付立波 王學(xué)斌 劉鳳蓮 (長春師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,長春 130032)
腺苷對大鼠韁核神經(jīng)元自發(fā)放電活動及c-fos蛋白表達(dá)的影響①
付立波 王學(xué)斌②劉鳳蓮②(長春師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,長春 130032)
目的:觀察腺苷(Adenosine,Ado)對韁核(Habenulanucleus,Hb)神經(jīng)元單位放電的影響及外側(cè)韁核內(nèi)c-fos蛋白表達(dá)的變化,探討腺苷對影響睡眠的韁核神經(jīng)元活動及相關(guān)基因表達(dá)的影響及可能機(jī)制。方法:腦薄片灌注、腹腔內(nèi)注射、原位免疫細(xì)胞化學(xué)等。結(jié)果:腦薄片灌注腺苷,導(dǎo)致內(nèi)側(cè)韁核神經(jīng)元自發(fā)放電活動受到抑制,而外側(cè)韁核神經(jīng)元自發(fā)放電活動明顯增加;腹腔注射腺苷0.5小時后,與注射生理鹽水組相比較,外側(cè)韁核c-fos蛋白的表達(dá)量明顯增加。結(jié)論:腺苷對大鼠內(nèi)側(cè)韁核神經(jīng)元自發(fā)放電起抑制作用,對外側(cè)僵核神經(jīng)元自發(fā)放電則有興奮作用,并可促進(jìn)外側(cè)韁核c-fos蛋白表達(dá),這為腺苷在外側(cè)韁核內(nèi)可促進(jìn)睡眠提供了依據(jù)。
腺苷;韁核;c-fos蛋白表達(dá);神經(jīng)元自發(fā)放電;大鼠
韁核(Habenular complexes,Hb)存在于脊椎動物背側(cè)間腦,與松果體共同構(gòu)成上丘腦,可分為內(nèi)側(cè)韁核(Medial habenular complex,MHb)和外側(cè)韁核(Lateralhabenular complex,LHb)[1,2]。已有研究表明,韁核與睡眠-覺醒周期相關(guān)的上下位結(jié)構(gòu)均有著密切的神經(jīng)解剖學(xué)聯(lián)系,是邊緣前腦到腦干背側(cè)通路上的重要樞紐,其內(nèi)具有與睡眠-覺醒活動密切相關(guān)的谷氨酸、γ-氨基丁酸、乙酰膽堿等的受體存在,因此,韁核可能是參與睡眠-覺醒周期調(diào)節(jié)的重要核團(tuán)[3]。
腺苷(Adenosine,Ado)是腺苷一磷酸去磷酸后的產(chǎn)物。作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的一種神經(jīng)調(diào)質(zhì),它可降低CNS神經(jīng)元的興奮性,在中樞許多部位具有抑制作用[4,5]。近年來的研究結(jié)果表明,Ado在CNS中直接或間接參與睡眠、機(jī)體防御、鎮(zhèn)靜及鎮(zhèn)痛等作用。腺苷是重要的睡眠調(diào)節(jié)因子之一,其機(jī)制為通過其受體發(fā)揮作用,與A1受體結(jié)合產(chǎn)生抑制效應(yīng),而與A2受體結(jié)合產(chǎn)生興奮效應(yīng)[6]。
腺苷對中樞神經(jīng)元的作用主要由A1和A2兩型受體介導(dǎo),A1受體抑制細(xì)胞內(nèi)cAMP產(chǎn)生,A2受體則對cAMP產(chǎn)生起刺激作用。腺苷對A1受體的親和力比A2受體高100~1 000倍,因此在多數(shù)情況下腺苷對細(xì)胞的作用主要表現(xiàn)為激活A(yù)1受體后產(chǎn)生的細(xì)胞生物效應(yīng)。外源性Ado對中樞的抑制效應(yīng)是作用于神經(jīng)元細(xì)胞膜上的A1受體的結(jié)果。其主要引起突出后膜K+通道激活,K+通透性增加,細(xì)胞膜超級化所致。茶堿(Theophylline,TP)是腺苷的非特異性受體阻斷劑,可松弛平滑肌、抑制磷酸二酯酶的活性,增強(qiáng)cAMP的作用,而且還是一種有效的中樞神經(jīng)興奮劑[7,8]。眾所周知,非選擇性腺苷受體拮抗劑咖啡因及茶堿可以促進(jìn)覺醒[8]。
c-fos原癌基因是一類即刻早期基因(Immediate early genes,IEGs),屬核內(nèi)蛋白類細(xì)胞癌基因,其特點(diǎn)是細(xì)胞外各種刺激均能誘導(dǎo)包括神經(jīng)元及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在內(nèi)的c-fos原癌基因快速、短暫地表達(dá),并表達(dá)在相應(yīng)的腦功能區(qū)[9]。它參與細(xì)胞分裂、生長分化[10]、信息識別與傳遞、學(xué)習(xí)和記憶等生理活動,也與行為及多種疾病的發(fā)生與發(fā)展密切相關(guān),并且同動物的清醒水平也有一定的關(guān)系[11]。
心外膜應(yīng)用腺苷后,大鼠脊髓T3節(jié)段背角、旁巨細(xì)胞外側(cè)核以及丘腦的腹后外側(cè)核、后核、中央外側(cè)核和束旁核等部位Fos蛋白樣免疫陽性反應(yīng)神經(jīng)元顯著增加[11]。說明腺苷對中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)c-fos基因的表達(dá)有影響。Basheer等研究表明前腦底部輸注腺苷可以使大鼠睡眠增加[12]。這說明腺苷與動物的睡眠-覺醒活動有關(guān)。國內(nèi)外此類的研究不少,但是,關(guān)于腹腔內(nèi)注射腺苷對外側(cè)韁核內(nèi)c-fos基因表達(dá)的影響尚未見報道。因此,本實(shí)驗(yàn)以外側(cè)韁核為研究中心,采用離體韁核腦薄片灌流方法及腦薄片電活動胞外記錄法,研究Ado對大鼠Hb神經(jīng)元自發(fā)放電活動的影響,并采用特異性抗體原位免疫細(xì)胞化學(xué)方法檢測c-fos蛋白,探索外側(cè)韁核注射腺苷和其非特異性受體阻斷劑茶堿的c-fos表達(dá)規(guī)律。
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
1.1.1 動物 實(shí)驗(yàn)動物為Wistar成年大鼠20只,體重200~230克,雌雄不限,由吉林大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部實(shí)驗(yàn)動物中心提供,用于c-fos實(shí)驗(yàn)。飼養(yǎng)期間光照12小時,黑暗12小時,水食任取。
1.1.2 藥品與試劑 腺苷配制成3.0 g/L,8-苯茶堿配制成6.0 g/L,二者均為Sigma公司產(chǎn)品;兔抗人c-fos多克隆抗體由福州邁新生物技術(shù)開發(fā)有限公司提供;多聚甲醛由上?;瘜W(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。
1.1.3 實(shí)驗(yàn)器材 冷凍切片機(jī)(山西醫(yī)療儀器器械廠);NVSLM1振動切片機(jī)(World precision instruments);倒置顯微鏡(O lympus IX71)。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 腺苷對韁核神經(jīng)元自發(fā)放電活動的影響
1.2.1.1 韁核腦薄片的制備 實(shí)驗(yàn)動物用乙醚淺麻醉,快速取腦,將整個腦組織立即置入0℃人工腦脊液中,停留片刻后取出,放在冰盒上修塊,選取含有韁核的大腦組織,馬上浸入被 5%二氧化碳和95%氧氣飽和的人工腦脊液中,持續(xù)通入混合氣體,進(jìn)行震動冠狀切片,約400~450μm,依據(jù)為 Paxinos和Watson圖譜定位韁核。
1.2.1.2 腦片孵育和灌流方法 將孵育腦片的器皿事先放在恒溫水浴箱中,充滿人工腦脊液,持續(xù)通入5%的二氧化碳和95%的氧氣的混合氣體,氣體流量不低于400m l/m in。放入腦片前,人工腦脊液要用氣體飽和至少30分鐘以上。切片結(jié)束后,將含有Hb的腦片收集到充滿用5%的二氧化碳和95%氧氣的混合氣體飽和好的人工腦脊液的孵育器皿中,孵育溫度控制在(33±2)℃,孵育時間2小時(不低于2小時,一般2~3小時為宜)。
1.2.1.3 神經(jīng)元細(xì)胞外自發(fā)放電活動的記錄 單管玻璃微電極內(nèi)充灌含2%滂胺天藍(lán)的3mol/L醋酸鈉溶液。用微電極推進(jìn)器將玻璃微電極分別插入內(nèi)外側(cè)Hb,經(jīng)微電極放大器引導(dǎo)Hb神經(jīng)元的自發(fā)放電。輸入Vc-10示波器觀察,同時用Pawertab八道生物信號記錄儀,進(jìn)行信號采集和頻率分析。與給藥前相比,放大頻率變化超過20%為有效。
1.2.2 腺苷對韁核神經(jīng)元c-fos蛋白表達(dá)的影響
1.2.2.1 實(shí)驗(yàn)動物分組及腦組織標(biāo)本采集 每天對Wistar大鼠進(jìn)行3次抓拿訓(xùn)練,進(jìn)行一周的訓(xùn)練,以減少大鼠對抓拿反應(yīng)的影響。隨機(jī)分3組,每組6只(n=6),即注入生理鹽水(對照)組、注入腺苷組和注入茶堿組,分別進(jìn)行腹腔注射。各注入1m l,注入時間為0.5小時,時間一到,立即腹腔注射戊巴比妥納將大鼠麻醉,隨即開胸,經(jīng)左心室灌注生理鹽水100ml以快速沖洗全身組織血液,繼以灌注含4%多聚甲醛的PBS 500ml進(jìn)行固定,60分鐘后斷頭取出腦組織,置于含4%多聚甲醛的PBS中后固定2天,取外側(cè)韁核的腦組織塊,用石蠟包埋,修塊,并用LKBⅢ型超薄切片機(jī)切成5~8μm切片。
1.2.2.2 大鼠腦切片的染色及固封 采用特異性抗體的原位免疫細(xì)胞化學(xué)方法,石蠟切片脫蠟和水化后用PBS(0.01mol/L,pH7.4)沖洗,每張切片加一滴過氧化酶阻斷劑(試劑A液),室溫下孵育15分鐘。然后在每張切片加50μl過氧化酶阻斷溶液(抗體),室溫下孵育10分鐘。PBS沖洗,每張切片加50 μl正常非免疫動物血清(試劑B),室溫下孵育30分鐘。除去血清,每張切片加50μl的兔抗人c-fos多克隆抗體,4℃過夜。過夜后用PBS沖洗,加50μl生物素標(biāo)記的第二抗體(試劑C),室溫下孵育10分鐘。PBS沖洗,每張切片加50μl鏈霉菌抗生物素-過氧化酶溶液(試劑D),室溫下孵育10分鐘。PBS沖洗,每張切片加100μl新配制的DAB溶液,觀察3~10分鐘。自來水沖洗,蘇木素復(fù)染,PBS沖洗返藍(lán)。最后將切片經(jīng)過梯度酒精脫水干燥,二甲苯透明,中性樹膠封固。
1.2.2.3 顯微鏡下計數(shù)c-fos免疫反應(yīng)陽性神經(jīng)元的計數(shù) 每只大鼠隨機(jī)取5張切片,在400倍鏡下計數(shù)核團(tuán)內(nèi)一個視野的Fos免疫反應(yīng)陽性神經(jīng)元(fos-like)的數(shù)量,取其平均數(shù)。在觀察切片時,每張切片計數(shù)3個高倍鏡視野。
2.1 離體腦薄片灌流腺苷記錄對LHb自發(fā)放電的影響 實(shí)驗(yàn)用大鼠15只,在LHb共記錄到20個神經(jīng)元的單位放電。其中自發(fā)放電增加的神經(jīng)元有12個(60%),放電頻率由(3.29±1.66)Hz增加到(7.57±3.97)Hz(P<0.05)(圖1);自發(fā)放電減少的神經(jīng)元6個(30%),放電頻率由(4.05±1.09)Hz下降到(3.69±1.72)Hz(P<0.05),2個變化不明顯(10%)。即LHb灌注Ado對自發(fā)神經(jīng)元放電活動具有明顯興奮作用(60%神經(jīng)元自發(fā)放電增加)。但腺苷A1非特異性受體拮抗劑茶堿(8-PT)能部分阻斷自發(fā)神經(jīng)元放電增加的這種效應(yīng)。
2.2 離體腦薄片灌流腺苷記錄對內(nèi)側(cè)韁核(MHb)自發(fā)放電的影響 實(shí)驗(yàn)用大鼠9只,在MHb共記錄到14個神經(jīng)元的單位放電。其中自發(fā)放電減少的神經(jīng)元有9個(64%),放電頻率由(4.91±0.63)Hz下降到(2.49±0.48)Hz(P<0.05);自發(fā)放電增加的神經(jīng)元4個(29%),放電頻率由(5.84±0.93)Hz下降到(3.02±0.61)Hz(P<0.05);2個變化不明顯(14%)。即MHb灌注Ado對自發(fā)神經(jīng)元放電活動具有明顯抑制作用(64%神經(jīng)元自發(fā)放電活動受到抑制)。但腺苷A1非特異性受體拮抗劑茶堿(8-PT)能部分阻斷自發(fā)神經(jīng)元放電減少的這種效應(yīng)。
圖1 離體腦薄片灌流腺苷及8-PT對LHb神經(jīng)元自發(fā)放電的影響Fig.1 Effect of brain slice perfusing Adoand 8-PT in vitro on the LHb neuronal spontaneous firing
圖2 腹腔內(nèi)注射腺苷、茶堿和生理鹽水0.5小時后外側(cè)韁核神經(jīng)元c-fos蛋白的表達(dá)Fig.2 The c-fos exp ression in posterolatera l habenu lar nucleus after 0.5 h later in jected i.p.Ado,theophylline and saline
2.3 腹腔內(nèi)注射腺苷對外側(cè)韁核神經(jīng)元c-fos蛋白表達(dá)的影響 大鼠腹腔內(nèi)分別注射腺苷,茶堿和生理鹽水0.5小時后外側(cè)韁核神經(jīng)元c-fos蛋白的表達(dá)見圖2。
由圖2可知,腹腔內(nèi)注射腺苷后,外側(cè)韁核神經(jīng)元c-fos蛋白的表達(dá)為3.7%±2.1%,對照組(注射生理鹽水)為0.7%±0.6%,二者相比具有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.01),即LHb c-fos蛋白的表達(dá)明顯高于對照組。
腹腔內(nèi)注射茶堿后,外側(cè)韁核內(nèi)神經(jīng)元c-fos蛋白的表達(dá)為1.2%±0.7%;與對照組(腹腔注射生理鹽水)比較,無顯著的統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)。
韁核是多種生理功能的匯聚點(diǎn),其神經(jīng)元的電活動具有明顯的晝夜節(jié)律性[12],而機(jī)體內(nèi)最具有明顯晝夜節(jié)律特征的是睡眠-覺醒功能。為進(jìn)一步證實(shí)腺苷在Hb內(nèi)對睡眠活動影響的生理機(jī)制,本實(shí)驗(yàn)采用離體腦片灌流腺苷及阻斷劑,在內(nèi)外側(cè)Hb分別記錄神經(jīng)元放電的方法,結(jié)果顯示,腺苷對LHb神經(jīng)元有興奮作用。Hb內(nèi)含有經(jīng)典神經(jīng)遞質(zhì)GABA。GABA是一種抑制性氨基酸,一直被認(rèn)為與睡眠有關(guān)。GABA的合成酶——谷氨酸脫羧酶的正反應(yīng)產(chǎn)物遍布整個Hb,但MHb明顯少于LHb,而且LHb的腹外側(cè)最為密集[13]。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示,腺苷導(dǎo)致LHb神經(jīng)元興奮,促進(jìn)睡眠。推測其機(jī)制,有可能是激活了起源于腳內(nèi)核LHb中的GABA能神經(jīng)元,進(jìn)而使GABA釋放增多,腺苷可能會抑制韁核內(nèi)GABA抑制性神經(jīng)元活動(當(dāng)然這尚需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)),造成韁核的興奮,是腺苷在外側(cè)韁核引起睡眠的原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,腺苷可增加LHb神經(jīng)元的放電,對LHb神經(jīng)元有興奮作用,這與在韁核微量注射腺苷中得到的腺苷促進(jìn)睡眠的作用,可能是腺苷興奮外側(cè)韁核的結(jié)果相吻合,同時也說明腺苷在中樞的促進(jìn)睡眠作用可通過興奮韁核來實(shí)現(xiàn)。這也從另一角度說明,腺苷作用于不同腦區(qū)對睡眠產(chǎn)生的作用可能不同,因?yàn)椴煌课粚λ叩挠绊懞退植嫉氖荏w不同。
另外,在MHb內(nèi)灌流腺苷自發(fā)放電減少的神經(jīng)元9個(64%),放電頻率由(4.91±0.63)Hz下降到(2.49±0.48)Hz(P<0.05)。結(jié)果表明離體腦片灌流腺苷,MHb神經(jīng)元自發(fā)放電明顯受到抑制,結(jié)果提示外源性的腺苷對MHb具有抑制效應(yīng)。側(cè)腦室注射或離體腦片灌流腺苷A1特異性受體拮抗劑(DPCPX)和非特異性受體拮抗劑茶堿(8-PT),均能阻斷腺苷的抑制作用??赡苁亲饔糜谏窠?jīng)元細(xì)胞膜上A1R的結(jié)果,引起膜鉀離子通道激活,從而使膜超極化所致。這些結(jié)果與國內(nèi)外用其他手段和方法研究的結(jié)果基本一致[14,15]。
韁核神經(jīng)元活動具有明顯的晝夜節(jié)律性,即在白天表現(xiàn)高頻自發(fā)放電而在夜間自發(fā)放電減少,因此可以認(rèn)為,韁核可能是哺乳動物晝夜節(jié)律組構(gòu)中的重要部分。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知腦薄片灌注腺苷可興奮LHb神經(jīng)元,這與電刺激LHb可以引起DRN細(xì)胞放電減少相一致[16]。另外,LHb可以通過直接(NMDA介導(dǎo))和間接(GABA介導(dǎo))途徑影響DRN5-HT的釋放[17]。章功良等研究發(fā)現(xiàn)抑制或損毀DRN5-羥色胺能神經(jīng)元則有促進(jìn)睡眠的作用[18-20],這與本實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果腺苷在LHb內(nèi)具有興奮其神經(jīng)元自發(fā)放電活動的作用相一致。
體內(nèi)的褪黑素具有促進(jìn)睡眠、改善睡眠狀況等作用,在正常光照下皮下注射給予小鼠褪黑素,使視交叉上核內(nèi)c-fos蛋白及c-fosmRNA的表達(dá)水平均提高[21];前列腺素D2(PGD2)是內(nèi)源性促睡眠物質(zhì)之一,具有睡眠調(diào)節(jié)作用,微透析研究發(fā)現(xiàn)PGD2能升高睡眠促進(jìn)區(qū)(基底前腦吻腹側(cè)表面)細(xì)胞外腺苷的水平[22],而腺苷及其A2AR可介導(dǎo)PGD2的睡眠誘導(dǎo)作用[23]。陳爽等[24]在灌流頸動脈竇區(qū)腺苷時,在孤束核、延髓腹外側(cè)區(qū)等觀察c-fos蛋白表達(dá),cfos蛋白樣免疫陽性反應(yīng)表達(dá)增高。這些研究表明睡眠因子對睡眠區(qū)的神經(jīng)元有活化作用,增加了cfos蛋白的表達(dá)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示大鼠腹腔內(nèi)注入腺苷后,外側(cè)韁核內(nèi)c-fos蛋白表達(dá)為3.7%±2.1%,而對照組(注生理鹽水)為0.5%±0.5%,二者相比差異顯著(P<0.01);即腹腔內(nèi)注腺苷后,外側(cè)韁核內(nèi)c-fos蛋白表達(dá)高于對照組。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與以上研究相一致,即大鼠腹腔內(nèi)注射腺苷可以使外側(cè)韁核內(nèi)c-fos蛋白的表達(dá)增加,為腺苷在外側(cè)韁核促進(jìn)睡眠提供依據(jù)。研究表明橋腦網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Pontinereticular formation,PRF)內(nèi)注射腺苷A1受體激動劑能夠抑制覺醒的發(fā)生,增加快動眼睡眠[25],而給予腺苷A1受體拮抗劑能減少睡眠[26]。在剝奪貓的睡眠后,其腦內(nèi)腺苷含量會越來越高,一旦貓進(jìn)入睡眠狀態(tài)腺苷濃度會很快下降,下降到一定程度后貓就會從睡眠中醒來,說明腺苷能抑制神經(jīng)系統(tǒng)興奮性,促進(jìn)睡眠,即腺苷及其類似物可以產(chǎn)生鎮(zhèn)靜作用及誘發(fā)睡眠。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示腹腔注射腺苷外側(cè)韁核c-fos蛋白表達(dá)增加,為腺苷在外側(cè)韁核內(nèi)促進(jìn)睡眠提供了依據(jù)。
由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果大鼠腹腔注射茶堿后,外側(cè)韁核內(nèi)神經(jīng)元c-fos蛋白的表達(dá)為1.2%±0.7%,對照組為0.7%±0.6%,二者相比無顯著的統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05),故我們目前不能對茶堿與大鼠睡眠-覺醒機(jī)制的關(guān)系得出結(jié)論,有關(guān)這方面有待進(jìn)一步研究。
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[收稿2009-08-21 修回2009-11-13]
(編輯 張曉舟)
The effects of adenosine on the discharging electricities and the c-fos expression of neurons in habenula nucleus of rats
FULi-Bo,WANGXue-Bin,LIUFeng-Lian.SchoolofLifeScience,ChangchunNormalCollege,Changchun130032,China
Objective:To investigate the effectofadenosine(Ado)on theunitdischarging electricities in habenulanucleus and on the c-fos expression in lateralhabenular com plex,and the influenceof adenosine on the neuron activities and related geneexp ression involved in affecting sleep in habenulanucleus and the possib lemechanisms.Methods:Intraperitoneal injection,brain flakes pouringof rats,immunohistochemistry and othermethodswere useel.Results:Ado pouring into flakes ofbrain depressed the unitdischarging electricities of neurons inmedial habenular complex(MHb),butobviously increased thatof lateral habenular comp lex(LHb).0.5 h after the six rats being injected intraperitoneallywith Ado,the c-fos protein expression in lateralhabenularnucleuswas significantly increased compared to the group with saline injection.Conclusion:Adomay restrain theunit discharging electricitiesof neurons inmedialhabenular complex butexcite those in lateralhabenular complex.At themeantime,Adomay increase the c-fos expression in LHb.This provides the experimental evidence that Adomay improve the sleep quality.
Adenosine;Habenu la nucleus;c-fos expression;Discharging electricities of neurons;Rats
R338.63
A
1000-484X(2010)02-0141-05
①本文為吉林省教育廳“十一五”科學(xué)技術(shù)研究項目(吉教科合字2008第171號)、長春市科技局資助課題[長科技合(2008255)號-08YJ38]
②臨沂師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,臨沂276005
付立波(1965年-),男,博士,副教授,主要從事比較生理學(xué)與神經(jīng)生理學(xué)方面的研究,E-mail:fulibo000000@126.com。