朱夢(mèng)姚 ,袁海陽(yáng) ,王祎 ,郭自賀 ,貢岳松,
1.南京中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院,江蘇 南京 210023; 2.江蘇鵬鷂藥業(yè)新藥創(chuàng)新中心,江蘇 宜興 214205
糖尿病主要特征為高血糖,認(rèn)知功能障礙是其常見的神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥之一,常見記憶力減退、認(rèn)知功能障礙等癥狀,因此被認(rèn)為是阿爾茨海默病(AD)的危險(xiǎn)因素之一[1]。高血糖能改變成年大鼠海馬區(qū)的能量代謝,改變幼鼠海馬區(qū)乳酸動(dòng)態(tài)平衡和谷氨酸/谷氨酰胺循環(huán),使樹突結(jié)構(gòu)異常,從而引起長(zhǎng)期認(rèn)知缺陷[2]。
四物湯是補(bǔ)血養(yǎng)血的經(jīng)典方劑,最早見于《仙授理傷續(xù)斷秘方》。該方由熟地黃、當(dāng)歸、白芍和川芎組成,具有補(bǔ)血而不滯血、行血而不傷血的特點(diǎn)。中醫(yī)學(xué)認(rèn)為,血是神志活動(dòng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是認(rèn)知、學(xué)習(xí)記憶的重要載體。血脈充盈、血行有度是學(xué)習(xí)記憶的生理基礎(chǔ);血虛、血瘀導(dǎo)致的血不養(yǎng)神是學(xué)習(xí)記憶損傷的基本病機(jī)[3]。臨床研究顯示,四物湯結(jié)合中醫(yī)辨證治療老年糖尿病具有良好療效[4]。藥理研究表明,四物湯能改善缺鐵性貧血幼鼠學(xué)習(xí)記憶能力[5],提高血管性癡呆大鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力[6]。此外,四物湯及組方中藥的有效成分具有雌激素樣、抗氧化、抗凋亡和改善腦損傷等多種藥理作用[7]。但關(guān)于四物湯對(duì)糖代謝異常引起的學(xué)習(xí)記憶損傷是否有改善作用尚不明確。因此,本實(shí)驗(yàn)通過(guò)尾靜脈注射鏈脲佐菌素(STZ)建立糖尿病小鼠模型,觀察四物湯對(duì)糖尿病小鼠學(xué)習(xí)記憶能力的影響,探討其改善學(xué)習(xí)記憶損傷的機(jī)制,為治療糖尿病認(rèn)知功能障礙提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
SPF級(jí)雄性ICR小鼠55只,28~34日齡,浙江維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司提供,動(dòng)物許可證號(hào)SCXK(浙)2019-0001。飼養(yǎng)于溫度20~22 ℃、相對(duì)濕度50%~55%環(huán)境,自由攝食飲水,晝夜交替12 h。本實(shí)驗(yàn)經(jīng)南京中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)審批(202206A071)。
熟地黃、當(dāng)歸、白芍、川芎飲片,南京同仁堂有限公司提供,經(jīng)南京中醫(yī)藥大學(xué)吳啟南教授鑒定,符合2020年版《中華人民共和國(guó)藥典》規(guī)定。STZ(貨號(hào)V900890),美國(guó)Sigma公司;腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)ELISA試劑盒(貨號(hào)ZC-38512),上海茁彩;PBS(貨號(hào)G4202)、HE染色液(貨號(hào)G1005)、尼氏染液(貨號(hào)G1036),武漢賽維爾生物;PMSF(貨號(hào)ST506)、BCA蛋白濃度測(cè)定試劑盒(貨號(hào)P0010),上海碧云天;脫脂奶粉(貨號(hào)1172GR500),德國(guó)BioFroxx;RIPA裂解液(貨號(hào)FD009)、蛋白酶磷酸酶抑制劑(貨號(hào)FD1002)、GAPDH 抗體(貨號(hào)FD0063),杭州弗德生物;PSD95抗體(貨號(hào)3409S)、NR1抗體(貨號(hào)5704S),美國(guó)CST公司;Shank3抗體(貨號(hào)sc-377470),美國(guó)Santa Cruz公司;NR2B抗體(貨號(hào)21920-1-AP),美國(guó)Proteintech;HRP標(biāo)記山羊抗兔IgG(貨號(hào)BL003A)、HRP標(biāo)記山羊抗小鼠IgG(貨號(hào)BL001A),安徽Biosharp。
GA-3型血糖儀及配套血糖試紙(三諾生物傳感股份有限公司),Infinite 200 Pro酶標(biāo)儀(美國(guó)TECAN公司),Ⅸ73型倒置熒光顯微鏡(日本Olympus公司),Morris水迷宮視頻分析系統(tǒng)(安徽正華生物儀器設(shè)備有限公司),Microfuge 20R 型微量冷凍高速離心機(jī)(美國(guó)Beckman Coulter公司),Bisafer900-92超聲波細(xì)胞粉碎儀(美國(guó)賽飛公司),EPS300 電泳儀、5200 Multi凝膠成像系統(tǒng)(上海天能科技有限公司)。
熟地黃、當(dāng)歸、白芍、川芎按15∶10∶10∶6比例混合,共150 g,加水浸泡30 min,用5 倍量水煎煮2 次,第1 次武火20 min、文火40 min,第2 次武火20 min,文火20 min,合并2次煎液,離心,收集上清液,濃縮至約300 mL,置于-20 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
小鼠適應(yīng)性飼養(yǎng)1周后,隨機(jī)分為空白對(duì)照組13只及模型組、四物湯低劑量組和四物湯高劑量組各14只。稱取一定量STZ粉末置于EP管中,用預(yù)冷的0.1 mol/L檸檬酸鈉緩沖液(pH 4.5)溶解,避光配制STZ溶液(現(xiàn)用現(xiàn)配)。除空白對(duì)照組外,其余各組采用單次尾靜脈注射STZ 180 mg/kg造模。觀察小鼠食量、尿量及飲水情況,造模后3、5 d檢測(cè)小鼠空腹血糖,以空腹血糖≥11.1 mmol/L且出現(xiàn)多食、多飲、多尿小鼠為糖尿病小鼠[8]。小鼠成模率97.6%(41/42),每組隨機(jī)選取12只,于造模成功后開始給藥,按《太平惠民和劑局方》記載用量(每劑9 g)的2、4倍等效劑量,四物湯低、高劑量組分別予2.5、5 g/kg四物湯藥液灌胃,灌胃體積10 mL/kg,空白對(duì)照組和模型組灌胃等量蒸餾水,連續(xù)40 d。給藥結(jié)束后,模型組1只小鼠死亡、1只狀態(tài)較差,因此最終每組統(tǒng)一保留10只小鼠。
分別于給藥第7、21、35、40日檢測(cè)小鼠體質(zhì)量和血糖水平,給藥第40日進(jìn)行糖耐量實(shí)驗(yàn)。各組小鼠禁食6 h后,灌胃葡萄糖2 g/kg,體積0.1 mL/kg,尾尖采血檢測(cè)并記錄灌胃葡萄糖0、0.5、1、2 h的血糖,計(jì)算曲線下面積(AUC)。AUC=(0 h血糖+0.5 h血糖)×0.5÷2+(0.5 h血糖+1 h血糖)×0.5÷2+(1 h血糖+2 h血糖)÷2。
Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)共5 d,前4 d為訓(xùn)練期,第5日為實(shí)驗(yàn)期。前4 d每只小鼠從4個(gè)象限各學(xué)習(xí)1次,每次1 min,1 min內(nèi)小鼠若找到水下平臺(tái)則進(jìn)行下一只,若未找到平臺(tái),則引導(dǎo)小鼠找到平臺(tái),并停留10 s。第5日,將小鼠隨機(jī)從某一象限放入水中,記錄小鼠1 min內(nèi)找到平臺(tái)所需的時(shí)間,即為逃避潛伏期。
水迷宮實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,小鼠腹腔注射3%戊巴比妥鈉麻醉,暴露心臟,預(yù)冷PBS進(jìn)行心臟灌注,至小鼠臟器膨大、顏色變淺,冰上快速分離海馬組織,一部分放入凍存管內(nèi),-80 ℃冰箱保存,另一部分放入4%多聚甲醛固定液固定,4 ℃冰箱保存。
取海馬組織,稱重后將組織剪碎,按1∶9(W/V)加入PBS,超聲細(xì)胞粉碎儀破碎1 min(360 W,工作2 s、間歇3 s),勻漿液4 ℃、5 000×g離心10 min,收集上清液。按ELISA試劑盒說(shuō)明書步驟檢測(cè)海馬組織BDNF含量。
海馬組織固定24 h以上,常規(guī)脫水、透明、包埋、切片,按照以下步驟進(jìn)行HE染色和尼氏染色。HE染色:脫蠟、蘇木素染色、分化、返藍(lán)、伊紅染色、透明、分化;尼氏染色:脫蠟、尼氏染色、分化、終止分化、烤干、封片。染色結(jié)束后,將載玻片置于倒置顯微鏡下觀察海馬區(qū)神經(jīng)元形態(tài),并拍照記錄。
取海馬組織置于EP管中,將組織剪碎,加入RIPA裂解液100 μL(含1 mmol/L PMSF),按1∶100加入蛋白酶磷酸酶抑制劑混勻,超聲細(xì)胞粉碎儀破碎1 min,4 ℃、12 000×g離心15 min,收集上清液,BCA法測(cè)定蛋白濃度。制膠,上樣(25 μg),電泳,轉(zhuǎn)膜,封閉,加 入 一 抗(GAPDH 1∶8 000、PSD95 1∶4 000、Shank3 1∶1 000、NR1 1∶2 000、NR2B 1∶3 000),4 ℃孵育過(guò)夜,洗膜,加入二抗,孵育1 h,曝光,顯影。以GAPDH為內(nèi)參,計(jì)算目的蛋白相對(duì)灰度值。
采用GraphPad Prism 8.0.1統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。計(jì)量資料以±s表示,組間比較采用t檢驗(yàn),多組間比較采用方差分析。P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
給藥前及給藥過(guò)程中,模型組和四物湯低、高劑量組小鼠體質(zhì)量差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。給藥第21日和35日,與空白對(duì)照組比較,模型組小鼠血糖明顯升高(P<0.001);與模型組比較,四物湯高劑量組小鼠血糖明顯下降(P<0.001)。隨著給藥時(shí)間延長(zhǎng),四物湯低劑量組小鼠血糖有下降趨勢(shì),給藥第35日和40日明顯降低(P<0.001,P<0.05)。與空白對(duì)照組比較,模型組小鼠血糖AUC明顯升高(P<0.001);與模型組比較,四物湯低劑量組小鼠血糖AUC明顯降低(P<0.05)。見圖1。
圖1 各組小鼠體質(zhì)量、血糖和血糖AUC比較(±s,每組10只)
Morris水迷宮結(jié)果顯示,與空白對(duì)照組比較,第3日開始模型組小鼠逃避潛伏期明顯延長(zhǎng)(P<0.05);與模型組比較,第4日開始四物湯低、高劑量組小鼠逃避潛伏期明顯縮短(P<0.05)。見圖2。
圖2 各組小鼠Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)逃避潛伏期比較(±s,每組10只)
與空白對(duì)照組比較,模型組小鼠海馬組織BDNF含量有降低趨勢(shì),但差異無(wú)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);與模型組比較,四物湯低、高劑量組BDNF含量有升高趨勢(shì),但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見圖3。
圖3 各組小鼠海馬組織BDNF含量比較(±s,每組5只)
空白對(duì)照組小鼠海馬CA1區(qū)神經(jīng)元細(xì)胞核淡染,細(xì)胞飽滿、排列緊密,尼氏體大且數(shù)量多,染色清晰;模型組小鼠海馬CA1區(qū)神經(jīng)元出現(xiàn)明顯核固縮,細(xì)胞核深染,細(xì)胞排列散亂,細(xì)胞間隙增大,區(qū)域間界限模糊,尼氏體小且數(shù)量少,染色模糊;四物湯低、高劑量組小鼠海馬CA1區(qū)可見細(xì)胞排列緊密,細(xì)胞核著色淺,尼氏體數(shù)量顯著增多。見圖4。
圖4 各組小鼠海馬CA1區(qū)神經(jīng)元形態(tài)(×200)
與空白對(duì)照組比較,模型組小鼠海馬組織突觸相關(guān)蛋白PSD95、Shank3、NR1和NR2B表達(dá)明顯降低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01,P<0.001)。與模型組比較,四物湯低劑量組NR1和NR2B蛋白表達(dá)明顯升高(P<0.01,P<0.05),四物湯高劑量組Shank3、NR1和NR2B蛋白表達(dá)明顯升高(P<0.05,P<0.01),PSD95蛋白表達(dá)有升高趨勢(shì),但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見圖5、表1。
表1 各組小鼠海馬組織PSD95、Shank3、NR1和NR2B蛋白表達(dá)比較(±s)
表1 各組小鼠海馬組織PSD95、Shank3、NR1和NR2B蛋白表達(dá)比較(±s)
注:與空白對(duì)照組比較,**P<0.01,***P<0.001;與模型組比較,#P<0.05,##P<0.01
組別空白對(duì)照組模型組四物湯低劑量組四物湯高劑量組NR2B 1.00±0.10 0.63±0.14***0.86±0.08#0.94±0.06##只數(shù)4 4 4 4 PSD95 1.01±0.12 0.75±0.06**0.89±0.10 0.85±0.11 Shank3 0.92±0.07 0.54±0.07***0.71±0.12 0.75±0.14#NR1 1.06±0.06 0.46±0.18***0.98±0.25##0.95±0.04##
圖5 各組小鼠海馬組織PSD95、Shank3、NR1和NR2B蛋白免疫印跡
認(rèn)知功能障礙屬中醫(yī)學(xué)“癡呆”“健忘”范疇,其病位在腦,與五臟關(guān)系密切,病機(jī)以髓減腦消、五臟氣血陰陽(yáng)虛損為本,痰濁血瘀阻塞腦竅為標(biāo)[9]。人的神志活動(dòng)以氣血為物質(zhì)基礎(chǔ),血的正常運(yùn)行和充盈是心主神志的重要條件,是學(xué)習(xí)記憶的生理基礎(chǔ)[3,10]。此外,五臟正常的功能活動(dòng)是維持學(xué)習(xí)記憶的重要條件,而血是連接五臟與學(xué)習(xí)記憶的內(nèi)在橋梁[3]。四物湯作為補(bǔ)血養(yǎng)血的經(jīng)典方劑,對(duì)其補(bǔ)血、調(diào)經(jīng)作用的研究較多,對(duì)其神經(jīng)保護(hù)作用的研究相對(duì)較少。糖尿病屬中醫(yī)學(xué)“消渴”范疇,呈氣血虧虛、陰陽(yáng)失調(diào)、臟腑虛衰且夾瘀等特點(diǎn)。糖尿病患者認(rèn)知功能障礙的風(fēng)險(xiǎn)增加,因此本研究探究四物湯對(duì)糖尿病小鼠學(xué)習(xí)記憶損傷的改善作用。
STZ被廣泛用于誘導(dǎo)糖尿病動(dòng)物模型,作為一種葡萄糖類似物,STZ通過(guò)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體2進(jìn)入β細(xì)胞,并在細(xì)胞內(nèi)蓄積[11]。STZ通過(guò)DNA甲基化、活性氧和活性氮產(chǎn)生、氧化應(yīng)激和DNA損傷等機(jī)制導(dǎo)致β細(xì)胞死亡,從而導(dǎo)致高血糖和胰島素合成及釋放減少[12]。腹腔注射STZ 可使小鼠出現(xiàn)持續(xù)的高血糖、記憶缺陷[13-14]、p-tau水平升高和神經(jīng)炎癥,以及海馬區(qū)胰島素信號(hào)異常[14]。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),模型組小鼠體質(zhì)量下降,血糖升高,Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)的逃避潛伏期明顯延長(zhǎng),海馬組織突觸相關(guān)蛋白PSD95 和Shank3 水平明顯下降,與已有文獻(xiàn)結(jié)果[13]一致,說(shuō)明模型組小鼠存在外周糖代謝異常引起的學(xué)習(xí)記憶障礙。四物湯干預(yù)可使其血糖降低,逃避潛伏期明顯縮短,Shank3蛋白表達(dá)升高,其中四物湯高劑量組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)是評(píng)價(jià)空間學(xué)習(xí)最常用的行為任務(wù),廣泛用于評(píng)估嚙齒動(dòng)物的學(xué)習(xí)記憶水平,該實(shí)驗(yàn)中的學(xué)習(xí)過(guò)程涉及海馬和相關(guān)區(qū)域的結(jié)構(gòu)和功能完整性[15]。海馬結(jié)構(gòu)與神經(jīng)元可塑性、髓鞘形成和神經(jīng)元間連接相關(guān),海馬體積與輕度認(rèn)知障礙和AD存在一定聯(lián)系[16]。海馬CA1、CA3和DG區(qū)對(duì)海馬結(jié)構(gòu)完整性和信號(hào)傳導(dǎo)具有重要作用[17-18]。HE染色使細(xì)胞核內(nèi)成分呈藍(lán)紫色,使細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞外基質(zhì)成分呈紅色;尼氏染色能較好地顯示尼氏體的狀態(tài),后者可作為神經(jīng)元功能的標(biāo)志。海馬病理染色結(jié)果顯示,模型組小鼠海馬CA1區(qū)神經(jīng)元核固縮,細(xì)胞排列散亂,細(xì)胞間隙增大,尼氏體染色模糊,說(shuō)明模型組小鼠海馬區(qū)存在神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能異常。四物湯干預(yù)可改善神經(jīng)元損傷,可見細(xì)胞核淺染,細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整、排列緊密,尼氏體染色加深。
BDNF是研究最廣泛的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子之一,是中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)可塑性的關(guān)鍵因子。成熟的BDNF(mBDNF)與高親和力酪氨酸激酶B(TrkB)受體結(jié)合,調(diào)節(jié)多種功能,如神經(jīng)元可塑性與凋亡、樹突生長(zhǎng)和突觸可塑性等[19]。BNDF通過(guò)調(diào)節(jié)海馬突觸前神經(jīng)遞質(zhì)釋放和增強(qiáng)突觸后神經(jīng)遞質(zhì)的敏感性來(lái)調(diào)節(jié)突觸信號(hào)傳遞,進(jìn)而誘導(dǎo)突觸可塑性的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)[20]。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),模型組小鼠海馬組織BDNF含量降低,但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義??紤]到STZ的生物半衰期較短,不同實(shí)驗(yàn)動(dòng)物對(duì)STZ的敏感性不同,且給藥方式、劑量都會(huì)影響STZ的造模效果,可能由于本實(shí)驗(yàn)造模方法不足以引起海馬區(qū)BDNF水平顯著下降,雙側(cè)海馬注射STZ 即能引起小鼠海馬和前額葉皮層BDNF含量顯著下降[21]。此外,四物湯未能顯著提高海馬組織BDNF含量,可能原因是模型組BDNF未能顯著下降,四物湯提高BDNF水平受機(jī)體穩(wěn)態(tài)調(diào)控,BDNF滿足機(jī)體所需即可,從而使模型組與四物湯組之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。鑒于已有研究顯示,四物湯具有提高BDNF水平作用[5],且BDNF對(duì)神經(jīng)功能有重要調(diào)節(jié)作用,因此考慮在其他學(xué)習(xí)記憶障礙相關(guān)模型中研究四物湯對(duì)BDNF及其上下游信號(hào)通路的調(diào)節(jié)。
突觸結(jié)構(gòu)是神經(jīng)元之間信息交流的基礎(chǔ),其完整性和可塑性是神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的前提,且突觸可塑性是學(xué)習(xí)和記憶的潛在分子機(jī)制。突觸可塑性依賴于谷氨酸受體在突觸后致密區(qū)的正常整合,谷氨酸受體包括N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDAR)、α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體(AMPAR)和代謝型谷氨酸受體(mGluR)等[22]。PSD95和Shank蛋白是突觸后致密區(qū)的重要支架蛋白,其中Shank 蛋白家族包括Shank1、Shank2和Shank3。Shank蛋白通過(guò)交聯(lián)突觸后致密區(qū)的Homer和PSD95復(fù)合物,調(diào)節(jié)mGluR和NMDAR信號(hào)通路,進(jìn)而參與和調(diào)節(jié)突觸后信號(hào)傳導(dǎo)[23-24]。突觸NMDAR信號(hào)不足會(huì)損害神經(jīng)元細(xì)胞的存活,而過(guò)度刺激谷氨酸能信號(hào)傳導(dǎo)會(huì)導(dǎo)致非興奮性毒性,使神經(jīng)細(xì)胞受損或死亡,因此NMDAR信號(hào)傳導(dǎo)必須保持在適當(dāng)水平[25]。功能性NMDAR的形成需要NR1和至少1個(gè)NR2亞基結(jié)合,其中前額葉皮層的NR2B亞基對(duì)突觸長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)和情景記憶形成至關(guān)重要[26]。在AD患者大腦額葉皮質(zhì)突觸體和突觸后致密區(qū)中,NR1 和Shank3蛋白水平顯著下降,這些蛋白的病理變化可能直接或間接影響樹突棘和突觸的功能[27]。本研究發(fā)現(xiàn),四物湯可以提高糖尿病小鼠海馬組織Shank3、NR1和NR2B 蛋白表達(dá),但未能顯著提高PSD95 蛋白表達(dá),說(shuō)明四物湯可以恢復(fù)NMDAR信號(hào)傳導(dǎo)、上調(diào)突觸后致密區(qū)Shank3蛋白水平,恢復(fù)突觸穩(wěn)態(tài),進(jìn)而提高小鼠學(xué)習(xí)記憶功能。
綜上,四物湯可降低尾靜脈注射STZ誘導(dǎo)的糖尿病小鼠血糖能力,改善海馬神經(jīng)損傷,進(jìn)而提高小鼠學(xué)習(xí)記憶水平,其機(jī)制與改善神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能異常,上調(diào)海馬組織BDNF 含量及突觸相關(guān)蛋白PSD95、Shank3、NR1和NR2B表達(dá)有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)從神經(jīng)元和突觸結(jié)構(gòu)方面研究四物湯對(duì)糖代謝異常引起的學(xué)習(xí)記憶障礙的改善作用,可為四物湯在AD相關(guān)的認(rèn)知功能障礙中的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。四物湯對(duì)BDNF及其上下游信號(hào)通路的調(diào)節(jié)作用有待進(jìn)一步研究。