盧田甜,張 耀,梁 彬,劉 敏,陳秀靈,賈雁平
(1.??谑袐D幼保健院新生兒科,海南 ???570203;2.??谑腥嗣襻t(yī)院兒科,海南 ???570208)
缺氧缺血性腦損傷(hypoxic ischemic brain injury,HIBI)是造成新生兒永久性神經(jīng)系統(tǒng)損傷和死亡的主要原因之一[1]。研究顯示:0.1%~0.2% 的新生兒出現(xiàn)由于圍生期窒息引起的HIBI,死亡率高達(dá)20%,而40%的幸存者出現(xiàn)智力障礙、腦癱、癲癇等嚴(yán)重并發(fā)癥[2]。目前研究報道的HIBI 發(fā)生可能與炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、能量耗竭、鈣離子超載等多種病理生理機(jī)制相關(guān),但仍未有統(tǒng)一的定論。腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)是一種神經(jīng)營養(yǎng)因子,酪氨酸蛋白激酶B(TrKB)是BDNF 的特異功能受體,二者相互結(jié)合具有促進(jìn)HIBI 后腦組織的修復(fù)及再生的作用[3]。環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)可以誘導(dǎo)BDNF 的基因轉(zhuǎn)錄進(jìn)而調(diào)節(jié)其表達(dá),與HIBI 后神經(jīng)元的再生、修復(fù)等生理過程[4]?;诖耍狙芯恳訦IBI 幼鼠為研究對象,以BDNF/TrkB/CREB 通路為作用靶點(diǎn),探索其在HIBI 發(fā)病中的作用,為臨床防治HIBI提供參考。
新生7 日齡Wistar 幼鼠95 只,體重(13.6 ±1.7)g,雌雄各半,由湖北醫(yī)藥學(xué)院實驗動物中心提供,實驗動物合格證號SCXK(鄂)2018-0005。本研究所使用的實驗動物均遵守海南醫(yī)學(xué)院倫理委員會標(biāo)準(zhǔn),在實驗過程中盡可能使動物在舒適的環(huán)境中完成,手術(shù)麻醉、給藥時嚴(yán)格規(guī)范操作以減輕實驗動物的痛苦,實驗結(jié)束后動物采用安樂死的手段處死,并委托學(xué)校動物管理中心處理所有動物尸體。
原位末端轉(zhuǎn)移酶標(biāo)記(TUNEL)檢測試劑盒(美 國Roche 公 司);2,3,5-氯 化 三 苯 基 四 氮 唑(TTC)試劑盒(美國Sigma 公司);BDNF、TrkB、CREB 慢病毒載體及空載體(上海吉凱基因化學(xué)技術(shù)有限公司);BCA 蛋白定量試劑盒、蛋白提取試劑(美國Thermo 公司);BDNF、TrkB、CREB、β-actin抗體(美國Proteintech 公司)。
參照Rice-Vannucci 經(jīng)典方法復(fù)制新生幼鼠HIBI 模型[5]。幼鼠乙醚吸入麻醉,消毒后固定于手術(shù)臺,分離左側(cè)頸總動脈,結(jié)扎兩端,中間剪斷,縫合皮膚,放入裝有母鼠糞便的墊料中2 h,然后置于含92% N2+ 8% O2混合氣體的有機(jī)玻璃箱缺氧處理2 h,記錄幼鼠一般行為。幼鼠出現(xiàn)自發(fā)向左轉(zhuǎn)圈或夾尾尖叫證明模型復(fù)制成功,將幼鼠重新放回籠中母乳喂養(yǎng)。假手術(shù)組僅分離左側(cè)頸總動脈,不進(jìn)行結(jié)扎和缺氧,縫合后放回籠中母乳飼養(yǎng)。
取10 只假手術(shù)組幼鼠作為對照1 組,另外取10只HIBI 模型幼鼠,檢測幼鼠學(xué)習(xí)記憶能力、腦組織損傷及海馬組織中BDNF、TrkB、CREB 蛋白的表達(dá)。取15 只假手術(shù)組幼鼠作為對照2 組,另外取60只HIBI 模型幼鼠分為陰性對照(NC)組、BDNF 過表達(dá)(LV-BDNF)組、TrkB 過表達(dá)(LV-TrkB)組、CREB 過 表 達(dá)(LV-CREB)組,每 組 15 只。LV-BDNF 組、LV-TrkB 組、LV-CREB 組分別 通過尾靜脈注射滴度為1.7×109TU/mL 的BDNF 慢病毒 載 體5×107TU,滴 度 為2.1×109TU/mL 的TrkB 慢病毒載體1×107TU,滴度為1.4×109TU/mL)的CREB 慢病毒載體5×106TU,NC 組尾靜脈注射滴度為2×109TU/mL 的空慢病毒載體1×106TU;每4 周1 次,連續(xù)2 次,8 周后結(jié)束實驗。檢測幼鼠學(xué)習(xí)記憶能力、腦組織損傷、海馬神經(jīng)元凋亡情況及Bcl-2、Bax、NF-κB 蛋白表達(dá)。
Y-迷宮是一個底部可以通電的三等臂式反射箱,每臂端有一個信號燈,燈亮?xí)r為此臂安全未通電,另兩臂通電(電壓為50~70 V,強(qiáng)度為能使小鼠產(chǎn)生逃避行為)。實驗時隨機(jī)變更安全區(qū),電擊幼鼠后以其立即逃避到安全區(qū)為一次正確反應(yīng),連續(xù)9 次正確反應(yīng)為學(xué)會,每次電擊持續(xù)5 s。記錄幼鼠學(xué)會所進(jìn)行的訓(xùn)練次數(shù),次數(shù)越少表示學(xué)習(xí)能力越好[6]。電擊實驗結(jié)束24 h 后檢測記憶力,總共進(jìn)行20 次,記憶能力為正確反應(yīng)次數(shù)占總檢測次數(shù)的百分比。
每組隨機(jī)取5 只幼鼠,斷頭處死,取出腦組織,置于0.15 mol/L 磷酸緩沖鹽溶液,4 ℃冷凍5 min,間隔2 mm 冠狀切片,切片浸入5 mL 含1% 的TTC 磷酸鹽緩沖液,37 ℃避光孵育0.5 h,TTC 染色后,紅色表示正常腦組織,白色表示梗死組織,取出腦片,放入10% 福爾馬林中固定,逐層拍照,用Imagepro Plus 圖像分析軟件處理并統(tǒng)計,計算每層梗死面積,乘以層面為腦梗死體積。
每組隨機(jī)取5 只幼鼠斷頭處死,無菌條件分離海馬組織,4% 多聚甲醛固定,乙醇脫水,常規(guī)石蠟包埋,冠狀切片,厚3~5 μm,烤片、脫蠟、乙醇水合,蛋白酶k 消化30 min,PBS 洗滌3 次,加入TUNEL反應(yīng)液,置于37 ℃暗溫盒60 min,蘇木素復(fù)染、乙醇脫水、二甲苯透明封片。每張切片選取5 個不重復(fù)視野,計數(shù)TUNEL 陽性神經(jīng)元,取平均值。
每組隨機(jī)取5 只幼鼠幼仔斷頭處死,低溫下取幼鼠左側(cè)海馬組織,加入RIPA 充分裂解,12 000 r/min 低溫離心15 min,取上清液,用BCA 法測定上清液中蛋白含量,取40 μg 蛋白,加入緩沖液變性,電泳、轉(zhuǎn)膜、封閉、加入一抗BDNF、TrkB、CREB、Bcl-2、Bax、NF-κB、β-actin,4 ℃孵育過夜,TBST 洗滌,加入二抗,室溫孵育2 h,TBST 洗滌,用ECL化學(xué)發(fā)光試劑顯色后,化學(xué)發(fā)光儀成像。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 17.0 軟件包,計量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,兩組間比較采用t檢驗,多組間差異比較采用單因素方差分析(One-way ANOVA),P<0.05 為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。
與對照1 組幼鼠比較,HIBI 組幼鼠學(xué)習(xí)能力及記憶力測試正確反應(yīng)率明顯降低,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。見表1。
表1 造模后幼鼠學(xué)習(xí)能力及記憶力測試正確反應(yīng)率(%,n=10,±s)Tab 1 Correct response rate of learning ability and memory test in young rats after modeling(%,n=10,±s)
表1 造模后幼鼠學(xué)習(xí)能力及記憶力測試正確反應(yīng)率(%,n=10,±s)Tab 1 Correct response rate of learning ability and memory test in young rats after modeling(%,n=10,±s)
注:與對照1 組比較,#P<0.01。
組別對照1 組HIBI 組記憶能力68.00±7.02 27.33±5.30#7.638 0.004 tP學(xué)習(xí)能力71.52±8.01 29.66±1.66#9.126 0.000 6
與對照1 組比較,HIBI 組幼鼠腦組織梗死體積明顯增加,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。見表2。
表2 造模后幼鼠腦組織梗死體積(n=5,±s)Tab 2 Infarct volume of brain tissue in young rats after modeling(n=5,±s)
表2 造模后幼鼠腦組織梗死體積(n=5,±s)Tab 2 Infarct volume of brain tissue in young rats after modeling(n=5,±s)
注:與對照1 組比較,#P<0.01。
腦組織梗死體積(mm3)0.59±0.03 6.64±0.59#11.719 0.0001組別對照1 組HIBI 組tP
與對照1 組幼鼠比較,HIBI 組幼鼠海馬組織中BDNF、TrkB 明顯升高,CREB 表達(dá)明顯降低,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。見表3。
表3 造模后幼鼠海馬組織BDNF、TrkB、CREB 蛋白表達(dá)(n=5,±s)Tab 3 Expression of BDNF,TrkB and CREB proteins in the hippocampus of young rats after modeling(n=5,±s)
表3 造模后幼鼠海馬組織BDNF、TrkB、CREB 蛋白表達(dá)(n=5,±s)Tab 3 Expression of BDNF,TrkB and CREB proteins in the hippocampus of young rats after modeling(n=5,±s)
注:與對照1 組比較,#P<0.01。
組別對照1 組HIBI 組CREB 0.81±0.03 0.38±0.04#8.824 0.002 tP BDNF 0.63±0.03 0.88±0.05#6.682 0.006 TrkB 0.52±0.02 0.78±0.06#5.467 0.004
憶能力的影響
與對照2 組比較,NC 組幼鼠學(xué)習(xí)及記憶力測試正確反應(yīng)率明顯降低,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01);與NC 組幼鼠比較,LV-BDNF 組、LV-TrkB組、LV-CREB 組幼鼠學(xué)習(xí)及記憶力測試正確反應(yīng)率明顯升高,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。見表4。
表4 調(diào)節(jié)BDNF、TrkB、CREB 表達(dá)后幼鼠學(xué)習(xí)能力及記憶力測試正確反應(yīng)率(%,n=15,±s)Tab 4 Learning ability and correct response rate of memory test in young rats after regulation of BDNF,TrkB and CREB expression(%,n=15,±s)
表4 調(diào)節(jié)BDNF、TrkB、CREB 表達(dá)后幼鼠學(xué)習(xí)能力及記憶力測試正確反應(yīng)率(%,n=15,±s)Tab 4 Learning ability and correct response rate of memory test in young rats after regulation of BDNF,TrkB and CREB expression(%,n=15,±s)
注:與對照2 組比較,#P<0.01;與NC 組比較,*P<0.01。
記憶力69.67±6.40 28.33±4.88#57.33±6.78*48.67±7.43*54.33±6.23*9.987 0.002組別對照2 組NC 組LV-BDNF 組LV-TrkB 組LV-CREB 組FP學(xué)習(xí)能力73.23±7.31 33.01±3.48#62.35±5.29*49.95±4.09*57.44±3.85*11.256 0.0004
與對照2 組比較,NC 組幼鼠腦組織梗死體積顯明顯增加,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01);與NC組幼鼠比較,LV-BDNF 組、LV-TrkB 組、LV-CREB組幼鼠腦組織梗死體積明顯減小,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。見表5。
表5 調(diào)節(jié)BDNF、TrkB、CREB 表達(dá)后幼鼠腦組織梗死體積(n=5,±s)Tab 5 Infarct volume in young rat brain tissue after regulation of BDNF,TrkB and CREB expression(n=5,±s)
表5 調(diào)節(jié)BDNF、TrkB、CREB 表達(dá)后幼鼠腦組織梗死體積(n=5,±s)Tab 5 Infarct volume in young rat brain tissue after regulation of BDNF,TrkB and CREB expression(n=5,±s)
注:與對照2 組比較,#P<0.01;與NC 組比較,*P<0.01。
腦組織梗死體積(mm3)0.55±0.03 6.68±0.59#1.14±0.15*1.62±0.13*1.24±0.22*13.156 0.003組別對照2 組NC 組LV-BDNF 組LV-TrkB 組LV-CREB 組FP
與對照2 組比較,NC 組幼鼠海馬區(qū)TUNEL 陽性細(xì)胞數(shù)明顯增加,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01);與NC 組幼鼠比較,LV-BDNF 組、LV-TrkB組、LV-CREB 組幼鼠海馬區(qū)TUNEL 陽性細(xì)胞數(shù)明顯減少,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。見表6和圖1。
表6 調(diào)節(jié)BDNF、TrkB、CREB 表達(dá)后幼鼠海馬組織神經(jīng)元凋亡情況(個,n=5,±s)Tab 6 The apoptosis of hippocampal neurons in young rats after regulation of BDNF,TrkB and CREB expression(n=5,±s)
表6 調(diào)節(jié)BDNF、TrkB、CREB 表達(dá)后幼鼠海馬組織神經(jīng)元凋亡情況(個,n=5,±s)Tab 6 The apoptosis of hippocampal neurons in young rats after regulation of BDNF,TrkB and CREB expression(n=5,±s)
注:與對照2 組比較,#P<0.01;與NC 組比較,*P<0.01。
TUNEL 陽性細(xì)胞數(shù)2.40±0.55 116.40±10.57#47.60±5.22*58.80±5.76*51.40±3.05*14.965 0.0008組別對照2 組NC 組LV-BDNF 組LV-TrkB 組LV-CREB 組FP
圖1 調(diào)節(jié)BDNF、TrkB、CREB 表達(dá)后幼鼠海馬組織神經(jīng)元凋亡情況(×100)Fig 1 The apoptosis of hippocampal neurons in young rats after regulation of BDNF,TrkB and CREB expression(×100)
與對照2 組比較,NC 組幼鼠海馬組織中促凋亡蛋白Bax、NF-κB 蛋白表達(dá)明顯增強(qiáng)(P<0.05),而抑凋亡蛋白Bcl-2 蛋白表達(dá)明顯降低(P<0.05)。與NC 組 比 較,LV-BDNF 組、LV-TrkB 組、LV-CREB組幼鼠海馬組織中Bax、NF-κB 蛋白表達(dá)明顯降低(P<0.05),Bcl-2 蛋白表達(dá)明顯增強(qiáng)(P<0.05)。見表7。
表7 調(diào)節(jié)BDNF、TrkB、CREB 表達(dá)后幼鼠海馬組織Bcl-2、Bax及NF-κB 蛋白表達(dá)(n=5,±s)Tab 7 Bcl-2,Bax and NF-κB protein expression in hippocampal tissue of young rats after regulation of BDNF,TrkB and CREB expression(n=5,±s)
表7 調(diào)節(jié)BDNF、TrkB、CREB 表達(dá)后幼鼠海馬組織Bcl-2、Bax及NF-κB 蛋白表達(dá)(n=5,±s)Tab 7 Bcl-2,Bax and NF-κB protein expression in hippocampal tissue of young rats after regulation of BDNF,TrkB and CREB expression(n=5,±s)
注:與對照2 組比較,#P<0.01;與NC 組比較,*P<0.01。
組別對照2 組NC 組LV-BDNF 組LV-TrkB 組LV-CREB 組NF-κB 0.91±0.06 2.21±0.11#1.44±0.08*1.36±0.06*1.25±0.07*15.015 0.0002 FP Bcl-2 0.85±0.05 0.25±0.05#0.59±0.05*0.69±0.06*0.61±0.04*9.987 0.005 Bax 0.69±0.04 1.67±0.09#0.95±0.06*0.85±0.08*0.82±0.06*12.365 0.0007
大鼠出生時的生理組織狀態(tài)相當(dāng)于人類新生兒的早產(chǎn)階段,但其出生后腦組織的發(fā)育速度比人類新生兒快很多,7 日齡大鼠細(xì)胞增殖分化程度和腦室周圍生發(fā)基質(zhì)情況基本與新生兒相當(dāng)。目前缺血缺氧腦損傷模型的制備方法最經(jīng)典的即為Rice 改良方法,其操作簡單且成功率較高,時間和癥狀程度易掌握且組織病理改變明顯,因此,本實驗選擇7 日齡幼鼠,采用Rice 改良法復(fù)制新生幼鼠HIBI 模型。海馬是HIBI 模型對損傷最敏感的部位,研究顯示,缺血缺氧可造成新生幼鼠海馬區(qū)神經(jīng)元的大量凋亡[7,8]。經(jīng)過TTC 染色發(fā)現(xiàn)模型組幼鼠大腦皮層、海馬等區(qū)域有大片明顯的白色梗死區(qū)域,梗死體積明顯增加,提示實驗?zāi)P蛷?fù)制成功。有研究報道,HIBI 對幼鼠海馬區(qū)影響較大的是CA1 區(qū)的機(jī)體認(rèn)知和神經(jīng)元功能[9,10]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)HIBI 幼鼠學(xué)習(xí)能力、記憶能力明顯減弱,與文獻(xiàn)報道一致。綜上可知,HIBI 可以誘導(dǎo)新生幼鼠海馬組織神經(jīng)元凋亡,進(jìn)而促使大鼠學(xué)習(xí)、記憶能力下降。
BDNF 屬神經(jīng)營養(yǎng)因子家族成員,廣泛存在于腦組織,在海馬區(qū)含量較多,可促進(jìn)神經(jīng)元生殖、發(fā)育、分化、再生,增強(qiáng)中樞神經(jīng)的營養(yǎng)支持、保護(hù)及功能的表達(dá)[11],在缺血缺氧應(yīng)激刺激下,高表達(dá)的BDNF 具有保護(hù)神經(jīng)元的作用。有研究顯示:對HIBI 新生大鼠側(cè)腦室注射BDNF 可以明顯抑制海馬CA1 區(qū) 神經(jīng)元死亡[12]。TrkB 是BDNF 的特異性受體,可以傳遞信號,反應(yīng)性引起細(xì)胞內(nèi)各信號通路的活化,促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育、損傷后的修復(fù)以及再生[13]。當(dāng)HIBI 發(fā)生后,BDNF、TrkB 蛋白在受損區(qū)高度表達(dá),二者大量結(jié)合可以促使CREB 的活化,維持神經(jīng)細(xì)胞存活并促進(jìn)其修復(fù)[14,15]。李亞琴等[16]研究顯示,HIBI 小鼠過表達(dá)BDNF 后,腦組織中TrkBmRNA 和蛋白表達(dá)增強(qiáng),加強(qiáng)神經(jīng)細(xì)胞的修復(fù)作用。CREB 是一種重要的轉(zhuǎn)錄因子核蛋白,能夠通過Ca2+途徑、調(diào)控一些營養(yǎng)因子表達(dá)等調(diào)節(jié)BDNF 的表達(dá),抑制神經(jīng)元凋亡等[17]。本研究發(fā)現(xiàn),模型組幼鼠海馬區(qū)CREB 蛋白表達(dá)明顯降低,BDNF、TrkB 蛋白表達(dá)明顯升高。為進(jìn)一步探討其發(fā)生機(jī)制,本研究采用尾靜脈注射BDNF、TrkB、CREB 慢病毒載體的方法對幼鼠進(jìn)行干預(yù),結(jié)果顯示,過表達(dá)BDNF、TrkB、CREB 后,幼鼠學(xué)習(xí)能力、記憶能力明顯增強(qiáng),腦組織梗死體積明顯縮小,TUNEL 陽性細(xì)胞數(shù)明顯減少,說明幼鼠神經(jīng)元功能、機(jī)體認(rèn)知功能得到改善。
Bcl-2 是一種重要的抗凋亡基因,研究證實,Bcl-2 表達(dá)下調(diào)會導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[18,19]。Rousset 等[20]研究發(fā)現(xiàn),缺血缺氧可以促進(jìn)Bax 從抗凋亡因子復(fù)合體中釋放出來,從而進(jìn)入線粒體激活細(xì)胞凋亡的發(fā)。NF-κB 是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中一個重要的免疫應(yīng)答因子,參與調(diào)控細(xì)胞免疫應(yīng)答、細(xì)胞增殖、細(xì)胞凋亡等多種細(xì)胞應(yīng)激行為,NF-κB 可以通過調(diào)控抗凋亡因子、凋亡誘導(dǎo)配體等的表達(dá)或信號傳遞,促進(jìn)細(xì)胞凋亡的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn),新生大鼠缺血缺氧后,腦部NF-κB 表達(dá)量將會上調(diào),抑制NF-κB 可以有效降低HIBI 大鼠神經(jīng)元凋亡水平[21]。本研究檢測幼鼠海馬組織中Bcl-2、Bax 及NF-κB 蛋白表達(dá),結(jié)果發(fā)現(xiàn)模型組幼鼠Bax、NF-κB 蛋白表達(dá)明顯升高,Bcl-2 蛋白表達(dá)明顯降低,說明HIBI 能引起海馬組織神經(jīng)細(xì)胞凋亡的發(fā)生,與文獻(xiàn)報道一致;而過表達(dá)BDNF、TrkB、CREB 組幼鼠Bax、NF-κB 蛋白表達(dá)明顯降低,Bcl-2 蛋白表達(dá)明顯升高,表明調(diào)節(jié)BDNF、TrkB、CREB 表達(dá)可能是通過調(diào)節(jié)凋亡蛋白等表達(dá)抑制神經(jīng)細(xì)胞的凋亡,改善模型幼鼠腦組織損傷病變的。
綜上所述,HIBI 模型幼鼠存在BDNF、TrkB、CREB 表達(dá)異常,過表達(dá)BDNF、TrkB、CREB 可以改善幼鼠學(xué)習(xí)記憶能力,修復(fù)腦組織損傷,抑制海馬區(qū)細(xì)胞凋亡,因此,HIBI 的發(fā)生機(jī)制可能與BDNF、TrkB、CREB 途徑有關(guān)。
作者貢獻(xiàn)度說明:
盧田甜:實驗設(shè)計、實驗操作、指標(biāo)檢測,撰寫論文;張耀、梁彬:協(xié)助實驗造模、指標(biāo)檢測;劉敏、陳秀靈:收集數(shù)據(jù),統(tǒng)計分析;賈雁平:實驗指導(dǎo)、論文修改、審閱。
本文所有作者聲明無任何利益沖突。