预吸氧对大鼠脑皮质神经元损伤的影响

来源:岁月联盟 作者:赵宏,祖剑宇,高光洁 时间:2010-07-12

【摘要】  观察不同浓度预吸氧、缺氧和复氧对大鼠脑皮质神经元损伤的影响。方法:72只成年雄性Wistar大鼠随机分为A、B、C 3组,每组又分为4个亚组。AⅠ~AⅣ(预吸氧)亚组分别吸入21%、50%、75%和95%氧30min;BⅠ~BⅣ(预吸氧?缺氧)亚组按A组方法处理后再吸入5%氧20min;CⅠ~CⅣ(预吸氧?缺氧?复氧)亚组按B组方法处理后,再吸入98%氧20min。取各组大鼠大脑皮质,测定乳酸(LA)、丙二醛(MDA)、氧自由基(OFR)、总抗氧化能力(T?AOC)、总超氧化物歧化酶(T?SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH?Px)和氨基酸的含量或活力。用免疫组化法检测诱导型一氧化氮合酶(iNOS)。在光镜下观察神经元形态学改变。结果:AⅠ、AⅡ亚组神经元无明显改变,AⅢ、AⅣ亚组神经元轻度肿胀。B组神经元肿胀明显,以BⅢ、BⅣ亚组较为严重。C组神经元胞核固缩,核仁缩小、消失,其中以CⅡ亚组最轻,CⅢ、CⅣ亚组最重,甚至可见核裂解、消失、只残余细胞轮廓的鬼影细胞。与AⅠ亚组相比,AⅢ~AⅣ亚组OFR、iNOS和LA增加(P<0.05),提示这三种损伤因子参与了脑损伤;T?AOC增加(P<0.05),可能是由于损伤因子引起了某些抗氧化因子的反馈性增加;T?SOD降低(P<0.05),可能与其消耗增加有关。CⅠ~CⅢ亚组的OFR和CⅠ、CⅣ亚组的iNOS以及CⅡ、CⅣ亚组的LA高于A组中各对应亚组(P<0.05),提示复氧性脑损伤可能与这三种因子的增加有关。结论:75%以上浓度预吸氧可引起大鼠轻微脑损伤,并使随后发生的缺氧复氧性脑损伤加重。50%浓度预吸氧不引起大鼠脑损伤,并可使随后发生的缺氧复氧性脑损伤减轻。

【关键词】  氧吸入疗法;脑缺氧;脑损伤;神经元;大脑皮质

  AbstractObjective:To observe the effects of preoxygenation, anoxia and reoxygenation on neuronal injury of cerebral cortex in rats.Methods: Seventy?two Wistar rats were randomly allocated to one of three equal groups: preoxygenation (A), hypoxia(B) and reoxygenation (C),and those in each of the groups ware randomly divided into four equal subgroups according to the different preoxygenation concentration . The rats in group AⅠ?AⅣ were individually exposed to preoxygenation with different concentration of oxygen (21%,50%,75% and 95% ) for 30 min, in group BⅠ?BⅣ were exposed to hypoxia air with 5% oxygen for 20 mins after preoxygenation as group A and in group CⅠ?CⅣ were exposed to 98% oxygen for 20 min for the reoxygenation after preoxygenation and hypoxia as group B. The brain samples were removed for the histologic examination and the determination of oxygen free radicals (OFR),exiting amino acid (EAA), inhibiting amino acid (IAA),malondialdehyde(MDA) and lactate(LA) content, total superoxide dismutase (T?SOD),glutathione peroxidase(GSHpx) and catalase(CAT) activities,total antioxidation capacity(T?AOC) as well as the number of induce nitric oxide synthase (ìNOS)  positive cells.Results:Slightly edema was observed  in neurons of AⅢ and AⅣ.The injury in group B was more serious than that in group A and less than that in group C. The injure degree was slightest in subgroup Ⅱ and the most serious in subgroup Ⅲ and Ⅳ among the four subgroups of group C and group B.The values of OFR, iNOS, LA and T?AOC ware  increased and the activities of  T?SOD  decreased significantly in subgroup AⅢ and AⅣ as compared with those in subgroup AⅠ. The OFR in subgroup CⅠ?CⅢ,the INOS in subgroup CⅠand C Ⅳ,and thd LA in subgroup CⅡand CⅣ increased as compared with those in the homologous subgroups in group A.Conclusion:Preoxygenation with 50% concentration may reduce the brain injury caused by anoxia and reoxygenation without any disadvantageous effect on the histology of neurons and high concentration preoxygenation with above 75% concentration may cause the brain injury marked by edema in the neurons and the injury reduced by anoxia and reoxygenation in rats. 

  Key wordsoxygen inhalation therapy;cerebral anoxia;cerebral injury;neurons;cerebral cortex

    急性脑缺氧是围术期死亡及中枢神经系统并发症的主要原因。预防缺氧的主要方法之一是吸氧(简称预吸氧)。然而,预吸氧时脑细胞形态学和内源性损伤或保护因子发生何种变化以及这种变化对随后发生的缺氧复氧性脑损伤有何影响少有研究。本研究拟观察不同浓度预吸氧、缺氧及复氧对大鼠脑皮质神经元损伤的影响。

  1  材料和方法

  1.1  实验方法 

  成年雄性Wistar大鼠72只(医科大学实验动物部提供),体重250~300 g,随机分为预吸氧(A)、预吸氧?缺氧(B)和预吸氧?缺氧?复氧(C)3组(n=24),每组再随机分为4个亚组(n=6)。将各组大鼠置于含有新鲜空气、经过标定、内放钠石灰的氧舱中。Ⅰ亚组(对照组)舱口开放,不吸氧;Ⅱ~Ⅳ亚组吹入纯氧,使舱内氧浓度分别维持衡定在50%、75%和95%,计时30 min(预吸氧实验);然后向B、C组大鼠舱内通入氮气,使氧气浓度降到5%,计时20min(缺氧实验);再将C组大鼠移入盖有双通气管橡皮塞的广口瓶中,吹入纯氧,使氧浓度达到98%以上,计时20 min(复氧实验)。氧浓度监测采用Datex?CARDIOCAPⅡ气体监测仪(芬兰)。实验结束后,腹腔注入10%水合氯醛350mg/kg,开颅取大脑皮质待检。

  1.2  检测方法 

  (1)将标本超声粉碎[1],制成匀浆,用台式高速离心机10 000 r/min离心5 min,取出上清液,-20℃保存待测。用南京建成生物工程研究所生产的试剂盒测定乳酸(LA)、丙二醛(MDA)和氧自由基(OFR)含量、总抗氧化能力(T?AOC)以及总超氧化物歧化酶(T?SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH?Px)活力;用反相高效液相色谱(PICO?TAG)法测定谷氨酸(Glu)和天门冬氨酸(Asp)两种兴奋性氨基酸以及苯丙氨酸(Phe)、牛磺酸(Tau)、丙氨酸(Ala)和γ?氨基丁酸(GABA)等抑制性氨基酸含量。(2)将脑组织修材后常规脱水,石蜡包埋,切片(厚约4 μm),用免疫组织化学法检测诱导型一氧化氮合酶(iNOS);行HE染色、封片,在400倍光镜下观察神经元形态学改变。神经元肿胀和形状改变为轻度损伤;胞核固缩、核仁缩小为中度损伤;核裂解、消失为重度损伤。

  1.3  统计学处理 

  采用SPSS8.0统计学软件,数据以均数±标准差表示,差异显著性检验用配对t检验,P<0.05为差异有统计学意义。

  2  结果

  2.1  神经元形态学观察结果
 
  AⅠ、AⅡ亚组无明显变化,AⅢ、AⅣ亚组神经元轻度肿胀,丧失典型的多形性形状,变为圆形;B组神经元肿胀明显,其中BⅡ亚组肿胀最轻,B Ⅲ、BⅣ亚组肿胀最为严重,但胞浆着色淡,胞核及核仁仍清晰可见,细胞周围间隙无明显增大。C组神经元胞浆深染,胞核固缩,核仁缩小、消失,细胞周围间隙增大。CⅡ亚组损伤程度轻于其它各亚组,偶见噬神经现象,CⅢ、CⅣ亚组噬神经现象增多,CⅣ亚组可见核裂解、消失、只残余细胞轮廓的鬼影细胞。

  2.2  指标检测结果 

  与AⅠ亚组比较,AⅢ、AⅣ亚组OFR、iNOS、LA和T?AOC,AⅡ亚组Tau,AⅢ亚组MDA、Asp和AⅡ~AⅣ亚组CAT均(P<0.05)升高,AⅡ~AⅣ亚组T?SOD降低(P<0.05)。与BⅠ亚组比较,BⅢ亚组LA和T?AOC以及BⅣ亚组OFR和iNOS升高(P<0.05)。与CⅠ亚组比较,CⅡ和CⅣ亚组LA升高(P<0.05)。CⅠ~CⅢ亚组的OFR和CⅠ、CⅣ亚组的iNOS以及CⅡ、CⅣ亚组的LA高于A组中各对应亚组(P<0.05)(表1)。表1  三组大鼠预吸氧、缺氧和复氧时脑损伤和脑保护相关指标的变化(略)注:与亚组比较,1)P<0.05  2)P<0.01;与A组对应亚组比较,3)P<0.05  4)P<0.01

  3  讨论

    过氧化损伤是一个非常复杂的病理生理过程,诸多的损伤和保护因子参与其中发挥各自的作用,并且通过正、负反馈机制密切地联系在一起。在不同浓度预吸氧及其后的缺氧、复氧过程中,这些相关因子的变化也有所不同。因此,仅仅以这些因子的变化为依据难以准确判断组织细胞的损伤及其损伤程度。 

  3.1  预吸氧对脑皮质的影响 

  本研究发现,75%以上浓度预吸氧可使OFR、iNOS和EAA等重要的内源性脑损伤因子[2~4]以及过氧化反应的终末代谢产物MDA升高。其原因可能是高氧可促进OFR的生成,也为OFR和NO的合成提供了充足的底物[2,4];OFR可引起EAA堆积和细胞内钙超载,钙超载可使突触前EAA释放并可激活iNOS和活性氧合成酶类;OFR、EAA及其引起组织损伤后产生的白细胞介素1和肿瘤坏死因子均可活化核转录因子κB,而后者可促进iNOS基因的表达使NO大量产生[4,5]。LA作为重要的损伤因子[2,3],在75%浓度预吸氧时升高,但在95%预吸氧时却显著降低,其原因尚不清楚,可能与糖代谢复杂的调节机制有关。T?AOC反映体内抗氧化物质和抗氧化酶的活性,在本研究中随着预吸氧浓度的升高而增加,可能与高氧使过氧化反应增强而启动了机体负反馈机制有关;然而,在T?SOD、CAT和GSH?Px这三种主要的内源性抗氧化酶中,仅CAT随之而增加,说明CAT在负反馈性脑保护机制中生成较多或消耗较少,而T?SOD有所降低,GSH?Px则没有显著变化。因此,T?AOC的增加可能还与其它抗氧化酶和抗氧化物质的变化有关。四种IAA在预吸氧后没有明显变化,说明其未参与脑保护。因此,75%以上浓度预吸氧引起的脑损伤可能由OFR、NO和EAA所引起,OFR和iNOS的增加与氧浓度的关系较为密切,可能在脑损伤中起主要作用;而两种EAA的增加多无统计学意义,可能在脑损伤中不起重要作用。尽管高浓度预吸氧使T?AOC增加,但并没有减轻脑损伤,说明此时负反馈性保护机制不发挥关键性的脑保护作用。50%浓度预吸氧未引起脑损伤,损伤因子也无显著变化,提示预吸氧能否引起脑损伤主要与吸入氧浓度有关。

  3. 2  预吸氧对缺氧复氧性脑损伤的影响 

  本研究结果显示,缺氧和复氧后,在各组出现或加重神经元损伤的同时,OFR、iNOS和LA等主要的损伤因子多有增加或维持在较高水平。其中以50%预吸氧组损伤最轻,可能是由于该浓度预吸氧未引起脑损伤,却提高了脑氧含量,在吸入低氧气体后,仍可维持一段时间的氧供,与未吸氧组相比实际缺氧时间缩短;该浓度预吸氧时,OFR和iNOS均有较大幅度的增加(差异无统计学意义可能是因为样本数较少),但这种水平的增加可能不足以造成脑损伤,却可能激活负反馈性保护机制,使随后发生的缺氧复氧性损伤减轻。而75%以上浓度预吸氧两组损伤较重,其原因可能为该浓度预吸氧即可引起神经元损伤,同时使机体暂时适应了高氧代谢状态,此时再发生缺氧复氧,其反应可能会更为强烈,损伤因子的增加更为明显,使缺氧复氧性脑损伤更为严重。T?AOC在预吸氧、缺氧和复氧三个阶段,Ⅰ、Ⅱ亚组逐渐升高,Ⅲ亚组先升后降,而Ⅳ亚组逐渐降低,可能是因为缺氧复氧引起脑损伤后,启动了负反馈机制使T?AOC增加;损伤较轻时抗氧化因子消耗较少,故T?AOC呈增高趋势;当损伤较重时,由于蛋白合成障碍引起酶类生成减少等因素使负反馈性调节机制受到影响以及各种抗氧化因子消耗加剧,又使T?AOC逐渐降低。另外,GABA作为最重要的IAA,缺氧和复氧时,在Ⅰ、Ⅲ亚组有所升高,可能也参与了负反馈性脑保护机制。

    本研究结果提示:75%以上浓度预吸氧可引起大鼠脑损伤,并且使随后发生的缺氧复氧性脑损伤加重。50%浓度的预吸氧不引起脑皮质神经元明显的病改变,并且有减轻随后缺氧复氧性脑损伤程度的倾向。机体自身反馈性保护机制在预吸氧应激刺激下可被激活,在仅引起过氧化反应增强而未造成脑损伤时,可能发挥脑保护作用;但在引起脑损伤后,并不能发挥关键性的保护作用。因此,在临床麻醉及其它医学领域采用高浓度预吸氧方法的合理性值得商榷。

 

【】
    [1]汪谦.医学实验方法[M].北京:人民卫生出版社,1997.388.

  [2]孙存普,张建中,段绍谨.自由基生物学导论[M].合肥:技术大学出版社,1999.240-243.

  [3]王尧,杜子威.神经生物化学与分子生物学[M].北京:人民卫生出版社,1997.390-399.

  [4]张洪.一氧化氮与神经系统疾病[J].临床神经病学杂志, 2000,13(2):124-126.

  [5]周钢桥,史道华.诱生型一氧化氮合酶基因启动子的结构及调控[J].国外医学分子生物学分册, 1999,21(5):281-283.