【论文拾粹】探讨术中低体温对大鼠海马区术后认知功能的影响及其可能机制

2022
05/07

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探讨术中低体温对大鼠海马区术后认知功能的影响及其可能机制

来源:PUMCH麻醉大讲堂 

 论文拾粹

协和麻醉大讲堂 

北京协和医院麻醉科许广艳、李天佳等人于2022年1月在Brain Sciences杂志发表论文“The Effects of Intraoperative Hypothermia on Postoperative Cognitive Function in the Rat Hippocampus and Its Possible Mechanisms”

探讨术中低体温对大鼠海马区术后认知功能的影响及其可能机制

影响因子“ 3.394 ”

36981651878630811

 许广艳(第一作者)

 李天佳(通讯作者),黄宇光(通讯作者)

背景及研究目的

术中低体温(Intraoperative Hypothermia,IPH)是手术过程中常见的并发症,并与多种不良事件有关。近年来,术后认知功能障碍(POCD)及其不良后果受到越来越多的关注。目前尚无相关研究探讨IPH与POCD的相关性。本研究旨在观察IPH对剖腹探查大鼠术后认知功能的影响,并探讨可能的机制。

研究方法

将SD大鼠随机分为低体温手术(hypothermic)组,正常体温手术(normothermic)组和naïve组。对hypothermic组和normothermic组行剖腹探查术,术中将hypothermic组大鼠的体温维持在33±0.5℃,normothermic组维持在37±0.5℃,naïve组大鼠正常喂养,不进行手术。用Y迷宫和Morris水迷宫评估大鼠空间工作记忆、空间学习和记忆能力。HE染色观察海马区神经元形态变化。WB分析检测海马区突触可塑性相关蛋白Arc、CREB、p-CREB(S133)、AMPAR1和p-AMPAR1(S831)的表达。

研究结果

IPH与大鼠POCD之间存在相关性,IPH导致大鼠术后空间工作记忆、空间学习和记忆损害(图1,图2)。此外,研究发现IPH增加大鼠术后海马区神经元损伤(图3),抑制大鼠海马区突触可塑性相关蛋白Arc、p-CREB(S133)和p-AMPAR1(S831)的表达(图4)。

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图1 Y迷宫自发交替测试评估IPH对大鼠术后空间工作记忆的影响

(A)大鼠在Y迷宫中运动轨迹图

(B-D)大鼠总进臂次数,行进的总距离和自发交替百分比

数据表示为mean±SEM。*p<0.05,n=9-10

23141651878630954 94501651878631002

图2 Morris水迷宫评估IPH对大鼠术后空间学习和记忆的影响

(A-B)大鼠在训练测试的最后一天和探索测试时的游泳轨迹图

(C-D)大鼠在水迷宫训练测试的平均游泳速度和逃避潜伏期

(E-F)探索测试时大鼠在目标象限花费的时间和穿越平台的次数

数据表示为mean±SEM。*p<0.05,**p<0.01,***p<0.01,n=9-10

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图3 显微镜下观察大鼠海马区神经元形态学变化

(A-C)大鼠海马DG区HE染色图像

(D)定量分析海马DG区损伤的神经元数量。白色箭头表示细胞核排列无序,神经元固缩和坏死。放大倍数:×40;比例尺:50μm。

数据以mean±SEM表示。*p<0.05,n=4

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图4 IPH对大鼠海马区突触可塑性相关蛋白表达的影响

(A)CREB、p-CREB(S133)、Arc、AMPAR1、p-AMPAR1(S831)和β-actin条带

(B-F)不同蛋白表达水平的定量分析;数据以mean±SEM表示。*p<0.001,n=3-4

【结论】IPH导致的大鼠POCD可能是由于大鼠海马区神经元损伤和突触可塑性相关蛋白Arc、p-CREB(S133)和p-AMPAR1(S831)表达降低所致。本研究初步探讨了IPH对大鼠POCD的影响机制;确切的机制需要进一步研究。

述 评

      IPH是手术中常见的一种并发症。既往研究表明IPH与众多不良事件密切相关。POCD是常见的术后并发症,严重影响患者术后康复,降低生活质量,增加病死率,增加个人和社会负担。然而POCD的确切的分子机制仍然未知。目前,关于IPH与POCD相关性的具体研究很少。该研究旨在探讨IPH对剖腹探查大鼠术后认知功能的影响,并探讨相关分子机制。

      该研究通过Y迷宫和Morris水迷宫测试发现IPH导致大鼠术后空间工作记忆、空间学习和记忆受损,而维持核心温度于正常范围可显著减轻IPH对大鼠术后空间工作记忆、空间学习和记忆的不利影响(图1,图2)。HE染色的结果证实了IPH可通过损伤海马神经元诱发POCD,并且维持正常体温可减轻大鼠POCD和海马神经元损伤。

      既往研究表明多种病理因素与POCD有关,CNS特别是海马的突触功能障碍可能与POCD有关。突触功能障碍与其所需蛋白质的异常表达有关。该研究通过WB分析测量了海马区突触可塑性相关蛋白Arc、CREB、p-CREB(S133)、AMPAR1和p-AMPAR1(S831)的表达,以进一步探索潜在的分子机制。

      研究发现海马区突触可塑性相关蛋白的表达与大鼠行为学和组织病理学结果相一致。IPH抑制海马区突触可塑性相关蛋白Arc、p-CREB(S133)和p-AMPAR1(S831)的表达,术中维持大鼠体温在正常范围可减轻上述蛋白的表达下降(图4)。多项研究表明Arc可通过调节突触可塑性在多种形式的学习和记忆中发挥着至关重要的作用,而CREB的动员依赖于其在S133位点的磷酸化,因该位点广泛参与多种形式的神经元活动,如突触可塑性、学习和记忆。Lv等人的研究发现Arc是ERK-CREB通路的关键下游分子。在CNS兴奋性突触中,AMPARs负责大多数的突触传递。先前的研究报告称Arc与突触后谷氨酸神经传递具有密切的双向关系,因其受到多种谷氨酸能受体机制的刺激并调节AMPARs的内化、运输和活动依赖性缩放。对AMPARs贩运的影响可能与Arc介导不同形式突触可塑性的能力有关,如LTP、LTD和突触缩放,故AMPARs是Arc的关键下游分子。

      综上,上述结果表明p-CREB(S133)水平的降低与IPH诱发的POCD相关,Arc水平降低可能是由于p-CREB(S133)表达降低引起,而AMPARs作为Arc的关键下游分子,p-AMPAR1(S831)水平的降低可能是由于Arc的表达下降所致,这表明IPH可通过降低大鼠海马中突触可塑性相关蛋白的表达水平损害其术后认知功能。此外,该研究仅初步探索了IPH对POCD的影响及其相关机制;其确切的分子机制仍需要进一步研究。

第一作者

许广艳 北京协和医院麻醉科临床博士后

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许广艳 北京协和医院麻醉科临床博士后,师从黄宇光教授

北京协和医学院麻醉专业博士研究生毕业

研究方向:麻醉与术后认知功能障碍

通讯作者

李天佳 北京协和医院麻醉科

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李天佳 北京协和医院麻醉科住院医师

2018年北京协和医学院博士研究生毕业,师从刘昌伟教授

2021年完成北京协和医院麻醉科博士后培训

研究方向:围术期体温保护与认知

通讯作者

黄宇光 北京协和医院麻醉科

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黄宇光

北京协和医院麻醉科主任

北京协和医学院麻醉学系主任

主任医师、教授、博士研究生导师

中华医学会麻醉学分会主任委员、国家麻醉专业质控中心主任、中国医师培训学院麻醉专业委员会主任委员、世界麻醉医师学会联盟(WFSA)常务理事

图文:许广艳 李天佳

编辑:北京协和医院麻醉科手术室

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关键词:
大鼠,研究,IPH,POCD,突触

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