羅舒心,劉仲鈺,梁明坤,鐘振國,鐘 靜
(1.廣西中醫藥大學科學實驗中心,廣西南寧 530200;2.廣西中醫藥大學附屬瑞康醫院神經內科,廣西南寧 530011;3.廣西中醫藥大學基礎醫學院,廣西南寧 530200;4.廣西中醫藥大學第一附屬醫院博士后工作站,廣西南寧 530023)
自閉癥被視為除癌癥、心臟病之外影響人類生命健康的又一殺手,社交障礙是自閉癥的核心表現,社會行為改善是衡量自閉癥治療效果的重要指標。藥物治療是自閉癥治療的重要方式,但目前針對自閉癥的治療藥物(包括抗精神藥物[1]、免疫抑制劑[2]、抗生素類藥物[3]、抗嘌呤類藥物[4]以及各種受體激動劑與拮抗劑等[5-8]),都只能對癥狀有部分改善作用,仍達不到理想的治療效果。因此,開發有效改善自閉癥社會行為障礙的藥物意義重大?,斂ㄗ鳛橥鈦硪N藥物,且引入后經研究被賦予了中醫藥性能[9],其所顯示的藥理作用可能對自閉癥的防治有效,值得深入研究。因此本研究選擇瑪卡作為受試藥物,探究其對小鼠自閉癥樣行為的具體作用,為開發瑪卡治療自閉癥提供科學依據。
SPF級ICR及C57/BL6小鼠,雄性,8周齡,各60只,體質量(35±5) g,購于湖南斯萊克景達實驗動物有限公司,動物許可證號:SCXK(湘)2016-0002。所有小鼠飼養于廣西中醫藥大學動物房,交替光照(12 h光照/12 h黑暗),室溫(23±2)℃,自由進食飲水。
瑪卡原藥材來源于云南省農業科學院高山經濟植物研究所。經廣西中醫藥大學中藥鑒定教研室滕建北副教授鑒定為十字花科植物瑪卡獨行菜(LepidiummeyeniiWalp.)的干燥根莖。將原藥材粉碎成粗粉浸泡過夜后,每次分別用10倍容量的純水煎煮2.5 h,共3次,合并煎煮液濾過,濃縮揮干得到瑪卡總浸膏,浸膏得率為50%,分裝后置于-20℃冰箱中保存待用。
將受試的兩個種系動物隨機各分為4組(4只/籠,每組數量n=15):空白對照組、瑪卡高劑量組、瑪卡中劑量組和瑪卡低劑量組。將瑪卡總浸膏溶于水,分別制備高劑量(5.0 g/kg)、中劑量(2.5 g/kg)和低劑量(1.0 g/kg)等濃度的水溶液用于灌胃;空白對照組予等容積(10 mL/kg)純水灌胃。每日2次(8:00 AM,8:00 PM),持續10 d,行為學測試期間持續給藥。
高架十字迷宮實驗設備、曠場實驗設備、三腔實驗設備(上海徠卡儀器有限公司),病理切片機(上海徠卡儀器有限公司,型號:RM2016),正置白光拍照顯微鏡(日本Nikon公司,型號:Eclipse Ci-L),抗c-Fos抗體(英國Abcam公司,批號:ab208942),HRP標記山羊抗小鼠IgG抗體(武漢Servicebio公司,批號:GB23301),組化試劑盒DAB顯色劑(武漢Servicebio公司,批號:G1211),小鼠5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)酶聯免疫分析試劑盒(美國SAB公司,批號:EK18305),小鼠多巴胺(Dopamine,DA)酶聯免疫分析試劑盒(美國SAB公司,批號:EK18271)。
1.5.1 高架十字迷宮實驗
高架十字迷宮離地高40 cm,由兩個對側的開放臂(30 cm×5 cm)及兩個由黑色亞克力玻璃板圍起來的對側閉合臂(30 cm×5 cm×15 cm)組成,中心為5 cm×5 cm×15 cm的開放區域[10,11]。測試時將測試小鼠由中心區域面朝一側開放臂放入,任其在高架內自由探索5 min,采用動物行為學分析軟件ANY-maze記錄小鼠進入開放臂及閉合臂的次數及持續時間。
1.5.2 曠場實驗
參照Wong等[12]方法進行改良,實驗用邊長為60 cm×60 cm、高為20 cm的木制正方形敞箱。將敞箱分成3個區域,分別為外區(outer zone)、中心區(inner zone)及中心盒子區(inner cage zone),inner zone平面大小為敞箱的1/4,inner cage zone平面尺寸為10 cm×8 cm。實驗共有3個階段。(1)適應性階段。將測試小鼠從箱子的角落放入,讓其在敞箱中自由探索10 min,用ANY-maze軟件記錄小鼠移動總距離及進入inner zone的次數及時間。(2)非社會性階段。在inner cage zone固定一個透明帶多氣孔的亞克力盒子(平面尺寸為8 cm×6 cm),將測試小鼠從箱子的角落放入,讓其自由探索10 min,用ANY-maze軟件記錄小鼠進入inner cage zone的次數及時間。(3)社會性階段。在第2階段的亞克力盒子中放入一只同系、同性別、同周齡的陌生鼠,將測試小鼠從箱子的角落放入,讓其自由探索10 min,用ANY-maze軟件記錄小鼠進入inner cage zone的次數及時間。
1.5.3 三腔社交實驗
三腔社交實驗參照文獻[13-15]所述并進行改良,該實驗于一自制的敞頂長方形黑色亞克力玻璃箱(60 cm×20 cm×20 cm)中進行,由2塊黑色亞克力玻璃板將其分為均等的3個腔室,板的底部預留空間允許測試小鼠自由穿過。正式測試前,將受試小鼠由中間腔室放入,允許其在3個腔室間自由探索適應10 min。三腔社交實驗分為3個階段,分別為社交性階段(session-1)、社交偏好階段(session-2)和社交記憶階段(session-3)。3個階段依次進行測試,每只測試鼠結束測試后均用75%的酒精給實驗箱清潔去味以排除干擾。session-1分別在兩邊腔室的角落放1只同種系、同性別、同周齡的陌生小鼠(陌生鼠1號)及1支50 mL試管,陌生鼠1號限定在帶20個氣孔的透明亞克力小盒子(10 cm×5 cm×5 cm)中,將測試小鼠從中間腔室放入,自由探索10 min;session-2將session-1的50 mL試管換成陌生鼠2號,陌生鼠2號的固定方式同session-1中的陌生鼠1號,之后將測試小鼠從中間腔室放入,自由探索5 min;session-3將session-2中的陌生鼠2號取出,實驗箱清潔去味后換成陌生鼠3號,陌生鼠1號保持不變,5 min后,將測試小鼠從中間腔室放入,自由探索5 min。所有行為均由ANY-maze軟件追蹤并記錄,分析實驗中測試小鼠進入兩側腔室的時間及次數,嗅探陌生鼠1,2,3號及試管的時間及次數。
1.6.1 血漿5-HT含量檢測
行為學測試結束后1-1.5 h內取樣,用5%(m∶V)的水合氯醛將小鼠麻醉后,使用一次性真空采血管,心臟采血1 mL左右,將取得的血液樣本進行離心,分裝血漿置于-80℃冰箱中保存待用。小鼠血漿5-HT含量檢測參照試劑盒說明書進行。
1.6.2 血漿DA含量檢測
血漿樣本取得方式同1.6.1節,血漿DA含量檢測參照試劑盒說明書進行。
1.6.3 c-fos免疫熒光染色
c-fos免疫熒光染色參照文獻[16,17]方法進行,具體如下:行為學測試結束60 min后對小鼠進行麻醉,用磷酸鹽緩沖液(PBS)經心臟灌流清除血液,然后用含4%多聚甲醛(PFA)的PBS灌注固定,取出腦組織,將腦組織浸泡于4% PFA中固定24 h,再置于-4℃冰箱中過夜,之后先后放置15%、30%蔗糖水中浸泡48 h脫水。切除嗅球及小腦部分后用切片機將小鼠大腦切成20 μm厚的冠狀切片,選取15-20張切片在PBS溶液中沖洗后,將組織切片置于盛滿EDTA抗原修復液(pH值9.0)的修復盒中于微波爐內進行抗原修復,切片放入3%雙氧水溶液以阻斷內源性過氧化物酶。在BSA封閉溶液中封閉30 min,然后加入抗c-fos抗體孵育過夜。在含有0.3% Triton X-100的PBS溶液中沖洗3次,并在室溫下滴加與一抗相應種屬的二抗(HRP標記)覆蓋組織室溫孵育50 min。再次沖洗切片,將切片固定于載玻片上脫水、顯色、染色。顯微鏡鏡檢,采集分析圖像。

2.1.1 瑪卡對C57/BL6小鼠高架十字迷宮實驗的影響
如圖1(a)(b)及圖1(c)所示,與空白對照組相比,瑪卡對小鼠進入開放臂次數與時間以及進入閉合臂的次數無顯著影響(P>0.05);如圖1(d)及圖1(e)所示,瑪卡中劑量組與高劑量組顯著減少了小鼠進入閉合臂的時間(P<0.01),但對小鼠進入開放臂的指數無明顯作用(P>0.05)。結果顯示,瑪卡能顯著減少C57/BL6小鼠進入閉合臂的時間,但對小鼠進入開放臂的時間與指數無影響。
2.1.2 瑪卡對C57/BL6小鼠曠場實驗的影響
如圖2所示,與空白對照組相比,實驗的適應階段,瑪卡中劑量組在曠場移動的總距離顯著減少(P<0.01)。在非社會性階段,瑪卡組的小鼠進入中心的時長與空白對照組相比均無顯著性差異(P>0.05);在社會性階段,瑪卡中劑量組與高劑量組進入中心的時長明顯減少(P<0.05或P<0.01)。結果表明,瑪卡減少了C57/BL6小鼠在曠場移動的總距離及社會性階段進入中心的時長。
2.1.3 瑪卡對C57/BL6小鼠三腔社交實驗的影響
如圖3(a)所示,持續灌胃14 d后,與空白對照組比較,在社會性階段,瑪卡低劑量組顯著減少了與陌生鼠1互動的時間(P<0.05);圖3(b)顯示在社會偏好階段,與空白對照組比較,瑪卡低、中、高劑量組與陌生鼠2互動時間無顯著變化(P>0.05);圖3(c)顯示在社會記憶階段,與空白對照組比較,瑪卡中劑量組與陌生鼠1互動時間減少,但差異無統計學意義(P>0.05)。圖3(d)中與空白對照組比較,瑪卡低劑量組的社會性指數顯著降低(P<0.05);圖3(e)(f)顯示瑪卡中劑量組的社會新穎性指數增高,社會記憶指數下降,但與空白對照組相比差異無統計學意義(P>0.05);圖3(d)(e)(f)中瑪卡高劑量組社會性指數、社會新穎性指數及社會記憶指數與空白對照組差異均無統計學意義(P>0.05)。結果表明,瑪卡對C57/BL6小鼠的社會性/社會新穎性及社會記憶均無顯著影響。

(a)Number of times to enter the open arm

BC:Blank control group;LD:Low dose group;MD:Medium dose group;HD:High dose group.Compared with the blank control group,*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001圖2 瑪卡持續灌胃14 d后對C57/BL6小鼠曠場實驗的影響Fig.2 Effect of Maca on open field experiment of C57/BL6 mice after continuous gavage for 14 d
2.2.1 瑪卡對ICR小鼠高架十字迷宮實驗的影響
如圖4(a)(b)所示,與空白對照組比較,瑪卡低、中、高劑量組小鼠在開放臂中的時間與空白對照組比較均顯著增多(P<0.01);低劑量組小鼠進入開放臂的次數明顯增多(P<0.05)。圖4(c)(d)顯示,與空白對照組比較,瑪卡中劑量組在閉合臂中的時間顯著降低(P<0.01),瑪卡低劑量組與高劑量組有降低趨勢但無明顯差異(P>0.05);各劑量組小鼠進入閉合臂的次數有明顯的下降(P<0.05或P<0.01或P<0.001)。如圖4(e)所示,總體上瑪卡中劑量組進入開放臂指數顯著增高(P<0.05)。

(a) Interaction time with strange mouse No.1 at social stage
2.2.2 瑪卡對ICR小鼠曠場實驗的影響
圖5顯示,瑪卡灌胃14 d后,在適應性階段,與空白對照組比較,瑪卡中劑量組與高劑量組在曠場中移動的總距離明顯減少(P<0.05或P<0.01);非社會性階段,與空白對照組比較,瑪卡低、中、高劑量組進入曠場中心的時間有所增加,但無明顯差異(P>0.05);社會性階段,與空白對照組比較,瑪卡低、中、高劑量組進入曠場中心的時間均有增高趨勢,以中劑量組增高最為明顯,但均無明顯差異(P>0.05)。
2.2.3 瑪卡對ICR小鼠三腔社交實驗的影響
結果如圖6(a)所示,與空白對照組比較,在社會性階段,瑪卡低、中、高劑量組與陌生鼠1互動的時間明顯增加,差異具有統計學意義(P<0.001);圖6(b)顯示在社會偏好階段,瑪卡低、中劑量組與陌生鼠2互動時間顯著增加(P<0.05或P<0.01);在社會記憶階段,如圖6(c)所示,瑪卡低、中劑量組與陌生鼠1互動時間顯著增加(P<0.05或P<0.001)。結合圖6(d)(e)(f)顯示,與空白對照組比較,瑪卡低劑量組的社會性指數、社會新穎性指數與社會記憶指數均明顯增加(P<0.05);瑪卡中劑量組的社會性指數與社會新穎性指數顯著增加(P<0.05),社會記憶指數與空白對照組比較有一定的增加但無明顯差異(P>0.05);瑪卡高劑量組社會新穎性指數顯著增加(P<0.05),社會性指數與社會記憶指數與空白對照組比較有增加趨勢但差異無統計學意義(P>0.05)。

(a) Time to enter the open arm

BC:Blank control group;LD:Low dose group;MD:Medium dose group;HD:High dose group.Compared with the blank control group,*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001圖5 瑪卡持續灌胃14 d后對ICR小鼠曠場實驗的影響Fig.5 Effect of Maca on open field experiment of ICR mice after continuous gavage for 14 d
如表1所示,與空白對照組相比,瑪卡低劑量組及中劑量組小鼠血漿5-HT含量顯著增加(P<0.01或P<0.001),瑪卡高劑量組血漿5-HT含量與空白對照組對比有所增加,但未表現出顯著性差異;瑪卡低劑量組、中劑量組及高劑量組小鼠血漿DA含量均顯著增加(P<0.05)。
從表2可以看出,與空白對照組相比,瑪卡低劑量組與瑪卡高劑量組小鼠腦內腹側被蓋區(VTA)的c-fos陽性細胞數量顯著增加(P<0.05或P<0.01),瑪卡中劑量組也表現出增加的趨勢;瑪卡低劑量組、中劑量組及高劑量組腹側蒼白球(VP)、伏隔核(NAcc)和內側視前區(mPOA)的c-fos陽性細胞數量,與空白對照組相比均顯著增加(P<0.01或P<0.001);瑪卡高劑量組杏仁核(amygdala)c-fos陽性細胞數量顯著增多(P<0.05)。結果表明,瑪卡可增加ICR小鼠VTA、VP、NAcc、mPOA及amygdala的c-fos陽性細胞數量。

(a) Interaction time with strange mouse No.1 at social stage

表1 瑪卡對ICR小鼠血漿5-HT及DA含量的影響Table 1 Effect of Maca on 5-HT and DA contents in plasma for ICR mice

表2 瑪卡灌胃后ICR小鼠各腦區c-fos陽性細胞數量Table 2 Number of c-fos positive cells in each brain region of ICR mice after Maca gavage
自閉癥又稱孤獨癥譜系障礙(Autism Spectrum Disorder,ASD),是一種多見于嬰幼兒時期發病的、嚴重的廣泛性發育障礙。由于自閉癥發病機制的復雜性以及不確定性,使得自閉癥的治療困難重重,藥物治療是自閉癥治療的重要方式?,斂▽儆谝M的天然藥物,蘊含多種化學成分,瑪卡根干燥后含獨有的新型物質——瑪咖酰胺和瑪咖烯,對平衡人體荷爾蒙分泌有顯著的效果[18,19]?,斂ㄖ兴S基芥子油苷和芐基異硫氰酸可以增強記憶力[18,19]。同時瑪卡具有抗疲勞、抗氧化、免疫調節、提高生育力、調節內分泌、增強記憶、抗抑郁及神經保護等功效[20]。在中醫藥理論指導下,研究發現瑪卡性味辛、甘、溫、無毒,歸腎、肝、脾經,具有溫腎壯陽,強筋壯骨,散寒、止痛、調血脈等功效[20]。中醫理論認為自閉癥病因病機為先天不足,腎精虧虛,心竅不通,神失所養,肝失條達,升發不利,其病位在腦,同心、肝、腎三臟有密切關系[21]。這些臟腑的失調都和自閉癥發病相關,表明中醫對自閉癥有深刻認識[21]。由此可見,自閉癥從心、肝、腎進行論治可能有效,瑪卡可能是自閉癥治療的潛在藥物。
在自閉癥動物實驗中以及自閉癥動物的建模中,選擇的小鼠種系多為C57/BL6及ICR小鼠[10,22],因此,將這兩種種系小鼠作為本研究的實驗動物。高架十字迷宮實驗是評估測試動物焦慮樣行為的重要實驗[23],廣泛應用于大鼠、小鼠的焦慮行為學研究,其原理是基于實驗動物對新環境的探索行為和對高懸開放臂的恐懼,形成一種矛盾沖突的狀態,進而反映出動物的焦慮情緒[24]。實驗動物進入開放臂的次數與時間增加,而進入閉合臂的次數與時間大幅度減少,說明實驗動物對新環境的探索欲望增加及恐懼減少。本實驗結果顯示,瑪卡能顯著增加ICR小鼠進入開放臂的時間,縮短其進入閉合臂的時間,而中劑量組進入開放臂的指數在總體上出現了明顯的增加。對于C57/BL6小鼠,瑪卡雖然減少了小鼠進入閉合臂的時間,但是并未顯著增加小鼠進入開放臂的時長與指數。從實驗結果來看,瑪卡能顯著降低ICR小鼠的焦慮樣情緒,但對C57/BL6小鼠的焦慮樣行為無明顯改善。曠場實驗中的適應性階段實驗也是評估實驗動物焦慮狀態的一種經典行為學方式[25],實驗中的總移動距離反映了小鼠的自主活動能力。從結果來看,瑪卡顯著地減少了ICR小鼠在曠場中活動的距離,并未提高ICR小鼠的自主活動能力,小鼠運動距離的減少可能與小鼠的重復行為減少有關,而小鼠的重復行為往往是焦慮的表現。而焦慮常常是自閉癥的伴隨癥狀及共病之一[26]。
在社交行為方面,本研究中曠場實驗的社會性階段實驗可用來評價小鼠的社會性,在此階段實驗中,ICR小鼠增加了進入曠場中心與陌生鼠互動的時間,說明瑪卡在一定程度上提升了ICR小鼠的社交能力。三腔社交實驗也被廣泛用來評估小鼠的社交行為[13],本研究中,在社會性實驗階段,小鼠更傾向于進入有陌生小鼠的腔室并頻繁互動,社會性指數均為正向,說明小鼠具有一定的社交能力;在社會偏好階段,小鼠花更多的時間與一個陌生鼠相處而非一個熟悉的同類,表明了實驗小鼠存在社交新鮮感的偏好。從研究結果可以看到,瑪卡給藥后,ICR小鼠與陌生鼠的互動時間顯著增加,社會性指數上升;與ICR小鼠空白對照組的社交新穎性指數為負數相比,瑪卡組小鼠社會新穎性指數均為正,由此可見瑪卡顯著地提高了ICR小鼠的社交能力和社交新鮮感偏好;而C57/BL6小鼠在服用瑪卡后,社會性指數下降,社會新穎性并無明顯改善。除此之外,本實驗在原有三腔社交實驗上進行了改良,增加了社會記憶這一實驗階段用來評估小鼠的社會記憶,若實驗小鼠在本階段中更傾向于與原本熟悉的同類相處,則說明存在一定的社會記憶,從結果中發現,瑪卡在ICR小鼠社會記憶的提升方面起著積極的作用。本研究結果證明在改善社會行為方面,瑪卡對C57/BL6小鼠并未顯示出明顯的效果;而瑪卡對ICR小鼠社會行為有顯著的改善作用,以中劑量組最為明顯。而瑪卡對兩種不同的實驗小鼠在行為學實驗中所產生的藥效差異,可能是由小鼠的種屬差異造成的,這有待將來進一步研究。
人類的社會行為受到大腦中的某些特定區域調控,這些區域統稱為“社會大腦”,亦指在從事各種社會認知任務時,健康成年人的神經成像研究中顯示出的、持續被激活的大腦區域,這些部位通過彼此之間的復雜聯系共同負責調控人的社會行為,且社會大腦的損害與社會認知障礙有關。使用藥物干預或杏仁核(Amygdala)損傷的研究表明,杏仁核參與非人靈長類動物[27]和嚙齒動物[28]的社會行為和社會攻擊。杏仁核在自閉癥的發展中起著不可忽視的作用[29,30],杏仁核功能障礙可能導致ASD的核心社會功能損害[31]。本研究中,行為學實驗后瑪卡組的小鼠腦袋內杏仁核c-fos陽性細胞數目增多,而相應的行為學實驗也證實了在瑪卡治療后,小鼠的焦慮狀態得到改善,并增加了社交行為,這很可能與激活了杏仁核對相關行為的正向調控有關。
腹側蒼白球(VP)是與抑郁癥有關的動機和獎賞回路接口處的一個重要匯聚點[32,33]。VP接收來自中腦邊緣獎賞通路主要組成部分伏隔核(NAcc)的密集輸入,并將此信息傳遞給下游靶區,如腹側被蓋區(VTA)和外側韁核(LHb)[34]。內側視前區(mPOA)不僅是大腦中負責調節社會交互行為的其中一個功能區域,也是神經系統中調節行為的一個重要節點[35],mPOA包含許多含有類固醇受體的神經元,接收來自多種感覺方式的社會信息,并在整個大腦中有廣泛的投射,包括VTA[36-39]。類固醇敏感的mPOA神經元編碼與行為學相關的刺激,并參與中腦獎賞回路,以促進對物種生存至關重要的親社會行為[40]。與對杏仁核的研究結果一致,小鼠腦內的VP、NAcc、mPOA及VTA c-fos陽性細胞數目明顯增多。研究結果表明,瑪卡可作用于調節社會行為的部分相關腦區,激活“社會大腦”系統,對小鼠的社會行為有正向的調節作用。
多巴胺(DA)系統是運動活動、動機、注意力和獎賞處理的關鍵調節器[41-43],起源于黑質和腹側被蓋區(VTA)的DA能投射終止于紋狀體,其失調與許多神經精神疾病有關。研究表明,自閉癥的特征可能是由DA信號異常引起或加重的[44]。5-HT是一種存在于大多數動物門中的神經調節劑,無論是在脊椎動物還是無脊椎動物中,5-HT系統都能調節認知和行為功能,參與不同水平的應激反應和情緒障礙[45]。研究發現,杏仁核功能由富含5-HT的纖維進行支配[46],中縫背核的5-HT可通過對興奮性神經元的直接抑制作用,或對γ-氨基丁酸(GABA)能神經元的激活作用來調節外側杏仁核(LA)突觸前平衡[47]。杏仁核興奮/抑制平衡的破壞最近被認為是ASD中孤獨癥表型的一個原因[48]。此外,VP內的膽堿能神經元接收來自NAcc的GABA能輸入[49],在VP內進行局部連接,并向前額葉皮質和基底外側杏仁核進行外源性投射。本研究發現,在服用瑪卡后,小鼠血漿中5-HT及DA的含量較空白對照組顯著提高,且伴隨著社會腦區c-fos陽性細胞數目的增多,由此推測瑪卡對社會行為的改善可能是通過調節5-HT及DA水平而調控相關的腦區來實現的。
本研究證實了瑪卡對ICR小鼠的自閉癥樣行為有顯著的改善作用,該作用可能是通過調節相應的神經遞質水平進而調控相關的腦區來實現的,為自閉癥的防治提供了新的藥物研究證據及機制作用研究方向。