王哲,崔小川,周高峰,孫紅旭,唐玲*
1重慶醫(yī)科大學(xué)附屬大學(xué)城醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,重慶 401331;2南京醫(yī)科大學(xué)附屬無錫市人民醫(yī)院,江蘇無錫 214023; 3江南大學(xué)無錫醫(yī)學(xué)院,江蘇無錫 214122
阿爾茲海默病(Alzheimer's disease,AD)是發(fā)生在老年期或者老年前期的神經(jīng)退行性疾病,是最常見的癡呆類型。AD的主要行為學(xué)特征是進(jìn)行性的認(rèn)知能力消退及人格改變[1]。AD的組織病理學(xué)特征是β-淀粉樣多肽(β-amyloid,Aβ)沉積形成的神經(jīng)細(xì)胞外大量老年斑以及微管相關(guān)蛋白tau過度磷酸化形成的神經(jīng)元纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles,NFTs)[2]。隨著我國人口老齡化的加重,尋求治療AD的有效策略顯得尤為迫切。近年來,中草藥對(duì)AD的治療研究取得了一定進(jìn)展[3]。遠(yuǎn)志皂苷是從中藥遠(yuǎn)志中提取出的有效單體成分,可通過血腦屏障發(fā)揮益智護(hù)腦的作用[1,4-5]。然而,遠(yuǎn)志皂苷對(duì)認(rèn)知障礙是否具有緩解作用目前尚不清楚。本研究對(duì)6月齡APP/PS1小鼠連續(xù)8周腹腔注射遠(yuǎn)志皂苷,觀察其對(duì)APP/PS1小鼠認(rèn)知及病理學(xué)的影響并探討其可能的作用機(jī)制。
1.1實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及分組 18只雄性APP/PS1雙轉(zhuǎn)基因小鼠(6月齡,20~25 g)購自南京模式動(dòng)物中心,采用拋硬幣法隨機(jī)分為遠(yuǎn)志皂苷治療組[8 mg/(kg·d)]與生理鹽水對(duì)照組,每組9例;選取9只同月齡野生型小鼠作為野生型對(duì)照組。以上小鼠均飼養(yǎng)于SPF環(huán)境。遠(yuǎn)志皂苷治療組APP/PS1小鼠連續(xù)8周每天腹腔注射8 mg/kg遠(yuǎn)志皂苷,生理鹽水對(duì)照組APP/PS1小鼠連續(xù)8周每天腹腔注射等體積生理鹽水,野生型對(duì)照組野生型小鼠連續(xù)8周每天腹腔注射等體積生理鹽水。實(shí)驗(yàn)過程符合國家和單位有關(guān)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理和使用的規(guī)定。
1.2試劑與藥品 遠(yuǎn)志皂苷(純度≥95%)購自中國食品藥品檢定研究院,硫黃素S購自Sigma公司,α-微管蛋白(DM1A)抗體購自Abcam公司,β-淀粉樣多肽(Aβ42)ELISA試劑盒購自R&D公司,突觸后致密蛋白-95(PSD-95)及tau蛋白的231、214、396磷酸化位點(diǎn)(p-tau Ser231、Ser214、Ser396)抗體購自Millipore公司,二抗購自武漢博士德生物工程有限公司,BCA試劑盒、蛋白酶抑制劑、Loading Buffer購自碧云天生物技術(shù)有限公司,蔗糖、無水乙醇及多聚甲醛購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
1.3Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)檢測(cè)小鼠行為認(rèn)知能力 連續(xù)給藥8周后,進(jìn)行Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)時(shí)剔除不擅長游泳小鼠)。水迷宮為一直徑100 cm、高50 cm的圓形水池,被分為四個(gè)象限,選定第一象限放入一圓形平臺(tái)(直徑8 cm,高29 cm)。實(shí)驗(yàn)時(shí)將迷宮內(nèi)注入溫水[(22±1) ℃],并加入奶粉使池內(nèi)水渾濁不能見底,且使水面高出平臺(tái)1 cm。于Morris水迷宮前5 d行定位航行實(shí)驗(yàn):小鼠分別在第一、二、三、四象限放入水中進(jìn)行尋找平臺(tái)訓(xùn)練,若在60 s內(nèi)找到平臺(tái)則記錄其找到平臺(tái)所需時(shí)間,若超過60 s未找到平臺(tái)則使用木棒引導(dǎo)至平臺(tái)停留10 s。每次從迷宮中拿出小鼠都應(yīng)使用干毛巾擦拭,用電熱吹風(fēng)吹干皮毛。小鼠的游泳軌跡和找到平臺(tái)的時(shí)間可被頂端的紅外攝像頭記錄,以便后期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。第6天為空間探索實(shí)驗(yàn):將水平臺(tái)撤除,所有實(shí)驗(yàn)小鼠均面朝池壁在第三象限放入水中,記錄在1 min之內(nèi)找到平臺(tái)位置所用時(shí)間和穿越平臺(tái)所在位置的次數(shù)。
1.4免疫熒光檢測(cè)海馬區(qū)PSD-95、p-tau Ser231的表達(dá) 水迷宮實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,取遠(yuǎn)志皂苷治療組、生理鹽水對(duì)照組及野生型對(duì)照組中各3只小鼠進(jìn)行灌注后取腦,使用多聚甲醛固定3 d后使用20%、30%蔗糖溶液進(jìn)行梯度脫水,之后對(duì)小鼠腦組織進(jìn)行冰凍切片,腦切片置于防凍液中,儲(chǔ)存于-20 ℃冰箱備用。取每只小鼠不同層面的3張腦切片,經(jīng)PBS溶液漂洗3次,每次10 min,破膜后使用3%BSA常溫封閉1 h,使用一抗孵育過夜;PBS漂洗3次,加入相應(yīng)二抗,37 ℃孵育1 h,漂洗5次,每次10 min,貼片后用蔡司熒光顯微鏡拍攝海馬區(qū)PSD-95及p-tau Ser231的表達(dá)情況。
1.5硫黃素染色檢測(cè)小鼠腦內(nèi)老年斑數(shù)量 取每只小鼠不同層面的3張冰凍腦切片,PBS漂洗10 min×3次,在0.0125%硫磺素、50%乙醇溶液中染色8 min,50%乙醇溶液洗滌5 min×3次,PBS漂洗8 min。采用蔡司熒光顯微鏡拍攝腦內(nèi)老年斑,使用Image J軟件分析老年斑數(shù)量。
1.6ELISA檢測(cè)海馬區(qū)Aβ42含量 水迷宮實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,取遠(yuǎn)志皂苷治療組及生理鹽水對(duì)照組各6只小鼠,將其大腦海馬分離后置于含蛋白酶抑制劑RIPA緩沖液的勻漿器中進(jìn)行勻漿,之后進(jìn)行短暫的超聲波處理,勻漿液在4 ℃下12 000 r/min離心30 min,收集上清。按照ELISA試劑盒操作說明書定量檢測(cè)Aβ42含量。
1.7Western blotting檢測(cè)PSD-95及p-tau Ser231、Ser214、Ser396表達(dá)水平 取小鼠海馬組織加入蛋白裂解液,在冰盒裂解30 min,提取蛋白,使用BCA試劑盒測(cè)定其蛋白濃度。加入上樣緩沖液后于100 ℃煮5~8 min,制備成樣品-20 ℃保存?zhèn)溆?。樣品?jīng)100 ℃金屬浴后冷卻上樣,然后進(jìn)行SDS-PAGE凝膠電泳分離,采用濕轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)至PVDF膜上,室溫下封閉2 h后加入一抗,4 ℃孵育過夜后TBST洗膜30 min,用二抗孵育后化學(xué)發(fā)光顯影,使用Image J軟件分析PSD-95及p-tau Ser231、Ser214、Ser396的表達(dá)水平。
1.8統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。所有數(shù)據(jù)以±s表示,在滿足方差齊性的條件下,多組間比較采用單因素方差分析,進(jìn)一步兩兩比較采用Bonferroni-t檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
2.1遠(yuǎn)志皂苷對(duì)APP/PS1小鼠學(xué)習(xí)記憶能力的影響 定位航行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),生理鹽水對(duì)照組小鼠的逃避潛伏期自第2天起較野生型對(duì)照組明顯延長(P<0.05),遠(yuǎn)志皂苷治療組小鼠的逃避潛伏期自第3天起較生理鹽水對(duì)照組明顯縮短(P<0.05);與野生型對(duì)照組相比,遠(yuǎn)志皂苷治療組小鼠的逃避潛伏期在前4 d無明顯改變,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),在第5天時(shí)逃避潛伏期明顯延長[(27.4±3.9) s vs. (18.5±4.7) s],差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05,圖1)??臻g搜索實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),生理鹽水對(duì)照組較野生型對(duì)照組小鼠定位目標(biāo)位置花費(fèi)時(shí)間延長[(40.4±3.4) s vs. (14.1±7.3) s],差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);遠(yuǎn)志皂苷治療組小鼠定位目標(biāo)位置時(shí)間與生理鹽水對(duì)照組比較明顯縮短[(21.0±8.9) s vs. (40.4±3.4) s],差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),但與野生型對(duì)照組相比無明顯改變,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。生理鹽水對(duì)照組小鼠穿越平臺(tái)次數(shù)較野生型對(duì)照組明顯減少(0.428±0.035 vs. 2.285±1.380),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);遠(yuǎn)志皂苷治療組小鼠穿越平臺(tái)次數(shù)多于生理鹽水對(duì)照組(1.714±0.756 vs. 0.428±0.035,P<0.05),但與野生型對(duì)照組比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。
2.2遠(yuǎn)志皂苷對(duì)APP/PS1小鼠海馬區(qū)PSD-95表達(dá)的影響 免疫熒光檢測(cè)結(jié)果顯示,生理鹽水對(duì)照組小鼠海馬區(qū)PSD-95表達(dá)較野生型對(duì)照組減少;而與生理鹽水對(duì)照組相比,遠(yuǎn)志皂苷治療組小鼠海馬區(qū)PSD-95表達(dá)增加(圖2)。Western blotting檢測(cè)結(jié)果顯示,生理鹽水對(duì)照組小鼠海馬PSD-95相對(duì)含量低于野生型對(duì)照組(0.570±0.700 vs. 0.740±0.054),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);遠(yuǎn)志皂苷治療組小鼠海馬PSD-95相對(duì)含量明顯高于生理鹽水對(duì)照組(0.800±0.098 vs. 0.570±0.700,P<0.05),但與野生型對(duì)照組比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05,圖3)。
圖1 遠(yuǎn)志皂苷對(duì)APP/PS1小鼠學(xué)習(xí)記憶能力的影響(n=8)Fig.1 Effect of tenuigenin on the cognitive function of APP/PS1 mice (n=8)
圖2 各組小鼠海馬區(qū)PSD-95表達(dá)的免疫熒光染色圖(×20)Fig.2 The expression of PSD-95 in brain hippocampus of APP/PS1 mice (×20)
圖3 各組小鼠海馬區(qū)的PSD-9 5蛋白表達(dá)(Wester n blotting)Fig.3 Expression of PSD-9 protein in the hippocampus of each group of mice (Western blotting)
2.3遠(yuǎn)志皂苷對(duì)APP/PS1小鼠海馬區(qū)Aβ沉積的影響 野生型對(duì)照組小鼠海馬區(qū)無老年斑沉積。與生理鹽水對(duì)照組相比,遠(yuǎn)志皂苷治療組小鼠海馬區(qū)內(nèi)老年斑數(shù)量明顯減少[(8.889±1.692)個(gè) vs. (18.000±2.000)個(gè)],差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05,圖4)。ELISA檢測(cè)結(jié)果顯示,與生理鹽水對(duì)照組相比,遠(yuǎn)志皂苷治療組小鼠海馬區(qū)內(nèi)Aβ42含量明顯減少[(2.859±0.864) ng/mg vs. (5.154±0.735) ng/mg], 差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
2.4遠(yuǎn)志皂苷對(duì)APP/PS1小鼠海馬區(qū)tau蛋白磷酸化水平的影響 免疫熒光結(jié)果顯示,生理鹽水對(duì)照組小鼠海馬區(qū)p-tau Ser231表達(dá)較野生型對(duì)照組增加;與生理鹽水對(duì)照組相比,遠(yuǎn)志皂苷治療組小鼠海馬區(qū)p-tau Ser231表達(dá)減少(圖5)。Western blotting檢測(cè)結(jié)果顯示,生理鹽水對(duì)照組小鼠海馬區(qū)p-tau Ser231、Ser214、Ser396蛋白表達(dá)水平高于野生型對(duì)照組,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);遠(yuǎn)志皂苷治療組小鼠海馬區(qū)p-tau Ser231、Ser214、Ser396蛋白表達(dá)水平低于生理鹽水對(duì)照組,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);遠(yuǎn)志皂苷治療組小鼠海馬p-tau Ser231、Ser214、Ser396蛋白表達(dá)水平高于野生型對(duì)照組,除p-tau Ser231外差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05,圖6、表1)。
圖4 各組小鼠海馬區(qū)Aβ沉積情況(硫黃素染色 ×4)Fig.4 Deposition of Aβ plaques in the hippocampus of each group of mice (Thioflavin staining ×4)
圖5 各組小鼠海馬區(qū)p-tau Ser231表達(dá)情況(免疫熒光染色 ×20)Fig.5 Expression of p-tau Ser231 in hippocampus of APP/PS1 mice (Immunofluorescence staining ×20)
圖6 各組小鼠海馬區(qū)p-tau Ser231、Ser214、Ser396的表達(dá)(Western blotting)Fig.6 Expressions of p-tau Ser231, Ser214 and Ser396 protein in the hippocampus of each group mice (Western blotting)
表1 各組小鼠海馬區(qū)p-tau Ser231、p-tau Ser214、p-tau Ser396表達(dá)水平比較(±s,n=6)Tab.1 Comparison of expression levels of p-tau Ser231, Ser214, Ser396 among each group of mice (±s, n=6)
表1 各組小鼠海馬區(qū)p-tau Ser231、p-tau Ser214、p-tau Ser396表達(dá)水平比較(±s,n=6)Tab.1 Comparison of expression levels of p-tau Ser231, Ser214, Ser396 among each group of mice (±s, n=6)
與野生型對(duì)照組比較,(1)P<0.05;與生理鹽水對(duì)照組比較,(2)P<0.05。
組別 p-tau Ser231 p-tau Ser214 p-tau Ser396野生型對(duì)照組 0.540±0.076 0.305±0.088 0.338±0.052生理鹽水對(duì)照組0.947±0.131(1) 0.832±0.161(1) 0.819±0.053(1)遠(yuǎn)志皂苷治療組0.568±0.051(2) 0.472±0.094(1)(2) 0.452±0.071(1)(2)F 36.050 30.393 105.887 P<0.001 <0.001 <0.001
AD是以認(rèn)知能力受損為主要臨床表現(xiàn)的神經(jīng)退行性疾病,目前較為認(rèn)可的AD發(fā)病機(jī)制假說包括Aβ沉積學(xué)說和tau蛋白過度磷酸化假說。抑制Aβ沉積及減少tau蛋白的異常磷酸化對(duì)治療AD具有重要意義[2]。學(xué)習(xí)記憶能力是大腦的一項(xiàng)重要功能,大腦中的海馬體是主要負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)記憶的結(jié)構(gòu),學(xué)習(xí)記憶水平的改善是評(píng)價(jià)AD治療效果的重要指標(biāo)[4]。目前用于AD研究的動(dòng)物模型較多,其中APP/PS1小鼠模型是國際公認(rèn)的動(dòng)物模型之一,可較好模擬AD的行為及病理特征[5],小鼠在4~6月齡可出現(xiàn)行為學(xué)的異常癥狀及Aβ沉積[6]。隨著現(xiàn)代藥理學(xué)研究的發(fā)展,遠(yuǎn)志皂苷越來越多的藥理學(xué)作用被人們所發(fā)現(xiàn)。Cao等[7]發(fā)現(xiàn),遠(yuǎn)志皂苷可激活γ-氨基丁酸能神經(jīng)元,促進(jìn)小鼠慢波睡眠;Yuan等[8]發(fā)現(xiàn),遠(yuǎn)志皂苷可抑制帕金森模型小鼠中小膠質(zhì)細(xì)胞NLRP3炎性小體的激活以保護(hù)多巴胺能神經(jīng)元;Huang等[9]的研究表明,遠(yuǎn)志皂苷可通過提高海馬神經(jīng)元的突觸可塑性增強(qiáng)小鼠學(xué)習(xí)能力。遠(yuǎn)志皂苷治療AD的研究主要集中在Aβ造模AD鼠上,而在APP/PS1雙轉(zhuǎn)基因小鼠中的研究仍較少。興桂華等[10]發(fā)現(xiàn),遠(yuǎn)志皂苷可以通過影響B(tài)cl-2水平提升小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力;陳慶林等[11]的研究表明,遠(yuǎn)志皂苷可通過保護(hù)膽堿能系統(tǒng)改善Aβ40造成的學(xué)習(xí)記憶損傷。本研究的Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,連續(xù)8周給予遠(yuǎn)志皂苷后APP/PS1小鼠學(xué)習(xí)記憶能力明顯增強(qiáng),同時(shí)突觸后蛋白PSD-95表達(dá)量相較于生理鹽水對(duì)照組明顯增加。PSD-95的表達(dá)量與聚集在突觸后膜上的神經(jīng)連接蛋白量相關(guān),其表達(dá)量的增加可使興奮性突觸數(shù)量有所增多[12]。有研究表明,當(dāng)小鼠喪失PSD-95后,其空間記憶能力會(huì)下降,同時(shí)突觸信號(hào)傳遞減弱[13]。本研究結(jié)果顯示,遠(yuǎn)志皂苷可恢復(fù)APP/PS1小鼠腦內(nèi)PSD-95的表達(dá)水平及小鼠的認(rèn)知能力,PSD-95的上調(diào)有利于認(rèn)知損傷的修復(fù)。
APP/PS1小鼠可較早地出現(xiàn)Aβ沉積,Aβ在腦內(nèi)的異常沉積可誘發(fā)神經(jīng)炎癥、神經(jīng)元丟失、突觸損傷等,最終導(dǎo)致患者的認(rèn)知能力下降[14]。大量研究表明,向動(dòng)物海馬區(qū)立體定位注射Aβ后可導(dǎo)致組織壞死及認(rèn)知損傷等一系列毒性反應(yīng)[15-16]。 因此,抑制Aβ的沉積是較為公認(rèn)的治療AD的有效手段之一。本研究發(fā)現(xiàn),遠(yuǎn)志皂苷可使APP/PS1小鼠海馬區(qū)的Aβ沉積明顯減少。有研究通過對(duì)5XFAD模型鼠腦內(nèi)的PSD-95及Aβ進(jìn)行雙標(biāo)記發(fā)現(xiàn),隨著Aβ沉積增多,PSD-95呈減少的趨勢(shì)[17]。本研究結(jié)果顯示,遠(yuǎn)志皂苷可能通過抑制海馬區(qū)Aβ沉積、上調(diào)PSD-95的表達(dá)而改善學(xué)習(xí)記憶水平。APP/PS1模型小鼠可過表達(dá)淀粉樣前體蛋白(amyloid precursorportein,APP),而APP通過γ分泌酶代謝后產(chǎn)生Aβ[18]。有研究表明,當(dāng)藥物的抑制作用使γ分泌酶表達(dá)降低時(shí),Aβ沉積將會(huì)減少。因此,遠(yuǎn)志皂苷減緩Aβ沉積的機(jī)制可能與其抑制了APP的γ分泌酶代謝途徑有關(guān)。
Tau蛋白在生理情況下主要位于神經(jīng)元軸突內(nèi),它與微管相結(jié)合可維持微管的穩(wěn)定性。Tau蛋白與神經(jīng)信號(hào)的正常傳遞及軸突生長發(fā)育等密切相關(guān)[19]。Tau蛋白的異常磷酸化將使其喪失正常的生理功能,聚集形成神經(jīng)纖維纏結(jié),導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞骨架破壞,最終導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞的丟失[18]。已有研究發(fā)現(xiàn),tau蛋白的過度磷酸化可導(dǎo)致神經(jīng)元死亡及記憶損傷[20-21]。Tau蛋白Ser231、Ser214、Ser396位點(diǎn)是較為重要的磷酸化位點(diǎn),其磷酸化水平與微管穩(wěn)定性密切相關(guān)[22-23]。徐柯樂等[24]研究表明,遠(yuǎn)志皂苷可緩解Aβ40引起的tau蛋白Ser396位點(diǎn)過度磷酸化。本研究也發(fā)現(xiàn),遠(yuǎn)志皂苷可緩解tau蛋白Ser231、Ser214、Ser396位點(diǎn)的磷酸化水平,有助于防治過度磷酸化的tau蛋白引起的神經(jīng)退行性病變,對(duì)AD的治療具有潛在意義。對(duì)JNPL3小鼠模型的研究表明,神經(jīng)纖維纏結(jié)會(huì)導(dǎo)致PSD-95水平下降[17], 而本研究中的遠(yuǎn)志皂苷可緩解tau蛋白Ser231、Ser214、Ser396位點(diǎn)磷酸化,從而有利于PSD-95水平的恢復(fù)。蛋白激酶及磷酸酯酶之間的平衡是調(diào)控tau蛋白磷酸化的主導(dǎo)因素,蛋白激酶GSK-3β表達(dá)降低可減弱tau蛋白的磷酸化水平[25]。陳玉靜等[26]發(fā)現(xiàn),遠(yuǎn)志皂苷可使MAPT激酶GSK-3β表達(dá)水平降低。因此,筆者將在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步探討遠(yuǎn)志皂苷是否通過抑制GSK-3β活性及相關(guān)信號(hào)通路而減弱tau蛋白的異常磷酸化。
遠(yuǎn)志皂苷是益智中藥遠(yuǎn)志的主要藥用成分,目前關(guān)于其對(duì)神經(jīng)退行性疾病的治療作用已有一些報(bào)道[8,27]。本研究中,遠(yuǎn)志皂苷可增強(qiáng)APP/PS1小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力,提高小鼠海馬區(qū)PSD-95的表達(dá)水平,結(jié)合硫黃素染色及ELISA檢測(cè)發(fā)現(xiàn),遠(yuǎn)志皂苷可緩解Aβ沉積及老年斑形成,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)其可減輕多個(gè)位點(diǎn)tau蛋白的磷酸化水平。筆者推測(cè)小鼠認(rèn)知水平的提升可能是通過遠(yuǎn)志皂苷減輕Aβ沉積及tau蛋白磷酸化水平實(shí)現(xiàn)的。下一步將進(jìn)一步探索遠(yuǎn)志皂苷對(duì)Aβ代謝及tau蛋白磷酸化的具體作用機(jī)制及可能的信號(hào)通路。