扶 猛 嚴 湘 夏 歡 李 霜 李經倫 (西南醫(yī)科大學附屬醫(yī)院神經內科,瀘州 646000)
一氧化碳(CO)是碳化合物不完全燃燒(氧化)的產物,長時間暴露于CO 中會導致持久性神經系統(tǒng)后遺癥和延遲性神經系統(tǒng)后遺癥,且致死率高。急性CO 中毒后,13%~50%的患者會經歷2~60 d 的假愈期,再逐漸發(fā)展為以智力受損、行為障礙等為主要表現的腦功能障礙性疾病,被命名為急性一氧化碳中毒遲發(fā)性腦?。╠elayed encephalopathy after acute carbon monoxide poisoning,DEACMP),其發(fā)病機制尚在進一步研究中[1]。細胞焦亡是一種由cas‐pase-1介導的新型細胞死亡形式,在微生物、應激和損傷信號的刺激作用下,炎癥小體識別上述刺激信號后導致caspase-1 直接激活,誘導促炎細胞因子的分泌和細胞焦亡的發(fā)生[2]。研究證明,caspase-1與腦出血、缺血再灌注損傷、敗血癥腦病等許多中樞神經系統(tǒng)疾病的發(fā)生緊密相關[3-5]。但細胞焦亡與DEACMP 是否有關未見報道。因此本研究擬通過分次腹腔注射CO 氣體法建立大鼠遲發(fā)性腦病模型,通過分析大鼠染毒前后行為學改變及檢測焦亡相關因子NLRP3、caspase-1、GSDMD 蛋白及炎癥因子IL-1β、IL-18等動態(tài)變化探討細胞焦亡與DEACMP的關系。
1.1 材料 120 只雄性SD 大鼠(250~300 g),動物許可證:SCXK(川)2020-030,由成都達碩實驗動物有限公司提供。純度為99.9%的CO 氣體由西南化工研究所提供;Morris 水迷宮跟蹤分析系統(tǒng)由西南醫(yī)科大學公共衛(wèi)生學院提供;caspase-1 特異性抑制劑Ac-YVAD-cmk(貨號:GC42721-1)購自廣州吉英生物科技有限公司;顯微鏡購自OLYMPUS;兔源caspase-1 抗體(貨號:DF6148)購自Affinity;蘇木素染液(貨號:AS1055A)購自ASPEN;伊紅染液(貨號:AS1094)購自ASPEN;抗NLRP3 抗體(貨號:ab263899)、抗GSDMD 抗體(貨號:ab219800)購自Abcam;抗cleaved-caspase-1 抗體(貨號:AF4005)購自affbiotech;DAB顯色試劑盒(貨號:ZLI-9033)購自北京中杉金橋生物技術有限公司;大鼠IL-18 ELISA試劑盒(貨號:ELK2270)、大鼠IL-1β ELISA 試劑盒(貨號:ELK1272)購自ELK Biotechnology。
1.2 方法
1.2.1 實驗分組 120只雄性SD大鼠,經水迷宮實驗篩選無認知功能障礙,隨機分為:空氣組(K 組)、CO 中毒組(CO 組)、CO+caspase-1 特異性抑制劑Ac-YVAD-cmk組(cmk組),每組40只;各組再按照染毒時間順序均分為第1、3、7、14、21天5個亞組。
1.2.2 實驗建模 DEACMP 模型的建立采用分次腹腔注射CO 氣體法[6-7]。大鼠稱重后標記組別、序號,CO組及cmk組大鼠經腹腔注射CO氣體,首次劑量為100 ml/kg,造模后每隔4 h 追加1 次,追加量按50 ml/kg 計算,共追加3 次,死亡大鼠嚴格按照上述造模方式補齊。K 組大鼠按上述方法注射相同體積的空氣。cmk 組大鼠于制備DEACMP 模型0.5 h 前腹腔注射Ac-YVAD-cmk(1 mg/只),造模后隔天注射1 次,直至造模結束。染毒后16 h 內反復抽取中毒大鼠股動脈血,用血氣分析儀測量碳氧血紅蛋白(HbCO)濃度。
1.2.3 Morris 水迷宮實驗 大鼠飼養(yǎng)于西南醫(yī)科大學城北動物實驗中心,飼養(yǎng)溫度20~25 ℃,濕度適宜,光照良好,晝夜節(jié)律分明。實驗前對大鼠進行水迷宮測試訓練,連續(xù)5 d,每天訓練4 次,篩選出認知功能差的大鼠。染毒后各時間點,分別于4 個象限標記點將大鼠頭朝池壁放入,記錄大鼠在水迷宮之中找到平臺象限的時間,即逃避潛伏期,記錄4個象限逃避潛伏期的均值,重復4 次,取4 次測試的均值作為大鼠的最終逃避潛伏期時間。取走平臺,測試大鼠在120 s 內分別從4 個象限中放入池壁后穿越平臺所在象限的次數,即空間探索能力,以相同的實驗方法記錄大鼠的穿越平臺次數,取均值進行比較。
1.2.4 組織標本取材 各組大鼠在實驗完成后按時間點進行取材送檢,部分大鼠在有效麻醉后固定于操作臺,充分暴露胸腹部,先后以生理鹽水及4%多聚甲醛經左心室灌注固定,灌注成功的標志為大鼠四肢、舌頭、肝臟變白和身體僵硬,斷頭取大鼠海馬組織置于適量甲醛溶液中,4 ℃冰箱中保存,用于染色;另一部分大鼠直接斷頭處死,并于冰面上盡快分離得到新鮮海馬組織,用于Western blot 及ELISA檢測。
1.2.5 HE 染色觀察細胞形態(tài) 新鮮組織甲醛固定、修整,梯度乙醇脫水,組織浸蠟進行包埋并貼上標簽,待蠟凝固后再次進行修整并置于石蠟切片機上切片,乙醇脫蠟至水,蘇木素染液染細胞核約5 min,伊紅染液染細胞質約3 min,封片觀察海馬神經元細胞形態(tài)。
1.2.6 Western blot檢測NLRP3、cleaved-caspase-1、GSDMD 蛋白的表達 取已準備好的海馬組織,分離、剪碎,冰浴并徹底勻漿后提取腦組織總蛋白,相關蛋白濃度測定采用BCA 法。蛋白樣品經凝膠電泳,轉膜、封閉,加入一抗,4 ℃下孵育過夜,TBST 反復漂洗3次,加入二抗,室溫孵育。洗滌后進行化學發(fā)光檢測,目標帶的光密度值用AlphaEaseFC 軟件處理系統(tǒng)分析。
1.2.7 免疫組織化學染色檢測caspase-1 陽性細胞表達 已準備好的海馬標本經切片、脫蠟至水,抗原修復處理等,冷卻至室溫。PBS 洗滌,每次5 min;室溫下浸于3%H2O2溶液中;再洗滌。甩干,5%BSA 封閉;4 ℃下滴入一抗過夜;PBS 洗滌,滴入二抗,37 ℃下孵育;再次經PBS 洗滌,顯微鏡下觀察。沖洗、蘇木素復染、分化,再次沖洗后乙醇脫水干燥,光學顯微鏡下觀察,找到被染成黃褐色或棕黃色細胞即為陽性細胞。
1.2.8 ELISA 檢測IL-1β及IL-8蛋白水平 取大鼠海馬組織上清液,按照大鼠IL-1β、IL-18 ELISA 試劑盒說明書步驟測定IL-1β、IL-18 蛋白水平。酶標板孔中加入100μl 已稀釋的標準品和待測樣本,蓋上封板膜,輕輕混勻后37 ℃孵育1 h,甩干孔內液體,每孔加入300μl 洗液,洗滌3 次,拍干水分后每孔加入親和鏈霉素-HRP 50 μl,37 ℃孵育30 min,重復上述洗滌步驟3 次,每孔加入顯色劑A、B 各50 μl,37 ℃避光孵育30 min,迅速加入50 μl 終止液,酶標儀測定450 nm波長處各孔的OD 值,按標準品所得的標準曲線計算各樣本的IL-1β、IL-18濃度。
1.3 統(tǒng)計學處理 計量資料用±s表示,統(tǒng)計數據分析使用SPSS26.0 軟件。各組數據均經正態(tài)性和方差齊性檢驗,多組均數間數值比較采用單因素方差分析,組間兩兩比較采用LSD 法,P<0.05 表示差異有統(tǒng)計學意義。
2.1 大鼠中毒后行為變化及股動脈血HbCO 濃度測量 多數大鼠在腹腔注射CO 氣體后表現出焦躁不安、活動增加、胡亂沖撞,四肢皮膚及唇部呈現櫻桃紅色;少數大鼠出現動作減少、萎靡不振、眼神渙散、四肢無力。逐漸補打CO 氣體過程中發(fā)現大鼠死亡率升高,部分大鼠還出現肢體抽搐、昏迷、大小便失禁、角弓反張狀態(tài)等,死亡大鼠在相同環(huán)境下及時予以造模補充。16 h 內CO 組及cmk 組大鼠股動脈血HbCO濃度均>50%。
2.2 Morrris 水迷宮實驗 水迷宮實驗數據分析顯示,直至染毒第7天,各組大鼠逃避潛伏期及穿越平臺次數的差異均無統(tǒng)計學意義(均P>0.05,表1、表2)。但染毒14 d、21 d 后觀察大鼠,CO 組及cmk組逃避潛伏期較K組延長(表1),穿越平臺次數較K組少(表2),差異均有統(tǒng)計學意義(均P<0.05)。值得注意的是,染毒第14 天及第21 天,cmk 組大鼠逃避潛伏期短于CO 組,且穿越平臺次數多于CO 組,差異均有統(tǒng)計學意義(均P<0.05)。
表1 3組大鼠各時間點逃避潛伏期比較(±s,n=3)Tab.1 Comparison of escape latency at each time point between three groups of rats(±s,n=3)
Note:Compared with K group,1)P<0.05;compared with CO group,2)P<0.05;compared with 1 d,3 d,7 d in CO group,3)P<0.05.
21 d 12.52±0.48 26.03±0.731)3)21.52±1.001)2)241.79<0.01 Groups K CO cmk F P 1 d 12.54±0.43 12.48±00.39 12.52±0.49 0.02 0.983 3 d 12.57±0.40 13.20±0.59 13.06±0.0.32 1.61 0.28 7 d 12.70±0.31 13.49±0.90 13.34±0.98 0.84 0.48 14 d 12.51±0.49 25.93±0.531)3)21.16±0.571)2)492.85<0.01
表2 3組大鼠各時間點穿越平臺次數比較(±s,n=5)Tab.2 Comparison of number of platform crossing at each time point between three groups of rats(±s,n=5)
表2 3組大鼠各時間點穿越平臺次數比較(±s,n=5)Tab.2 Comparison of number of platform crossing at each time point between three groups of rats(±s,n=5)
Note:Compared with K group,1)P<0.05;compared with CO group,2)P<0.05;compared with 1 d,3 d,7 d in CO group,3)P<0.05.
21 d 9.87±0.10 4.59±0.211)3)7.24±0.221)2)1 029.82<0.01 Groups K CO cmk F P 1 d 10.00±0.12 9.99±0.09 9.96±0.07 0.28 0.76 3 d 9.99±0.87 9.89±0.91 9.89±0.09 2.15 0.16 7 d 9.88±0.09 9.78±0.08 9.82±0.10 1.50 0.26 14 d 9.93±0.07 4.86±0.171)3)7.34±0.251)2)1 029.94<0.01
2.3 HE 染色結果 K 組大鼠海馬CA1區(qū)神經元細胞形態(tài)完好,核膜完整、核仁清晰,細胞著色淺淡,如圖1A所示。CO組大鼠海馬CA1區(qū)神經細胞隨著中毒時間延長,細胞核變得固縮、深染,發(fā)生變性壞死細胞逐漸增多,如圖1B。cmk 組海馬CA1 區(qū)神經元細胞損傷較CO 組輕,細胞排列較CO 組整齊,細胞之間分界較清晰,如圖1C。
圖1 14 d時各組海馬CA1區(qū)HE染色(×400)Fig.1 HE staining of hippocampal CA1 region in each group on 14 d(×400)
2.4 Western blot 檢測NLRP3、cleaved-caspase-1、GSDMD 蛋白的表達變化 Western blot 結果顯示,K組大鼠中NLRP3、cleaved-caspase-1 及GSDMD 蛋白在各時間點表達差異無統(tǒng)計學意義(均P>0.05,圖2)。CO組及cmk組三種蛋白表達變化顯著,且具有相似表達趨勢,均在染毒后第1 天開始升高,第3 天達到第一次高峰,第7 天有下降,第14 天達到第二次高峰,第21 天表達下降;且染毒第14 天三種蛋白的表達較染毒第3天明顯增多,差異有統(tǒng)計學意義(均P<0.05);另外,第14天時CO組及cmk組三種蛋白的表達較K組顯著,且CO組三種蛋白的表達較cmk組顯著,差異有統(tǒng)計學意義(均P<0.05),見圖3。
圖2 海馬CA1區(qū)NLRP3、cleaved-caspase-1、GSDMD 蛋白免疫印跡結果Fig.2 Western blot results of NLRP3,cleaved-caspase-1,GSDMD protein in hippocampal CA1 region
圖3 NLRP3/GAPDH、cleaved-caspase-1/GAPDH和GSDMD/GAPDH的灰度比值Fig.3 Gradation ratio between NLRP3/GAPDH,cleavedcaspase-1/GAPDH,GSDMD/GAPDH
2.5 免疫組織化學染色檢測海馬CA1 區(qū)caspase-1表達水平 染毒后14 d 發(fā)現,CO 組及cmk 組cas‐pase-1 陽性細胞表達較K 組明顯增多(P<0.05),而cmk組陽性細胞表達較CO組減少,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05),見圖4、表3。
表3 3組大鼠各時間點caspase-1免疫組化表達數值比較(±s,n=3)Tab.3 Comparison of caspase-1 immunohistochemical expression values at each time point in three groups(±s,n=3)
表3 3組大鼠各時間點caspase-1免疫組化表達數值比較(±s,n=3)Tab.3 Comparison of caspase-1 immunohistochemical expression values at each time point in three groups(±s,n=3)
Note:Compared with K group,1)P<0.05;compared with CO group,2)P<0.05;compared with 3 d in CO group,3)P<0.05.
21 d 176.68±28.07 1 246.42±129.231)3)897.01±38.661)2)141.07<0.01 Groups K CO cmk F P 1 d 179.66±32.56 344.64±43.11 273.42±28.59 16.50<0.05 3 d 168.91±23.47 798.50±22.96 665.00±48.90 285.46<0.01 7 d 174.42±16.05 543.56±38.90 328.17±8.84 167.33<0.01 14 d 180.78±20.28 1 700.26±225.291)3)983.72±33.811)2)99.41<0.01
圖4 3 組大鼠各時間點海馬CA1 區(qū)caspase-1 陽性細胞表達Fig.4 Expression of caspase-1 positive cells in hippocam?pal CA1 region of rats in three groups at each time point
2.6 IL-1β 及IL-18 含量 CO 組及cmk 組IL-1β 及IL-18 的表達趨勢相似,均在第14 天時表達最為顯著,如圖5。
圖5 3組大鼠各時間點IL-1β和IL-18表達變化Fig.5 Expression changes of IL-1β and IL-18 at each time point in three groups
COOKSON 等[8]首次提出細胞焦亡的概念,經典焦亡途徑依賴于caspase-1 介導。細胞焦亡相關因子在阿爾茨海默病、帕金森病、重度抑郁、多發(fā)性硬化等疾病的發(fā)病機制中已有一定的研究[9-12]。作為細胞焦亡的效應分子,通常情況下,pro-caspase-1 作為caspase-1 前體存在于細胞中;在各種損傷因素刺激下,pro-caspase-1 在被激活的NLRP3 炎癥小體作用下裂解成為caspase-1,活化的caspase-1 隨后將GSDMD蛋白裂解為GSDMD-N蛋白,并促進pro-IL-1β及pro-IL-18 成熟與釋放,這對機體自我保護作用具有重要意義[13]。被半胱天冬酶切割的底物決定了細胞的死亡性質,而caspase-1 介導的細胞焦亡需要對GSDMD 進行切割,GSDMD 被切割后形成有致焦亡成孔活性的GSDMD-N,GSDMD-N 的成孔機制涉及入膜的劇烈構象變化[14-15]。
人類認知障礙與中樞神經系統(tǒng)炎癥反應相關。研究證明,七氟醚引起的術后神經炎癥和認知功能障礙可通過ChⅣ干預NLRP3/caspase-1 途徑得到改善[16]。佘顏等[17]研究發(fā)現,相較于皮質區(qū),細胞焦亡的激活在海馬區(qū)持續(xù)時間更長。因此本文重點從caspase-1 介導的經典焦亡途徑出發(fā),分析CO 中毒后各個時間點細胞焦亡在海馬的表達情況。
本研究表明焦亡相關蛋白NLRP3、cleaved-cas‐pase-1 和GSDMD 的表達趨勢一致,在染毒第1 天開始增加,第3 天達到峰值,第7 天有所下降,染毒第14 天上升到另一峰值,第21 天時再次減少,與ZHANG 等[18]研究相似。發(fā)生這種趨勢可能的解釋是,CO 中毒后急性應激反應致NLRP3、caspase-1、GSDMD 等蛋白在第1~3 天時反應性升高并快速達到高峰,以啟動機體固有免疫反應達到保護機體的作用。但染毒后7 d 海馬神經細胞焦亡的持續(xù)、過度激活的發(fā)生,使得焦亡蛋白在染毒第14天又上升到另一峰值并達到最大值,通過時間依賴性誘導后續(xù)級聯反應導致繼發(fā)性腦損傷。使用caspase-1 特異性抑制劑Ac-YVAD-cmk 后,cmk 組各時間點焦亡因子表達均低于CO 組,隨著細胞焦亡的抑制,也導致IL-1β 和IL-18 的釋放減少,減輕了炎癥因子所介導的炎癥作用,使得cmk組大鼠行為學改變較CO組有所改善。研究表明,海馬突觸的可塑性可被TNF-α和IL-1β 通過神經元特異性機制直接抑制,而IL-18則通過間接機制導致海馬神經元細胞損傷[19]。通過使用IL-1β 功能性抑制劑或IL-1β 受體拮抗劑可減輕大鼠術后學習記憶功能障礙和術后神經炎癥[20]。因此,本實驗中cmk 組大鼠行為及認知功能改善可能是由于抑制caspase-1 后導致炎癥因子釋放減少、作用減弱所致。
綜上,本實驗證明細胞焦亡參與了DEACMP 的發(fā)生,中毒早期,焦亡因子反應性升高,快速啟動機體固有免疫反應以應對急性損傷。隨著時間推移,海馬區(qū)神經細胞在持續(xù)、過度的焦亡激活下發(fā)生炎癥級聯放大反應,導致大鼠行為及認知功能發(fā)生改變從而出現遲發(fā)性腦病。對細胞焦亡提前進行干預可以在一定程度上改善遲發(fā)性腦病大鼠的行為和認知功能,有望在未來成為治療DEACMP 的新靶點,但其相關機制尚需更深層次的研究探討。