姜黃素對放線菌素D/TNF－α誘導的PC12細胞和大鼠海馬神經(jīng)元損傷的影響

行妍妍，汪軍兵，謝 賽，龔 正，陸大祥，董 軍△，唐紅梅，潘 銳，鄧欽瑩，熊國吟

(1暨南大學醫(yī)學院病理生理學系，國家中醫(yī)藥管理局重點實驗室，2暨南大學－香港大學腦功能與健康聯(lián)合實驗室，3暨南大學附屬第一醫(yī)院骨科，廣東 廣州 510632)

隨著艾滋病(acquired immunodeficiency syndrome，AIDS)在全世界的廣泛傳播，人們對人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus，HIV)感染的神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥，尤其是HIV相關(guān)神經(jīng)認知紊亂(HIV － associated neurocognitive disorder，HAND)的關(guān)注度逐漸增高。最新研究表明，HIV－1病毒蛋白感染激活巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞分泌細胞因子引起的腦內(nèi)免疫反應(yīng)是HAND神經(jīng)元損傷的主要原因［1］。腫瘤壞死因子 α(tumor necrosis factor α，TNF－α)就是其中一種重要的細胞因子，能在組織損傷及炎癥中通過多種機制誘導細胞凋亡。但正常細胞對TNF－α并不敏感，除非同時加用抑制RNA或蛋白質(zhì)合成的藥物，如放線菌素 D(actinomycin D，ActD)才能顯示明顯的毒性作用［2］。

中藥單體姜黃素(curcumin)是從姜科姜黃屬植物根莖中提取的一種天然活性成分，是一種安全有效的具有抗炎、抗HIV等多種藥理活性的藥物［3］，這些藥理活性使其具有了防治HAND的潛力。因此本研究通過觀察中藥單體姜黃素對ActD/TNF－α協(xié)同誘導的PC12細胞和大鼠海馬神經(jīng)元損傷的影響，探討姜黃素對神經(jīng)元的保護作用及其機制。

材料和方法

1 材料

高分化PC12細胞購自中國科學院上海細胞庫;健康Sprague－Dawley(SD)大鼠(36只，雌雄不限)由廣東省實驗動物中心提供;姜黃素(DMSO溶解，超凈水稀釋)購自Fluka;TNF－α(超凈水稀釋)購自PeproTech;ActD(DMSO稀釋)購自Sigma;IX－71型倒置熒光顯微鏡購自O(shè)lympus;Annexin V－FITC檢測試劑盒購自南京凱基生物公司;FACSAria流式細胞儀購自BD。

2 方法

2.1 PC12細胞的培養(yǎng) PC12細胞用含10%胎牛血清的DMEM高糖培養(yǎng)基培養(yǎng)，置于37℃、5%CO2細胞培養(yǎng)箱中，待單層細胞70%～80%匯合后，用0.25%胰酶消化后傳代培養(yǎng)。

2.2 實驗分組 將PC12細胞分為以下6組:對照組(control)、TNF－α組、ActD組、姜黃素組、ActD/TNF－α組和姜黃素+ActD/TNF－α組，調(diào)整藥物終濃度50 μg/L TNF － α、10 μg/L ActD 和5 μmol/L 姜黃素。

2.3 倒置熒光顯微鏡普通光觀察各組細胞的形態(tài)變化 取對數(shù)生長期細胞，將細胞種植于6孔培養(yǎng)板，加藥處理后的細胞放入37℃、5%CO2培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)24 h后，倒置顯微鏡下觀察各組細胞形態(tài)的變化。最后用Olympus Image－Pro Plus 6.0軟件拍攝細胞照片并進行對比分析。

2.4 Annexin V－PI染色流式細胞儀檢測細胞凋亡率取對數(shù)生長期細胞，經(jīng)0.25%胰酶消化后收集，PBS洗滌2次，收集(1～5)×105細胞，依次加入binding buffer懸浮細胞 500 μL、Annexin V － FITC 5 μL 和 PI 5 μL，混勻，室溫下避光反應(yīng)10～15 min，進行流式細胞儀檢測，激發(fā)波長488 nm，發(fā)射波長530 nm。

2.5 流式細胞術(shù)檢測細胞內(nèi)Ca2+濃度 取對數(shù)生長期細胞進行相應(yīng)處理后，PBS洗1次，加入5 μmol/L鈣離子熒光探針Fluo－3 AM，37℃細胞培養(yǎng)箱內(nèi)孵育30 min后離心去除多余染料，用PBS洗1次，PBS懸浮細胞后用流式細胞儀檢測熒光強度。

2.6 海馬腦片長時程增強(long－term potentiation，LTP)的誘導和記錄

2.6.1 實驗分組 36只大鼠隨機分為6組，每組6只。切成腦片后通過孵育給藥的方式，用50 mL藥液孵育各組腦片0.5 h，各組給藥情況及劑量同PC12細胞。

2.6.2 離體海馬腦片的制備 大鼠用戊巴比妥鈉麻醉后快速斷頭取腦，腦組織放入冰凍的(4℃)通氧人工腦脊液(ACSF)中冰凍2 min，分離海馬并用組織切片機沿海馬長軸方向連續(xù)切成400 μm厚的切片，將切好的腦片移入各組預先經(jīng)氧飽和的ACSF中33℃孵育30 min。

2.6.3 腦片的孵育 實驗采用靜置－灌流兩用界面式浴槽，浴槽上置有尼龍網(wǎng)。腦片置于網(wǎng)上孵育，下面與槽內(nèi) ACSF接觸。孵育過程通以含95%O2和5%CO2的混合氧，室溫孵育1 h后轉(zhuǎn)入記錄槽準備記錄。

2.6.4 LTP的誘發(fā)及記錄 絕緣的雙極鎢電極作為刺激電極，每隔30 s給予恒定的電流刺激(50～400 μA)Schaffer側(cè)支，刺激的強度和持續(xù)時間以能產(chǎn)生30%～40%最大反應(yīng)為宜，此為基礎(chǔ)刺激。充以ACSF的玻璃微電極(阻抗為2～5 MΩ)作為記錄電極，將記錄電極插入CA1區(qū)錐體細胞樹突層100～200 μm，記錄的電活動是給予電刺激后CA1區(qū)錐體細胞樹突層的場興奮性突觸后電位(field excitatory postsynaptic potential，fEPSP)，經(jīng)放大器 (Axon 200B)放大后，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Axon Digidata 1322A)在2.5 kHz頻率下數(shù)字化電信號，并貯存在電腦上。給予30 min基礎(chǔ)刺激后，用高頻電刺激(high－frequency stimulation，HFS;頻率100 Hz，持續(xù)1 s，串間隔20 s，共2串)刺激 Schaffer側(cè)支軸突，在海馬CA1區(qū)記錄fEPSP的變化，進行60 min記錄。其中，第45 min fEPSP起始斜率的值代表LTP的誘發(fā)和變化情況。如果fEPSP起始斜率增幅在20%以上，并且能維持30 min以上則認為LTP成功誘發(fā)。

3 統(tǒng)計學處理

使用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計學處理。計量數(shù)據(jù)用均數(shù)±標準差()表示，組間比較用單因素方差分析(One－way ANOVA)。LTP實驗采用Original 7.0和pClamp 9.0軟件分析，測量給予腦片HFS后第45 min fEPSP的起始斜率，以基礎(chǔ)水平的百分數(shù)形式表示LTP的幅度。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結(jié) 果

1 姜黃素對ActD/TNF－α致細胞形態(tài)變化的影響

倒置顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，正常組PC12細胞體積較大，神經(jīng)突起明顯，細胞貼壁能力強。TNF－α組、ActD組和姜黃素組PC12細胞形態(tài)與正常組無明顯區(qū)別。ActD/TNF－α組細胞發(fā)生明顯損傷:體積變小，突起減少變短，細胞貼壁能力減弱。而姜黃素干預組細胞與ActD/TNF－α組細胞相比，損傷程度明顯改善:突起也有恢復，細胞貼壁能力增強，細胞數(shù)量也明顯增加，見圖1。

Figure 1.Effect of curcumin(Cur)on morphological changes of PC12 cells treated with ActD/TNF－α.A:control;B:50 μg/L TNF － α;C:10 μg/L ActD，D:5 μmol/L Cur;E:50 μg/L TNF － α +10 μg/L ActD;F:5 μmol/L Cur+50 μg/L TNF － α +10 μg/L ActD.圖1 姜黃素對ActD/TNF－α誘導PC12細胞形態(tài)變化的影響

2 姜黃素對ActD/TNF－α致細胞凋亡的影響

流式細胞術(shù)檢測結(jié)果顯示，對照組的凋亡率為4.03% ±0.22%，TNF－α組、ActD組和單獨姜黃素組的凋亡率與正常對照組相比，差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05);而ActD/TNF－α處理PC12細胞后，流式細胞術(shù)檢測細胞凋亡率達到38.67% ±2.08%，明顯高于正常對照組細胞(P＜0.05);姜黃素干預后細胞凋亡率為19.67% ±2.52%，與ActD/TNF－α組相比有顯著差異(P＜0.05)，說明ActD和TNF－α協(xié)同處理可誘導PC12細胞明顯凋亡，姜黃素則可以改善這種損傷，見圖2。

Figure 2.Effect of curcumin(Cur)on the apoptotic rate of PC12 cells damaged by ActD/TNF－α..n=3.*P＜0.05 vs control;#P＜0.05 vs ActD+TNF－α.圖2 姜黃素對ActD/TNF－α損傷的PC12細胞凋亡率的影響

3 姜黃素對ActD/TNF－α致細胞內(nèi)Ca2+濃度變化的影響

圖3中流式細胞術(shù)檢測各組細胞內(nèi)Ca2+的熒光強度結(jié)果顯示，TNF－α組、ActD組和單獨姜黃素組PC12細胞內(nèi)鈣離子濃度與對照組相比，差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。ActD/TNF－α組細胞熒光強度顯著高于正常對照組(P＜0.05)。經(jīng)5 μmol/L姜黃素干預后，細胞Ca2+熒光強度顯著下降(P＜0.05)。這說明ActD/TNF－α可引起PC12細胞內(nèi)Ca2+濃度明顯升高，而姜黃素可抑制由ActD/TNF－α引起的PC12細胞內(nèi)Ca2+濃度的升高。

4 姜黃素對ActD/TNF－α致海馬CA1區(qū)LTP抑制作用的影響

對照組給予HFS后，fEPSP起始斜率顯著增大，平均增強幅度為159.52% ±7.46%;TNF－α組、ActD組和單獨姜黃素組平均增強幅度與正常對照組相比，差異無統(tǒng)計學意義 (P＞0.05)。ActD/TNF－α組給予HFS后fEPSP起始斜率增大不明顯，且很快回到基線水平，平均增強幅度為 116.80% ±7.68%，與對照組相比差別有統(tǒng)計學意義(P＜0.05，n=6)。姜黃素與ActD/TNF－α共孵育海馬腦片予以HFS后，fEPSP起始斜率為136.68% ±6.13%，與ActD/TNF－α組相比顯著增大，差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05，n=6)。表明本實驗條件下，ActD/TNF－α顯著抑制大鼠海馬神經(jīng)元LTP的產(chǎn)生，而姜黃素可改善ActD/TNF－α對大鼠海馬CA1區(qū)神經(jīng)元突觸可塑性的抑制作用，對大鼠海馬神經(jīng)元有功能性保護作用，見圖4。

Figure 3.Effect of curcumin(Cur)on concentrations in Ca2+of PC12 cells exposed to ActD/TNF－α..n=3.*P＜0.05 vs control;#P＜0.05 vs ActD/TNF－α.圖3 姜黃素對ActD/TNF－α致細胞內(nèi)Ca2+濃度變化的影響

Figure 4.The long－term potentiation in the CA1 region of rat hippocampal slices in different groups.HFS:high－frequency stimulation;fEPSP:field excitatory postsynaptic potential.圖4 各組大鼠海馬腦片CA1區(qū)長時程增強

討 論

神經(jīng)細胞的凋亡是大腦發(fā)育過程中的一種正常生理過程，但在大腦損傷和疾病狀態(tài)下，凋亡便成為對大腦有害的因素，導致神經(jīng)退行性疾病的神經(jīng)元損傷和丟失［4］。研究表明，當機體處于炎癥等多種病理狀態(tài)時，TNF－α能誘導某些細胞凋亡，如HAND患者腦內(nèi)TNF－α合成和分泌明顯增加。研究發(fā)現(xiàn)，TNF－α需與ActD合用才可引發(fā)明顯的肝細胞凋亡。ActD為轉(zhuǎn)錄抑制劑，可使肝細胞對TNF－α的敏感性大大增強［2］。因此本研究采用TNF－α和ActD連用以探究二者的協(xié)同致凋亡作用。篩選出合適的用藥劑量后，我們采用10 μg/L ActD和50 μg/L TNF－α協(xié)同作用PC12細胞24 h，倒置顯微鏡觀察細胞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，PC12細胞突觸明顯縮短、胞體皺縮、細胞數(shù)量也明顯減少，細胞發(fā)生了明顯損傷，流式細胞術(shù)也顯示ActD/TNF－α組凋亡率明顯上升，證實了ActD/TNF－α可協(xié)同誘導PC12細胞發(fā)生凋亡。

中藥單體姜黃素具有抗炎、抗HIV－1、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗氧化等多種藥理功效，并且具有毒副作用小、血腦屏障透過性好等優(yōu)點，可能是治療HAND的前景藥物。本實驗室前期研究表明姜黃素可改善gp120 V3環(huán)所致學習記憶障礙大鼠的行為學功能，促進學習記憶相關(guān)蛋白的表達并提高學習記憶能力;保護gp120 V3環(huán)損傷的大鼠海馬神經(jīng)元突觸，保護神經(jīng)元突觸形態(tài)及其基本功能，抑制神經(jīng)元的凋亡［5－7］。在此基礎(chǔ)之上，本研究擬觀察姜黃素對ActD/TNF－α誘導的PC12細胞損傷的影響并探明其可能機制。倒置顯微鏡實驗中我們發(fā)現(xiàn)5 μmol/L的姜黃素可以改善ActD/TNF－α對細胞的損傷作用;流式細胞術(shù)顯示姜黃素可以顯著減少ActD/TNF－α引起的細胞凋亡。由此我們初步得知姜黃素對ActD/TNF－α協(xié)同誘導PC12細胞損傷具有保護作用。

1973年Bliss等［8］通過高頻電刺激麻醉兔的內(nèi)嗅皮層，興奮海馬表層的穿通纖維，在齒狀回記錄場電位，發(fā)現(xiàn)了LTP效應(yīng)。如今此效應(yīng)被公認為神經(jīng)元生理活動和信息儲存的客觀指標，廣泛用于學習記憶過程的機制及藥物對學習記憶能力的影響的研究。本實驗中我們采用離體大鼠海馬腦片，運用細胞外微電極記錄技術(shù)觀察ActD/TNF－α對大鼠海馬腦片CA1區(qū)神經(jīng)元突觸可塑性的影響。發(fā)現(xiàn)ActD/TNF－α處理后，LTP的誘發(fā)明顯受到抑制，而用姜黃素和ActD/TNF－α共同孵育海馬腦片后，海馬腦片的 LTP部分恢復，fEPSP的起始斜率與ActD/TNF－α組相比差異有統(tǒng)計學意義。由此進一步證實，姜黃素可以部分拮抗ActD/TNF－α造成的大鼠海馬LTP抑制，保護神經(jīng)細胞的正常功能。

那么姜黃素究竟是通過什么機制來發(fā)揮其保護作用的呢?針對此問題，我們進行了更近一步的研究。在神經(jīng)系統(tǒng)里，鈣離子是重要的細胞內(nèi)信使，是維持突觸傳遞、可塑性和神經(jīng)元發(fā)育的重要物質(zhì)［9］。“鈣調(diào)整點”的假說認為:細胞內(nèi)適宜濃度的Ca2+可以促使生長錐的正常生長、延伸，而Ca2+濃度過高或過低時則會抑制神經(jīng)突起的生長。本實驗采用Fluo－3 AM標記技術(shù)測定胞內(nèi)游離Ca2+的變化，發(fā)現(xiàn)50 μg/L TNF－ α 和 10 μg/L ActD 共孵育可以顯著升高細胞內(nèi)的鈣離子濃度，而用姜黃素共同孵育后，ActD/TNF－α造成的細胞內(nèi)鈣離子的高濃度顯著降低。這個研究結(jié)果提示，姜黃素發(fā)揮細胞保護作用的機制可能跟降低PC12細胞內(nèi)的鈣離子濃度、抑制胞內(nèi)發(fā)生鈣超載引起的細胞不可逆損傷有關(guān)。

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