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[学位]

SOCs和SACs在弥漫性轴索损伤后轴浆钙离子浓度升高中的作用及机制

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Author:

李宇 (李宇.)

Abstract:

研究背景:
弥漫性轴索损伤(DAI)是脑外伤(TBI)中常见并且严重的一种病理损伤类型,DAI从1956年被Strich首次报导以来,其病理、病理生理学方面机制研究的进展颇丰。但另一个方面,在临床上对于DAI患者的治疗仍无突破性的进展。近十多年来,神经领域专家们对DAI后的轴突继发性损伤(ASI)尤为重视,研究表明DAI后ASI涉及轴浆的离子平衡紊乱、轴膜通透性改变、沃勒变性、能量代谢障碍、线粒体损伤、氧化应激损伤以及免疫炎症反应等多种损伤机制,这些继发性损伤机制相互作用相互影响,是最终导致DAI后轴突继发性变性、断裂的关键原因。但在上述诸多引发ASI的病理生理机制中,离子平衡紊乱尤其是钙离子浓度的升高在其中起到的决定性的作用。
尽管几十年来围绕DAI的研究取得了不少进展,但是详尽的DAI后导致轴突变性、断裂的病理生理机制仍不明确。在脑外伤发生过程中,头颅的剧烈加速或减速运动是产生机械应力的始动因素。随后机械应力作用于神经元轴突产生可升高轴浆内的游离钙离子浓度([Ca2+]axo),持续性升高的[Ca2+]axo是导致轴突继发性变性、断裂的重要中间环节,主要机制涉及钙依赖的蛋白水解酶(calpain)的激活和线粒体损伤机制。目前,对于机械损伤导致[Ca2+]axo升高的机制仍不明确。
研究已经明确证实了机械牵拉可导致轴突[Ca2+]axo迅速、剧烈的升高(初始升高),升高的[Ca2+]axo可活化calpain。进一步,Calpain水解电压依赖的钠离子通道(NaChs),进而导致NaChs功能障碍,引起持续性的Na+内流并导致轴膜持续性的去极化,最终导致电压门控的钙通道(VGCCs)开放,并逆转钠-钙交换体(NCX)的功能,使得Ca2+持续性内流,并导致[Ca2+]axo长时间处于高水平(持续升高)。但是,牵拉是如何导致[Ca2+]axo “初始升高” 的机制并不明确。牵拉激活的通道(SACs)是一种直接由机械牵拉开放的阳离子通道,是否DAI中应力作用轴突可直接开放SACs从而引起[Ca2+]axo的“初始升高”值得深入研究。另外,有研究报道机械牵拉轴突可释放内质网(ER)的钙离子,而ER的钙释放可激活库容性钙通道(SOCCs),引起库容性钙内流(SOCE)。那么ER钙释放及ER钙释放导致的SOCCs激活在DAI后的作用也在本研究中进行了深入研究和讨论。
本研究中,我们建立了全新的DAI体外模型,使用体外牵拉轴突致伤的方式模拟DAI后轴突的病理生理学变化。基于该模型,我们深入研究了SOCs和SACs在DAI后急性期(<30min)内[Ca2+]axo升高的作用,以及它们对ASI的影响。并且研究了SOCs相关蛋白STIM1、Orai1和TRPC1的蛋白表达,以及SACs相关蛋白TRPC1、TRPC6、TRPV1和TRPV2的蛋白表达情况。
研究目的:
1. 建立新的DAI体外模型,并对模型进行综合评定。
2. 明确DAI后早期[Ca2+]axo动态变化规律。
3. 明确DAI后轴突ER 钙释放是否存在。
4. 明确SACs和SOCs在结构上、功能上是否存在于轴突中。
5. 明确SACs和SOCs的拮抗剂对DAI后[Ca2+]axo升高及ASI的影响。
6. 综合研究VGCCs、NaChs及SACs在DAI后[Ca2+]axo升高中的相互关系。
研究方法:
1. 模型建立及评定:采用改良的神经元培养方法,将神经元胞体与轴突进行分区培养,并对轴突进行牵拉致伤。通过MAP2、Tau、β-tubulin免疫荧光对神经元培养进行鉴定。通过有限元分析及实际轴突牵拉程度测量的方法得出轴突的理论和实际牵拉程度。通过共聚焦显微镜观察明确损伤后轴突的病理学变化。通过Tau、β-tubulin免疫荧光对损伤后轴突的细胞骨架破坏情况进行研究。通过碘化吡啶(PI)染色对损伤后神经元死亡的进行研究。
2. 通过Fluo-4 AM及CTR共聚焦成像,分析损伤后轴突的[Ca2+]axo动态变化规律。通过无钙细胞外液、咖啡因的对[Ca2+]axo的影响明确ER钙释放的发生。   
3. 通过免疫荧光、Western blot检测STIM1、Orai1、TRPC1、TRPC6、TRPV1、TRPV2在神经元轴突上的表达,明确SOCs和SACs在轴突上的表达。
4. 通过CPA(ER Ca2+-ATP酶抑制剂,可抑制ER摄入Ca2+,从而排空ER)的使用,及SOCs拮抗剂(SKF-96365、Pyr-6、Gd3+)的使用明确SOCs功能上存在于轴突中。
5. 通过SOCs拮抗剂(SKF-96365、Pyr-6)和SACs拮抗剂(GsMTx-4、Gd3+)对损伤后[Ca2+]axo及轴突变性程度的影响,明确SOCs和SACs在DAI中的作用。
6. 通过NaChs拮抗剂(TTX)和VGCCs拮抗剂(nifedipine)的使用,明确NaChs和VGCCs在损伤后[Ca2+]axo升高中的作用。
7. 通过高钾细胞外液激活的[Ca2+]axo的升高斜率的比较,推测SACs特异性拮抗剂GsMTx-4对损伤后轴突极化状态的影响。
研究结果:
1. 改良的神经元培养方法获得的神经元纯度高于90%,轴突聚集区仅轴突存在其中,无树突或神经元胞体的存在。20%及50%牵拉下的有限元分析结果显示最大牵拉均发生在培养皿的中央区域。选择该区域进行实际牵拉程度测量显示:20%牵拉下的轴突实际拉伸程度为14%,50%牵拉下的轴突实际拉伸为42%。50%牵拉(n=42)导致轴突继发性变性发生的程度明显高于20%牵拉(n=28)和假损伤组(n=35)(P<0.01)。同时50%牵拉可引起轴突细胞骨架(β-tubulin,n=6、Tau,n=6)的连续性中断(P<0.01,与假损伤组比较,n=6)及伴随明显的神经元坏死(P<0.01,与假损伤组比较;50%牵拉组n=6;假损伤组n=6)。
2. 50%牵拉损伤后[Ca2+]axo升高。非“串珠样”结构区域的[Ca2+]axo在损伤后30s出现[Ca2+]axo峰值,之后的30min内逐步下降,但仍高于假损伤组(P<0.01)。“串珠样”结构区域的[Ca2+]axo在损伤后30s升高,并在之后的10min进一步升高并达到峰值。损伤后30min,轴突“串珠样”结构部位的[Ca2+]axo明显高于非“串珠样”结构部位(P<0.01)。
3. 无钙细胞外液条件下轴突牵拉损伤后30s~30min未引起[Ca2+]axo明显升高(P>0.05,与假损伤组比较,差异无统计学意义),无钙细胞外液条件下损伤后30min,未引起明显的轴突“串珠样”结构形成(P>0.05,与假损伤组比较,差异无统计学意义)。损伤后30s,咖啡因引起的[Ca2+]axo升高程度低于假损伤组(P<0.01,差异有统计学意义)。
4. STIM1、Orai1和TRPC1表达于轴突中。CPA引发的钙内流存在于轴突中,并可被SOCs拮抗剂抑制(P<0.01,各拮抗剂组与对照组比较,差异有统计学意义)。
5. 轴突损伤后,SOCs拮抗剂(SKF-96365、Pyr-6)降低了5、10、30min时“串珠样”结构部位的[Ca2+]axo升高(P<0.01,与损伤组比较,差异有统计学意义)。但未降低个时间点非“串珠样”结构部位的[Ca2+]axo升高(P>0.05,与损伤组比较,差异无统计学意义)。损伤后30min的STIM1-Orai1及STIM1-TRPC1蛋白的共定位系数及Pearson’s 相关系数均高于假损伤组(P<0.05,与假损伤比较,差异有统计学意义)。
6. 对于小鼠而言,TRPC6、TRPV2表达于神经元轴突,但TRPV1在轴突中无表达。SACs拮抗剂GsMTx-4和Gd3+均明显抑制了损伤后各时间点的[Ca2+]axo升高和轴突“串珠样”结构形成(P<0.01,与损伤组比较,差异有统计学意义)。
7. TTX和Nifedipine明显抑制了损伤后各时间点的[Ca2+]axo升高(P<0.01,与损伤组比较,差异有统计学意义)。
8. 损伤后30s,损伤组轴突在高钾外液下的[Ca2+]axo升高程度降低(P<0.05,与假损伤组比较,差异有统计学意义)。GsMTx-4治疗组在损伤后30s给予高钾外液,激活的[Ca2+]axo升高程度高于损伤组(P<0.01,与损伤组比较,差异有统计学意义),与假损伤组比较无差异(P>0.05,与假损伤组比较,差异无统计学意义)。
研究结论:
1. 通过机械牵拉轴突的方法制作的DAI体外模型可靠。与20%牵拉相比,50%牵拉造成的轴突的继发性变性、断裂效率更优,同时符合临床DAI的各项病理生理变化。
2. DAI造成的[Ca2+]axo升高并不均一,“串珠样”结构内[Ca2+]axo升高更为剧烈和持久。
3. DAI可引起轴突ER Ca2+ 释放。
4. SOCs在蛋白表达上及功能上均存在于小鼠神经元轴突部位。SOCs参与了DAI后轴突“串珠样”结构内[Ca2+]axo升高,但SOCs拮抗剂未能对ASI有保护作用。
5. SACs在蛋白表达上存在于小鼠神经元轴突部位。同时SACs拮抗剂GsMTx-4和Gd3+均可抑DAI后的[Ca2+]axo升高,并对ASI有保护作用。
6. NaChs和VGCCs也是牵拉损伤后[Ca2+]axo升高的必要环节。SACs的激活可能是轴突牵拉损伤后[Ca2+]axo升高的起始环节,通过牵拉开放SACs,从而升高膜电位导致轴膜去极化,最终激活NaChs和VGCCs,形成[Ca2+]axo持续性升高并介导ASI。

Keyword:

库容性钙通道 弥漫性轴索损伤 牵拉激活的通道 轴突牵拉模型

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学医学部

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Basic Info :

Degree: 临床医学博士

Mentor: 宋锦宁

Year: 2015

Language: Chinese

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