高文良,張紅,袁誼,郭蕊,劉興陽,鄧顯華,孫灝
(1.濟南市第二婦幼保健院,山東濟南 271100;2.安徽師范大學生命科學學院,安徽蕪湖 241000;3.廈門大學醫(yī)學院,福建廈門 361005)
谷氨酸是快速興奮性突觸傳遞的主要神經(jīng)遞質(zhì),其受體分為兩大類:一類為離子型谷氨酸受體,包括N-甲基-D-天冬氨酸受體、海人藻酸受體和α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異唑受體;另一類屬于代謝型谷氨酸受體,它們與膜內(nèi)G 蛋白偶聯(lián),被激活后通過信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)起作用,產(chǎn)生較緩慢的生理反應[1]。而γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)被認為是快速抑制性突觸傳遞的主要神經(jīng)遞質(zhì)。GABA 受體分為GABA A,B 和C 型,A 型和C 型屬于離子型受體,其中C型僅存在于視覺通路;而B型為G 蛋白偶聯(lián)代謝型受體[2]。GABA A 型受體(GABAA受體)是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最主要的抑制性受體,具有十分復雜的結(jié)構,包括5個主要的結(jié)合結(jié)構域。這些結(jié)合位點位于或接近氯離子通道、苯二氮類、巴比妥類和印防己毒素及甾醇類麻醉劑的結(jié)合位點。GABA系統(tǒng)與癲癇和焦慮癥的發(fā)病密切相關[3-5]。GABAA受體的激活導致氯離子內(nèi)流并抑制神經(jīng)元放電。因此,GABAA受體功能的調(diào)節(jié)會改變神經(jīng)元的興奮性[6]。
鉛(pb)是一種生物毒性和神經(jīng)毒性金屬,廣泛存在于周圍環(huán)境。慢性鉛暴露可導致學習和認知功能障礙,在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育早期危害更大[7-8]。流行病學研究證實,兒童鉛暴露與認知功能缺陷之間存在很強的相關性,這些缺陷會持續(xù)到成年期[9-10]。有關鉛中毒機制研究一直是毒理學領域的研究熱點,但鉛作用于GABAA受體的機制研究甚少。為明確鉛對抑制性突觸傳遞的作用,本研究利用全細胞膜片鉗技術在培養(yǎng)細胞水平和腦片水平檢測Pb2+對大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元GABAA受體以及突觸傳遞的影響。
實驗用SD 大鼠購自廈門大學動物實驗中心,動物使用許可證號:SYXX(閩)2018-0010,動物實驗均經(jīng)廈門大學動物倫理審查委員會批準。大鼠在通風良好、溫度23~25 ℃、濕度約50%的環(huán)境中飼養(yǎng),自由飲食和飲水。取出生后0 d的SD 大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元用于原代皮質(zhì)神經(jīng)元的培養(yǎng);15~19 d日齡雄性SD大鼠用于電生理實驗腦片樣本的制備。
胰蛋白酶、多聚賴氨酸、阿糖胞苷、三磷酸腺苷二鈉(Na2-ATP),三磷酸鳥苷三鈉(Na3-GTP)、B27、6-氰基-7-硝基喹喔啉-2,3-二酮(6-cyano-7-nitroquinoxaline-2,3-dione,CNQX)、D-2-氨基-5-磷戊酸(D-2-amino-5-phosphonovaleric acid,AP-5)和荷包牡丹堿(bicuculine)購自美國Sigma 公司;DMEM、胎牛血清、F-12、neuronbasal 培養(yǎng)基和青霉素/鏈霉素購自美國Gibco 公司;河豚毒素購于河北水產(chǎn)公司;醋酸鉛和其他常見的無機鹽,如氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、氯化鈉等購自國藥集團化學試劑有限公司。
VT1200S型振動切片機,美國Leica公司;P-97型電極拉制儀,美國Sutter 公司;膜片鉗系統(tǒng),美國Axon和Sutter公司;Axon 700B實驗使用放大器和DIC正置相差熒光顯微鏡,日本Olympus公司。
分離出生后0 d SD大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元[11]。手術分離腦皮質(zhì)組織,用0.25%胰蛋白酶37 ℃處理15 min,細胞懸浮于DMEM 中用吸管機械分離。將多聚賴氨酸包被的蓋玻片置于培養(yǎng)皿中,在DMEM 培養(yǎng)基中添加10%胎牛血清,10% F-12 和100 kU·L-1青霉素/鏈霉素。培養(yǎng)24 h后,將培養(yǎng)基更換為neuronbasal 培養(yǎng)基(1.0 mL)并添加2%的B27,每3~4 d換液1次。培養(yǎng)4 d后加入阿糖胞苷(10 mg·L-1)用以阻斷非神經(jīng)元細胞的分裂。培養(yǎng)神經(jīng)元保持在37 ℃濕潤環(huán)境并通以95%空氣和5% CO2的混合氣。取培養(yǎng)7~14 d神經(jīng)元進行電生理記錄。
記錄培養(yǎng)神經(jīng)元時,標準外液包含(mmol·L-1):NaCl 150,KCl 5,CaCl22,HEPES 10 和葡萄糖10,用Tris 堿調(diào)整pH 值為7.4。細胞內(nèi)液成分(mmol·L-1):NaCl 30,KCl 120,CaCl20.5,MgCl21.0,HEPES 10 和EGTA 5.0,使用Tris 堿將pH 值調(diào)整為7.2。醋酸鉛首先溶于蒸餾水,使用前用生理鹽水稀釋到最終濃度。加藥方式采取Y型管法快速給藥[12],該方法允許在20 ms 內(nèi)全部交換單個細胞周邊溶液。實驗時采用氧飽和人工腦脊液(artificial cerebrospinal fluid,ACSF)持續(xù)灌流,Y 管給藥瞬間轉(zhuǎn)為生理鹽水稀釋藥液浸潤整個被記錄細胞,從而激發(fā)和記錄GABAA受體介導的電流(IGABA)。給藥濃度由低到高,待完全洗脫后再依次添加更高濃度藥液。
腦片標本可保持相對完整的突觸連接。為此取15~19 d日齡雄性SD 大鼠進行腦片標本制備[13]。用乙醚麻醉大鼠,掐指反射消失后立即處死,迅速取出大腦,放入低溫(約0 ℃)含氧ACSF中。ACSF 含(mmol·L-1):NaCl 125,NaHCO325,KCl 2.5,NaH2PO41.25,CaCl22.0,MgCl21.5,葡萄糖25,使用95% O2和5% CO2的混合氣飽和ACSF。冠狀腦切片厚度350 μm,室溫下孵育1 h,再轉(zhuǎn)移至膜片鉗記錄臺進行電生理數(shù)據(jù)記錄,氧飽和ACSF持續(xù)灌流(吊瓶式重力灌流,2 mL·min-1)。
大鼠皮質(zhì)錐體神經(jīng)元全細胞記錄在電壓鉗模式下進行(24~26 ℃)。玻璃電極使用1.5 mm 外徑的玻璃毛細管拉制。充有電極內(nèi)液的記錄電極電阻約為3~6 MΩ。電極內(nèi)液(mmol·L-1):葡萄糖酸鉀122,NaCl 5,CaCl20.3,MgCl22.0,EGTA 1.0,HEPES 10,Na2-ATP 5,和Na3-GTP 0.4,用KOH調(diào)pH 值為7.2~7.4,蔗糖調(diào)節(jié)滲透壓至約280 mOsm·kg-1。Pb2+(10 μmol·L-1)處理前和處理5 min 后分別進行自發(fā)抑制性突觸后電流(spontaneous inhibitory post-synaptic currents,sIPSC)和微小抑制性突觸后電流(miniature inhibitory postsynaptic currents,mIPSC)(灌流液中另加入1.0 μmol·L-1的河豚毒素用以阻斷Na+通道)的記錄,每數(shù)據(jù)記錄10 min,三通用于切換ACSF 和10 μmol·L-1的Pb2+溶液(溶于ACSF)。記錄膜電位控制在0 mV,ACSF 中另加入CNQX 20 μmol·L-1和AP-5 50 μmol·L-1用以阻斷興奮性突觸傳遞。電流鉗模式下記錄動作電位(action potential,AP)。待記錄細胞狀態(tài)穩(wěn)定,向胞內(nèi)注入電流,從-40 pA起始,以20 pA的電流梯度注入,每次注入時長1 s,間隔1 s,直至180 pA 止。隨后統(tǒng)計所誘導動作電位頻率。實驗中70%~90%串聯(lián)電阻得到補償。
GABA 的電流激活曲線(Pb2+處理和無Pb2+處理)使用最小二乘法,根據(jù)改良的Michaelis-Menten方程(I=ImaxCh(Ch+EC50h)]擬合而成。Imax為最大響應電流,C為藥物濃度,EC50為激活50%最大響應電流時的藥物濃度,h為表觀Hill系數(shù)。Pb2+的濃度-效應曲線采用公式I=Imax(IC50)h(Ch+IC50h)擬合,式中IC50為Pb2+引發(fā)50%最大抑制作用時的濃度,其余參數(shù)同上[14]。在統(tǒng)計學分析中,采用雙因素方差分析,組間兩兩比較采用成對t檢驗,P<0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。
原代培養(yǎng)的大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元的電生理記錄顯示,在-60 mV 下,由GABA 激活的IGABA幾乎存在于所有測試的神經(jīng)元中。而IGABA可以被荷包牡丹堿10 μmol·L-1完全阻斷(數(shù)據(jù)略)。單獨Pb2+(1~100 μmol·L-1)處理時,Pb2+未激發(fā)明顯可見電流。預先給予Pb2+(1~100 μmol·L-1)處理30 s后再加入GABA(100 μmol·L-1)所激活IGABA明顯小于GABA單獨激活的IGABA(圖1A),洗脫后電流大小基本恢復(圖2A),表明Pb2+可逆性抑制了IGABA,IC50為(68±20)μmol·L-1,希爾系數(shù)為0.91±0.11。Pb2+濃度為1,5,10,50和100 μmol·L-1對IGABA的抑制后電流分別為GABA 100 μmol·L-1單獨激活電流的(98±4)%(n=5),(91±15)%(n=6),(82±14)%(n=7,P<0.05),(61±15)%(n=7,P<0.01)和(39±34)%(n=8,P<0.01)(圖1B)。由此可見,隨濃度升高,Pb2+對神經(jīng)元IGABA的抑制作用增強。
Fig.1 Effect of Pb2+ on γ-aminobutyric acid(GABA)A receptor induced currents(IGABA)in cultured neurons of SD rats.The holding potential(VH)was -60 mV.Pb2+ 10,50 or 100 μmol·L-1 was pre-applied for 30 s before co-application with GABA 100 μmol·L-1.A:sample traces of IGABA recorded from one neuron in the presence of Pb2+.±s,n=5-8.B:concentrationresponse relationship for Pb2+-induced inhibition of IGABA.
在Pb2+50 μmol·L-1和無Pb2+條件下,檢測GABA激活的IGABA的改變。圖2A 顯示,與無Pb2+組比較,Pb2+50 μmol·L-1對GABA 100 和500 μmol·L-1激活的IGABA具有抑制作用。圖2B 顯示,Pb2+使IGABA的濃度-效應曲線顯著右移,EC50由無Pb2+組的(20±6)μmol·L-1增大到(87±39)μmol·L-1,且GABA最大激活電流被明顯抑制(n=8,P<0.01),提示Pb2+對GABA受體的抑制屬于非競爭性抑制。
Fig.2 Effect of Pb2+ on concentration-response relationship of IGABA.All currents were normalized to the peak amplitude of the current evoked by GABA at 100 μmol·L-1.A:sample recordings that show effects of Pb2+ 50 μmol·L-1 on the peak amplitude of IGABA activated by GABA 100 μmol·L-1 and by GABA 500 μmol·L-1.The traces from left to right were IGABA activated by GABA 100 μmol·L-1(control),IGABA activated by GABA 100 μmol·L-1 with Pb2+ 50 μmol·L-1,IGABA activated by GABA 100 μmol·L-1(washout),IGABA activated by GABA 500 μmol·L-1(control),IGABA activated by GABA 500 μmol·L-1 with Pb2+50 μmol·L-1 and IGABA activated by GABA 500 μmol·L-1(wash out),respectively.B:concentration-response relationship for IGABA in the absence and presence of Pb2+50 μmol·L-1.±s,n=5-8.
為記錄大鼠腦片sIPSC,膜片鉗的鉗制電壓設置在0 mV。荷包牡丹堿10 μmol·L-1可完全阻斷sIPSC,證明所記錄成分為GABA 能的突觸傳遞(圖略)。圖3A 和3B所示,與無Pb2+組比較,Pb2+10 μmol·L-1可逆地降低神經(jīng)元sIPSC 的頻率(P<0.01),但對振幅無明顯影響。圖3C 顯示,Pb2+10 μmol·L-1導致事件間隔(event intervals)累積概率曲線有一個明顯的右向平移,但并未改變振幅的累積概率曲線。
實驗采用sIPSC 記錄的相同條件,在灌流液中加入河豚毒素1.0 μmol·L-1,阻斷鈉離子通道和動作電位,以記錄大鼠腦片神經(jīng)元mIPSC。圖4 結(jié)果顯示,與無Pb2+組比較,Pb2+10 μmol·L-1對大鼠腦片神經(jīng)元mIPSC的頻率和振幅均無明顯影響,提示Pb2+對突觸行為的影響需要AP的支持。
Fig.4 Effect of Pb2+ exposure on miniature inhibitory post-synaptic currents(mlPSCs)in cortical neurons of slices.CNQX 20 μmol·L-1,AP-5 50 μmol·L-1 and tetrodotoxin 1.0 μmol·L-1 were added to ACSF to block AMAP,NMDA and sodium receptors respectively.A:representative traces of mIPSCs recording from cortical neurons treated with Pb2+ 10 μmol·L-1;B:quantification of mIPSCs frequency(B1)and amplitude(B2).±s,n=8.C:cumulative distribution curves of mIPSCs frequency(C1)and amplitude(C2)from cortical neurons treated with Pb2+10 μmol·L-1.
電流鉗模式下記錄Pb2+對大鼠腦片神經(jīng)元AP的影響。圖5A 和5B 顯示,與無Pb2+組比較,Pb2+10 μmol·L-1明顯降低大鼠腦片神經(jīng)元AP 的頻率(P<0.01),表明Pb2+對皮質(zhì)神經(jīng)元的整體興奮性具有明顯的抑制作用。
Fig.5 lnhibitory effect of Pb2+ on firing rate of cortical neurons of brain slices.A:representative traces of firings with or without Pb2+ 10 μmol·L-1 which were induced by current injection from -40 pA to 180 pA with step of 20 pA;B:statistical results of firing numbers against sequential current injection.±s,n=25.
在大腦發(fā)育過程中,早期鉛暴露極大地影響突觸的功能。已知的鉛誘導神經(jīng)毒性機制為破壞神經(jīng)遞質(zhì)釋放,從而影響神經(jīng)遞質(zhì)受體的表達和功能[15-16]。例如,慢性鉛暴露導致對N-甲基-D-天冬氨酸受體抑制[17-18]和突觸傳遞抑制[19-20]以及突觸可塑性損害[21]。另一些研究表明,鉛可阻斷某些類型的電壓門控型鈣離子通道[22-23]、鈉離子通道[24]和鉀離子通道[25-26],然而鉛作用于GABAA受體的機制研究甚少。
本研究首先采用原代培養(yǎng)大鼠神經(jīng)元,用細胞全細胞膜片鉗技術觀察了鉛對大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元IGABA的影響。實驗結(jié)果表明,Pb2+10,50和100 μmol·L-1對GABA 激活的神經(jīng)元IGABA的抑制作用增強,而單獨使用Pb2+并不能激活任何可檢測到的電流,提示Pb2+對GABA 激活的IGABA的抑制作用是一種調(diào)節(jié)作用,必須在GABAA受體被激活的情況下才能起效。從Pb2+對于GABA 激活電流曲線的影響可以看出,其對GABA 激活的最大IGABA也有抑制作用,同時明顯增加了GABA 的EC50值,提示Pb2+是通過非競爭性機制抑制神經(jīng)元的IGABA。鑒于Pb2+對IGABA快速且可逆的抑制,從時間上推測該作用經(jīng)由受體介導胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導或受體表達減少實現(xiàn)的可能性不大,因而推測其有可能通過改變GABAA受體的構象而降低GABAA受體和其配體的親和力,從而起到抑制IGABA的作用。
相對于原代培養(yǎng)細胞,腦片是更接近生理狀態(tài)的標本,在腦片中可保持相對完整的突觸連接。因此,本研究隨后用全細胞膜片鉗技術檢測了Pb2+對大鼠腦片神經(jīng)元抑制性突觸傳遞的影響。與原代培養(yǎng)神經(jīng)元的記錄所不同的是,鉗制電壓設置在0 mV。在此電壓下,IGABA較為顯著,有利于IPSC 的記錄。原代培養(yǎng)神經(jīng)元的實驗中,Pb2+使用由低到高5 個濃度(1,5,10,50 和100 μmol·L-1),旨在擬合Pb2+抑制GABA 激活IGABA的濃度-效應曲線,并未考量鉛中毒的實際生理濃度,其IC50值并不適合作為腦片灌流時Pb2+處理的濃度。因此,對腦片灌流狀態(tài)下Pb2+濃度的設定依據(jù)相關文獻[27]和美國疾病控制中心對兒童鉛中毒的定義[28](血鉛濃度≥1.2 μmol·L-1),將Pb2+的濃度定為10 μmol·L-1,檢測Pb2+對大鼠腦片神經(jīng)元sIPSC 和mIPSC 的影響,同時也檢測了Pb2+對AP 的影響。結(jié)果表明,Pb2+對sIPSC 的頻率而不是振幅具有抑制作用,這提示Pb2+參與了突觸前的改變。有文獻報道,斑馬魚胚胎發(fā)育期Pb2+暴露,影響一系列GABA 相關基因的表達,其中包括GABA 囊泡轉(zhuǎn)運體(vesicular GABA transporter,vgat)基因,從而影響突觸前遞質(zhì)的轉(zhuǎn)運和釋放[29]。但本研究在mIPSC 記錄中并未發(fā)現(xiàn)Pb2+對sIPSC頻率的影響,于是推測Pb2+有可能通過減少AP 依賴的GABA 釋放來破壞GABAA受體介導的突觸傳遞。因此,本研究進一步評估了Pb2+對AP 的作用。結(jié)果顯示,Pb2+有效抑制了電流注入所誘發(fā)AP的發(fā)生頻率。據(jù)報道,出生后大鼠的鉛暴露導致中腦區(qū)域多巴胺能神經(jīng)元放電減少[30],該結(jié)果與本研究AP 的實驗結(jié)果相似,提示Pb2+有可能通過抑制AP而影響突觸前囊泡的釋放。Ruan 實驗室的一項研究結(jié)果表明,慢性低水平鉛暴露增加海馬錐體神經(jīng)元的放電頻率[31],該結(jié)果與本研究結(jié)果完全相反,這可從鉛暴露模型的不同和所記錄神經(jīng)元種類的不同來解釋兩者之間的差異。本研究Pb2+為急性給藥,作用迅速且可逆,可能的機制是對鈉、鉀和鈣等離子受體的快速調(diào)節(jié)以及GABAA受體的變構調(diào)節(jié)。而慢性鉛中毒模型產(chǎn)生影響的機制十分緩慢,可以是信號轉(zhuǎn)導以及基因調(diào)控和蛋白表達等,其內(nèi)在機制可能截然不同,而且鉛對神經(jīng)元受體的影響是全方位的,其內(nèi)在機制也各有不同。
本研究中在原代培養(yǎng)神經(jīng)元水平和腦片水平均證實了Pb2+對GABAA受體的抑制作用。所不同的是,在原代培養(yǎng)神經(jīng)元上,Pb2+很可能是通過變構調(diào)節(jié)來改變GABAA受體的構象,從而非競爭性抑制IGABA;而在腦片水平,Pb2+僅僅抑制sIPSC 的頻率而非振幅,提示突觸前機制參與其中。相比sIPSC 頻率的改變,Pb2+處理后mIPSC 頻率和振幅皆未改變,因此有理由認為Pb2+正是通過抑制AP 進而抑制AP 依賴的囊泡釋放,表現(xiàn)為突觸后電流數(shù)目的減少,從而降低sIPSC 的頻率。Ruan 實驗室的另一項研究顯示,Pb2+通過抑制海馬錐體神經(jīng)元突觸前電壓依賴性鈣通道來抑制AP 的發(fā)生[27],也從側(cè)面支持了本研究結(jié)果。然而,不同濃度的Pb2+處理以及不同的Pb2+暴露方式,往往在對突觸傳遞的影響中扮演重要的角色。有實驗室用培養(yǎng)神經(jīng)元探討慢性Pb2+暴露對海馬神經(jīng)元E/I平衡的影響,發(fā)現(xiàn)Pb2+1.0 μmol·L-1抑制mEPSC 的頻率卻增加mIPSC 的頻率[32]。該實驗室另一項研究證實,Pb2+對海馬突觸傳遞的抑制源于細胞周期蛋白依賴性激酶5 對突觸蛋白1 的磷酸化[33],該報道中Pb2+5 μmol·L-1同時抑制mEPSC和mIPSC。
本研究結(jié)果顯示,Pb2+對大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元IGABA有明顯抑制作用,其內(nèi)在機制可能通過對GABAA受體的變構調(diào)節(jié),這與腦片實驗中Pb2+僅抑制大鼠腦片皮質(zhì)神經(jīng)元sIPSC 的頻率而未抑制振幅似乎矛盾。實際上,原代神經(jīng)元的培養(yǎng)采用很高的Pb2+濃度(50 μmol·L-1),而用于激活IGABA的GABA 濃度也高達100 甚至1000 μmol·L-1。腦片實驗中Pb2+濃度僅為10 μmol·L-1。更為關鍵的是,腦片狀態(tài)下突觸區(qū)域GABA 的濃度僅限于自身突觸前囊泡的釋放,其作用范圍也僅限于突觸范圍,其濃度和作用空間無法與原代神經(jīng)元培養(yǎng)實驗相比。在培養(yǎng)過程中,原代培養(yǎng)神經(jīng)元部分形成了有效的突觸連接,但神經(jīng)元的形態(tài)和功能已經(jīng)發(fā)生了很大的改變,其生理功能的完整性距離腦片標本有很大的差距,這也是造成Pb2+作用機制差異的主要原因。因此,在腦片實驗中未能檢測出Pb2+對突觸后GABAA受體明顯的抑制效應也屬合理。
綜上所述,Pb2+對原代培養(yǎng)神經(jīng)元IGABA具有抑制作用;在腦片實驗中,Pb2+通過抑制皮質(zhì)神經(jīng)元的AP 實現(xiàn)對sIPSC 頻率的抑制;兩者均可能是鉛神經(jīng)毒性的內(nèi)在機制之一。大鼠皮質(zhì)原代培養(yǎng)的神經(jīng)元雖然也能形成有效的突觸連接,但相對于腦片天然的突觸連接仍然有本質(zhì)的不同。本研究2項不同類型實驗的探究均有利于獲得更多鉛中毒機制的信息。鑒于突觸活動是發(fā)育早期建立穩(wěn)定突觸連接的關鍵機制,Pb2+很可能通過影響突觸區(qū)域GABAA受體構象、干擾自發(fā)的遞質(zhì)釋放,從而對神經(jīng)元成熟以及可塑性產(chǎn)生持久影響,從而造成鉛的神經(jīng)毒性。