韓富華,劉劍剛,孫林娟,李南南,官 杰,詹 敏,5,陳文潔,5(.中國中醫(yī)科學(xué)院西苑醫(yī)院腦病科,北京 0009;2.北京中醫(yī)藥大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院,北京 00029;3.中國中醫(yī)科學(xué)院西苑醫(yī)院心血管病中心,北京 0009;.青島市海慈醫(yī)療集團(tuán)內(nèi)分泌科,山東 青島 266033;5.中國中醫(yī)科學(xué)院研究生院,北京00700)
慢性腦缺血(chronic cerebral ischemia,CCI)又稱慢性腦低灌注,是一種由多種原因?qū)е履X血流長期灌注不足進(jìn)而引發(fā)的慢性腦功能障礙綜合征,早期表現(xiàn)為認(rèn)知功能受損,隨后可發(fā)展為持久性或進(jìn)展性的認(rèn)知及神經(jīng)功能障礙[1],是血管性認(rèn)知功能障礙(vascular cognitive impairment,VCI)的重要危險(xiǎn)因素[2]。神經(jīng)血管單元(neurovascular unit,NVU)是由神經(jīng)元、血腦屏障、星形膠質(zhì)細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)組成的復(fù)合體,可發(fā)揮復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同作用,共同維持神經(jīng)元微環(huán)境的穩(wěn)定[3]。NVU理論將NVU作為神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基本單位進(jìn)行整體研究,把以往對單一神經(jīng)元的保護(hù)擴(kuò)展為對NVU 中各組成的全面保護(hù)[4],這一研究策略與中藥多靶點(diǎn)、多環(huán)節(jié)、多維度全面保護(hù)和整體調(diào)節(jié)的作用特點(diǎn)相吻合。探究CCI 狀態(tài)下腦內(nèi)NVU 的病變情況,并基于此調(diào)節(jié)和促進(jìn)NVU 功能與結(jié)構(gòu)的恢復(fù),對改善CCI 導(dǎo)致的認(rèn)知功能障礙具有重要意義。
既往研究表明,益氣活血中藥組分(人參總皂苷、銀杏總酮酯、西紅花總苷)能夠透過血腦屏障,可改善VCI患者的認(rèn)知功能、神經(jīng)元活動(dòng)和腦灌注損傷[5];同時(shí),又可調(diào)節(jié)多發(fā)梗死性癡呆大鼠腦內(nèi)與學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的神經(jīng)遞質(zhì)水平,改善其認(rèn)知功能[6]。然而目前該中藥組分對CCI 所致認(rèn)知功能障礙的作用及機(jī)制尚不清楚。本研究基于NVU理論,從動(dòng)物學(xué)習(xí)記憶能力、NVU超微形態(tài)結(jié)構(gòu)和相關(guān)蛋白[血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、血管生成素1(angiopoietin 1,Ang1)、堿性成纖維細(xì)胞生長因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)、α7 煙堿型乙酰膽堿受體(α7 nicotinic acetylcholine receptor,α7 nAChRs)]表達(dá)等角度入手,探討益氣活血中藥組分對CCI模型小鼠認(rèn)知功能障礙的影響及作用機(jī)制,以期為臨床防治VCI 提供科學(xué)依據(jù)。
本研究所用主要儀器包括BT87-3型體內(nèi)血栓形成測定儀(包頭市昆侖生物化學(xué)應(yīng)用技術(shù)開發(fā)研究所)、1049002 型跳臺(tái)儀(北京眾實(shí)迪創(chuàng)科技發(fā)展有限責(zé)任公司)、H-7500 型透射電鏡(日本Hitachi公司)、Fresco17-1型低溫冷凍離心機(jī)[賽默飛世爾科技(中國)有限公司]、Tanon 1600型凝膠成像系統(tǒng)(上海天能科技有限公司)、ABI 7500 型熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)儀(美國ABI公司)、Multisksn MK3 型全自動(dòng)酶標(biāo)儀(芬蘭Thermo Labsystems公司)等。
益氣活血中藥組分[人參總皂苷(純度≥90%)、銀杏總酮酯(純度≥90%)、西紅花總苷(純度≥90%)混合物,質(zhì)量比5∶7∶1,批號090914]由神威藥業(yè)集團(tuán)有限公司提供;阿司匹林腸溶片(批號018170704,規(guī)格100 mg/片)購自石藥集團(tuán)歐意藥業(yè)有限公司;兔VEGF多克隆抗體(批號GTX50153)購自美國GeneTex 公司;兔α7 nAChRs多克隆抗體(批號ab216485)購自英國Abcam公司;ECL Western blot 底物試劑盒(批號WBKLS0500)購自美國Millipore 公司;大鼠β-肌動(dòng)蛋白(β-actin)單克隆抗體(批號YM3028)購自美國Immunoway公司;辣根過氧化物酶標(biāo)記的山羊抗兔免疫球蛋白G 二抗(H+L)和辣根過氧化物酶標(biāo)記的山羊抗鼠免疫球蛋白G二抗(H+L)(批號分別為S004、S001)均購自天德悅(北京)生物科技有限責(zé)任公司;TRNzol 總RNA 提取試劑(批號DP405-02)購自天根生化科技(北京)有限公司;VEGF、Ang1、bFGF酶聯(lián)免疫吸附測定(ELISA)試劑盒(批號分別為20180519A、20180620A、20180625A)均購自北京欣博盛生物科技有限公司;其余試劑均為分析純或?qū)嶒?yàn)室常用規(guī)格,水為純凈水。
SPF 級雄性C57BL/6J 健康小鼠64 只,8 周齡,體質(zhì)量為18~20 g,購自北京華阜康生物科技股份有限公司,動(dòng)物生產(chǎn)許可證號為SCXK(京)2019-0008。所有小鼠均飼養(yǎng)于中國中醫(yī)科學(xué)院西苑醫(yī)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中心屏障級動(dòng)物房(室溫23~25 ℃,相對濕度50%~70%)內(nèi),并自由攝食和飲水。本實(shí)驗(yàn)方案遵循科技部《關(guān)于善待實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的指導(dǎo)性意見》的動(dòng)物倫理要求,經(jīng)中國中醫(yī)科學(xué)院西苑醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審核批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號2018XLC012-2)。
所有小鼠適應(yīng)性飼養(yǎng)7 d 后,隨機(jī)分為假手術(shù)組(n=16)和造模組(n=48)。造模組小鼠術(shù)前禁食12 h,腹腔麻醉,仰臥固定后行頸部備皮消毒,剪開頸部皮膚,暴露雙側(cè)頸總動(dòng)脈(長度約1 cm),并在血管下墊玻璃紙以保護(hù)周圍組織。將體內(nèi)血栓形成測定儀的刺激電極、溫度感受器鉤于血管和玻璃紙之間,采用80 μA的溫控電流刺激動(dòng)脈血管7 min,若血管遠(yuǎn)端溫度突然下降則表明血管內(nèi)血栓形成,即CCI 模型復(fù)制成功[7]。然后縫合小鼠傷口,保溫飼養(yǎng),術(shù)后連續(xù)3 d肌內(nèi)注射青霉素鈉20萬單位/d,以預(yù)防感染。取造模24 h后成功存活的小鼠(造模成功率100%)進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。假手術(shù)組小鼠按上述方法操作,但不通電。
將造模成功的CCI模型小鼠隨機(jī)分為模型組、阿司匹林組(陽性對照,10 mg/kg)、中藥組(益氣活血中藥組分,33 mg/kg),每組16只。除模型組和假手術(shù)組小鼠灌胃水外,其余各組小鼠灌胃相應(yīng)藥液,每天1 次,連續(xù)8周。阿司匹林組和中藥組的給藥劑量均為臨床等效劑量[8-9],且前期實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)該劑量是能引起(生物)等效反應(yīng)的相對藥物劑量。
采用跳臺(tái)實(shí)驗(yàn)檢測各組小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力。實(shí)驗(yàn)前,將小鼠放入實(shí)驗(yàn)箱內(nèi),適應(yīng)環(huán)境5 min并進(jìn)行學(xué)習(xí)測試;24 h 后,進(jìn)行記憶能力測試,將小鼠放于平臺(tái)上,記錄從放上平臺(tái)至第1次跳下平臺(tái)所需的時(shí)間(即跳臺(tái)潛伏期)和5 min內(nèi)跳下平臺(tái)的次數(shù)(即跳臺(tái)錯(cuò)誤次數(shù)),以此作為學(xué)習(xí)記憶能力的評價(jià)指標(biāo)。
跳臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,所有小鼠禁食12 h,于次日麻醉、處死后快速取出完整腦組織,用預(yù)冷的生理鹽水沖洗干凈。每組隨機(jī)取5只小鼠的左側(cè)腦組織,剝離大腦皮層和海馬組織,分別置于4%中性多聚甲醛溶液中保存;剩余小鼠的腦組織以錫紙包裹并保存于液氮中,置于-80 ℃冰箱中保存。
取“2.4”項(xiàng)下小鼠的大腦皮層和海馬組織,分別用0.1 mol/L 磷酸鹽緩沖液沖洗3 次,加入1%鋨酸溶液于4 ℃下染色2 h,切塊,脫水;然后放入100%樹脂中,常規(guī)包埋,切片(50 nm),于透射電鏡下觀察各組小鼠大腦皮層和海馬組織中NVU 的超微形態(tài)結(jié)構(gòu),并隨機(jī)選取10個(gè)視野拍照。
采用Western blot法進(jìn)行檢測。每組隨機(jī)選取“2.4”項(xiàng)下凍存的5只小鼠的腦組織,經(jīng)裂解、勻漿、靜置后,于4 ℃下以13 000 r/min 離心20 min,取上清液,測定蛋白濃度并于100 ℃下變性。取變性蛋白樣品,進(jìn)行電泳分離并轉(zhuǎn)移至聚偏二氟乙烯膜上,封閉后,分別加入VEGF、α7 nAChRs、β-actin 抗體(以含3%牛血清白蛋白的TBST 緩沖液稀釋,稀釋比例分別為1∶500、1∶300、1∶5 000),室溫孵育10 min,4 ℃過夜;加入相應(yīng)二抗(稀釋比例1:10 000),室溫孵育1.5 h;用TBST 緩沖液洗膜6次,每次3 min,隨后加ECL試劑反應(yīng)3~5 min,膠片曝光,顯影2 min,定影。使用Total Lab Quant V11.5 版圖像軟件計(jì)算灰度值,以目標(biāo)蛋白與內(nèi)參(β-actin)的灰度值比值為目標(biāo)蛋白的表達(dá)水平。
采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR 法進(jìn)行檢測。每組隨機(jī)選取“2.4”項(xiàng)下凍存的5 只小鼠的腦組織,采用TRNzol 總RNA 提取試劑提取樣本腦組織的總RNA,測定RNA 濃度和純度后進(jìn)行cDNA 反轉(zhuǎn)錄。以所得cDNA 為模板,進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。反應(yīng)體系如下:cDNA 模板適量(由1 μg mRNA反轉(zhuǎn)錄所得),2×Master Mix 10 μL,10 μmol/L的上/下游引物各0.5 μL,加水至總體積為18 μL。PCR反應(yīng)程序如下:95 ℃預(yù)變性30 s;95 ℃變性5 s,60 ℃退火延伸40 s,共40個(gè)循環(huán)。采用2-ΔΔCt法,以β-actin為內(nèi)參,計(jì)算目標(biāo)基因的表達(dá)水平。各基因引物均由英杰生工生物技術(shù)(北京)有限公司設(shè)計(jì)、合成,引物序列和產(chǎn)物大小見表1。
表1 目標(biāo)基因的引物序列和產(chǎn)物大小
每組隨機(jī)選取“2.4”項(xiàng)下凍存的5只小鼠的腦組織,嚴(yán)格按照ELISA 試劑盒說明書操作,使用酶標(biāo)儀于450 nm波長處檢測腦組織中VEGF、Ang1、bFGF的含量。
采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。所有數(shù)據(jù)均用±s表示,多組間比較采用單因素方差分析,組間兩兩比較采用LSD-t檢驗(yàn)、Student-Newman-Keuls 檢驗(yàn)或Tamhane’sT2檢驗(yàn)。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。
與假手術(shù)組比較,模型組小鼠跳臺(tái)錯(cuò)誤次數(shù)顯著增多(P<0.05),跳臺(tái)潛伏期顯著縮短(P<0.05)。與模型組比較,阿司匹林組和中藥組小鼠跳臺(tái)錯(cuò)誤次數(shù)顯著減少(P<0.05),中藥組小鼠跳臺(tái)潛伏期顯著延長(P<0.05)。結(jié)果見表2。
表2 益氣活血中藥組分對CCI模型小鼠學(xué)習(xí)記憶能力的影響(±s,n=16)
表2 益氣活血中藥組分對CCI模型小鼠學(xué)習(xí)記憶能力的影響(±s,n=16)
a:與假手術(shù)組比較,P<0.05;b:與模型組比較,P<0.05
組別假手術(shù)組模型組阿司匹林組中藥組跳臺(tái)錯(cuò)誤次數(shù)1.27±0.16 2.20±0.37a 1.32±0.33b 1.22±0.45b跳臺(tái)潛伏期/s 226.45±53.12 179.23±55.29a 217.45±64.35 226.76±66.23b
假手術(shù)組小鼠大腦皮層細(xì)胞膜完整,胞漿內(nèi)線粒體、細(xì)胞核形態(tài)和分布基本正常。與假手術(shù)組比較,模型組小鼠大腦皮層內(nèi)線粒體嵴斷裂,微血管內(nèi)皮細(xì)胞周圍水腫,血管壁增生,血管內(nèi)皮細(xì)胞和基底膜正常結(jié)構(gòu)消失,內(nèi)皮細(xì)胞、基底膜和膠質(zhì)細(xì)胞之間的間隙增寬。與模型組比較,各給藥組小鼠細(xì)胞內(nèi)線粒體、內(nèi)皮細(xì)胞和基底膜結(jié)構(gòu)修復(fù),血管內(nèi)皮細(xì)胞周圍水腫減輕。結(jié)果見圖1。
圖1 益氣活血中藥組分對CCI 模型小鼠大腦皮層中NVU超微形態(tài)結(jié)構(gòu)影響的顯微圖(×20 000)
假手術(shù)組海馬組織細(xì)胞膜完整,核仁形態(tài)正常,線粒體數(shù)量較多且結(jié)構(gòu)基本正常,偶見內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體。與假手術(shù)組比較,模型組小鼠海馬組織神經(jīng)元內(nèi)細(xì)胞器減少,胞質(zhì)固縮,線粒體數(shù)量減少,部分線粒體膜破裂,線粒體嵴模糊并有斷裂現(xiàn)象,基質(zhì)顆粒減少。與模型組比較,各給藥組小鼠海馬組織神經(jīng)元內(nèi)細(xì)胞器數(shù)量增多,線粒體結(jié)構(gòu)明顯改善,線粒體膜總體清晰,線粒體嵴增多。結(jié)果見圖2。
圖2 益氣活血中藥組分對CCI 模型小鼠海馬組織中NVU超微形態(tài)結(jié)構(gòu)影響的顯微圖(×20 000)
與假手術(shù)組比較,模型組小鼠腦組織中VEGF蛋白及mRNA 的 表達(dá)水平均顯著升高(P<0.05),α7 nAChRs 蛋白及mRNA 的表達(dá)水平均顯著降低(P<0.05)。與模型組比較,中藥組小鼠腦組織中VEGF 和α7 nAChRs 蛋白及mRNA 的表達(dá)水平均顯著升高(P<0.05);阿司匹林組小鼠腦組織中VEGF蛋白及mRNA的表達(dá)水平均顯著降低(P<0.05)。結(jié)果見圖3、圖4。
圖3 益氣活血中藥組分對CCI 模型小鼠腦組織中VEGF、α7 nAChRs 蛋白表達(dá)影響的電泳圖和柱狀圖(n=5)
圖4 益氣活血中藥組分對CCI 模型小鼠腦組織中VEGF、α7 nAChRs mRNA 表達(dá)影響的柱狀圖(n=5)
與假手術(shù)組比較,模型組小鼠腦組織中VEGF的含量顯著升高(P<0.05);bFGF、Ang1 含量差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。與模型組比較,阿司匹林組和中藥組小鼠腦組織中Ang1、bFGF 的含量均顯著升高(P<0.05),中藥組小鼠腦組織中VEGF的含量顯著升高(P<0.05)。結(jié)果見表3。
表3 益氣活血中藥組分對CCI 模型小鼠腦組織中VEGF、Ang1、bFGF 含量的影響(±s,n=5,ng/mg)
表3 益氣活血中藥組分對CCI 模型小鼠腦組織中VEGF、Ang1、bFGF 含量的影響(±s,n=5,ng/mg)
a:與假手術(shù)組比較,P<0.05;b:與模型組比較,P<0.05
組別假手術(shù)組模型組阿司匹林組中藥組VEGF 9.59±1.23 12.36±2.42a 10.36±2.26 14.38±1.54b Ang1 1.58±0.49 1.49±0.16 1.92±0.55b 2.88±0.70b bFGF 6.35±2.06 6.56±0.54 8.67±2.48b 9.63±2.53b
CCI 作為一種腦整體水平血液供應(yīng)減少的病理狀態(tài),不僅是多種缺血性腦血管疾病的發(fā)病原因,也是VCI的重要致病因素[10]。本研究采用溫控電流刺激小鼠雙側(cè)頸總動(dòng)脈,損傷血管內(nèi)皮細(xì)胞,促使血小板黏附聚集,造成大腦低灌注,可較好地模擬患者前循環(huán)(頸內(nèi)動(dòng)脈系統(tǒng))缺血導(dǎo)致CCI 的病理狀態(tài)[11]。因本研究所用CCI模型與血小板聚集致頸總動(dòng)脈血栓栓塞有關(guān),結(jié)合《慢性腦缺血中西醫(yī)結(jié)合診療專家共識》的推薦(對于血栓形成導(dǎo)致的CCI,臨床應(yīng)重視阿司匹林抗血小板聚集治療)[12],本研究以阿司匹林作為陽性對照藥物。本研究結(jié)果顯示,模型組小鼠學(xué)習(xí)記憶能力較假手術(shù)組明顯減退,與既往文獻(xiàn)研究的發(fā)現(xiàn)一致[13]。
NVU理論既與中醫(yī)“整體觀”的思想一致,又強(qiáng)調(diào)了血管在神經(jīng)結(jié)構(gòu)和功能保護(hù)中的重要地位。王大鵬等[14]研究發(fā)現(xiàn),CCI 發(fā)生時(shí),NVU 的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了顯著改變,可見神經(jīng)元凋亡、微血管完整性受損、血腦屏障功能失調(diào)等。本研究觀察到的小鼠腦組織中NVU超微形態(tài)結(jié)構(gòu)的異常改變與上述研究基本一致;同時(shí),該病理變化伴有小鼠學(xué)習(xí)記憶能力減退。在給予益氣活血中藥組分干預(yù)后,小鼠腦組織病理改變和學(xué)習(xí)記憶能力均有恢復(fù)。這提示CCI致NVU超微形態(tài)結(jié)構(gòu)改變可能是CCI導(dǎo)致認(rèn)知功能受損的病理基礎(chǔ),且益氣活血中藥組分對這種改變有一定的改善作用。
VEGF 作為NVU 的主要標(biāo)志蛋白之一,可促進(jìn)NVU重塑,對缺血大腦的NVU具有特殊的保護(hù)作用[15]。Ang1 與NVU 密切相關(guān),當(dāng)腦缺血發(fā)生時(shí),Ang1 能促進(jìn)微血管生成,維持血腦屏障的完整性,抑制神經(jīng)元凋亡,促進(jìn)神經(jīng)功能的恢復(fù)[16]。bFGF 廣泛分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi),不僅能營養(yǎng)和保護(hù)神經(jīng)元,還能促進(jìn)微血管的再生,誘導(dǎo)側(cè)支循環(huán)的建立[17]。α7 nAChRs 與記憶能力密切相關(guān),激活后可減輕缺血腦組織的炎癥反應(yīng),抑制細(xì)胞凋亡,發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[18]。本研究結(jié)果顯示,與假手術(shù)組比較,模型組小鼠腦組織中VEGF蛋白和mRNA的表達(dá)均顯著升高,α7 nAChRs蛋白和mRNA的表達(dá)均顯著降低,表明CCI狀態(tài)可影響腦內(nèi)VEGF的表達(dá),調(diào)控腦組織內(nèi)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖和微血管再生,同時(shí)可影響腦內(nèi)與記憶認(rèn)知功能密切相關(guān)的α7 nAChRs的表達(dá),影響神經(jīng)元興奮性和神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞,最終直接損傷小鼠認(rèn)知功能。在給予益氣活血中藥組分干預(yù)后,小鼠腦組織 中VEGF、α7 nAChRs 蛋 白 和mRNA 的 表 達(dá) 以 及VEGF、Ang1、bFGF的含量均顯著升高,提示該中藥組分改善CCI 所致認(rèn)知功能障礙的機(jī)制可能與調(diào)控腦內(nèi)與NVU及記憶功能密切相關(guān)蛋白的表達(dá)有關(guān)。
與急性腦血管疾病相比,CCI的可干預(yù)時(shí)間窗更長,早期診治并有效逆轉(zhuǎn)CCI 進(jìn)展對防治VCI 具有重要意義[19]。本研究采用益氣活血中藥組分以臨床等效劑量干預(yù)CCI 模型小鼠,結(jié)果發(fā)現(xiàn),該中藥組分能夠顯著改善CCI 模型小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力,促使腦內(nèi)與NVU 及記 憶 功 能 密 切 相 關(guān) 的 蛋 白VEGF、Ang1、bFGF、α7 nAChRs 的含量或表達(dá)顯著升高,此舉可促進(jìn)腦組織中血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖和微血管再生,有利于腦血管側(cè)支循環(huán)的建立,保護(hù)血腦屏障,恢復(fù)受損的NVU,增強(qiáng)神經(jīng)元興奮性和神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞,從而改善CCI導(dǎo)致的認(rèn)知功能障礙。
綜上所述,益氣活血中藥組分能夠改善CCI所致的小鼠認(rèn)知功能障礙,其機(jī)制可能是通過保護(hù)腦內(nèi)NVU,恢復(fù)受損NVU的超微形態(tài)結(jié)構(gòu),調(diào)控腦內(nèi)與NVU及記憶功能密切相關(guān)蛋白(VEGF、Ang1、bFGF、α7 nAChRs)的表達(dá),進(jìn)而改善認(rèn)知功能。