硫化氢通过抑制重度脑出血神经细胞焦亡发挥神经保护作用

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目的:脑出血(Intracerebral hemorrhage,ICH)是指脑实质内血管破裂,血液从血管溢出而聚集于脑内。ICH具有较高的致残率和致死率,大部分患者表现出相同的临床症状,如头痛、恶心和呕吐。ICH的病理机制相当复杂,严重的ICH可导致患者重度残疾甚至死亡。我们课题组前期结果表明硫化氢(H2S)对轻度ICH具有神经保护作用,可以减轻轻度ICH所引起的神经功能障碍。但H2S能否改善重度ICH后神经功能障碍以及H2S调控的分子机制并未有相关报道。本研究旨在区分不同程度的ICH以及探究H2S在重度ICH的作用及其神经保护机制。方法:ICH模型的构建主要是通过注射细菌性Ⅳ型胶原酶于小鼠纹状体。基于临床实践中发现脑出血患者出血量的不同会导致不同程度的症状和预后这一情况,通过在纹状体注射不同体积的细菌性Ⅳ型胶原酶来模拟不同程度ICH模型(轻度和重度),并在行为学(运动功能和学习记忆功能)、组织病理学(脑出血体积和脑水肿)、细胞学(PI染色等)三个水平来验证不同程度ICH模型建立是否成功。在成功构建不同程度ICH模型后,通过蛋白免疫印迹实验(Western blot)分析不同部位脑组织(纹状体,皮质和海马)中H2S合成关键酶cystathione-β-synthetase(CBS),cystathionine-y-lyase(CSE),3-mercaptopyruvate sulfurtransferase(3-MST)以及焦亡(pyroptosis)相关蛋白 gasderminD(GSDMD),半胱天冬酶-1(Caspase 1),凋亡相关斑点样蛋白ASC的表达情况,同时,在分子水平上探究上述蛋白表达与出血程度(出血体积)之间是否存在关联性。基于以上实验,以重度ICH为实验模型,观察出血后焦亡相关蛋白的时序性变化,分别于出血后1h、6h、12h、1d、2d、3d和7d处死(正常的ICR小鼠作为对照),提取不同部位脑组织蛋白后进行检测。并在ICH后1d(细胞焦亡相关蛋白表达变化最明显时间点),进行免疫荧光实验观测不同部位脑组织焦亡相关蛋白GSDMD与神经元、小胶质细胞和星型胶质细胞共定位情况。为了探究外源性H2S(NaHS,25μmol/kg)对重度ICH是否具有神经保护作用,通过行为学实验(wire grip test和旷场实验)和组织病理学(脑水肿)检测H2S对重度ICH后神经功能及脑水肿的影响。同时,为了探究外源性H2S在重度ICH后对神经细胞焦亡的影响,建模后1d取小鼠不同部位脑组织进行Western blot实验,检测不同组织中神经细胞焦亡发生的变化情况;同时,通过免疫荧光实验,检测H2S对重度ICH后不同部位不同细胞类型焦亡发生情况。给予CBS抑制剂羧甲基羟胺半盐酸[O-(Carboxymethyl)hydroxylamine hemihydrochloride,AOAA],来验证外源性H2S是否通过内源性H2S途径间接来减轻重度ICH后细胞焦亡而发挥神经保护作用。结果:(1)本课题从行为学、组织病理学(脑水肿及出血体积)及细胞学(PI染色)三个水平区分不同程度脑出血(重度脑出血和轻度脑出血)。构建不同程度脑ICH模型后,通过蛋白免疫印迹实验检测显示,内源性H2S合成关键酶CBS在纹状体中随着胶原酶注射体积的增大而表达下调,与出血程度呈负相关;而在皮质和海马中,蛋白CBS在轻度ICH中无明显变化,在重度ICH中表达升高,呈正相关。对焦亡相关蛋白的检测中发现,焦亡相关蛋白GSDMD在纹状体中随着胶原酶注射体积的增大而表达上调,与出血程度呈正相关;在皮质和海马中,蛋白GSDMD在轻度ICH中无明显变化,在重度ICH中表达均升高,呈正相关。(2)通过蛋白免疫印迹实验发现在重度ICH后损伤侧纹状体,皮质和海马组织中细胞焦亡相关蛋白(GSDMD、NLRP3、ASC、Caspase1)表达均呈现时序性变化,即以上指标在出血后1h开始升高,1d达到高峰,7d基本恢复基线水平。以细胞焦亡相关蛋白表达变化最明显的时间---1d作为后续实验基础,通过免疫荧光实验检测发现,重度ICH后1d,蛋白GSDMD在损伤侧纹状体和皮质中主要在神经元表达;在海马组织中主要在小胶质细胞表达。(3)重度ICH后1d不同部位脑组织(纹状体,皮质和海马)脑水含量增高,NaHS可以减少脑水含量,达到降低脑水肿的目的;同时,NaHS预给药能改善ICH后小鼠运动障碍和自发活动异常(焦虑有关)的表现。通过免疫印迹实验检测发现重度ICH后不同部位脑组织焦亡相关蛋白表达上调,NaHS预给药均能够降低GSDMD等相关指标的表达。(4)NaHS和AOAA同时在出血后加入,ICH+NaHS+AOAA组与ICH组相比,不同部位焦亡指标没有显著差异;而与ICH+NaHS组相比,焦亡相关指标表达上调。结论:(1)成功构建出不同程度的ICH模型,分子水平证实细胞焦亡和H2S体系变化与ICH程度相关。(2)重度ICH后神经细胞焦亡的发生呈现时空差异性。(3)外源性H2S可以减轻重度ICH后脑组织不同部位的水肿;减少神经细胞焦亡的发生以及改善小鼠神经功能缺损情况。(4)外源性H2S对重度ICH的神经作用机制是调节内源性H2S,从而下调焦亡减轻神经损伤。
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