黃 佳,王夢雪,倪靜蕾,梁勝祥,林冰冰
1 福建中醫(yī)藥大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院,福建 福州 350122;
2 福建中醫(yī)藥大學(xué)康復(fù)產(chǎn)業(yè)研究院,福建 福州 350122
血管性認(rèn)知障礙(vascular cognitive impairment,VCI)是腦血管病變及其危險(xiǎn)因素導(dǎo)致的血管性腦損傷[1],是除了阿爾茨海默病外最常見的癡呆癥亞型[2]。VCI患者常伴有記憶功能下降,這將影響患者日常生活活動能力[3]。在血管性疾病發(fā)生時(shí),如何及時(shí)預(yù)測或診斷認(rèn)知障礙的發(fā)生是臨床亟需解決的問題。研究顯示,髓鞘丟失和血管周圍間隙擴(kuò)張等病理變化可在一定程度上預(yù)測血管性認(rèn)知障礙[4],但新的預(yù)測靶標(biāo)及其作用機(jī)制仍然是目前研究的熱點(diǎn)。
研究顯示,持續(xù)腦血流的慢性下降是VCI發(fā)展的主要機(jī)制[5],腦血流灌注減少與癡呆癥的嚴(yán)重程度密切相關(guān)[6]。多項(xiàng)臨床研究顯示,慢性腦缺血導(dǎo)致彌漫性白質(zhì)纖維的改變與認(rèn)知障礙密切相關(guān)[7-8],但其分子機(jī)制尚未完全明確。雙側(cè)頸總動脈阻斷建立的慢性腦缺血模型已被廣泛用于研究VCI[9-13]。本研究采用慢性腦缺血模型模擬血管性認(rèn)知障礙損害,通過彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)觀察海馬腦區(qū)和胼胝體白質(zhì)神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)病理變化,分析學(xué)習(xí)記憶障礙中與白質(zhì)神經(jīng)纖維損害相關(guān)的髓鞘堿性蛋白和周細(xì)胞血小板衍生生長因子受體β(platelet-derived growth factor receptor beta,PDGFR-β)變化,旨在闡明慢性腦缺血所致認(rèn)知障礙與白質(zhì)神經(jīng)纖維損傷的相關(guān)性,探討VCI的預(yù)測分子靶標(biāo)。
選擇24只SPF級Sprague Dawley雄性大鼠,體質(zhì)量(280±30)g,實(shí)驗(yàn)動物購自上海斯萊克公司。實(shí)驗(yàn)動物生產(chǎn)許可證號:SCXK(滬)2017-0005。實(shí)驗(yàn)動物由福建中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動物中心飼養(yǎng)[許可證號:SCXK(閩)2020-0002],每籠≤5只,給予充足、自由飲食。所有實(shí)驗(yàn)程序均嚴(yán)格按照動物實(shí)驗(yàn)倫理規(guī)章進(jìn)行。
動物用青霉素鈉(山東魯抗醫(yī)藥股份有限公司,規(guī)格:160萬單位);異氟烷(深圳瑞沃德生命科技有限公司,批號:R510-22);戊巴比妥鈉(美國默克Sigma公司,批號:CQ6125000);堅(jiān)牢藍(lán)(luxol fast blue,LFB)染色液(北京索萊寶科技有限公司,批號:G3245);Bicinchoninic acid蛋白濃度測定試劑盒(美國Thermo Fisher Scientific公司);1∶3 000兔抗髓鞘堿性蛋白(myelin basic protein,MBP)抗體(美國Proteintech公司,批號:10458-1-AP);1∶600兔抗PDGFR-β抗體(英國Abcam公司,批號:ab32570);1∶5 000山羊抗兔抗體(英國Abcam公司,批號:ab6721);Morris水迷宮(上海欣軟信息科技有限公司,型號:XR-XM101);小動物核磁共振成像儀(德國BRUKER公司,型號:MiniMR-60 MRI system 7.0 T);小動物呼吸麻醉機(jī)(深圳瑞沃德生命科技有限公司);小動物生理檢測儀(美國型號:Smiths Medical公司,SurgiVet V3395TPR);Western blot系統(tǒng)(美國Bio-Rad公司)。
24只大鼠按照隨機(jī)數(shù)字表法分為假手術(shù)組、術(shù)后28 d組、術(shù)后56 d組,每組8只。參考FARKAS[14]雙側(cè)頸總動脈結(jié)扎造模方法模擬VCI慢性腦缺血病理狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)動物模型構(gòu)建。所有大鼠術(shù)前均禁食12 h,隨后對大鼠稱取體質(zhì)量,用2%戊巴比妥鈉(0.2 mL/100 g)進(jìn)行腹腔注射麻醉,醫(yī)用膠帶固定大鼠四肢,使其在手術(shù)保溫墊上處于仰臥位,進(jìn)行頸部酒精消毒、剃毛備皮,沿大鼠頸正中線切開,分離淺表組織,分別從左、右兩邊的胸骨舌骨肌、胸鎖乳突肌和肩胛舌骨肌交叉點(diǎn)處向下找到兩側(cè)頸總動脈,分離頸總動脈與其旁邊伴行的迷走神經(jīng)。假手術(shù)組大鼠僅分離雙側(cè)頸總動脈,不進(jìn)行結(jié)扎。術(shù)后28 d組和術(shù)后56 d組大鼠在雙側(cè)頸總動脈充分暴露后,先用不可吸收的外科縫合線結(jié)扎左側(cè)頸總動脈,5 min后再結(jié)扎右側(cè)頸總動脈,隨后縫皮、清潔創(chuàng)口。所有大鼠在縫皮后腹腔注射20萬單位/mL動物用青霉素鈉溶液(0.05 mL/100 g)。
分別在造模成功后第28、56天進(jìn)行以下指標(biāo)評價(jià)。
1.4.1學(xué)習(xí)記憶能力 采用Morris水迷宮空間探索實(shí)驗(yàn)評估3組大鼠的學(xué)習(xí)記憶能力。在Morris水迷宮(直徑150 cm×高50 cm)中,充滿適宜溫度(25±3)℃ 的水,水迷宮分為4個象限,在第3象限放入平臺(直徑10 cm×高30 cm),高出水平面5 cm;大鼠頭部朝向池壁,從4個不同的象限中點(diǎn)放入水中,讓大鼠在水中自由游動,大鼠自行登上平臺或?qū)嶒?yàn)者引導(dǎo)大鼠至平臺后,讓大鼠在平臺上停留30 s,共訓(xùn)練4 d。實(shí)驗(yàn)第5天進(jìn)行空間探索測驗(yàn),移走平臺,大鼠在90 s內(nèi)尋找原平臺置放的目標(biāo)區(qū)域,記錄大鼠進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域(第3象限)的次數(shù)、在目標(biāo)區(qū)域(第3象限)停留時(shí)間以及逃避潛伏期、路徑、平均速度。將攝像機(jī)與Super Maze動物行為學(xué)視頻采集分析系統(tǒng)連接,攝像機(jī)安裝在水迷宮上方監(jiān)測大鼠游泳動態(tài)。實(shí)驗(yàn)后將大鼠用吸水紙吸干體表的水分,必要時(shí)采用白熾燈烘干后,放回籠中。
1.4.2大鼠胼胝體和海馬腦區(qū)的白質(zhì)神經(jīng)纖維的變化 采用DTI檢測3組大鼠胼胝體和海馬腦區(qū)的白質(zhì)神經(jīng)纖維的變化情況。3組大鼠用3%異氟烷在氧氣和空氣混合氣體(1∶4)中誘導(dǎo)麻醉,并用100 μg/mL的鹽酸美托嘧啶(0.15 mL/300 g)經(jīng)下肢肌內(nèi)注射以誘導(dǎo)大鼠深度麻醉。掃描時(shí),大鼠置于核磁共振掃描床上呈俯臥位,頭部置于大鼠專用頭部表面線圈(掃描架內(nèi)徑16 cm,使用內(nèi)徑38 mm)內(nèi),以牙鉤和雙側(cè)耳桿固定其頭部,掃描過程中維持2%異氟烷氣體麻醉,水循環(huán)加熱系統(tǒng)維持大鼠體溫相對恒定。整個過程中通過小動物生理檢測儀實(shí)時(shí)監(jiān)測大鼠體溫、呼吸頻率、心率。DTI掃描參數(shù)如下:回波時(shí)間(time of echo,TE)=32.25 ms,重復(fù)時(shí)間(time of repetition,TR)=12 000 ms,視野(field of view,F(xiàn)OV)=32 mm×32 mm,分割(segment)=4,平均次數(shù)(averages)=1,圖像大小(image size)=128×128,層數(shù)(slices)=48,彌散敏感系數(shù)b=1 000 s/mm2,層厚(slice thickness)=0.56 mm,無層間隙(no slice gap),時(shí)間(time)=28 min。
采用FMRIB's Software Library(http://fmrib.ox.ac.uk/fsl)和ITK-SNAP軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。首先,進(jìn)行渦流校正、顱骨剝離,得到全腦掩膜圖像;然后,計(jì)算大鼠全腦各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy,F(xiàn)A)和平均彌散率(mean diffusivity,MD)參數(shù)圖,手動確定胼胝體和海馬腦區(qū)感興趣區(qū),提取感興趣區(qū)FA和MD平均值。
1.4.3大鼠胼胝體白質(zhì)髓鞘脫失情況 采用堅(jiān)牢藍(lán)(luxol fast blue,LFB)染色法檢測大鼠胼胝體白質(zhì)髓鞘脫失情況。用2%戊巴比妥鈉(0.2 mL/100 g)腹腔注射麻醉大鼠,0.9% NaCl溶液和4%多聚甲醛經(jīng)心內(nèi)灌注,腦組織行石蠟包埋,冠狀位切片,切片厚度為5 μm;經(jīng)脫蠟脫水后,加入0.1% LFB溶液,于室溫密封浸染24 h;腦片經(jīng)蒸餾水清洗后,由95%乙醇、0.05%碳酸鋰水溶液、70%乙醇分色,直至顯微鏡下觀察灰質(zhì)和白質(zhì)部位區(qū)分清晰,背景無色為止;中性樹膠封片。每組隨機(jī)選擇3只大鼠,在正置顯微鏡下觀察并拍照,每只大鼠取2張腦片,通過LFB染色法評價(jià)大鼠胼胝體白質(zhì)髓鞘脫失情況。評分標(biāo)準(zhǔn)如下,① 0級:正常;② 1級:神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)紊亂;③ 2級:明顯空泡形成;④ 3級:有髓神經(jīng)纖維消失。
1.4.4大鼠胼胝體和海馬腦區(qū)的髓鞘堿性蛋白MBP和周細(xì)胞標(biāo)志物PDGFR-β蛋白表達(dá) 采用免疫印跡法檢測大鼠胼胝體和海馬腦區(qū)的髓鞘堿性蛋白MBP和周細(xì)胞標(biāo)志物PDGFR-β蛋白表達(dá)。用2%戊巴比妥鈉(0.2 mL/100 g)腹腔注射麻醉大鼠,0.9% NaCl溶液經(jīng)心內(nèi)灌注,閘刀斬?cái)啻笫箢i椎,在冰面上鈍性剝離腦組織,分別剝離胼胝體和海馬腦區(qū),并迅速放入液氮中冷凍,用組織剪將其剪碎放入勻漿機(jī),加入等同于組織體積10倍的裂解液,充分裂解后離心30 min,取上清液,Bicinchoninic acid定量調(diào)齊濃度(5 μg/μL)并高溫變性(95~100 ℃,5 min)。配制分離膠,經(jīng)上樣、十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳、聚偏二氟乙烯膜濕轉(zhuǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)膜后,Tris鹽酸緩沖鹽溶液加吐溫漂洗5 min,用5%脫脂乳在室溫下封閉膜1 h,在4 ℃的環(huán)境下分別加入相應(yīng)的一抗孵化過夜。Tris鹽緩沖液洗膜4次(5 min/次),37 ℃環(huán)境下用二抗避光孵育1 h。最后用紅外成像系統(tǒng)對曝光后的膠片掃描存檔,利用Image J軟件對目標(biāo)帶灰度值進(jìn)行定量分析。
采用SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)量資料符合正態(tài)分布者,數(shù)據(jù)以(xˉ±s)表示,組內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)比較采用重復(fù)測量方差分析;組間比較采用單因素方差分析,兩兩比較方差齊時(shí)采用LSD-t法,方差不齊時(shí)采用Tamhane'sT2法;采用Pearson相關(guān)性分析MD與穿越平臺次數(shù)的相關(guān)性。P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
DTI數(shù)據(jù)分析步驟如下:① 使用MRIcroN軟件將DICOM格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為NIFTI格式;② 對DTI圖像進(jìn)行渦流校正處理;③ 提取顱內(nèi)掩模圖像,計(jì)算b0像和全腦FA像;④ 基于一般線性模型,采用單因素方差分析,對平滑后數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。P<0.005,團(tuán)簇>10為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
Morris水迷宮定位航行實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,與假手術(shù)組比較,術(shù)后28 d組第2~4天逃避潛伏期均明顯延長,術(shù)后56 d組第3天逃避潛伏期明顯延長,差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。空間探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,與假手術(shù)組比較,術(shù)后28 d組和術(shù)后56 d組大鼠穿越平臺次數(shù)、目標(biāo)象限時(shí)間占比均明顯減少,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見表1~2及圖1。
圖1 3組大鼠水迷宮測試期游行軌跡圖Figure 1 The trajectories of rats during probe test in the Morris water maze
表1 3組逃避潛伏期比較(xˉ±s) sTable 1 Comparison of escape latency in three groups (xˉ±s) s
表2 3組穿越平臺次數(shù)、目標(biāo)象限時(shí)間占比和速度比較(xˉ±s)Table 2 Comparison of crossing platforms times,target quadrant time ratio and speed in three groups (xˉ±s)
與假手術(shù)組比較,術(shù)后28 d組、術(shù)后56 d組左、右側(cè)胼胝體和左、右側(cè)海馬腦區(qū)白質(zhì)神經(jīng)纖維變化的MD值均明顯降低(P<0.05)。與術(shù)后28 d組比較,術(shù)后56 d組MD值有下降趨勢,但差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表3。
表3 3組胼胝體和海馬FA、MD值比較(xˉ±s)Table 3 Comparison of FA,MD values of the callous corpus and hippocampus in three groups (xˉ±s)
Pearson相關(guān)性分析結(jié)果顯示,3組雙側(cè)胼胝體、海馬腦區(qū)MD值與穿越平臺次數(shù)均呈正相關(guān)關(guān)系,差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(r=0.832,P<0.01;r=0.777,P<0.01)。見圖2。
圖2 3組胼胝體、海馬腦區(qū)MD值與穿越平臺次數(shù)相關(guān)性分析Figure 2 Correlation analysis between MD values of the callous corpus and hippocampus and the number of crossing platforms in three groups
研究結(jié)果顯示,與假手術(shù)組比較,術(shù)后28 d組、術(shù)后56 d組大鼠胼胝體部位著色程度均較淺,髓鞘結(jié)構(gòu)紊亂明顯,甚至出現(xiàn)空洞。見圖3。通過對髓鞘紊亂分級進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),與假手術(shù)組比較,術(shù)后28 d組和術(shù)后56 d組髓鞘紊亂分級均明顯升高(P<0.05);與術(shù)后28 d組比較,術(shù)后56 d組大鼠髓鞘紊亂分級差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見圖4。
圖3 3組大鼠胼胝體LFB染色圖(×100)Figure 3 LFB staining figure of the callous corpus of rats in three groups (×100)
圖4 髓鞘紊亂分級值統(tǒng)計(jì)圖Figure 4 Statistical plot of graded values of myelin sheath disorders
研究結(jié)果表明,與假手術(shù)組比較,術(shù)后28 d組、術(shù)后56 d組大鼠胼胝體、海馬腦區(qū)的髓鞘堿性蛋白MBP蛋白表達(dá)水平均明顯下降,差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);術(shù)后28 d組胼胝體PDGFR-β表達(dá)水平明顯升高(P<0.05),術(shù)后28 d組、術(shù)后56 d組海馬腦區(qū)PDGFR-β表達(dá)水平均明顯下降,差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。與術(shù)后28 d組比較,術(shù)后56 d組胼胝體PDGFR-β表達(dá)水平明顯下降,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見圖5、表4。
表4 3組胼胝體和海馬腦區(qū)MBP、PDGFR-β蛋白表達(dá)比較(xˉ±s)Table 4 Comparison of MBP,PDGFR-β proteins expression of the callous corpus and hippocampus in three groups (xˉ±s)
圖5 胼胝體和海馬腦區(qū)MBP、PDGFR-β蛋白條帶圖Figure 5 Bands of MBP, PDGFR-β proteins in the corpus callosum and hippocampus
慢性腦缺血所致VCI會出現(xiàn)學(xué)習(xí)記憶功能下降和日常生活活動能力減退等癥狀[12-13]。本研究Morris水迷宮結(jié)果顯示,與假手術(shù)組比較,術(shù)后28 d組、術(shù)后56 d組大鼠逃避潛伏期均明顯延長,穿越平臺次數(shù)和目標(biāo)象限時(shí)間占比均明顯減少,提示慢性腦缺血模型大鼠出現(xiàn)學(xué)習(xí)記憶功能障礙。這與FANG等[9-11,14]研究結(jié)果一致。
白質(zhì)纖維完整性的喪失是慢性腦缺血所致腦損傷的突出病理特征[15-16]。既往研究發(fā)現(xiàn),DTI參數(shù)變化(FA、MD)是能夠反映白質(zhì)神經(jīng)纖維的影像學(xué)指標(biāo),輕度認(rèn)知障礙患者胼胝體、穹隆等腦區(qū)FA、MD發(fā)生明顯變化[17-18],胼胝體作為溝通兩側(cè)半球的重要信息通道,其功能降低會直接影響雙側(cè)海馬腦區(qū)的信息交流[19-20]。本研究結(jié)果顯示,與假手術(shù)組比較,術(shù)后28 d組、術(shù)后56 d組大鼠胼胝體、海馬腦區(qū)MD值均明顯下降;雙側(cè)胼胝體和雙側(cè)海馬腦區(qū)MD值均與穿越平臺次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。這提示慢性腦缺血模型大鼠學(xué)習(xí)記憶障礙與胼胝體、海馬腦區(qū)白質(zhì)神經(jīng)纖維破壞有關(guān)。此外,本研究結(jié)果顯示,與假手術(shù)組比較,術(shù)后28 d組、術(shù)后56 d組大鼠胼胝體、海馬腦區(qū)FA值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這可能是由于體素中交叉纖維的存在導(dǎo)致各向異性降低,限制了FA檢測白質(zhì)神經(jīng)纖維損傷的能力。這與既往研究發(fā)現(xiàn)海馬腦區(qū)和胼胝體內(nèi)的微結(jié)構(gòu)改變可以預(yù)測認(rèn)知功能的恢復(fù)情況,MD是相對于FA更可靠的檢測微結(jié)構(gòu)變化參數(shù)的觀點(diǎn)相似[21]。
本研究采用LFB染色法和免疫印跡法驗(yàn)證慢性腦缺血對白質(zhì)神經(jīng)纖維微結(jié)構(gòu)損傷的影響。研究結(jié)果顯示,慢性腦缺血會導(dǎo)致胼胝體白質(zhì)神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)紊亂,髓鞘排列疏松,隨著時(shí)間進(jìn)展,出現(xiàn)白質(zhì)神經(jīng)纖維松解和空泡,胼胝體和海馬腦區(qū)中髓鞘堿性蛋白的減少。這提示慢性腦缺血導(dǎo)致白質(zhì)纖維完整性發(fā)生改變與學(xué)習(xí)記憶功能下降密切相關(guān)。這與既往研究結(jié)果一致[12]。
本研究結(jié)果顯示,與假手術(shù)組比較,術(shù)后28 d組胼胝體PDGFR-β明顯升高,術(shù)后28 d組、術(shù)后56 d組海馬腦區(qū)PDGFR-β均明顯降低;與術(shù)后28 d組比較,術(shù)后56 d組胼胝體PDGFR-β明顯降低,海馬腦區(qū)PDGFR-β雖有所降低,但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這提示PDGFR-β可能是反映慢性腦缺血模型大鼠胼胝體和海馬腦區(qū)白質(zhì)神經(jīng)纖維破壞的關(guān)鍵分子。這可能與以下因素有關(guān):① 當(dāng)出現(xiàn)慢性腦缺血時(shí),胼胝體會出現(xiàn)應(yīng)激反應(yīng),術(shù)后28 d組胼胝體PDGFR-β應(yīng)激性增加。這與既往研究發(fā)現(xiàn)“PDGFR-β在腦缺血應(yīng)激性增加”的結(jié)果一致[22]。② PDGFRβ蛋白是周細(xì)胞重要的標(biāo)志物,周細(xì)胞體數(shù)量和PDGFR-β反應(yīng)性存在強(qiáng)相關(guān)性[23]。周細(xì)胞作為血腦屏障和中樞神經(jīng)系統(tǒng)毛細(xì)血管的重要組成部分,在調(diào)節(jié)腦血流低灌注和白質(zhì)微結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)中起著重要作用[24-25]。
慢性腦缺血會導(dǎo)致胼胝體和海馬腦區(qū)白質(zhì)神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)損傷,其中胼胝體PDGFR-β變化可能是預(yù)測慢性腦缺血所致認(rèn)知障礙的關(guān)鍵靶標(biāo),這將有助于闡明VCI病情進(jìn)展的相關(guān)神經(jīng)機(jī)制。但本研究仍存在一些局限性:① 實(shí)驗(yàn)對象僅涉及慢性腦缺血大鼠,嚙齒類動物雙側(cè)頸總結(jié)扎模型與人類VCI仍有一定差距;② 僅觀察了雙側(cè)頸總結(jié)扎大鼠造模成功后28、56 d的部分病理變化。下一步研究仍需延長觀察時(shí)間,以探討慢性腦缺血后胼胝體和海馬腦區(qū)白質(zhì)神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)損傷的連續(xù)性變化情況,為VCI治療最佳時(shí)機(jī)選擇相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。