全球60岁以上人口呈现持续增长趋势,预计到2050年将会突破21亿
[1]。衰弱作为一种与衰老密切相关的老年综合征,主要表现为多个系统功能储备的逐步下降,进而导致稳态调节能力的失衡,增加机体对不良事件的易感性
[2]。既往有研究表明,衰弱不仅是全因死亡的重要预测因子,还与认知障碍的发生发展密切相关
[3-6]。然而,针对衰弱伴随认知功能减退的有效干预策略目前仍缺乏明确共识。
血管紧张素系统不仅在外周内分泌系统中广泛分布,也在中枢神经系统中具有特异性表达,其活性状态已被证实与氧化应激、神经炎症以及认知维持等神经病理过程密切相关
[7-11]。血管紧张素Ⅱ(AngII)通过激活血管紧张素Ⅱ 1型受体(AT1R)和2型受体(AT2R)发挥生理效应,异常激活可加速神经退行性病变。缬沙坦作为一种血管紧张素Ⅱ 1型受体阻断剂,已被证实能够延缓衰老相关表型变化,并通过抑制中枢神经炎症、增强突出可塑性等途径改善认知功能
[12]。
NOD样受体蛋白3(NOD-like receptor family pyrin domain containing 3,NLRP3)是一个多结构域蛋白,其激活可触发细胞焦亡并加剧年龄相关神经退行性病变
[13]。5′-腺苷一磷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)/沉默信息调节因子1(sirtuin 1,SIRT1)信号通路轴在细胞焦亡的调控中发挥关键作用,其活化可减轻神经系统炎症和氧化损伤
[14,15]。然而,目前关于该通路以及下游NLRP3介导的细胞焦亡机制在衰弱小鼠模型中的作用尚不明确。基于此,本研究对衰弱状态的C57BL/6老年小鼠进行缬沙坦干预,系统评估了缬沙坦对衰弱相关学习记忆功能减退的改善作用,旨在为临床延缓衰弱进展以及逆转学习记忆功能下降提供理论和实验依据。
1 材料和方法
1.1 实验动物
本实验选用17月龄雄性C57BL/6小鼠20只,小鼠均饲养在SPF级屏障环境中,屏障内使用聚碳酸酯材质的独立通风笼(IVC系统),每笼饲养不超过6只动物。实验室温度控制在22~26 ℃之间,湿度维持在40%~55%,12 h光照/12 h黑暗的昼夜节律管理,并配备高效空气过滤系统以保持洁净通风。在整个实验过程中,小鼠可自由摄取经灭菌处理的饲料和纯净饮水,笼内垫料每周更换3~4次以维持清洁环境。另选6月龄雄性C57BL/6小鼠6只作为成年对照组,饲养条件同上。所有实验均已通过学校实验动物伦理委员会审批通过,伦理审查编号为IACUC-JT-202311247-03。
1.2 药物及试剂
缬沙坦分散片购自中国诺华制药有限公司。离子钙结合衔接分子1(ionized calcium-binding adaptor molecule 1,Iba1)、胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)、AMPK、SIRT1、含有CARD结构域的凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD,ASC)、NLRP3、p-Caspase-1、IL-18、IL-1β、第181位苏氨酸磷酸化的Tau蛋白(p-Tau)抗体购自美国Abcam公司;Caspase-1及Tau5抗体购自美国Thermo Fisher Scientific公司。
1.3 小鼠临床31项衰弱指数评估
在实验起始阶段(药物干预前),采用31项衰弱指数(Frailty Index,FI)评分量表
[16]对17月龄雄性C57BL/6小鼠(
n=20)进行基线FI检测,计算方法参照Parks方法
[17]。实验期间每周严格按照既定标准进行FI评分。3个月后,根据FI≥0.18的标准,筛选出12只小鼠用于后续实验;另有5只小鼠FI<0.18未纳入后续实验;3只小鼠在筛选随访期间自然死亡,未纳入后续实验。
1.4 动物分组及给药方法
本研究共纳入18只小鼠。将FI≥0.18的12只小鼠按照随机数字表法分为两组,分别为老年伴衰弱状态组和老年衰弱+缬沙坦组,每组各6只;将6只6月龄雄性C57BL/6小鼠设为成年对照组。老年衰弱+缬沙坦组给予缬沙坦(30 mg/kg)灌胃,持续60 d;成年对照组和老年伴衰弱状态组同期给予等体积0.9 %生理盐水。
1.5 实验方法
1.5.1 Morris水迷宫实验评估小鼠学习、记忆能力
Morris水迷宫系统由直径120 cm、高度55 cm的白色圆形水池构成,池内水深约为30 cm,中央设有一隐蔽平台作为目标区域,平台顶端浸没于水面下约1 cm。影像采集装置固定于水池中心正上方2 m处,完整记录实验对象运动轨迹,所有行为数据均通过智能图像分析系统完成处理。定位巡航阶段,小鼠分别由四个不同点位面向水池壁入水,自行探索平台位置。记录各组小鼠的逃避潜伏期,若60 s内未成功定位,则人工引导至平台并维持10 s适应,该适应性训练持续5个自然日。空间探索测试于训练周期结束后第5日实施,撤除原有平台后,从固定入水点释放实验动物,在90 s观测周期内统计其穿越原平台坐标区域的次数及在该区域滞留的总时长。
1.5.2 苏木精-伊红(HE)染色观察小鼠脑组织病理变化
行为学测试结束之后,对小鼠实施安乐死并取出完整大脑组织。采用4 %多聚甲醛溶液进行固定处理,经梯度脱水后完成石蜡包埋程序,使用切片机制备5 μm厚度连续切片。使用HE染色技术对各组小鼠大脑组织进行处理,采用光学显微成像系统观察各组小鼠脑组织病理学改变。
1.5.3 免疫荧光染色法检测小鼠大脑组织中Iba1、GFAP和IL-1β蛋白的表达
用多聚甲醛固定小鼠脑组织后,依次进行组织脱水、浸蜡和包埋,制备为10 μm厚切片。采用免疫荧光染色检测小胶质细胞标记物Iba1、星形胶质细胞标记物GFAP及炎症因子IL-1β的表达。
1.5.4 Wester blot法检测小鼠大脑组织中AMPK/SIRT1信号通路相关蛋白的表达
对各组小鼠大脑组织样本进行标准化处理,分离出海马组织置于预冷RIPA裂解液中充分裂解,高速离心(12 000 g,15 min),收集上清液,使用BCA蛋白质定量试剂盒进行浓度测定。取适量蛋白样本与上样缓冲液混合后加入电泳槽加样孔,通过聚丙烯酰胺凝胶电泳技术进行蛋白质电泳。采用湿转膜法将蛋白转移至PVDF膜,经5%脱脂乳封闭液室温封闭90 min,依次进行特异性一抗AMPK(1∶1 000)、P-AMPK(1∶1 000)、SIRT1(1∶1 000)、NLRP3(1∶500)、ASC(1∶500)、Caspase-1(1∶1 000)、p-Caspase-1(1∶500)、IL-18(1∶500)、IL-1β(1∶500)、p-Tau(1∶1 000)、Tau5(1∶1 000)于4 ℃孵育过夜处理,再进行对应种属二抗(1∶5 000)于37 ℃孵育90 min处理,每次抗体孵育后均采用TBST缓冲液漂洗3次。最后使用ECL化学发光底物进行显影反应,通过Image Pro Plus软件对目标条带进行灰度值定量分析,以β-actin作为内参蛋白。
1.6 统计学分析
所有数据使用SPSS 26.0统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差(X±S)表示。正态性采用Shapiro-Wilk检验,方差齐性采用Levene检验。干预前(基线)及干预后各时间点的组间比较采用单因素方差分析;差异有统计学意义时进行事后两两比较(LSD法)。同一组干预前后比较采用配对t检验。若不满足正态性或方差齐性等参数检验前提,则采用相应的非参数检验进行分析。P<0.05认为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 缬沙坦对小鼠衰弱评分的影响
以干预开始前(基线)为“干预前”,以末次给药后完成FI评估时(干预结束时)为“干预后”。FI评分结果显示:干预前,与成年对照组相比,老年伴衰弱状态组和老年衰弱+缬沙坦组小鼠FI评分均显著升高(均
P<0.05);干预后,与老年伴衰弱状态组相比,老年衰弱+缬沙坦组小鼠FI评分显著降低(
P<0.05,见
图1)。
2.2 缬沙坦对小鼠学习、记忆能力的影响
Morris水迷宫定位巡航阶段,随着时间延长,各组小鼠逃逸潜伏期(找到平台所需时间)逐渐缩短(见
图2)。与成年对照组相比,老年伴衰弱状态组小鼠逃逸潜伏期延长(
P<0.05),表明老年伴衰弱状态组小鼠学习记忆能力下降。在定位巡航实验中第1~2天,老年伴衰弱状态组和老年衰弱+缬沙坦组小鼠逃逸潜伏期无明显变化(
P>0.05);在第3~5天,与老年伴衰弱状态组相比,老年衰弱+缬沙坦组小鼠逃逸潜伏期明显缩短(
P<0.05),提示小鼠学习记忆能力得到改善。
Morris水迷宫空间探索阶段,老年伴衰弱状态组小鼠穿越平台次数较成年对照组减少(
P<0.05),而老年衰弱+缬沙坦组小鼠穿越平台次数较老年伴衰弱状态组显著增加(
P<0.05,见
图2)。
2.3 缬沙坦对小鼠大脑组织病理损伤的影响
HE染色结果显示:成年对照组小鼠大脑组织结构完整,细胞排列较为规则,神经元形态正常;与成年对照组相比,老年伴衰弱状态组小鼠大脑组织结构紊乱,神经元数量减少,可见神经元缩小、胞质嗜酸性增强及核固缩等变性改变,局部可见神经元减少、缺失、坏死样改变及组织疏松(空泡样)改变。与老年伴衰弱状态组相比,老年衰弱+缬沙坦组神经元形态有所改善,细胞排列趋于规则,组织结构较为完整,病理损伤减轻(见
图3)。
2.4 缬沙坦对小鼠大脑组织中Iba1、GFAP及IL⁃1β蛋白表达的影响
大脑组织切片免疫荧光染色结果显示,与成年对照组比较,老年伴衰弱状态组小鼠脑组织Iba1、GFAP及IL-1β表达均呈明显上调趋势(
P<0.05),提示存在胶质细胞活化与炎症反应;与老年伴衰弱状态组相比,老年衰弱+缬沙坦组小鼠大脑组织中Iba1、GFAP及IL-1β蛋白表达均不同程度降低(
P<0.05,见
图4),反映炎症状态得到缓解。
2.5 缬沙坦对小鼠脑组织AMPK/SIRT1信号通路、NLRP3、NLRP3下游焦亡相关蛋白和Tau蛋白表达水平的影响
与成年对照组相比,老年伴衰弱状态组小鼠p-AMPK、SIRT1蛋白表达降低(
P<0.05);与老年伴衰弱状态组比较,老年衰弱+缬沙坦组p-AMPK、SIRT1蛋白表达显著增加(
P<0.05),这表明缬沙坦可能激活了AMPK/SIRT1信号通路轴;AMPK总蛋白表达量在各组间差异无统计学意义(
P>0.05,见
图5)。
与成年对照组相比,老年伴衰弱状态组小鼠NLRP3炎症小体以及下游焦亡相关蛋白(ASC、Caspase-1、p-Caspase-1、IL-18、IL-1β)表达显著上调(
P<0.05);经缬沙坦处理后,上述标志物均呈不同程度下降(
P<0.05,见
图5),结果提示缬沙坦可抑制老年伴衰弱状态小鼠NLRP3炎症小体的激活及其下游焦亡相关蛋白的表达。
与成年对照组相比,老年伴衰弱状态组p-Tau蛋白水平显著增加(
P<0.05);与老年伴衰弱状态组相比,老年衰弱+缬沙坦组p-Tau表达降低(
P<0.05)。各组间Tau5蛋白的表达量差异无统计学意 义(
P>0.05,见
图5)。
3 讨论
随着老龄化加剧,全球老年人群中衰弱的发生率持续升高,研究表明这一现象与年龄增长密切相关
[18,19]。衰弱与认知功能下降之间的关联越来越受到关注,衰弱不仅是认知能力减退的重要诱因,认知功能障碍也可能加剧个体衰弱,二者存在双向促进关系
[20]。本研究采用31项衰弱指数评分量表评估老年小鼠的衰弱水平,并探讨缬沙坦在改善衰弱及认知功能减退方面的作用。
既往研究已证实血管紧张素受体阻滞剂(ARB)在认知功能调节方面的作用。缬沙坦作为一种血管紧张素Ⅱ 1型受体阻断剂,其药理学研究表明,缬沙坦的预防性干预可显著缓解阿尔茨海默病模型动物认知功能的退行性改变
[21]。类似地,在慢性乙醇暴露诱导的认知损伤模型中,另一种ARB氯沙坦的干预有效改善了实验对象的空间记忆能力和工作记忆能力
[22]。Tian等
[23]也在血管紧张素II诱导的认知障碍模型中证实,氯沙坦经鼻长期给药可显著降低Tau蛋白过度磷酸化水平,并改善认知功能损伤。本研究结果进一步支持了ARB在认知改善中的作用,尤其是缬沙坦对衰弱老年小鼠的影响。本实验发现,老年伴衰弱状态组小鼠的31项衰弱指数评分显著高于成年对照组,且其学习记忆能力显著低于成年对照组。药物干预实验显示,缬沙坦单药治疗能够显著改善衰弱状态小鼠的学习记忆功能,这一结果进一步验证了缬沙坦在认知功能调节中的潜力。
相比程序性细胞凋亡,焦亡呈现独特的细胞死亡特征,其经典途径由炎症小体介导。NLRP3炎症小体是近年来的研究热点之一,已被证实在多种神经退行性疾病中具有重要致病作用
[24]。作为一种胞质内多蛋白复合物,NLRP3炎症小体由模式识别受体NLRP3、适配蛋白ASC及效应蛋白酶Caspase-1共同构成。其中Caspase-1的活化是触发焦亡级联反应及IL-1β与IL-18成熟释放的核心环节
[25]。与程序性凋亡不同,焦亡以细胞膜孔道形成为主要特征,进而引发膜通透性变化和促炎因子释放,导致炎症反应扩散
[26]。已有研究表明,NLRP3炎症小体介导的焦亡过程能够加速神经元退行性改变的进程
[27]。例如,González-Dominguez团队在早衰动物模型中发现,靶向抑制NLRP3活化可有效延缓衰老表型
[28],而冠状动脉微栓塞模型研究则证实,激活AMPK/SIRT1/NLRP3信号轴能够抑制心肌焦亡并改善心功能
[29]。这些研究结果与本研究发现一致,提示NLRP3炎症小体在衰弱相关认知障碍中可能发挥重要作用。本研究观察到,老年伴衰弱状态组小鼠的NLRP3炎症小体及其下游效应分子(如ASC、Caspase-1、p-Caspase-1、IL-1β、IL-18)表达水平显著高于成年对照组(
P<0.05),这一发现进一步支持了NLRP3炎症小体在衰弱状态下的激活与认知障碍损伤之间的关系。通过缬沙坦的干预,发现小鼠脑组织中焦亡相关蛋白的表达显著下调(
P<0.05),提示缬沙坦可能通过抑制NLRP3炎症小体介导的细胞焦亡,从而改善衰弱小鼠的学习记忆功能。
AMPK/SIRT1信号轴在细胞焦亡的发生和发展过程中起关键调控作用
[30,31]。AMPK作为真核生物能量代谢核心调控因子,在心血管和神经退行性疾病中具有重要保护作用。而SIRT1作为依赖NAD
+的脱乙酰化酶,其活性受AMPK正向调控。二者通过协同作用提升NAD
+的生物利用度,并维持[NAD
+]/[NADH]的动态平衡,从而参与细胞能量稳态和应激反应的调控
[32]。既往研究表明,NAD
+的消耗与多种衰老相关疾病的发生密切相关
[33]。本研究结果显示,老年伴衰弱状态组小鼠脑组织中磷酸化AMPK(p-AMPK)及SIRT1的表达水平均显著低于成年对照组,提示AMPK/SIRT1信号通路在衰弱相关神经功能损伤中可能受到抑制。经缬沙坦干预后,p-AMPK和SIRT1表达显著上调,提示缬沙坦可能通过激活AMPK/SIRT1信号通路发挥神经保护作用。Li等
[34,35]团队的研究证实,SIRT1过表达可有效抑制NLRP3炎症小体组装及Caspase-1的活化,从而逆转焦亡进程,该结果与本研究中观察到的变化趋势一致。本研究进一步发现,老年伴衰弱状态组小鼠NLRP3蛋白表达显著上调(
P<0.05)而缬沙坦干预后其表达水平显著下调(
P<0.05),提示缬沙坦可通过激活AMPK/SIRT1信号通路,抑制NLRP3介导的焦亡级联反应,从而改善学习记忆功能减退。
Tau蛋白是重要的微管相关蛋白,其异常的磷酸化状态被认为是认知功能减退发生和发展的关键分子基础之一
[36]。临床横断面研究进一步揭示,p-Tau水平与衰弱综合征间之间存在显著相关
[37],提示Tau病理改变可能参与衰弱相关的神经功能损伤过程。因此,脑组织Tau蛋白的磷酸化水平可作为评估神经功能状态的重要分子指标。本研究结果显示,老年伴衰弱状态组小鼠脑组织中第181位点磷酸化Tau蛋白表达水平显著高于成年对照组(
P< 0.05),提示衰弱状态伴随Tau异常磷酸化的发生。经缬沙坦干预后,p-Tau表达水平显著降低(
P<0.05),表明缬沙坦可能通过调控Tau蛋白异常磷酸化状态,减轻衰弱相关的神经功能损伤。这一结果进一步补充了ARB类药物在神经退行性改变中的潜在保护作用,也为缬沙坦改善衰弱相关认知功能障碍提供了新的分子学依据。
综上所述,本研究系统性地揭示了缬沙坦单药干预对于老年雄性C57BL/6小鼠衰弱状态及学习记忆功能减退的改善作用。研究结果表明,缬沙坦可显著下调NLRP3炎症小体活性,减轻神经炎症反应并抑制细胞焦亡,从而发挥神经保护效应。此外,缬沙坦干预后,小胶质细胞标志物Iba1、星形胶质细胞标志物GFAP、促炎因子IL-1β、磷酸化Tau蛋白、NLRP3及其下游效应分子表达水平均显著降低,进一步支持其在逆转老年衰弱相关学习记忆功能下降中的潜在优势。上述发现不仅拓展了ARB类药物在神经功能调控方面的研究视角,也为其在衰弱综合征中的潜在临床应用提供了新的实验依据。然而,本研究存在一定局限性。首先,本研究主要基于老年雄性小鼠模型,尚未探讨性别差异对研究结果的影响;其次,尽管本研究提示缬沙坦可能通过调控NLRP3介导的细胞焦亡发挥作用,但尚未采用特异性抑制剂或基因干预手段对相关信号通路进行因果性验证;此外,本研究给药剂量主要参考既往老年小鼠相关研究,尚未设置不同剂量梯度以系统性评估其剂量-效应关系。因此,未来研究可进一步通过遗传学或药理学手段明确AMPK/SIRT1-NLRP3-焦亡信号轴在老年衰弱及认知功能减退中的具体作用机制,同时结合不同性别及多剂量干预策略,系统性评估缬沙坦的长期疗效和安全性,并为其在衰弱相关认知障碍中的临床应用提供更加充分的理论依据。