張振忠,蘇 娟,排日罕·艾爾肯,陳淑萍
(1.新疆醫(yī)科大學(xué)第七附屬醫(yī)院麻醉科,烏魯木齊 830000;2.新疆醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院麻醉科,烏魯木齊 830000;3.上海市第六人民醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科,上海 200233)
每年有數(shù)百萬的幼兒在全身麻醉下接受影像學(xué)檢查、外科手術(shù)。氯胺酮以其卓越的鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜優(yōu)勢(shì),在兒科全身麻醉手術(shù)中廣泛應(yīng)用[1]。然而,由于幼兒的各項(xiàng)發(fā)育不成熟,對(duì)麻醉藥的敏感性較高。隨著全身麻醉案例數(shù)量增加,幼兒出現(xiàn)近期或遠(yuǎn)期認(rèn)知功能障礙并發(fā)癥的案例也日漸增多[2]。如何減輕幼兒經(jīng)歷氯胺酮全身麻醉后出現(xiàn)認(rèn)知功能障礙癥狀是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。銀杏二萜內(nèi)酯(diterpene ginkgolides,DG)為銀杏葉提取物中眾多銀杏內(nèi)酯單體混合物。DG具有較好的抗血小板聚集、抗炎和心腦血管活性保護(hù)作用[3-4]。目前,DG已被廣泛應(yīng)用于腦血管疾病,尤其是急性缺血性腦卒中的臨床治療。已有研究結(jié)果顯示,腦卒中患者常出現(xiàn)的血管性癡呆在DG的治療下顯著改善[5]。然而,DG在術(shù)后認(rèn)知功能障礙中的應(yīng)用尚處于前期探索階段。因此,進(jìn)一步探究DG在術(shù)后認(rèn)知功能障礙中的作用和機(jī)制具有重大意義。
50只SD大鼠幼仔,2~3周齡,SPF級(jí),體重30~50 g,由新疆醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供。所有大鼠飼養(yǎng)于SPF級(jí)動(dòng)物房中,飼養(yǎng)室溫度維持在22~24 ℃,12 h/12 h晝夜節(jié)律,保證所有幼鼠食物水源充足且自由攝取。本研究中所有涉及動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)方案均遵循實(shí)驗(yàn)動(dòng)物護(hù)理和使用指南規(guī)定,且本研究實(shí)驗(yàn)方案已獲得新疆醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)的批準(zhǔn),批準(zhǔn)號(hào):XJMU-SAH202004300301。
SA201型Morris水迷宮(江蘇賽昂斯生物技術(shù)公司);VHX-7000型共聚焦顯微鏡(日本Keyence公司);MultiClamp 700B型、MultiClamp 1550B型膜片鉗放大器系統(tǒng)(瑞士Axon公司);Mini-PROTEAN Tetra型電泳儀(美國Bio-rad公司);1600/1600R型凝膠成像顯影儀(上海天能科技有限公司)。
銀杏二萜內(nèi)酯葡胺注射液[江蘇康緣藥業(yè)股份有限公司,批準(zhǔn)文號(hào)為國藥準(zhǔn)字Z20120024,批號(hào)為000409,規(guī)格為每支裝5 mL(含銀杏二萜內(nèi)酯25 mg) ];鹽酸氯胺酮注射液(江蘇恒瑞醫(yī)藥公司,批準(zhǔn)文號(hào)為國藥準(zhǔn)字H32022820,批號(hào)為190826,規(guī)格為2 mL∶ 0.1 g);Hito Golgi-Cox Optimstain Kit高爾基染色試劑盒(美國Hitobiotec公司);切片緩沖液[愛必信(上海)生物科技有限公司];人工腦脊液(ACSF,北京酷來搏生物技術(shù)公司);RIPA裂解液、BCA試劑盒以及β-actin抗體、HRP標(biāo)記山羊抗鼠/兔二抗(上海碧云天生物技術(shù)有限公司);Anti-腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)抗體、Anti-酪氨酸激酶受體B(TrkB)抗體和Anti-突觸后密度蛋白95(PSD-95)抗體(北京博奧森生物技術(shù)有限公司);Anti-活化的半胱氨酸蛋白酶-3(cleaved-caspase-3)抗體、Anti-半胱氨酸蛋白酶-3(caspase-3)抗體、Anti-Bcl-2相關(guān)X蛋白(Bax)和Anti-B細(xì)胞淋巴瘤2(Bcl-2)抗體(美國Proteintech公司);超高敏發(fā)光液(上海天能科技有限公司)。
將所有幼鼠隨機(jī)分為對(duì)照組(Con)、氯胺酮組(Ket)、銀杏二萜內(nèi)酯葡胺低劑量組(DG-L,2.5 mg/kg)、銀杏二萜內(nèi)酯葡胺中劑量組(DG-M,5 mg/kg)和銀杏二萜內(nèi)酯葡胺高劑量組(DG-H,10 mg/kg),每組10只。所有幼鼠分組后,分別腹腔注射DG溶液或0.9%氯化鈉溶液,1日1次,連續(xù)注射7 d。開始水迷宮訓(xùn)練與測(cè)試,共5 d。水迷宮測(cè)試結(jié)束后,所有幼鼠禁食12 h,對(duì)照組幼鼠腹腔注射0.9%氯化鈉溶液,其他各組幼鼠腹腔注射氯胺酮注射液,總劑量100 mg/kg。具體方案:每隔90 min注射1次,1次注射20 mg/kg,共5次。麻醉過程中持續(xù)供氧1.5 L/min,以恒溫毯維持幼鼠體溫在37~38 ℃。隔3 d后,再次開展水迷宮訓(xùn)練與測(cè)試,水迷宮期間持續(xù)給予銀杏二萜內(nèi)酯進(jìn)行治療或0.9%氯化鈉溶液作為對(duì)照。DG給藥時(shí)間共21 d。水迷宮結(jié)束后,以CO2處死幼鼠,部分幼鼠心臟灌流后,取腦組織切片后用于長時(shí)程電位測(cè)試,高爾基染色。部分幼鼠直接取海馬組織,提取蛋白后用于蛋白質(zhì)印跡法檢測(cè)。
1.4.1 Morris水迷宮測(cè)試:Morris水迷宮裝置是一個(gè)直徑1.2 m,深0.5 m的圓形水池。Morris水迷宮軟件將水面分為4個(gè)象限,第I象限設(shè)置1個(gè)低于水面1 cm,直徑12 cm的圓形平臺(tái),水池壁四周貼有不同圖形以幫助幼鼠定位平臺(tái)位置。圓形水池正上方固定1個(gè)攝像機(jī)用于收集幼鼠游泳路徑,攝像機(jī)連接電腦,信號(hào)輸入后以軟件分析幼鼠在水池各個(gè)象限中運(yùn)行線路與時(shí)間。訓(xùn)練期間,將幼鼠依次投入各個(gè)象限中,當(dāng)幼鼠尋找并登上平臺(tái),記錄該時(shí)間為逃避潛伏期,若幼鼠90 s內(nèi)未找到平臺(tái),則引導(dǎo)至平臺(tái)并記錄逃避潛伏期為90 s。訓(xùn)練4 d后,撤去平臺(tái),將幼鼠投入第Ⅲ象限中,記錄90 s內(nèi)幼鼠運(yùn)行軌跡,使用軟件分析獲得幼鼠平均游泳速率、首次到達(dá)平臺(tái)時(shí)間、穿越平臺(tái)次數(shù)和第Ⅰ象限停留時(shí)間。
1.4.2 高爾基染色:根據(jù)試劑盒說明書中操作流程開展高爾基染色。將幼鼠以CO2處死,以預(yù)冷的PBS心臟灌流,再使用4%多聚甲醛固定。取完整腦組織浸泡于試劑盒中的溶液1和溶液2混合液中,4 ℃避光儲(chǔ)存14 d。取出腦組織浸入溶液3中,4 ℃避光儲(chǔ)存48 h后,期間更換1次溶液3。將腦組織放入預(yù)冷的異戊烷中冷凍,擦去組織表面異戊烷。冷凍組織塊后,使用冰凍切片機(jī)切成約10 μm的切片,轉(zhuǎn)移至載玻片上貼片,滴加溶液3浸潤切片。將切片放入溶液4和溶液5混合液中反應(yīng)30 min,以蒸餾水沖洗玻片。將切片放入50%、75%、95%乙醇中脫水,再分別經(jīng)二甲苯Ⅰ與二甲苯Ⅱ透化,使用中性樹膠封片。顯微鏡下捕獲突觸圖像,采用NeuroExplorer軟件進(jìn)行樹突棘密度和長度統(tǒng)計(jì)。
1.4.3 長時(shí)程電位測(cè)試:將幼鼠以CO2處死,立即用預(yù)冷的氧飽和高糖切片緩沖液心臟灌流,取出腦組織,以冷凍包埋液包埋組織后固定于切片機(jī)上,沿冠狀面對(duì)腦組織切片,厚度約10 μm。將切片轉(zhuǎn)移至32 ℃的氧飽和ACSF中備用。取出切片,自穿質(zhì)通路(MPP)插入刺激電極,在海馬 DG區(qū)插入記錄電極,充灌ACSF作為記錄電極內(nèi)液。電極連接MultiClamp 700B型放大器,記錄MPP-DG通路興奮性突觸后電位(EPSP);沿穿質(zhì)通路不斷調(diào)整刺激強(qiáng)度和記錄電極的位置、深度,以0.033 Hz的刺激頻率誘發(fā)場(chǎng)電位(fEPSP)直到記錄典型的場(chǎng)電位波形,然后固定電極與刺激強(qiáng)度。在基線穩(wěn)定記錄20 min后,應(yīng)用高頻刺激誘發(fā)長時(shí)程增強(qiáng)(LTP),連續(xù)20串高頻脈沖,每串包含200個(gè)脈沖,頻率為200 Hz,波寬200 μs,串間隔30 s,高頻刺激連續(xù)記錄60 min。
1.4.4 蛋白質(zhì)印跡法:幼鼠以CO2處死,取海馬組織稱重,以體積∶ 質(zhì)量=4∶ 1加入含PMSF的RIPA裂解液,研磨成細(xì)胞懸液,靜置30 min使蛋白完全裂解。離心(12 000 r/min,20 min)后取上清液,以BCA試劑盒檢測(cè)蛋白濃度,加入5×上樣緩沖液。取十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)凝膠,每個(gè)樣品孔中加入約10 μg各組蛋白樣品與5 μL的預(yù)染蛋白Marker,開始SDS-PAGE凝膠電泳,條件為恒壓60 V/30 min,120 V/60 min,0 ℃冰水浴。當(dāng)上樣緩沖液到達(dá)凝膠底部時(shí),終止電泳,根據(jù)預(yù)染蛋白Marker截取目標(biāo)蛋白條帶。以濕法轉(zhuǎn)膜法將凝膠上蛋白轉(zhuǎn)移至PVDF膜上,條件為恒流2 mA/60 min,0 ℃冰水浴。當(dāng)轉(zhuǎn)膜結(jié)束,以4%脫脂牛奶封閉PVDF膜,避免抗體非特異性結(jié)合。PBST清洗條帶后,再以目標(biāo)蛋白抗體(1∶ 1 000)稀釋液孵育PVDF膜,4 ℃過夜。次日,取出PVDF膜,PBST清洗條帶后,使用HRP-IgG二抗稀釋液室溫(25 ℃)孵育2 h。PBST清洗條帶后,將超高敏發(fā)光液滴加的PVDF膜上,在凝膠成像顯影儀下顯影獲得目的蛋白條帶。
Morris水迷宮測(cè)試顯示,麻醉前,如圖1所示,訓(xùn)練期間,各組小鼠逃避潛伏期隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加而逐漸縮短,測(cè)試期間,各組小鼠游泳速率、首次達(dá)到平臺(tái)時(shí)間、第Ⅰ象限停留時(shí)間占比和穿越平臺(tái)次數(shù)沒有差異。麻醉后,如圖2所示,訓(xùn)練期間,與Con組相比,Ket組幼鼠逃避潛伏期顯著延長;與Ket組相比,DG-M與DG-H組小鼠在第3、4日逃避潛伏期顯著縮短,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。測(cè)試期間,各組幼鼠的游泳速率無差異;然而,與Con組相比,Ket組幼鼠首次達(dá)到平臺(tái)時(shí)間顯著延長,第Ⅰ象限停留時(shí)間占比顯著減少,穿越平臺(tái)次數(shù)顯著減少,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);與Ket組相比,DG-M與DG-H組幼鼠首次達(dá)到平臺(tái)時(shí)間顯著縮短,第Ⅰ象限停留時(shí)間占比顯著增加,穿越平臺(tái)次數(shù)顯著增加,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
與Con組相比,#P<0.05;與Ket組相比,*P<0.05vs. the Con group,#P<0.05;vs. the Ket group,*P<0.05圖1 五組幼鼠麻醉前后水迷宮訓(xùn)練期逃避潛伏期比較(n=10)Fig 1 Comparison of escape latency of 5 groups of immature rats in the water maze training period before and after anesthesia (n=10)
與Con組相比,#P<0.05;與Ket組相比,*P<0.05vs. the Con group,#P<0.05;vs. the Ket group,*P<0.05圖2 五組幼鼠麻醉前后水迷宮測(cè)試期游泳速率、首次到達(dá)平臺(tái)時(shí)間、第Ⅰ象限時(shí)間占比和穿越平臺(tái)時(shí)間比較(n=10)Fig 2 Comparison of swimming speed,duration to reach the platform,time spend in the first quadrant,and time of platform crossing in each group of 5 groups of immature rats before and after anesthesia in the water maze test period (n=10)
幼鼠腦組織海馬區(qū)樹突棘結(jié)構(gòu)的高爾基染色結(jié)果與量化統(tǒng)計(jì)見圖3。結(jié)果顯示,Con組幼鼠海馬區(qū)神經(jīng)元樹突棘密集;與Con組相比,Ket組幼鼠海馬區(qū)神經(jīng)元樹突棘密度和樹突棘長度降低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);與Ket組相比,DG-L組幼鼠海馬區(qū)神經(jīng)元樹突棘密度和長度沒有改變,而DG-L組幼鼠海馬區(qū)神經(jīng)元樹突棘密度和長度顯著增加,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
與Con組相比,#P<0.05;與Ket組相比,*P<0.05vs. the Con group,#P<0.05;vs. the Ket group,*P<0.05圖3 五組幼鼠樹突棘密度和長度比較(n=3)Fig 3 Comparison of density and length of mediated dendritic spines of 5 groups of immature rats (n=3)
長時(shí)程電位檢測(cè)結(jié)果見圖4。結(jié)果顯示,與Con組相比,Ket組幼鼠大腦MPP-DG通路的fEPSP斜率顯著降低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);與Ket組相比,DG-L組幼鼠fEPSP斜率沒有改變,而DG-M與DG-H組幼鼠fEPSP斜率顯著升高,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
與Con組相比,#P<0.05;與Ket組相比,*P<0.05vs. the Con group,#P<0.05;vs. the Ket group,*P<0.05圖4 五組幼鼠海馬區(qū)神經(jīng)元fEPSP水平比較(n=3)Fig 4 Comparison of fEPSP levels in hippocampal neurons of of 5 groups of immature rats (n=3)
蛋白質(zhì)印跡法結(jié)果見圖5。結(jié)果顯示,與Con組相比,Ket組幼鼠海馬組織中BDNF、TrkB和PSD-95表達(dá)顯著降低,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);與Ket組相比,DG-L組幼鼠海馬組織中BDNF、TrkB和PSD-95表達(dá)沒有改變,而DG-M、DG-H組幼鼠海馬組織中BDNF、TrkB和PSD-95表達(dá)顯著升高,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
與Con組相比,#P<0.05;與Ket組相比,*P<0.05vs. the Con group,#P<0.05;vs. the Ket group,*P<0.05圖5 五組幼鼠海馬中BDNF、TrkB和PSD-95表達(dá)比較(n=3)Fig 5 Comparison of expression of BDNF,TrkB and PSD-95 in the hippocampus of 5 groups of immature rats (n=3)
蛋白質(zhì)印跡法結(jié)果見圖6。結(jié)果顯示,與Con組相比,Ket組幼鼠海馬組織中cleaved-caspase-3和Bax表達(dá)顯著升高,而Bcl-2表達(dá)顯著降低,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);與Ket組相比,DG-L組幼鼠海馬組織中cleaved-caspase-3和Bax表達(dá)降低,但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),且Bcl-2沒有改變;與Ket組相比,DG-M與DG-H組幼鼠海馬組織中cleaved-caspase-3和Bax表達(dá)顯著降低,而Bcl-2表達(dá)顯著升高,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
與Con組相比,#P<0.05;與Ket組相比,*P<0.05vs. the Con group,#P<0.05;vs. the Ket group,*P<0.05圖6 五組幼鼠海馬中caspase-3、Bax和Bcl-2表達(dá)比較(n=3)Fig 6 Comparison of expression of caspase-3,Bax and Bcl-2 in the hippocampus of 5 groups of immature rats (n=3)
Morris水迷宮是利用嚙齒類動(dòng)物會(huì)游泳且厭水的特征作為驅(qū)動(dòng)力,強(qiáng)迫其找到隱藏在水下的逃生平臺(tái),從而逃離水環(huán)境并形成穩(wěn)定的記憶[6]。由于幼鼠入水時(shí)位置與平臺(tái)位置并無關(guān)聯(lián),必須通過多次訓(xùn)練尋找水面下的隱藏平臺(tái),從而強(qiáng)化記憶。后期的空間探索測(cè)試中,撤去逃生平臺(tái),記錄幼鼠利用外周環(huán)境尋找逃生平臺(tái)的行為,評(píng)價(jià)幼鼠空間記憶的牢固程度。本研究結(jié)果顯示,對(duì)照組幼鼠逃避潛伏期的不斷縮短,穿越平臺(tái)次數(shù)的增加,代表幼鼠逐漸牢固的空間記憶,反映了較優(yōu)的認(rèn)知功能[7]。然而,氯胺酮麻醉造成幼鼠逃避潛伏期延長,穿越平臺(tái)次數(shù)減少,提示氯胺酮誘導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)毒性,導(dǎo)致幼鼠出現(xiàn)不同程度的認(rèn)知功能障礙。中、高劑量DG治療則有效地改善了幼鼠的認(rèn)知功能。
突觸可塑性指突觸基于樹突棘結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不斷變化的傳遞效能,與個(gè)體的學(xué)習(xí)和記憶能力相關(guān),樹突棘數(shù)量、密度和長度的變化可直觀反映突觸可塑性變化[8]。哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中多數(shù)興奮性突觸位于樹突棘上,樹突棘負(fù)責(zé)接收來自興奮性突觸的輸入,對(duì)于記憶的形成和儲(chǔ)存至關(guān)重要[9]。在多數(shù)老齡阿爾茲海默病模型大鼠腦中,都可見明顯的樹突棘萎縮[10]。而新生幼鼠中則可見不斷豐滿與增殖的樹突棘結(jié)構(gòu)[11]。本研究結(jié)果顯示,氯胺酮造成幼鼠海馬區(qū)神經(jīng)元樹突棘的密度、長度較Con組顯著減少。此外,本研究結(jié)果顯示,與Ket組相比,中劑量和高劑量DG干預(yù)的幼鼠神經(jīng)元樹突棘密度增加,且神經(jīng)元長度顯著增長。fEPSP反映了突觸后神經(jīng)信號(hào)傳遞的強(qiáng)度變化,被視為形成學(xué)習(xí)和記憶的神經(jīng)元基礎(chǔ)的潛在功能機(jī)制[12]。本研究,fEPSP結(jié)果與幼鼠樹突棘密度和長度變化呈正相關(guān),且反映了幼鼠Morris水迷宮結(jié)果。
海馬是涉及空間學(xué)習(xí)與記憶的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)[13]。BDNF與其高親和力受體TrkB在海馬內(nèi)有著較高的表達(dá),與神經(jīng)發(fā)育、突觸發(fā)生和學(xué)習(xí)記憶緊密相關(guān)[14]。BDNF在發(fā)育中的嚙齒動(dòng)物腦中與麻醉劑引起的神經(jīng)毒性或神經(jīng)元凋亡有關(guān)[15]。在發(fā)育階段或成年期大鼠腦中以基因技術(shù)編碼降低BDNF表達(dá)可能導(dǎo)致突觸功能障礙,降低神經(jīng)可塑性,并損害記憶形成[16]。而BDNF表達(dá)升高則有助于增加興奮性突觸的數(shù)量,調(diào)節(jié)軸突形態(tài),直接促進(jìn)突觸形成,參與LTP,與學(xué)習(xí)和記憶有關(guān)[17]。在反復(fù)應(yīng)激誘導(dǎo)的抑郁樣行為大鼠腦中,可見明顯BDNF、TrkB的mRNA和蛋白表達(dá)水平降低,造成大鼠記憶功能損傷[18]。另外,PSD-95是一種興奮性突觸后信號(hào)傳導(dǎo)和整合的關(guān)鍵分子,是位于中樞神經(jīng)系統(tǒng)突觸后膜的特殊結(jié)構(gòu)[19]。本研究中,PSD-95的表達(dá)降低與突觸數(shù)量減少或突觸丟失相關(guān),反映了突觸信號(hào)傳遞的阻滯,影響到fEPSP水平[20]。當(dāng)氯胺酮全身麻醉時(shí),幼鼠海馬組織中BDNF、TrkB和PSD-95蛋白表達(dá)水平顯著降低,且cleaved-caspase-3和Bax表達(dá)升高,而Bcl-2表達(dá)降低。因此,氯胺酮會(huì)引起神經(jīng)毒性,損害神經(jīng)元發(fā)育并影響幼鼠海馬體的突觸形成,最終導(dǎo)致幼鼠認(rèn)知功能受損。而中、高劑量DG的給藥能夠顯著上調(diào)幼鼠腦組織中BDNF、TrkB和PSD-95蛋白表達(dá)水平,抑制cleaved-caspase-3和Bax表達(dá),促進(jìn)突觸的形成。
綜上所述,在與認(rèn)知功能密切相關(guān)的突觸結(jié)構(gòu)中,給予DG能夠逆轉(zhuǎn)氯胺酮造成的損傷。其可能機(jī)制為通過上調(diào)BDNF、TrkB和PSD-95表達(dá),抑制cleaved-caspase-3和Bax表達(dá),維持樹突棘的狀態(tài),促進(jìn)突觸的形成,最終改善幼鼠的認(rèn)知功能。