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        七氟烷和地氟烷對(duì)發(fā)育中大腦神經(jīng)元可塑性的影響

        2019-07-08 10:45:22石寶序邵安勝
        醫(yī)藥導(dǎo)報(bào) 2019年7期
        關(guān)鍵詞:可塑性氟烷海馬

        石寶序,邵安勝

        (山東省日照市嵐山區(qū)人民醫(yī)院1.神經(jīng)內(nèi)科;2.急診內(nèi)科,日照 276800)

        神經(jīng)元可塑性是指在神經(jīng)元再生、損傷或死亡過(guò)程中,神經(jīng)元到神經(jīng)環(huán)路所發(fā)生的適應(yīng)性變化,這種變化可發(fā)生在大腦發(fā)育和成熟階段,并存在于中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)[1]。中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有高度可塑性,并且受到內(nèi)在因素和外界因素的影響[2]。神經(jīng)元可塑性的變化主要表現(xiàn)為大腦學(xué)習(xí)記憶功能、神經(jīng)元突觸、神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的變化等[3]。在發(fā)育中大腦中,大腦神經(jīng)元可塑性具有重要作用[4]。突觸素是神經(jīng)可塑性的分子標(biāo)志之一,可作為神經(jīng)元可塑性受損傷程度的指標(biāo)[5]。當(dāng)大鼠神經(jīng)元可塑性受到損傷后,大鼠腦內(nèi)突觸體內(nèi)突觸素免疫活性下降[5]。大量研究證明,吸入性麻醉氣體對(duì)人體具有神經(jīng)毒性[6]。七氟烷和地氟烷是兩種吸入性麻醉氣體,臨床常用于嬰幼兒麻醉[7]。嬰幼兒時(shí)期是大腦發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期,對(duì)內(nèi)外環(huán)境變化十分敏感[8]。然而,目前對(duì)于七氟烷和地氟烷毒性作用的研究主要集中在老年大鼠,對(duì)于發(fā)育中大鼠的研究筆者較少見到。近期研究發(fā)現(xiàn),急性暴露于吸入性麻醉劑會(huì)導(dǎo)致發(fā)育中大腦的病理性損傷,嚴(yán)重者可導(dǎo)致學(xué)習(xí)和記憶功能障礙[9]。筆者在本研究中對(duì)1個(gè)月齡SD大鼠分別給予3%七氟烷和地氟烷麻醉,其濃度接近于臨床嬰幼兒七氟烷和地氟烷麻醉劑量,以探討七氟烷和地氟烷對(duì)發(fā)育中大腦神經(jīng)元可塑性的影響,并研究其可能的作用機(jī)制。

        1 材料與方法

        1.1實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 1個(gè)月齡清潔級(jí)健康雄性SD大鼠,體質(zhì)量100~105 g,購(gòu)自北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生產(chǎn)許可證號(hào):SYXK(京)2017-0022。飼養(yǎng)室溫度(23±2)℃,相對(duì)濕度45%~50%,每天光照時(shí)間12 h,自由進(jìn)食、進(jìn)水,適應(yīng)性飼養(yǎng)1周。

        1.2主要試劑 七氟烷(Sev,山東魯南貝特制藥有限公司,批號(hào):65120501,設(shè)定出氣口七氟烷濃度3.2%)和地氟烷(Des,百特公司,批號(hào):3957,設(shè)定出氣口地氟烷濃度7.5%);內(nèi)源性大麻素2-AG注射液購(gòu)自江蘇瑞恒醫(yī)藥股份有限公司(批號(hào):20112548,分析純);二喹啉甲酸(bicinchoninic acid,BCA)蛋白濃度測(cè)定試劑盒及增強(qiáng)化學(xué)發(fā)光(enhanced chemilumin escence,ECL)發(fā)光試劑盒購(gòu)自碧云天生物技術(shù)研究所(批號(hào):20140303);具脫氧尿苷單克隆(BrdU)抗體、人生長(zhǎng)相關(guān)蛋白-43(grouth-associated protein-43,GAP-43)抗體、磷酯化神經(jīng)突觸素(phosphorvlated neuro syna ptophysin,SYN)抗體、微管相關(guān)蛋白2(microtubule associated protein,MAP-2)抗體和β-actin抗體均購(gòu)自Abcom公司;其余為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭?/p>

        1.3大鼠的分組及給藥 選取1個(gè)月齡清潔級(jí)健康雄性SD大鼠60只,采用隨機(jī)數(shù)字法分為正常對(duì)照組、七氟烷組和地氟烷組,每組20只。大鼠禁食禁水12 h。以100%氧氣作為載氣,流量設(shè)置為2 L·min-1,麻醉箱內(nèi)溫度設(shè)定為37~38 ℃。當(dāng)麻醉箱內(nèi)七氟烷和地氟烷分別達(dá)到5%時(shí),將大鼠放入麻醉箱內(nèi),開始計(jì)時(shí)并保持吸入4 h。各箱氣體濃度采用麻醉氣體監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)。

        1.4行為學(xué)觀察 采用電刺激逃避即跳臺(tái)法觀察大鼠行為學(xué)特征。大鼠學(xué)習(xí)記憶功能的觀察指標(biāo)為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各大鼠出現(xiàn)的錯(cuò)誤反應(yīng)次數(shù)和潛伏期。

        實(shí)驗(yàn)裝置:跳臺(tái)裝置為 120 cm×80 cm×24 cm 有機(jī)玻璃箱,刺激電極為箱底銅柵。將箱子平均分為5格,大鼠回避電擊的安全臺(tái)為每格內(nèi)分別放置高 8.5 cm,直徑 10.5 cm 橡膠墊。

        實(shí)驗(yàn)過(guò)程:將大鼠放入試驗(yàn)箱內(nèi)適應(yīng)5 min,以36 V交流電電擊大鼠。大鼠在遭電擊后逃上橡膠墊,再?gòu)南鹉z墊上跳下,以雙足接觸銅柵遭到電擊為錯(cuò)誤反應(yīng)次數(shù)1次。先對(duì)大鼠進(jìn)行3 min訓(xùn)練,并記錄錯(cuò)誤反應(yīng)次數(shù)。24 h后再進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法同上,以大鼠首次從橡膠墊跳下時(shí)開始計(jì)時(shí),作為大鼠觸電潛伏期,并以大鼠第1次和第2次測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤次數(shù)作為學(xué)習(xí)記憶功能的觀察指標(biāo)。

        1.5BrdU標(biāo)記反應(yīng) 實(shí)驗(yàn)中大鼠腹腔注射BrdU溶液,50 mg·kg-1,共6 d,第7 天處死。迅速取出大鼠海馬組織,每組隨機(jī)選取6只大鼠對(duì)海馬組織進(jìn)行染色。經(jīng)磷酸鹽緩沖液(phosplate buffer saline,PBS)洗滌,4%多聚甲醛固定,山羊血清封閉,BrdU一抗工作液室溫孵育3 h。孵育結(jié)束后,采用二抗工作液室溫孵育15 min。顯色后,經(jīng)蘇木精復(fù)染,脫水,透明,封片。熒光顯微鏡下觀察并分析。Image Pro Plus 6.0對(duì)圖像進(jìn)行半定量分析,并計(jì)算陽(yáng)性細(xì)胞的積分吸光度值(A值),其中陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)的強(qiáng)度和數(shù)量與A值成正比。

        1.6大鼠海馬組織相關(guān)蛋白的檢測(cè) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后處死大鼠,迅速分離海馬組織,-80 ℃保存?zhèn)溆谩L崛∧X組織蛋白,采用Western bloting檢測(cè)海馬組織GAP-43、SYN和MAP-2蛋白表達(dá)水平。

        將大鼠海馬組織置于研缽,加入一定體積蛋白裂解液,充分研磨,于冰上裂解30 min,4 ℃下12 000×g離心10 min,吸取上清液,并使用BCA蛋白濃度試劑盒對(duì)其進(jìn)行蛋白定量。選取5%濃縮膠和10%分離膠,取20 μL蛋白樣品進(jìn)行上樣,電泳結(jié)束后,將蛋白轉(zhuǎn)移至PVDF膜上。10%脫脂乳粉溶液封閉2 h,一抗(1:1000)4 ℃孵育過(guò)夜。TBST洗膜3次,每次15 min,二抗(1:4000)室溫孵育2 h,TBST洗膜3次。化學(xué)發(fā)光法對(duì)蛋白顯色。

        2 結(jié)果

        2.1對(duì)發(fā)育中大鼠逃避行為潛伏期的影響 正常對(duì)照組、七氟烷組、地氟烷組潛伏期分別為(53.32±6.34),(35.34±3.37),(36.94±4.14) s。行為學(xué)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明,與正常對(duì)照組比較,七氟烷組和地氟烷組第一次跳下平臺(tái)潛伏期均顯著縮短(P<0.01),提示七氟烷和地氟烷對(duì)發(fā)育中大鼠的逃避行為潛伏期有消極影響。

        2.2對(duì)發(fā)育中大鼠學(xué)習(xí)記憶錯(cuò)誤次數(shù)的影響 正常對(duì)照組、七氟烷組、地氟烷組平均錯(cuò)誤反應(yīng)次數(shù)分別為(1.94±1.04),(4.47±1.59),(3.93±1.43)。與正常對(duì)照組比較,七氟烷組和地氟烷組錯(cuò)誤次數(shù)均顯著增加(P<0.01),提示七氟烷和地氟烷均可以在一定程度上損傷大鼠發(fā)育中大腦的學(xué)習(xí)記憶能力。

        2.3對(duì)發(fā)育中大鼠神經(jīng)干細(xì)胞增殖和分化的影響 正常對(duì)照組、七氟烷組、地氟烷組BrdU分別為(3.45±0.54)×105,(2.17±0.39)×105,(2.03±0.28)×105。BrdU標(biāo)記反應(yīng)結(jié)果顯示,與正常對(duì)照比較,七氟烷組和地氟烷組大鼠腦內(nèi)損傷區(qū)周圍BrdU標(biāo)記反應(yīng)顯著減弱(P<0.01),提示七氟烷和地氟烷與抑制發(fā)育中大腦內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞的增殖與分化有關(guān)。

        2.4對(duì)發(fā)育中大鼠海馬組織GAP-43蛋白表達(dá)的影響 見圖1。正常對(duì)照組、七氟烷組、地氟烷組GAP-43蛋白表達(dá)分別為(0.95±0.14),(0.27±0.09),(0.14±0.02)。Western Blot結(jié)果顯示,與正常對(duì)照組比較,七氟烷組和地氟烷組大鼠發(fā)育中腦內(nèi)海馬組織中GAP-43蛋白表達(dá)量均顯著降低(P<0.01),說(shuō)明七氟烷和地氟烷均能夠下調(diào)大腦發(fā)育過(guò)程中神經(jīng)元突起生長(zhǎng)相關(guān)蛋白GAP-43的表達(dá),從而抑制發(fā)育大腦神經(jīng)元的可塑性。

        2.5對(duì)發(fā)育中大鼠海馬組織中SYN蛋白表達(dá)的影響 見圖1。正常對(duì)照組、七氟烷組、地氟烷組SYN蛋白表達(dá)量分別為(0.91±0.14),(0.37±0.09),(0.23±0.08)。Western bloting結(jié)果顯示,與正常對(duì)照組比較,七氟烷組和地氟烷組大鼠發(fā)育中腦內(nèi)海馬組織中SYN蛋白表達(dá)量均顯著降低(P<0.01),說(shuō)明七氟烷和地氟烷均能夠下調(diào)大腦發(fā)育過(guò)程中神經(jīng)元突起生長(zhǎng)相關(guān)蛋白SYN的表達(dá),從而抑制發(fā)育大腦神經(jīng)元的可塑性。

        圖1 3組大鼠海馬組織GAP-43蛋白表達(dá)情況

        圖2 3組大鼠海馬組織SYN蛋白表達(dá)情況

        2.6對(duì)發(fā)育中大鼠海馬組織中MAP-2蛋白表達(dá)的影響 見圖2。正常對(duì)照組、七氟烷組、地氟烷組MAP-2的蛋白表達(dá)量分別為(0.86±0.11),(0.34±0.08),(0.27±0.06)。Western bloting結(jié)果顯示,與正常對(duì)照組比較,七氟烷組和地氟烷組大鼠發(fā)育中腦內(nèi)海馬組織中MAP-2蛋白表達(dá)量均顯著降低(P<0.01),提示七氟烷和地氟烷均能下調(diào)大腦發(fā)育過(guò)程中神經(jīng)元突起生長(zhǎng)相關(guān)蛋白MAP-2的表達(dá),從而抑制發(fā)育大腦神經(jīng)元的可塑性。

        圖3 3組大鼠海馬組織MAP-2蛋白表達(dá)情況

        3 討論

        嬰幼兒時(shí)期是大腦的發(fā)育時(shí)期,此時(shí)神經(jīng)可塑性強(qiáng),也是各種腦損傷治療的最佳時(shí)期,但也極易受到內(nèi)外因素影響[10]。嬰幼兒手術(shù)中,吸入性麻醉藥廣泛應(yīng)用于臨床[11]。吸入性麻醉藥主要作用為降低腦血管阻力、擴(kuò)張血管、增加腦血流等,其中七氟烷和地氟烷均具有較強(qiáng)的血管擴(kuò)張作用[12]。七氟烷作為常見吸入性麻醉藥,可快速使患者失去知覺,并在術(shù)后可快速恢復(fù),因此廣泛應(yīng)用于臨床手術(shù)[13]。地氟烷主要作用是使交感神經(jīng)興奮、心率增快、血壓升高,從而使腦部血流加速[14]。當(dāng)使用地氟烷麻醉時(shí),如在短時(shí)間內(nèi)提高地氟烷吸入劑量,可對(duì)大腦和心血管產(chǎn)生損傷。嬰幼兒時(shí)期是大腦發(fā)育高峰期,因此對(duì)吸入性麻醉藥較敏感[15]。吸入性麻醉藥具有一定程度神經(jīng)毒性,尤其是對(duì)發(fā)育中大腦學(xué)習(xí)記憶功能的損傷較顯著。本研究結(jié)果顯示,七氟烷和地氟烷均可以顯著增加大鼠錯(cuò)誤次數(shù),并顯著縮短第一次跳下平臺(tái)潛伏期,說(shuō)明七氟烷和地氟烷均可在一定程度上損傷大鼠發(fā)育中大腦的學(xué)習(xí)記憶能力。

        在哺乳動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng),神經(jīng)干細(xì)胞具有自我更新和向多種神經(jīng)細(xì)胞分化的潛力。腦部受損后,神經(jīng)干細(xì)胞發(fā)生增殖、分化及遷移現(xiàn)象,從而修復(fù)受損區(qū)域的神經(jīng)細(xì)胞[16]。BrdU作為一種DNA前體胸腺嘧啶核苷類似物,可通過(guò)標(biāo)記細(xì)胞反映神經(jīng)干細(xì)胞的增殖強(qiáng)度。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),七氟烷組和地氟烷組大鼠腦內(nèi)損傷區(qū)周圍BrdU的標(biāo)記反應(yīng)顯著減弱,推測(cè)七氟烷和地氟烷與抑制發(fā)育中大腦內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞的增殖與分化有關(guān),從而阻礙大腦受損部位的神經(jīng)修復(fù)過(guò)程。

        在中樞神經(jīng)系統(tǒng),神經(jīng)元可塑性是大腦學(xué)習(xí)記憶功能的基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn),多種蛋白參與調(diào)控神經(jīng)元的可塑性,如突觸形成的SYN、GAP-43和MAP-2[17]。研究發(fā)現(xiàn),大腦海馬組織是與學(xué)習(xí)記憶功能密切相關(guān)的區(qū)域,是神經(jīng)元可塑性常發(fā)生的部位。GAP-43作為神經(jīng)組織中與生長(zhǎng)相關(guān)的專一性蛋白,參與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育及再生,是神經(jīng)重塑的分子標(biāo)志之一。在神經(jīng)系統(tǒng)正常發(fā)育下,GAP-43蛋白表達(dá)量較高,而當(dāng)神經(jīng)系統(tǒng)受損后,GAP-43蛋白表達(dá)量顯著降低[18]。SYN是突觸中的特異性標(biāo)志膜蛋白,可調(diào)節(jié)突觸可塑性,并作為評(píng)價(jià)神經(jīng)元重塑性的標(biāo)志物[19]。在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中,SYN表達(dá)量可間接反映突觸大小和數(shù)量變化。MAP-2是微管相關(guān)蛋白家族成員之一,是神經(jīng)細(xì)胞的骨架成分,與突觸可塑性及神經(jīng)元的生長(zhǎng)再生具有密切的關(guān)系,可作為神經(jīng)系統(tǒng)可塑性的分子標(biāo)志物之一[20]。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)腦神經(jīng)受損后,大腦組織MAP-2表達(dá)顯著減少。本研究表明,七氟烷和地氟烷均能夠下調(diào)大腦發(fā)育過(guò)程中神經(jīng)重塑相關(guān)蛋白GAP-43、SYN和MAP-2的蛋白表達(dá),從而抑制發(fā)育大腦神經(jīng)元的可塑性。

        綜上所述,七氟烷和地氟烷均對(duì)發(fā)育中大腦的學(xué)習(xí)記憶能力具有一定的損傷作用,并可通過(guò)抑制內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞的增殖分化,下調(diào)大腦發(fā)育過(guò)程中神經(jīng)元突起生長(zhǎng)相關(guān)蛋白GAP-43、SYN和MAP-2的表達(dá),從而抑制發(fā)育大腦神經(jīng)元的可塑性。

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