绿茶多酚对脑缺血大鼠血脑屏障及学习记忆功能的影响
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第21卷第3期 2012年6月 中国组织化学与细胞 化学杂志 CHINESE JoURNAL 0F Y AND CYT0CHEMISTRY Vo1.21.NO.3 June.2012 绿茶多酚对脑缺血大鼠血脑屏障及学习记忆功能的影响 詹周伟 徐剑文 谢美容 郑姬彦 康伦雅 张默晴 吴李花 (福建医科大学基础医学院人体解剖与组织胚胎学系,福建福州35O108) [摘要] 目的研究绿茶多酚(Green tea polyphenols,GTPs)对脑缺血大鼠血脑屏障(Blood—brain barrier,BBB)及学习 记忆功能的影响。方法 双侧颈总动脉结扎法制备脑缺血大鼠模型,大鼠随机分为假手术组、模型组和GTPs治疗组,每组8 只,观察GTPs的保护作用。应用Morris水迷宫测试大鼠学习记忆能力,甲苯胺蓝染色法观察大鼠海马CA1区神经元形态 变化,透射电镜观察BBB的变化以及海马CA1区神经元超微结构改变。结果模型组与假手术组相比BBB破坏,海马CA1 区结构紊乱,学习记忆能力明显下降(P<0.05),GTPs治疗组与模型组相比,缺血性脑损伤明显减轻,学习记忆能力明显改善 (P<O.05)。结论GTPs能够减轻缺血性脑损伤,从而发挥改善脑缺血SD大鼠学习记忆能力的作用。 (关键词]脑缺血; GTPs; Morris水迷宫; 电镜; BBB 甲苯胺蓝染色;海马结构; 氧化应激 [中图分类号) R322.811 (文献标识码] A D0I:10.3870/zgzzhx.2012.03.012 Effects of green tea polyphenols on blood—brain barrier and learning and memory of rats with cerebral ischemta Zhan Zhouwei,Xu Jianwen ,Xie Meirong,Zheng Huayan,Kang Lunya,Zhang Moqing,Wu Lihua (Department of Human Anatomy and Histoembryology,College of Basic Medical science Fujian Medical University,Fuzhou 350108,China) (Abstract]0bjective To study the influence of green tea polyphenols(GTPs)on the blood—brain bar— rier(BBB)and on learning and memory of rats with cereb'ral ischemia.Methods The model of vascular de— mentia was produced by permanent occlusion of bilateral common carotid arteries in SD rats.Rats were randomly divided into 3 groups of 8 rats each:sham~operated group,model group and treatment group treated by GTPs.The protective effect of GTPs was observed.The capability of learning and memory was challenged in Morris water maze.Neuron morphology in the CA1 area of the hippocampus was detected by toluidine blue staining and transmission electron microscopy;The change of BBB was studied with trans~ mission electron microscopy.Results Compared with that of the group,the blood—brain barrier of rats in the mode1 group was destructed,and their cognitive ability decreased significantly(P<0.05).GTPs sig~ nificantly alleviated hypoxic ischemic brain damage,and markedly increased the cognitive ability of rats with cerebral ischemia(P<0.05).Conclusion GTPs ieprove trhe capability of learning and memory in rats with cerebral ischemia by relieving hypoxic ischemic brain damage. (Key words] Cerebral ischemia; GTPs; Morris water maze; Electron microscopy; BBB; Toluidine blue stain;Hippocampal formation; Oxidative stress 脑缺血是在各种脑血管病的基础上出现,以认 知、记忆功能减退为主要表现,是神经内科的常见疾 病,其发病率随着人口老龄化的发展逐渐增高。研 究表明,氧自由基参与了脑缺血后脑组织的氧化损 伤Ⅲ,而维持中枢神经系统内环境稳定的BBB结构 [收稿日期]201i-12—25 [修回日期]2012—04—20 [基金项目]福建省青年人才基金项目(2008F3048);福建省 教育厅项目(JA08108);福建医科大学创新性实 验计划(C10126) 的变化也是缺血性脑损伤病理变化的重要环节之 一_2],同时神经胶质细胞在发病过程中具有重要作 用l3 ]。脑细胞缺血缺氧后,氧自由基在细胞内大量 积累,导致神经元损伤进而导致功能障碍。研究发 现,GTPs有清除自由基及抗氧化作用[ ,其作用强 于维生素C。本实验采用永久性结扎切断双侧颈总 动脉法建立脑缺血动物模型,研究GTPs对脑缺血 大鼠学习记忆能力的影响,探讨其在脑缺血中发挥 改善作用的可能机制,为其临床应用提供实验依据。 材料和方法 1.材料 [作者简介]詹周伟,男,(1990年),汉族,本硕连读生。 *通讯作者(To whom correspondence should be addressed) 第3期 詹周伟等.绿茶多酚对脑缺血大鼠血脑屏障及学习记忆功能的影响 263 健康sD雌性大鼠24只,体重(250±5O)g,购 自吴氏实验动物中心。随机分为假手术组、模型组 和GTPs治疗组,每组8只。 2.方法 洗使肝脏变白,用300ml 4%多聚甲醛PBS溶液进 行固定,速度先快后慢,待四肢出现抽搐变硬现象后 完整地取下全脑,放入新鲜的4 多聚甲醛(0.1 mol/L PBS缓冲液配制)溶液中固定24h,依次梯度 乙醇脱水、二甲苯透明、浸蜡、包埋,连续冠状切片, 片厚约5urn,行甲苯胺蓝染色观察形态学变化。 2.5电镜样品制备及观察取假手术组、模型 组和GTPs治疗组大鼠各2只,用1O 水合氯醛腹 腔注射麻醉后,掀开颅盖,迅速向颅腔滴人4 多聚 甲醛+3 戊二醛(O.1mol/L,pH7.4磷酸盐缓冲液 2.1动物模型制作 采用双侧颈总动脉永久结 扎切断法制备模型_7]:将大鼠用1o 9/6水合氯醛 (300mg/kg)腹腔注射,麻醉成功后仰卧固定在手术 台上,常规消毒,颈正中切口,分离双侧颈总动脉,4 号丝线双重结扎切断后,缝合切口,放回笼中饲养。 假手术组只分离不结扎颈总动脉,余操作过程相同。 2.2药物治疗 造模成功后lh,GTPs治疗组 腹腔给予GTPs(60mg/kg),连续14d;假手术组和 模型组给予等量生理盐水腹腔注射,连续14d。假 手术组为正常对照。(GTPs购于福建日冕科技开 发有限公司,纯度>98 )。 配制)的固定液,立即取大鼠左侧海马CA1区(平外 侧膝状体水平)2ram×2ram×5mm脑块。-取材后 经3%戊二醛一1.5%多聚甲醛前固定(4℃),1%锇 酸一1.5 亚铁后固定1.5h,PBS漂洗,7O 酒精饱和醋酸铀染液块染,酒精一丙酮梯度脱水,环 氧树脂618包埋剂包埋。超薄切片80nm,醋酸铀、 2.3 Morris水迷宫测试 自建水迷宫为直 径100cm、高40cm的圆形水池,水深25cm、水温保 持(254-1)℃,池中用豆浆粉泡成不透明的浑浊液, 水面均匀覆盖一层大小相似的细小塑料泡沫颗粒。 池壁上标有N、E、w、S四个人水点,将水池平均分 为4个象限,在ES象限正中放一个直径为7cm、高 23cm的有机玻璃站台,平台离水面2cm。训练期间 迷宫外参照物保持不变。实验前1d适应水池环境。 (1)定位航行试验:实验历时5d,自第1d起每天于 固定时间开始训练一次,将大鼠面朝池壁,从N象 限开始依次放入水中,大鼠自入水起60s内爬上平 台的时间记为在该象限搜索平台的潜伏期;若60s 内没有爬上平台,就将其引上平台,潜伏期记为 柠檬酸铅各染色5min;在飞利浦EM 208型透射电 镜下观察、摄影。 2.6统计学方法各组资料数据以均值±标准 差表示( ±5),使用SPSS13.0统计软件对平均逃 避潜伏期以及每分钟穿越平台所在象限次数行单因 素方差分析后进行Dunnett—t检验,P<0.05为差 异有统计学意义。 结 果 1.行为变化 各组大鼠在双侧颈总动脉结扎切断后,活动能 60s。每个象限结束后,大鼠爬上或被引上平台,休 息30s后开始下一象限的训练,四个象限潜伏期的 平均值记为该次训练的逃避潜伏期。(2)空问探索 试验:在定位航行实验结束后当天,撤去平台,将大 鼠自任一象限随机放人池中,目测记录大鼠每分钟 穿越平台所在象限的次数。 2.4组织切片制备及甲苯胺蓝染色观 用水合 氯醛深度麻醉(300mg/kg),开胸后在右心耳剪开一 个小口,进行主动脉插管,30Oral 0.9 生理盐水冲 力低下,自发运动减少,食欲不振,多数于24 h后恢 复正常。 2.Morris水迷宫测试 2.1定向航行实验结果 大鼠在不同时间段的 平均逃避潜伏期比较从训练第2d起GTPs治疗组 大鼠平均逃避潜伏期均较模型组明显缩短,两两比 较差异均有统计学意义(P<O.05,表1)。 表1 GTPs对各组大鼠在不同时段平均逃避潜伏期(s)的影响( 一8,z4-s) Table 1 The effects of GTPs on the average escape latency of each group at different stages(n=8, -s) *,P<O.05vs假手术组(compared with the sham—operated group);#,P%O.OBvs模型组(compared with the model group); △,P>O.05vs假手术组(compared with the sham—operated group); 264 中国组织化学与细胞化学杂志 第21卷 2.2空间探索实验结果 大鼠每分钟穿越平台 所在象限次数的比较与模型组相比,GTPs治疗组 大鼠每分钟穿越平台所在象限位置次数明显增多, 两两比较差异均有统计学意义(P<O.05,表2)。 表2各组大鼠穿越平台所在象限次数(&/min)的比较(,z一8, ±5) Table 2 Comparison of the number of times crossing the platform quadrant in each group(n一8, ± ) *,P<0.05vs假手术组(compared with the sham—operated group);#,P<0.05vs模型组(compared with the model group); 3.大鼠海马CA1区甲苯胺蓝染色观察结果 (1)假手术组大鼠海马CAl区锥体细胞排列规 则,无明显神经元变性、液化坏死及神经胶质细胞增 生(Fig.1B);(2)模型组大鼠海马CAI区锥体细胞 排列松散,部分胞核固缩、溶解或消失,可见点状液 化性坏死,有较多空泡形成,神经元数量减少,神经 胶质细胞少量增生,并且其与周围神经元的突触联 系减少(Fig.1C);(3)GTPs治疗组大鼠海马CAl区 锥体细胞数量、排列和形态均较模型组明显改善 (Fig.1D)。 4.大鼠海马CA1区超微结构的变化 4.1 BBB超微结构的变化(1)假手术组毛细血 管内皮细胞的细胞核、线粒体等均清晰可见。毛细 血管腔内膜完整、连续、光滑,层次较清楚,电子密度 均匀(Fig.2-1);(2)模型组毛细血管基底膜有破损, 表现为血管周围见大量红细胞渗出。内皮细胞胞质 内线粒体、粗面内质网等细胞器肿胀呈空泡状,胞内 吞饮小泡增加。周细胞细胞核见固缩(Fig.2-2)。 毛细血管内膜凹凸不平,可见大量微绒毛形成(Fig. 2-3)。星形胶质细胞发生水肿甚至坏死,其内线粒 体可见基质颗粒消失即空泡化现象、变形肿胀,胶质 膜与血管间隙变大(Fig.2-4)。部分标本毛细血管 腔内红细胞变形,并可见明显出血和水肿,说明 BBB有明显破坏,通透性明显增加;(3)GTPs治疗 组毛细血管内皮细胞表现出吞饮小泡减少、表面微 绒毛样结构消失的现象,毛细血管基底膜轮廓清晰、 密度均匀,内皮细胞内线粒体病变明显减轻(Fig.2~ 5)。星形胶质细胞略显水肿,但较对照组明显减轻 (Fig.2-6)。 4.2海马CA1区神经细胞超微结构的变化(1) 假手术组大鼠神经细胞胞质中线粒体、粗面内质网、 核糖体等细胞器丰富,细胞核形态规则,核膜完整光 滑,核内染色质分布均匀、电子密度低。突起中细胞 器轮廓清晰,微管、微丝排列有序(Fig.3-1);(2)模 型组大鼠部分神经元细胞核尚完整,但核质模糊不 清,密度增高,胞质中线粒体出现嵴断裂、模糊或消 失呈空泡状,粗面内质网排列紊乱,并且扩张、断裂 成小棒状,脱颗粒(Fig.3-2)。部分神经元还可见核 碎裂,细胞核染色质崩解成小碎片,核膜破裂,核碎 片分散于胞浆内,形成凋亡小体。神经元髓鞘异常, 表现为形态不规则,有空泡出现,板层之间裂开,宽 窄不均,中间有电子密度高的嗜锇酸颗粒出现(Fig. 3—3);(3)GTPs治疗组大鼠神经元细胞核结构完 整,核质清晰,细胞质中细胞器较模型组多,细胞器 肿胀相对较轻。神经元髓鞘形态较规则,未见明显 异常(Fig.3-4)。 讨 论 缺血性脑损伤是一个复杂的病理生理过程,发 病机制尚不清楚,对此有诸如细胞内钙超载、免疫炎 症损伤、氧自由基损伤等多种学说_1。。,其中氧自由 基损伤学说占重要地位。在生物体内,脑组织含有 大量高浓度的不饱和脂肪酸,需要较多氧供,而其内 的自由基清除功能相对缺乏,故更易受氧化应激的 损伤。结扎切断双侧颈总动脉后,脑组织缺血、缺氧 和出血使神经元线粒体电子传递链发生脱偶联,产 生并释放大量的氧自由基,协同广泛浸润的炎症细 胞分泌的氧自由基u ,迅速攻击生物膜的脂类、糖、 蛋白质和细胞内的核酸,引起脂质和糖发生过氧化 反应,蛋白质变性,DNA多核苷酸主链断裂,碱基发 生修饰,从而使神经元损伤、死亡。因此,具有清除 自由基活性的药物可以选择作为改善和预防缺血性 脑损伤的潜在药物。 GTPs是从绿茶中提取的多酚类化合物,主要 成分为儿茶素类(黄烷醇类),其酚羟基是天然的供 氢体,在体内、体外均有很强的清除自由基、抗氧化 的功能。GTPs吸收后广泛分布于全身各器官并可 通过BBBE12 1 3]。其清除自由基和抗氧化的功能主 要通过以下四个机制:(1)GTPs具有”儿茶酚”样结 构,螯合产生氧自由基所必须的铁离子L】 ;(2) GTPs捕获引起DNA和其他细胞内分子损伤及脂 质过氧化反应的超氧阴离子自由基和羟自由基;(3) 第3期 詹周伟等.绿茶多酚对脑缺血大鼠血脑屏障及学习记忆功能的影响 265 黄烷醇类能与过氧自由基发生反应,从而终止脂质 过氧化链反应;(4)GTPs协同促进谷胱甘肽过氧化 物酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽一S一转移酶的活性口 。 基于此,GTPs已被广泛应用于帕金森氏病等神经 退行性疾病的基础和临床研究。本研究将GTPs用 于抗缺血性脑损伤的 验研究,期望从行为学和形 态学角度出发,寻找改善缺血性脑损伤的药物。 本研究采用永久性结扎切断双侧颈总动脉法建 立脑缺血动物模型,采取早期给予GTPs干预治疗 并连续用药14d,以期达到及时缓解脑组织的缺血 性损伤。BBB作为血液与中枢神经系统的分界面, 由内皮细胞、周细胞、星形胶质细胞基底膜等构成, 是维持神经元微环境稳态的重要物质基础_1 ,其主 要结构是血管内皮细胞之间的紧密连接,其次内皮 细胞胞浆中吞饮小泡数目少也是其屏障的基础,而 管周间隙的大小、周围组织的水肿程度及星形胶质 细胞肿胀程度也能够反映BBB的通透性。Masaki 等[】 研究发现双侧颈总动脉结扎后3h时BBB即 开始破坏。在此过程中,脑缺血后生成的大量自由 基与BBB的通透性改变密切相关口 ,BBB通透性 增高,血循环中的有害物质容易进入脑实质内,导致 血管源性脑水肿出血,加重继发性脑损伤,引起海马 微环境紊乱。而后者对BBB通透性的增高又具有 促进作用。研究表明缺血性脑水肿的发生以及继发 的学习记忆功能障碍与BBB有密切关系_1 。我们 通过电镜下观察海马区的超微结构,发现脑缺血后 血管内皮细胞内吞饮小泡增加,星形胶质细胞发生 水肿甚至坏死,其内线粒体可见空泡化现象,胶质膜 与血管间隙增大。这与国外研究结果相一致。 CastejonL2。。认为,脑缺血后脑水肿的发生主要是由 于脑微血管内皮细胞中吞饮小泡转运增强。由星形 胶质细胞胞体发出的突起贴附于毛细血管壁形成胶 质膜,后者作为BBB的重要组成部分之一¨2 ,在脑 缺血后也发现有明显损伤。这些都为脑缺血后 BBB的损伤提供了证据。 已有很多文献表明[2z-243成年大鼠脑缺血后神经 元中存在坏死、凋亡。本研究发现在连续用药14d 后,模型组大鼠海马CA1区锥体细胞排列松散,部 分神经元凋亡、坏死,神经元数量减少,与周围神经 元的突触联系减少。电镜结果进一步证明了脑缺血 后海马区神经元存在异常:神经元内线粒体空泡化, 粗面内质网紊乱,胞核固缩,神经元髓鞘异常。说明 BBB的损伤使海马微环境发生改变,引起脑神经细 胞功能、代谢与结构的改变,进而使海马区神经元功 能障碍。线粒体作为细胞的能量转化器,为细胞提 供能量,同时还是控制细胞凋亡、产生氧自由基的主 要细胞器。线粒体功能的失调已经被证明可导致多 种神经退行性疾病[2 ,也参与了脑缺血后学习记忆 功能障碍的发生。髓鞘的作用是保护神经元并使神 经冲动在神经元上得到很快的传递,所以,髓鞘的异 常变化也会使神经冲动的传送受到影响。中枢传导 速度减慢,导致信息处理缓慢,也是学习记忆障碍的 重要原因L2 。Peter ̄ 对灵长类动物猕猴的研究以 及Savvaki[283等研究发现,髓鞘成分异常参与了认 知功能的降低。同时Morris水迷宫实验结果也显 示模型组大鼠存在着与神经元损伤呈正相关的学习 记忆障碍。相比之下,给予GTPs脑缺血后引起的 BBB病理改变明显减轻,比如胞饮小泡数目较少, 血管内皮细胞结构较完整等等,海马CAl区锥体细 胞数量、排列和形态均较模型组明显改善,大鼠的学 习记忆能力也较模型组明显提高。 从大鼠学习记忆能力、海马CA1区神经细胞、 神经胶质细胞以及BBB结构变化的结果提示: GTPs能对抗氧化应激,保护BBB,减轻脑组织缺血 性损伤,改善学习记忆能力。故此研究可为脑血管 疾病的临床治疗提供一种药物选择。同时,其用于 防治人类脑缺血导致的血管性痴呆以及用药的最佳 时间与最佳剂量以及GTPs的毒副作用和远期效果 都有待今后深人研究与探讨。 参 考 文 献 [1]Kawase M,Murakami K,Fujimura M,et a1.Exacerba— tion of delayed cell inj ury after transient globa1 ischemia in mutant mice with cuzn superoxide dismutase deficien— cy.Stroke,1999,30(9):1962—1968 [2]Pluta R.Is the ischemic blood—brain barrier insufficiency responsible for full—blown Alzheimer S disease7.Neurol Res,2006,28(6):665—671 E33 Cotrina ML,Kang J,Lin JH,et a1.Astrocytic gap j unctions remain open during ischemie conditions.J Neurosci,1998,18(7):2520-2537 E4]Li wE,Ochalski PA。Hertzberg EL.Immunorecogni— tion,uhrastructure and phosphory1ation status of astro— cytie gap junctions and connexin43 in rat brain after cer— ebra1 foca1 ischemia.Eur J Neurosci,1998,10(7):2444— 2463 g5]Panickar KS,Norenberg MD.Astrocytes in cerebral is— chemic inj ury:morphological and general considera— tions.Glia,2005,50(4):287—298 [6]OUNJAIJEAN S,THEPHINLAP C,KHANSUWAN 266 中国组织化学与细胞化学杂志 第21卷 U,et a1.Effect of green tea on iron status and oxidative stress in iron—loaded rats.Med Chem,2008,4(4):365— 370 [7]Nanri M,Watanabe H.Availability of 2VO rats as a model for chronic cerebrovascular disease. 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O m。图3—2:模型组大鼠海马CA1区神经细胞,细胞 核核质模糊不清(☆),线粒体出现嵴断裂、模糊或消 失呈空泡状(+),粗面内质网排列紊乱、脱颗粒(一)。 标尺=2.O m。图3—3:模型组大鼠海马CA1区神经 细胞髓鞘,形态不规则,有空泡出现(十),板层之间裂 开,宽窄不均,中间有电子密度高的嗜锇酸颗粒出现 (一)。标尺一2.5tzm。图3—4:GTPs治疗组大鼠海马 CA1区神经细胞。标尺=2.5/,m。 EXPLANATIoN oF FIGURES Fig.1 Showing the neuron morphology in the CA1 area of hippocampus of each group.Toluidine blue staining. Fig.1 1:showing the place of the blowups.Bar一 100um.Fig.1-2~4:presenting the neuron morpholo— gy in the CAI area of hippocampus of sham-operated group(Fig.1-2),model group(Fig.1-3)and treat— ment group treated by GTPs(Fig.1-4)respectively. Bar=50urn. Fig.2 Showing the morphology of BBB in different groups. Stained with lead and uranium.Fig.2-1:Nucleus(☆) and mitochondrion(十)of blood capillary in CA1 re— gion of hippocampus were both normal in sham—.opera—. ted group,Bar:1.25>m.Fig.2-2:Large numbers of red blood cells(△)were seen surrounding the capil— lary in CA1 region of hippocampus in model group and widespread accumulation of transport vesicle(—’)in endothelia1 cells.Basement membrane( )was dam— aged and the nucleus of pericyte(☆)was contracted. Bar一2.5um.Fig.2-3:Large numbers of microvillus ( )were seen in the inner membrane of the capillary in CA1 region of hippocampus in model group.Bar一 3.3“m.Fig.2-4:Necrosis and edema happened in as— trocyte in CA1 region of hippocampus of model group (☆)and vacnolation was seen in the mitochondria 0f those cells( ).Bar一1.0/*m。Fig.2-5:Edema in the endothelial cells of the capillary in CA1 region of hip— pocampus of treatment group treated by GTPs is not so obvious and organdies( )were comparatively norma1.Bar一2.O“m. Fig.2-6:Edema in astrocyte in CA1 region of hippocampus in treatment group treated by GTPs is not so obvious and the mitochondria were norma1.Bar一1.0/,m. Fig.3 Showing the morphology of neuron in CA1 region of hippocampus in different groups.Stained with lead and uranium.Fig.3-1:Nucleus(☆)and organelles ( )of neuron in CA1 region of hippocampus of sham—operated group were both normal,Bar=2.O“m. Fig.3 2:The nueleoplasm of the neuron in model group was blurring(☆)and the mitochondria were swollen,the cristae were disorganized with chaotic and dilated rough surfaced endoplasmic reticulum and de—. creased secretory granules( ).Bar:2.O urn。Fig.3— 3:Myelin sheaths of neuron were found irregular with vacuolar degeneration.Laminas of different breadth spited apart from each other with high electronic dense granules appeared between them(— ).Bar一2.5“m. Fig.3-4:Neuron in CA1 region of hippocampus of treatment group treated by GTPs.Bar=2.5“m.