Effects of κ opioid receptor agonist on cognitive function and expression of p-tau and Aβ in hippocampus of rats undergoing cardiopulmonary bypass
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摘要:目的
探讨κ阿片受体(KORs)激动剂对体外循环(CPB)术后大鼠认知功能及海马组织p-tau、Aβ蛋白表达的影响。
方法选取40只清洁级成年雄性SD大鼠, 采用随机数字表法分为假手术组(S组)、CPB组(C组)、CPB+KORs激动剂U50488H组(U组)、CPB+KORs拮抗剂Nor-BNI+KORs激动剂U50488H组(N组), 每组10只。术前, 各组大鼠均进行为期5 d(4次/d)的水迷宫训练。S组仅穿刺置管, 不进行CPB; C组行动静脉穿刺置管, 且进行CPB 1 h; U组于CPB前30 min静脉注射U50488H 1.5 mg/kg, 其余同C组; N组于CPB前1 h静脉注射Nor-BNI 2.0 mg/kg, 其余同U组。CPB术后第3天水迷宫测试结束后, 将大鼠放血处死后取海马组织, 采用酶联免疫吸附试验(ELISA)法检测Aβ蛋白含量, 采用蛋白质印迹法(Western blot)检测p-tau蛋白表达情况。
结果与S组相比, 其余3组大鼠逃避潜伏期均延长, 穿越平台次数、目标象限游泳距离和停留时间均减少, 海马组织中p-tau蛋白表达、Aβ蛋白含量均增加, 差异有统计学意义(P < 0.05); 与C组相比, U组大鼠逃避潜伏期缩短, 穿越平台次数、目标象限游泳距离和停留时间增加, 海马组织p-tau蛋白表达、Aβ蛋白含量降低, 差异有统计学意义(P < 0.05); N组各项指标与C组相比, 差异无统计学意义(P>0.05)。
结论KORs激动剂可减少海马组织中p-tau、Aβ蛋白表达, 且或许由此发挥对CPB术后大鼠认知功能的保护作用。
Abstract:ObjectiveTo investigate the effect of κ opioid receptors (KORs) on cognitive function and the expression of p-tau and Aβ in hippocampus of rats after cardiopulmonary bypass(CPB).
MethodsA total of 40 clean grade adult male SD rats were randomly divided into four groups: sham operation group (n=10, group S), CPB group (n=10, group C), CPB+KORs agonists U50488H group (n=10, group U), CP B+KORs antagonist Nor-BNI+U50488H group (n=10, group N). Before operation, rats in each group were given water maze training for 5 days, four times a day. In group S, only arteriovenous catheterization was performed without CPB. In group C, arteriovenous catheterization was performed with CPB for 1 hour. In group U, U5-0488H for 1.5 mg/kg was intravenously injected 30 minutes before CPB, and the rest performance was the same to group C. In group N, Nor-BNI for 2 mg/kg was intravenously injected 1 hour before CPB, and the rest performance was the same as in group U. On the 3rd day of operation after the water maze training, rats were killed by bloodletting and hippocampus tissue was taken off. Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) was used to detect the content of Aβ. Western blot was used to detect the expression of p-tau.
ResultsCompared with the group S, the escape latency of rats in the other three groups was prolonged, the number of crossing platform, swimming distance and stay time in target quadrant were significantly reduced, the expression of p-tau protein and the content of Aβ protein in hippocampus were significantly increased (P < 0.05); compared with the group C, the escape latency of rats in the group U was significantly shortened, the number of crossing platform and swimming distance in target quadrant were significantly increased, the stay time was longer, and the expression of p-tau and the content of Aβ decreased (P < 0.05), while there were no significant differences in above indicators between group N and group C (P>0.05).
ConclusionKORs agonists can reduce the expression of p-tau and Aβ proteins in hippocampal tissue, and may thus play a protective role in cognitive function of rats after CPB.
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Keywords:
- κ opioid receptors /
- cardiopulmonary bypass /
- cognitive impairment /
- brain protection /
- hippocampus /
- water maze
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围术期神经认知障碍(PND)以手术后出现记忆力减退、认知功能下降为主要表现,临床发生率较高,可显著延长患者住院时间,增加就医费用[1-2]。研究[3]表明,体外循环(CPB)心脏手术患者的PND发生率高于非CPB心脏手术患者,且本课题组前期实验[4]发现CPB后大鼠海马p-tau、Aβ蛋白表达明显增加。与现有阿片类药物相比, κ阿片受体(KORs)激动剂具有对呼吸循环系统影响小、成瘾性低等优点,且既往研究[5]发现其具有一定的脑保护作用。本研究探讨KORs激动剂对CPB术后大鼠认知功能及海马组织p-tau、Aβ蛋白表达的影响,以期为减少PND的发生提供新思路。
1. 材料与方法
1.1 实验动物与分组
清洁级健康成年雄性SD大鼠40只,体质量350~400 g, 购自北部战区总医院动物实验科。采用随机数字表法将大鼠分为4组,每组10只。假手术组(S组)仅行动静脉穿刺置管,不进行CPB; CPB组(C组)行动静脉穿刺置管,且进行CPB 1 h; CPB+KORs激动剂U50488H组(U组)于CPB前30 min静脉注射U50488H 1.5 mg/kg, 其余同C组; CPB+KORs拮抗剂Nor-BNI+U50488H组(N组)于CPB前1 h静脉注射Nor-BNI 2.0 mg/kg, 其余同U组。
1.2 模型制备
参照文献[6-7]建立大鼠无血预充不停跳CPB模型。实验大鼠术前均禁食6 h, 饮水自由。予七氟烷与氧气混合吸入,待大鼠有自主呼吸但无体动时,再腹腔注射2%戊巴比妥钠(4 mL/kg)辅助麻醉,待其翻正反射消失即达到麻醉满意效果。将大鼠仰卧位固定于鼠台上,采用透光法行气管插管(16G套管针),确定位置无误后固定导管,连接小动物呼吸机行机械通气。设置呼吸机参数(呼吸频率60次/min, 潮气量15~20 mL/kg, 吸呼比1∶1.25, 维持二氧化碳分压为35~40 mmHg), 然后持续行心电图、血氧饱和度、体温监测。将大鼠拟手术区域剃毛消毒铺单后,小心进行钝性分离操作。左侧隐静脉置入24G穿刺针套管妥善固定后,以0.5 mL/h速度持续泵注6%羟乙基淀粉; 左侧隐动脉置入24G穿刺针套管,监测动脉血压; 右侧隐动脉置入24G穿刺针,作为转流期间动脉血的回输端; 右侧颈内静脉置入18G穿刺针(自制侧孔),作为CPB静脉血流出端。
预充液配制: 乳酸钠林格氏液、6%羟乙基淀粉、(5%碳酸氢钠+呋塞米注射液原液+5 U/mL肝素)、20%甘露醇比例为2∶2∶1∶1。CPB设备组成: 大鼠专用膜式氧合器(膜肺,北京科德金医疗器械有限公司)、转流机和硅胶泵管及管道(重庆科耐普蠕动泵公司)、储血槽(5 mL注射器针筒)、颈内静脉穿刺引流管。CPB初始引流速度35 mL/(kg·min), 维持贮血器中血液量至少有1 mL, 随着储血槽内血流量增多且逐渐达到全流量80~100 mL/(kg·min), 停止机械通气。根据血气分析值调控大鼠内环境稳定,适当选择强心药物(多巴胺)或缩血管药物(去甲肾上腺素)以及晶体液、胶体液维持平均动脉压(MAP)>65 mmHg, 通过膜肺通气量调整动脉血二氧化碳分压与动脉血氧分压,转流期间按时追加罗库溴铵。CPB 1 h后,恢复机械通气。停CPB后,鱼精蛋白和肝素按1∶1比例进行中和。待大鼠呼吸循环功能恢复且平稳后,拔出穿刺导管并结扎缝合,若苏醒完全,体动剧烈可解除束缚,拔除气管导管。术后大鼠需置于单独的鼠笼,注意保暖,可自由饮水。
1.3 Morris水迷宫测试
为比较CPB手术及药物干预对大鼠认知功能的影响,于CPB术后第3天对实验大鼠进行Morris水迷宫测试。①隐藏平台训练实验: 对大鼠进行为期5 d(4次/d, 1次含4个象限)的游泳训练,目的是促使其形成记忆。每次大鼠登上平台后,计时器停止计时,大鼠找到隐藏平台所用时间即为隐藏平台潜伏期。以大鼠4次/d训练所得潜伏期的平均值反映大鼠的认知水平。对于60 s内仍无法找到隐藏平台的大鼠,将潜伏期记为60 s, 并人为引导其至平台上休息10~20 s后再继续后续训练。摄像系统会记录游泳距离、速度、隐藏平台潜伏期和运动轨迹,最终通过直观轨迹图像和数据分析结果判断大鼠的自主活动及学习能力。②空间探索实验: 经过隐藏平台训练,大鼠会对平台产生一定记忆。撤去平台后,将大鼠依旧按隐藏平台训练的方法从4个象限随机入水,通过摄像系统记录大鼠60 s内在每个象限游泳所消耗的时间、穿越原平台的次数和游泳路程。记录大鼠在目标象限的停留时间、游泳距离以及经过原平台的次数,以判断大鼠的学习记忆能力。
1.4 标本采集及指标检测
CPB术后第3天水迷宫测试结束后,将大鼠深麻醉后迅速经腹主静脉取血,收集血液标本; 然后迅速打开胸腔,暴露心脏,用4 ℃冷生理盐水灌注冲洗直至流出液清亮[5]。随后立即在冰上断头,小心取出脑组织,沿正中矢状线对称切开,用显微器械小心游离出海马组织,一侧置于4%多聚甲醛磷酸缓冲液固定备用,另一侧置于-80 ℃冰箱中保存备用。采用酶联免疫吸附试验(ELISA)方法检测大鼠海马组织中Aβ蛋白含量变化,采用蛋白质印迹法(Western blot)检测大鼠海马组织中p-tau蛋白表达情况。
1.5 统计学分析
采用SPSS 20.0软件对数据进行统计学分析,计量资料以(x±s)描述,组间比较采用单因素方差分析,P < 0.05为差异有统计学意义。
2. 结果
2.1 隐藏平台训练实验结果
与S组相比, C组、U组、N组大鼠的隐藏平台潜伏期均延长,差异有统计学意义(P < 0.05); 与C组相比, U组大鼠的隐藏平台潜伏期缩短,差异有统计学意义(P < 0.05); N组大鼠的隐藏平台潜伏期与C组比较,差异无统计学意义(P>0.05); 各组大鼠的游泳速度比较,差异无统计学意义(P>0.05), 见表 1。
表 1 各组大鼠术后隐藏平台潜伏期和游泳速度比较(x±s)指标 S组(n=10) C组(n=10) U组(n=10) N组(n=10) 隐藏平台潜伏期/s 10.44±0.78 33.16±1.75* 18.20±0.97*# 30.93±1.22* 游泳速度/(mm/s) 237.47±10.37 229.34±19.33 233.42±12.65 226.18±16.31 与S组比较, *P < 0.05; 与C组比较, #P < 0.05。 2.2 空间探索实验结果
与S组相比, C组、U组、N组大鼠穿越平台次数(穿越目标象限原平台所在位置的次数)减少,目标象限游泳距离和停留时间缩短,差异有统计学意义(P < 0.05); 与C组相比,U组大鼠穿越平台次数增加,目标象限游泳距离和停留时间延长,差异有统计学意义(P < 0.05); N组大鼠的穿越平台次数、游泳距离、停留时间与C组比较,差异无统计学意义(P>0.05), 见表 2。
表 2 各组大鼠术后穿越平台次数、游泳距离、停留时间比较(x±s)指标 S组(n=10) C组(n=10) U组(n=10) N组(n=10) 穿越平台次数/次 5.33±0.58 1.33±0.58* 3.33±0.53*# 1.67±1.15* 游泳距离/cm 634.02±39.01 370.22±25.32* 490.01±22.49*# 368.51±34.60* 停留时间/s 41.14±1.62 28.12±2.08* 34.25±1.99*# 27.88±1.74* 与S组比较, *P < 0.05; 与C组比较, #P < 0.05。 2.3 各组大鼠海马组织中p-tau蛋白表达和Aβ蛋白含量比较
与S组相比, C组、U组、N组海马组织中p-tau蛋白表达和Aβ蛋白含量均增加,差异有统计学意义(P < 0.05); 与C组相比, U组海马组织中p-tau蛋白表达和Aβ蛋白含量下降,差异有统计学意义(P < 0.05); N组海马组织中p-tau蛋白表达和Aβ蛋白含量与C组比较,差异无统计学意义(P>0.05), 见表 3、图 1。
表 3 各组大鼠海马组织中p-tau蛋白表达和Aβ蛋白含量比较(x±s)指标 S组(n=10) C组(n=10) U组(n=10) N组(n=10) Aβ蛋白/(pg/mL) 6 821.40±160.82 11 301.33±648.77* 8 714.39±16.69*# 10 013.12±82.48* p-tau/tau 0.19±0.21 0.95±0.43* 0.61±0.56*# 0.85±0.51* 与S组比较, *P < 0.05; 与C组比较, #P < 0.05。 3. 讨论
CPB情况下,患者血液与转流管路、氧合器等直接接触,加之机体应激、锯胸骨等手术操作的剧烈刺激引起机体白细胞激活,释放大量炎性介质,进而导致认知功能障碍的发生。SUN Y J等[8]通过建立大鼠CPB模型发现, CPB组大鼠的认知功能改变最明显。ZHANG Y等[9]发现,CPB手术可造成老年大鼠认知功能下降。本研究建立CPB模型时未选择开胸方式,并选择股动脉向下延续分支的隐动脉作为有创动脉压监测血管,大大减少了下肢缺血区域,可加快大鼠术后恢复速度,有利于术后认知功能检测。本研究Morris水迷宫测试结果显示,与S组相比,其余3组大鼠表现为隐藏平台平均潜伏期显著延长,穿越平台次数显著减少和目标象限游泳距离显著缩短,表明CPB术后大鼠认知功能有所下降。
tau蛋白是一种微管结合蛋白,在形成轴突基本结构和维持轴突功能稳定等方面起着重要作用,而磷酸化的tau蛋白即p-tau蛋白则失去了这一功能[10]。p-tau是Aβ蛋白介导神经元细胞死亡的决定性因素,且可能导致神经细胞死亡和神经系统退行性改变[11-12]。健康人体脑组织中仅有少量Aβ蛋白表达,一旦异常聚集,可破坏细胞膜完整性,并诱导细胞凋亡。此外, Aβ蛋白过度沉积还可诱导神经毒性,且程度与其在脑中的含量呈正相关[13]。研究[14-15]发现,线粒体自噬可抑制Aβ、tau蛋白磷酸化并逆转模型的认知缺陷。此外,老年CPB大鼠术后经右美托咪定治疗后, Aβ、tau蛋白含量明显减少,从而PND改善。本研究发现,与S组相比, C组、U组、N组海马组织中p-tau蛋白表达和Aβ蛋白含量均显著增加,提示p-tau蛋白、Aβ蛋白与PND的发生相关,可作为反映认知功能的指标。
相比其他阿片类受体激动剂,KORs激动剂具有成瘾性小、对呼吸和循环的抑制作用轻微的优点。U50488H是一种新型镇痛药物,属于KORs激动剂,其作用机制尚不明确,可能与抑制伏隔核的多巴胺释放有关[16]。U50488H可改善由缺血造成的海马损伤和认知障碍,该保护作用与MAPK/ERK信号传导通路具有一定的相关性[17-19]。研究[20-21]发现, U50488H可改善由嗅球切除导致的小鼠认知功能障碍,具体机制可能是KORs激动剂通过激活胆碱能神经元而对抗认知功能的下降。本课题组前期研究[22]发现, KORs激动剂可激活胆碱能抗炎通路,上调α7nAChR的表达,减轻炎症反应,从而发挥对CPB术后大鼠认知功能的保护作用。本研究结果显示,与C组相比,U组隐藏平台潜伏期显著缩短,穿越平台次数和目标象限游泳距离显著增加, p-tau蛋白表达、Aβ蛋白含量显著减少; 给予KORs拮抗剂的N组以上指标结果则与C组无显著差异。由此提示,KORs激动剂可以减少p-tau、Aβ蛋白的异常表达,减少细胞凋亡,从而减少CPB术后大鼠PND的发生。但本研究仅观察KORs激动剂和拮抗剂对CPB大鼠认知功能的影响,未进行p-tau蛋白和Aβ蛋白基因沉默的干预,未来尚需进一步深入研究以证实具体机制。
综上所述, KORs激动剂可能通过减少tau、Aβ蛋白的异常表达而对CPB术后大鼠认知功能发挥保护作用,具体机制有待进一步研究。
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表 1 各组大鼠术后隐藏平台潜伏期和游泳速度比较(x±s)
指标 S组(n=10) C组(n=10) U组(n=10) N组(n=10) 隐藏平台潜伏期/s 10.44±0.78 33.16±1.75* 18.20±0.97*# 30.93±1.22* 游泳速度/(mm/s) 237.47±10.37 229.34±19.33 233.42±12.65 226.18±16.31 与S组比较, *P < 0.05; 与C组比较, #P < 0.05。 表 2 各组大鼠术后穿越平台次数、游泳距离、停留时间比较(x±s)
指标 S组(n=10) C组(n=10) U组(n=10) N组(n=10) 穿越平台次数/次 5.33±0.58 1.33±0.58* 3.33±0.53*# 1.67±1.15* 游泳距离/cm 634.02±39.01 370.22±25.32* 490.01±22.49*# 368.51±34.60* 停留时间/s 41.14±1.62 28.12±2.08* 34.25±1.99*# 27.88±1.74* 与S组比较, *P < 0.05; 与C组比较, #P < 0.05。 表 3 各组大鼠海马组织中p-tau蛋白表达和Aβ蛋白含量比较(x±s)
指标 S组(n=10) C组(n=10) U组(n=10) N组(n=10) Aβ蛋白/(pg/mL) 6 821.40±160.82 11 301.33±648.77* 8 714.39±16.69*# 10 013.12±82.48* p-tau/tau 0.19±0.21 0.95±0.43* 0.61±0.56*# 0.85±0.51* 与S组比较, *P < 0.05; 与C组比较, #P < 0.05。 -
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1. 李龙,高光洁. κ-阿片受体激动剂U50488H通过调节巨噬细胞极化减轻体外循环致大鼠急性肺损伤的研究. 实用临床医药杂志. 2024(06): 46-50 . 本站查看
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