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脑室内注射链脲佐菌素大鼠海马神经元和突触的超微结构异常

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第27卷第1期 2008年2月 电 子 显微学报 V01.27.No.1 2oo8.02 Journal of Chinese Electron Microscopy Society 文章编号:1000。6281(2008)01.0067.06 脑室内注射链脲佐菌素大鼠海马神经元和突触的 超微结构异常 岳志霞 ,崔艳君 ,王蓬文 ,田金洲 ,王 蓉 ,盛树力 (1.首都医科大学基础医学院病理学教研室,北京100069;2.北京中医药大学东直门医院, 北京100700;3.教育部神经变性病学重点实验室,北京1o0o53) 摘 要:目的:观察侧脑室内重复注射小剂量链脲佐菌素(streptozocin,STZ)阿尔茨海默氏病(alzheimer disease,AD) 模型大鼠的学习记忆和海马神经元的超微结构改变。方法:采用Morris水迷宫进行行为学测试;取海马CA1区组 织制成超薄切片,透射电镜观察。结果:模型组大鼠Morris水迷宫平均游泳时间及平均游泳距离明显延长。海马 CA1区神经元出现程度不等的退行性变。细胞核形态不规则,部分核内染色质浓集;胞浆内脂褐素颗粒增多,高尔 基囊泡扩张,严重者出现早期细胞凋亡改变。神经毡内可见有髓鞘轴突胞质内脂褐素颗粒明显增多,突触结构异 常.突触小泡聚集增多,分布无序。突触后膜胞质面上的致密斑不规则增厚,或断断续续不完整。结论:侧脑室内 注射STZ可引起大鼠海马神经元和突触的超微结构病变,导致大鼠学习记忆能力减退。 关键词:阿尔茨海默病;链尿佐菌素;海马;神经元;突触;超微结构 中图分类号:R741.02;R361 .3;Q336 文献标识码:A 阿尔茨海默氏病(alzheimer disease,AD)是一种 神经退行性疾病,典型特征是不可逆转的进行性记 忆丢失和认知功能障碍,最后导致完全痴呆。患者 1.2模型建立 动物禁食不禁水12 h后,10%水合氯醛(40 ms/ )腹腔麻醉,将麻醉大鼠固定在立体定位仪上。 STZ按3 mg/kg的用量,以25 ms/mi溶于人工脑脊液 可伴随出现失忆、失语、失认、定向计算判断障碍、性 格行为等改变,严重影响生活质量…。关于AD病 中,两侧脑室内各注射20 l,第1、3天各注射1次。 对照组大鼠在相同条件下侧脑室内注射同等体积的 人工脑脊液。 1.3行为学检测 注射STZ 21天后,采用Morirs水迷宫进行行为 因和发病机制的假说有很多,包括:遗传缺陷、B.淀 粉样蛋白(B.amyloid,邱)沉积、神经营养因子缺乏、 线粒体功能异常、微量元素的神经毒性作用、能量代 谢障碍以及氧化应激等 J。建立理想的动物模型对 探明AD的病因、病程及治疗极为重要。Sharma 学测试。Morirs水迷宫由中国医学科学院药物研究 所研制。主要由一个圆柱形不锈钢水池、可移动的 有机玻璃平台及图像自动采集、处理系统等组成。 实验前,预先在水池中注入自来水,水深30 em(水 面高出站台表面1 cm,使大鼠不能见到站台),站台 位于一个象限的,加入奶粉使水池中水呈乳白 等 采用侧脑室内注射链脲佐菌素(streptozocin, STZ)的方法,能使大鼠出现明显的学习、记忆能力下 降和脑能量代谢障碍,提出这种方法可作为研究散 发型AD的动物模型。本文应用透射电镜技术,对 上述模型大鼠海马神经元的超微结构进行观察,为 探讨AD的发病机制提供形态学依据。 色,水温保持在21 oC±1 oC。试验共进行5天,前2 天训练,后3天测试。每天训练2次,入池位置分别 1材料与方法 1.1实验动物和分组 为站台所对及相邻象限,将大鼠投入水池中,并使大 鼠落水时面向池壁,记录大鼠从入水到爬上平台所 需的时间(即逃避潜伏期)及游泳距离,经120 s未 找到站台者,将其引领至站台,放置10 s,引导其学 习记忆。第3天起重复如上操作,但不再对未找到 站台的大鼠进行引导。 雄性Wistar大鼠30只(由首都医科大学实验动 物中心提供),体重330 g±10 g,饲养于首都医科大 学实验动物室SPF级鼠房。随机分为正常对照组和 模型组,每组15只。 收稿日期:2007.03.叭;修订日期:2007.06.14 基金项目:国家重点基础研究发展计划973项目(No.2003CB517104). 作者简介:岳志霞(1982一),女(汉族),北京人,硕士. *通讯作者:王蓬文(1963一),女(汉族),山东省蓬莱市人,教授,硕士研究生导师 维普资讯 http://www.cqvip.com

68 电子显微学报J.Chin.Electr.Microsc.Soc. 第27卷 1.4外周血糖水平测定 结果以平均值±标准差(M±SD)表示,使用 SPSS 10.0统计软件处理,用t检验进行统计学分 析,P<0.05为差异具有统计学意义。 实验动物于手术前及术后21天检测尾静脉血 糖水平,比较两组是否有差异。 1.5电镜标本的制备和观察 将大鼠麻醉后开胸暴露心脏,用0.9%生理盐 水约200 ml和4%多聚甲醛250 ml经左心室一升主 2 结果 2.1术前对照组 动脉先后快速灌流固定,断头取脑,冰浴中快速剥 离海马组织,取海马CA1区脑组织,将其切成1 mm 的小块,2.5%戊二醛溶液4cI=固定2 h,用0.01 大鼠血糖4.99 mmol/L±0.57 mmol/L,模型组血 糖5.19 mmol/L±0.55 mmol/L;术后21天对照组血 糖4.78 mmol/L fl=0.80 mmol/L,模型组血糖4.86 mmol/L±0.53 mmol/L。手术前后,对照组和模型组 的平均外周血糖水平没有明显差异(P>0.05)。 2.2水迷宫实验结果 mol/L PBS洗3次,10 rain/次,1%锇酸后固定2 h,梯 度酒精脱水,Epon812环氧树脂包埋后样品先制成1 ttm半薄切片,天青.美兰染色,光镜下定位,选取海 马CA1区富含神经元部位制成超薄切片,醋酸双氧 铀/枸橼酸铅双重染色,Philips EM208S型透射电镜 观察、摄片。 1.6统计方法 将大鼠游泳时间平均值和游泳距离平均值作为 学习记忆的指标进行对比,结果显示,模型组大鼠的 平均游泳时间和平均游泳距离明显长于对照组(表 1、表2)。 表1 Morris水迷宫游泳时间(S) Table 1 Morris water maze test"刚 mlIIing tJllle(s) M±SD;与对照组相比,∞control,”P<0.Ol。 表2 Morris水迷宫游泳距离(illflfln) Table 2 Morris water maze test-swimlning distance(illflfln) M±SD;与对照组相比,∞control,“P<0.Ol。 2.3大鼠海马CA1区神经元电镜观察 2.3.1对照组 2.3.2模型组 大鼠海马CA1区神经元出现程度不等的退行 性变,病变轻者核形状基本正常,核内可见少数分散 大鼠海马CA1区神经元形态完整,结构清晰, 核形态正常,染色质均匀分布,胞浆内细胞器丰富。 的、大小不等的染色质浓聚团块,核周体胞浆内细胞 器变化不明显(图1);病变稍重者,细胞核形态不规 则,核膜出现分叶状凹陷,部分核内染色质浓聚、边 高倍镜下神经元核周体胞质内粗面内质网呈板层状 排列,多聚核糖体丰富,有较发达的高尔基复合体, 线粒体呈圆形或椭圆形,双层外膜清晰、嵴完整。神 经毡内突触结构正常。 集,核周体胞质内可见高尔基复合体囊泡扩张,脂褐 素颗粒显著增多(图2);病变较重者,神经元核内染 维普资讯 http://www.cqvip.com

第1期岳志霞等:脑室内沣射链脲饩菌素大鼠海马冲经元和突触的超做结构异常69图1模型组大鼠海马2CAl区神经元细胞核(N)核内有轻度染色质浓聚核周体胞质内各细胞器变化不明显可见少数脂,,褐素颗粒;图模型组大鼠海马3CAl区神经元细胞核(N)形忿不规则核膜凹陷呈分叶状胞质内高尔基囊泡扩张脂褐、,,素颗粒明显增多;图、模型组大鼠海马CAl区4}II现捌亡早期改变的神经元其细胞核(N)染色质浓聚成较大的不规则团,块边集胞质内高尔基囊泡(G)轻度扩张;图,模型组大鼠海马CAI区神经元轴突变性胞质aJ见许多脂褐素颗粒沉积,。,Bar=l“mFig.1Shoamwingmildocondensationofehro.matininthewnuclenus(N)noant/atewlipofumemscingranulesinthecytoplaosmofper/kat3n’一onofneuronofshippocintretheapusCAIsmfSTZtreatedrat;Figo2Shoingindepusotatiofteon11eleal。braEinne(N)lysandinocreasefdepositioofolipofuseingpusranulecytoplaraofdegecneratedrneuronfhippocaamfSTZdelnsatretadficcraI:Fig.3artagefapoptnsiswfoeuronofhippofGolgisccamofSTZantedst.Showinginsharactenistic;Ft.margintionandconionhromatinthewnuclebuus(N)nithdilantatioonocisternaedvesicle(G)putheperikaryotreaig4Bar=ShowinglILmneuronaaxoplasmdegenerationithandatdepositioflipofuingranulesinthehippocamofSTZtedra.维普资讯 http://www.cqvip.com

70 电子显微学报J.Chin.E1ectr.Micmsc.Soc 第27卷 色质浓聚成较大的不规则团块、边集,核膜不平整或 的突触大小、形态各异,在其中,透明突触小泡密集 有较深的凹陷,呈现细胞凋亡的早期改变(图3)。 显著增多,分布无序。突触前膜和突触间隙尚清晰。 在神经毡内,变性的有髓鞘包裹的轴突中,神经微管 多数突触后膜胞质面上致密的附着斑形态结构异 和神经微丝稀少,排列紊乱(图4)。电镜观察发现 常,或不规则增厚,或断断续续不完整(图5、图6)。 最为独特的是突触结构的异常。与树突和轴突相连 图5,图6模型组海马神经毡内突触结构异常,突触大小、形态各异,其中有大量密集的透明突触小泡(s)。箭头所示为不 规则增厚和断断续续的突触后膜胞质面的致密斑。Bar=1 ttm Fig・5,Fig。6 Showing ultrastructural abnormalities of synapses in the neuropile of hippocampus of STZ treated rat。A great number of small clear synaptic vesicles have aggregated in the synapses(S).Arrowheads indicate the irregular thickening and interrupted macula adherence of postsynaptic membrane.Bar=1 ttm 3讨论 对神经元的存活非常重要  ̄6_。 根据Sharma M等 人的报道,大鼠侧脑室内注 AD是引起痴呆的最常见病因之一,目前已成为 射STZ可以作为研究AD型神经退行性变的模型使 老年人的第四位死亡原因,其病因和发病机理一直 用。STZ的化学名称是N.d葡萄糖基(2).N.亚硝基. 是研究的热点。与AD痴呆相关的特征性神经病理 早基脲,分子式c H。 N,O ,分子量是265道尔顿。 和分子损伤包括:神经元和神经突触的丢失、tau蛋 STZ是葡萄糖胺.亚硝基脲复合物,外周血给予STZ, 白过度磷酸化形成神经纤维缠结以及邮沉积等。 其代谢产生的细胞毒性产物优先破坏胰岛8细胞, 尽管遗传因素使个体易患AD或易形成A8的过度 产生糖尿病。尽管细胞毒性作用的精确机制还不清 沉积,但大多数AD病例并非呈现明显的家族或遗 楚,但STZ代谢的烷基化产物能产生活性氧自由基, 传聚积现象,而多以散发形式出现。早期对AD从 引起氧化应激和DNA损伤。成年大鼠侧脑室内注 生物化学、分子和细胞水平上的异常改变分析说明, 射STZ可以促使大脑皮层和海马的葡萄糖利用和糖 神经细胞的丢失与死亡前相关基因和信号通路的异 原代谢慢性降低10%~30%C7],从而导致脑氧化代 常激活、能量代谢障碍、线粒体功能异常、慢性氧化 谢明显下降 ,胰岛素受体功能被抑制 和学习、记 应激以及脑血管疾病/脑低灌注有关。并且,功能学 忆、认知、行为以及脑能量平衡的进行性缺陷¨ 。 研究显示,在AD认知功能损伤出现之前或在其发 本实验造模21天后,水迷宫结果显示,模型组大鼠 病的早期阶段就存在脑葡萄糖利用和能量代谢障 的平均游泳时间和平均游泳距离明显长于对照组, 碍。大量证据表明:胰岛素和胰岛素信号转导机制 表明前者的学习记忆能力下降,但两组大鼠的平均 维普资讯 http://www.cqvip.com

第l期 岳志霞等:脑室内注射链脲佐菌素大鼠海马神经元和突触的超微结构异常 71 外周血糖水平没有明显差异,说明胰腺B细胞并不 受影响,与文献报道相符。 目前对AD型神经退行性疾病的神经内分泌机 制主要强调全身系统性疾病,即2型糖尿病。但根 据de la Monte及其同事们以往的研究表明,通过削 弱脑内胰岛素信号转导机制,可以导致正常大脑出 现AD中枢神经系统退行性变的许多重要变化,如: 线粒体功能异常、神经元死亡等,并且提出,AD可能 是一种大脑特异的神经内分泌疾病或者称“3型糖 尿病” 川。本实验电镜超微结构观察结果显示,模 型组海马神经元有不同程度的退行性变和早期细胞 凋亡,以及在核周体和轴突内出现较多脂褐素沉积, 从形态上证实脑室内注射STZ可促使大脑提前老 化,诱发AD。 脑内胰岛素信号转导异常、葡萄糖利用减少可 引起ATP大量减少,导致细胞能量不足。因为大部 分能量用于维持神经元的突触传递和突触可塑性, 因此,突触传递减弱是能量利用减少最早期的表现, 随着葡萄糖利用进行性减少,最终可导致突触丢失。 对AD患者脑颞叶和额叶皮质神经元和突触密度的 定量分析发现,突触密度减少的程度比神经元死亡 的数量高出48%,说明AD患者脑存活的神经元中 也存在突触丢失。突触丧失是与AD认知功能下降 关系最密切的神经生物学因素,突触丧失的结果必 然引起神经元网络功能异常,导致信息传递障碍。 另外,AD患者不仅有突触数量的改变,突触功能也 受到影响,如与囊泡转运相关的基因产物表达中断, 导致突触囊泡运输障碍¨ 。在本实验中,模型组海 马神经毡内突触结构异常,突触大小、形态各异,突 触前递质小泡显著增多聚集,突触后膜胞质面上的 致密斑结构明显异常,从超微结构水平验证了突触 功能丧失是AD认知功能下降的重要生物学因素。 参考文献: [1]Sonkusare S K,Kaul c L,Ramarao P.Dementia of Alaheimer’S disease and other neurodegenerative disorders- memanfine,a new hope[J].Pharmacol Res,2005,5:1一 l7. [2]Markesbery W R.Oxidative stress hypothesis in Alzheimer’s disease[J].Free Radicals Biol Med,1997,23(1):134— 147. 【3]Sharma M,Gupta Y K.Intracerebroventifcular injection of streptozotcoin in rats produces both oxidative stress in the brain and cognitive impairment[Jj.Life Scien,2001,68 (9):102l一1029. [4]Rivera E,Goldin A,Fulmer N,Tavares R,Wands J R,De la Monte S M.Insulin and insulin—like growth factor expression nad function deteriorate with progression of Alzheimer’S disease:Link to brain reductions in acetylcholine[J].J Alzheimers Dis。2005,8:247—268. [5]De la Monte S M,Wands J R.Review of insulin and insulin-like growth factor expression,signaling,and malfunction in the central nervous system:relevance to A/zheimer’S disease[J].J Alzheimers Dis,2005,7(1):45 —61. [6]Steen E,Terry B M,Rivera E J,et a1.Impaired insulin and insulin-hke growth factor expression and signaling mechanisms in Alzheimer’S disease—is this type 3 diabetes [J].J Algheimer8 Dis,2005,7(1):63—80. [7]Plaschke K,Hoyer S.Action of the diabetogenic drug streptozotcoin on glycolytic and glycogenolytic metabolism in adult rat brain cortex and hippocampus[J].Int J Dev Neurosci,1993,l1(4):477—483. [8]Duelli R,Sehrcok H,Kucshinsky W,Hoyer S. Intracerebroventricular injection of streptozotocin induces discrete local changes in cerebral glucose utilization in rat [J].Int J Dev Neurosci,1994,12(8):737—743. [9]Hoyer s, S K,Lofiter T,Schliebs R.Inhibition of the neuronal insulin receptor.An in vivo model for sporadic Alzheimer diesase[J].Ann N Y Acad Sci,2000,920:256 —258. [10]Lannert H,Hoyer S.Intarcerebroventricluar administration of streptozotcoin causes long-term diminutions in learning nad memory abiilties and in cerebral energy metabolism in adult rats[J].Behav Neurosci,1998,112(5):1199— 1208. [11]Rivera E J,Lester-Coll N,Soscia S J,et a1.Intraceerbrla streptozotcoin model of type 3 diabetes:Relevance to spoardic Alzheimer’S diesase[J].J Algheimers Dis,2006, 9:13—33. [12]Coleman P D,Yao P J.Synaptic slaughter in Alzheimer’S disease[J],Neurobiol of Aging,2003,24:1023—1027. 维普资讯 http://www.cqvip.com

72 电子显微学报J.Chin.Electr.Micmsc.Soc 第27卷 Ultrastructural abnormalities of neuron and synapse of hippocampus in the rats treated with intracerebroventricular inj ‘ - ecti0n 0I strevtozotocin ‘ n ‘ YUE Zhi.xia ,CUI Yah—jan ,WANG Peng—wen - ,TIAN Jin—zhou2,WANG Rong3,SHENG Shu—li (1.Department of Pathology,College of Basic Medical Sciences,Capital University of Medical Sciences,Beijing 100069,China; 2.Dongzhimen Hospitl,Beiajing University of Chinese Medicine,Beijing 100700,China; 3.Key laboratory for neurodegenerative diseases of ministy ofr education。Beijing 100053,China) Abstract:Objective:To observe the state of learning and memory and ultrastructurl changaes of hippocampus of the rats which were intracerebmventricularly injected with streptozotocin(STZ).Methods:After the establishment of AD model,the state of learning nd amemory of the rats Was surveyed by Morris water maze test, and the ultra-structure of hippocampus was observed by using thin-section transmission electron microscopy.Results:The swimming time and swimming distance in Morris water maze test were obviously increased for the rats treated with STZ.The ultrastructural abnormalities of neuron of hippocampus including condensation and margination of chromatin of nuclear, increasing deposition of liofpuscin granules,dilatation of Golgi,cistemae and vesicles in cytoplsm of pefaikaryon were present.In neuropil, the dysmorphic synapses and axoplsmiac degeneration were observed. A great number of small clear synaptic vesicles have aggregated in the synapses and irregular thickening and interrupted macula adherence of postsynaptic membrane could be seen obviously.Conclusion:ICV injection of STZ can injure the hippocampus cause ultrstaructurl aabnomarlities of neurons nd asynapses and cognitive impaimenrt in the rats・ Keywords:Alzheimer’S dieasse;streptozotocin(STZ);hippocampus;neuron;synapse;ultrastructure 

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