大鼠去骨瓣减压术后水孔蛋白—4表达变化的实验研究

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  【摘要】 目的:研究去骨瓣减压术对大鼠创伤性脑损伤后脑水肿、水孔蛋白-4(AQP-4)表达的影响。方法:应用改良Feeney’s自由落体脑损伤打击装置制成大鼠创伤性脑损伤模型,分为假手术组(SO组)、对照组(C组)及去骨瓣减压组(DC组),各组在损伤后再分为6、12、24、72、120 h及168 h等6个时间点断头取脑损伤区组织。分别利用干湿重量法测量脑组织含水量和Western-Blot检测AQP-4蛋白的表达。结果:大鼠去骨瓣减压组脑组织含水量及AQP-4蛋白表达呈现先升高后降低的趋势,于伤后24 h达高峰后逐渐下降。与C组相比,上述指标含量均有所下降:脑组织含水量在24、120、168 h差异有统计学意义(P<0.05),72 h差异有高度统计学意义(P<0.01);AQP-4蛋白表达在12、120 h时间点有统计学意义(P<0.05),24、168 h时有高度统计学意义(P<0.01)。结论:创伤后大鼠脑组织脑水肿与AQP-4表达上调密切相关;去骨瓣减压术可减轻脑水肿,减缓AQP-4表达。该手术对创伤性脑损伤的保护机制可能与减缓AQP-4蛋白表达,从而减轻脑水肿和继发性脑损伤,保护脑组织有关。
  【关键词】 去骨瓣减压; 水孔蛋白-4; 创伤性颅脑损伤; 创伤性脑水肿
  随着社会经济的不断发展,交通与工伤事故所致的颅脑创伤有逐年增多的趋势,现已成为国内外1个致残致死的主要原因。近年来,国内外许多临床研究表明标准外伤去大骨瓣减压术能降低颅内高压患者的致残率及死亡率,但较高的致残率以及部分患者疗效欠佳也引起临床的重视。一系列关于去骨瓣减压术的基础实验研究近年来也在陆续开展,目的在于研究颅内高压去骨瓣减压术后脑循环脑代谢的变化。但国内外从分子水平上探讨去大骨瓣减压术的脑保护机制的研究却很少。近年来发现AQP-4是广泛分布于脑组织的一种与水通透相关的细胞膜转运蛋白,对脑组织水的转运和平衡调节发挥重要作用,与脑水肿有着密切关系。本研究就是通过建立创伤性脑损伤动物模型,探讨AQP-4在创伤性脑水肿的发生、发展中的作用;并结合去骨瓣减压术,探讨去大骨瓣减压术对创伤性脑损伤(TBI)保护作用的可能机制,从而为创伤性脑水肿的临床治疗寻求新的治疗靶点和途径。
  1 材料与方法
  1.1 实验动物及分组 SPF级成年雄性SD大鼠,体重250~350 g,由汕头大学医学院实验动物中心提供。随机分为假手术组(sham operation group,简称SO组,18只钻孔,不打击),对照组(control group,简称C组,36只,钻孔后只打击,不减压)和去骨瓣减压组(decompressive craniotomy group,简称DC组,36只,钻孔打击后行去大骨瓣减压术)。各组再分损伤后6 h、12 h、24 h、72 h、120 h和168 h等6个时间点,每个时间点6只大鼠(假手术组每个时间点3只)。
  1.2 主要试剂 兔抗鼠AQP-4单克隆抗体(Sigma公司);羊抗兔抗体(Sigma公司);PVDF膜(PALL公司)等。
  1.3 实验方法
  1.3.1 脑损伤模型的建立 采用改良Feeney’s自由落体脑损伤装置制成大鼠创伤性脑损伤模型[1]。实验大鼠经10%水合氯醛0.3 ml/100 mg腹腔注射麻醉后,俯卧位固定,头顶正中稍偏右纵行切开头皮约2.5 cm,剥离骨膜,暴露右顶骨,用微型颅钻在冠状缝后1.5 mm,中线旁2.0 mm处钻一直径5.0 mm骨窗,保持硬膜完整。将撞击圆锥置于硬膜上,用40 g砝码于25 cm高处沿空心导管坠落,通过撞击圆锥间接撞击硬膜,致右顶叶重型脑挫裂伤,打击后计时。C组大鼠止血后骨蜡封闭骨窗,缝合头皮;DC组钻孔打击后同时行去大骨瓣减压术,形成大小约0.8 cm×1.0 cm减压骨窗,放射状剪开硬膜,止血后缝合颞肌、头皮;SO组仅钻孔,不打击。各组在6个相应时间点快速断头取损伤处脑组织,每只大鼠损伤边缘处脑组织分为两部分,分别用来测定脑组织含水量,AQP-4蛋白表达。
  1.3.2 脑组织含水量测定 取损伤区左缘脑组织(200±20)mg,
  分析天平称湿重后置于100 ℃恒温干燥箱内干燥48 h至恒重,称干重后按Elliot公式计算脑组织含水量:脑含水量(%)=(湿重-干重)/湿重×100%。
  1.3.3 Western-Blot法检测脑组织AQP-4蛋白表达 取损伤区后缘脑组织(50±20)mg,加入裂解液剪碎组织并置于冰上匀浆机上匀浆,4℃下12 000 r/min离心5 min后,利用紫外分光光度计检测总蛋白浓度。取上清液加入SDS加样缓冲液,煮沸5 min离心后-20℃保存。取总蛋白为等量的各个样本在5%~12%的SDS-聚丙烯酰胺凝胶在100 V电压下电泳60 min,取下胶板与PVDF膜置于滤纸与海绵之间,在恒流150 mA下进行转膜1.5 h,5%脱脂奶粉溶液室温封闭1 h,加入一抗兔抗鼠AQP-4单克隆抗体(A5971:1:1000稀释),4 ℃孵育过夜,然后再与辣根过氧化物酶标记的山羊抗兔二抗(A0545:1:10000稀释)室温孵育2 h,ECL化学发光显影定影。选用β-actin作为内参照,图像用Quantity one软件进行处理分析,测定各组分别与内参照β-actin条带灰度值的比值,其比值的变化可以反应AQP-4蛋白的表达水平。
  1.4 统计学处理 采用SPSS 17.0统计学软件对数据进行处理,计量资料以(x±s)表示,比较采用单因素方差分析,以P<0.05为差异具有统计学意义。
  2 结果
  2.1 三组脑损伤大鼠脑组织含水量比较 打击后大鼠伤侧脑组织含水量于伤后6 h明显升高,伤后24 h达高峰,之后呈逐渐下降趋势。SO组脑组织含水量稳定在相对较低水平,C组相对较高,与SO组比较,6、12、24、72、120 h差异均有高度统计学意义(P<0.01);DC组脑组织含水量处于两者之间,与SO组比较,6、12、120 h差异有统计学意义(P<0.05),24、72 h差异有高度统计学意义(P<0.01),168 h 差异无统计学意义;DC组脑组织含水量与C组比较,24、120、168 h差异均有统计学意义(P<0.05),72 h差异有高度统计学意义(P<0.01),见表1。   2.2 三组脑损伤大鼠脑组织AQP-4蛋白含量比较 AQP-4条带灰度值与内参照β-actin条带灰度值之比代表AQP-4蛋白的表达水平。损伤后6 h脑组织的AQP-4蛋白表达开始上调,12 h依次增高,24 h达到高峰,之后逐渐下降。其变化规律与脑组织含水量变化规律基本一致。C组与SO组比较,差异在每个时间点均有高度统计学意义(P<0.01)。DC组与SO组比较,在6 h时差异有统计学意义(P<0.05),在12、24、72、120 h 时差异有高度统计学意义(P<0.01)。DC组与C组相比,在12、120、168 h时差异有统计学意义(P<0.05),在24 h时差异有高度统计学意义(P<0.01),见图1、2及表2。
  3 讨论
  TBI在世界范围内都是致死致残的重要原因,而创伤性脑水肿是TBI最严重的并发症之一。一般认为,TBI导致的创伤性脑水肿包括两种类型脑水肿:细胞毒性脑水肿和血管源性脑水肿。近来大多数研究认为细胞毒性脑水肿在创伤性脑水肿中占主导作用[2-4],而不是血管源性脑水肿。目前对创伤性脑水肿的治疗主要手段为脱水疗法及手术干预。去大骨瓣减压术在国内外临床应用已30余年,但是其疗效及机制仍未确切。目前国内外对去骨瓣减压术对脑损伤保护作用的基础研究正在逐步开展。Zweckberger等[5]人在动物TBI模型中证实:去骨瓣减压术能降低TBI引起的颅内高压,明显减轻了继发性脑损伤及显著改善神经功能。另有研究表明,去骨瓣减压术可增加减压区脑血流灌注,尤其是缺血半暗区的血流[6]。Forsting等[7]人在大鼠脑缺血模型中研究亦证实:去骨瓣减压术通过增加缺血区脑灌注压,从而减少死亡率,有效改善预后和减少梗死面积。也有学者认为,脑血流量增加意味着大量的血管内物质可通过已破坏的BBB渗透到脑组织内[8],渗透压梯度增加,血管内水分依渗透压梯度渗出到脑组织内,从而加重脑水肿。另外,去骨瓣减压可降低颅内(ICP),使脑组织与脑血管之间的液体静压梯度增加,促进脑水肿形成[9]。但是大多数学者认为,颅内高压去骨瓣减压术能有效降低ICP,脑挫伤缺血半暗区脑血流量增加可使濒临缺血组织免受进一步缺血和坏死,阻断或减轻细胞毒性脑水肿进一步发展和范围扩大。而且,去骨瓣减压术后有可能会使静脉引流变得更加通畅,从而促进水肿液回流,加快脑水肿消退。去骨瓣减压术增加了半暗区脑血流量,改善缺血区微循环,同时也使该区域的血管本身得到血供,使血管内皮细胞免受进一步的缺血性损害,减少细胞毒性脑水肿的生成;而且,如果足够早期行去骨瓣减压术,脑血流早期得到供应恢复,则很有可能避免长期颅高压损害下导致的继发性脑损伤,包括继发性脑水肿的形成。避免大量自体有害物质产生对实质细胞、血脑屏障的破坏,并且血流的回流的通畅可促进有害物质的排出,进一步减轻脑损害。
  本实验中利用大鼠改良自由落体脑损伤装置,成功制造创伤性脑损伤模型,模拟临床上的重型颅脑损伤。TBI导致的脑损伤的主要病理变化是缺血缺氧性改变。本实验结果显示:TBI的早期,C组和DC组脑组织含水量呈逐渐升高趋势,在24 h时达高峰后逐渐下降,在168 h内仍高于假手术组,而AQP-4蛋白的表达强度与脑组织含水量变化趋势基本一致,这一结果与Sun等[10]的研究结论基本一致,他们认为,AQP-4的表达上调是引起损伤区脑水肿的主要途径和原因。笔者在实验中还观察到,DC组与C组同一时间点比较,脑组织含水量、AQP-4蛋白表达均有明显下降。在脑组织含水量中,在24 h、120 h、168 h时间点时均有统计学意义(P<0.05),在72 h时有高度统计学意义(P<0.01);在脑内AQP-4蛋白表达方面,在12 h、120 h时有统计学意义(P<0.05),在24 h、168 h时有高度统计学意义(P<0.01)。因此笔者认为,在大鼠TBI中,损伤区通过脑组织AQP-4急剧增高,从而导致脑水肿的生成,进一步促使颅内高压形成。而去骨瓣减压术可通过减低去骨瓣区颅内压,减少AQP-4蛋白表达,从而进一步减少脑水肿的生成,保护脑组织。
  总之,去骨瓣减压术可减缓TBI后脑组织AQP-4蛋白表达,减轻脑水肿的程度,但具体机制未完全明了。目前推测去骨瓣减压术可能通过减压区脑血流灌注,使濒临死亡的细胞获得足够的能量,减少有害因子的释放,阻断炎症因子的级联反应,从而减轻了细胞毒性脑水肿;另外可能是通过减少炎症因子的生成,减缓了脑组织内AQP-4的表达的增加,降低了BBB通透性,从而减轻了血管源性脑水肿的进一步发展及范围扩大。但是AQP-4在创伤性脑水肿的具体作用机制在本实验中未探讨,有待进一步研究。
  参考文献
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  (收稿日期:2013-07-17) (本文编辑:蔡元元)
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