脑卒中(cerebral stroke)在医学上也称为“中风”,是由多种病因引起的缺血或出血而导致的急性神经损伤,是全球范围内致死率、致残率极高的脑血管类疾病
[1]。研究报道,抑郁症是脑卒中最常见的并发症之一,约有1/3的脑卒中患者患有脑卒中后抑郁(post-stroke depression,PSD),对卒中后康复及日常生活产生负面影响
[2]。大脑具有多个分区,每个分区各司其职,同时与其他分区相互作用,共同调控机体活动。内侧前额叶皮质(medial prefrontal cortex,mPFC)是大脑中调节情绪和认知的中枢系统,它与抑郁症、焦虑症等多种神经和精神疾病有关
[3]。慢性炎症和氧化应激已被证实是PSD发病机制中的关键病理过程
[4],卒中伴随着活性氧(reactive oxygen species,ROS)等自由基形成的增多
[5],而大脑是最容易受到氧化应激的器官,自由基过多而引发的氧化应激反应可能引起脑组织损伤,包括神经细胞凋亡、神经退行性变等,导致认知功能障碍,同时氧化应激反应可诱导炎症发生,两者形成恶性循环,继续加剧神经损伤,进而产生或加重抑郁症状
[6,7]。
硫氧还蛋白1(thioredoxin 1,Trx1)是一种分子量为12 kDa的胞质蛋白,在抑制氧化应激、维持细胞氧化还原稳态方面具有调节作用
[8]。近年来,有关Trx1与脑血管类疾病的报道非常多,Zhang等
[9]发现Trx1可改善帕金森病模型小鼠认知功能障碍;Tian等
[10]提出,Trx1可以促进脑缺血后海马神经元增殖和分化,有利于改善脑缺血后小鼠的空间学习能力和记忆功能,加快认知恢复。然而,Trx1在抑郁行为中的研究相对较少,其在PSD中的作用尚不明确。因此,本研究拟通过建立PSD模型,探讨Trx1在PSD小鼠mPFC区的表达以及其对PSD小鼠抑郁样行为的影响,并阐明其可能的作用机制,以期为PSD治疗提供潜在靶点。
1 材料与方法
1.1 实验动物
选用6周龄SPF级雄性C57BL/6小鼠,体质量(20±2)g,购自北京维通利华实验动物有限公司,生产许可证号:SYXK(京)2022-0052。在温度(23±2)℃,12 h昼夜交替循环,自由摄食饮水的饲养条件下,适应性饲养1周后开始后续实验。本研究获得武汉贝赛模式生物中心实验动物伦理理委员会批准(批号:BSMS动(福)第2023-09-71C号)。
1.2 主要试剂
Trx1过表达慢病毒(载体名称CMV-MCS-mPGK-GFP-T2A-Puro,Lv-Trx1)及其阴性对照慢病毒(Lv-NC)由上海吉玛制药技术有限公司提供;尼氏染色液、苏木素伊红(HE)染色试剂盒由上海碧云天生物提供;小鼠白细胞介素1β(IL-1β)、IL-6、肿瘤坏死因子α(TNF-α)ELISA检测试剂盒由武汉伊莱瑞特生物科技股份有限公司提供;Trx1抗体、NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NLRP3)抗体、切割型半胱氨酸-天冬氨酸蛋白酶1(cleaved-caspase-1)抗体、Gasdermin D(GSDMD)抗体均由美国Thermo Fisher Scientific公司提供。
1.3 脑立体定位手术
随机选取40只小鼠,分为Lv-NC组和Lv-Trx1组,每组20只。小鼠经1%戊巴比妥钠50 mg/kg腹腔注射麻醉,剃除头顶毛发后固定于脑立体定位仪中,微量注射针以0.2 μL/min的速度缓慢注射0.7 μL Trx1过表达慢病毒或其阴性对照慢病毒至小鼠mPFC区(病毒滴度:2×10
9 TU/mL),注射位点坐标为AP:+1.90 mm,ML:±1.00 mm,DV:-2.10 mm。注射结束后,针头滞留10 min后缓慢抽出
[11]。慢病毒注射1周后,从Lv-NC组和Lv-Trx1组小鼠中各随机选取3只,摘取mPFC,采用Western blot检测Trx1蛋白表达水平,确定Trx1成功表达后进行后续造模实验。
1.4 动物分组及造模
(1)为探讨PSD形成过程中小鼠mPFC中Trx1表达水平变化,随机选取40只小鼠,其中20只作为PSD组进行MCAO造模后,再根据CUMS干预时间分为0,7,14,21 d共4个亚组(每组5只),同时每个时间亚组均设置相应的sham组(每组5只)。PSD组采用线栓法建立小鼠大脑中动脉闭塞(middle cerebral artery occlusion,MCAO)模型
[12]:戊巴比妥钠腹腔注射麻醉小鼠,以仰卧状态固定,在其颈部中线处切口,暴露出右侧颈总动脉、颈内动脉和颈外动脉,在颈外动脉距离内外动脉分叉处4 mm打一活结预留结扎线,用眼科剪在结扎线上方约1.5 mm处剪一倒V字形切口,将线栓插入,使线栓通过颈内动脉进入大脑中动脉后固定。缺血1 h后,缓慢拔取线栓,恢复血供,缝合消毒。造模结束1周后根据Zea-Longa评分法
[13]评估小鼠神经功能缺陷程度,保留Zea-Longa评分为1~3分的小鼠继续采用CUMS结合孤养法
[14]干预,即在孤笼饲养的同时,每天随机从以下方式中选取一种对小鼠实施慢性刺激:夹尾2 min;4 ℃冷刺激3 min;束缚1 h;禁食1 d;禁水1 d;昼夜颠倒1 d。按照时间亚组确定CUMS干预天数,其中相邻2 d需采用不同的刺激方式。sham组小鼠仅暴露动脉后缝合,不进行后续干预。
(2)为探讨Trx1对PSD小鼠抑郁样行为的影响,将32只小鼠随机分为sham组、PSD组、PSD+Lv-NC组和PSD+Lv-Trx1组,每组8只。PSD组小鼠先进行MCAO手术后,再CUMS结合孤养干预21 d;PSD+Lv-NC组和PSD+Lv-Trx1组小鼠于MCAO术前1周经脑立体定位仪向mPFC区分别注射Lv-NC及Lv-Trx1后,再进行MCAO手术及CUMS结合孤养干预21 d;sham组小鼠仅暴露动脉后缝合,不进行后续干预。
1.5 行为学检测
1.5.1 糖水偏好实验
将每只小鼠单独饲养,笼中放置2瓶1%蔗糖水适应2 d,适应结束禁食禁水1 d后进行实验。将小鼠置于有1瓶纯净水和1瓶1%蔗糖水的鼠笼中,实验期间随机交换水瓶位置,8 h后取出水瓶,记录实验初始水量和结束时剩余水量,计算糖水偏好率。计算公式为:糖水偏好率(%)= 蔗糖水消耗量/(蔗糖水消耗量+纯净水消耗量)×100%。
1.5.2 悬尾实验
在距离小鼠尾尖2 cm处用夹子固定,将小鼠倒悬于悬尾箱(30 cm×30 cm×40 cm)内,使小鼠头部距离箱底约15 cm。实验悬挂时间6 min,前2 min为适应期,记录后4 min内小鼠静止时间。
1.5.3 强迫游泳实验
将小鼠置于直径15 cm,水深15 cm的柱形透明水桶中,水温维持在25±2 ℃,实验开始前小鼠熟悉实验室环境1 h后将其放入桶中适应15 min。正式实验时,将小鼠放入强迫游泳装置中6 min,前1 min为适应期,记录后5 min内小鼠不动时长。
1.6 神经功能评分
采用Zea-Longa评分法
[13]评估各组小鼠神经功能,评分标准共分5级:0分为表现正常;1分为脑缺血对侧前爪无法伸展;2分为行走时向对侧转圈;3分为行走时向对侧倾倒;4分为意识丧失、昏迷且无法行走。评分越高表示神经缺损越严重。
1.7 HE染色观察小鼠mPFC区病理变化
行为学实验和神经功能检测结束后,小鼠经戊巴比妥钠腹腔注射麻醉后处死,取脑,于冰上快速剥离mPFC组织,固定、脱水后石蜡包埋,连续切片,制作成小鼠mPFC区组织石蜡切片,厚度为5 μm。石蜡切片经烤片机烘烤,二甲苯、梯度乙醇浸洗脱蜡、脱水后进行苏木素-伊红染色,脱水后滴加中性树脂封片。显微镜下观察,拍照留存。
1.8 尼氏染色观察小鼠mPFC区神经元损伤
制片及脱蜡、脱水操作同1.7,加入尼氏染色液染色5 min,蒸馏水清洗2次,经梯度乙醇脱水,新鲜二甲苯透明后滴加中性树脂封片。显微镜下观察,拍照留存。
1.9 ELISA检测小鼠mPFC区炎性因子水平
取小鼠mPFC组织,剪碎后加入提前预冷的PBS于冰上充分匀浆,离心后收集上清液。按照相应ELISA检测试剂盒操作指南检测小鼠mPFC组织中IL-1β、IL-6、TNF-α含量。
1.10 Western blotting检测小鼠mPFC区Trx1及NLRP3炎性小体相关蛋白表达水平
取小鼠mPFC组织,加入裂解缓冲液研磨提取蛋白,冰上孵育30 min后离心取上清,采用BCA法测定蛋白浓度。上样进行SDS-PAGE凝胶电泳分离蛋白,电泳结束后迅速转膜,置于5%脱脂牛奶中常温封闭60 min。加入Trx1、NLRP3、cleaved caspase-1、GSDMD和GAPDH一抗工作液(稀释比例1∶1 000)4 ℃孵育一晚,TBST清洗3次,5 min/次。加入二抗室温孵育2 h,TBST清洗3次,避光加显色剂,凝胶成像系统中曝光显影,采用Image J软件分析条带灰度值,并计算目的蛋白表达水平。
1.11 统计学分析
本研究应用SPSS 26.0数据分析软件。计量数据均以均数±标准差(X±S)表示,多组间比较采用单因素方差分析法,进一步两组间比较采用LSD-t法,P<0.05代表差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 PSD形成过程中小鼠抑郁样行为表现情况
在抑郁行为造模过程中,PSD组小鼠体质量、糖水偏好率相较于同期sham组有降低趋势,其中第0天两组间体质量和糖水偏好率差异均无统计学意义(
P>0.05);第7天两组间体质量存在统计学差异(
P<0.01),糖水偏好率差异无统计学意义(
P>0.05);而第14,21天时,两组间体质量、糖水偏好率差异具有统计学意义(
P<0.05,见
图1)。此外,PSD组小鼠悬尾实验静止时长和强迫游泳实验不动时长相较于同期sham组均有延长(
P<0.05,见
图1)。
2.2 PSD形成过程中小鼠mPFC区Trx1蛋白水平变化
如
图2所示,在抑郁行为造模过程中,PSD组小鼠mPFC区Trx1蛋白表达水平逐渐降低;与同期sham组比较,PSD组小鼠mPFC区Trx1蛋白表达水平显著降低(
P<0.01)。与第0天比较,第7天小鼠mPFC区Trx1蛋白表达水平有下降趋势(
P>0.05),第14,21天小鼠mPFC区Trx1蛋白表达水平显著降低(
P<0.01);与第7天比较,第14,21天小鼠mPFC区Trx1蛋白表达水平显著降低(
P<0.01);与第14天比较,第21天小鼠mPFC区Trx1蛋白表达水平显著降低(
P<0.01,见
图2)。
2.3 Trx1过表达对PSD小鼠抑郁样行为的影响
与sham组比较,PSD组小鼠mPFC中Trx1蛋白表达水平显著降低(
P<0.01);与PSD组比较,PSD+Lv-Trx1组小鼠mPFC中Trx1蛋白表达水平显著增加(
P<0.01),而PSD+Lv-NC组无显著性差异(
P>0.05,见
图3)。与sham组比较,PSD组小鼠体质量、糖水偏好率均显著降低(
P<0.01),而悬尾实验静止时长和强迫游泳实验不动时长均显著增加(
P<0.01);与PSD组比较,PSD+Lv-Trx1组小鼠体质量、糖水偏好率显著升高(
P<0.05),而悬尾实验静止时长和强迫游泳实验不动时长显著缩短(
P<0.01),PSD+Lv-NC组均无显著性差异(
P>0.05,见
图4)。
2.4 Trx1过表达对PSD小鼠mPFC区神经损伤的影响
sham组、PSD组、PSD+Lv-NC组和PSD+Lv-Trx1组小鼠Zea-Longa评分分别为0.00±0.00,2.63±0.52,2.50±0.54和1.50±0.53分,即sham组小鼠神经功能正常,而其他各组小鼠均存在一定的神经功能缺损情况。与PSD组比较,PSD+Lv-Trx1组小鼠Zea-Longa评分显著降低(P<0.01),而PSD+Lv-NC组无显著性差异(P>0.05)。
sham组小鼠mPFC区染色均匀,结构清晰,神经细胞排列规整,无明显组织损伤,尼氏小体数量较多;PSD组和PSD+Lv-NC组小鼠mPFC区神经细胞出现不同程度空泡化,细胞间隙变大,排列紊乱无序,尼氏小体数量较少;PSD+Lv-Trx1组小鼠mPFC区染色较清晰,细胞间隙变小,空泡变少,尼氏小体数量增多(见
图5)。
2.5 Trx1过表达对PSD小鼠mPFC区神经炎症及NLRP3炎性小体活化的影响
与sham组比较,PSD组小鼠mPFC区炎性因子IL-1β、IL-6、TNF-α水平显著升高(
P<0.01);与PSD组比较,PSD+Lv-Trx1组小鼠mPFC区炎性因子IL-1β、IL-6、TNF-α水平显著降低(
P<0.01),而PSD+Lv-NC组无显著性差异(
P>0.05,见
图6)。
与sham组比较,PSD组小鼠mPFC区NLRP3、cleaved caspase-1、GSDMD等蛋白表达水平显著升高(
P<0.01);与PSD组比较,PSD+Lv-Trx1组小鼠mPFC区NLRP3、cleaved caspase-1、GSDMD蛋白表达水平显著降低(
P<0.01),而PSD+Lv-NC组无显著性差异(
P>0.05,见
图7)。
3 讨论
脑卒中是位于全球死亡原因第3位的疾病,同时是导致成年人出现重度肢体功能障碍的主要原因,并极易伴发神经精神障碍。PSD是一类继发于脑卒中的神经精神性并发症,临床主要表现为情绪低落、兴趣减退、反应迟缓等,抑郁症状可能随时间延长不断恶化
[15],严重影响患者生活质量和治疗过程中的依从性、主动性及积极性,导致康复效果不佳,甚至降低患者的生存欲望。目前治疗抑郁症的方法主要包括药物治疗、心理治疗和经颅磁刺激治疗等,但仍存在治疗效果不显著、治疗周期长且副作用多等问题,开发安全高效的治疗方法是一项重要任务。研究发现,PSD的发生与卒中的位置相关,发生在小脑、脑干及额叶的脑卒中患者患抑郁症的概率更高,尤其是前额叶的损伤更容易引起PSD
[16]。Vahid-Ansari等
[17]通过在小鼠单侧mPFC显微注射内皮素-1(endothelin-1,ET-1)成功构建小鼠PSD模型,其结果表明mPFC病变足以诱导强烈的焦虑和抑郁表型,因此,mPFC区域或成为研究治疗PSD及相关神经精神类疾病的关键方向。
硫氧还蛋白是精神疾病的标志物之一
[18],Trx1是一种普遍存在的氧化还原蛋白,可以直接清除由多种应激源诱导的ROS
[19],该分子具有抗炎、抗凋亡和抗氧化等多种活性,常被用于脑部疾病的研究,并在中枢神经系统疾病中表现出神经保护作用,Kim等
[20]研究发现Trx1可以通过诱导海马神经干细胞增殖改善慢性应激下的抑郁状态。Ma等
[21]提出Trx1可以通过降低氧化/硝化应激减轻缺血性脑卒中后神经元凋亡。陈伟巍等
[22]表明,Trx1可通过抑制NF-κB信号通路增强细胞的抗氧化应激能力,减轻氧化应激反应造成的神经细胞损伤,进而保护神经系统。本研究通过建立MCAO后实施CUMS结合孤养法构建PSD小鼠模型,发现在PSD形成过程中,小鼠mPFC区Trx1蛋白表达水平逐渐降低,且出现明显抑郁样行为,提示mPFC区Trx1蛋白水平下调可能参与PSD的发生发展。经脑立体定位仪向mPFC区注射Trx1过表达慢病毒的PSD小鼠mPFC区神经炎症水平下降,抑郁样症状缓解,神经功能和mPFC区组织病理损伤明显改善,神经细胞凋亡率降低,表明mPFC区Trx1蛋白过表达对PSD具有一定的治疗和保护作用。
NLRP3是先天性免疫系统中的重要传感器之一,通过检测外源性病原微生物入侵和内源性细胞损伤,形成NLRP3炎性小体做出反应。NLRP3炎性小体参与多种先天性免疫过程,如自身免疫、感染和炎症等,有研究表明,NLRP3炎性小体会导致中枢神经系统进入促炎状态
[23],释放大量炎性因子,扩大炎症反应,对抑郁症病程产生不利影响。NLRP3炎性小体的主要组成部分包括负责捕捉危险信号并招募下游分子的NLRP3,调节炎症因子前体、诱导细胞因子IL-1β和IL-18成熟的caspase-1,加工介导细胞因子释放的GSDMD。NLRP3炎性小体在抑郁症的治疗中占有重要地位,经典抗抑郁药物氟西汀可以通过抑制NLRP3炎性小体激活改善大鼠抑郁样行为
[24],奥氮平通过降低NLRP3炎性小体和cleaved caspasse-1水平保护抑郁症大鼠海马神经元
[25]。李江林等
[26]研究表明,颐神解郁针刺法复合电针治疗可能通过下调NLRP3和GSDMD蛋白表达,抑制细胞焦亡,进而发挥抗抑郁作用。另有研究表明,Trx1对NLRP3炎性小体具有调节作用。雷欢等
[27]发现,姜黄素通过增强Trx1表达,抑制NLRP3信号通路活化,减轻肾脏炎症和氧化应激反应。Wang等
[28]研究证实,Trx1可以通过抑制NLRP3炎性小体来减缓动脉粥样硬化发展。Shao等
[29]提出,Trx1通过抑制NLRP3活性和炎性因子前体的产生,调节机体氧化应激和炎症反应,在脓毒症中发挥细胞保护作用。本实验结果显示,PSD小鼠mPFC区NLRP3、cleaved caspasse-1、GSDMD等蛋白表达水平与Trx1蛋白表达水平呈负相关,且炎症因子含量显著升高,而Trx1蛋白过表达小鼠NLRP3炎性小体相关蛋白含量和炎症指标显著降低,表明mPFC区Trx1过表达可抑制NLRP3炎性小体活化,缓解炎症。
综上所述,PSD小鼠在抑郁形成过程中体质量增长缓慢,神经细胞减少,mPFC区Trx1蛋白表达逐渐降低,而mPFC区Trx1过表达可明显改善PSD小鼠抑郁样症状,保护神经细胞并修复脑组织损伤,其作用机制可能与抑制NLRP3炎性小体活化,下调炎症因子水平有关。本研究初步探讨了mPFC区Trx1过表达在PSD中的作用,但仍存在局限性。Trx1涉及的信号通路较多,过表达Trx1通过抑制NLRP3炎性小体活化,减缓神经炎症的具体过程及在改善PSD过程中是否存在其他途径目前尚不清楚。我们将在后续实验中深入探索,以期为PSD的预防和治疗提供参考。