大鼠急性脊髓损伤后Bak基因的表达及其意义

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  [摘要] 目的 探讨Bak基因在大鼠急性脊髓损伤(ASCI)中的表达及其意义。 方法 选取64只SD大鼠随机分为模型及对照两组,每组32只,模型组以改良Allen's法制作SD大鼠急性脊髓损伤动物模型,对照组只行椎板切开不损伤脊髓。分别于伤后3 h、1、3、7 d时(每个时间点8只)应用改良Tarlov评分法评价其神经功能;然后处死动物,取受损节段脊髓行HE染色及免疫组化染色,观察形态学改变和Bak基因表达的特点;并应用TUNEL方法检测神经细胞凋亡情况。其量的评定借助于麦克奥迪数码医学图像分析系统A(Motic.med 6.0)软件,结果分别用累积光密度及细胞凋亡指数来表示。 结果 对照组大鼠下肢功能均无明显瘫痪,模型组大鼠下肢均出现不同程度功能障碍,对照组各时间点的Tarlov评分均高于实验组(P<0.05)。对照组各时间点脊髓组织未见明显出血、水肿和细胞凋亡坏死,模型组各时间点脊髓组织均有不同程度出血、水肿、细胞凋亡及坏死。对照组未见明显Bak基因表达,模型组各时间点Bak基因表达均明显高于对照组(P<0.05),模型组内Bak基因表达3 h点出现,1 d增加,3 d达高峰,7 d明显减少。模型组内细胞凋亡3 h点少量出现,1 d增加,3 d达高峰,7 d明显减少。 结论 脊髓损伤激活Bak基因表达,从而诱导神经细胞凋亡,可能为其病情进展的重要机制之一。
  [关键词] 脊髓损伤;Bak基因;细胞凋亡;Bcl-2家族
  [中图分类号] R737.9 [文献标识码] A [文章编号] 2095-0616(2013)12-26-04
  脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)包括原发性和继发性两种形态,以后者最为多见,多由急性外伤引发。随着现代机械产业和交通运输的发展,其发病率在世界范围内逐年升高,为目前全球性医学研究热点之一[1-2]。研究结果显示,脊髓损伤可累及感觉、运动、反射等多项生理功能;临床表现为组织水肿、缺血、细胞坏死等,其中,神经细胞凋亡为其继
  发性功能退变的主要机制。Bak基因为Bcl-2同源类似物,可介导Bcl-2的凋亡抑制效应,具有促凋亡样作用。临床癌症研究结果显示[3-4],Bal-xl/Bak表达异常,可介导癌细胞的增生或凋亡过程,影响患者的病情进展和预后转归。近年研究表明,Bcl-2家族在脊髓损伤的发病过程中,发挥了重用作用,其中Bcl-2低表达为脊髓神经细胞大量凋亡的重用触发因素之一。本研究以急性脊髓损伤大鼠模型的Bak表达情况与神经细胞凋亡的关系为切入点,探讨Bak基因在大鼠急性脊髓损伤(ASCI)中的表达及其意义,报道如下。
  1 资料与方法
  1.1 实验材料
  1.1.1 动物与分组 健康SPF级SD大鼠64只(由吉林大学白求恩医学院实验动物中心提供),雌雄各半;月龄3~3.5个月,平均(3.2±0.6)个月;体重205~240 g,平均(221.0±17.3)g。随机分为模型组和对照组各32只,适应性饲养3~5 d;饲养环境:温度21~25℃,湿度55%~65%。
  1.1.2 主要仪器 Allen's撞击器(采用不锈钢自行制备);全自动石蜡切片机(ERM4000,常州市郝思琳医用仪器有限公司);电热鼓风干燥箱(WD841-1,吴江万达电热设备有限公司);超低温冰箱(DW-86L205,广州傲雪制冷设备有限公司);荧光显微镜(CYG-055D,麦克奥迪)等。
  1.1.3 主要试剂 青霉素注射液(山东鲁抗医药股份有限公司);庆大霉素注射液(山东鲁抗医药股份有限公司);HE染色液试剂盒(上海亿欣生物有限公司);TUNEL试剂盒(南京凯基);Bax一抗(abcam);Bax二抗(abcam);其他试剂如二甲苯、蔗糖、无水乙醇等均为国产分析纯。
  1.2 实验方法
  1.2.1 大鼠脊髓损伤模型的制备方法 模型组以改良Allen's法制备脊髓损伤大鼠模型,对照组行椎板切开,不损伤脊髓。制备方法:(1)1%戊巴比妥钠(0.1 mL/kg)腹腔注射麻醉,俯卧位固定于解剖板;(2)以浮肋与13胸椎连接处为基准点,在5 cm2范围内脱毛,显露光滑皮肤组织;(3)酒精消毒,以消毒器械操作,在后正中线2~3 cm做纵行切口,依次切开皮肤、筋膜,可见白色腱膜;(4)借助剥离分针钝性剥离椎旁肌肉丛,可暴露棘突、椎板和横突;(5)定位并标记T10胸椎,在椎体上下中横向切口,再以两个纵向切口将其连接成方形结构,并以咬骨钳去除该骨板,显露方形骨窗;(6)以自制Allen's撞击器打击T10胸椎内侧,保持自由落体运动,控制高度约2.5~3.0 cm,每次击打保持在打击点停留2~3 min;(7)至脊髓组织出现血肿,硬脊膜呈紫红色停止击打,缝合伤口;(8)单笼饲养,青霉素联合庆大霉素抗感染,并人工辅助排尿,保持垫料清洁,并及时清理伤口分泌物。
  1.2.2 大鼠脊髓损伤模型的评价方法 本实验以组织学病理特征和神经功能评分作为模型评价标准。
  1.2.2.1 神经细胞形态学观察方法 (1)1%戊巴比妥钠腹腔注射麻醉,行4%多聚甲醛心脏灌流,灌流前以生理盐水冲净循环系统血液,至脏器白化后方可滴注多聚甲醛;(2)取T9~T11椎体之间所有脊髓组织,浸泡于4%多聚甲醛12~24 h,以常规蔗糖梯度脱水法脱水,石蜡包埋;(3)包埋后石蜡块可于-70℃超低温冰箱保存,使用时以恒冷箱切片机切成15μm切片,常规HE染色,观察组织形态。
  1.2.2.2 神经功能评定方法 按照改良Tarlov标准,见表1;采用双盲法,由2位观察人员打分,每只大鼠观察5次,每次5 min,记录总分,取平均值。
  1.2.3 Bak基因表达测定方法 采取常规免疫组化染色法测定石蜡切片Bak基因表达,一抗和二抗浓度分别为0.5%、1%,封片后荧光显微镜观察,并以麦克奥迪数码医学图像分析系统进行光密度测定。   1.2.4 神经细胞凋亡指数测定方法 按TUNEL试剂盒说明书操作:(1)石蜡切片常规脱蜡至水,先后经蛋白酶K、3% H2O2、甲醇处理,小牛血清封闭;(2)混匀TUNEL反应液,滴于玻片组织面,恒温箱孵育,37℃,1 h;(3)荧光显微镜检测,并以麦克奥迪数码医学图像分析系统进行细胞计数,在高倍光镜下,选取5个视野,计算神经细胞指数,取平均值。
  1.3 统计学处理
  所有数据均以统计学软件SPSS17.0进行分析;计量资料以()表示,行t检验;计数资料以率或构成比表示,行x2检验,P<0.05表示差异有统计学意义。
  2 结果
  2.1 模型制备结果
  本组大鼠共制备模型32只,2例死亡,其他大鼠均全部存活,模型制备结果如下。
  2.1.1 病理切片形态学变化 病理切片显微观察结果显示,模型组大鼠各时间点脊髓组织均有不同程度血肿和坏死;而对照组大鼠无明显变化。
  2.1.2 神经功能评分比较 对照组大鼠下肢功能基本处于正常状态,而模型组表现出不同程度功能障碍,其Tarlov评分显著低于对照组(P<0.01)。见表2。
  2.2 Bak基因表达结果
  对照组未见明显Bak基因表达,模型组Bak基因表达于术后3 h点出现,1 d增加,3 d达高峰,7 d明显减少;其各时间点Bak基因表达均明显高于对照组(P<0.05);见表3、图1。
  2.3 神经细胞凋亡指数
  对照组未见明显神经细胞凋亡,模型组神经细胞凋亡于术后3 h点出现,1 d增加,3 d达高峰,7 d明显减少;其各时间点神经细胞凋亡指数表达均明显高于对照组(P<0.01);见表4、图2。
  3 讨论
  SCI可分为原发性和继发性两大类,前者是指脊髓组织受直接机械外力作用而发生的实质性损伤;后者则是指脊髓组织受损后的继发性病理改变,以神经元受损和神经细胞凋亡为主要微观特征,表现出组织水肿、微循环障碍、缺血性坏死、及继发性炎症等一系列病理征象。本组实验以改良Allen's法制备脊髓损伤大鼠模型,重在研究其脊髓受创后的继发性病理变化以及在这一变化中Bak基因与神经细胞凋亡的相关性;根据本实验研究结果,分述如下。
  3.1 模型的制备
  本实验以Allen's打击法制备大鼠脊髓损伤模型,采取自制不锈钢Allen's撞击器。长度大于创面,并以刻度标记,方便根据轴点计算不同击打高度的击打力度。本组实验选取击打高度2~3 cm,击打重量约为120~180 g。其基本理论依据为以一定力量撞击脊髓,造成突发性机械力损伤;伴随击打次数增多,出现血肿、组织坏死等病理表现,最大限度的模仿或接近人类骨髓损伤的病理反应态[5]。目前,相关脊髓损伤模型的研究,多以胸段脊髓为对象;根据国内外研究现状,结合临床实践,本实验选取T10胸椎体,主要基于以下考虑:(1)与临床病例收入情况保持一致。胸段脊髓损伤为临床患者最常见部位,因此,本实验首要定位为胸椎。(2)从大鼠解剖结构而言,T10部位解剖、定位操作比较简单,相应简化了手术难度,可保证定位的准确性及手术成功率。
  模型评价结果显示,模型组大鼠各时间点脊髓组织均有不同程度血肿和坏死;而对照组大鼠无明显变化。对照组大鼠下肢功能基本处于正常状态,而模型组表现出不同程度功能障碍,其Tarlov评分显著低于对照组(P<0.01)。提示模型组大鼠可表现出脊髓损伤的典型特征,本实验模型制备基本成功。
  3.2 Bak基因表达与细胞凋亡的关系
  近年研究表明,SCI的最终损伤程度取决于细胞凋亡的最终状态;而细胞凋亡为脊髓损伤后的继发性进展,以局部神经生长因子缺乏、促凋亡因子激活等因素密切相关[6-7]。
  Bcl-2和Bax分别为细胞凋亡抑制因子和促凋亡因子,研究表明[8],Bcl-2在细胞凋亡调控中发挥重要作用,抑制多种因素或因子诱发的细胞凋亡,发挥凋亡抑制作用。Bcl-2主要存在于细胞线粒体,属于细胞凋亡的原癌基因之一,可在不影响细胞周期和分化的基础上抑制细胞凋亡、延长细胞寿命[9]。其作用机制尚未完全阐明,可能与以下因素有关[10]:(1)减少氧自由基产生和脂质过氧化物形成,起到抗氧化应激性损伤样作用;(2)抑制凋亡信号的细胞间传导,防止凋亡反应激活;(3)与其他促凋亡因子结合,抑制其活性。Bax的高表达对Bcl-2有抑制作用,从某种意义上讲,Bcl-2/Bax的活性状态最终决定了细胞的存活/凋亡状态。作为Bax诱导细胞凋亡的辅助分子,Bak在近年的研究中日益受到重视。
  目前研究已证实,促凋亡基因Bak可介导多种细胞的凋亡反应[11-12]。李红等[11]研究表明Bak干扰RNA可阻断人体颗粒细胞凋亡过程,从而起到延缓衰老的作用。陈广生等研究表明,Bak可参与人体大多数星形细胞瘤地凋亡过程,其作用力度在高分化的星形细胞瘤中显著高于低分化细胞。在癌症领域的研究中,亦有类似报道,包括乳腺癌、肝癌、肺癌等多种组织和多个系统[13-14]。在脊髓损伤的研究中,已证实Bcl-2系统的广泛性参与,而相关Bak的独立研究较为鲜见,其介导脊髓损伤的具体机制尚未完全明确[15]。本研究分析其可能与Bak对Bax的协调作用有关,而Bax是否可以发挥单独作用尚需深入研究。
  综上所述,脊髓损伤的过程,呈以细胞凋亡为主的进行性进展态。在损伤后各时段,细胞凋亡指数与Bak呈现出一致的变化规律,即先增加后减少的典型特征。提示急性脊髓损伤激活Bak基因表达,从而诱导神经细胞凋亡,可能为其病情进展的重要机制之一。
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  (收稿日期:2013-04-22)
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