殷藝娜,馬敏,??裕子穹?,芮琳琳,褚國(guó)強(qiáng)
(1.南京醫(yī)科大學(xué)附屬常州婦幼保健院 麻醉科,江蘇 常州213003;2.南通大學(xué)附屬醫(yī)院麻醉科,江蘇 南通226001;3.南京醫(yī)科大學(xué)附屬常州婦幼保健院 保健科,江蘇 常州213003)
氯胺酮作為N-甲基-D-天冬氨酸受體的非競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑,因其獨(dú)特的麻醉特性,被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)科和小兒外科的手術(shù)麻醉[1]。嬰幼兒神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育期是神經(jīng)系統(tǒng)最脆弱、最容易受到損害的時(shí)期,全身麻醉藥物是否影響患兒的大腦發(fā)育及學(xué)習(xí)記憶功能一直是臨床及科研工作者關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。以往對(duì)于氯胺酮致發(fā)育期神經(jīng)毒性的研究主要集中在神經(jīng)元凋亡、神經(jīng)炎癥等方面[3],對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞在其中發(fā)揮的作用研究較少。因此,本研究旨在進(jìn)一步探究氯胺酮致發(fā)育期神經(jīng)毒性作用機(jī)制是否與小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育及功能改變有關(guān),以期為氯胺酮致發(fā)育期神經(jīng)毒性作用機(jī)制研究提供新思路。
成年昆明小鼠置于室溫(25±1)℃、濕度20%~30%的動(dòng)物房中分籠飼養(yǎng),12 h 晝/夜循環(huán)照明,自由攝食、攝水。適應(yīng)性飼養(yǎng)1周,每天下午4:00~6:00 按照雌雄比例2∶1~3∶1 合籠交配,使母鼠受孕,合籠后第2~6 天上午檢查陰道栓子有無(wú)脫落。母鼠受孕后陰道口可見(jiàn)乳白色陰道栓,此時(shí)記為孕0.5(E0.5)。孕鼠自然分娩即新生小鼠出生當(dāng)日記為P0,新生小鼠斷奶前(出生后21~24 d)母鼠喂養(yǎng),斷奶后普通飼料喂養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生產(chǎn)許可證號(hào):SCXK(蘇)2017-0007,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用許可證號(hào)SYXK(蘇)2017-0044。本動(dòng)物實(shí)驗(yàn)經(jīng)南京醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)審批通過(guò)。
將出生后6 d(P6)的同窩昆明小鼠按隨機(jī)數(shù)字表法分為對(duì)照組和氯胺酮組,每組36只。兩組采用腹腔注射給藥方式,氯胺酮單次給藥劑量為80 mg/kg,對(duì)照組每次注射與氯胺酮組等體積的生理鹽水。兩組每天下午2:00 注射1 次,連續(xù)注射5 d。兩組動(dòng)物每次注射完畢后,分別放入單獨(dú)鼠籠中,各項(xiàng)操作輕柔,密切注意小鼠皮膚顏色變化,防止發(fā)生低氧血癥,待小鼠翻正反射恢復(fù)后放回原來(lái)的鼠籠。
鹽酸氯胺酮注射液(福建古田藥業(yè)有限公司),0.9%氯化鈉注射液(石家莊四藥有限公司),羊Iba1多克隆抗體(美國(guó)Abcam 公司),Alexa Flour 546 驢抗山羊IgG(美國(guó)Invitrogen 公司),兔CX3CR1 單克隆抗體(美國(guó)Abcam 公司),鼠β-actin 多克隆抗體(美國(guó)Santa Cruz 公司)。Morris 水迷宮(上海吉量軟件科技公司),ChemiDocTM XRS + 凝膠成像儀(美國(guó)Bio-Rad 公司),冷凍切片機(jī)(德國(guó)Leica 公司),顯微照相系統(tǒng)(日本Olympus公司)。
1.4.1 水迷宮測(cè)試 兩組小鼠給藥1 個(gè)月和2 個(gè)月后分別取20 只行Morris 水迷宮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在直徑100 cm、水深40 cm 的圓形水池中進(jìn)行,水溫維持在(20±1)℃。將直徑6 cm 的圓形平臺(tái)放入目標(biāo)象限,并隱匿于水面下1 cm 處。實(shí)驗(yàn)前1 d,將小鼠放入迷宮水池中自由游行1 min,使其適應(yīng)水池及周圍環(huán)境。前期訓(xùn)練共持續(xù)5 d,自第1 天起,每天下午2:00 開(kāi)始訓(xùn)練,將小鼠頭朝向水池壁,從第一象限開(kāi)始,依次從4 個(gè)象限的入水點(diǎn)放入水中,記錄小鼠入水至爬上平臺(tái)所需時(shí)間,即逃避潛伏期;若小鼠60 s 未爬上平臺(tái)統(tǒng)一按照60 s 計(jì)算,并由實(shí)驗(yàn)者將其引導(dǎo)上平臺(tái)并停留15 s,反映被測(cè)小鼠的學(xué)習(xí)能力。第6 天進(jìn)行定向航行實(shí)驗(yàn),將小鼠于平臺(tái)對(duì)側(cè)象限入水點(diǎn)放入水中,記錄小鼠入水到爬上平臺(tái)所需時(shí)間;若小鼠60 s 內(nèi)未爬上平臺(tái)則統(tǒng)一按照60 s 計(jì)算。然后撤去平臺(tái),將小鼠于平臺(tái)對(duì)側(cè)象限入水點(diǎn)放入水中,記錄小鼠在60 s內(nèi)搜索平臺(tái)的路線圖、目的象限停留時(shí)間及穿臺(tái)次數(shù),反映小鼠學(xué)會(huì)尋找平臺(tái)后,對(duì)平臺(tái)的空間位置記憶能力。
1.4.2 免疫熒光染色 選取P11、P16、P21、P35、P67 小鼠各8 只,腹腔注射水合氯醛350 mg/kg 麻醉,固定四肢,開(kāi)胸暴露心臟,由左心室心尖部插入頭皮針至升主動(dòng)脈,剪開(kāi)右心耳,快速灌注肝素、生理鹽水,直至肝臟變白,右心耳流出的液體透明,再以4%多聚甲醛灌注,直至下肢、鼠尾變硬,隨即斷頭、取腦。將全部腦組織置于4℃、4%多聚甲醛固定24 h 后取出,置于30%蔗糖脫水,直至組織沉底。用濾紙吸干腦組織表面水分,放入包埋劑內(nèi),置于-20℃冷凍切片機(jī)中速凍60 min,調(diào)整切片厚度為40 μm,采取冠狀位連續(xù)切片,以海馬前聯(lián)合為標(biāo)記點(diǎn),采用Iba1 對(duì)小鼠海馬齒狀回小膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記。順序選取其后第6~15 張含海馬區(qū)切片,置于0.01 mol/L PBS 液內(nèi)備用。將腦組織切片用0.01 mol/L PBS 搖床洗滌3 次,5 min/次;3%BSA 常溫封閉1 h。一抗孵育:羊源DCX(1∶200,0.4 % PBST 稀釋)4℃搖床孵育24 h;0.01 mol/L PBS搖床洗滌3 次,5 min/次;二抗孵育:Alexa Flour 546 標(biāo)記的驢抗山羊IgG(1∶200,0.4%PBST 稀釋)室溫避光孵育2 h;0.01 mol/L PBS 搖床洗滌3 次,5 min/次,進(jìn)行貼片并晾干切片,全程避光;每張載玻片上均勻滴入DAPI 染液100 μl,染色10 min后PBS 沖洗并晾干,全程避光;防淬滅封片劑封片,置于FV1000 激光共聚焦顯微鏡下,用Olympus Fluoview Ver.4.2a 軟件觀察和拍片,在Image-Pro Plus 軟件下手動(dòng)計(jì)數(shù)細(xì)胞,計(jì)算每個(gè)20 倍物鏡視野下(620 μm×620 μm)海馬齒狀回區(qū)域Iba1 陽(yáng)性細(xì)胞數(shù),并計(jì)算每平方毫米Iba1 陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)。計(jì)數(shù)過(guò)程中采用盲法,圖像分析軟件的分析參數(shù)一致。
1.4.3 Western blotting檢測(cè)CX3CR1蛋白 小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育、成熟過(guò)程中受許多因素影響,CX3CR1是小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育、成熟過(guò)程中的“特征”因子[4-5]。選取P11、P16、P21、P35、P67 小鼠各8只,直接斷頭后置于冰上取腦,迅速分離出雙側(cè)海馬組織,分別取RIPA 蛋白裂解液和100 mmol/L PMSF蛋白酶抑制劑,按照100∶1 比例混合。稱取組織重量,按照每100 mg 組織加入100 μl 蛋白裂解液的比例加入適量裂解液,在冰上進(jìn)行組織勻漿。4℃、12 000 r/min 離心15 min,取上清液。BCA 法測(cè)定樣本蛋白濃度后,各組用裂解液配平。加入5×上樣緩沖液,沸水變性5 min。各組取等量樣本蛋白在12% SDS-PAGE 凝膠系統(tǒng)上樣,先恒壓80 V至溴酚藍(lán)跑到濃縮膠與分離膠分界處,再恒壓120 V使溴酚藍(lán)跑至底部。跑完電泳后,進(jìn)行半干轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)膜結(jié)束后,搖床上溫和振蕩,3% BSA 常溫封閉2 h,加入一抗4 ℃孵育過(guò)夜。復(fù)溫后Washing Buffer 洗滌3 次,5 min/次,加入辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記二抗,搖床上溫和振蕩,常溫孵育2 h。Washing Buffer 洗滌3 次,5 min/次。膜上滴適量ECL 發(fā)光液,將膜放入凝膠成像儀,采用化學(xué)發(fā)光法檢測(cè)并采集圖像。用Image J 圖像分析軟件對(duì)所得條帶進(jìn)行光密度掃描,各組CX3CR1 蛋白條帶光密度值與內(nèi)參蛋白光密度值的比值為CX3CR1 蛋白相對(duì)表達(dá)量。
數(shù)據(jù)分析采用SPSS 16.0 和Graph Pad Prism 6 統(tǒng)計(jì)軟件。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,用t檢驗(yàn)或重復(fù)測(cè)量設(shè)計(jì)的方差分析,進(jìn)一步兩兩比較用LSD-t檢驗(yàn)。P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
氯胺酮組與對(duì)照組學(xué)齡期小鼠訓(xùn)練前第1 天、第2 天、第3 天、第4 天、第5 天逃避潛伏期比較,采用重復(fù)測(cè)量設(shè)計(jì)的方差分析,結(jié)果:①不同時(shí)間點(diǎn)學(xué)齡期小鼠逃避潛伏期有差異(F=34.213,P=0.000)。②氯胺酮組與對(duì)照組學(xué)齡期小鼠逃避潛伏期有差異(F=19.856,P=0.000);氯胺酮組與對(duì)照組相比逃避潛伏期較長(zhǎng)(P<0.05),多次氯胺酮麻醉可能導(dǎo)致學(xué)齡期小鼠學(xué)習(xí)記憶功能障礙。③兩組學(xué)齡期小鼠逃避潛伏期變化趨勢(shì)有差異(F=12.436,P=0.000)。見(jiàn)表1。
表1 兩組學(xué)齡期小鼠不同時(shí)間點(diǎn)的逃避潛伏期變化(n=20,s,±s)
組別對(duì)照組氯胺酮組t 值P 值第1天41.7±7.8 43.9±5.4 1.037 0.304第2天33.4±10.3 39.9±7.7 2.260 0.030第3天29.5±8.8 38.2±7.4 3.384 0.002第4天24.5±8.8 33.2±7.4 3.384 0.002第5天20.7±7.4 30.7±10.1 3.572 0.001
在第6 天的空間探索實(shí)驗(yàn)中,氯胺酮組與對(duì)照組學(xué)齡期小鼠60 s 內(nèi)穿臺(tái)次數(shù)、目的象限活動(dòng)時(shí)間占比比較,經(jīng)t檢驗(yàn),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),對(duì)照組高于氯胺酮組。見(jiàn)表2。
表2 兩組學(xué)齡期小鼠60 s內(nèi)穿臺(tái)次數(shù)和目的象限活動(dòng)時(shí)間比較 (n=20,±s)
表2 兩組學(xué)齡期小鼠60 s內(nèi)穿臺(tái)次數(shù)和目的象限活動(dòng)時(shí)間比較 (n=20,±s)
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氯胺酮組與對(duì)照組成年小鼠訓(xùn)練前第1 天、第2 天、第3 天、第4 天、第5 天逃避潛伏期比較,采用重復(fù)測(cè)量設(shè)計(jì)的方差分析,結(jié)果:①不同時(shí)間點(diǎn)成年小鼠逃避潛伏期有差異(F=41.527,P=0.000)。②氯胺酮組與對(duì)照組成年小鼠逃避潛伏期有差異(F=21.365,P=0.000);氯胺酮組與對(duì)照組相比逃避潛伏期較長(zhǎng)(P<0.05),多次氯胺酮麻醉可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)記憶功能障礙。③兩組成年小鼠逃避潛伏期變化趨勢(shì)有差異(F=17.548,P=0.000)。見(jiàn)表3。
表3 兩組成年小鼠不同時(shí)間點(diǎn)的逃避潛伏期變化 (n=20,s,±s)
表3 兩組成年小鼠不同時(shí)間點(diǎn)的逃避潛伏期變化 (n=20,s,±s)
組別對(duì)照組氯胺酮組t 值P 值第1天43.1±7.1 45.2±9.3 0.803 0.440第2天34.6±10.1 38.9±10.1 1.346 0.190第3天26.5±10.0 34.4±6.9 2.908 0.006第4天24.8±6.4 33.4±9.1 3.457 0.001第5天18.6±7.0 30.4±12.5 3.683 0.001
在第6 天的空間探索實(shí)驗(yàn)中,氯胺酮組與對(duì)照組成年小鼠60 s 內(nèi)穿臺(tái)次數(shù)、目的象限活動(dòng)時(shí)間占比比較,經(jīng)t檢驗(yàn),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),對(duì)照組高于氯胺酮組。見(jiàn)表4。
表4 兩組成年小鼠60 s內(nèi)穿臺(tái)次數(shù)和目的象限活動(dòng)時(shí)間占比比較 (n=20,±s)
表4 兩組成年小鼠60 s內(nèi)穿臺(tái)次數(shù)和目的象限活動(dòng)時(shí)間占比比較 (n=20,±s)
組別對(duì)照組氯胺酮組t值P值穿臺(tái)次數(shù)2.7±1.3 1.7±1.1 2.626 0.011目的象限活動(dòng)時(shí)間占比/%27.2±11.1 21.3±6.7 2.035 0.049
氯胺酮組與對(duì)照組P11、P16、P21、P35、P67小鼠海馬齒狀回小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)比較,經(jīng)t檢驗(yàn),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),對(duì)照組均多于氯胺酮組。見(jiàn)表5 和圖1。
圖1 兩組不同階段小鼠海馬齒狀回小膠質(zhì)細(xì)胞 (免疫熒光染色×20)
表5 兩組不同階段小鼠海馬齒狀回小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)比較 (n=8,個(gè)/mm2,±s)
表5 兩組不同階段小鼠海馬齒狀回小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)比較 (n=8,個(gè)/mm2,±s)
組別對(duì)照組氯胺酮組t 值P 值P11 255.8±17.2 237.2±17.1 3.068 0.004 P16 277.3±15.5 256.6±18.9 3.387 0.002 P21 236.1±21.2 210.9±22.6 3.353 0.003 P35 205.5±12.5 194.5±15.3 2.227 0.033 P67 199.1±14.0 185.9±15.1 2.564 0.016
氯胺酮組與對(duì)照組P11、P16、P21、P35、P67小鼠雙側(cè)海馬組織CX3CR1 蛋白相對(duì)表達(dá)量比較,經(jīng)t檢驗(yàn),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),對(duì)照組高于氯胺酮組。見(jiàn)表6 和圖2。
圖2 兩組不同階段小鼠雙側(cè)海馬組織CX3CR1蛋白相對(duì)表達(dá)量變化 (n=8,±s)
表6 兩組不同階段小鼠雙側(cè)海馬組織CX3CR1蛋白相對(duì)表達(dá)量比較 (n=8,±s)
表6 兩組不同階段小鼠雙側(cè)海馬組織CX3CR1蛋白相對(duì)表達(dá)量比較 (n=8,±s)
組別對(duì)照組氯胺酮組t 值P 值P11 0.75±0.17 0.55±0.17 2.353 0.033 P16 1.05±0.11 0.85±0.12 3.475 0.004 P21 0.83±0.14 0.64±0.10 3.124 0.007 P35 0.94±0.16 0.73±0.21 2.250 0.038 P67 0.70±0.12 0.53±0.16 2.404 0.029
嬰幼兒階段是神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的高峰期和敏感期,與成人相比更易受到麻醉藥物的損害[6]。嚙齒類動(dòng)物與靈長(zhǎng)類動(dòng)物的研究表明,氯胺酮的大劑量使用或者持續(xù)暴露可以誘導(dǎo)發(fā)育期大腦神經(jīng)細(xì)胞變性和凋亡,導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙[7-8]。因此,有人認(rèn)為氯胺酮只有在作用時(shí)間足夠長(zhǎng),濃度足夠大時(shí)才會(huì)引起神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和認(rèn)知功能損害[7]。
有研究顯示,小鼠氯胺酮產(chǎn)生麻醉狀態(tài)的半數(shù)有效量是80 mg/kg[9-10],據(jù)此筆者進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn),最終確定氯胺酮腹腔注射麻醉劑量為80 mg/kg。嬰幼兒神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育期是神經(jīng)系統(tǒng)最脆弱、最容易受到損害的時(shí)期,故本研究中氯胺酮的給藥時(shí)段設(shè)在大腦發(fā)育高峰期及小膠質(zhì)細(xì)胞增殖、發(fā)育高峰時(shí)期,約出生后2 周左右[11]。前期預(yù)實(shí)驗(yàn)選擇出生后6 d 小鼠腹腔注射氯胺酮80 mg/(kg·d)或同等體積生理鹽水,并分設(shè)連續(xù)給藥1 次、3 次和5 次實(shí)驗(yàn)組,以確定腹腔注射氯胺酮80 mg/(kg·d)劑量下,給藥次數(shù)對(duì)小鼠遠(yuǎn)期認(rèn)知功能的影響。選取出生后6 d 小鼠1 次或連續(xù)3 次給藥,1 個(gè)月后Morris 水迷宮實(shí)驗(yàn)檢測(cè)兩組小鼠逃避潛伏期、穿臺(tái)次數(shù)、目的象限活動(dòng)時(shí)間占比等無(wú)差異,說(shuō)明新生期小鼠氯胺酮1 次或連續(xù)3 次暴露不足以造成長(zhǎng)期空間學(xué)習(xí)記憶功能改變。由此本研究最終確定采用新生期小鼠連續(xù)5 次氯胺酮麻醉這一實(shí)驗(yàn)劑量。
小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中重要的免疫效應(yīng)細(xì)胞,對(duì)于維持大腦內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定發(fā)揮了不可替代的作用[12],如參與調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、促進(jìn)神經(jīng)環(huán)路形成、影響神經(jīng)元活動(dòng)、清除病原體及吞噬凋亡的神經(jīng)元[13]等。關(guān)于全身麻醉藥物對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量、形態(tài)及功能的影響目前還沒(méi)有明確結(jié)論。有研究顯示,中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后,腦組織內(nèi)炎癥因子明顯增加,小膠質(zhì)細(xì)胞持續(xù)活化,促使小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬增加,加快了突觸退化和過(guò)度萎縮,導(dǎo)致小鼠認(rèn)知障礙[14]。有趣的是,景勝等[15]的研究表明,出生后7 d 小鼠腹腔注射丙泊酚后海馬齒狀回小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)減少并且抑制了小膠質(zhì)細(xì)胞活化,這與SHEN 等[16]的結(jié)果相反。筆者猜測(cè)這些研究結(jié)果相反可能與藥物、劑量、實(shí)驗(yàn)?zāi)P筒煌嘘P(guān)。本研究結(jié)果顯示,新生期小鼠5 次氯胺酮麻醉后,P11、P16、P21、P35、P67 小鼠海馬齒狀回Iba1 陽(yáng)性標(biāo)記的小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)明顯減少,推測(cè)氯胺酮神經(jīng)毒性可能抑制了小膠質(zhì)細(xì)胞增殖。
CX3CR1 是趨化因子CX3CL1 的受體,在腦內(nèi)的特異性由小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)[4-5]。CX3CR1 不僅影響發(fā)育期小膠質(zhì)細(xì)胞的分化成熟,對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)及功能的維持也具有重要作用[17]。此外,CX3CL1/CX3CR1 也是神經(jīng)元與小膠質(zhì)細(xì)胞之間重要的信號(hào)傳導(dǎo)通路,參與調(diào)節(jié)機(jī)體許多生理過(guò)程,包括維持神經(jīng)元存活、突觸連接的成熟、突觸傳遞及可塑性調(diào)節(jié)等[18-19]。有研究表明,成年小鼠敲除CX3CR1基因后,海馬區(qū)小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量減少,突觸修剪被推遲,這種突觸修剪作用的缺陷會(huì)造成樹(shù)突棘增多,認(rèn)知功能受損,提示小膠質(zhì)細(xì)胞減少可能通過(guò)CX3CL1/CX3CR1 信號(hào)通路導(dǎo)致突觸發(fā)育異常及認(rèn)知功能障礙[20]。本研究發(fā)現(xiàn),P6 小鼠多次氯胺酮麻醉后海馬齒狀回區(qū)域Iba1 標(biāo)記的小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)減少,且海馬區(qū)CX3CR1 蛋白相對(duì)表達(dá)量減少。筆者推測(cè)小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育抑制,導(dǎo)致CX3CR1 蛋白相對(duì)表達(dá)量減少,相關(guān)信號(hào)通路異常,最終影響認(rèn)知功能。
綜上所述,新生期小鼠多次氯胺酮麻醉致其學(xué)齡期及成年后認(rèn)知功能障礙,海馬齒狀回小膠質(zhì)細(xì)胞和海馬區(qū)CX3CR1 蛋白相對(duì)表達(dá)量減少對(duì)其有促進(jìn)作用。這為下一步麻醉藥的神經(jīng)毒性研究提供了新方向,也為麻醉藥物在發(fā)育期的安全應(yīng)用提供一些指導(dǎo)。