基于PINK1/Parkin介导的线粒体自噬研究β--细辛醚对AD大鼠的作用机制

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阿尔茨海默病(Alzheimers disease,AD)是一种慢性神经退行性疾病,其发病率随年龄增高。AD的病理特征主要在于β-淀粉样蛋白(β-amyloidprotein,Aβ)的细胞外沉积、Tau蛋白过度磷酸化形成神经元纤维缠结(Neurofibrillary tangle predominant,NFT)和广泛神经元缺失。许多研究表明,自噬与淀粉样前体蛋白(Amyloid precursor protein,APP)的代谢、Aβ的形成关系密切,作为选择性自噬的一种,线粒体自噬同样贯穿AD的发病及疾病全程。腺苷三磷酸(Adenosine triphosphate,ATP)是细胞正常生命活动所必需的能量来源,而线粒体产生ATP,维持自身稳态和神经元的正常生存。在AD患者中,Aβ异常增多影响线粒体正常功能,其沉积也会阻碍受损线粒体的自我清除,线粒体功能障碍在AD发病中起着重要作用。
  在中医理论中,AD的病机以本虚为主,气血虚损致病理产物生成,以痰瘀阻窍为标,在治疗方面,多用补益药配伍活血、化痰、醒脑开窍药等。石菖蒲、冰片、苏合香、麝香是醒脑开窍药中的代表药物,具有芳香走窜,开窍醒神的药性,其有效成分分子量小,脂溶性强,在体内吸收较快。β-细辛醚是石菖蒲的主要有效成分之一,在既往的实验中我们发现,β-细辛醚对神经退行性疾病、神经系统肿瘤,以及抑郁症、脑梗塞等都有一定的治疗效果。本文对四种醒脑开窍药对AD模型大鼠的干预共性进行研究,并从四药中筛选出效果更为明显的β-细辛醚,进一步研究其对AD模型大鼠自噬功能、PINK1/Parkin介导的线粒体自噬功能的影响。
  本研究主要由四部分实验组成,实验一:研究石菖蒲、冰片、苏合香、麝香四种醒脑开窍药的有效成分β-细辛醚、冰片、苏合香挥发油和麝香酮对AD模型大鼠学习记忆能力、脑内Aβ沉积、乙酰胆碱酯酶(Acetylcholinesterase,AchE)代谢,血清中降钙素基因相关肽(Calcitonin Gene Related Peptide,CGRP)和血管内皮素(Endothelin,ET)含量的影响,探讨四种醒脑开窍药有效成分对AD模型大鼠的药效作用。实验二:通过实验一筛选出药效最佳的β-细辛醚,研究低中高剂量β-细辛醚对AD模型大鼠脑内Aβ沉积和APP、早老素-1(Presenilin-1,PS1)、淀粉蛋白前β-分解酶1(Beta-site APP-Cleaving Enzyme 1,BACE1)、神经突触素-1(SynapsinⅠ,SYN-1)表达的影响,评价其药效作用。实验三:研究β-细辛醚对AD模型大鼠脑内Aβ沉积和自噬相关因子Beclin-1、p62、LC3Ⅱ的作用,探讨β-细辛醚对AD模型大鼠自噬功能的影响。实验四:研究β-细辛醚对AD模型大鼠PINK1/Parkin通路介导的线粒体自噬的影响,探讨β-细辛醚对AD作用的可能机制和靶点。
  第一部分实验
  目的:
  研究石菖蒲、冰片、苏合香、麝香四种醒脑开窍药的主要有效成分β-细辛醚、冰片、苏合香挥发油和麝香酮对AD模型大鼠的药效作用。
  方法:
  SPF级SD大鼠90只,雌雄各半,除空白组外,其余各组采用Aβ1-42寡聚体双侧海马区注射的方式制备AD模型大鼠,通过水迷宫试验筛选造模成功动物,随机分为6组,每组10只,即模型组、β-细辛醚组、冰片组、麝香酮组、苏合香挥发油组、多奈哌齐组。空白组、模型组予生理盐水,灌胃给药30d。①水迷宫试验评价AD大鼠的学习记忆能力;②酶标免疫法(Enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)检测AD大鼠大脑皮质中CGRP、ET、AchE的含量。
  结果:
  1.与空白组对比,模型组大鼠在水迷宫试验中逃避潜伏期延长(P<0.05),ET、AchE表达明显升高(P<0.05/P<0.01),CGRP明显降低(P<0.01)。
  2.与模型组对比,各给药组大鼠在水迷宫试验中逃避潜伏期均缩短(P<0.05/P<0.01、P<0.01/P<0.01),其中,β-细辛醚组效果更为明显(P<0.001)。
  3.与模型组对比,各给药组大鼠脑内ET、AchE表达明显下降(P<0.01/P<0.001/P<0.05/P<0.01),CGRP明显升高(P<0.05/P<0.05/<0.01/P<0.01)。
  结论:
  1.β-细辛醚、冰片、苏合香挥发油和麝香酮均能提高AD大鼠的学习记忆能力,其作用机制可能是四种醒脑开窍药改善了AD大鼠大脑皮质中AchE代谢。
  2.β-细辛醚、冰片、苏合香挥发油和麝香酮均能使AD大鼠血清ET含量降低、CGRP升高,改善脑组织血液循环。
  3.β-细辛醚、冰片、苏合香挥发油和麝香酮对AD大鼠的药效作用存在一定共性,其中β-细辛醚作用最强。
  第二部分实验
  目的:
  研究石菖蒲的主要有效成分β-细辛醚对AD模型大鼠的药效作用。
  方法:
  SPF级SD大鼠80只,雌雄各半,除空白组外,其余各组采用Aβ1-42寡聚体双侧海马区注射的方式制备AD模型大鼠,通过水迷宫试验筛选造模成功动物,随机分为5组,每组10只,即模型组、β-细辛醚低剂量组、β-细辛醚中剂量组、β-细辛醚高剂量组、多奈哌齐组。空白组、模型组予生理盐水,灌胃给药30d。①蛋白免疫印迹法(Westernblot,WB)检测AD大鼠海马内APP、PS1、SYN-1、BACE1的表达;②实时荧光定量技术(Reverse Transcription-Polymerase Chain Reaction,RT-PCR)检测相关基因:APPmRNA、PS1mRNA、SYN-1mRNA、BACE1mRNA。
  结果:
  1.WB检测β-细辛醚对AD大鼠海马内APP、PS1、BACE1、SYN-1表达的影响
  与空白组对比,模型组大鼠海马内APP、PS1、BACE1表达显著升高,SYN-1、表达显著降低,差异均有统计学意义(P<0.001)。
  与模型组对比,β-细辛醚低剂量组、多奈哌齐组大鼠海马内PS1表达降低(P<0.01),β-细辛醚中剂量组、β-细辛醚高剂量组大鼠海马内PS1表达显著降低(P<0.001)。
  与模型组对比,β-细辛醚高剂量组大鼠海马内SYN-1表达升高(P<0.05)、多奈哌齐组大鼠海马内SYN-1表达显著升高(P<0.001).
  与模型组对比,β-细辛醚高剂量组大鼠海马内BACE1表达降低(P<0.05)。
  2.RT-PCR检测β-细辛醚对AD大鼠海马内APPmRNA、PS1mRNA、BACE1mRNA、SYN-1mRNA表达的影响
  与空白组对比,模型组大鼠海马内APPmRNA、PS1mRNA、BACE1mRNA表达显著升高,差异均有统计学意义(P<0.001)。
  与模型组对比,β-细辛醚低剂量组、β-细辛醚中剂量组大鼠海马内APPmRNA表达降低(P<0.05),β-细辛醚高剂量组、多奈哌齐组大鼠海马内APPmRNA表达显著降低(P<0.01)。
  与模型组对比,β-细辛醚中剂量组大鼠海马内PS1mRNA表达降低(P<0.05),β-细辛醚高剂量组、多奈哌齐组大鼠海马内PS1mRNA表达显著降低(P<0.01/P<0.001)。
  与模型组对比,β-细辛醚高剂量组大鼠海马内BACE1mRNA表达降低(P<0.01)。
  结论:
  不同剂量的β-细辛醚均能抑制AD大鼠海马内APP、PS1的表达,其中高剂量(45mg/kg·d)β-细辛醚药效最佳,并具有抑制AD大鼠海马内BACE1表达、增加SYN-1表达的作用。
  第三部分实验
  目的:
  研究β-细辛醚对AD模型大鼠自噬功能的影响。
  方法:
  SPF级SD大鼠70只,雌雄各半,除空白组外,其余各组采用Aβ1-42寡聚体双侧海马区注射的方式制备AD模型大鼠,通过水迷宫试验筛选造模成功动物,随机分为4组,每组10只,即模型组、β-细辛醚组、自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤(3-Methyladenine,3-MA)组、自噬激活剂雷帕霉素组。3-MA组及雷帕霉素组腹腔注射给药,其余各组均为灌胃给药,空白组、模型组予生理盐水,给药30d。①WB检测AD大鼠海马内LC3Ⅱ、Beclin-1、p62的表达;②RT-PCR检测相关基因:LC3mRNA、Beclin-1mRNA、p62mRNA;③IHC检测AD大鼠海马内Beclin-1、p62的表达。
  结果:
  1.WB检测β-细辛醚对AD大鼠海马内LC3Ⅱ、Beclin-1、p62表达的影响
  与空白组对比,模型组大鼠海马内LC3Ⅱ、Beclin-1表达下降(P<0.05/P<0.001),p62表达升高(P<0.05)。
  与模型组对比,β-细辛醚组大鼠海马内LC3Ⅱ、Beclin-1表达均升高(P<0.05/P<0.01);3-MA组大鼠海马内LC3Ⅱ、Beclin-1表达均下降(P<0.01/P<0.001);雷帕霉素组LC3Ⅱ、Beclin-1表达均升高(P<0.01/P<0.01),p62表达下降(P<0.001)。
  2.RT-PCR检测β-细辛醚对AD大鼠海马中Beclin-1mRNA、p62mRNA、LC3mRNA表达的影响
  与空白组对比,模型组大鼠海马内Beclin-1mRNA、LC3mRNA表达下降(P<0.001/P<0.05),p62表达升高(P<0.01)。
  与模型组对比,β-细辛醚组大鼠海马内Beclin-1mRNA、LC3mRNA表达均升高(P<0.01/P<0.05),p62表达下降(P<0.05);雷帕霉素组Beclin-1mRNA、LC3mRNA表达均升高(P<0.01/P<0.05),p62mRNA表达下降(P<0.01);3-MA组p62mRNA表达升高(P<0.05)。
  3.IHC检测β-细辛醚对AD大鼠海马中Beclin-1、p62表达的影响
  与空白组对比,模型组大鼠海马内Beclin-1表达显著降低(P<0.001),p62表达升高(P<0.05)。
  与模型组对比,β-细辛醚组组大鼠海马内Beclin-1表达升高(P<0.05/P<0.05);p62表达下降(P<0.05/P<0.05)。
  结论:
  1.AD大鼠自噬功能较正常大鼠明显受到抑制。
  2.β-细辛醚能够激活AD大鼠自噬,促进LC3、Beclin-1表达、抑制p62的表达。
  第四部分实验
  目的:
  研究β-细辛醚对AD模型大鼠PINK1/Parkin通路介导的线粒体自噬的影响。
  方法:
  SPF级SD大鼠50只,雌雄各半,除空白组外,其余各组采用Aβ1-42寡聚体双侧海马区注射的方式制备AD大鼠模型,通过水迷宫试验筛选造模成功动物,随机分为3组,每组10只,即模型组、线粒体自噬抑制剂环孢素A(CyclosporinA,CsA)组、β-细辛醚组。空白组、模型组予生理盐水,灌胃给药30d。①WB检测AD大鼠海马中PINK1、Parkin、p-Parkin的表达;②RT-PCR检测AD大鼠海马中ParkinmRNA的表达;③IHC检测AD大鼠海马中PINK1、Parkin的表达。
  结果:
  1.WB检测β-细辛醚对AD大鼠海马内PINK1、Parkin、p-Parkin表达的影响
  与空白组对比,模型组大鼠海马内PINK1、Parkin、p-Parkin表达均下降(P<0.01/P<0.05/P<0.05)。
  与模型组对比,β-细辛醚组大鼠海马内PINK1、p-Parkin表达均显著升高(P<0.001/P<0.001)。
  2.RT-PCR检测β-细辛醚对AD大鼠海马内ParkinmRNA表达的影响
  与空白组对比,模型组大鼠海马内ParkinmRNA表达下降(P<0.01)。
  与模型组对比,β-细辛醚组大鼠海马内ParkinmRNA表达升高(P<0.01)。
  3.IHC检测β-细辛醚对AD大鼠海马内PINK1、Parkin表达的影响
  与空白组对比,模型组、CsA组大鼠海马内PINK1表达均下降(P<0.001/P<0.05)。Parkin表达均下降(P<0.001/P<0.01)。
  与模型组对比,β-细辛醚组大鼠海马内PINK1、Parkin表达均升高(P<0.05/P<0.05)。
  结论:
  1.AD模型大鼠的线粒体自噬功能较正常大鼠明显受到抑制。
  2.β-细辛醚激活AD大鼠PINK1/Parkin介导的线粒体自噬,可能为β-细辛醚对AD大鼠药效作用的机制之一。
  总结论:
  1.四种醒脑开窍药有效成分均能提高大鼠学习记忆能力,其中β-细辛醚的效果较为明显,其机制可能与改善脑部血液循环、改善Ach代谢有关。
  2.低中高剂量的β-细辛醚均能抑制AD大鼠海马内APP、PS1表达,保护AD大鼠神经突触功能,其中高剂量组(45mg/kg·d)效果更为明显,并具有抑制BACE1、提高SYN-1表达的作用。
  3.Aβ1-42脑内注射所致AD模型大鼠的自噬功能较正常大鼠明显受到抑制,β-细辛醚能促进AD大鼠自噬,提高LC3Ⅱ、Beclin-1表达、抑制p62的表达,提示β-细辛醚可能通过促进AD大鼠自噬功能起到药效作用。
  4.β-细辛醚促进AD大鼠PINK1/Parkin介导的线粒体自噬。
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