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补肾填髓方对阿尔茨海默病模型大鼠学习记忆
能力及线粒体氧化应激的影响
目的观察补肾填髓方对阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)模型大鼠学习记忆能力及线粒体氧化应激的影响。 方法50只大鼠先用Y迷宫初筛,再按旷场实验得分随机分成正常组、模型组、假手术组、中药组、西药组。假手术组两侧侧脑室注 射P淀粉样蛋白(AP)424,佘下除正常组外均以双侧侧脑室注射(AP)1^复制AD模型。造模后中药组灌服补肾填髓方,西药组灌服 多奈哌齐,其他组灌服等容量生理盐水,连续干预28 d。Morris水迷宫检测大鼠学习记忆能力,酶联免疫吸附方法(ELISA)检测大鼠 脑皮质及血清超氧化物歧化酶(superoxide dismufase, SOD)活性,硫代巴比妥酸法(TBA)检测大鼠脑皮质及血清丙二醛(malondi- aldehyde, MDA)活性,透射电镜观测海马线粒体超微结构。结果与模型组比较,中药组和西药组大鼠水迷宫逃避潜伏期缩短,在原 平台象限游泳时间及距离的百分比增加,差异均有显著统计学意义(P<0.05或P<0.01)。与模型组比较,中药组SOD活性升高,MAD 活性减低(P<0.05,P<0.01);西药组的SOD活性升高,MDA活性降低(P<0.01);中药组及西药组的海马线粒体超微结构病理损害改 善。结论补肾填髓方可以改善AD大鼠的学习记忆能力,其机制可能与改善线粒体氧化应激有关。
〔关键词〕阿尔茨海默病;补肾填髓方;氧化应激;线粒体
阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是与 年龄相关的中枢神经系统退行性疾病,以进行性记 忆下降及认知损伤为特点[1]。由于人口老龄化,目前 世界范围内AD患病人数已经达到4 400万[2],给社 会带来沉重负担。AD的病因和发病机制复杂且并 不*清楚,现在的治疗药物不能*临床需 要,并且费用昂贵,还存在肝毒性、腹泻、恶心呕吐、 头晕等不良反应[3]。因此,研究疗效更确切、副作用 更少的AD治疗药物非常紧迫。近年来,大量文献研 究报道,AD与氧化应激联系紧密,改善氧化应激可 以明显改善AD[4-6]。补肾填髓方是根据中医学理论 “肾虚髓亏”,基于经典方剂孔圣枕中丹(《千金方》) 化裁而成,相关研究证实补肾填髓方药能有效延缓 痴呆早期患者大脑结构的萎缩,改善其认知及记忆 功能'但其作用机制并不十分明确。本研究拟以 AD模型大鼠为实验对象,从线粒体的氧化应激角 度,探讨补肾填髓方抗AD的作用机制。
1材料与仪器
1.1实验动物
90只健康雄性清洁级SD大鼠,体质量(180±20)g, 购自斯莱克景达实验动物有限公司,许可证号:SYXK (湘)2010-0013;实验动物来源证号:430047000,饲 养于湖南省人民医院动物实验室。所有动物饲养在 室温22~25丈、湿度40%~60%条件下,以普通饲料 喂养,自由进食饮水。将大鼠观察性饲养1周后进行 Y迷宫实验初筛。
1.2实验药物、试剂及仪器设备
补肾填髓方由石菖蒲10 g,远志10 g,何首乌 15 g,yin羊藿15 g,龟板20 g,龙骨20 g组成。盐酸 多奈哌齐片,卫材药业有限公司,批号:1611013。 ApW2,Sigma 公司,批号:A4559。A^42-1,Sigma 公司,
批号:A2201(以无菌双蒸水将ApM2及AP42-1配制成 浓度为2 pg/pL,置于37 t恒温箱孵育7 d,保存于 4 °C 冰箱备用)。丙二醒(malondialdehyde,MDA)试剂 盒,南京建成,批号:A003-1。超氧化物歧化酶(su-peroxide dismufase, SOD)试剂盒 ,武 汉华美 ,批号 : P03037347。大鼠脑立体定位仪,美国K0PF(Model- 900)。Morris水迷宫,上海欣软(XR-XM101)。Y迷宫, 上海软隆(BW-MYM103)。透射式电子显微镜,美国 FEI 公司(Tecnai G2 Spirit)。
2方法
2.1 AD大鼠模型的复制及干预
根据参考文献[8]行Y型迷宫初筛,剔除先天愚 钝的大鼠,随后依据旷场实验水平运动得分将大鼠 分为正常组、假手术组、模型组、西药组、中药组,每 组10只。参照Xi等[9]方法,复制AD模型。除正常组 夕卜,各组大鼠以10%水合氯醛(350 mg/kg)腹腔注射 麻醉后俯卧固定于脑立体定位仪,常规备皮消毒,头 顶正中切开皮肤,找到大鼠前囟,结合《大鼠脑立体 定向仪图谱》[10]及预实验结果,在大鼠两侧侧脑室(位 置:前囟后1 mm,矢状缝向左、右侧劳开1.5 mm, 深4.6 mm)用针头钻开颅骨,假手术组两侧侧脑室 注入AP42-1 5 pL,其余实验组缓慢注入ApM2 5 pL。 注入时间均为5 min,留针时间5 min,注射完毕后 缝合皮肤,局部红霉素外涂防感染。
正常组不灌胃,其他组造模后隔天开始灌胃。根 据人与大鼠换算系数0.018,以大鼠体质量200 g,成 人体质量60 kg为参考,西药组按0.33 mg/(kg’d)、中 药组按生药量8.1 g/(kg,d)的剂量灌胃,给予药液 8 mL/(kg,d)。模型组和假手术组灌服等容量生理盐 水,连续给药4周。
造模成功标准[8]:造模结束后第15天,对大鼠再次进行Y型迷宫筛选,如15次测试中正确次数 比造模前下降1/3者为造模成功。共剔除死亡大鼠 5只,造模失败3只,将存活的成功模型纳人下一步 实验,其中假手术组8只,模型组7只,中药组9只, 西药组8只,正常组10只,成模率80%,并遵循随 机原则补齐每组动物为10只。
在各组大鼠28 d干预完成后,每天下午14:30 左右开始定位航行训练,连续5 d。每天将大鼠面向 池壁分别从4个平均分布的标记点轻轻放人水中, 记录1 min内其找到水下平台所花费的时间(逃 避潜伏期,escape latency)。第6天移除隐藏的平 台,从定位航行实验的第1个人水点将大鼠放人水 池,记录1 min内大鼠经过虚拟平台的总次数,原平 台象限的活动时间与距离占总游泳时间及总游程 的百分比[11]。
水迷宫测试结束后,大鼠用10%水合氯醛 (350 mg/kg)麻醉,腹主动脉采血后,断头取脑,碎冰上 迅速分离出大鼠前额皮质,预冷的生理盐水洗净血zi, 吸干水分后称质量,制备成10%组织匀浆液,分别低 温离心机3 500 r/min离心匀浆液及血液15 min,取 上清,按照SOD、MDA试剂盒说明书操作测定。
2.4电镜观察
大鼠麻醉处死后断头取脑,碎冰上分离大鼠海 马,用2.5%戊二醛固定2 h以上,0.1 mmol/L磷酸 缓冲液清洗3次;1%锇酸固定1~2 h,0.1 mmol/L 磷酸缓冲液漂洗3次;常规50%、70%、90%、100% 丙酮脱水,经过浸泡、包埋、固化后超薄切片机切片, 柠檬酸铅和醋酸铀双染,透射电镜下放大20 000倍
观察并拍照记录。
2.5统计方法
用SPSS l7.0软件进行统计分析,实验数据均 用“x±s”表示,水迷宫逃避潜伏期采用重复测量方差 分析[12],其余各组间比较使用单因素方差分析,组间 两两比较使用LSD检验,P<0.05表示差异有统计学 意义。
3结果
3.1 水迷宫定位航行试验
随着训练时间的延长,各组大鼠逃避潜伏期逐 渐缩短。与假手术组比较,模型组第3天开始出现逃 避潜伏期延长(P<0.01);与模型组比较,中药组、西 药组逃避潜伏期第3天开始缩短(P<0.01 )。与西药组 相比,中药组逃避潜伏期稍有延长,但差异无统计学 意义(P>0.05)。见图1、表1
3.2水迷宫空间探索试验
与假手术组相比,模型组大鼠原平台象限游泳时 间百分比及游泳距离百分降低,差异有统计学意义 〇P<0.01);与模型组相比,中药组、西药组游泳时间
及游泳距离的百分比升高(P<0.05或P<0.01);与西 药组相比,中药组原平台象限游泳时间所占百分比 稍有降低,但两者差异无统计学意义(P>0.05),中药 组原平台象限游泳距离所占百分比降低,两者差异 有统计学意义(P<0.01)。见表2、图2。
表2补肾填髓汤对AD大鼠在原平台象限游泳时间、
组别 | 游泳时间百分比 | 游泳距离百分比 |
正常组 | 59.06±10.39 | 29.22±6.46 |
假手术组 | 56.36± 11.40 | 27.99±4.22 |
模型组 | 28.61±9.86** | 16.07±3.39** |
西药组 | 48.68±12.89## | 23.53±4.34## |
中药组 | 44.27±9.95*## | 21.97±5.13**#“ |
F值 | 12.10 | 25.10 |
P值 | 0.000 | 0.000 |
距离百分比的影响(X±s,n=10,%)
注:与假手术组比较,〒<0.05,*〒<0.01;与模型组比较,#尸<0.05, ##P<0.01;与西药组比较,▲▲P<0.01
图2各组大鼠空间探索轨迹图
3.3补肾填髓方对大鼠前额皮质组织及血清SOD、 MDA酶活性的影响
与假手术组比较,模型组SOD活性明显下降,MDA 活性显著升高(P<0.01);与模型组比较,中药组、西 药组SOD活性均升高,MDA活性均显著下降(P<0.05或P<0.01);西药组与中药组SOD活性、MDA活性比 较差异无统计学意义(P>0.05)。见表3。
3.4补肾填髓方对大鼠海马线粒体的影响
电镜结果显示,正常组和假手术组线粒体形态 清楚完整,大小、形状规则,分布均匀且数目多,外膜 平整光滑,线粒体膜间隙无明显扩张,线粒体嵴排列 整齐呈板层状,内膜和嵴内腔含有较多均匀的颗粒 状基质,未见线粒体水肿及空泡化改变。
模型组部分线粒体形态欠完整,结构不清晰,体 积缩小,大小、形状不规则,分布紊乱且数目减少,线 粒体外膜模糊,内嵴大量断裂或溶解消失,线粒体肿 胀,基质疏松清淡,未见基质颗粒,出现空泡化改变。 中药组、西药组大鼠线粒体组织结构上较为完整清 晰,大小、形状相对规则,数目较模型组增多,外膜可 见,尚光滑,内嵴增多,排列比较整齐,偶可见嵴内腔 稍有扩大,内嵴溶解减轻,部分线粒体肿胀明显改 善,基质较均匀,可见少许基质颗粒。见图3。
图3各组大鼠海马线粒体电镜观察图(X20000)
4讨论
AD是一种与年龄相关的神经系统退行性疾 病,P淀粉样蛋白沉积成老年斑是AD病理标志,并 且被认为直接损害学习能力和记忆[13],其中Ap^能
够自我组装形成寡聚体和淀粉样纤维而具有很强的 细胞毒性;A Pw作为它的反序列肽,缺乏了自我组 装及构成毒性寡聚态的能力,不具有细胞毒性,故而 在许多研究中作为APi-2的对照肽[14]。条件恐惧、放 射状迷宫、Morris水迷宫实验、Y迷宫实验等均是 AD行为学评价的常用方法[15-16]。AD患者后期多伴 有如幻想、焦虑、抑郁等精神症状,旷场实验是评价 实验动物在新异环境中自主行为、探究行为与紧张 度的一种方法,常用于评价实验动物在新异环境中的 焦虑状态。初期就选择Y迷宫进行初筛,并配合旷 场实验评分,既可避免Morris水迷宫初筛大鼠会遗 留对平台记忆干扰后期Morris水迷宫测试结果,又 可排除大鼠情绪原因引起自主活动差异而影响终 的测试结果。造模后大鼠Morris水迷宫实验测定结 果显示,模型组逃避潜伏期延长,在原平台象限的游 泳时间和游泳距离百分比缩短,假手术组未见明显 变化,表明模型大鼠学习记忆受损。
AD发病机制复杂,多种因素参与了它的发病过 程,其中氧化应激可能在其中占有重要的地位,大量 实验研究及回顾性研究均提出AD发生发展与氧化 应激密切相关[17-19]。尽管生理浓度的活性氧在体内 的一些信号通路中起着重要作用,但活性氧的过度 产生会引起脂质、蛋白、核酸等分子损伤。MDA是一 种重要的脂质过氧化产物,表明了机体受氧化损伤的程 度。活性氧的消除主要通过酶促及非酶促两种途径, SOD是体内重要抗氧化酶,可通过催化还原态单电 子氧转化为过氧化氢从而清除体内氧自由基,减轻 氧化损伤的程度,维持生物体细胞成分正常的结构 和功能[20]。通过抗氧化手段进行干预,或可延缓疾病 向AD终末的进展。本实验结果显示,模型组血清及 皮质抗氧化酶SOD活性均有下降,MDA活性均表 现升高趋势;中药组可以升高皮质及血清中的SOD 活性,降低MDA活性。表明补肾填髓方可以增强机 体的抗氧化能力,拮抗过度产生的氧自由基,这与姜 招峰等™的研究有共通之处,其研究表明海马及皮 层部位的氧自由基损伤与大鼠记忆及学习能力密切 相 关。
由于线粒体电子传递中不可避免的出现电子泄 露,成为了机体活性氧主要产生来源,90%内源性氧自 由基均由线粒体而来,线粒体自身亦可受到氧自由基的 破坏,加剧线粒体的损伤,从而形成恶性循环[22]。本 研究通过电镜观察线粒体超微结构,结果显示模型 组线粒体形态不完整,结构破坏,体积变小,分布紊 乱且数目减少,出现空泡化改变,表明AD模型鼠线 粒体整体结构受损;大鼠灌服中药补肾填髓方能使 线粒体组织结构部分恢复,大小、形状变得规则,数 目增多。表明补肾填髓方对受损的AD大鼠线粒体 结构的破坏有改善作用。
AD属于中医学“痴呆”“呆证”的范畴,病性以 本虚标实为主,以髓海空虚为本,痰浊、瘀血阻络为 标,而肾虚髓空是其根本原因。肾与脑之间有着密不 可分的联系,“痴呆”的中医药治疗多集中在补肾填 髓。老年痴呆临床辨证分型流行病调查也发现,髓海 不足证在所有证型中出现频次zui高[23]。补肾填髓方 基于经典方剂“孔圣枕中丹”(《千金方》)化裁而成, 以yin羊藿、何首乌为君药,功效在于滋阴补肾、强精 益血;臣药龟板、龙骨强精益髓,增慧添智;佐以远 志、石菖蒲开窍豁痰,醒神益智。纵观全方药物组成, 主要功效在于补肾填髓,且兼顾了化痰开窍。现代药 理研究表明:yin羊藿中的成分yin羊藿苷可以通过抗 氧化应激、抗炎、清除自由基、抑制乙酰胆碱酯酶的 活性以及抑制AP聚集等途径发挥对AD的改善作 用[24]。何首乌主要水溶性成分二苯乙烯苷可改善拟 痴呆大鼠的学习记忆能力,提高大鼠海马组织CA1 区脑啡肽酶及低密度脂蛋白相关受体1表达,增强 对AP的降解和转运[25]。远志粗提物经D101大孔吸 附树脂富集后,发现皂苷类成分和黄酮类成分或许能 通过抗氧化应激,改善小鼠的学习记忆功能m。石菖蒲 的主要有效成分P-细辛醚可以改善认知功能,其作用 机制包括了抑制炎症因子IL-ip、TNF-a的分泌及下 调AQP4的表达来保护星形胶质细胞[27]。
本实验显示补肾填髓方可以改善AD大鼠的学习 记忆能力,增强抗氧化应激能力,且能够改善线粒体的 结构,其机制可能与改善线粒体相关的氧化应激有 关,更深人的机制研究还需下一步进行。