刘 珊, 贺小平, 赵 炎, 钟健民, 张烨华, 刘怡铭, 李佳璇, 董贤慧
(河北中医药大学 河北省心脑血管病中医药防治研究重点实验室,河北 石家庄 050091)
阿尔茨海默病(Alzheimer Disease, AD)作为一种进行性神经退行性疾病,其发病机制复杂[1],病理特征主要有β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein, Aβ)沉积形成的老年斑和tan 蛋白过度磷酸化形成的神经纤维缠结,二者均会导致神经元死亡。神经元核抗原(neuronal nuclear antigen, NeuN)是有丝分裂后神经元的特异性标志物。NeuN 表达的变化与神经元变性有关。研究显示AD 患者脑部存在铁超载现象[2],铁沉积的位置与老年斑呈共定位趋势。铁螯合剂会在减轻铁沉积的同时减少淀粉样斑块的形成改善AD[3]。铁调素(hepcidin;由HAMP基因编码)作为铁代谢的主要调控因子,当体内铁过度增多时,通过与膜铁转运蛋白(ferroportin, Fpn)结合使其内化降解,减少细胞内的铁排出,进而控制体内铁代谢平衡。研究显示,AD 脑部神经元出现铁死亡(ferropto‐sis),且铁死亡抑制剂可有效缓解Aβ 聚集引起的神经元死亡和记忆障碍,表明铁沉积和铁死亡与AD 关联密切[4]。因此,本研究在APPswe/PS1dE9小鼠的基础上将HAMP基因敲除以获得铁超载的APPswe/PS1dE9小鼠(APP/PS1HAMP−/−小鼠)模型。
铁死亡不同于其他细胞死亡方式,主要分为铁代谢、脂质过氧化和氨基酸代谢三个部分,其本质是铁沉积引起的脂质过氧化增多,氨基酸代谢通路抗氧化能力降低而导致细胞死亡[5]。在铁死亡过程中,氨基酸代谢通路胱氨酸-谷氨酸逆向转运体摄入胱氨酸合成谷胱甘肽(glutathione, GSH),然后与谷胱 甘 肽 过 氧 化 物 酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)作用而清除有毒的过氧化脂质。其中GSH 是重要的抗氧化因子[6],谷氨酰胺酶2(glutamatase 2,GLS2)和谷氨酸半胱氨酸连接酶催化亚基(gluta‐mate-cysteine ligase catalytic subunit, GCLC)[7]都参与GSH的合成,二者升高可以促进GSH合成,提高抗氧化能力。因此,GSH、GCLC 和GLS2 对铁死亡过程中抗氧化的作用至关重要。
中药是我国传统瑰宝,对于治疗AD 有显著效果[8]。中医理论中,AD 被称为痴呆,病机为本虚标实,涉及心、肝、肾等多个脏腑。淫羊藿苷-黄芪甲苷-葛根素(淫黄葛)合剂(icariin-astragaloside IV-puera‐rin mixture, Yin-Huang-Ge mixture, YHG)由淫羊藿、黄芪和葛根的有效单体组成,可以改善APP/PS1 小鼠学习记忆能力,减少APP/PS1 小鼠脑部老年斑沉积,减轻神经元损伤,对铁代谢相关蛋白HAMP、Fpn1 和二价金属转运蛋白(divalentmetal transporter 1, DMT1)也有影响。地拉罗司(deferasirox, DFX)作为铁螯合剂与铁死亡抑制剂,可以抑制tau 蛋白聚集,减轻神经功能障碍[9]。YHG 对AD 的有着多种治疗效果,但是具体作用机制尚未明确。因此,本实验采用APP/PS1HAMP−/−小鼠作为AD 脑铁超载动物模型,并以DFX 为阳性对照药,通过研究YHG 对APP/PS1HAMP−/−小鼠认知功能和神经元损伤的影响,以及铁死亡氨基酸代谢通路关键蛋白GSH、GCLC 和GLS2的表达变化,进一步探讨YHG通过调控铁死亡氨基酸代谢通路改善AD认知功能的作用机制。
1.1 实验动物 APPswe/PS1dE9 小鼠购自北京华阜康生物科技有限公司,许可证号:SCXK(京)2010-0008。所有实验经过河北中医药大学动物伦理委员会与河北中医药大学实验动物中心批准,许可证号:SYXK(冀)2017-0005。实验保持12 h 明暗周期,25 ℃室温,50%湿度,所有动物单笼喂养。
1.2 主要试剂与仪器 黄芪甲苷(MB1955-1)、淫羊藿苷(MB2189)、葛根素(MB6183)和DFX(MB1208-2)购自大连美仑生物技术有限公司,含量均≥97%;Prestained Protain Marker II (8-195 kDa; G2058)和Anti-beta Actin Rabbit pAb (GB11001)购自武汉塞维尔生物科技有限公司;辣根过氧化物酶标记的山羊抗兔IgG (H+L)购自江苏碧云天生物技术有限公司(A0208);GCLC Polyclonal antibody(12601-1-AP)购自Proteintech;GLS2 antibody (DF13386)购自Affini‐ty;组织铁试剂盒(A039-2-1)南京建成生物工程研究所。蛋白电泳和转膜仪(Bio-Rad);Varioskan LUX 型多功能微孔读数仪(Thermo);RM2255全自动轮转切片机、DM5000B 型荧光显微镜和EM UC7 超薄切片机(Leica);HT7700透射电镜(HITACHI)。
2.1 动物分组及干预 实验分为7 组:阴性对照组(C57 组;6 月龄C57BL/6J 小鼠)、APP/PS1 组(6 月龄APPswe/PS1dE9 小 鼠)、APP/PS1HAMP−/−组(6 月 龄APP/PS1HAMP−/−小鼠)、APP/PS1+YHG 组、APP/PS1HAMP−/−+YHG 组、APP/PS1+DFX 组 和APP/PS1HAMP−/−+DFX 组,每组6 只,均为雄性。YHG 和DFX灌胃给药,其余各组给予蒸馏水灌胃,每日一次,用药2 个月。YHG 根据徐淑云主编的《药理实验方法》以临床3 倍用量给药(淫羊藿苷、黄芪甲苷和葛根素剂量分别为120、80和80 mg/kg),DFX剂量为100 mg/kg。
2.2 APP/PS1HAMP−/−小鼠的构建及其基因型鉴定 (1)以C57BL/6J 小鼠为背景,采用CRISPER/Cas9 技术构建HAMP−/−小鼠,然后将获得的HAMP−/−小鼠与APPswe/PS1dE9 小鼠合笼繁育,最终获得APP/PS1HAMP−/−小鼠。(2)APP/PS1HAMP−/−小鼠出生1 周后剪鼠尾提取DNA 做基因型鉴定。根据查询到的小鼠HAMP、APP和PS1基因序列,设计基因型鉴定用的PCR 扩增引物(表1)。由于APP基因和PS1基因共用PrP启动子,这2个基因连锁表达,因此为了简化鉴定过程,我们只检验APP基因。HAMP基因PCR 体系:鼠尾基因DNA 1.5 µL,正向引物(10µmol/L) 1 µL,反向引物(10 µmol/L) 0.5 µL,He/Wt-R (10 µmol/L) 0.5 µL,dNTPs (2.5 mmol/L) 1.5 µL,10× PCR Buffer (Mg2+Plus) 3 µL,TaKaRaTaqHS (5 U/µL) 0.2 µL, ddH2O21.8 µL。反应条件:94 ℃预变性5 min;加入DNA 聚合酶1 µL;94 ℃ 30 s,65 ℃30 s,72 ℃ 60 s,循环35 次;72 ℃终延伸5 min。APP基因PCR 反应体系:鼠尾基因DNA 5 µL,引物0.5µL,10× PCR Buffer 2.5 µL, dNTP 5 µL, MgCl21.5µL, ddH2O 9.5 µL。反应条件:94 ℃预变性5 min;加入DNA 聚合酶1 µL;94 ℃ 60 s, 56 ℃ 60 s, 72 ℃60 s,35个循环。将PCR产物进行琼脂糖凝胶电泳。
表1 引物序列Table 1. Primer sequence
2.3 组织铁试剂盒检测小鼠脑铁含量 取各组小鼠脑组织称重,按照重量(g)∶体积(mL)=1∶9 的比例加入9 倍体积的生理盐水,冰水浴条件机械匀浆,以2 500 r/min离心10 min,取上清液。按照试剂盒加入铁显色剂混匀后,沸水浴5 min,流水冷却后以3 500 r/min 离心10 min,取上清液1 mL,0.5 cm 光径,波长520 nm,双蒸水调零,测各管吸光度。
2.4 透射电镜观察小鼠海马神经元线粒体形态 将每组小鼠海马组织切取1 mm×1 mm×1 mm 的小块;2.5%戊二醛固定4 h,0.1 mol/L PBS 冲洗3 次,每次15 min;1%锇酸固定2 h,PBS 再次冲洗3 次,每次15 min;在分级丙酮中常规脱水,室温用Epon 812包埋,烘箱固化,超薄切片,厚度50~60 nm;3%醋酸铀酰柠檬酸铅双染色20 min,水洗,烘箱干燥;最后用透射电镜观察并拍照。
2.5 Morris水迷宫实验 (1)定位导航实验:实验为期5 d,先进行适应性训练。训练开始时,将平台置于第3 象限,以每个象限的中点为起点,将小鼠面对墙壁放入水中,保证小鼠背对平台入水。小鼠每天训练4次,每次从不同的起点入水,记录小鼠在120 s内找到水下平台的时间,即逃离潜伏期。如果小鼠在测试时间内没有找到隐藏平台,则实验者引导小鼠将其置于平台上休息15 s,并记录为120 s 的逃逸潜伏期。(2)空间探索实验:第6 天取下平台,测试小鼠对平台空间位置的记忆能力。将小鼠放入水中,所有小鼠均在同一入水点入水,记录120 s 内小鼠穿过目标象限的次数和在目标象限的停留时间。
2.6 免疫荧光染色观察小鼠脑组织NeuN 表达情况 将切片架分别浸于Ⅰ级和Ⅱ级二甲苯中脱蜡各15 min;取出切片,依次浸入95%、85%、75%乙醇各1 min;PBS 冲洗3 次,每次5 min;置于煮沸抗原修复液中,低火修复10 min;PBS 冲洗3 次,每次5 min;使用滤纸片将每张切片擦干,免疫组化笔在组织周围画圈,防止滴加液体时外溢;滴加山羊血清于湿盒内室温15 min;取出切片,摆放在切片架上,PBS 冲洗3次,每次5 min;Ⅰ抗孵育4 ℃过夜;PBS 冲洗3 次,每次5 min;避光,滴加荧光Ⅱ抗(1∶200 稀释),室温孵育60 min;PBS 冲洗3 次,每次5 min;滴加DAPI 至完全覆盖组织以复染核;抗荧光淬灭剂封片,于荧光显微镜下观察染色效果,400倍镜下拍照。
2.7 生化试剂盒检测小鼠脑组织GSH 表达 取各组小鼠脑组织称重,每0.1 g 组织加入预冷的Extrac‐tion Buffer,快速冰上匀浆,匀浆后,4 ℃、8 000 r/min离心10 min,取上清液冰上待测。酶标仪预热30 min 以上,调节波长至412 nm。在96 孔板加入待测液体及其他试剂,充分混匀,室温避光孵育2 min,酶标仪检测吸光度。
2.8 Western blot 检测 小鼠脑组织GCLC 和GLS2 蛋白表达 取各组小鼠脑组织加入裂解液进行蛋白提取;然后采用BCA蛋白定量法测定蛋白浓度;将蛋白以60 µg 加入凝胶中,电泳2 h;然后将凝胶蛋白经25 V 恒压20 min转移到PVDF 膜上;TBST 清洗后,将牛奶放入Ⅰ抗中,在4 ℃冰箱中过夜;用TBST 冲洗3次,每次10 min;将Ⅰ抗与种匹配的山羊Ⅱ抗室温孵育2 h;用TBST 冲洗3 次,每次10 min;使用Fusion FX5光谱成像系统直接从PVDF 膜上获得印迹图像,通过ImageJ软件测量条带的吸光度。
实验数据均使用SPSS 26.0软件分析。以均数±标准差(mean±SD)表示计量资料。组间均数比较采用单因素方差分析,进一步两两比较采用LSD-t检验。以P<0.05为差异有统计学意义。
基因型鉴定结果显示,APP基因片段扩增长度为360 bp,图中500 bp 下方有条带显示,表明小鼠体内有APP基因表达,见图1A。HAMP基因片段长度为2 555 bp,敲除该基因后引物扩增片段长度为759 bp,图中在750 bp 附近有条带显示,表明HAMP基因敲除成功,见图1B。上述结果表明,本课题组成功构建APP/PS1HAMP−/−小鼠。
Figure 1. Identification of mouse genotype. A: identification of APP gene (PCR product at 360 bp); B: identifica‐tion of HAMP knockout (PCR product at 759 bp).NC: negative control; M: DNA marker.图1 小鼠基因型的鉴定
与C57 组相比,APP/PS1 组和APP/PS1HAMP−/−组小鼠脑铁含量显著升高(P<0.01);与APP/PS1 组相比,APP/PS1HAMP−/−组铁含量进一步升高(P<0.01);APP/PS1 组相比,APP/PS1+YHG 组和APP/PS1+DFX 组铁含量显著降低(P<0.01);与APP/PS1HAMP−/−组相比,APP/PS1HAMP−/−+YHG 组 和APP/PS1HAMP−/−+DFX 组铁含量显著降低(P<0.01);APP/PS1+YHG 组与APP/PS1+DFX 组相比、APP/PS1HAMP−/−+YHG 组 和APP/PS1HAMP−/−+DFX 组相比,铁含量无显著差异(P>0.05),见图2。
Figure 2. Iron content in brain of rats in each group. Mean±SD. n=3. **P<0.01 vs C57 group; ##P<0.01 vs APP/PS1 group; △△P<0.01 vs APP/PS1 HAMP−/− group.图2 各组小鼠脑铁含量结果
与C57 组相比,APP/PS1 组和APP/PS1HAMP−/−组小鼠海马神经元线粒体膜皱缩,密度增加,线粒体体积减小;与APP/PS1 组相比,APP/PS1HAMP−/−组线粒体嵴断裂,线粒体破裂;与APP/PS1 组相比,APP/PS1+YHG 组和APP/PS1+DFX 组线粒体形态明显改善;与APP/PS1HAMP−/−组相比,APP/PS1HAMP−/−+YHG 组和APP/PS1HAMP−/−+DFX 组线粒体形态亦明显改善;APP/PS1+YHG 组与APP/PS1+DFX 组相比、APP/PS1HAMP−/−+YHG 组 与APP/PS1HAMP−/−+DFX组相比,线粒体形态无明显差异(P>0.05),见图3。
Figure 3. The mitochondrial ultrastructure of mouse hippocam‐pal neurons in each group observed by transmission electron microscopy( scale bar=1 µm).图3 各组小鼠海马神经元线粒体形态
与C57 组相比,APP/PS1 组和APP/PS1HAMP−/−组小鼠的逃避潜伏期显著延长,目标象限停留时间缩短,穿越平台次数减少(P<0.01);与APP/PS1 组相比,APP/PS1HAMP−/−组逃避潜伏期进一步延长,目标象限停留时间进一步缩短,穿越平台次数进一步减少(P<0.01);与APP/PS1 组相比,APP/PS1+YHG 组和APP/PS1+DFX 组逃避潜伏期显著缩短,目标象限停留时间延长,穿越平台次数增多(P<0.01);与APP/PS1HAMP−/−组相比,APP/PS1HAMP−/−+YHG 组和APP/PS1HAMP−/−+DFX 组逃避潜伏期显著缩短,目标象限停留时间延长,穿越平台次数增多(P<0.05);APP/PS1+YHG 组与APP/PS1+DFX 组相比、APP/PS1HAMP−/−+YHG 组 与APP/PS1HAMP−/−+DFX组相比,逃避潜伏期、目标象限停留时间和穿越平台次数无显著差异(P>0.05),见图4。
与C57 组相比,APP/PS1 组和APP/PS1HAMP−/−组小鼠脑组织NeuN表达水平显著下降(P<0.01);与APP/PS1 组相比,APP/PS1HAMP−/−组NeuN 表达水平进一步降低(P<0.01);与APP/PS1组相比,APP/PS1+YHG 组和APP/PS1+DFX 组NeuN 表达水平显著升高(P<0.01);与APP/PS1 HAMP−/−组相比,APP/PS1HAMP−/−+YHG 组 和APP/PS1HAMP−/−+DFX 组NeuN表达水平显著升高(P<0.01);APP/PS1+YHG 组与APP/PS1+DFX 组相比、APP/PS1HAMP−/−+YHG 组与APP/PS1HAMP−/−+DFX 组相比,NeuN 表达水平无显著差异(P>0.05),见图5。
Figure 5. The expression of NeuN in mouse brain tissues of each group detected by immunofluorescence staining (scale bar=100µm). Mean±SD. n=3. **P<0.01 vs C57 group; ##P<0.01 vs APP/PS1 group; △△P<0.01 vs APP/PS1 HAMP−/− group.图5 各组小鼠脑组织NeuN表达水平检测结果
与C57 组相比,APP/PS1 组和APP/PS1HAMP−/−组小鼠脑组织GSH 含量显著下降(P<0.01);与APP/PS1 组相比,APP/PS1HAMP−/−组GSH 含量进一步降低(P<0.01);与APP/PS1 组相比,APP/PS1+YHG 组和APP/PS1+DFX 组GSH 含量显著升高(P<0.01);与APP/PS1HAMP−/−组相比,APP/PS1HAMP−/−+YHG 组和APP/PS1HAMP−/−+DFX 组GSH 含量显著升高(P<0.01);APP/PS1+YHG 组 与APP/PS1+DFX 组相比、APP/PS1HAMP−/−+YHG 组 与APP/PS1HAMP−/−+DFX组相比,GSH含量无显著差异(P>0.05),见图6。
Figure 6. The GSH content in mouse brain tissues of each group.Mean±SD. n=3. **P<0.01 vs C57 group; ##P<0.01 vs APP/PS1 group; △△P<0.01 vs APP/PS1 HAMP−/− group.图6 各组小鼠脑组织GSH含量
与C57 组相比,APP/PS1 组和APP/PS1HAMP−/−组小鼠脑组织GCLC和GLS2蛋白表达水平显著下降(P<0.01);与APP/PS1 组相比,APP/PS1HAMP−/−组GCLC 和GLS2 蛋白表达水平进一步降低(P<0.01);与APP/PS1 组相比,APP/PS1+YHG 组和APP/PS1+DFX 组GCLC 和GLS2 蛋白表达水平显著升高(P<0.05);与APP/PS1HAMP−/−组相比,APP/PS1HAMP−/−+YHG 组 和APP/PS1 HAMP−/−+DFX 组GCLC 和GLS2蛋白表达水平显著升高(P<0.01);APP/PS1+YHG 组与APP/PS1+DFX 组相比、APP/PS1HAMP−/−+YHG 组与APP/PS1HAMP−/−+DFX 组相比,GCLC 和GLS2 蛋白表达水平无显著差异(P>0.05),见图7。
AD 主要症状为认知功能障碍、进行性记忆力减退,并伴随着非认知性精神症状[10]。随着中国老龄化社会进程加快,AD 患病率及死亡率也在不断上升[11]。AD 发病机制错综复杂,其中铁沉积和铁死亡与AD 的发病关系密切。多种缓解铁沉积与铁死亡的药物均可以减轻AD 症状[12]。DFX 作为铁螯合剂,同时也是铁死亡抑制剂,被发现可以减轻脑铁沉积和过量铁产生的神经毒性,抑制tau 蛋白和Aβ 的沉积,减轻神经元损伤。但是DFX也有明显的副作用,比如过敏、肝肾功能障碍等[13]。目前治疗AD 的药物种类繁多,都不能彻底根治,只能缓解症状或是延缓发病,且很多治疗药物都有副作用[14]。
AD 在中医中被称为呆病,中医对于AD 有着丰富的治疗经验,中药多效用、多靶点的优势逐渐受到重视,有研究表示中药通过多种信号通路治疗AD[15-16]。YHG由淫羊藿苷、黄芪甲苷和葛根素组成,三者分别为淫羊藿、黄芪和葛根的有效组分。现代药理学研究表明淫羊藿苷、黄芪甲苷和葛根素均有抗炎抗氧化的作用。淫羊藿苷通过影响SIRT1 和抑制Aβ 级联发病机制而缓解AD[17]。黄芪甲苷可以提高谷胱甘肽过氧化物酶活性,降低自由基水平,进而起到神经保护作用。黄芪甲苷还可通过影响NogoA/NgR 和cAMP/PKA 通路改善APP/PS1 转基因小鼠认知功能[18]。葛根素可以穿过血脑屏障,提高多种抗氧化物质活性,降低炎症因子和凋亡基因表达,从而减轻AD 症状[19]。本课题组前期研究显示,YHG 可以缓解脑铁超载,有效改善AD 模型小鼠学习记忆能力,减轻大脑皮质神经原纤维缠结、老年斑和神经元水肿。与DFX 相比,YHG 采用淫羊藿、黄芪和葛根的有效单体成分,具有中药多效用多靶点的作用优势[20],同时也没有明显毒副作用。但是YHG 对治疗AD 的具体作用机制尚未完全明确。本实验构建APP/PS1HAMP−/−小鼠模型,进一步探讨YHG 对AD的作用机制。水迷宫结果显示,APP/PS1HAMP−/−小鼠较APP/PS1 小鼠认知功能障碍加重,空间记忆能力下降,而YHG 治疗后APP/PS1HAMP−/−小鼠的认知功能障碍减轻,空间记忆能力升高。二价铁离子具有高度的氧化活性,过量二价铁离子沉积会引起大量氧化反应而损伤神经元。本实验结果显示,APP/PS1HAMP−/−小鼠较APP/PS1 小鼠脑部铁沉积加重,免疫荧光结果显示APP/PS1HAMP−/−小鼠较APP/PS1小鼠脑部NeuN 表达减少,神经元损伤加重,YHG 治疗后APP/PS1HAMP−/−小鼠脑部铁沉积减轻,NeuN表达增多,神经元损伤减轻。这些结果表明,YHG可减轻脑铁沉积,改善认知功能,增强学习记忆能力。
铁死亡作为一种铁依赖性脂质活性氧堆积导致的细胞死亡方式,其细胞形态上的变化是线粒体变小,线粒体膜密度增高,线粒体嵴减少或消失,线粒体外膜破裂[21]。铁死亡与AD 的关系密切[22]。透射电镜结果显示,APP/PS1HAMP−/−小鼠较APP/PS1 小鼠神经元线粒体破损更加严重,YHG 治疗后APP/PS1HAMP−/−小鼠神经元线粒体破损减轻。细胞发生铁死亡过程中主要分为铁代谢、氨基酸代谢和脂质代谢三部分。其中氨基酸代谢抑制过氧化自由基过度氧化,起到关键的抗氧化作用[23]。在这个过程中,GPX4与GSH结合,将有毒的脂质氢过氧化物转变成无毒的脂醇[24]。谷胱甘肽由谷氨酸、胱氨酸和甘氨酸共同组成,GLS2 将谷氨酰胺转化成谷氨酸,进而生成GSH[25],GCLC 作为一个重要的酶,参与GSH 的合成[26]。GSH 生成增多,将促进与GPX4 的结合,增强抗氧化能力。生化法与Western blot 实验结果显示,APP/PS1HAMP−/−小鼠较APP/PS1 小鼠GSH、GCLC 和GLS2 的表达水平降低,抗氧化能力减弱;YHG 治疗后使APP/PS1HAMP−/−小鼠脑部GSH、GCLC 和GLS2 的表达水平升高,抗氧化能力加强。这些结果表明,增强铁死亡氨基酸代谢通路,可提高抗氧化能力,减轻神经元铁死亡。
综上所述,YHG 通过调控铁死亡氨基酸代谢通路,提高GSH、GCLC 和GLS2 的表达水平,进而增强抗氧化能力,减轻APP/PS1HAMP−/−小鼠脑部神经元损伤,抑制铁死亡,从而改善APP/PS1HAMP−/−小鼠的认知功能及学习记忆能力。