由生工生物工程(上海)股份有限公司設(shè)計(jì)。
1.4.1 海馬組織Nissl 染色 固定好的腦組織石蠟包埋,全自動切片機(jī)下沿冠狀面切出厚度為5 μm 的切片。切片經(jīng)脫蠟、復(fù)水、染色、沖洗、脫水、分色、透明,中性樹膠封片,顯微鏡下觀察海馬神經(jīng)元形態(tài)并拍照。
1.4.2 海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡檢測 實(shí)驗(yàn)選用TUNEL 細(xì)胞凋亡檢測試劑盒檢測海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡。石蠟切片同上,切片二甲苯脫蠟、梯度酒精復(fù)水、蛋白酶K 工作液37 ℃反應(yīng)30 min,PBS漂洗、室溫固定30 min,浸入封閉液室溫封閉10 min,PBS 漂洗后標(biāo)記反應(yīng)。先用TdT 酶反應(yīng)液37 ℃避光反應(yīng)1 h,SSC 室溫15 min終止反應(yīng),PBS 漂洗,浸入0.3% H2O2PBS 中封閉內(nèi)源性過氧化物酶,室溫孵育5 min,PBS 漂洗,Streptavidin-HRP工作液37 ℃反應(yīng)1 h,PBS漂洗后DAB顯色,選擇性進(jìn)行復(fù)染,中性樹膠封片,顯微鏡下觀察計(jì)數(shù)黃褐色陽性細(xì)胞數(shù)。計(jì)數(shù)時每組隨機(jī)選取6只小鼠的切片,每片隨機(jī)選取5個視野計(jì)數(shù)陽性染色細(xì)胞數(shù)。
1.4.3 免疫熒光檢測5-HT、PARP 石蠟切片經(jīng)脫蠟、梯度酒精脫水、抗原修復(fù)、PBST 漂洗,BSA 試劑37 ℃濕盒封閉20 min,抗體染色,4 ℃孵育過夜,一抗對應(yīng)種屬的熒光二抗工作液,室溫避光孵育1 h,滴加含有DAPI 的抗熒光衰減封片劑封片,熒光顯微鏡下觀察。
1.4.4 Western blot檢測Bcl-2、PARP和Caspase-3的蛋白表達(dá) 海馬組織冰上勻漿器勻漿后,4 ℃下12 000 r/min離心15 min,取上清,蛋白裂解液提取總蛋白,酶標(biāo)儀測定蛋白質(zhì)濃度,蛋白濃度定量為2μg/μL。等量蛋白質(zhì)上樣,電泳分離、轉(zhuǎn)膜,3%脫脂牛奶封閉2 h,4 ℃一抗孵育過夜,TBST 漂洗、二抗室溫孵育 1 h,TBST 清晰,ECL曝光顯影。Image J圖像分析,目的蛋白與β-actin內(nèi)參灰度比值測定蛋白水平。
1.4.5 RT-PCR 檢測相關(guān)基因表達(dá) 分離海馬后,冰浴電動勻漿器勻漿裂解白細(xì)胞,苯酚氯仿法提取總RNA,超微量紫外分光光度計(jì)檢測總RNA濃度/純度,Takara 反轉(zhuǎn)錄試劑盒轉(zhuǎn)錄成cDNA,以cDNA 為模板,兩步法RT-PCR檢測海馬組織mRNA的差異表達(dá)。采用2-ΔΔCt法計(jì)算海馬組織基因表達(dá)水平。相關(guān)引物經(jīng)NCBI Blast 基因庫檢索核驗(yàn)后,由生工生物工程(上海)股份有限公司合成、純化。其引物序列見表1。
表1 引物序列Table1 The Gene Primers
采用SPSS20.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件對原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(M±SD)表示,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異性檢驗(yàn)采用ANOVA 方差分析,針對不呈正態(tài)分布的相關(guān)數(shù)據(jù),組間比較采用卡方檢驗(yàn),符合正態(tài)分布的相關(guān)數(shù)據(jù)采用Kruskal-Wallis 檢驗(yàn),P〈0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
與CG 相比MG 小鼠糖水偏好指數(shù)顯著降低(P〈0.01),強(qiáng)迫游泳不動時間明顯延長(P〈0.01);與MG相比,CE 小鼠的糖水偏好指數(shù)顯著升高(P〈0.01),強(qiáng)迫游泳不動時間顯著縮短(P〈0.01)(見表2)。
表2 有氧運(yùn)動干預(yù)CUMS抑郁小鼠神經(jīng)行為學(xué)評定結(jié)果(n=12)Table2 The Evaluation Results of Aerobic Exercise Intervention CUMS Depression Mice Neurobehavioral(n=12)
Nissl 染色的結(jié)果可以看到正常小鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)可見清晰、顆粒狀尼氏體,且神經(jīng)元分布均勻,胞漿飽滿;與CG 相比,MG 小鼠海馬神經(jīng)元排列稀疏,伴有神經(jīng)元丟失,細(xì)胞間隙增寬,尼氏體核固縮、變窄,著色變淺,這與郭純等[27]的研究結(jié)果相似;運(yùn)動干預(yù)后的抑郁小鼠海馬神經(jīng)元數(shù)目增多,雖然仍有核固縮現(xiàn)象,但核固縮現(xiàn)象減少,染色趨于清晰(見圖1)。
圖1 有氧運(yùn)動干預(yù)CUMS抑郁小鼠海馬組織Nissl染色結(jié)果(×400)Figure1 The Nissl Staining Results of Aerobic Exercise Interven‐tion Hippocampus in CUMS Depressed Mice.(×400)
與CG 相比,TUNEL 法細(xì)胞凋亡檢測結(jié)果顯示模型組小鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡數(shù)顯著增加(P〈0.01);與MG 相比,CE 小鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡數(shù)顯著降低(P〈0.05)(見表3)。
表3 有氧運(yùn)動對抑郁模型小鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡的影響(n=6)(×100)Table3 Effect of Aerobic Exercise on Neurons Apoptosis in Hip‐pocampus Area in Mice Model of Depression(n=6)(×100)
免疫熒光檢測結(jié)果顯示,與CG 相比,MG 小鼠海馬5-HT 表達(dá)強(qiáng)度降低(P〈0.05),PARP 表達(dá)強(qiáng)度升高(P〈0.05);與MG 相比,CE 小鼠海馬組織5-HT 表達(dá)強(qiáng)度升高,PARP 表達(dá)強(qiáng)度降低,均呈顯著性差異(P〈0.05)。
與CG 小鼠海馬組織Western blot 的檢測結(jié)果相比,MG 小鼠 Bcl-2 蛋白表達(dá)量顯著下降(P〈0.05),Caspase-3、PARP 蛋白表達(dá)量顯著上升(P〈0.05),有氧運(yùn)動可顯著增加抑郁小鼠海馬的Bcl-2蛋白表達(dá)量(P〈0.01),降低PARP 的蛋白含量(P〈0.05),所不同的是CE 組小鼠海馬組織Caspase-3 的蛋白表達(dá)量雖下降,但沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P〉0.05)(見圖2)。
圖2 有氧運(yùn)動干預(yù)抑郁小鼠海馬組織蛋白含量的檢測分析結(jié)果(蛋白/β-actin,n=6)Figure 2 The Results of Aerobic Exercise Intervention on the Protein Content of Hippocampus in Depressed Mice.(Protein/βactin,n=6)
與 CG 相比,MG 小鼠海馬組織 5-HT、Bcl-2 表達(dá)水平明顯下調(diào)(P〈0.05、P〈0.01),Caspase-3、PARP(P〈0.01)顯著上調(diào)(P〈0.05、P〈0.01);與MG 相比,有氧運(yùn)動干預(yù)后抑郁小鼠海馬組織5-HT 與Bcl-2 表達(dá)明顯上調(diào)(P〈0.01),Caspase-3(P〈0.05)與 PARP(P〈0.01)表達(dá)水平顯著性下調(diào)。
實(shí)驗(yàn)中對造模小鼠采用機(jī)體無外傷性刺激的慢性不可預(yù)見性刺激因素與抑郁癥患者身心疾病的致病過程有較高的形似性,且具有高效、抑郁狀態(tài)持續(xù)時間長等特點(diǎn),成為經(jīng)典的抑郁實(shí)驗(yàn)動物造模方法[28]。本實(shí)驗(yàn)通過28 天的抑郁造模,結(jié)果顯示MG 小鼠糖水偏好指數(shù)顯著下降,強(qiáng)迫游泳不動時間顯著延長,Nissl染色結(jié)果可見明顯的神經(jīng)元萎縮和核固縮現(xiàn)象,5-HT 的蛋白含量和基因表達(dá)量均顯著降低,這與P.W.ANDREWS 等證實(shí)抑郁期間腦細(xì)胞間隙內(nèi)5-HT的低濃度密切相關(guān)[29-30]。提示實(shí)驗(yàn)抑郁造模小鼠的快感缺失,神經(jīng)行為學(xué)和病理學(xué)改變明顯,并伴有抑郁癥患者海馬組織5-HT 顯著下降的典型表現(xiàn),足以證實(shí)抑郁造模效果顯著。5-HT 作為腦內(nèi)的重要神經(jīng)遞質(zhì)[31],廣泛分布于大腦皮層和神經(jīng)突觸內(nèi),為自體活性物質(zhì),可使機(jī)體產(chǎn)生愉悅感,其含量與抑郁病理改變關(guān)系密切[32-33]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,有氧運(yùn)動可提升CUMS 抑郁小鼠糖水偏好指數(shù),改善其快感缺失的抑郁樣行為,縮短強(qiáng)迫游泳的不動時間,增加其求生欲望。有氧運(yùn)動還可以增加CUMS 抑郁小鼠海馬組織5-HT 的蛋白含量,上調(diào)5-HT mRNA 的表達(dá),具有顯著性差異。神經(jīng)元作為神經(jīng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和功能單位,尼氏體是其特征性結(jié)構(gòu)之一,廣泛存在于神經(jīng)元胞體和樹突。Nissl染色結(jié)果顯示,有氧運(yùn)動可改善海馬神經(jīng)元錐體細(xì)胞形態(tài),降低神經(jīng)元萎縮,減少核固縮等病理改變[34]。
本實(shí)驗(yàn)的TUNEL 檢測結(jié)果顯示,MG 較 CG 小鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡顯著增加,這與以往的文獻(xiàn)報(bào)道較為相似[35]。為期8 周的有氧運(yùn)動干預(yù)后,能夠顯著降低抑郁小鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡數(shù)量,雖然與CG 相比,仍具有顯著性差異,但已經(jīng)明顯呈現(xiàn)出較好的恢復(fù)趨勢。相關(guān)研究已經(jīng)顯示,抑郁病理性改變可誘導(dǎo)海馬組織Bcl-2 蛋白含量下降,導(dǎo)致其作為重要的抗凋亡因子和細(xì)胞存活促進(jìn)因子,阻止細(xì)胞色素由線粒體釋放至細(xì)胞質(zhì)的能力下降[36]。Bcl-2可穩(wěn)定線粒體,阻斷內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放鈣離子,調(diào)節(jié)線粒體信號分子的轉(zhuǎn)導(dǎo),中斷DNA 凋亡,保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞免受凋亡損傷[37-38]。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也顯示抑郁小鼠海馬組織Bcl-2 表達(dá)下調(diào),有氧運(yùn)動能顯著上調(diào)Bcl-2 mRNA 表達(dá),改善慢性應(yīng)激性刺激導(dǎo)致的抑郁小鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡,促進(jìn)海馬神經(jīng)細(xì)胞血氧和營養(yǎng)供應(yīng),從而改善抑郁癥狀。
Caspase-3 是介導(dǎo)細(xì)胞凋亡的核心蛋白酶[39],可通過酶解滅活凋亡抑制物、細(xì)胞外基質(zhì)及骨架蛋白,裂解DNA 修復(fù)分子等啟動Caspase 級聯(lián)反應(yīng),誘發(fā)細(xì)胞凋亡[40]。本實(shí)驗(yàn)同其他實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果相似,慢性應(yīng)激抑郁實(shí)驗(yàn)動物海馬組織Caspase-3 蛋白水平升高,基因表達(dá)上調(diào),海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡[41-42]。作為Caspase-3作用底物的PARP 是一種DNA 損傷傳感器,是典型的蛋白質(zhì)翻譯的后修飾酶,對DNA 斷端十分敏感。正常情況下,活性較低的PARP 與DNA 斷裂端關(guān)系密切[43],能識別DNA 缺口并與之結(jié)合到多種核蛋白,比如DNA聚合酶、組蛋白、DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶及轉(zhuǎn)錄因子等,調(diào)節(jié)多種生理過程[44];病理狀態(tài)下,DNA損傷嚴(yán)重時,細(xì)胞內(nèi)PARP 被大量激活,致使多聚ADP 核糖積聚,凋亡誘導(dǎo)因子核轉(zhuǎn)位等一系列病理改變,進(jìn)一步誘導(dǎo)DNA 斷裂,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的發(fā)生。與相關(guān)凋亡、自噬研究的結(jié)果相一致[45],本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)抑郁小鼠海馬組織存在明顯的Caspase-3 及其底物PARP mRNA 表達(dá)上調(diào),促凋亡蛋白含量增加,抗凋亡因子Bcl-2 mRNA 表達(dá)下調(diào),提示CUMS 抑郁刺激因子可誘導(dǎo)小鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡的增加。有氧運(yùn)動能夠通過調(diào)控Bcl-2-Caspase-3/PARP 信號通路上調(diào)抗凋亡因子Bcl-2 表達(dá),下調(diào)Caspase-3 及其下游信號分子PARP的表達(dá),表明系統(tǒng)持續(xù)的規(guī)律運(yùn)動可能是抗抑郁海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡藥物開發(fā)的潛在手段。
本實(shí)驗(yàn)通過神經(jīng)行為學(xué)、病理學(xué)和分子生物學(xué)檢測手段和方法,證實(shí)了有氧運(yùn)動可通過上調(diào)海馬組織抗凋亡因子Bcl-2 和膽堿類神經(jīng)遞質(zhì)5-HT 的表達(dá),下調(diào)Caspase-3 及其底物PARP 的表達(dá),發(fā)揮抗抑郁小鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡的作用,改善小鼠神經(jīng)行為學(xué)功能,其作用可能通過Bcl-2-caspase-3/PRAP 信號通路發(fā)揮抗凋亡作用。該成果可為有氧運(yùn)動成為運(yùn)動治療抑郁癥的輔助手段提供機(jī)制上的實(shí)驗(yàn)證據(jù),并為進(jìn)一步通過多種途徑和技術(shù)方法深入探討有氧運(yùn)動拮抗抑郁海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡的作用機(jī)制提供新的研究思路。