胰岛素对缺氧大鼠认知损伤的保护作用研究

王 飞,索朗多布杰,吴承泽,李馨冉,索朗德吉,龚嘎蓝孜*

(1.西藏大学医学院,西藏 拉萨850000;2.西藏自治区残疾人康复服务中心,西藏 拉萨850000;3.拉萨市人民医院 心内科,西藏 拉萨850000)

长期暴露于高原环境中,无论世代居住在高原地区还是由平原地区进入高原地区的人群,均会由于高原低氧环境导致机体多器官损伤,其中大脑的损伤尤其凸显[1]。脑是机体器官中耗氧量最大的器官之一,在不同程度缺氧影响下,会导致大脑出现轻重不等损伤,严重时会危及生命[2]。认知功能损伤是大脑缺氧损伤后的主要表现之一[3]。研究报道,部分高原习服及适应不全人群存在轻度认知障碍,主要表现在视听觉、感知觉、学习记忆能力、注意力、语言能力、推理能力、抽象概括以及复杂计算等方面的损伤[4-6]。然而,目前还没有较满意的防治高原低氧导致的认知损伤的药物[7],因此,亟需寻找新的安全有效的防治药物。

有研究显示,增加脑内胰岛素浓度可改善动物以及人类的海马依赖性学习记忆功能[8-9]。胰岛素可能通过作用于中枢胰岛素受体来减少下丘脑-垂体-肾上腺轴释放皮质醇,从而改善认知功能障碍[10]。然而,目前还未有胰岛素应用于高原缺氧所致的认知损伤的保护作用研究。因此,本项目拟采用大鼠移居高原模型研究胰岛素对高海拔低氧环境认知损伤的防治作用和机制,为缺氧所致认知功能损伤相关疾病提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 实验仪器及材料

Morris水迷宫(BW-MWM101 上海软隆科技发展有限公司),正置显微镜(OLYMPUS 日本奥林巴斯公司),石蜡切片机(LEICA RM2235 德国莱卡公司),4℃冰箱(海尔电器公司),多聚甲醛(成都市科龙化工试剂厂),苦味酸。

1.2 实验方法

从成都(海拔500米)达硕实验动物有限公司购买20只8周龄Wistar大鼠,空运至拉萨(海拔3700米)。随机分为4组:吸氧组(O组,n=5)、高原缺氧组(H组,n=5)、生理盐水组(N组,n=5)和胰岛素组(I组,n=5)。到达高原后前3日,吸氧组按2 L/h 持续给氧3日,生理盐水组大鼠在达到高原后注射生理盐水3次/日,持续3日,胰岛素组大鼠在到达高原后注射生理盐水+胰岛素1.2U/日,3次/日,持续给药3日。到达高原第4日,对4组大鼠进行Morris水迷宫测试,并观察大鼠大脑HE染色结果。

1.3 统计学分析

吸氧组,高原缺氧组、生理盐水组和胰岛素组大鼠之间穿越平台次数、目标象限所占时间百分比、站立次数和总路程的比较用单因素方差分析,P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 大鼠体重和胰岛重量比较

吸氧组,高原缺氧组、生理盐水组和胰岛素组大鼠之间体重和胰岛重量无统计学差异(P>0.05),见表1。

表1 吸氧组、高原缺氧组、生理盐水组和胰岛素组大鼠之间体重和胰岛重量比较

2.2 Morris水迷宫观察4组大鼠认知功能

与吸氧组相比,高原缺氧组、生理盐水组和胰岛素组大鼠,穿越平台次数、目标象限所占时间百分比、站立次数和总路程均显著减少(P<0.05)。与高原缺氧组和生理盐水组相比,胰岛素组大鼠,穿越平台次数、目标象限所占时间百分比、站立次数和总路程均显著增加(P<0.05)。见图1和图2。

图1 4组大鼠穿越平台次数和目标象限所占时间百分比比较

图2 4组大鼠站立次数和总路程比较

2.3 4组大鼠大脑HE染色比较

与吸氧组相比,高原缺氧组大鼠和生理盐水组大鼠大脑组织提示有缺氧改变:脑组织有空泡样改变及坏死灶,坏死灶神经元可见胞体变形、胞核固缩、溶解或消失。给与胰岛素后,胰岛素组大鼠大脑缺氧改变明显减轻,见图3。

图3 4组大鼠大脑HE染色结果比较

3 讨论

人体大脑对缺氧尤为敏感,暴露于高原环境中,大脑会发生一系列代偿反应来适应缺氧环境,而当大脑失代偿或代偿过度后,脑功能就会出现损伤表现,如感觉、记忆、注意和思维等认知功能的损伤,严重时甚至会导致神经元损伤、且不可逆性死亡[3-6]。目前治疗高原低氧导致的认知损伤西药副作用大,而中药和藏药的作用还没有得到统一认识[7]。

胰岛素是由51种氨基酸组成的肽类激素,调控体内蛋白质、糖、脂肪三大营养物质的代谢,而其降糖作用对保持内环境的稳态起到尤为重要的作用[8-9]。研究发现,胰岛素可对受损的神经系统起到保护作用和促进再生作用[10]。刘涛等[11]研究显示当脑内胰岛素水平异常或其受体活性下降时会对学习、记忆与情绪造成影响。因此,本研究观察了移居高原大鼠在缺氧、吸氧、注射生理盐水和胰岛素后的Morris水迷宫测试,发现与吸氧组相比,高原缺氧组、生理盐水组和胰岛素组大鼠,穿越平台次数、目标象限所占时间百分比、站立次数和总路程均显著减少,说明高原低氧环境会损伤大鼠学习记忆能力。而给与胰岛素后,大鼠穿越平台次数、目标象限所占时间百分比、站立次数和总路程均比高原缺氧组和生理盐水组显著增加。大鼠大脑HE染色的比较结果跟Morris水迷宫实验结果一致,两组不同的实验结果均提示胰岛素可以减轻缺氧所致大脑认知损伤。这与Spinelli等[12]研究发现脑内胰岛素抵抗使得海马体的记忆、空间学习等认知功能下降一致,也与动物注射外源性胰岛素可改善实验小鼠记忆[13-14]一致。随着脑内胰岛素对“突触可塑性”作用的发现,胰岛素对中枢神经退行性疾病引起的认知功能损伤的防治作用渐渐受到广泛关注[12]。有研究发现,在阿尔兹海默(AD)患者中发现了脑内胰岛素及其受体表达较正常下降较为显著[15]。李栋等[16]研究发现AD患者大脑病理的改变,与脑内胰岛素信号通路障碍有关联,这种信号异常变化可能是导致神经退行性病变的重要机制。张益铭等[17]研究显示胰岛素对AD患者的认知功能有促进恢复的效果,并且神经元的能量代谢与认知功能可能有关。

综上所述,胰岛素对于维持机体正常认知能力具有重要作用,胰岛素可能对认知功能损伤会起到保护作用。增强脑内胰岛素水平将会对神经退行性疾病与认知功能障碍等疾病提供新的研究方向和治疗手段。