卒中后认知障碍(PSCI)是卒中后从轻度认知损害至痴呆的一系列综合征
[1]。流行病学研究显示,约60%的卒中幸存者在1年内发生认知障碍
[2],我国首次缺血性卒中患者的发生率高达78.7%
[3]。研究其病理机制并寻求有效干预手段具有重要意义。海马是学习和记忆的核心脑区,对缺血缺氧高度敏感,其损伤被认为是PSCI发生发展的关键环节
[4]。突触可塑性是学习和记忆的细胞学基础,突触结构完整性和信号传递效率直接决定认知水平
[5, 6]。磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)信号通路在神经元存活和突触可塑性调控中具有核心作用,可通过促进Akt磷酸化驱动神经元生长及突触重塑
[7, 8]。已有研究证实,该通路在神经退行性疾病及相关认知障碍中发挥关键作用
[9-11]。
电针作为中医“通督醒神”疗法的重要手段,在改善卒中后认知障碍方面显示出良好疗效
[12, 13]。然而,目前多数研究仍停留于动物行为学或组织学水平,缺乏从分子通路层面对电针作用机制的直接验证。针刺效应的体内复杂性使其分子机制研究受到一定限制。近年来兴起的“针刺血清”方法为针刺机制研究提供了可行的体外验证途径,但关于其在PSCI及突触可塑性调控中的研究仍较为缺乏
[14]。前期实验表明,电针“神庭”“百会”可改善卒中大鼠认知功能,并伴随海马PI3K/Akt通路上调
[15]。基于此,本研究结合生物信息学分析与细胞实验验证,在大鼠海马HT22细胞氧糖剥夺/复氧(OGD/R)模型中探讨电针血清对神经元损伤及突触可塑性的影响,并分析其作用是否与 PI3K/Akt 信号通路的激活相关,旨在为电针改善 PSCI 的潜在分子机制提供实验依据。
1 材料和方法
1.1 细胞和实验动物
HT22细胞株由武汉普诺赛公司提供。本研究共选用30只SPF级雄性SD大鼠[180~200 g,生产许可证号:SCXK(鲁)2022-0006],购自济南朋悦实验动物繁育有限公司。实验动物饲养于河南中医药大学实验动物中心SPF级屏障环境中(许可证:SYXK(豫)-2021-0015)。实验操作均严格遵循国际伦理准则,并经河南中医药大学动物伦理委员会审查批准(伦理批号: IACUC-202307049)。
1.2 主要试剂和仪器
FBS胎牛血清(上海吉泰,SFP500);DMEM无糖/含糖培养基、胰蛋白酶消化液、二甲基亚砜、尼氏染色试剂盒、高效RIPA裂解液、ECL化学发光液、BCA蛋白浓度测定试剂盒(北京索莱宝,D6540/12100、T1300、D8371、2306001、RO010、PE0010、PC0020);LY294002(Selleck,S1105);CCK-8试剂盒(日本同仁化学研究所,CK04);TUNEL染色试剂盒(武汉伊莱瑞特,AK13595);PAGE凝胶快速制备试剂盒、三色预染蛋白Marke(上海雅酶,PG212、WJ103);PI3K抗体、HRP标记山羊抗兔二抗、HRP标记山羊抗鼠二抗(武汉三鹰,60225-1-Ig、SA00001-2、SA00001-1);p-PI3K抗体(GeneTex,GTX132597);Akt抗体、p-Akt抗体、mTOR抗体、p-mTOR抗体(CST,9272S、4060S、7C10、D9C2);Bcl-2抗体(immunoway,T0470)NMDAR1抗体(Abcam,Ab174377);PSD-95抗体(GeneTex,GTX133091);RNA提取液、逆转录试剂盒(武汉赛维尔,G3013、G3320-05);三气细胞培养箱(Sanyo);超净工作台(苏州安泰);荧光显微镜、倒置生物显微镜(NiKo);恒温水浴锅(常州国华);酶标仪(Thermo);低温高速离心机(上海卢湘仪);脱色摇床(Scilogex);凝胶成像系统、电泳仪、快速半干转印仪(Bio-Rad);细胞计数仪(上海睿钰);金属浴锅(北京大龙兴创)。
1.3 KEGG通路富集分析与可视化
差异表达基因的筛选基于GEO数据库(
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)中的数据集GSE202391。采用R语言DESeq2软件包对数据进行标准化与差异分析,筛选标准设定为|log₂FC|≥2且校正后
P值(
P.adjust)<0.05。将获得的差异基因列表导入微生信平台(
https://www.bioinformatics.com.cn)进行KEGG通路富集分析,以错误发现率(
FDR)<0.05为显著性阈值,并绘制通路富集气泡图以直观展示结果。
1.4 电针血清的制备
大鼠适应性饲养1周后随机分为模型组(n=15)与电针组(n=15)。参照线栓法建立MCAO/R模型。造模成功后,电针组给予“神庭”“百会”穴电针干预(0.25 mm×13 mm针,15°斜刺2 mm,疏密波1~20 Hz,1 mA,30 min/次,1次/d,连续14 d),模型组仅予固定。干预结束后,3%戊巴比妥钠麻醉,经腹主动脉取血,室温静置30~60 min,4 ℃、2500 r/min离心15 min,取血清。各组血清分别混匀,56 ℃水浴灭活30 min,经0.22 µm滤膜除菌,分装-80 ℃保存。实验前以完全DMEM稀释至10%浓度用于细胞培养。
1.5 细胞培养
将-80 ℃冻存的HT22细胞复苏后于37 ℃、5%CO₂常规培养,每2~3 d更换新鲜完全培养基(DMEM含10%FBS)。细胞生长至80%~90%融合时进行传代:弃培养基,PBS洗涤后加入胰酶消化,镜下见细胞变圆后终止消化,离心重悬并按1∶3~1∶4比例分瓶继续培养。
1.6 OGD/R模型的建立
采用OGD/R方法模拟体外缺血再灌注损伤。造模时,将细胞培养基更换为无糖DMEM,置于三气培养箱(1%O₂、94%N₂、5%CO₂,37 ℃)孵育4 h。造模结束后,更换为相应完全培养基,转入常规条件(37 ℃、5%CO₂)继续培养24 h完成复氧。PI3K抑制剂与电针血清+PI3K抑制剂组在造模前24 h加入LY294002(20 μmol/L)进行处理。
1.7 细胞分组及干预方法
对照组:不进行OGD/R处理,常规培养于含10%模型血清的高糖DMEM培养基。模型组:OGD处理4 h,复氧阶段培养于含10%模型血清的高糖DMEM培养基。电针血清组:OGD处理4 h,复氧阶段培养于含10%电针血清的高糖DMEM培养基。PI3K抑制剂组:造模前24 h加入LY294002(20 μmol/L)预处理,OGD处理4 h后复氧阶段培养于含10%模型血清的高糖DMEM培养基。电针血清+PI3K抑制剂组:造模前24 h加入LY294002(20 μmol/L)预处理,OGD处理4 h后复氧阶段培养于含10%电针血清的高糖DMEM培养基。
1.8 CCK-8检测PI3K抑制剂LY294002最佳作用浓度
将HT22细胞接种于96孔板,培养24 h至贴壁后,分别给予不同浓度LY294002(1、5、10、20、50、100 μmol/L)处理24 h。随后更换为无糖DMEM,在缺氧条件下孵育4 h,各孔加入10 μL CCK-8溶液,37 ℃孵育1 h,测定吸光度A450 nm。细胞抑制率计算公式为:抑制率(%)=[(A对照组-A实验组)/(A对照组-A空白组)]×100%。
1.9 CCK-8检测HT22神经元活性
各组细胞按前述方法干预处理后,加入10 μL/孔CCK-8溶液,37 ℃孵育1 h,测定吸光度A450 nm。细胞存活率计算公式为:存活率(%)=[(A实验组-A空白组)/(A对照组-A空白组)]×100%。
1.10 尼氏染色
HT22细胞细胞经4%多聚甲醛固定后,依据尼氏染色试剂盒说明书进行操作:细胞经亚甲蓝染色10 min后分化,钼酸铵溶液作用3~5 min,经蒸馏水洗涤,光学显微镜下观察尼氏体形态并采集图像。
1.11 TUNEL染色
HT22细胞经4%多聚甲醛固定及0.2%~0.5% TritonX-100通透处理后,按TUNEL细胞凋亡检测试剂盒说明书步骤进行操作:细胞在TdT酶反应液中37 ℃孵育1 h,DAPI复染细胞核后,于荧光显微镜下观察并采集图像。
1.12 RT-qPCR
采用TRIzol法提取各组HT22细胞总RNA,利用NanoDrop分光光度计检测其浓度及纯度。按照试剂盒说明,将RNA逆转录为cDNA,作为后续扩增模板。实时荧光定量PCR采用SYBR Green混合体系,内参基因为GAPDH。引物由赛维尔生物科技有限公司设计合成(
表1)。扩增程序包括预变性、变性、退火和延伸等步骤,共循环40次。相对表达量采用2
-ΔΔCt法进行计算。
1.13 Western blotting检测
细胞处理结束后,用预冷PBS清洗,加入含蛋白酶抑制剂的RIPA裂解液(RIPA∶抑制剂=100∶1),冰上裂解30 min。收集裂解液,4 ℃离心取上清。采用BCA法测定蛋白浓度。等量蛋白经SDS-PAGE分离并转膜至聚偏二氟乙烯膜,5%脱脂奶粉室温封闭2 h。膜分别与一抗(GAPDH 1∶5000,PI3K 1∶1000,p-PI3K 1∶3000,Akt 1∶1000,p-Akt 1∶2000,mTOR 1∶1000,p-mTOR 1∶1000,Bcl-2 1∶1000,NMDAR1 1∶5000,PSD-95 1∶3000)于4 ℃孵育过夜。次日TBST洗膜后,与HRP标记二抗(1∶10000)室温孵育1 h,ECL显影。条带灰度值用ImageJ软件分析,结果以目的蛋白/GAPDH比值表示相对表达量。
1.14 统计学分析
采用SPSS 26.0软件进行数据分析。计量资料以均数±标准差表示,数据满足正态分布且方差齐性时,组间比较采用单因素方差分析,两两比较采用LSD法检验;不满足正态分布及方差齐性时,组间比价采用非参数秩和检验。P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 生物信息学分析鉴定PI3K-Akt信号通路在卒中中的关键作用
对GEO数据集GSE202391(假手术组与脑缺血再灌注组海马组织)进行分析,差异表达基因筛选结果显示,共鉴定出956个显著差异基因(
P.adjust<0.05,|logFC|≥2)。KEGG富集分析显示,这些基因显著富集于PI3K-Akt信号通路(
FDR<0.05)(
图1)。
2.2 PI3K抑制剂LY294002最佳作用浓度的确定
CCK-8法检测结果显示,LY294002可浓度依赖性地抑制神经元活性。其中20 μmol/L浓度下的抑制率为(48.62±1.89)%,接近半数抑制浓度(IC₅₀)。考虑到较高浓度(50、100 μmol/L)可能引起非特异性细胞毒性,后续实验选用20 μmol/L作为工作浓度(
图2)。
2.3 电针血清通过PI3K/Akt信号通路缓解OGD/R诱导的HT22神经元活性下降
基于前期实验结果,本研究采用保护效应最佳的10%浓度电针血清进行干预。CCK-8检测结果显示,模型组HT22神经元存活率较对照组降低(
P<0.05),OGD/R模型构建成功。与模型组相比,电针血清组HT22神经元存活率升高(
P<0.05)。在PI3K抑制剂LY294002干预下,HT22神经元存活率较模型组进一步下降(
P<0.05)。与单独抑制剂组比较,电针血清+PI3K抑制剂组存活率升高(
P<0.05),但较电针血清组降低(
P<0.05,
图3)。
2.4 电针血清通过激活PI3K/Akt信号通路抑制神经元凋亡
TUNEL染色结果显示,模型组神经元凋亡率较对照组升高(
P<0.05)。与模型组相比,电针血清组凋亡率下降(
P<0.05)。PI3K抑制剂组HT22神经元凋亡率较模型组进一步增加(
P<0.05);与电针血清组相比,电针血清+PI3K抑制剂组凋亡率增加(
P<0.05),但与单独抑制剂组相比,其凋亡率仍明显降低(
P<0.05,
图4)。
2.5 电针血清通过PI3K/Akt信号通路改善神经元形态结构
尼氏染色结果显示,对照组HT22神经元数量多,边界清楚,核仁清晰明显,尼氏体丰富且染色深。与对照组相比,模型组HT22神经元数量明显减少,间隙增大,尼氏体数量减少且染色变浅。电针血清组较模型组HT22神经元数量增加,间隙缩小,尼氏体增多,染色加深。PI3K抑制剂组较模型组HT22神经元数量进一步减少,间隙明显扩大,尼氏体数量减少。与电针血清组相比,电针血清+PI3K抑制剂组HT22神经元数量减少、间隙增大、尼氏体减少颜色浅,整体表现介于电针血清组和抑制剂组之间(
图5)。
2.6 电针血清激活PI3K/Akt信号通路
Western blotting结果显示,模型组HT22神经元中p-PI3K/PI3K与p-Akt/Akt比值较对照组降低(
P<0.05)。与模型组比较,电针血清组上述比值升高(
P<0.05),而PI3K抑制剂组进一步降低(
P<0.05)。与电针血清组比较,电针血清+PI3K抑制剂组p-PI3K/PI3K与p-Akt/Akt比值下降(
P<0.05),但较单独抑制剂组仍明显升高(
P<0.05,
图6)。
RT-qPCR结果显示,PI3K与Akt mRNA表达的变化趋势与蛋白磷酸化水平基本一致:模型组较对照组显著降低(
P<0.05);电针血清组较模型组显著升高(
P<0.05);抑制剂组较模型组进一步降低(
P<0.05);电针血清+LY294002组较电针血清组显著降低(
P<0.05),但仍高于抑制剂组(
P<0.05,
图7)。
检测PI3K/Akt下游相关蛋白的表达结果显示,与对照组比较,模型组HT22神经元中p-mTOR/mTOR比值及Bcl-2蛋白表达水平降低(
P<0.05);与模型组相比,电针血清组升高(
P<0.05);PI3K抑制剂组则进一步降低(
P<0.05);与电针血清组比较,电针血清+PI3K抑制剂组上述指标明显下降(
P<0.05),但仍高于单独抑制剂组(
P<0.05,
图8)。
2.7 电针血清通过PI3K/Akt通路上调突触相关蛋白的表达
Western blotting结果显示,模型组HT22神经元中NMDAR1和PSD-95蛋白相对表达水平较对照组降低(
P<0.05)。与模型组比较,电针血清组NMDAR1和PSD-95表达升高(
P<0.05),而PI3K抑制剂组进一步降低(
P<0.05)。与电针血清组比较,电针血清+PI3K抑制剂组NMDAR1和PSD-95蛋白水平下降(
P<0.05),但仍高于单独抑制剂组(
P<0.05,
图9)。
RT-qPCR结果显示,NMDAR1和PSD-95 mRNA的表达趋势与蛋白水平基本一致:模型组较对照组降低(
P<0.05);电针血清组较模型组升高(
P<0.05);抑制剂组进一步降低(
P<0.05);电针血清+LY294002组较电针血清组下降(
P<0.05),但仍高于抑制剂组(
P<0.05,
图10)。
3 讨论
PSCI在传统医学中属“健忘”、“呆病”范畴,其病位在脑,基本病机为气血虚衰、髓海失养、神明不用,临床多以补益气血、填精益髓、醒神开窍为主要治则
[16]。督脉为“阳脉之海”,总督一身之阳气,具有调节阴阳、补益气血、填精益髓及醒神开窍之功。其中,百会(GV20)与神庭(GV24)为督脉要穴,历来用于改善中风后遗症、记忆障碍及痴呆
[17, 18]。既往多项临床与基础研究表明,电针“神庭”“百会”在改善PSCI方面具有较为明确的疗效,能够减轻神经元损伤并促进认知功能恢复
[17, 19, 20]。然而,其分子作用机制尚未完全阐明。
电针血清作为研究电针效应的重要体外工具,已被证实可对脑缺血后的血脑屏障发挥保护作用,为探索电针治疗卒中的机制提供了关键实验依据
[21]。本课题组前期研究发现,电针血清能够在保持电针整体效应的同时,显著减轻OGD/R条件下HT22神经元的损伤
[22]。在此基础上,本研究进一步采用“电针血清+OGD/R细胞”模型,对电针改善神经元损伤的潜在分子机制进行探索。
PSCI的发生与海马神经元损伤及突触可塑性减弱密切相关
[23, 24]。本研究结果显示,OGD/R处理可降低HT22神经元活力、增加细胞凋亡并导致尼氏体减少,提示该模型能够较好地模拟缺血再灌注相关的神经元损伤状态。电针血清干预后,上述损伤指标得到一定程度改善,细胞存活率提高,凋亡水平下降,神经元形态结构趋于完整,这与既往体内外研究结果基本一致
[25, 26]。这提示电针血清能够在体外条件下反映部分电针诱导的体内效应,并表现出潜在的神经保护作用。
PI3K/Akt信号通路在缺血性脑损伤修复、神经元存活及突触可塑性调控中发挥重要作用,其激活可促进Akt磷酸化,进而调控多种下游效应分子参与细胞存活与功能维持过程
[27]。本研究结果表明,OGD/R损伤后PI3K与Akt磷酸化水平降低,而电针血清干预可在一定程度上提升p-PI3K/PI3K及p-Akt/Akt比值,并上调PI3K与Akt mRNA表达;当联合使用PI3K抑制剂LY294002后,电针血清的保护作用被部分削弱。进一步分析发现,OGD/R处理后p-mTOR/mTOR比值及抗凋亡蛋白Bcl-2表达水平均明显下降,而电针血清干预可在一定程度上恢复上述指标;在LY294002作用下,该改善趋势受到抑制。这提示,PI3K/Akt信号通路及其相关下游分子可能共同参与电针血清对OGD/R损伤神经元的保护过程。生物信息学分析中卒中相关差异基因在PI3K/Akt通路中的富集结果,与体外实验观察在一定程度上相互印证,为该通路的潜在作用提供了支持。
神经元功能的恢复不仅依赖于存活率,还与突触结构和功能完整性密切相关。突触可塑性是学习和记忆的细胞学基础,其中NMDAR1和PSD-95是关键分子。NMDAR1是介导钙离子内流触发突触可塑性的核心受体,在长时程增强及记忆形成中发挥不可替代的作用;而PSD-95是锚定并稳定NMDAR及其他受体至突触后膜、强化信号传递的关键支架蛋白,二者协同作用共同构成了学习与记忆的分子基础
[28-30]。本研究发现,OGD/R处理显著下调HT22细胞中NMDAR1和PSD-95蛋白及mRNA表达,而电针血清干预可在一定程度上恢复其表达水平;上述结果提示,电针血清可能通过PI3K/Akt信号通路,参与调控突触可塑性相关分子的表达,从而促进神经元结构和功能的恢复。
综上所述,本研究结果表明,电针“神庭”“百会”穴血清在体外条件下可在一定程度上改善OGD/R所致HT22神经元损伤,其效应可能与PI3K/Akt信号通路的激活、下游效应分子mTOR和Bcl-2表达的变化,以及NMDAR1、PSD-95等突触可塑性相关分子的上调有关。这些发现从分子和细胞层面为“通督醒神”针刺疗法改善卒中后认知功能提供了实验依据,也为多靶点干预PSCI提供了新的研究思路。与既往多集中于行为学或组织学层面的研究相比,本研究结合生物信息学分析与体外细胞实验,从大样本数据挖掘到分子机制验证,在一定程度上补充了从宏观通路预测到体外分子验证的研究证据,为理解电针作用通路提供了实验线索。同时,通过“电针血清+OGD/R细胞”模型,提示电针诱导的体内活性因素可能在细胞水平上参与PI3K/Akt信号通路及突触可塑性相关分子的调控;在突触层面同步检测NMDAR1与PSD-95的mRNA及蛋白表达,也使相关分子变化的证据更加完整。
本研究仍存在一定局限性。首先,电针血清为多成分复合体系,其具体发挥作用的关键活性物质尚不明确;其次,HT22细胞为永生化海马神经元细胞系,难以完全反映原代神经元及体内复杂微环境;此外,缺乏体内血清回输动物模型验证,尚无法在整体水平确认其生物学效应。未来研究可结合代谢组学、蛋白质组学等多组学技术解析电针血清的物质基础,并通过遗传学干预及多通路机制分析进一步强化因果证据,同时将其作为独立干预因子回输至MCAO动物模型,结合行为学与组织学评价,从分子、细胞及整体水平系统阐释电针改善卒中后认知障碍的作用机制,为临床转化提供更充分的实验依据。
国家自然科学基金联合基金(U2004131)
国家自然科学基金(82174473)
国家自然科学基金(82575189)