胶质细胞源性神经营养因子对局灶性脑缺血后海马齿状回脑电活动的影响

【摘要】  目的：观察胶质细胞源性神经营养因子（GDNF）对局灶性脑缺血大鼠在体海马齿状回脑电活动的影响。方法:制作右侧局灶性脑缺血模型，右侧脑室注射GDNF，通过神经电生理学方法，记录正常组、脑缺血模型组、生理盐水组和GDNF组大鼠局灶性脑缺血90 min后再灌注14 d海马齿状回的脑电活动，分析脑电频谱。结果:免疫组化检测显示，GDNF组各时间点BrdU阳性细胞较脑缺血模型组和生理盐水组增多。大鼠脑电图显示，GDNF组较脑缺血模型组和生理盐水组脑电活动恢复明显，组间比较有显著性差异（均P<0.05）。结论:GDNF可改善局灶性脑缺血后的脑损伤，促进激活内源性神经干细胞增殖、分化，改善脑缺血后的行为和脑功能。

【关键词】  局灶性脑缺血 海马齿状回 神经干细胞 胶质细胞源性神经营养因子 脑电活动 频谱分析

    近年研究证实，脑缺血损伤能促使特定生发脑区的内源性神经干细胞（neural stem cells，NSCs）增殖、迁移，zui终分化为终末神经细胞[12]。但是，哺乳动物中枢神经系统损伤后,内源性修复能力不足，不能启动功能性轴突的再生，是脑损伤的替代治疗中亟待解决的问题。对脑缺血后脑内微环境的研究提示，神经营养因子不仅可促进神经系统发育，还对脑损伤的修复起重要作用。zui近研究[34]发现，胶质细胞源性神经营养因子（glial celllined derived neurotrophic factor,GDNF）能够促进多种神经元的存活和分化，但GDNF对脑缺血后内源性NSCs增殖分化的作用机制尚不明确。本课题组在对脑缺血后内源性NSCs再生的研究中证实，GDNF能促进海马齿状回颗粒层和颗粒下层NSCs的增殖、分化，并通过Y型电迷宫验证其对脑损伤后的学习与记忆能力的恢复有重要作用[5]。本研究采用神经电生理学的方法，记录脑缺血后GDNF对在体海马齿状回的脑电活动，并进行频谱分析，旨在进一步验证脑缺血后GDNF促进内源性NSCs增殖分化和对脑缺血的修复作用。

    1材料和方法

    1.1实验动物、主要试剂及检测仪器

    选用成年雄性SD大鼠（由东南大学医学院实验动物中心提供），4月龄，体质量340 400 ｇ。GDNF由晶美公司提供。江湾Ⅰ型C立体定向仪由中国上海第二军医大学提供，MD2000 Super Lab生物信息采集分析系统由南京医科大学生理学教研室提供。

    1.2局灶性脑缺血模型制作及实验分组

    参照Longa等[6]线栓法制作大脑中动脉栓塞（MCAO）模型。缺血90 min后，回抽尼龙线10 mm，完成再灌注后缝合伤口。观察模型大鼠清醒后的行为学改变，按Zea Longa五级评分标准评定动物的神经系统体征:0级,行为无明显变化；1级,左前肢屈曲，左后肢伸展；2级,有左侧追尾现象；3级,行走困难，摇摆不定；4级,无自发性活动，有意识障碍。本实验将1、2、3级大鼠确定为成功模型鼠。将模型鼠随机分为正常组、脑缺血模型组、生理盐水组和GDNF组，均于脑缺血再灌注第2、7、14天检测脑电活动，各时间点大鼠6只。

    1.3  侧脑室注射GDNF

    在造模前3 d，4%戊*钠腹腔麻醉下，将大鼠固定于脑立体定位仪上，参照Paxinos和Watson图谱第2版，取右侧脑室坐标为：以Bregma点为零点，AP=-3.8 mm，ML=-1.6 mm，DV=3.6 mm。颅骨钻孔置入金属双套管于右侧脑室，牙科水泥封闭骨孔和外套管。造模后即拔出内套管，GDNF组以1 μl·min-1、12 μl·（次·d）-1匀速注入0.1 mol·L-1 PBS和1 μg·ml-1 GDNF溶液，在检测脑电活动的各时间点前每天连续给药。注毕,将内套管插入外套管以封闭开口，按再灌注时间点连续注射至处死前1天。生理盐水组以同样方法等量注入生理盐水。

    1.4  海马齿状回细胞增殖的检测[5]

    各组大鼠在相应时间点处死前24 h后，腹腔注射BrdU（50 mg·kg-1）,1次·h-1，共3次，末次注射12 h后处死。常规取材，选择海马齿状回部位，在恒冷式冰冻切片机上作连续冰冻冠状切片，片厚20 μm，每隔4张取1张贴片，进行免疫组化（SP法）检测。在加一抗前，切片作如下处理：50％甲酰胺/2×SSC、2 mol HCl、3%H2O2（37 ℃，15 min）、0.1%胰蛋白酶、正常羊血清封闭后，入小鼠抗大鼠BrdU抗体（1∶500，Sigma公司提供）4 ℃过夜,zui后DAB显色。常规脱水、透明和封片，光镜下观察。任取一张切片用正常羊血清代替一抗进行阴性对照实验。

    1.5  海马齿状回电极的埋植和脑电活动的记录及频

    谱分析    各组大鼠在造模前3 d，右侧海马齿状回的定位坐标为：AP=-3.8 mm，ML=-1.6 mm，DV=3.6 mm。埋植不锈钢针记录电极（直径0.3 mm,裸露0.3 mm,其他部位绝缘），实验结束后用美蓝法验证电极植入的部位（图1）。实验时将参考电极（与记录电极性质相同的不锈钢电极）埋置于头皮下，接地电极插入下肢皮下，记录电极用牙托粉加502胶水固定。

    海马齿状回的脑电活动采用MD2000生物信号采集系统记录。大鼠在造模24 h后进行1次脑电活动的记录，采集至少要持续0.5 h，并在第2、7、14天以同样方法分别记录脑电活动。记录后对海马齿状回脑电活动进行频谱分析。频谱分析指标与预值置为：频率范围0 100 Hz，频率分辨率0.195 Hz。

    1.6  统计学处理

    数据以x-±s表示，应用SPSS11.5统计软件，组间比较采用方差分析，同一时间点间的两两比较采用t检验，检验水准α=0.05。

    2结果

    2.1行为学变化及美蓝染色鉴定

    术后大鼠右眼虹膜颜色变浅，眼裂变小，瞳孔缩小，行走困难，摇摆不定，左侧偏瘫,以左前肢屈曲、左后肢伸展明显，提尾悬拉后出现向左旋转。取脑后，见右侧半球明显肿胀，以视交叉前缘向前5 mm、向后8 mm为肉眼所见脑梗死区的定位（图1）。美蓝染色显示右侧海马齿状回蓝染，范围在3 mm×3 mm，电极的植入部位准确。

    2.2免疫组化检测

    GDNF组各时间点BrdU阳性细胞数与模型组和生理盐水组相比有显著差异，在术后3 d，BrdU阳性细胞数明显增多，14 d达峰值。BrdU阳性细胞可见较大而深染、呈圆形胞核和淡染、呈椭圆形的胞核（图2）。

    图2  术后14 d GDNF组BrdU

    阳性细胞SP×100

    2.3脑电图及频谱分析

    正常组在麻醉状态下海马齿状回EEG主要以慢波θ、δ为主，处于抑制状态，各波的功率平均值见表1。脑缺血模型组和生理盐水组大鼠在麻醉状态下，海马齿状回的EEG表现为频率较高的α、β1、β2波所占百分比均升高，低频的δ波所占百分比均降低，主要以慢波θ为主，也处于抑制状态，各波的功率平均值明显减小；GDNF组大鼠在麻醉状态下，EEG显示与正常组相近，也是以θ、δ为主，各波功率平均值较缺血组均有所上升。脑缺血模型组与正常组相比，P<0.05，有显著性差异；GDNF组与脑缺血模型组和生理盐水组相比，均P<0.05，有显著性差异。 表1  14 d各组海马齿状回脑电波频谱分析的结果 1）与正常组相比，P<0.05；2）分别与脑缺血模型组及生理盐水组相比，均P<0.05

    3讨论

    有研究认为，脑缺血后内源性NSCs在脑内微环境中许多因素（如神经营养因子等）的作用下，可被诱导而增殖、迁移和分化，但存在内源性神经营养因子时空分布上的局限性和局部浓度较低，不能解决内源性NSCs替代因脑损伤导致的大量神经细胞丢失和功能恢复的问题[14,8]。本课题组以往的研究[5,7]证明外源性给予GDNF可以增强内源性NSCs增殖和分化。本实验结果显示，在麻醉状态下，海马齿状回处于抑制状态，均以慢波θ、δ为主，但各波的平均频率有显著差异。如表1所示，脑缺血组慢波θ、δ的平均频率依次为11.22、9.90，与正常组的θ、δ平均波频26.27、14.97相比明显降低。可见脑缺血后海马齿状回脑电活动明显衰减。而GDNF组与正常组和脑缺血模型组比较，在同样的状态下GDNF组各波的活跃性有较显著的提高，可见GDNF 对脑缺血具有保护作用，可减少缺血后的脑损伤，促进海马齿状回脑电活动增强，并逐渐恢复正常。在神经电生理学上，EEG的脑电波由高振幅、低频率转化为低振幅、高频率时，称为去同步化，表示神经核团的兴奋过程增强。反之，由低振幅、高频率转化为高振幅、低频率时，称为同步化，表示神经核团的抑制过程加深，能较好地反映在体神经核团功能活动状态。注入GDNF后海马齿状回脑电活动明显恢复，能很好地说明GDNF对脑缺血大鼠的行为、功能和形态改变的改善[5]与脑电活动变化基本一致。因此，本研究推测外源性给予GDNF能促进脑缺血后海马齿状回脑电活动增强，对脑缺血后的行为、神经功能和形态改变有所帮助，其机制可能与减少细胞凋亡和促进海马生发脑区内源性NSCs的增殖和分化有关[7]。通过对神经干细胞在体的适当诱导，应用GDNF或配合一定的药物，可能很好地改善缺血区的脑内微环境，提高对脑缺血的治疗效果。