本研究调查了七氟醚如何通过NMDAR/p-CREB/c-fos途径损害记忆保留并降低幼年大鼠海马神经元中p-CREB和c-fos的表达。结果表明,七氟醚会导致短期记忆缺陷并下调突触可塑性标志物,其效果在 3 天后可逆,与给药频率无关。
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本研究调查了七氟醚如何通过NMDAR/p-CREB/c-fos途径损害记忆保留并降低幼年大鼠海马神经元中p-CREB和c-fos的表达。结果表明,七氟醚会导致短期记忆缺陷并下调突触可塑性标志物,其效果在 3 天后可逆,与给药频率无关。
由于神经发育的动态性质、方法论限制和背景障碍,研究大脑发育过程中的认知障碍面临挑战。本研究调查了一种综合方法,通过幼年大鼠的 NMDAR/p-CREB/c-fos 信号通路,研究七氟醚基于记忆和海马神经元中 p-CREB 和 c-fos 表达引起的发育中大脑的认知障碍。将64只21日龄SD雄性大鼠(体重<80g)分为5组:正常(n=8)、60%O2 (n=16)、假训练(n=8)、单剂量七氟醚(n=16)和多剂量七氟醚(n=16)。将两组七氟醚组分为训练后1 d(sev1a和sev1b组)和30 d(sev30a和sev30b组)牺牲(n=8/亚组);所有其他大鼠在训练后1小时处死。Y迷宫测试用于评估学习和记忆保留。免疫组化法测定海马标本中p-CREB阳性和c-fos阳性神经元数量。与60%O2 组(记忆保留率分别为86.33%±17.52%)相比,sev1a组和sev1b组大鼠记忆力显著下降(sev1a:44.29%±11.26%;sev1b:62.42%±7.27%,均P<0.05),sev1b组和sev30b组差异无统计学意义(sev30a:84.41%±14.15%;sev30b:85.21%±11.61%;均P>0.05)。与60%O2 组(c-fos:92.83 ± 7.88;p-CREB:72.22 ± 8.89)相比,sev1a组(c-fos:23.13 ± 3.28;p-CREB:22.88 ± 5.18)和sev30组(c-fos:23.22 ± 3.13;p-CREB:25.58 ± 2.26)(均P<0.05),而sev30a和sev30b组差异均无统计学意义(均P>0.05)。七氟醚对幼年大鼠记忆维持能力有短期负向刺激作用,对给药频率没有影响。七氟醚降低幼年大鼠海马神经元中p-CREB和c-fos的表达。
由于神经发育的动态性、方法学限制和背景障碍,研究大脑发育过程中的认知障碍面临着重大挑战。大脑发育涉及快速、非线性的变化,使关键窗口期间损伤的识别变得复杂 1,2。在资源匮乏的环境中,护理人员识字率、语言多样性以及获得专业工具(例如 MRI)的机会有限等障碍阻碍了早期筛查1.大脑成熟的个体差异使得很难将病理偏差与典型发育区分开来 2,3。唐氏综合症等疾病表现出皮质发育的改变,但样本量小和组织学数据稀缺限制了机制洞察力4.神经发育障碍(例如自闭症谱系障碍、多动症)通常与焦虑或抑郁同时发生,混淆认知评估5.某些人群的严重沟通缺陷限制了标准化测试的使用6.这些功能导致了几个研究设计问题。事实上,大多数研究都使用横断面设计,未能对个体内部随时间的变化进行建模。过度依赖西方受过教育的人群(“奇怪”样本)7。唐氏综合症研究的死后大脑样本较少,年龄匹配对照不足4.生态瞬时评估工具难以解释影响日常认知表现的上下文变量5.
动物和人脑中最重要的功能包括学习和记忆,它们对人类发展和一般生活至关重要8。婴儿的大脑处于发育阶段,容易受到药物和麻醉等外部因素的影响 9,10。麻醉剂对婴儿记忆功能造成的损害是一个重要的临床研究课题,甚至会因无法进行麻醉而延迟儿科患者的最佳治疗11。麻醉相关的认知功能障碍(或术后认知功能障碍,POCD)可能会对婴儿产生长期影响12.吸入七氟醚会影响婴儿的记忆功能13,14,但传统麻醉学认为,婴儿脑损伤主要是由于麻醉期间脑缺氧引起的,尤其是在全身麻醉下10。因此,只要大脑没有短期或长期缺氧,就应该降低婴儿中枢神经系统损伤的风险11.尽管如此,对 POCD 的理解仍然不理想。需要手术的婴儿需要麻醉,更好地了解所涉及的途径可能有助于设计麻醉策略,以最大限度地降低 POCD 的风险。
一项涉及接受非心脏手术的老年患者的研究显示,近25%的患者在术后1周内出现POCD,3个月后比例下降至10%以下,而对照组的POCD率分别为3.4%和2.8%15。该研究还表明,大多数 POCD 病例是可逆的,只有少数患者经历长期或永久性 POCD15。在中枢神经系统中,谷氨酸是最常见的兴奋性氨基酸16。N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAR)对于诱导和维持长期增强(LTP)和长期抑郁(LTD)至关重要17。对小鼠的研究表明,兴奋性突触可塑性直接影响大脑功能发育18,其中 NMDAR 激活和钙流入尤为重要19,20。增强的NMDAR活性对诱导突触生长和可塑性具有重要意义19,20。因此,NMDAR拮抗剂(例如七氟醚)对NMDAR的较高程度阻断应导致较低的学习和记忆能力21。虽然七氟醚对成人大脑学习和记忆的影响尚未得出明确的结论22,23,但七氟醚通常用于儿科手术中的麻醉14。作为NMDAR的非竞争性拮抗剂,七氟醚可以显着影响大脑的学习和记忆功能11,13,14,23,24。然而,除了NMDAR之外,其他途径和蛋白质也参与学习和记忆,涉及磷酸化cAMP反应元件结合蛋白(p-CREB)和即刻早期基因c-fos的记忆调节机制正变得越来越清晰25,26,27,但仍需要更好地了解婴儿和儿童的最佳麻醉输送。
基于这些理论框架,本研究研究了一种综合方法,可用于研究七氟醚通过NMDAR/p-CREB/c-fos信号通路在海马神经元中记忆和p-CREB和c-fos表达引起的发育中大脑的认知障碍。这些结果可能有助于提高我们对全身麻醉后POCD和记忆障碍的理解。这项研究使用了 21 天龄的大鼠,因为它们刚刚断奶,体重和生理状态高度均匀,与人类青春期早期相对应。由于它们在这个关键发育时期的神经可塑性和脆弱性增强,它们可以有效地模拟手术或麻醉对未成熟大脑造成的认知障碍28,29。这使得它们特别适合研究与小儿手术相关的神经认知风险并探索潜在的干预策略。Y 迷宫是评估学习和记忆的常用方法30。免疫组织化学通常用于研究神经元和各种神经元蛋白。
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本研究的所有方案均经上海交通大学医学院附属新华医院伦理委员会审查批准(批准号XHEC-C-2016-023-2)。
1. 动物实验概述和分组
2. 七氟醚吸入
3. 实验试剂和仪器
4. Y迷宫和学习/记忆测试
5. 免疫组化
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使用本研究的数据作为说明性示例,我们展示了可以使用该方法框架生成的结果类型,包括具有代表性的免疫染色图像以及来自不同组的行为和分子数据。重点是介绍这种方法产生的典型或预期结果,而不是提供对其生物学意义的解释。
各组大鼠的学习记忆测试结果
将实验组与60% O2 组进行比较。单剂量七氟醚组(sev1a)和多剂量七氟醚组(sev1b)大鼠的记忆力,即试验后1 h处死的大鼠表现出显著下降(均 P < 0.05),而试验后3 d处死的大鼠无显著差异(均 P > 0.05)(表2)。
c-fos和p-CREB蛋白在大鼠海马体中的表达
正常组大鼠海马神经元c-fos水平低于其他组,假训练组大鼠海马神经元p-CREB水平低于其他组。与60%O2 组相比,sev1a和sev1b组(即训练后1 h处死)、假训练组和正常组(均 P
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本研究探讨了七氟醚如何通过NMDAR/p-CREB/c-fos信号通路影响记忆并调节幼年大鼠海马神经元中p-CREB和c-fos的表达。结果表明,七氟醚对幼年大鼠记忆维持能力有短期(训练后1 h,而不是3 d后)的负向刺激作用,不受给药频率(单次给药或7 d共7剂)的影响。七氟醚在训练后1 h显著降低幼年大鼠海马神经元中p-CREB和c-fos的表达。
本研究调查了七氟醚与学习和记忆保留之间的关系,作为研究学习和记忆的综合方法的概念证明。Ca2+可以通过NMDA受体(NMDARs)或电压依赖性钙通道进入细胞,随后通过多种信号通路触发各种即刻早期基因(IEG)的转录,例如c-fos和p-CREB13。这些基因随后被翻译成相应的蛋白质产物,作为转录因子进一步调控靶基因的转录,从而参与突触可塑性的过程。CREB是转录因子之一,其活性受磷酸化调节。它位于细胞核中,并在所有类型的脑细胞中表达。Ser-133残基(p-CREB)的磷酸化是启动各种下游基因转录...
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作者报告说,没有需要声明的竞争利益。
叶江和李国辉设计了这项研究。叶江和赖江收集分析资料,起草稿件。叶江、李国辉修改稿件。所有作者都审查并批准了稿件的最终版本以供提交。这项工作得到了上海浦江项目对李国辉的资助(资助编号:23PJD057)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 实验动物 | |||
| Sprague-Dawley (SD) 大鼠 | Charles River Laboratories(中国北京) | 不适用 | 21 日龄,雄性 |
| 标准鼠粮 | Keao Xieli Feed(中国北京) | 不适用 | 标准实验动物日粮 |
| 化学品和试剂 | |||
| 水合氯醛 | 国药化学试剂(中国上海) | 80113818 | 终末灌注麻醉剂 |
| 柠檬酸盐缓冲液 (10x) | ZSGB-BIO (中国北京) | ZLI-9064型 | 抗原修复溶液,pH 6.0 |
| 乙醇 (100%) | 国药化学试剂(中国上海) | 100092683 | 用于组织学的脱水剂 |
| 苏木精染色液 | Baso Diagnostics Inc.(中国珠海) | BA-4041型 | IHC 复染剂 |
| 过氧化氢 (H2O2) | 国药化学试剂(中国上海) | 10011218 | 用于阻断内源性过氧化物酶的 3% 溶液 |
| 中性香脂 | Solarbio(中国北京) | G8590型 | 载玻片的封片介质 |
| 氮 (N2) | 上海医用气体有限公司(中国上海) | 不适用 | 高纯度,用于气体混合物 |
| 氧气 (O2) | 上海医用气体有限公司(中国上海) | 不适用 | 医用级, 用于混合气体 |
| 石蜡 | 徕卡生物系统公司(德国努斯洛赫) | 39601006 | 组织包埋培养基 |
| 多聚甲醛 (PFA) | Sigma-Aldrich(美国密苏里州圣路易斯) | 158127 | 用于组织灌注和固定的固定剂 |
| 磷酸盐缓冲盐水 (PBS) | Gibco(美国马萨诸塞州沃尔瑟姆) | 70011044 | 10x 储备液,pH 7.4 |
| 七氟醚 | 艾伯维公司(美国伊利诺伊州北芝加哥) | 不适用 | 吸入麻醉剂 |
| 苏打石灰 | W. R. Grace and Co.(美国马里兰州哥伦比亚) | 22-01-0010 | 吸入室用CO2吸收剂 |
| 氢氧化钠 (NaOH) | 国药化学试剂(中国上海) | 10019818 | 用于PFA溶液的pH调节 |
| 蔗糖 | 山工生物科技(中国上海) | A502693 | 用于脑组织的冷冻保护 |
| 二甲苯 | 国药化学试剂(中国上海) | 10023418 | 组织学透明剂 |
| 抗体和试剂盒 | |||
| c-Fos抗体 | Abcam(英国剑桥) | 编号:AB190289 | 兔抗小鼠,一抗 |
| DAB 显色剂盒 | ZSGB-BIO (中国北京) | ZLI-9018 | 用于 HRP 显色的底物 |
| p-CREB (Ser133) 抗体 | 细胞信号传导技术(美国马萨诸塞州丹佛斯) | 9198 | 兔抗小鼠,一抗 |
| 聚合物 HRP 检测试剂盒 | ZSGB-BIO (中国北京) | 光伏-9000 | IHC二抗和检测系统 |
| 设备 | |||
| 麻醉机 | RWD Life Science(中国深圳) | R500 | 用于受控气体混合物输送 |
| 自动化组织处理器 | 徕卡生物系统公司(德国努斯洛赫) | ASP6025 | 用于自动脱水和清除 |
| 低温恒温器/切片机 | 徕卡生物系统公司(德国努斯洛赫) | CM1950 | 用于冷冻/包埋脑组织的切片 |
| 显微镜系统 | 奥林巴斯(日本东京) | BX53型 | 用于 IHC 载玻片的成像 |
| 灌注泵 | Longer Precision Pump Co.(中国保定) | BT100-2J | 用于经心灌注的蠕动泵 |
| 七氟醚蒸发器 | RWD Life Science(中国深圳) | R510PS | 用于精确控制七氟醚浓度 |
| Y-Maze 装置 | Med Associates Inc.(美国佛蒙特州圣奥尔本斯) | MED-VFC-S-Y | 带有电网和主动避让灯 |
| 软件 | |||
| GraphPad 棱镜 | GraphPad 软件(美国加利福尼亚州圣地亚哥) | 版本 9 | 统计分析和数据可视化 |
| 图像J | 美国国立卫生研究院(美国马里兰州贝塞斯达) | 版本 1.53 | 用于细胞计数的图像分析软件 |
| Microsoft Excel | Microsoft Corporation(美国华盛顿州雷德蒙德) | 办公室 365 | 用于数据编译的电子表格软件 |
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