引用本文: 張延平, 李彥改, 徐曉臣, 王英杰. 大鼠帕金森病模型中魚藤酮對黑質多巴胺能神經元影響. 華西醫學, 2015, 30(8): 1407-1410. doi: 10.7507/1002-0179.20150406 復制
帕金森病是發生在中老年人群中較為常見的中樞神經系統退行性疾病,主要臨床表現為靜止性震顫、運動遲緩、肌張力增高等癥狀,其特征性病理變化是中腦黑質多巴胺能神經元變性壞死,由此而引起紋狀體黑質多巴胺含量顯著性減少而致病[1]。魚藤酮來源于某些植物根莖,以往人們認為魚藤酮是從自然界物質中提取,毒性較小、殘留效應時間短,而被廣泛使用的一種殺蟲劑。最近的研究顯示長期接觸魚藤酮的大鼠可損傷其中腦黑質多巴胺能神經元,出現運動減少、肢體震顫等帕金森病樣癥狀[2]。本研究通過觀察魚藤酮對大鼠腦黑質多巴胺能神經體系及氧化應激參數(丙二醛和谷胱甘肽)的影響,探討魚藤酮對多巴胺能神經元毒性作用及其發病機制,為闡明帕金森病的發病機制提供實驗依據,同期為其治療提供新的靶點。現報告如下。
1 材料與方法
1.1 實驗動物
Witstar雄性成年大鼠20只,體質量250~300 g,由河北醫科大學實驗動物中心提供。將動物隨機分為對照組和實驗組,根據實驗需求,對照組10只,實驗組10只。
1.2 主要試劑和儀器
1.2.1 試劑
鏈霉菌抗生物素蛋白-過氧化物酶連結法(SP)常規免疫試劑盒、二氨基聯苯胺(DAB)顯色液及小鼠抗酪氨酸羥化酶(TH)單克隆抗體購自北京中杉試劑公司,魚藤酮購自美國Sigma公司,葵花籽油為國產。
1.2.2 儀器
德國Leica CM1950冰凍切片機,美國Multiskan FC酶標儀,HPIAS-1000高清晰度彩色病理圖文分析系統。
1.3 實驗方法
1.3.1 動物模型制備
實驗組按照1.0 mg/(kg·d)背部皮下注射魚藤酮(魚藤酮溶解在葵花籽油中,充分震蕩混勻后4℃避光保存),共50 d。對照組每日背部皮下注射葵花籽油1 mL/kg,注射50 d。所有大鼠飼養于晝夜交替的環境中,期間自由進食、進水。
1.3.2 取材及組織勻漿制備
取對照組和實驗組大鼠各5只,斷頭處死大鼠,在冷環境下迅速取出中腦黑質,迅速投入液氮中,-80℃保存備用。組織稱重,剪碎,放入勻漿器,按1︰9(組織重量與冷生理鹽水體積比)比例加入冷生理鹽水,勻漿器放在冰浴中,以2 000 r/min轉速上下勻漿20次,然后吸至10 mL 離心管中。冰浴放置30 min。4℃ 3 000 r/min,離心15 min。小心吸出上清液,按實驗需要分裝放入EP管中,-80℃儲存備用。
1.3.3 黑質和紋狀體內TH檢測
取對照組和實驗組大鼠各5只。10%的水合氯醛 (300 mg/kg)腹腔麻醉動物,左心室插管快速灌注生理鹽水200 mL以去除血液,再灌注含4% 多聚甲醛(0.1 mol/L,pH值7.4)400 mL。取腦,置相同固定液中于4℃下后固定4 h。而后浸30%的蔗糖液[0.1 mol/L,pH值7.4磷酸鹽緩沖液(PBS)配制]至組織塊沉底,行冠狀冰凍切片,片厚4 μm。采用免疫組織化學SP法,所有切片脫蠟水化,1 mol/L鹽酸,30℃下作用30 min,進行抗原修復,0.01 mol/L的PBS(pH值7.4)洗滌,在1%過氧化氫室溫下作用15 min,阻斷內源性過氧化物酶,5%(PBS稀釋)羊血清封閉,加入一抗TH(美國Sigma公司,工作濃度1︰1 000),以生物素標記二抗及辣根酶標記鏈霉卵白素工作液孵育,DAB顯色,蘇木素襯染,中性樹膠封片。對照組用5%正常羊血清替代一抗。① 測定在40倍物鏡下1 cm2面積黑質TH免疫反應陽性多巴胺能神經元數目。② 分析實驗組和對照組紋狀體部位的TH指標的靜態灰度值。
1.3.4 蛋白含量測定
按BCA蛋白定量試劑盒微量測定方法測定大鼠中腦黑質勻漿總蛋白含量。分別取25 μL蛋白標準液(1 000、750、500、250、125、25、0 μL)和樣品勻漿液(1︰40),加入到96孔板中,每個樣本3個平行樣。加200 μL工作液(A︰B=50︰1),30 s混勻。用保鮮膜包裹96孔板,放入二氧化碳培養箱中3712孵育30 min。冷卻到室溫,用酶標儀在570 nm測定各孔吸光度[A,舊稱光密度(OD)]值,根據標準曲線計算樣品蛋白含量。
1.3.5 谷胱甘肽含量的測定
二硫代二硝基苯甲酸(DTNB)在pH 值8.0下和巰基反應,生成4-硝基苯硫酚化合物,其離子呈黃色,在412 nm處有強烈的吸收峰,而DTNB本身在400 nm以上幾乎無吸收峰。因此,向試樣中加入少量的DTNB,在412 nm處測定生成物濃度,根據A值的大小即可求得試樣中的巰基含量。計算公式為:谷胱甘肽=[(測定管A值-測定空白管A值)/(標準管A值-空白管A值)]×標準管濃度(0.5 mmol/L)×谷胱苷肽相對分子質量(307)/組織勻漿中蛋白含量。
1.3.6 丙二醛含量的測定
過氧化脂質降解產物中的丙二醛可與硫代巴比妥酸縮合,形成紅色產物在532 nm處有最大吸收峰。計算公式:丙二醛=[(測定管A值-測定空白管A值)/(標準管A值-標準空白管A值)]×標準品濃度(10 nmol/L)/蛋白含量(mgprot/mL)。
1.4 統計學方法
采用SPSS 13.0統計軟件進行統計,所有數據以均數±標準差表示,兩組比較采用t檢驗。檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 魚藤酮對大鼠的毒性作用
魚藤酮背部皮下注射5~10 d,實驗組大鼠開始出現捕捉時反抗動作減少的現象,并出現漸行性加重的活動減少、動作遲緩、弓背屈曲等帕金森病樣特征;同時實驗組大鼠出現毛色發黃、變臟、豎毛等現象。
2.2 TH免疫組織化學的結果
大鼠TH免疫反應陽性神經元主要集中分布在中腦黑質,與對照組相比,實驗組黑質TH陽性神經元數目及其陽性突起明顯減少(圖 1),實驗組免疫反應陽性神經元數目明顯低于對照組(15.32±3.69、20.67±2.12,P<0.01)。紋狀體中TH免疫反應灰度值分析,結果也顯示實驗組的灰度值明顯高于對照組(131.66±11.03,104.75±23.85,P<0.01),見圖 2。

2.3 分光光度法測量丙二醛和谷胱甘肽的結果
魚藤酮注射后,大鼠黑質多巴胺能神經元中谷胱甘胱的含量明顯減少,與對照組相比差異有統計學意義(t=6.538,P<0.001)。魚藤酮注射后,大鼠黑質多巴胺能神經元中丙二醛含量明顯增加,與對照組相比差異有統計學意義(t=3.047,P<0.006)。
3 討論
正常狀態下多巴胺能神經元從細胞外攝取酪氨酸,在細胞質內經TH催化形成左旋多巴,再經芳香族氨基酸脫羧酶催化形成多巴胺[3]。帕金森病是一種發生在中樞神經系統的常見慢性神經退行性疾病,臨床上主要表現為肌強直、肢體震顫和運動減少等癥狀。其病理改變為中腦黑質多巴胺能神經元的變性以及凋亡。帕金森病的發病機制目前尚未完全清楚,與其致病相關的因素有:環境因素、遺傳因素、年齡因素以及氧化損傷等[4]。
魚藤酮是一種天然殺蟲劑,目前被廣泛用于果蔬除害等農業生產。既往的研究表明,慢性長期接觸魚藤酮的大鼠,可引起中腦多巴胺能神經元損傷以及在其胞體內出現帕金森病特征性病理改變(Lewy小體的形成),同時出現活動減少、弓背屈曲、肢體震顫等帕金森病樣癥狀[5]。魚藤酮對黑質多巴胺能神經體系損傷的發病機制目前尚不清楚,其主要藥理作用為阻斷體內的呼吸鏈,抑制內呼吸,從而導致體內氧自由基聚集,線粒體損傷[6-7]。細胞內線粒體損傷及其功能障礙,可導致鈣離子內環境平衡被打破,使細胞質內鈣離子濃度增高,即鈣超載,引起細胞死亡[8]。
活性氧是由外源性氧化劑或細胞內有氧代謝過程中產生的具有很高生物學活性的含氧分子。正常情況下,體內活性氧起著很重要的生理作用[9],但是當體內活性氧水平超過細胞自身生理需要時,由于其高度的活性,可通過DNA、蛋白質及脂質的氧化降解,影響細胞結構及功能的完整性[10]。氧化應激就是指當機體受外界條件刺激時,內環境發生改變,使自身形成的抑制自由基產生的機制減弱或體內自由基生成量增加導致自由基堆積,超過自身的清除能力,從而對組織器官產生應激損傷。在生物機體中,由于腦組織的高耗氧量決定其對氧化應激尤為易感。盡管生物機體中擁有許多針對活性氧的防御機制及修復系統,但當活性氧的產生超過生物體的抗氧化防御能力時無疑將損害細胞的結構和功能的完整性,即我們常說的氧化應激損傷。急性氧化應激及慢性氧化應激涉及許多人類疾病,如阿爾茨海默病、動脈硬化癥、糖尿病及癌癥等[11]。在機體內非常重要的氧化應激參數丙二醛和谷胱甘肽,他們代表著體內的氧化損傷情況,丙二醛為體內脂質氧化代謝產物,當氧化應激發生時,其在體內含量明顯增高。谷胱甘肽為體內氧自由基清除劑,正常情況下可以清除體內自由基而維持體內穩態,但是,當體內氧化應激發生時,自由基在體內大量堆積,從而超過體內的清除能力,導致體內谷胱甘肽含量下降,從而破壞機體自身的穩態,導致發生氧化損傷[12]。
魚藤酮為脂溶性藥物,具有極高的親脂性,可順利透過血腦屏障進入中樞神經系統,其神經毒性作用機制是由于其與細胞內電子傳遞鏈NADH脫氫酶不可逆性結合并使之失去活性,導致細胞對氧的利用障礙和能量產生不足,同時細胞內自由基的清除能力下降而致其在細胞內大量堆積,從而對機體造成不可逆性損傷。肝臟是魚藤酮的主要代謝部位,代謝產物從膽汁和尿液排泄[13-14]。我們在預實驗中通過對大鼠長期給予魚藤酮發現,皮下注射魚藤酮3.0、2.0 mg/(kg·d)導致很高的致死率。這也充分證明其有較強的毒性,符合以往的研究發現[15]。
通過免疫組織化學研究發現,給予大鼠注射魚藤酮后出現中腦黑質多巴胺能神經元數目明顯減少、紋狀體TH免疫反應強度降低。以往的研究和我們的實驗結果均表明長期背部皮下注射魚藤酮能造成大鼠中腦黑質多巴胺能神經元的嚴重損傷而引起帕金森病樣癥狀。在我們的實驗結果中還發現,大鼠黑質中氧自由基清除劑谷胱甘肽含量下降,脂質代謝產物丙二醛含量增高,表明在中腦黑質多巴胺能神經元中自身平衡被破壞,自由基堆積。以上的實驗數據表明,魚藤酮注射后可導致大鼠中腦黑質多巴胺能神經元出現明顯氧化應激,對機體造成不可逆性損傷。這可能是魚藤酮注射后導致中腦多巴胺能神經元損傷的主要原因。
我們的研究表明魚藤酮能導致大鼠腦內多巴胺能神經體系的損傷使其出現帕金森病樣癥狀,同時發現中腦黑質多巴胺能神經元中發生了明顯氧化損傷,可能是魚藤酮導致神經元死亡的主要原因。我們的研究為闡明帕金森病的發病機制提供了實驗依據,同時為臨床上應用抗氧化劑治療帕金森病提供了新的思路。
帕金森病是發生在中老年人群中較為常見的中樞神經系統退行性疾病,主要臨床表現為靜止性震顫、運動遲緩、肌張力增高等癥狀,其特征性病理變化是中腦黑質多巴胺能神經元變性壞死,由此而引起紋狀體黑質多巴胺含量顯著性減少而致病[1]。魚藤酮來源于某些植物根莖,以往人們認為魚藤酮是從自然界物質中提取,毒性較小、殘留效應時間短,而被廣泛使用的一種殺蟲劑。最近的研究顯示長期接觸魚藤酮的大鼠可損傷其中腦黑質多巴胺能神經元,出現運動減少、肢體震顫等帕金森病樣癥狀[2]。本研究通過觀察魚藤酮對大鼠腦黑質多巴胺能神經體系及氧化應激參數(丙二醛和谷胱甘肽)的影響,探討魚藤酮對多巴胺能神經元毒性作用及其發病機制,為闡明帕金森病的發病機制提供實驗依據,同期為其治療提供新的靶點。現報告如下。
1 材料與方法
1.1 實驗動物
Witstar雄性成年大鼠20只,體質量250~300 g,由河北醫科大學實驗動物中心提供。將動物隨機分為對照組和實驗組,根據實驗需求,對照組10只,實驗組10只。
1.2 主要試劑和儀器
1.2.1 試劑
鏈霉菌抗生物素蛋白-過氧化物酶連結法(SP)常規免疫試劑盒、二氨基聯苯胺(DAB)顯色液及小鼠抗酪氨酸羥化酶(TH)單克隆抗體購自北京中杉試劑公司,魚藤酮購自美國Sigma公司,葵花籽油為國產。
1.2.2 儀器
德國Leica CM1950冰凍切片機,美國Multiskan FC酶標儀,HPIAS-1000高清晰度彩色病理圖文分析系統。
1.3 實驗方法
1.3.1 動物模型制備
實驗組按照1.0 mg/(kg·d)背部皮下注射魚藤酮(魚藤酮溶解在葵花籽油中,充分震蕩混勻后4℃避光保存),共50 d。對照組每日背部皮下注射葵花籽油1 mL/kg,注射50 d。所有大鼠飼養于晝夜交替的環境中,期間自由進食、進水。
1.3.2 取材及組織勻漿制備
取對照組和實驗組大鼠各5只,斷頭處死大鼠,在冷環境下迅速取出中腦黑質,迅速投入液氮中,-80℃保存備用。組織稱重,剪碎,放入勻漿器,按1︰9(組織重量與冷生理鹽水體積比)比例加入冷生理鹽水,勻漿器放在冰浴中,以2 000 r/min轉速上下勻漿20次,然后吸至10 mL 離心管中。冰浴放置30 min。4℃ 3 000 r/min,離心15 min。小心吸出上清液,按實驗需要分裝放入EP管中,-80℃儲存備用。
1.3.3 黑質和紋狀體內TH檢測
取對照組和實驗組大鼠各5只。10%的水合氯醛 (300 mg/kg)腹腔麻醉動物,左心室插管快速灌注生理鹽水200 mL以去除血液,再灌注含4% 多聚甲醛(0.1 mol/L,pH值7.4)400 mL。取腦,置相同固定液中于4℃下后固定4 h。而后浸30%的蔗糖液[0.1 mol/L,pH值7.4磷酸鹽緩沖液(PBS)配制]至組織塊沉底,行冠狀冰凍切片,片厚4 μm。采用免疫組織化學SP法,所有切片脫蠟水化,1 mol/L鹽酸,30℃下作用30 min,進行抗原修復,0.01 mol/L的PBS(pH值7.4)洗滌,在1%過氧化氫室溫下作用15 min,阻斷內源性過氧化物酶,5%(PBS稀釋)羊血清封閉,加入一抗TH(美國Sigma公司,工作濃度1︰1 000),以生物素標記二抗及辣根酶標記鏈霉卵白素工作液孵育,DAB顯色,蘇木素襯染,中性樹膠封片。對照組用5%正常羊血清替代一抗。① 測定在40倍物鏡下1 cm2面積黑質TH免疫反應陽性多巴胺能神經元數目。② 分析實驗組和對照組紋狀體部位的TH指標的靜態灰度值。
1.3.4 蛋白含量測定
按BCA蛋白定量試劑盒微量測定方法測定大鼠中腦黑質勻漿總蛋白含量。分別取25 μL蛋白標準液(1 000、750、500、250、125、25、0 μL)和樣品勻漿液(1︰40),加入到96孔板中,每個樣本3個平行樣。加200 μL工作液(A︰B=50︰1),30 s混勻。用保鮮膜包裹96孔板,放入二氧化碳培養箱中3712孵育30 min。冷卻到室溫,用酶標儀在570 nm測定各孔吸光度[A,舊稱光密度(OD)]值,根據標準曲線計算樣品蛋白含量。
1.3.5 谷胱甘肽含量的測定
二硫代二硝基苯甲酸(DTNB)在pH 值8.0下和巰基反應,生成4-硝基苯硫酚化合物,其離子呈黃色,在412 nm處有強烈的吸收峰,而DTNB本身在400 nm以上幾乎無吸收峰。因此,向試樣中加入少量的DTNB,在412 nm處測定生成物濃度,根據A值的大小即可求得試樣中的巰基含量。計算公式為:谷胱甘肽=[(測定管A值-測定空白管A值)/(標準管A值-空白管A值)]×標準管濃度(0.5 mmol/L)×谷胱苷肽相對分子質量(307)/組織勻漿中蛋白含量。
1.3.6 丙二醛含量的測定
過氧化脂質降解產物中的丙二醛可與硫代巴比妥酸縮合,形成紅色產物在532 nm處有最大吸收峰。計算公式:丙二醛=[(測定管A值-測定空白管A值)/(標準管A值-標準空白管A值)]×標準品濃度(10 nmol/L)/蛋白含量(mgprot/mL)。
1.4 統計學方法
采用SPSS 13.0統計軟件進行統計,所有數據以均數±標準差表示,兩組比較采用t檢驗。檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 魚藤酮對大鼠的毒性作用
魚藤酮背部皮下注射5~10 d,實驗組大鼠開始出現捕捉時反抗動作減少的現象,并出現漸行性加重的活動減少、動作遲緩、弓背屈曲等帕金森病樣特征;同時實驗組大鼠出現毛色發黃、變臟、豎毛等現象。
2.2 TH免疫組織化學的結果
大鼠TH免疫反應陽性神經元主要集中分布在中腦黑質,與對照組相比,實驗組黑質TH陽性神經元數目及其陽性突起明顯減少(圖 1),實驗組免疫反應陽性神經元數目明顯低于對照組(15.32±3.69、20.67±2.12,P<0.01)。紋狀體中TH免疫反應灰度值分析,結果也顯示實驗組的灰度值明顯高于對照組(131.66±11.03,104.75±23.85,P<0.01),見圖 2。

2.3 分光光度法測量丙二醛和谷胱甘肽的結果
魚藤酮注射后,大鼠黑質多巴胺能神經元中谷胱甘胱的含量明顯減少,與對照組相比差異有統計學意義(t=6.538,P<0.001)。魚藤酮注射后,大鼠黑質多巴胺能神經元中丙二醛含量明顯增加,與對照組相比差異有統計學意義(t=3.047,P<0.006)。
3 討論
正常狀態下多巴胺能神經元從細胞外攝取酪氨酸,在細胞質內經TH催化形成左旋多巴,再經芳香族氨基酸脫羧酶催化形成多巴胺[3]。帕金森病是一種發生在中樞神經系統的常見慢性神經退行性疾病,臨床上主要表現為肌強直、肢體震顫和運動減少等癥狀。其病理改變為中腦黑質多巴胺能神經元的變性以及凋亡。帕金森病的發病機制目前尚未完全清楚,與其致病相關的因素有:環境因素、遺傳因素、年齡因素以及氧化損傷等[4]。
魚藤酮是一種天然殺蟲劑,目前被廣泛用于果蔬除害等農業生產。既往的研究表明,慢性長期接觸魚藤酮的大鼠,可引起中腦多巴胺能神經元損傷以及在其胞體內出現帕金森病特征性病理改變(Lewy小體的形成),同時出現活動減少、弓背屈曲、肢體震顫等帕金森病樣癥狀[5]。魚藤酮對黑質多巴胺能神經體系損傷的發病機制目前尚不清楚,其主要藥理作用為阻斷體內的呼吸鏈,抑制內呼吸,從而導致體內氧自由基聚集,線粒體損傷[6-7]。細胞內線粒體損傷及其功能障礙,可導致鈣離子內環境平衡被打破,使細胞質內鈣離子濃度增高,即鈣超載,引起細胞死亡[8]。
活性氧是由外源性氧化劑或細胞內有氧代謝過程中產生的具有很高生物學活性的含氧分子。正常情況下,體內活性氧起著很重要的生理作用[9],但是當體內活性氧水平超過細胞自身生理需要時,由于其高度的活性,可通過DNA、蛋白質及脂質的氧化降解,影響細胞結構及功能的完整性[10]。氧化應激就是指當機體受外界條件刺激時,內環境發生改變,使自身形成的抑制自由基產生的機制減弱或體內自由基生成量增加導致自由基堆積,超過自身的清除能力,從而對組織器官產生應激損傷。在生物機體中,由于腦組織的高耗氧量決定其對氧化應激尤為易感。盡管生物機體中擁有許多針對活性氧的防御機制及修復系統,但當活性氧的產生超過生物體的抗氧化防御能力時無疑將損害細胞的結構和功能的完整性,即我們常說的氧化應激損傷。急性氧化應激及慢性氧化應激涉及許多人類疾病,如阿爾茨海默病、動脈硬化癥、糖尿病及癌癥等[11]。在機體內非常重要的氧化應激參數丙二醛和谷胱甘肽,他們代表著體內的氧化損傷情況,丙二醛為體內脂質氧化代謝產物,當氧化應激發生時,其在體內含量明顯增高。谷胱甘肽為體內氧自由基清除劑,正常情況下可以清除體內自由基而維持體內穩態,但是,當體內氧化應激發生時,自由基在體內大量堆積,從而超過體內的清除能力,導致體內谷胱甘肽含量下降,從而破壞機體自身的穩態,導致發生氧化損傷[12]。
魚藤酮為脂溶性藥物,具有極高的親脂性,可順利透過血腦屏障進入中樞神經系統,其神經毒性作用機制是由于其與細胞內電子傳遞鏈NADH脫氫酶不可逆性結合并使之失去活性,導致細胞對氧的利用障礙和能量產生不足,同時細胞內自由基的清除能力下降而致其在細胞內大量堆積,從而對機體造成不可逆性損傷。肝臟是魚藤酮的主要代謝部位,代謝產物從膽汁和尿液排泄[13-14]。我們在預實驗中通過對大鼠長期給予魚藤酮發現,皮下注射魚藤酮3.0、2.0 mg/(kg·d)導致很高的致死率。這也充分證明其有較強的毒性,符合以往的研究發現[15]。
通過免疫組織化學研究發現,給予大鼠注射魚藤酮后出現中腦黑質多巴胺能神經元數目明顯減少、紋狀體TH免疫反應強度降低。以往的研究和我們的實驗結果均表明長期背部皮下注射魚藤酮能造成大鼠中腦黑質多巴胺能神經元的嚴重損傷而引起帕金森病樣癥狀。在我們的實驗結果中還發現,大鼠黑質中氧自由基清除劑谷胱甘肽含量下降,脂質代謝產物丙二醛含量增高,表明在中腦黑質多巴胺能神經元中自身平衡被破壞,自由基堆積。以上的實驗數據表明,魚藤酮注射后可導致大鼠中腦黑質多巴胺能神經元出現明顯氧化應激,對機體造成不可逆性損傷。這可能是魚藤酮注射后導致中腦多巴胺能神經元損傷的主要原因。
我們的研究表明魚藤酮能導致大鼠腦內多巴胺能神經體系的損傷使其出現帕金森病樣癥狀,同時發現中腦黑質多巴胺能神經元中發生了明顯氧化損傷,可能是魚藤酮導致神經元死亡的主要原因。我們的研究為闡明帕金森病的發病機制提供了實驗依據,同時為臨床上應用抗氧化劑治療帕金森病提供了新的思路。