蔡琳 隋大鳴 付海鈺 査鵬 古小平 鞏固
異氟醚是一種常用的吸入性麻醉劑,能夠阻礙大腦海馬區(qū)功能并導(dǎo)致記憶和認(rèn)知功能障礙[1]。有大量研究發(fā)現(xiàn),誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡、氧化應(yīng)激和線(xiàn)粒體功能障礙是異氟醚產(chǎn)生細(xì)胞毒性作用的主要因素[2]。小窩是已分化細(xì)胞的細(xì)胞膜上凹陷,小窩蛋白是小窩的主要成分,包含3個(gè)家族成員,即小窩蛋白1(caveolin-1,Cav-1)、Cav-2和Cav-3。Cav-1是細(xì)胞“脂筏”的重要標(biāo)記蛋白,廣泛參與細(xì)胞遷移、腫瘤形成、神經(jīng)發(fā)育以及干細(xì)胞增殖活動(dòng)[3]。Cav-2與Cav-1通常表達(dá)于非肌肉細(xì)胞中,而Cav-3則在肌肉細(xì)胞中表達(dá)豐富。三者在哺乳動(dòng)物大腦中均有表達(dá),參與細(xì)胞胞吞、膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程,同時(shí)也參與腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)/酪氨酸激酶受體B(tyrosine receptor kinase B,TrkB)、細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)等多種細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程,對(duì)細(xì)胞正常生命活動(dòng)具有重要意義[4-6]。小窩蛋白在神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育及正常功能中發(fā)揮不可或缺的重要作用[7-8]。本研究探索了異氟醚對(duì)小窩蛋白表達(dá)的影響及小窩蛋白的作用,旨在闡明異氟醚產(chǎn)生神經(jīng)毒性的作用機(jī)制。
1.1實(shí)驗(yàn)材料HEK293細(xì)胞購(gòu)自美國(guó)典型培養(yǎng)物保藏中心(ATCC),阿糖胞苷購(gòu)自上海生工,異氟醚購(gòu)自上海雅培,DMEM培養(yǎng)基、胰酶、胎牛血清、內(nèi)切酶BamHⅠ、SalⅠ、pDC315腺病毒質(zhì)粒、腺病毒包裝質(zhì)粒、Trizol試劑、cDNA反轉(zhuǎn)錄試劑盒、Fast SYBRTMGreen Master Mix購(gòu)自美國(guó)Thermo Fisher公司,Cav-1抗體、Cav-2抗體、Cav-3抗體、BDNF抗體、ERK1/2抗體、p-ERK1/2抗體、TrkB抗體、內(nèi)參GAPDH抗體購(gòu)自美國(guó)R&D system公司,聚偏氟乙烯膜、Braford蛋白濃度測(cè)定試劑盒、噻唑藍(lán)(MTT)試劑盒、ECL試劑盒、二甲基亞砜購(gòu)自江蘇碧云天生物公司。
1.2動(dòng)物SPF級(jí)SD大鼠共40只,購(gòu)自北京維通利華公司〔許可證號(hào)SCXK(京)2016-0006〕,雌雄各半,7周齡。隨機(jī)分為對(duì)照組、異氟醚1組(ISO1)、異氟醚2組(ISO2)、異氟醚3組(ISO3),每組10只。
1.3方法
1.3.1異氟醚處理大鼠模型:大鼠適應(yīng)性飼養(yǎng)1周,自由飲食,飼養(yǎng)溫度(21±2)℃,濕度30%~70%,12 h/12 h光照周期。調(diào)整麻醉機(jī)氣體總流量為2 L/min,對(duì)照組吸入40%氧氣2 h,ISO1、ISO2、ISO3組大鼠首先吸入3%(體積分?jǐn)?shù))異氟醚,待夾尾反射消失后,分別調(diào)整異氟醚濃度為1.2%、1.8%、2.4%(均為體積分?jǐn)?shù)),維持2 h,麻醉同時(shí)吸入40%氧氣。麻醉結(jié)束后待大鼠自然蘇醒。
1.3.2Morris水迷宮實(shí)驗(yàn):大鼠蘇醒24 h后進(jìn)行5 d水迷宮實(shí)驗(yàn)。Morris水迷宮裝置直徑1.2 m、高0.5 m,并平均劃分為四個(gè)象限,將平臺(tái)置于第二象限中央,并低于水面2 cm,水溫維持(22±4)℃。實(shí)驗(yàn)前將大鼠置于水迷宮裝置熟悉環(huán)境,同時(shí)剔除不會(huì)游泳大鼠。前4 d進(jìn)行定向航行實(shí)驗(yàn):將大鼠從4個(gè)象限上不同的入水點(diǎn)放入水中,記錄大鼠從水中尋找并爬上平臺(tái)的時(shí)間即為逃避潛伏期(escape latency)。每只大鼠每天訓(xùn)練4次,每次間隔0.5 h。第5天進(jìn)行空間探索實(shí)驗(yàn):將平臺(tái)撤除,將大鼠從第四象限入水點(diǎn)放入水中,記錄大鼠在第二象限(原平臺(tái)放置處)停留時(shí)間(總時(shí)間設(shè)定為1 min),即為空間探索時(shí)間。
1.3.3大鼠原代海馬神經(jīng)元分離、培養(yǎng):具體方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9]。取8只初生的SD大鼠(孕鼠購(gòu)自北京維通利華公司)分離兩側(cè)海馬,將組織剪碎置于離心管,加入1.25 g/L胰酶于37℃、5%(體積分?jǐn)?shù))CO2培養(yǎng)箱消化20 min,然后加入含10%(體積分?jǐn)?shù))胎牛血清的DMEM培養(yǎng)基終止消化,離心(1000 r/min,5 min)洗滌2次。隨后用200目篩網(wǎng)過(guò)濾,臺(tái)盼藍(lán)染色計(jì)數(shù),將細(xì)胞水平調(diào)整為5×104個(gè)/mL并接種于包被有多聚賴(lài)氨酸的培養(yǎng)板上,培養(yǎng)于37℃、5%(體積分?jǐn)?shù))CO2培養(yǎng)箱中。培養(yǎng)3~5 d后加入終濃度為3 μg/mL的阿糖胞苷以抑制非神經(jīng)細(xì)胞的增殖。此后,海馬神經(jīng)元培養(yǎng)于含10%(體積分?jǐn)?shù))馬血清的DMEM培養(yǎng)基中,每周換液3次。培養(yǎng)2周后,采集海馬神經(jīng)元備用。將海馬神經(jīng)元隨機(jī)分為對(duì)照組、異氟醚(ISO)組、對(duì)照腺病毒轉(zhuǎn)染(Ad-GFP)+ISO組、Cav-1過(guò)表達(dá)腺病毒轉(zhuǎn)染(Ad-Cav-1)+ISO組,每組樣本數(shù)10。ISO組細(xì)胞于2.4%異氟醚環(huán)境中暴露2 h,Ad-GFP+ISO組和Ad-Cav-1+ISO組細(xì)胞分別轉(zhuǎn)染腺病毒Ad-GFP和Ad-Cav-1后于2.4%異氟醚環(huán)境中暴露2 h,對(duì)照組細(xì)胞則添加等體積溶媒處理并置正常環(huán)境中培養(yǎng)。
1.3.4腺病毒過(guò)表達(dá)載體構(gòu)建與轉(zhuǎn)染:擴(kuò)增Cav-1基因全長(zhǎng),內(nèi)切酶BamHⅠ和SalⅠ雙酶切后插入pDC315腺病毒質(zhì)粒載體(重組pDC315-Cav-1質(zhì)粒)。在脂質(zhì)體的輔助作用下,pDC315-Cav-1重組質(zhì)粒與腺病毒包裝質(zhì)粒共轉(zhuǎn)染工具細(xì)胞HEK293。轉(zhuǎn)染48 h后反復(fù)凍融收集腺病毒Ad-Cav-1,擴(kuò)增并測(cè)序,鑒定重組腺病毒。海馬神經(jīng)元細(xì)胞異氟醚處理前48 h,將海馬神經(jīng)元細(xì)胞按照1×105/孔接種于六孔細(xì)胞培養(yǎng)板上轉(zhuǎn)染腺病毒Ad-GFP或者Ad-Cav-1,轉(zhuǎn)染復(fù)數(shù)均為150 MOI。轉(zhuǎn)染24 h后,熒光顯微鏡觀(guān)察細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率,同時(shí)利用Western blot檢測(cè)Cav-1的相對(duì)表達(dá)量。
1.3.5熒光實(shí)時(shí)定量PCR(qRT-PCR)分析:利用Trizol試劑提取大鼠海馬組織(異氟醚處理后第5天取大鼠海馬組織)或海馬神經(jīng)元細(xì)胞總RNA(異氟醚處理后24 h收集細(xì)胞),cDNA反轉(zhuǎn)錄試劑盒合成cDNA第一鏈用作擴(kuò)增模板。擴(kuò)增體系:總體積20 μL,上、下游引物各0.5 μL,F(xiàn)ast SYBRTMGreen Master Mix 10 μL,模板 2 μL,ddH2O 7 μL。擴(kuò)增條件:95℃ 2 min;94℃ 20 s,60℃ 20 s,40 個(gè)循環(huán),溶解曲線(xiàn)溫度 65~95℃。使用β-actin作為定量?jī)?nèi)參,根據(jù)PCR反應(yīng)得出的循環(huán)閾值(cycle threshold value,Ct),由2-ΔΔCt公式計(jì)算目的基因相對(duì)表達(dá)量。本實(shí)驗(yàn)使用基因擴(kuò)增引物有:Cav-1:上游引物5′-AGTGCATCAGCCGTGTCTAT-3′,下游引物5′-TCACGGCTGTGATAGCAACTT-3′;Cav-2:上游引物5′ -TTGGCCTTCATTGCGGGTAT-3′,下游引物5′-AGAGGAGAAGATGCGCCCTA-3′;Cav-3,上游引物5 ′-AGATCTGGAGGCACGGATCA-3′,下游引物5′-ACGCCATCGAAGCTGTAAGT-3′;β-actin,上游引物5′-GGCTCTATCCTGGCCTCACT-3′,下游引物5′ -GGTGTAAAACGCAGCTCAGTAA-3′。
1.3.6Western blot分析:異氟醚處理后第5天取大鼠海馬組織,體外細(xì)胞經(jīng)異氟醚處理后24 h收集海馬神經(jīng)元。將分離的大鼠海馬組織和海馬神經(jīng)元細(xì)胞勻漿添加RIPA裂解液〔50 mmol/L Tris(pH 7.4)、150 mmol/L氯化鈉、1%(質(zhì)量濃度)Triton X-100、1%(質(zhì)量濃度)去氧膽酸鈉、0.1%(質(zhì)量濃度)SDS、0.1 g/L PMSF〕提取總蛋白,利用Braford法測(cè)定蛋白濃度。取40 μg蛋白上樣,十二烷基磺酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)分離蛋白。電泳結(jié)束后將蛋白通過(guò)濕法轉(zhuǎn)移至聚偏氟乙烯膜(PVDF)上,將PVDF膜用5%(質(zhì)量濃度)脫脂奶粉在室溫下封閉2 h。TPBS漂洗3次,添加第一抗體在4℃中封閉過(guò)夜。第一抗體有Cav-1抗體(1∶800)、Cav-2抗體(1∶800)、Cav-3抗體(1∶800)、BDNF抗體(1∶1000)、ERK1/2抗體(1∶1000)、p-ERK1/2抗體(1∶1000)、TrkB抗體(1∶1000)、內(nèi)參GAPDH抗體(1∶1000)。T-PBS漂洗3次,添加辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記的兔抗小鼠第二抗體(1∶5000)于37℃孵育2 h,ECL試劑盒顯影,利用Image J軟件檢測(cè)相對(duì)表達(dá)量。
1.3.7細(xì)胞存活檢測(cè):噻唑藍(lán)法(MTT)檢測(cè)神經(jīng)細(xì)胞存活。將細(xì)胞按1×105個(gè)/孔接種于24孔細(xì)胞培養(yǎng)板,加入10%(體積分?jǐn)?shù))胎牛血清的DMEM培養(yǎng)液培養(yǎng)48 h,隨后腺病毒Ad-Cav-1轉(zhuǎn)染并經(jīng)2.4%異氟醚處理后,分別于第1、2、3、4、5天進(jìn)行MTT檢測(cè)。每孔加入20 μL MTT(5 mg/mL)后培養(yǎng) 4 h。去掉上清,每孔150 μL加入二甲基亞砜(DMSO)?;靹蚝笥妹笜?biāo)儀于490 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度值。
1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)處理采用SPSS13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì),符合正態(tài)性分布的計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,多組均數(shù)比較采用單因素方差分析(one-way ANOVA),兩兩比較采用SNK-q檢驗(yàn)。以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
2.1Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)麻醉蘇醒后第2、3天,ISO1、ISO2和ISO3組大鼠逃避潛伏期顯著長(zhǎng)于對(duì)照組(P<0.05);第4天,ISO2和ISO3組大鼠逃避潛伏期明顯長(zhǎng)于對(duì)照組和ISO1組(P<0.05);第1、5天,4組大鼠逃避潛伏期無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。各組大鼠空間探索時(shí)間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。結(jié)果見(jiàn)表1。
2.2大鼠海馬區(qū)CavmRNA表達(dá)4組大鼠海馬區(qū)Cav-1、Cav-2、Cav-3 mRNA表達(dá)水平比較均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(FCav-1=104.252,F(xiàn)Cav-2=46.638,F(xiàn)Cav-3=9.264,均P<0.01),且兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)圖1。
表1 各組大鼠麻醉蘇醒后不同時(shí)間逃避潛伏期和空間探索時(shí)間比較(±s,s)
注:ISO1、ISO2、ISO3組:分別用異氟醚1.2%、1.8%、2.4%干預(yù),圖1~5同;與對(duì)照組比較,aP<0.05;與ISO1組比較,bP<0.05;與ISO2組比較,cP<0.05
注:Cav:小窩蛋白,圖2、3、6、7同;與對(duì)照組比較,aP<0.05;與ISO1組比較,bP<0.05;與ISO2組比較,cP<0.05 圖 1 熒光實(shí)時(shí)定量PCR檢測(cè)各組大鼠海馬區(qū)Cav mRNA相對(duì)表達(dá)量
2.3各組大鼠海馬區(qū)Cav蛋白表達(dá)4組大鼠海馬區(qū)Cav-1、Cav-2、Cav-3 蛋白表達(dá)水平比較均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(FCav-1=111.279,F(xiàn)Cav-2=45.608,F(xiàn)Cav-3=69.854,均P<0.01),且兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)圖2、3。
注:GAPDH:甘油醛-3-磷酸脫氫酶,圖4、6同 圖 2 Western blot檢測(cè)各組大鼠海馬區(qū)Cav蛋白印跡條帶圖
注:與對(duì)照組比較,aP<0.05;與ISO1組比較,bP<0.05;與ISO2組比較,cP<0.05 圖 3 Western blot檢測(cè)各組大鼠海馬區(qū)Cav蛋白相對(duì)表達(dá)量
2.4各組大鼠海馬區(qū)BDNF、p-ERK1/2和TrkB表達(dá)各組大鼠海馬BDNF、TrkB和p-ERK1/2蛋白表達(dá)水平比較均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(FBDNF=20.593,F(xiàn)TrkB=38.544,F(xiàn)p-ERK1/2=26.763,均P<0.01);與對(duì)照組比較,ISO1、ISO2和ISO3組大鼠BDNF、TrkB和p-ERK1/2蛋白表達(dá)降低(P<0.05)。而各組大鼠ERK1/2蛋白水平比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(F=1.052,P=0.305)。見(jiàn)圖4、5。
注:BDNF:腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子,TrkB:酪氨酸激酶受體B,ERK1/2:細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2,p-ERK1/2:磷酸化細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2;圖5同 圖 4 Western blot檢測(cè)大鼠海馬區(qū)BDNF、TrkB、ERK1/2和p-ERK1/2印跡條帶圖
注:與對(duì)照組比較,aP<0.05;與ISO1組比較,bP<0.05;與ISO2組比較,cP<0.05 圖 5 Western blot檢測(cè)大鼠海馬區(qū)BDNF、TrkB、ERK1/2和p-ERK1/2蛋白相對(duì)表達(dá)水平
2.5過(guò)表達(dá)Cav-1拮抗異氟醚誘導(dǎo)的細(xì)胞活性抑制與對(duì)照組比較,異氟醚處理能夠明顯降低海馬神經(jīng)元的存活,并抑制細(xì)胞Cav-1的表達(dá)(F=229.593,P<0.01)。與ISO組及Ad-GFP組比較,Ad-Cav-1組細(xì)胞Cav-1的表達(dá)增加,細(xì)胞存活率升高(F2 d=6.798,F(xiàn)3 d=40.231,F(xiàn)4 d=88.646,F(xiàn)5 d=82.765,均P<0.01)。見(jiàn)圖6~8。
注:ISO:異氟醚組,Ad-GFP+ISO:對(duì)照腺病毒轉(zhuǎn)染+異氟醚組,Ad-Cav-1+ISO:Cav-1過(guò)表達(dá)腺病毒轉(zhuǎn)染+異氟醚組;圖7、8同 圖 6 Western blot大鼠海馬神經(jīng)元Cav-1蛋白印跡條帶圖
注:與對(duì)照組比較,aP<0.05;與Ad-GFP+ISO組比較,bP<0.05 圖 7 Western blot檢測(cè)大鼠海馬神經(jīng)元Cav-1相對(duì)表達(dá)量
注:與對(duì)照組比較,aP<0.05;與Ad-GFP+ISO比較,bP<0.05 圖 8 大鼠海馬神經(jīng)元活性檢測(cè)(MMT法)
異氟醚是臨床上廣泛使用的吸入性全身麻醉劑,但研究發(fā)現(xiàn)異氟醚對(duì)大腦海馬神經(jīng)元以及學(xué)習(xí)和記憶功能具有損害作用。因此闡明其作用機(jī)制對(duì)于制定相關(guān)臨床規(guī)范、減輕其副作用具有重要意義。Morris水迷宮是觀(guān)察動(dòng)物模型學(xué)習(xí)和記憶功能損傷的常用經(jīng)典實(shí)驗(yàn)裝置[10]。本研究發(fā)現(xiàn),盡管麻醉蘇醒后第1天各組大鼠平均逃避潛伏期無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,但從第2天起,各異氟醚處理組大鼠的逃避潛伏期明顯長(zhǎng)于對(duì)照組,隨著蘇醒后時(shí)間的增加,至第5天各組大鼠平均逃避潛伏期比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,且各組大鼠的空間探索時(shí)間也無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,表明在1.2%至2.4%濃度下異氟醚對(duì)大鼠學(xué)習(xí)記憶能力的影響具有時(shí)效性;同時(shí),在蘇醒后第4天,低劑量異醚處理大鼠的平均逃避潛伏期與對(duì)照組相當(dāng),而明顯短于另外兩處理組,提示較低劑量的異氟醚對(duì)大鼠的影響也相對(duì)較小,大鼠學(xué)習(xí)能力恢復(fù)較快。
Zhou等[11]研究發(fā)現(xiàn)糖尿病大鼠空間記憶能力與海馬區(qū)Cav-1的表達(dá)水平相關(guān)。海馬神經(jīng)元突觸可塑性影響動(dòng)物的空間學(xué)習(xí)能力[12],而Cav-1參與了海馬神經(jīng)元突觸可塑性調(diào)節(jié)[13]。本實(shí)驗(yàn)在大鼠蘇醒后24 h檢測(cè)大鼠海馬組織Cav-1、Cav-2和Cav-3 mRNA和蛋白的表達(dá),盡管在此時(shí)間點(diǎn)檢測(cè)大鼠學(xué)習(xí)記憶能力尚無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,然而細(xì)胞基因表達(dá)的變化通常對(duì)外界刺激反應(yīng)較快。本實(shí)驗(yàn)即發(fā)現(xiàn),在大鼠蘇醒后24 h時(shí)間點(diǎn),Cav-1、Cav-2和Cav-3 mRNA和蛋白水平均下調(diào),表明異氟醚可作用于海馬區(qū)組織,誘導(dǎo)小窩蛋白家族表達(dá)變化。既往研究發(fā)現(xiàn)異氟醚可作用于海馬區(qū)神經(jīng)元并影響突觸可塑性[14],因此異氟醚的神經(jīng)毒性作用可能與小窩蛋白有關(guān)。另有研究發(fā)現(xiàn)異氟醚能夠促進(jìn)新生大鼠海馬組織p38和JNK的磷酸化而抑制ERK1/2磷酸化并誘導(dǎo)海馬神經(jīng)元凋亡[15-16]。本研究結(jié)果顯示,與小窩蛋白家族表達(dá)變化相對(duì)應(yīng),異氟醚處理后大鼠海馬區(qū)BDNF和TrkB的表達(dá)明顯降低,信號(hào)蛋白ERK1/2蛋白表達(dá)總量未受到異氟醚影響,然而其活化蛋白p-ERK1/2表達(dá)水平明顯降低,表明異氟醚具有抑制神經(jīng)細(xì)胞或膠質(zhì)細(xì)胞中ERK1/2信號(hào)的傳導(dǎo)。小窩蛋白是細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)的重要介質(zhì),異氟醚是否通過(guò)小窩蛋白家族影響ERK1/2信號(hào)在海馬神經(jīng)元中的傳導(dǎo),尚需要進(jìn)一步研究證實(shí)。
本研究體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,2.4%濃度異氟醚處理顯著降低大鼠神經(jīng)元的存活,同時(shí)下調(diào)Cav-1蛋白表達(dá)水平,進(jìn)一步驗(yàn)證了異氟醚對(duì)神經(jīng)元的細(xì)胞毒性作用。由于大鼠體內(nèi)Cav-1的下調(diào)幅度大于Cav-2和Cav-3蛋白(2.4%濃度),因此本課題組利用Cav-1過(guò)表達(dá)腺病毒載體感染神經(jīng)元細(xì)胞,驗(yàn)證Cav-1在大鼠海馬神經(jīng)元中的作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Cav-1高表達(dá)的海馬神經(jīng)元細(xì)胞存活率高于對(duì)照轉(zhuǎn)染細(xì)胞,證明Cav-1可拮抗異氟醚對(duì)神經(jīng)元的毒性作用。
綜上所述,本研究結(jié)果顯示,異氟醚可影響大鼠學(xué)習(xí)記憶能力并降低海馬區(qū)小窩蛋白的表達(dá),過(guò)表達(dá)Cav-1可拮抗異氟醚的體外毒性作用。
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