抑制IKK/NF-κB信号通路在脊髓损伤中的作用及其机制的实验研究

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目的:脊髓损伤严重威胁人类健康,目前尚无有效的治疗手段。脊髓损伤分为原发性和继发性损伤。早期干预继发性损伤,可以改善脊髓组织的生存状况,为功能恢复保存必需的解剖结构,这代表了脊髓损伤治疗的一种潜在方向。炎症反应是继发性损伤的主要成分,在急性脊髓损伤的病理生理学机制中处于中心地位。炎症反应主要受基因表达调控。核因子kappa B(the nuclear factor-kappa B,NF-κB)家族是炎症相关基因表达的关键调节因子,在中枢神经系统损伤中调控多种细胞因子的表达,调节炎症反应。脊髓损伤后,异常激活的NF-κB可以启动神经元的凋亡,抑制NF-κB可以减少炎症相关基因的表达,减轻炎症反应,改善功能恢复。IKKs是激活NF-κB的主要蛋白激酶,在调节NF-κB依赖的基因转录中处于中心地位。IKKβ亚基是IKKs的主要催化亚基,不但能磷酸化I-κB,导致其泛素化及被26S蛋白酶体降解,从而激活NF-κB,而且可直接磷酸化NF-κB亚单位p65的Ser563位点,引起NF-κB激活,因此成为调节NF-κB活性的主要上游靶点。BMS-345541是IKKβ的选择性抑制剂,可在小鼠脑中风模型中,抑制IKKβ活性,减少炎症基因表达和神经元凋亡,但是其在脊髓损伤中的作用尚不明确。本研究拟探讨BMS-345541对脊髓损伤后IKK/NF-κB信号通路的调节作用,了解BMS-345541对脊髓损伤后IKKβ激酶活性、NF-κB的激活、炎症细胞浸润及诱导浸润的粘附分子的表达、脊髓组织细胞凋亡及凋亡相关蛋白的表达,以及神经运动功能的影响,探讨其神经保护机制。方法:1、健康成年雌性SD大鼠,应用改良Allen法建立大鼠中度脊髓损伤模型,损伤位置在胸12椎体,损伤能量为25g*cm。2、将实验大鼠分成3组,分别为假手术组(仅切除椎板,不损伤脊髓),脊髓损伤组(损伤脊髓,给予1%的DMSO,50μl/公斤体重)和BMS-345541治疗组(损伤脊髓,给予BMS-3455410.5mg/公斤体重)。3、给药方式:在损伤脊髓下方0.5cm处硬膜下穿刺,将药物或溶剂注射进入硬膜下腔脑脊液中。4、观测BMS-345541对IKKβ亚基激酶活性的影响:在脊髓损伤前10分钟硬膜下注入相应药物,在脊髓损伤后0.5hr、4hr、12hr、24hr和72hr处死动物取1cm脊髓组织,应用IKKβ激酶活性光谱法定量检测试剂盒检测激酶活性。在伤后12hr处死动物取1cm脊髓组织标本,免疫印迹分析检测磷酸化I-κBα蛋白表达。5、观测BMS-345541对大鼠急性脊髓损伤后NF-κB激活及运动功能的影响。在脊髓损伤后15分钟硬膜下注入相应药物,在脊髓损伤后24hr处死动物取1cm脊髓组织,应用免疫印迹分析和免疫组织化学检测脊髓损伤后NF-κB p65的表达,应用BBB评分评价脊髓损伤后1-14天后肢运动功能。6、观测BMS-345541对大鼠急性脊髓损伤后细胞凋亡和炎症细胞浸润的影响。在脊髓损伤后15分钟硬膜下注入相应药物,在脊髓损伤后24小时处死动物取1cm长脊髓标本,应用免疫组织化学和免疫印迹分析检测脊髓损伤后组织中Bcl-2、Bax和caspase-3的表达。应用免疫印迹分析脊髓损伤后组织中ICAM-1蛋白表达。应用MPO活性检测试剂盒检测脊髓标本中MPO活性。应用一步法TUNEL细胞凋亡检测试剂盒检测脊髓损伤后组织中细胞凋亡的情况。结果:1、脊髓损伤后IKKβ激酶活性伤后30分钟开始升高,4小时明显升高,为1.05±0.043单位/毫克,12小时达到高峰,为1.47±0.037,24小时下降到0.71±0.027,72小时后恢复到正常水平。BMS-345541干预可以明显抑制IKKβ激酶活性。与脊髓损伤组相比较,在伤后4小时和12小时两个时间点,干预组中IKKβ激酶活性下降近50%,两者有显著性差异(P<0.05)。脊髓损伤后,磷酸化I-κBα蛋白明显增高(P<0.01);BMS-345541干预可以明显抑制磷酸化I-κBα蛋白表达的增高(P<0.05)。2、在脊髓损伤后24小时,假手术大鼠脊髓组织中几乎没有NF-κB p65阳性细胞,阳性细胞的比例为1.02±0.32%;脊髓损伤组中大鼠的脊髓组织中NF-κB p65阳性细胞数明显增加,阳性细胞的比例达到34.65±1.73%,与假手术组中的大鼠相比较有显著性差异(p<0.05); BMS-345541治疗可以明显减少脊髓组织中NF-κB p65阳性表达细胞数,阳性细胞比例为10.87±0.56%。蛋白免疫印迹方法结果进一步验证了免疫组织化学检测的结论。运动功能评分显示:在脊髓损伤后第一天,脊髓损伤组中大鼠和BMS-345541治疗组均表现出严重的后肢功能障碍,平均评分分别是1.2±0.25和1.1±0.14,与假手术组中大鼠比较有显著性差异(p<0.01),然而它们两者之间无显著性差异(p=0.46)。在脊髓损伤后14天,脊髓损伤组中的大鼠后肢仅仅恢复了三关节(髋、膝、踝)的运动,平均分为6.8±0.4;而BMS-345541治疗组中大鼠的后肢能能够足底负重步行,平均得分为10.4±0.5。与脊髓损伤组中的大鼠相比较,BMS-345541治疗组中的大鼠在脊髓损伤后14天的平均得分提高了近50%。3、在脊髓损伤后24小时,损伤组中MPO活性和ICAM-1的表达明显升高,BMS-345541治疗可以明显抑制它们的升高;脊髓损伤后凋亡阳性细胞数明显增加,BMS-345541治疗可以明显减少脊髓组织中细胞的凋亡。免疫组化和Westernblot方法均显示:与假手术组中的大鼠相比较,脊髓损伤后大鼠脊髓中激活型caspase-3表达明显增加, BMS-345541治疗可以明显减少脊髓组织中激活型caspase-3的表达;脊髓损伤后Bax表达明显增加,BMS-345541治疗可以明显减少脊髓组织中Bax的表达;在术后24小时,假手术组中几乎没有Bcl-2表达,脊髓损伤组和BMS-345541治疗组可见脊髓组织中Bcl-2表达明显增加,BMS-345541对Bcl-2的表达无影响。结论:1、脊髓损伤后IKKβ激酶活性明显升高,4小时明显升高,12小时达到高峰,抑制IKKβ激酶活性的药物作用时间窗口应该在伤后4小时内;BMS-345541可抑制脊髓损伤后的IKKβ激酶活性,从而为其在脊髓损伤的治疗提供了理论依据。2、急性脊髓损伤后硬膜下注射BMS-3455414可以有效抑制脊髓损伤导致的NF-κB的激活;BMS-345541可改善急性脊髓损伤后后肢运动功能的恢复,表明其对脊髓损伤具有治疗意义。3、早期硬膜下注射BMS-345541治疗可以减轻急性脊髓损伤后的炎症细胞浸润,减少脊髓组织内的细胞凋亡;BMS-345541通过抑制ICAM-1的表达来干扰中性粒细胞的浸润;BMS-345541可以明显抑制脊髓损伤后caspase-3的激活,保护神经功能;BMS-345541通过减少促凋亡蛋白Bax的表达来抑制凋亡,因而减少细胞的死亡,保护损伤脊髓的神经元。
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