馬少博 李 鈴 劉志剛 劉學(xué)波
(西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 陜西楊凌712100)
隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和醫(yī)療健康領(lǐng)域的進(jìn)步,我國社會人口結(jié)構(gòu)老齡化趨勢愈加明顯。目前我國超過65 周歲的老齡化人群已達(dá)到總?cè)藬?shù)的11.4%, 并且預(yù)計(jì)在2035年達(dá)到總?cè)藬?shù)的20%左右,促使中國進(jìn)入深度老齡化階段[1]。 隨著這一社會問題的加劇,衰老相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病,如阿爾茲海默癥、帕金森癥等腦健康問題日益凸顯。阿爾茨海默癥(Alzheimer’s Disease,AD)又稱為老年癡呆癥,是一種與衰老相關(guān)的精神退行性疾病,其特征是記憶力逐漸減退并伴隨著認(rèn)知障礙[2-3]。目前它的發(fā)病機(jī)制尚未明確, 而AD 往往伴隨著Aβ 的沉積、神經(jīng)炎癥的發(fā)生和Tau 蛋白的過度磷酸化[4]。 Tau 蛋白的過度磷酸化已被證明與胰島素信號的抑制相關(guān)[5]。 近年來,通過調(diào)整膳食結(jié)構(gòu)干預(yù)并改善腦健康已經(jīng)成為食品營養(yǎng)學(xué)的研究熱點(diǎn)。 已有大量研究從植物中分離出多種具有潛在神經(jīng)保護(hù)作用的多酚、類胡蘿卜素、木脂素類活性成分[6-9]。
芝麻素是我國特色油料作物芝麻中的一種主要的木脂素類活性物質(zhì), 在芝麻籽中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%~0.5%[10],分子式為C20H18O6,其化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖1a 所示。 研究表明,芝麻素具有抗氧化、抗衰老、抗炎、 減少動脈粥樣硬化和抗高血壓等生理功能[11-14],可作為膳食減脂補(bǔ)充劑。有研究[6-7]證明,膳食補(bǔ)充芝麻素可抑制慢性壓力模型小鼠中腦部神經(jīng)炎癥, 增加突觸可塑性并改善小鼠認(rèn)知及情緒障礙,還可以防止慢性壓力引起的神經(jīng)元損害。此外,芝麻素可以抑制由6-羥基多巴胺毒性引起的星形膠質(zhì)細(xì)胞異常激活[15]。 然而,目前鮮有文獻(xiàn)報(bào)道芝麻素能夠改善與衰老相關(guān)的腦健康問題。
本研究選用APP/PS1 轉(zhuǎn)基因(AD 模型)小鼠作為認(rèn)知障礙動物模型, 通過飲食補(bǔ)充芝麻素3個月, 采用行為學(xué)測試評估芝麻素干預(yù)對小鼠認(rèn)知功能障礙的改善作用。通過免疫組化、免疫印跡試驗(yàn)(Western blot)等方法探究補(bǔ)充芝麻素對小鼠腦部神經(jīng)炎癥及神經(jīng)損傷的改善作用及機(jī)制,為通過食源性補(bǔ)充芝麻素的方式預(yù)防和改善衰老導(dǎo)致的認(rèn)知障礙、 神經(jīng)炎癥等腦健康問題提供理論基礎(chǔ)。
芝麻素(98%,S25758),源葉生物技術(shù)有限公司(中國上海);TRIzol 試劑,金彩生物技術(shù)有限公司;RNA 提取試劑盒、 反轉(zhuǎn)錄試劑盒和SYBR PCR 試劑盒, 大連TaKaRa 公司;IBA-1 和PSD-95 一抗,美國Cell Signaling Technology 公司;山羊抗兔IgG 熒光二抗(goat anti-rabbit,4413)及山羊抗鼠 IgG (H+L)熒光二抗 (goat anti-mice,4408),美國Cell Signaling 公司;抗熒光衰減封片劑(S2110),北京索萊寶公司;細(xì)胞裂解緩沖液,中國江蘇博伊泰生物技術(shù)研究所; 組織蛋白提取試劑及BCA 蛋白試劑盒, 中國上海Thermo Fisher公司;中性樹膠以及蘇木精-伊紅,南昌雨露實(shí)驗(yàn)器材有限公司。
莫里斯水迷宮(XR-XM101),上海欣軟信息科技有限公司;倒置熒光顯微鏡,日本Olympus 公司;電泳裝置(PowerPac 220V),美國伯樂公司;化學(xué)發(fā)光凝膠成像系統(tǒng)(ChemiDocTMXRS),美國伯樂公司;臺式高速冷凍離心機(jī)(5417R),德國Eppendorf 公司。
1.3.1 動物實(shí)驗(yàn)分組 6月齡的雌性B6C3-Tg(APPswe,PSEN1dE9)85Dbo 轉(zhuǎn)基因小鼠, 由南京大學(xué)模式動物研究中心提供。小鼠具體分組(n:5~7)及飼喂方式見表1。 標(biāo)準(zhǔn)飼料(AIN93M)及含有芝麻素的飼料均由南通特洛菲飼料科技有限公司提供。 用不同飼料干預(yù)小鼠3 個月后進(jìn)行行為學(xué)試驗(yàn),在此期間每4 d 記錄1 次體重,每天記錄食物和水的攝入量。行為學(xué)試驗(yàn)后通過腹腔注射4%水合氯醛麻醉小鼠,眼眶取血后脫頸處死小鼠,解剖后取出腦組織保存在-80 ℃,后續(xù)再進(jìn)行生化分析。 具體試驗(yàn)操作參照圖1b。 所有試驗(yàn)程序遵循動物倫理委員會試驗(yàn)動物護(hù)理和使用指南 (第8版),ISBN-10:0-309-15396-4。 該動物試驗(yàn)方案已獲得西北農(nóng)林科技大學(xué)動物倫理委員會的批準(zhǔn)。
表1 實(shí)驗(yàn)小鼠分組及飼料劑量Table 1 Group of experimental mice and dosage of diets
圖1 芝麻素的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及試驗(yàn)操作的時間軸Fig.1 Chemical structure of sesamin and scheme for experiments
1.3.2 行為學(xué)試驗(yàn) 采用莫里斯水迷宮探究小鼠認(rèn)知記憶功能, 具體試驗(yàn)方法根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]。本試驗(yàn)主要利用小鼠厭水特性, 分別對小鼠進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練、 定位巡航、 空間探索3 個步驟的試驗(yàn)。水迷宮為直徑1 m,高35 cm 的圓形水臺,其內(nèi)部安置1 個圓形小水臺供小鼠尋找。 在開始試驗(yàn)前, 水迷宮被分為4 個象限并在水池壁上放上不同標(biāo)識,作為動物的認(rèn)知參考。試驗(yàn)期間利用視頻記錄設(shè)備記錄小鼠游動時間、距離與軌跡。在適應(yīng)性訓(xùn)練后小鼠休息1 d 并進(jìn)行定位巡航試驗(yàn),記錄小鼠在第1,3,5,7 天找到迷宮中小平臺所用時間, 以及第8 天空間探索試驗(yàn)中小鼠在目標(biāo)象限的游泳路程,計(jì)算在目標(biāo)象限路程占比:
1.3.3 樣本收集及指標(biāo)測定
1.3.3.1 組織形態(tài)學(xué)觀察 將腦組織包埋在石蠟中,用切片機(jī)切成6 μm 的組織薄片,使用蘇木精和曙紅(H&E)染色并通過免疫組織化學(xué)、免疫熒光的方法將切片與不同抗體孵育,封片后,分別使用普通光學(xué)顯微鏡、 熒光顯微鏡觀察海馬的CA1區(qū)域, 具體觀察組織形態(tài)、 突觸后致密蛋白-95(post-synaptic density protein 95,PSD-95)、小膠質(zhì)細(xì)胞激活狀態(tài)下的標(biāo)志物 (ionized calcium binding adaptor molecule 1,IBA-1)及Aβ 的沉積。 具體方法見文獻(xiàn)[17]。
1.3.3.2 mRNA 水平相對含量測定 按照RNA提取試劑盒(MiniBEST Universal RNA Extraction Kit)說明書的方法在冷凍組織中提取RNA,測定RNA 含量后, 使用反轉(zhuǎn)錄試劑盒將RNA 反轉(zhuǎn)錄為cDNA, 按照SYBR PCR 試劑盒說明書添加SYBR 熒光染料及特定引物形成反應(yīng)體系 (引物序列見表2),用PCR 儀擴(kuò)增,2-△△Ct方法分析基因PSD-95、 白細(xì)胞介素-1 (interleukin 1 beta,IL-1β)、 胰島素降解酶 (insulin-degrading enzyme,IDE)以及IBA-1 在mRNA 水平的相對表達(dá)量。
表2 實(shí)時定量PCR 所用引物序列Table 2 Primer sequences used for semi-quantitative RT-PCR analysis
1.3.3.3 蛋白水平相對含量測定 將大腦皮層組織在低溫勻漿, 按照組織蛋白提取試劑盒說明書提取組織中蛋白。使用BCA 蛋白質(zhì)試劑盒確定組織中總蛋白質(zhì)濃度。 將蛋白溶解在SDS 樣品緩沖液中, 然后立即在95 ℃加熱10 min。 通過SDSPAGE 分離蛋白質(zhì),并將其轉(zhuǎn)移到PVDF 膜上。 孵育對應(yīng)抗體后,用化學(xué)發(fā)光試劑觀察免疫反應(yīng)帶,并通過蛋白質(zhì)印跡來測定AD 相關(guān)基因在蛋白水平的相對表達(dá)量。
1.3.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示,使用Graphpad Prism 6.0 軟件的Newman-Keuls 檢驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。 由于試驗(yàn)為雙因素, 因此顯著性分析選擇two-way ANOVA。P<0.05 為差異具有顯著性,P<0.01 為差異具有極顯著性。 若P<0.05,則均值被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
由圖2a 可知,4 組小鼠的體重在飼養(yǎng)的9 周內(nèi)均無顯著性差異(P>0.05)。 為了探究體重與攝食量之間的關(guān)系, 每天記錄小鼠攝食, 結(jié)果如圖2c 所示,4 組的攝食量沒有出現(xiàn)顯著性差異 (P>0.05),這說明芝麻素對野生型小鼠及APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠的體重?zé)o顯著影響。 由圖2b 可知,飼喂含有芝麻素飼料的野生型小鼠 (WT+SE 組)和APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠(AD+SE 組)的飲水量顯著低于飼喂標(biāo)準(zhǔn)飼料的野生型小鼠(WT 組)和APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠(AD 組)(P<0.01)。
圖2 芝麻素對APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠體重、飲水量及攝食量的影響Fig.2 Effects of sesamin treatment on the body weight, water intake and food intake in APP/PS1 transgenic mice
利用水迷宮對APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠的認(rèn)知能力進(jìn)行測試。 如圖3a 所示,在第7 天定位巡航試驗(yàn)的軌跡圖中,AD 組小鼠尋找平臺的軌跡距離為最長,而AD+SE 組軌跡距離明顯縮短。 在定位巡航實(shí)驗(yàn)中,如圖3b 所示,不同組的逃避潛伏期存在差異。 在第7 天的測試中,與WT 組小鼠相比,AD 組的小鼠尋找平臺所需時間顯著增加 (P<0.05)。同時,與AD 組相比,AD+SE 組小鼠的逃避潛伏期顯著減少(P<0.05)。 以上結(jié)果表明補(bǔ)充芝麻素能夠改善APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠認(rèn)知障礙。
圖3 芝麻素對APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠認(rèn)知障礙的影響Fig.3 Effects of sesamin treatment on the cognitive disorder in APP/PS1 transgenic mice
在空間探索試驗(yàn)中, 主要記錄小鼠在目標(biāo)象限中的路程占比, 路程占比越高小鼠認(rèn)知能力越強(qiáng)。 如圖3c 所示,與WT 組小鼠相比,雖然WT+SE 組的小鼠在目標(biāo)象限中的路程占比更高,但是無顯著性(P>0.05)。同樣地,與AD 組相比,AD+SE組小鼠在目標(biāo)象限中的路程占比增加。 這一結(jié)果說明補(bǔ)充芝麻素能夠提升APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠的認(rèn)知能力。 綜上,補(bǔ)充芝麻素能夠顯著改善AD 引起的認(rèn)知障礙。
2.3.1 芝麻素對APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠海馬區(qū)域神經(jīng)元損傷的影響 采用蘇木精和伊紅染色 (H &E)的方法觀察小鼠海馬神經(jīng)元細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)與分布情況,由圖4a 所示,與WT 組相比,AD 組小鼠的海馬CA1 區(qū)神經(jīng)元排列明顯斷裂,且有神經(jīng)元丟失甚至核固縮的現(xiàn)象。 而膳食補(bǔ)充芝麻素后能改善阿爾茲海默癥造成的神經(jīng)細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的異常,減少神經(jīng)元的碎片化及凋亡。 由此可見,芝麻素可抑制由阿爾茲海默癥造成的神經(jīng)元損傷。
2.3.2 芝麻素對APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠突觸功能障礙的影響 采用免疫熒光觀察小鼠海馬PSD-95蛋白水平的表達(dá)與分布情況, 并通過RT-PCR 和Western-blot 測定小鼠皮層中PSD-95 基因在mRNA 和蛋白水平相對表達(dá)量。 由圖4a、4b 所示,補(bǔ)充芝麻素, 顯著增加了APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠海馬CA1 區(qū)及皮層中PSD-95 mRNA 表達(dá) (P<0.05)。 圖4c 所示,4 組小鼠皮層中的PSD-95 蛋白表達(dá)之間沒有顯著性差異(P>0.05)。 綜上所述,芝麻素能改善由阿爾茲海默癥造成的突觸功能障礙。
圖4 芝麻素對APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠海馬病理學(xué)變化和PSD-95 水平的影響Fig.4 Effects of sesamin on histopathological changes and the PSD-95 levels in the cortex of APP/PS1 transgenic mice
采用硫磺素S 染色和免疫熒光觀察小鼠海馬CA1 區(qū)Aβ 和Aβ1-42 的積累與分布情況,結(jié)果如圖4a 所示。 對熒光染色圖中Aβ 的熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析,如圖4b 和4c 所示,AD 組與AD+SE 組的Aβ 積累有顯著差異(P<0.01),表明芝麻素能顯著降低APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠海馬CA1 區(qū)Aβ 的積累。 通過RT-PCR 探究小鼠皮層中基因APP 在mRNA 水平的表達(dá)情況。由圖4d 所示,AD 組小鼠皮層中的APP 在mRNA 水平相對含量顯著高于WT 組小鼠(P<0.01),而膳食補(bǔ)充芝麻素后小鼠皮層中APP 在mRNA 水平的相對含量顯著降低(P<0.05)。綜上所述,芝麻素可抑制小鼠腦內(nèi)Aβ 的積累。
圖5 芝麻素對APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)Aβ 和Aβ1-42 水平的影響Fig.5 Effects of Sesamin on Aβ and Aβ1-42 levels in the brain of APP/PS1 transgenic mice
據(jù)報(bào)道,神經(jīng)炎癥是AD 潛在的風(fēng)險因素。 由圖6a 和圖6b 所示, 采用免疫組化觀察小鼠海馬中IBA-1 的表達(dá)與分布情況并進(jìn)行定量分析,結(jié)果顯示, 對AD 模型小鼠補(bǔ)充芝麻素能夠顯著減少IBA-1 在免疫組化中陽性細(xì)胞數(shù)目(P<0.05)。通過RT-PCR 探究小鼠腦皮層中炎癥相關(guān)基因表達(dá)情況, 結(jié)果如圖6c 和圖6d 所示, 與WT 組相比,AD 對照組小鼠皮層中的炎癥相關(guān)基因IL-1β(P<0.01)和IBA-1(P<0.05)mRNA 相對含量顯著增高,而膳食補(bǔ)充芝麻素顯著抑制了IL-1β 和IBA-1 的表達(dá)(P<0.01)。 綜上,補(bǔ)充芝麻素能夠顯著降低APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)神經(jīng)炎癥。
IDE 在腦部通過水解Aβ,減少Aβ 的積累,從而減少阿爾茲海默癥對大腦的影響。 胰島素通路AKT-PI3K 已被證明與AD 的可能病因相關(guān)[5]。 通過Western blot 試驗(yàn)對以上假設(shè)進(jìn)行探究。 圖7a為Western blot 代表性圖像。 如圖7b、7c 和7d 所示,補(bǔ)充芝麻素使淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)、 蛋白激酶B (protein kinase B,AKT)、IDE 蛋白相對表達(dá)量顯著提升(P<0.05)。同樣,如圖7e 所示,基因IDE 在mRNA 的相對含量得到提升(P<0.01)。 綜上所述,芝麻素激活了AKT-PI3K 信號通路, 且提高了IDE 在mRNA 水平及蛋白的相對表達(dá)。
圖6 芝麻素對APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠腦部神經(jīng)炎癥的影響Fig.6 Effects of sesamin on neuroinflammation in APP/PS1 transgenic mice brain
本研究發(fā)現(xiàn)芝麻素膳食補(bǔ)充可以改善APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠的認(rèn)知障礙。 此外,芝麻素還改善了由APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠大腦的神經(jīng)系統(tǒng)損害并增強(qiáng)了突觸可塑性。 芝麻素通過降低小鼠大腦皮層中Aβ 的積累, 下調(diào)大腦皮層中炎癥相關(guān)基因IBA-1 和IL-1β 的相對含量。 芝麻素激活了AKT并且上調(diào)IDE 基因和蛋白表達(dá)。
芝麻素的主要代謝過程為攝入后被腸吸收,然后在體內(nèi)進(jìn)一步代謝轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚衍生物,并在肝臟中進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為其葡萄糖醛酸或硫酸鹽;此外,芝麻素自身可以通過全身循環(huán)后穿過血腦屏障[18-20]。 根據(jù)作者之前的研究,口服芝麻素治療(50 mg/kg/d bw)可通過調(diào)節(jié)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子 (brain-derived neurotrophic factor, BDNF)表達(dá)來顯著改善慢性和不可預(yù)測的輕度壓力抑郁,如焦慮、 壓力誘發(fā)的行為和心理障礙并改善突觸功能[6-7]。 本試驗(yàn)中小鼠食用的芝麻素劑量(50 mg/kg)轉(zhuǎn)化為人用的劑量為5.5 mg/kg,根據(jù)之前的文獻(xiàn)報(bào)道,該劑量在安全劑量之內(nèi)[21]。 在后續(xù)試驗(yàn)中可以考慮采用在安全范圍的更高劑量探究是否有更明顯的神經(jīng)保護(hù)和改善認(rèn)知作用。 本研究與之前的研究一致, 膳食補(bǔ)充芝麻素可減緩神經(jīng)退行性變化中的認(rèn)知功能障礙。
阿爾茲海默癥最主要的一個病理學(xué)特征是Aβ 在大腦中過度積累。 Aβ 是一種含有39~43 個氨基酸的肽, 由APP 通過β-和γ-分泌酶的蛋白水解作用產(chǎn)生。 它可以由多種細(xì)胞產(chǎn)生, 并在血液、腦脊髓液和腦組織液中循環(huán)。 本研究中,雖然Aβ 聚集被芝麻素減少, 但有意思的是,APP 的表達(dá)被上調(diào)了, 對這一結(jié)果推測可能是裂解酶活性受到抑制,無法繼續(xù)分解為Aβ,這需要在后續(xù)試驗(yàn)中繼續(xù)檢測這些相關(guān)酶的表達(dá)和活力。 在機(jī)體腦部中,IDE 能夠通過水解Aβ 的方式,來減少Aβ的積累。有研究報(bào)道,在認(rèn)知缺陷模型中通過激活蛋白激酶B(AKT)可增加IDE 的表達(dá),對Aβ 發(fā)揮清除作用,從而起到神經(jīng)保護(hù)作用[22]。 同樣的,本研究顯示,AKT 蛋白表達(dá)與IDE 基因和蛋白能被芝麻素上調(diào)(圖7c~7e),同時芝麻素膳食補(bǔ)充能減少Aβ 的聚集(圖5)有關(guān)。 然而,芝麻素如何激活A(yù)KT 信號通路, 是否與其改善胰島素敏感性的生物活性相關(guān),尚不清楚,需進(jìn)一步研究。
圖7 芝麻素對APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠皮層APP、p-AKT 和IDE 蛋白表達(dá)的影響Fig.7 Effects of sesamin on the protein expression of APP, p-AKT and IDE in APP/PS1 transgenic mice cortex
神經(jīng)炎癥為神經(jīng)退行性疾病的重要因素之一, 研究表明, 神經(jīng)炎癥會破壞中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能, 造成突觸功能障礙及誘導(dǎo)腦內(nèi)神經(jīng)元細(xì)胞凋亡,對大腦的學(xué)習(xí)認(rèn)知功能也會造成損傷,通過抑制神經(jīng)炎癥可以達(dá)到緩解神經(jīng)退行性疾病的目的[23]。 先前研究表明,芝麻素可以通過激活核因子E2 相關(guān)因子2(Nrf2)抑制人骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞中的炎癥反應(yīng)[24]。芝麻素還可以通過激活蛋白激酶B(AKT)和細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)來增強(qiáng)Nrf2介導(dǎo)的結(jié)腸炎保護(hù)作用[25]。 此外,在人體以及動物試驗(yàn)中也報(bào)道了芝麻素具有一定的抗炎作用[24-26]。在一項(xiàng)糖尿病視網(wǎng)膜病變的動物研究中發(fā)現(xiàn),芝麻素作為膳食補(bǔ)充劑可以降低視網(wǎng)膜上小膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物IBA-1 的表達(dá)[26]。而在本研究中,芝麻素同樣顯著抑制了小鼠大腦IBA-1 過度激活和IL-1β 在mRNA 水平的相對表達(dá)量(圖6),這與先前的報(bào)道一致。 后續(xù)將探究芝麻素抑制神經(jīng)炎癥的具體分子機(jī)制。
綜上, 膳食補(bǔ)充芝麻素增加了APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠腦部突觸功能相關(guān)蛋白表達(dá), 減少了Aβ積累,改善了認(rèn)知障礙。芝麻素的神經(jīng)保護(hù)作用可能依賴于其抑制神經(jīng)炎癥并激活A(yù)KT/IDE 途徑。本研究結(jié)果為芝麻素這種具有神經(jīng)保護(hù)作用的食品功能組分在腦健康領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。