七氟醚后处理通过IRE1/JNK/beclin1信号通路调节内质网应激-自噬减轻新生大鼠缺血缺氧性脑损伤

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目的:新生儿缺血缺氧性脑病是新生儿期比较常见的合并症,由众多原因产生,是造成婴幼儿死亡和神经系统后遗症的主要因素。严重缺血缺氧的患者在新生儿时期死亡,90%的生存者会有长期的神经和认知功能障碍,给家庭和社会带来巨大的负担。现阶段的治疗主要集中于急性期的对症治疗以及损伤后的康复治疗,其效果并不令人满意。因此,急需发展新的方法来对脑缺血缺氧的患者进行治疗。随着吸入麻醉药在婴幼儿手术中的广泛应用,吸入麻醉药后处理的脑保护作用受到关注。七氟醚作为一种吸入麻醉药,具有诱导快、苏醒快、麻醉深度易调节等优点。有研究表明,七氟醚后处理可减轻新生鼠的脑缺血缺氧损伤,减少梗死容积,抑制神经细胞凋亡,起到良好的神经保护作用,但其机制尚未完全阐明。前期研究显示,在缺血缺氧性脑损伤模型中,七氟醚通过介导PI3K/Akt/mTOR及MAPK/ERK/mTOR信号通路减少自噬的发生,抑制神经细胞的凋亡,从而起到神经保护作用。自噬,是机体的一种防御性反应,随着对其相关研究的不断深入,发现自噬不仅与细胞凋亡、增殖、分化、迁移等相关,而且与炎性介质、线粒体氧化应激等存在内在联系。研究表明,内质网应激(Endoplasmic reticulum stress,ERS)时未折叠蛋白反应可以激活自噬,自噬又可以通过降解错误折叠或未折叠蛋白减轻内质网的负荷,抑制内质网应激的过度激活,同时产生的降解产物也为机体细胞新蛋白质的合成、细胞结构的重建以及ATP的生成提供原料。但过度激活的内质网应激-自噬又能够加重细胞损伤,甚至导致细胞死亡。研究表明,内质网应激介导的自噬与神经退化性病变相关。阿尔兹海默症(Alzheimer’s disease,AD)患者大脑中存在颗粒空泡变性,其中含有ERS标志性蛋白,在此种神经元中微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1-light chain 3,LC3)等自噬标志性蛋白也有所增加。在脑缺血再灌注损伤的模型中,ERS可以通过双链RNA依赖蛋白激酶样ER激酶(protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase,PERK)和肌醇需求酶1(inositol-requiring enzyme 1,IRE1)途径激活自噬,引起的自噬可被4-苯基丁酸钠盐(Sodium 4-Phenylbutyrate,4-PBA)抑制,而6-氨基-3-甲基嘌呤(3-Methyladenine,3-MA)只能抑制自噬而对ERS无明显影响;褪黑素可以通过抑制ERS和自噬来减少脑损伤,而衣霉素(Tunicamycin,TM)和雷帕霉素(Rapamycin,RAPA)对此有拮抗作用。由此可见,内质网应激与自噬均参与脑缺氧缺血损伤,而内质网应激如何对自噬进行相互调节,七氟醚是否通过内质网应激-自噬对缺血缺氧性脑损伤起到保护作用,有待证实。材料方法:1、实验动物选取SPF级新生SD大鼠,7天龄,体重1216g,由中国医科大学附属盛京医院本溪医药研究教育发展基地提供,本实验严格按照国际伦理准则以及国家卫生研究院实验室动物护理与使用指南进行,并经中国医科大学附属盛京医院医学伦理委员会审查批准(2017PS020K)。2、新生大鼠缺血缺氧性脑损伤模型(HIBI)参照课题组前期实验进行手术操作,造模3小时、6小时、12小时、24小时后采用Western blot法检测新生大鼠左侧海马内质网应激相关蛋白GRP78和自噬相关蛋白LC3-II表达水平。3、在行HIBI模型手术30分钟前,分别对7天SD新生大鼠左侧脑室注射内质网应激激动剂TM、内质网应激抑制剂4-PBA、自噬抑制剂3-MA,其余组注射等量空白溶剂,造模24小时后Western blot法检测左侧海马内质网应激相关蛋白GRP78和自噬相关蛋白LC3-II、p62;左侧海马CA1及CA3区,免疫荧光双染GRP78和神经元标记物Neuron,p62和神经元标记物Neuron;采用TUNEL检测以上区域神经元凋亡数量。4、在行HIBI模型手术30分钟前,分别对7天SD新生大鼠左侧脑室注射TM,TM+IRE1抑制剂,其余组注射等量空白溶剂;HIBI后,即刻吸入由30%O2+70%N2湿化混合气体输送的2%七氟醚30min,其余两组吸入不含七氟醚的湿化混合气体30min,造模24小时后Western blot法检测左侧海马内质网应激相关蛋白GRP78和自噬相关蛋白LC3-II、p62,及IRE1/JNK/beclin1通路蛋白表达水平。5、新生大鼠同样采取上述处理后28天采用旷场试验、Morris水迷宫实验测试新生大鼠远期运动活性、情绪变化及空间学习记忆能力,并在水迷宫测试结束后用Nissl染色计数左侧海马CA1及CA3区神经元数量。结果:1、HIBI模型中内质网应激与自噬均发生:GRP78于HIBI后3小时发生,6小时达到高峰;LC3-II于HIBI后6小时发生,24小时达到高峰。2、HIBI模型中内质网应激对自噬具有调节作用,从而改变神经元凋亡情况:应用内质网应激激动剂TM,GRP78、LC3-II表达升高,p62表达下降,TUNEL阳性细胞数增加;应用内质网应激抑制剂4-PBA,GRP78、LC3-II表达下降,p62表达升高,TUNEL阳性细胞数减少;应用自噬抑制剂3-MA,GRP78表达无明显变化,LC3-II表达下降,p62表达升高,TUNEL阳性细胞数减少。3、七氟醚后处理通过IRE1/JNK/beclin1信号通路减少HIBI模型中内质网应激-自噬的表达:七氟醚后处理组与模型组相比GRP78、LC3-II、p-IRE1、p-JNK、beclin1表达降低,p62表达升高;应用内质网应激激动剂TM组与七氟醚后处理组相比,GRP78、LC3-II、p-IRE1、p-JNK、beclin1表达升高,p62表达降低;应用TM和IRE1抑制剂组与前者相比,GRP78、LC3-II、p-IRE1、p-JNK、beclin1表达降低,p62表达升高。4、七氟醚后处理通过IRE1/JNK/beclin1信号通路改善远期学习记忆功能且增加CA1及CA3区神经元数量:与模型组相比,七氟醚后处理组逃避潜伏期缩短,穿越平台次数增加,且CA1及CA3区神经元的数量增多;与七氟醚后处理组相比,应用TM组逃避潜伏期延长,穿越平台次数减少,且CA1及CA3区神经元的数量减少;应用TM和IRE1抑制剂组与单纯TM组相比,逃避潜伏期缩短,穿越平台次数增加,且CA1及CA3区神经元的数量增多;各组间粪便数、运动总路程、中央区停留时间差异无统计学意义。结论:新生大鼠缺血缺氧性脑损伤中,内质网应激与自噬均可发生,内质网应激对自噬具有调节作用,从而介导神经元凋亡的发生;七氟醚后处理可以通过降低内质网应激-自噬的水平改善远期学习记忆功能且增加CA1及CA3区神经元数量,其机制可能与IRE1/JNK/beclin1信号通路有关。
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