大鼠脑创伤后ERK1/2信号通路介导神经细胞凋亡的分子机制研究

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目的:探讨TBI后ERK1/2参与细胞凋亡通路的机制,检测并分析TBI、TBI+U0126干预组中P53、Cytc、AIF等指标表达变化,从线粒体.细胞凋亡通路上探讨TBI后ERK1/2活化诱导神经细胞凋亡的分子机制,为临床上的早期干预和控制开拓新思路。   方法:采用Marmarou方法,按照DeMudler分级标准,用重450g、直径18mm的铜棒从1.2m高度自由落下击中大鼠头部,造成大鼠中度弥漫性颅脑创伤。   实验动物及分组:SD雄性大鼠237只,体重300-350g,随机分成4组:假手术组(实验对照组,n=42只);创伤组(模型组,n=65);U0126干预组(n=65),溶剂DMSO对照组(n=65只)。每组划分为伤后30min、3h、12h、24h、48h、72h、7d等7个时相点。   检测指标及方法:①神经运动功能损害评分;②HE染色观察一般组织结构;⑧免疫组织化学方法检测P53、Cytc、AIF、p-ERK1/2的蛋白表达及组织细胞定位;④硝酸还原酶法测定NO含量;⑤Western-blot法检测p-ERK1/2蛋白表达量;⑥原位细胞DNA断裂检测(TUNEL)法检测细胞凋亡动态变化。   另取40只大鼠随机分为脑创伤组、U0126组、假手术组,溶剂DMSO对照组,每组10只,进行Morris水迷宫检测大鼠伤后学习记忆功能。   定量测定:免疫组化阳性细胞阳性度强弱用Image Proplus6.0数码医学图像分析系统定量分析测定,以平均光密度(IOD/Area值)来表示;Western blot蛋白定量分析用Gel-Doc凝胶成像分析系统定量分析测定,以目标平均灰度值与内参平均灰度值的比值来表示。   统计学分析:实验中所得数据均用x±s表示,用SPSS11.5统计软件进行单因素方差分析、Pearson方法两两相关分析,以单侧P<0.05,表示差异有统计学意义。   结果:   1.形态学观察结果   大鼠致伤后多数呈短暂去大脑状态及呼吸抑制。HE染色光镜结果:假手术组脑组织结构正常,蛛网膜下腔、脑室无出血,血管管腔正常,管壁光滑,神经细胞数量多,形态完整;创伤组蛛网膜下腔可见出血或黄染,大脑皮层组织广泛水肿,血管腔扩大、充血,伤后3h和72h神经细胞变性、肿胀、坏死显著。上述观察结果与Marmarou所描述的弥漫性脑创伤的病理形态特征相符。给予U0126干预组病理形态改变较创伤组有不同程度减轻(Fig.11-1,2)。   2.神经功能评分结果   假手术组大鼠神经运动功能评分为24分;创伤组大鼠神经功能评分在7-9分之间;U0126干预组神经功能评分15-18分之间。与假手术组比较,在创伤组和U0126干预组中,大鼠在后肢抓持反射、触须诱发前肢定位及侧向垫步试验中均表现异常,评分下降,差异有统计学意义(P<0.05);创伤组与DMSO组比较,无显著差异(P>0.05);U0126干预组与创伤组比较,神经功能评分提高(P<0.05)(Tablel-1,Fig.9)。   3.NO测定结果   假手术组:可检测到少量NO,NO量不随时间发生显著变化;脑创伤组30min即可见NO含量迅速升高,于24h达高峰,持续高表达至72h,但仍较假手术组为高,经图像分析,脑创伤组与假手术组相比,以30min、3h、12h、24h、48h、72h差异显著(P<0.05);创伤组与DMSO组比较,无显著差异(P>0.05);U0126组与脑创伤组比较,各时相点NO量均有不同程度减少,以30min、3h、12h、24h、48h、72h差异显著(P<0.05)(Table6;Fig.6-1,2)。   4.Cytc免疫组化检测结果    Cytc产物为棕黄色颗粒,定位于神经细胞胞质。假手术组偶见阳性细胞,着色浅淡,免疫反应性不随时间发生变化。创伤组与假手术组比较,伤后3h Ctyc阳性细胞显著增多,着色加深,免疫反应性增强(P<0.05),随时间推移阳性细胞逐渐增多,免疫反应性逐渐增强,伤后48h达高峰(P<0.05),72h迅速下降,但仍高于假手术组(P<0.05);U0126干预组Ctyc免疫阳性反应性时程与创伤组相似,但免疫反应性减弱,以24h和48h差异有统计学意义(P<0.05)(Table3;Fig.3-1,2)。   5.P53免疫组化检测结果   P53阳性产物为棕黄色颗粒,定位于神经细胞胞质或胞核与假手术组比较,脑创伤后3h皮质出现P53蛋白表达,12h明显增强((P<0.05),24h(P<0.05)、48h达高峰(P<0.05),72h有所下降,于伤后7d不能检测得到p53蛋白的免疫反应,镜下观察可见阳性细胞呈棕黄色;DMSO组无显著差异(P>0.05);U0126组与创伤组、DMSO组相比,有显著性差异(P<0.05)(Table1-2;Fig.1-1,2)。   6.AIF免疫组化检测结果    AIF阳性细胞核呈棕黄色,假手术组大鼠脑组织中仅见少量AIF阳性细胞,与假手术组比,创伤组3h AIF阳性细胞明显增加,24h达高峰,48h有所下降,差异有统计学意义(P<0.05);DMSO组与创伤组相比无显著差异(P>0.05);U0126干预组在3h,24h,48h三个时间点的表达均低于脑创伤组(P<0.05)(Table4;Fig.4-1,2)。   7.P-ERK1/2免疫组化及Western blot检测结果   P-ERK1/2产物为棕黄色颗粒,主要定位于神经细胞胞质。假手术组未见p-ERK1/2阳性细胞;创伤组与假手术组比较,伤后30min p-ERK1/2阳性细胞显著增多,免疫反应性增强,以后逐渐增多,伤后24h p-ERK1/2阳性细胞数达高峰(P<0.05),72h有所减少;U0126干预组p-ERK1/2免疫阳性反应性时程与创伤组相似,但免疫反应性减弱(P<0.05)(Table2-1;Fig.2-1,2)。Westernblot蛋白结果显示:假手术组p-ERK1/2蛋白表达量在各时间点无变化;创伤组与假手术组比较,伤后30minp-ERK1/2蛋白量显著增高,伤后24h达高峰(P<0.05),高表达状态持续至伤后72h(P<0.05),伤后72h迅速下降;U0126干预组p-ERK1/2蛋白表达时程与创伤组相似,但表达量减少,与创伤组比较,以伤后3h、24h和72h差异有统计学意义(P<0.05);DMSO组与创伤组无显著差异(P>0.05)(Table2-2;Fig.2-3,4;Fig.10)。   8.细胞凋亡检测结果    TUNEL阳性细胞呈棕黄色,细胞胞核着色。假手术组偶见TUNEL阳性细胞;创伤组与假手术组比较,伤后3h TUNEL阳性细胞开始显著增加(P<0.05),随时间推移逐渐增多,伤后72h达高峰(P<0.05);U0126干预组TUNEL阳性细胞在时相与创伤组相似,但TUNEL阳性细胞数明显减少,与创伤组比较,以伤后24h、48h和72h差异有统计学意义(P<0.05)。此外,TUNEL阳性细胞的分布与表达区域与相邻切片上Cytc和p-ERK1/2阳性细胞呈现很大的重叠性,三者阳性细胞在形态上具有很大的相似性(Table5;Fig.5-1,2)。   9.相关分析结果   (1)伤后30min至72h,NO量与p-ERK1/2免疫反应呈正相关(r=0.904,P<0.01)(Fig.8-1);(2)伤后30min至72h,NO量与U0126作用呈正相关(Fig.8-2);(2)伤后30min至72h,p-ERK1/2蛋白表达量与p53(r=0.831,P<0.01)(Fig.8-3),Cytc(r=0.845,P<0.01)和AIF(r=0.846,P<0.01)表达呈正相关;Cytc(r=0.954,P<0.01)(Fig.8-4)和AIF(r=0.957,P<0.01)(Fig.8-5)表达与p53蛋白量呈正相关;TUNEL阳性细胞数与Cytc表达量呈正相关(r=0.559,P<0.01)(Fig.8-6)。   10.Morris水迷宫结果   为避免大鼠颅脑创伤后运动功能障碍对水迷宫测试结果的影响,各组分别于伤后7、8、9及第10天进行Morris迷宫测试。结果表明,创伤组伤后第9天(P<0.01)及第10天(P<0.01)搜索安全岛潜伏期较正常组及假手术组明显延长。U0126干预组伤后第9天(P<0.01)及第10天(P<0.01)搜索安全岛潜伏期较创伤组明显缩短(Table7;Fig.17-1,2,3,4)。   结论:   1.大鼠脑创伤后,神经细胞相继出现坏死和凋亡,其中以凋亡为主。海马区域神经细胞凋亡增多,是大鼠记忆、学习功能受损的主要原因。   2.FBI后脑组织中p-ERK1/2、P53、Cytc and AIF表达变化参与调控神经细胞凋亡过程。   3.大鼠TBI后脑组织中氧自由基(NO)含量与p-ERK1/2的表达呈正相关,通过激活ERK1/2信号通路在神经凋亡进程中具有重要作用,其通过调控促凋亡蛋白P53表达,进而参与线粒体Cytc-细胞凋亡级联通路。   4.U0126通过抑制ERK1/2通路的激活、减少Cytc和AIF的释放,减少神经细胞凋亡,而发挥了大鼠脑创伤后的神经保护作用。
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