劉 洋,孫建寧,董世芬,劉 明,張 易,張碩峰
(1.北京中醫(yī)藥大學中藥學院中藥藥理系,北京 100102;2.貴陽中醫(yī)學院,貴陽 550002)
永久性局灶性中動脈阻斷腦缺血(pMCAO)模型大鼠腦內(nèi)突觸相關蛋白表達的免疫組織化學觀察
劉 洋1,孫建寧1,董世芬1,劉 明2,張 易1,張碩峰1
(1.北京中醫(yī)藥大學中藥學院中藥藥理系,北京 100102;2.貴陽中醫(yī)學院,貴陽 550002)
目的 觀察永久性局灶性中動脈阻斷腦缺血(pMCAO)模型大鼠腦缺血發(fā)作后2 d、7 d腦內(nèi)突觸相關蛋白表達的變化。方法 制作大鼠永久性局灶性中動脈阻斷腦缺血(pMCAO)模型。缺血動物術后隨機分為缺血2 d組、缺血7 d組,另設假手術組。在術后2 d、7 d 2個時間點采用HE染色觀察動物神經(jīng)病理學改變,同時采用免疫組織化學法觀察動物的缺血側腦組織突觸素-I(synapsin-I)、突觸后致密蛋白95(PSD-95)、α-突觸核蛋白(αsynuclein)表達情況。結果 與假手術組相比,缺血后,模型動物神經(jīng)元大量變性壞死,數(shù)目減少,排列散亂。缺血后 2 d,synapsin-I在 CA1區(qū)、CA3區(qū)、皮層表達顯著減少(P<0.05或 P<0.01),PSD-95在 CA1區(qū)、皮層表達顯著減少(P<0.05或 P<0.01),α-synuclein在 CA1區(qū)神經(jīng)元產(chǎn)生顯著積聚(P<0.01);缺血后 7 d,synapsin-I在 CA1區(qū)、皮層表達仍顯著降低(P<0.01),PSD-95在CA1區(qū)、皮層表達顯著減少(P<0.05或P<0.01),α-synuclein在CA1、CA3、皮層表達顯著增加(P<0.05或P<0.01)。結論 pMCAO模型大鼠在腦缺血發(fā)生后,神經(jīng)突觸有關蛋白的表達顯著改變,并隨缺血后不同時間點表達情況不同,這可能與神經(jīng)元突觸重塑有關。突觸相關蛋白的表達與缺血損傷程度密切相關。
永久性局灶性中動脈阻斷腦缺血模型;突觸素-Ⅰ;突觸后致密蛋白95;α-突觸核蛋白
腦缺血是一種具有高致死率和致殘率的疾病,隨著目前人類社會進入老齡化社會,其發(fā)病率呈現(xiàn)逐年升高的趨勢,已經(jīng)成為威脅人類生命健康的疾病之一[1]。腦缺血發(fā)病機制復雜,其病理過程涉及鈣超載、氧化應激、炎癥級聯(lián)反應、興奮性氨基酸毒性等,最終導致神經(jīng)元細胞凋亡。突觸是神經(jīng)元進行信息傳遞的特殊結構,其數(shù)目、結構、功能與神經(jīng)系統(tǒng)生理、病理狀態(tài)密切相關[2]。近年來相關研究表明,神經(jīng)元突觸對缺血性損傷極為敏感[3]。神經(jīng)元的凋亡、再生和突觸重塑等形態(tài)學改變與神經(jīng)系統(tǒng)功能密切相關,可導致神經(jīng)網(wǎng)絡功能的重建。缺血性損傷會導致神經(jīng)系統(tǒng)突觸數(shù)目、功能、結構的變化,而這種變化直接影響到神經(jīng)信息的傳遞[4]。
本研究擬采用永久性局灶性中動脈阻斷腦缺血(pMCAO)大鼠模型,觀察缺血后2 d、7 d模型動物大腦海馬、皮層與突觸功能突觸素-I(synapsin-I)、突觸后致密物蛋白質(zhì) 95(PSD-95)、α-突觸核蛋白(α-synuclein)表達變化情況,以期研究腦缺血后神經(jīng)元突觸病理改變,為改善突觸功能、促進神經(jīng)系統(tǒng)功能重建及相關藥物開發(fā)提供實驗依據(jù)。
試劑:兔抗大鼠 synapsin-I多克隆抗體(批號,20110629)、兔抗大鼠 PSD-95多克隆抗體(批號,20110528)、兔抗大鼠 α-syn多克隆抗體(批號,20110610)、由北京博奧森公司提供;多聚甲醛,由sigma公司(美國)提供。
Olympus BX51顯微鏡;Olympus E330數(shù)碼照相機;Image-pro 5.0圖像分析系統(tǒng)。
SPF級SD大鼠,雄性,體質(zhì)量250~270 g,由北京維通利華實驗動物技術有限公司提供,合格證號:[SCXK(京)2006-0009],按照實驗動物 3R 原則給予人道關懷。大鼠于室溫(22~25)℃,相對濕度65%,12 h明暗交替環(huán)境中適應2周進入實驗。參照Koizumi和 Nagasawa方法及改良 MCAO制作方法稍加改進制作pMCAO模型[5-7]。大鼠采用10%水合氯醛(0.35mL/100 g體重)麻醉后,仰臥固定。剪開皮膚,鈍性分離肌肉,暴露并分離右側頸總動脈(CCA)、頸外動脈(ECA)和頸內(nèi)動脈(ICA)。結扎ECA與CCA近心端,用動脈夾夾閉ICA遠心端,于ECA與ICA分叉處作一小切口,插入頭端加熱成光滑球形的釣魚尼龍線(直徑為0.261mm),插入深度為18-19mm左右,實現(xiàn)右側大腦中動脈阻塞導致腦缺血。結扎切口處,剪掉血管外的尼龍線,縫合皮膚。假手術組動物不栓塞大腦中動脈,其余處理同模型組。
術后6 h,待動物清醒后,按照 Longa 5級評分法[8],對動物進行神經(jīng)功能行為評分,評分標準:無明顯神經(jīng)癥狀,0分;不能完全伸展左側前爪,1分;向左側旋轉(zhuǎn),2分;行走時向左側傾倒,3分;不能自行行走,4分。選取評分為1~3分的動物入選后續(xù)實驗,并隨機分成2組:缺血2 d組、缺血7 d組。另設假手術組。
分別于造模后2 d、7 d,麻醉大鼠,開胸,用預冷的0.9%生理鹽水200mL經(jīng)左心室快速沖洗,繼用4%多聚甲醛磷酸緩沖液(pH 7.4)400mL灌流固定。腦組織以4%多聚甲醛固定液(pH 7.4)固定24 h,梯度乙醇脫水,二甲苯透明,石蠟包埋,每組取3例,取視交叉前后2mm組織塊(包含缺血周圍區(qū)),冠狀位連續(xù)切片,片厚5 μm,進行 HE染色,觀察造模后動物腦組織病理學改變。采用Olympus BX51型正置顯微鏡觀察HE切片,在20×10倍數(shù)下于缺血側CA1、CA3、皮層缺血區(qū)域周圍選取3個視野,采用Olympus E330數(shù)碼相機采集圖像,Image-Pro Plus 5.0軟件對圖像進行分析。觀察缺血側神經(jīng)元損傷情況。
常規(guī)石蠟切片,免疫組織化學法觀察腦組織synapsin-I、PSD-95、α-synuclein 蛋白表達,基本方法如下:切片常規(guī)脫蠟,PBS漂洗5 min×3次,微波抗原修復20 min,PBS漂洗5 min×3次,過氧化氫處理 30 min,PBS 漂洗 5 min× 3 次,滴加 synapsin-I、PSD-95 或 α-synuclein 抗體 50 μL(1:50),在暗濕盒中(37℃)孵育2 h,PBS漂洗5 min×3次,滴加山羊抗兔 IgG 50 μL,在暗濕盒中(37℃)孵育 2 h,PBS漂洗5 min×3次,DAB(1:50)控制顯色,蒸餾水洗滌終止顯色,蘇木素復染,常規(guī)脫水,二甲苯透明,中性樹膠封片。采用Olympus BX51型正置顯微境觀察染色切片,在20×10倍數(shù)下于缺血側 CA1、CA3、皮層缺血區(qū)域周圍選取 3個視野,采用Olympus E330數(shù)碼相機采集圖像,Image-pro Plus 5.0軟件對免疫組化結果進行分析。
采用SPSS 13.0 for Windows統(tǒng)計軟件對實驗數(shù)據(jù)進行t檢驗統(tǒng)計分析,所有實驗數(shù)據(jù)以±s表示,P <0.05認為具有統(tǒng)計學意義。
假手術組動物皮層神經(jīng)元細胞圓整神經(jīng)元胞質(zhì)豐富,色淡,細胞核居中,核仁清晰;海馬神經(jīng)元排列密集整齊,形態(tài)圓整,體積較大,偶見壞死神經(jīng)元。與假手術組動物相比,術后2 d,模型組光鏡下腦組織出現(xiàn)明顯液化現(xiàn)象,皮層神經(jīng)元大量變性壞死,表現(xiàn)為神經(jīng)元數(shù)目減少、排列紊亂,胞膜輪廓不清,細胞核固縮深染;海馬神經(jīng)元排列散亂,神經(jīng)元變形,核不規(guī)則,變性神經(jīng)元核固縮深染、且神經(jīng)元數(shù)目減少。(圖1見彩插2)。術后7 d,與假手術組相比,模型組皮層部位神經(jīng)元損傷嚴重,神經(jīng)元數(shù)目減少,完整神經(jīng)元大量缺失,可見大量空泡和液化灶;海馬區(qū)域神經(jīng)元排列紊亂,可見大量變性神經(jīng)元細胞,核深染固縮。(圖2見封三)。
3.2.1 pMCAO模型大鼠腦內(nèi) synapsin-I表達的變化:缺血2 d后,與假手術組相比,模型組動物腦內(nèi)海馬 CA1區(qū)沒有顯著差別,但在 CA3區(qū)、皮層 Syn-I明顯下降(P<0.05)。缺血7 d后,與假手術組相比,模型組海馬CA1區(qū)、皮層Syn-I表達仍顯著降低(P<0.01),CA3區(qū)表達略有上升。結果見表1。
表1 pMCAO模型大鼠腦內(nèi)synapsin-I表達的變化(±s)Tab.1Expression of synapsin-I in the brain of pMCAO model rats(±s)
表1 pMCAO模型大鼠腦內(nèi)synapsin-I表達的變化(±s)Tab.1Expression of synapsin-I in the brain of pMCAO model rats(±s)
注:與假手術組相比,*P <0.05,**P <0.01Note:*P <0.05,**P <0.01 vs.the sham group.
組別2d Cortex假手術組 Sham 1072.35±119.11 1192.75±304.82 1162.73±293.43 1181.16±207.62 1267.39±337.04 1177 Groups 7 d CA1區(qū)CA1 Region CA3區(qū)CA3 Region 皮層Cortex CA1區(qū)CA1 Region CA3區(qū)CA3 Region 皮層.56±305.75模型組Model 818.31±87.97** 834.55±146.85* 528.94±239.02* 841.87±230.82** 1109.92±447.03 362.17±248.12**
3.2.2 pMCAO模型大鼠腦內(nèi)PSD-95表達的變化:術后2 d,與假手術組相比,模型組海馬 CA1區(qū)、皮層PSD-95的表達顯著下降(P<0.01)。缺血后 7 d,與假手術相比,模型組在在CA1區(qū)表達降低(P<0.05)、CA3區(qū)表達略有上升,但與假手術組相比差異無顯著性,皮層區(qū)PSD-95表達仍顯著低于假手術組(P<0.01)。結果見表2。
表2 pMCAO模型大鼠海馬、皮層PSD-95表達的影響(±s)Tab.2Expression of PSD-95 in the brain of pMCAO model rats(±s)
表2 pMCAO模型大鼠海馬、皮層PSD-95表達的影響(±s)Tab.2Expression of PSD-95 in the brain of pMCAO model rats(±s)
注:與假手術組相比,*P <0.05,**P <0.01Note:*P <0.05,**P <0.01 vs.the sham group
組別2d Cortex假手術組 Sham 1632.42±203.00 956.79±489.84 1474.49±345.62 1231.34±239.69 1080.11±178.72 1304.Groups 7 d CA1區(qū)CA1 Region CA3區(qū)CA3 Region 皮層Cortex CA1區(qū)CA1 Region CA3區(qū)CA3 Region 皮層90±333.33模型組 Model 880.19±340.30** 776.82±300.16 296.12±132.31**909.80±365.53* 1168.16±510.91 374.92±129.52**
3.2.3 pMCAO模型大鼠腦內(nèi) α-synuclein表達的變化:術后48 h,與假手術組相比,模型組腦內(nèi) αsynuclein在海馬CA1區(qū)表達顯著增加(P<0.01),CA3區(qū)、皮層表達有所上升,但尚無顯著性差異。缺血后7 d,與假手術相比,α-synuclein在 CA1區(qū)、皮層表達顯著增加(P<0.01),CA3區(qū)表達也有明顯增加(P<0.05)。結果見表3。
表3 pMCAO模型大鼠海馬、皮層α-synuclein表達的影響(±s)Tab.3Expression of α-synuclein in the brain of pMCAO model rats(±s)
表3 pMCAO模型大鼠海馬、皮層α-synuclein表達的影響(±s)Tab.3Expression of α-synuclein in the brain of pMCAO model rats(±s)
注:與假手術組相比,*P <0.05,**P <0.01Note:*P <0.05,**P <0.01 vs.the sham group
組別2d Cortex假手術組 Sham 1013.20±240.11 849.87±163.71 887.17±385.45 799.14±223.72 702.78±130.73 714.97±2 Groups 7 d CA1區(qū)CA1 Region CA3區(qū)CA3 Region 皮層Cortex CA1區(qū)CA1 Region CA3區(qū)CA3 Region 皮層20.45模型組Model 1406.57±232.05** 985.00±232.38 1111.31±261.45 1121.49±215.71** 905.99±166.61* 1268.48±344.38**
pMCAO模型是常用的腦缺血動物實驗模型,其制作方法經(jīng)過不斷改良與優(yōu)化[9],目前已經(jīng)較為成熟,具有方法簡單、成功率高、重復性好的特點。目前應用較為廣泛,適用于觀察缺血后病理改變及評價相關治療藥物的療效[10,11]。
突觸結構是大腦神經(jīng)元間進行神經(jīng)信息傳遞的物質(zhì)結構基礎。作為神經(jīng)系統(tǒng)的重要結構單位,突觸的數(shù)量及其結構完整性對維持大腦功能的正常發(fā)揮起到了至關重要的作用。近些年來,腦缺血發(fā)生后突觸結構和功能改變?nèi)找媸艿街匾?。有研究顯示,皮層突觸重塑與運動功能恢復在時間上具有一致性。這說明突觸重塑能夠為神經(jīng)系統(tǒng)功能恢復提供重要信息[12]。
目前,已有大量研究表明突觸相關蛋白與腦缺血密切相關。其中,關于PSD-95的研究較為豐富。PSD-95 是突觸后致密物質(zhì)(post-synaptic density,PSD)中的一個主要蛋白,在腦組織內(nèi)廣泛分布,其在介導和整合突觸信號傳遞過程起到了重要作用[13]。研究表明其直接參與了缺血信號的轉(zhuǎn)導,對突觸功能和神經(jīng)元的存活具有明顯影響,PSD的改變直接影響突觸的傳遞功效[14-16]。缺血引起的PSD95及其相關蛋白特性改變的機制是復雜和多方面的,包括突觸后細胞 Ca2+濃度改變、去磷酸化反應、蛋白酶激活、氧化反應和其他改變等,有助于神經(jīng)細胞興奮性增強而導致細胞死亡[17]。這表明PSD95的調(diào)控作用對突觸功能和神經(jīng)元的存活有明顯的作用。本研究中,腦缺血后2 d,不同腦區(qū)PSD-95表達明顯下降,其中CA1區(qū)、皮層最為明顯。缺血后7 d,與假手術組相比,模型組 CA1區(qū)、皮層表達仍較低,在CA3表達略有升高,這可能與突觸重建有關。
Synapsin-I屬于囊泡膜蛋白,其參與到囊泡轉(zhuǎn)運、神經(jīng)遞質(zhì)釋放的調(diào)節(jié)等重要生理過程,其表達狀態(tài)也能夠反應突觸功能[18,19]。研究表明,其與突觸重建密切相關。有研究表明,短暫腦缺血后Synapsin-I會有短暫降低,與神經(jīng)元凋亡在時間上具有同步性,提示腦缺血后存在的失神經(jīng)和神經(jīng)再獲現(xiàn)象可能與 DNA的損傷和修復有關[20]。本研究中,在缺血 2 d后,與假手術組相比,Synapsin-I在CA3區(qū)、皮層的表達都明顯下降,這提示腦缺血急性期,突觸功能受到損傷,囊泡轉(zhuǎn)運能力下降。
α-synuclein近些年來受到廣泛的關注,其在神經(jīng)退行性疾病中的作用逐漸受到重視[21]。因其是組成Lewy體的主要蛋白之一,其在帕金森和阿爾茲海默癥中的作用尤其受到廣泛關注,但在腦缺血病理改變中的作用研究尚不深入[21,22]。但相關研究表明,α-synuclein 對神經(jīng)細胞具有毒性[23]。其聚集和過度表達損傷神經(jīng)元,引起神經(jīng)元變性,從而影響突觸功能。缺血再灌注損傷發(fā)生后,α-synuclein腦內(nèi)積聚,不利于神經(jīng)元存活[24]。本研究觀察了α-synuclein在腦缺血發(fā)生后不同時間點的表達情況。結果表明缺血后2 d,α-synuclein即在 CA1區(qū)、皮層顯著增加,這種差異一直持續(xù)到第7 d。缺血至第7 d時,除CA1區(qū)、皮層以外,其在CA3區(qū)的表達也顯著增加。這表明在觀察期內(nèi),隨著缺血時間的延長,α-synuclein在神經(jīng)元的積聚增加,截至觀察期(7 d)結束,其在CA1區(qū)、CA3區(qū)和皮層的表達均顯著增加。
綜上所述,缺血后2 d,與假手術組相比,模型組不同腦區(qū)神經(jīng)元突觸均受到缺血性損傷,表現(xiàn)為PSD-95、synapsin-I表達水平下降以及 α-synuclein 的積聚;缺血后 7 d,盡管 PSD-95 和 synapsin-I表達水平較2 d略有升高,但仍舊顯著低于假手術組表達水平,且α-synuclein表達水平高于假手術,這表明,截至到缺血后7 d,突觸功能尚沒有完全恢復。值得注意的是,缺血損傷發(fā)生后,腦內(nèi)突觸功能存在重建過程[25,26],許多因素可以增加突觸相關功能蛋白的表達,促進突觸功能的恢復。
近年來突觸功能與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關系日益受到關注,改善突觸功能、增強突觸傳遞將為疾病的治療提供新的思路和方法。了解疾病發(fā)生后突觸功能的改變,對關鍵蛋白、基因表達進行干預,或可以保護神經(jīng)元,減輕缺血性損傷。在今后的研究中,應考慮延長觀察時間,從而更為全面地觀察腦缺血發(fā)生后突觸相關蛋白的表達動態(tài),以評價突觸重建與缺血時間的關系,為藥物干預時間窗的確定提供數(shù)據(jù)支持。
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Immunohistochemical Observation of Brain Synaptic Proteins in the Rat Models of Permanent Middle Cerebral Artery Occlusion(pMCAO)
LIU Yang1,SUN Jian-ning1,DONG Shi-fen1,LIU Ming2,ZHANG Yi1,ZHANG Shuo-feng1
(1.School of Materia Medica,Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100102,China;2.Guiyang College of Traditional Chinese Medicine,Guiyang 100102)
Objective To observe synaptic protein expressions in the brain of permanent middle cerebral artery occlusion(pMCAO)model rats on 2 and 7 after ischemic attack.Methods To establish a rat model of pMCAO.The rats with ischemia were randomly divided into 2-day group and 7-day group,taking rats with no occlusion as the sham group.On d 2 and d 7 post-operation,pathological changes in ischemic brain tissue were observed with H&E staining,and expression of synapsin-I,postsynaptic density protein 95(PSD-95),α-synuclein were examined with immunohistochemical staining.Results Compared with the sham group,there were a large amount of neurons lost,and degeneration and necrosis of scattered neurons in the brain tissue in the model group.On the 2ndday post-ischemia,in the model group,expressions of synapsin-I in the CA1 and CA3 regions and cortex were significantly reduced(P <0.05 or P <0.01),PSD-95 in CA1 region and cortex was significantly reduced(P < 0.05 or P < 0.01),while α-synuclein in CA1 region significantly accumulated(P <0.01).On the 7thday after ischemia,in the model group expression of synapsin-I in CA1 region and cortex were still significantly reduced(P <0.01),PSD-95 in CA1 region and cortex also significantly reduced(P <0.05 or P <0.01),and α-synuclein in CA1,CA3 regions and cortex was significantly increased(P <0.05 or P <0.01).Conclusions In the brain tissue of pMCAO model rats,expression of synaptic proteins is significantly changed and varies along with the time-course of ischemia,probably,it might be related to synapse remodeling.The expression of synapse-associated proteins is closely related to the degree of ischemic injury.
Permanent middle cerebral artery occlusion,pMCAO;rat model;Synapsin-I;PSD-95; α-synuclein
R743.3;R33
A
1671-7856(2012)08-0043-05
10.3969.j.issn.1671.7856.2012.008.010
2012-05-09
A:假手術組-CA1區(qū) B:假手術組-CA3區(qū) C:假手術組-皮層D:模型組-CA1區(qū) E:模型組-CA3 F:模型組-皮層
圖1 大鼠HE染色病理學觀察(缺血后2 d)
Note: A: Sham group - CA1; B: Sham group - CA3; C: Sham group - cortex;D: pMCAO group - CA1; E: pMCAO group - CA3; F: pMCAO group - cortex.
Fig.1 Histopathological changes of the brain tissue at 2 days post-occlusion (HE staining).
G:假手術組-CA1區(qū) H:假手術組-CA3區(qū) I:假手術組-皮層J:模型組-CA1區(qū) K:模型組-CA3 L:模型組-皮層
圖2 大鼠HE染色病理學觀察(缺血后7 d)
Note: G: Sham group - CA1; H: Sham group - CA3; I: Sham group - cortex;J: pMCAO group - CA1; K: pMCAO group - CA3; L: pMCAO group - cortex.
Fig.2 Histopathological changes of the brain tissue in the rats at 7 days post-occlusion. HE staining
劉洋(1984-),女,博士研究生,研究方向為中藥防治心腦血管疾病研究。E-mail:echoinapril@163.com。
孫建寧(1952-),女,教授,博士生導師,從事中藥防治重大疾病創(chuàng)新藥物研究,E-mail:jn_sun@sina.com。