腺苷預處理的局灶性腦缺血再灌注損傷大鼠神經細胞線粒體功能觀察

裴科陽，譚軍，夏艷紅，尉娜，王英，趙欣，郭升

(1新鄉醫學院第三臨床學院，河南新鄉 453003；2新鄉醫學院第三附屬醫院；3新鄉醫學院第二附屬醫院；4新鄭市人民醫院；5新鄉醫學院第一附屬醫院)

隨著生活水平的提高、膳食結構的不合理、社會人口的老齡化，腦血管疾病發生率較以往有明顯的升高，其中缺血性卒中占有較高的比例。以往研究結果表明，缺血再灌注損傷可以明顯加重腦卒中的發展；有許多因素涉及這種病理過程，包括興奮性氨基酸中毒、氧化應激、細胞內鈣過載、炎癥反應和凋亡。當前治療的關鍵環節是抑制腦缺血再灌注損傷，因此應用神經保護劑改善腦缺血再灌注損傷越來越受到關注。腺苷是一種可以在人體內發揮多種生物學效應的內源性核苷，在能量消耗和缺血缺氧的情況下通過激活四種G蛋白偶聯受體(A1R、A2aR、A2bR、A3R)使得組織和細胞能夠適應其損害。許多實驗表明[1～3]，腺苷對腦缺血再灌注損傷有保護作用。腦組織對缺血缺氧十分敏感，而且神經細胞全部進行有氧代謝，需要線粒體提供能量來維持神經元正常生理功能，腦缺血缺氧會造成線粒體功能結構的損傷。線粒體是腦組織缺血后神經細胞死亡的關鍵亞細胞靶區，神經元能否存活與線粒體的功能完整性有著緊密聯系。因此，保護腦缺血后神經細胞的關鍵是保護線粒體，但既往腺苷對缺血再灌注損傷線粒體功能的影響方面的研究暫時未見文獻報道。本研究觀察了腺苷預處理對大鼠局灶性腦缺血再灌注損傷后神經細胞線粒體功能的影響，旨在為缺血性腦血管病的治療以及神經細胞線粒體保護作用機制做初步的探索，以期尋找該疾病治療的新靶點。

1 材料與方法

1.1 實驗動物 雄性SD大鼠30只，體質量(250±30)g，飼養于溫度濕度通風良好的動物房，室內溫度控制在(25±2)℃，不限制飲水及進食。

1.2 腺苷、儀器及試劑 腺苷，鈣熒光探針Fura-2AM，MCAO栓線-2626系列，組織線粒體分離試劑盒，BCA蛋白濃度檢測試劑盒，PMSF(100 mmol/L)，線粒體膜電位檢測試劑盒(JC-1)，超微量Na+-K+-ATP酶測試盒，三磷酸腺苷(ATP)測試盒，多功能酶標儀，熒光分光光度計，紫外可見分光光度計752N。

1.3 實驗動物分組、腺苷應用方法及模型制備 30只雄性SD大鼠隨機分為3組各10只，腺苷組大鼠制模前3 d腹腔注射腺苷注射液1.5 mg/kg(生理鹽水稀釋至2 mL)，1次/d，連續3 d；假手術組和模型組給予等量生理鹽水。腺苷組和模型組大鼠制備大腦中動脈閉塞(MCAO)模型，即應用MCAO栓線制備大腦中動脈栓塞模型。給予8%水合氯醛溶液(3.5 mL/kg)于SD大鼠腹腔注射進行術前麻醉，將成功麻醉后的大鼠取仰臥位固定于大鼠解剖專用手術臺上，頸部正中皮膚進行備皮并消毒，使用彎鑷提起頸部正中皮膚縱向切開皮膚長約2～2.5 cm，使用彎鑷沿肌束方向鈍性分離肌肉，避免肌肉的損傷或離斷，使用玻璃分針對血管、周圍神經、筋膜等組織進行分離，分離過程中動作應輕柔，避免造成大鼠神經或血管的離斷。充分暴露大鼠的左側頸總動脈(CCA)、頸外動脈(ECA)、頸內動脈(ICA)，使用無菌縫線將CCA、ECA結扎，動脈夾充分夾閉ICA后，使用眼科剪在CCA離ICA、ECA交叉口上1.0 cm剪出斜形小口，把備好的MCAO栓線小心插入斜形小口后，結扎CCA，栓線頭進入到ICA后及時松開ICA上的動脈夾，繼續插入尼龍線，使其到達至大腦中動脈(MCA)處，栓線上標記的黑點行至動脈交叉處，插入的深度長約為18～20 mm，將MCA的血流予以阻斷。固定結扎尼龍線，然后進行縫皮、消毒，皮膚外的尼龍線使用記號筆涂黑。于栓塞2 h后，固定大鼠將尼龍線輕輕拔出約1 cm，恢復大鼠大腦中動脈及Willis環的血液供應。假手術組僅切開頸部皮膚后，分離暴露ICA、ECA、CCA而不結扎，隨后進行逐層縫合并給予消毒，將大鼠放置在電熱毯上，保持肛溫在37.0 ℃左右，密切觀察大鼠生命體征。醒后參照Zeal Longa 5級評分法行神經功能評分，1～3分為有效模型，0分和4分者為無效模型。

1.4 腦組織神經細胞線粒體制備 各組大鼠在腦缺血再灌注22 h后處死，冰上斷頭取腦，快速取左側大腦半球并稱重，4 ℃生理鹽水洗滌組織，眼科剪將腦組織剪成細小碎片，按照組織線粒體提取試劑盒(碧云天)說明書進行兩次差速離心法進行操作，分離得到神經細胞線粒體后加入線粒體儲存液，制備成神經細胞線粒體懸液，線粒體蛋白含量應用BCA試劑盒檢測，新鮮線粒體懸液用于膜電位及鈣離子檢測，余分裝保存于-80 ℃冷凍保存。

1.5 線粒體基質Ca2+檢測 取部分新鮮配制的神經細胞線粒體，將50 μL的Fura-2/AM(1 mmol/L)加入神經細胞線粒體懸液中，渦旋混勻，將神經細胞線粒體懸液在37 ℃水浴中孵育30 min進行負載。調整線粒體蛋白含量為1 mg/mL，根據Grynkiewicz的方法[4]，應用熒光分光光度計檢測神經細胞線粒體基質Ca2+。

1.6 神經細胞線粒體膜電位檢測 采用JC-1試劑盒。取新鮮神經細胞線粒體懸液，按照試劑盒說明操作，用熒光酶標儀檢測(激發波長485 nm，發射波長590 nm)，得到相對熒光單位(RFU)，RFU值高表明神經細胞線粒體膜電位正常。

1.7 神經細胞線粒體ATP含量、Na+-K+-ATPase活性檢測 -80 ℃分裝保存的神經細胞線粒體懸液常溫下凍融后，分別取100 μL的神經細胞線粒體混懸液，按試劑盒說明書檢測ATP含量以及Na+-K+-ATPase活性。規定每小時每毫克組織蛋白的組織中ATP酶分解ATP產生1 μmol無機磷的量為一個ATP酶活性單位。

2 結果

2.1 兩組神經細胞線粒體基質Ca2+濃度、膜電位比較 結果見表1。

表1 兩組神經細胞線粒體基質Ca2+濃度、膜電位比較

注：與模型組比較，*P<0.05。

2.2 兩組神經細胞線粒體Na+-K+-ATPase活性、ATP含量比較 結果見表2。

表2 兩組神經細胞線粒體Na+-K+-ATPase活性、ATP含量比較

注：與模型組比較，*P<0.05。

3 討論

研究[5]表明，腦缺血再灌注損傷的病理生理過程非常復雜，這些過程是相互重疊或相互關聯的，最終導致神經壞死或凋亡。還有研究[6]表明，缺血性卒中不僅減少閉塞動脈的血流和組織氧含量，而且減少大腦循環的其他區域供血和供氧，腦缺血缺氧發生時可以導致線粒體結構的破壞，并通過影響線粒體代謝的關鍵酶，包括氧化磷酸化相關酶(NADH脫氫酶、COX)和三羧酸循環相關酶(丙酮酸脫氫酶β、二氫硫辛酸轉乙酰化酶、脂肪酸、氨基酸代謝相關酶)的表達影響線粒體的能量供應，造成ATP合成下降[7,8]，而線粒體損傷則是其中最關鍵的環節[9]。氧化應激在再灌注過程中引起的線粒體功能障礙是腦缺血再灌注損傷的一個關鍵致病機制[10]，腦缺血再灌注在極短時間內即可損傷線粒體，隨后氧化應激長時間損傷線粒體，最終造成線粒體的永久性破壞[11,12]。腦組織缺血再灌注后ROS大量生成，其會損傷線粒體的蛋白質和mtDNA等，并通過直接和間接的途徑調控MPTP開放，導致線粒體膜通透性增加，引起線粒體膜電位下降，釋放凋亡相關蛋白，啟動線粒體凋亡通路[11]。還有研究發現，腦缺血再灌注后過高的氧化應激水平和鈣超載可以引起MPTP持續性開放[13]，致使線粒體膜通透性改變，并最終導致線粒體崩解，進一步觸發線粒體凋亡，最終引起細胞死亡[14]。

腺苷是一種重要的核苷信號，在能量消耗和缺血缺氧的情況下通過激活四種G蛋白偶聯受體(A1R、A2aR、A2bR、A3R)使得組織和細胞能夠適應其損害。細胞外腺苷對應激反應的調節和產生是保護組織的關鍵。腺苷通過激活其腺苷受體參與許多重要的生理過程，包括調節神經系統、免疫反應、血管功能和代謝[15]。腺苷介導的生物學功能主要依賴于腺苷受體的激活，這些細胞表面受體的反應主要由腺苷濃度決定。由于生理條件下腺苷含量一般低于1 μmol/L，因此腺苷信號的大部分功能是通過激活A1、A2a、A3受體，其EC50值介于0.01～1 μmol。相比之下，A2b受體的激活需要更高腺苷濃度，一般在病理生理條件下存在。隨著各種腺苷受體激動劑或拮抗劑和四種腺苷受體敲除小鼠模型的發展和產生，腺苷信號傳導已被證明是病理生理條件下通過調節炎癥，缺血性組織損傷，纖維化和組織重構[16～18]。研究發現腺苷在缺血性腦血管病、癲癇、疼痛、肺纖維化等多種疾病中具有保護作用。研究[19～21]發現，通過腺苷的預處理，可以明顯改善大鼠再灌注損傷引起的神經功能缺失癥狀，并且減輕了腦組織的損傷程度，同時增加了缺氧誘導因子-1、紅細胞生成素、血管內皮生長因子的含量，從而起到對腦組織的保護，證實腺苷有腦保護作用。

線粒體功能的完整性在細胞凋亡中起到關鍵作用。反映線粒體功能狀態的指標也非常多，在細胞的各種生理、病理過程中,ATP是重要的能量分子，一般ATP含量的降低可以說明線粒體的功能下降或者損傷；另外ATP酶存在于細胞或者細胞器的膜上，它在能量轉換、物質運送以及信息傳遞方面具有重要作用，機體存在缺血缺氧時，ATP酶活性會明顯下降，影響線粒體功能，造成毒性物質堆積，產生細胞毒性，影響正常細胞生理功能；線粒體膜電位是評估線粒體的敏感指標，其下降是細胞凋亡早期的標志，可以反映早期線粒體功能的損害的敏感指標；線粒體內Ca2+濃度增高在缺血再灌注損傷中起到重要用，可以導致細胞壞死或凋亡。本文結果顯示，與假手術組比較，模型組神經細胞線粒體Na+-K+-ATPase活性明顯下降，ATP含量降低，膜電位明顯降低，提示腦組織神經細胞受損，線粒體處于凋亡狀態；神經細胞線粒體基質Ca2+含量增加，表明腦缺血再灌注后，神經細胞內鈣離子濃度升高，引起線粒體攝取鈣離子增多并導致線粒體內鈣離子的過度聚集，抑制ATP的合成，腦缺血后線粒體損傷可能與線粒體內Ca2+超載密切相關。本研究還發現，與模型組比較，腺苷組Na+-K+-ATPase活性和ATP含量升高，線粒體鈣離子濃度明顯降低，提示腺苷預處理對大鼠缺血再灌注腦組織線粒體功能的損傷具有保護作用。

總之，腺苷預處理能夠改善大鼠局灶性腦缺血再灌注損傷后神經細胞線粒體的功能。