鉀通道Kv4.2、Kv1.4在硫化氫后處理對大鼠短暫全腦缺血神經保護中的作用研究

拜承萍， 趙晨亮

鉀通道Kv4.2、Kv1.4在硫化氫后處理對大鼠短暫全腦缺血神經保護中的作用研究

拜承萍1， 趙晨亮2

目的 研究硫氫化鈉(sodium hydrosulfide，NaHS)后處理對短暫全腦缺血大鼠海馬中鉀通道Kv4.2和Kv1.4 mRNA表達變化的影響及其腦保護作用，從而探討NaHS對大鼠短暫全腦缺血神經保護作用的機制。方法 用4VO方法建立大鼠短暫性全腦缺血(transient global cerebral ischemia，tGCI)模型，大鼠被隨機分配到3組，分別為：假手術組(sham)、tGCI組、NaHS后處理組。NaHS后處理組為 tGCI之后1 d，給予大鼠腹腔注射NaHS 24 μmmol/kg或者180 μmmol/kg。通過尼氏染色與NeuN免疫染色確定海馬神經元的死亡，通過RT-PCR方法檢測海馬組織Kv4.2和Kv1.4 mRNA 水平的表達變化。結果 (1)與tGCI組比較，在tGCI之后1 d給予24 μmol/kg NaHS后處理使海馬CA1區存活細胞數目顯著增加，而高劑量的 NaHS(180 μmol/kg)后處理對tGCI大鼠海馬CA1區則無明顯的保護作用。(2)在Re 26 h和Re 48 h，海馬組織中Kv4.2、Kv1.4的mRNA 表達水平均明顯低于假手術組(P<0.05)。在Re 26 h+NaHS組，kv4.2(1.24±0.08)和kv1.4(1.11±0.07)的mRNA表達水平均分別高于Re 26 h組的kv4.2(0.75±0.04)和kv1.4(0.79±0.06)，差異均有顯著性(P<0.05)。結論 外源性NaHS可能通過上調大鼠tGCI后海馬區Kv4.2和Kv1.4 mRNA的表達，從而導致膜電位超極化，降低神經元興奮性和氧耗，繼而保護神經元免受腦缺血損傷。

短暫性全腦缺血； 鉀通道； 硫氫化鈉； 神經保護

缺血性卒中是導致死亡和殘疾的主要原因。后處理可在腦缺血發生后應用并減輕再灌注損傷，開展各種后處理方式的基礎及臨床研究，將有利于開發后處理“模擬”藥物。此外，由于缺血后神經元損害的機制尚未完全清楚[1]，對其有效治療極為有限。興奮毒性是缺血后神經元損傷的主要原因，研究認為A型鉀電流IA對調節神經元的興奮性具有重要作用，可能影響缺血后興奮毒性所致的細胞壞死的發病機制[2]。Kv4.2、Kv1.4屬于A型鉀通道，它們是IA的主要促成者，2001年Huang等[3]的研究表明，鉀通道基因表達水平的變化與腦缺血時鉀電流發生的變化相一致。本研究采用NaHS作為一種化學藥物后處理方式來誘導腦缺血后的神經保護，并研究在短暫全腦缺血模型中NaHS對鉀離子通道Kv4.2、Kv1.4 mRNA表達變化的影響，初步探討NaHS對大鼠短暫全腦缺血神經保護作用的機制。

1 材料與方法

1.1 材料 (1)儀器與設備：大鼠立體定位固定儀(C5G01-008，68001，深圳市瑞沃德生命科技有限公司)；切片機(Leica，德國)；大型冷凍離心機、PCR儀(Eppendorf，德國)，ABI7500 熒光儀、81Biorad 凝膠成像系統均購自美國。(2)試劑、耗材：NaHS(Sigma公司，美國)；尼氏染色液(索萊寶公司，北京)；NEUN抗體(Merck Millipore，德國)。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗動物分組及給藥 選用成年健康雄性Wistar大鼠，從北京維通利華購買[合格證號：SCXK(京)2012-0001]，體重200～250 g。分組與給藥：大鼠被隨機分配到3組，分別為：假手術組(sham)、tGCI組、NaHS后處理組，NaHS后處理組為 tGCI之后1 d，給予大鼠腹腔注射NaHS 24 μmmol/kg或者180 μmmol/kg。本研究納入實驗的動物44只，其中24只大鼠用于形態學檢測，于再灌注7 d取腦觀察形態學變化；20只大鼠用于RT-PCR檢測，分別在再灌注之后的26 h、48 h斷頭取腦。

1.2.2 全腦缺血模型的制備 10%水合氯醛(350 mg/kg Wt)腹腔注射麻醉。頸部正中橫切口，分離兩側頸總動脈約1 cm，將缺血裝置套上頸總動脈，即將一條硅膠管系于頸總動脈周圍并將其穿過聚乙烯紐扣的兩個小孔，并穿過一個2 cm長的塑膠圓筒，打結，避免血管受壓和血流受阻，簡易縫合切口。將大鼠固定于定位儀上，枕部縱切口，暴露第一頸椎板及橫突板上的翼小孔，用雙極電凝針電凝雙側翼小孔內的椎動脈，縫合切口后待動物完全蘇醒，將其移至籠內飼養，夜間禁食，此時動物行為正常，沒有明顯的腦損傷。24 h后在大鼠完全清醒的狀態下，用無齒小動脈夾夾閉雙側頸總動脈15 min，大鼠在缺血開始后30～60 s 內昏迷，翻正反射消失，能自主呼吸，雙側瞳孔放大，痛覺反射消失，這些癥狀持續于整個缺血過程中，凡未出現以上癥狀或這些癥狀未能持續整個缺血過程中的大鼠棄用。缺血15 min后解除夾閉的缺血裝置，恢復腦血流，動物即逐漸恢復知覺開始活動，未見明顯障礙，凡缺血后有癲癇、偏癱、驚厥等癥狀的大鼠均棄用。

1.2.3 腦取材用于形態學觀察的標本 麻醉動物后用4 ℃生理鹽水100 ml 經心臟快速灌注沖凈血液，隨后用4 ℃ 的4%的多聚甲醛以先快后慢的速度灌注固定。取腦放入4 ℃的4%的多聚甲醛中進行后固定，并先后放入15%、30%的梯度蔗糖多聚甲醛溶液中脫水，OCT包埋，-20 ℃下進行冰凍切片，選取典型海馬區腦片，一部分用于做尼氏染色，光鏡下觀察組織學特點，另一部分做NeuN免疫染色。

1.2.4 尼氏染色 1%焦油紫3 min→ 70%乙醇脫水1 min→ 80%乙醇脫水1 min →90%乙醇1 min→95%乙醇(加數滴冰醋酸)中數秒→100%乙醇Ⅰ脫水3 min→100%乙醇Ⅱ脫水3 min→二甲苯Ⅰ透明5 min→二甲苯Ⅱ透明5 min→ 中性樹膠封片鏡檢。尼氏染色的結果進行陽性細胞計數：在高倍鏡下(×200)選取3個不重復的視野進行陽性細胞計數后取平均值，每只動物計數2個腦片。

1.2.5 NeuN免疫染色 (1)PBS洗2～3次各5 min；(2)3%H2O2室溫靜置30 min；(3)PBS洗2～3次各5 min；(4)滴加正常山羊血清封閉液，室溫60 min；(5)滴加Ⅰ抗NeuN(濃度1∶5000)，4 ℃過夜；(6)PBS洗5次各5 min；(7)滴加Ⅱ抗室溫靜置2 h；(8)PBS洗3次各5 h；D液30 min，PBS洗5 min 3次；(9)DAB顯色5～10 min；(10)脫水、透明、封片、鏡檢。

1.2.6 PCR實驗過程 將麻醉的大鼠迅速斷頭取腦，在冰盒上分離出大腦海馬，置于液氮保存。用Trizol 按產品所提供操作步驟提取組織總RNA。提取的RNA A260/A280在1.8～2.0之間，且瓊脂糖凝膠電泳，28S和18S條帶比值約為2∶1，說明所提取的RNA 無降解和污染。

1.2.6.1 反轉錄反應 在反應液中依次加入4 μl 5×PrimeScript RT Master Mix，稀釋后的RNA，RNase Free dH2O 至20 μl 反應體系。然后置于PCR 儀37 ℃，15 min，85 ℃ 5 s，4 ℃之后置于-20 ℃保存。

1.2.6.2 Q-PCR反應 在96 孔板內按順序依次加入SYBR Premix Ex TaqⅡ 10 μl，PCR Forward Primer 0.8 μl，PCR Reverse Primer 0.8 μl，DNA模板2 μl，dH2O 6.4 μl，Total 20 μl。于ABI7500 熒光儀設置stage1：95 ℃預變性30 s；Stage2：PCR反應，95 ℃ 5 s，60 ℃ 30 s，重復40 個循環后；stage3：95 ℃ 15 s，60 ℃ 60 s，95 ℃ 15 s。每個反應設3 個復孔。引物設計合成參照文獻[4]中Kv1.4、Kv4.2的基因序列，由美國QIAGEN公司合成引物。數據分析：實驗數據使用ABI 7500 自動分析軟件得出Ct值，將Ct值作為樣本表達量標準，采用β-actin作為內參照，采用2-△△Ct方法計算目的基因的相對表達水平，即目的基因表達差異=2-△△Ct，△△Ct = (CT-CTβ-actin)處理組-(CT-CTβ-actin) 對照組。

2 結 果

2.1 NaHS后處理對于tGCI誘導的海馬CA1區遲發性神經元損害的效應 用尼氏染色和NeuN免疫染色方法在15 min的tGCI(有或沒有NaHS后處理)之后7 d，評估海馬CA1區神經元的丟失，如圖1所示，假手術組大鼠顯示沒有組織病理學異常。在tGCI鼠的CA1區，我們觀察到大片神經元損傷，表現為神經元的腫脹伴隨尼氏體的丟失。相比較tGCI組，24 μmol/kg NaHS后處理顯著增加了CA1區存活細胞的數目(可見淡染色的核和完整的尼氏體)，通過NeuN染色我們獲得了相似的結果。圖2定量分析證實，和tGCI組相比，24 μmol/kg NaHS后處理組大鼠，存活的CA1錐體神經元平均數目顯著升高(P<0.05)，但同時我們發現，高劑量的 NaHS(180 μmol/kg)后處理未顯示保護效應。

右邊圖片是對左側CA1平臺區域的放大。標尺：a-d：500 μm；e-h：200 μm；i-l：100 μm；m-p：50 μm。sham組：(a，e，i，m)；tGCI組：15 min tGCI之后7 d觀察組織形態學 (b，f，j，n)；24 μmol/kg 和180 μmol/kg NaHS后處理組：15 min tGCI之后1 d腹腔注射NaHS，再灌注之后7 d觀察組織形態學(c，g，k，o，d，h，l，p)

圖1 tGCI之后7 d，大鼠海馬的尼氏染色、NeuN染色的顯微照片

2.2 Kv4.2 和Kv1.4 mRNA 在大鼠海馬的表達水平 (1)Kv4.2 mRNA在大鼠海馬的相對表達量 表1及圖3示，與sham組相比，各tGCI組再灌注不同時間點的Kv4.2的mRNA表達水平均明顯下調(P=0.001)，與sham組相比，Re 26 h+NaHS組的表達明顯上調(P=0.001)，而Re 48 h+NaHS組的表達下調(P=0.004)。tGCI組Re 26 h與Re 26 h+NaHS組相比，NaHS組Kv4.2的mRNA表達水平明顯上調(P=0.000)，tGCI組Re 48 h與Re 48 h+NaHS組之間表達無明顯差異(P=0.071)；(2)Kv1.4 mRNA在大鼠海馬的相對表達量 表2及圖3示，與sham組相比，各tGCI組再灌注不同時間點的Kv1.4的mRNA表達水平均明顯下調(P=0.001)，與sham組相比，Re 26 h+NaHS組表達無明顯差異(P=0.363)，Re48h+NaHS組的表達下調(P=0.001)。tGCI組Re 26 h與Re 26 h+NaHS組相比，NaHS組Kv1.4的mRNA表達水平明顯上調(P=0.003)，tGCI組Re 48 h與Re 48 h+NaHS組之間表達無明顯差異(P=0.263)。

圖2 NaHS后處理對于海馬CA1區神經元存活的效應

表1 Kv4.2在大鼠海馬的mRNA相對表達量

與sham組比較，a：P<0.05；與tGCI組比較，b：P<0.05

表2 Kv1.4 在大鼠海馬的 mRNA 相對表達量

與sham組比較，a：P<0.05；與tGCI組比較，b：P<0.05

圖3 Kv4.2 和Kv1.4在大鼠海馬的 mRNA 相對表達量

3 討 論

長久以來，硫化氫(hydrogen sulfide，H2S)被認為是一種有毒物質，直到最近，研究發現低濃度的H2S 在正常生理過程中扮演著重要角色[5]。H2S 在星型膠質細胞、神經元和小膠質細胞中產生，是一個內源性抗炎性反應和神經保護因子[6]。吸入非常低濃度的H2S 都會產生強烈的刺激，所以直接吸入H2S 的安全性不清楚[7]，試驗中更多的用NaHS來研究H2S 的效應。在一個體外氧葡萄糖剝奪(oxygen glucose deprivation，OGD)模型，NaHS通過激活KATP/PKC/ERK1/HSP90路徑減少了OGD之后的神經元損傷[8]。在一個體內卒中模型，發現NaHS保護海馬神經元和改善了學習記憶障礙[9]。在帕金森病小鼠模型中發現吸入H2S有神經保護作用[10]。Ren 等[11]在15 min全腦缺血的動物模型中研究發現，H2S 對全腦缺血的預處理保護作用是劑量依賴性的，用低劑量的NaHS(25 μmol/kg)預處理，在全腦缺血后7 d評估，發現神經元損傷顯著減輕，用高劑量的NaHS(180 μmol/kg)預處理卻加重了神經元損傷，這與我們的研究結果相似，我們發現，相比較tGCI組，給予24 μmol/kg 的外源性NaHS后處理顯著增加了全腦缺血大鼠海馬神經元的存活細胞數目，但高劑量的 NaHS(180 μmol/kg)后處理沒有提供保護效應。

Kv1.4和Kv4.2廣泛分布于神經系統與心肌組織中，是神經元興奮性的關鍵調節者，鉀通道的改變與心腦缺血密切相關。Kv1.4和Kv4.2屬于A型鉀通道，其編碼的是快速失活的瞬間外向鉀電流IA，主要分布于可興奮細胞中，參與調控動作電位的頻率和激活閾值、動作電位的形態、遞質釋放和突觸后興奮性[12]。Kv1.4主要分布于神經細胞的軸突和末梢。Kv4.2分布在胞體和樹突[13]。我們發現tGCI后海馬區 Kv4.2和 Kv1.4 mRNA表達水平下調，這與許多類似研究結果一致。Liu等[14]在一個急性心肌梗死大鼠模型發現，心肌組織KV4.2的蛋白表達水平和Kv4.2組成的Ito電流的密度顯著降低，并促成了急性心肌梗死后的心律失常。Lei 等[15]在大鼠短暫全腦缺血25 min之后2 m，觀察到不論是在癲癇發作的缺血腦還是未發作癲癇的腦中，Kv4.2的表達水平都顯著減少，其促成了缺血之后的癲癇發作及神經元損傷。另一方面，敲除Kv1.4和Kv4.2亞單位的轉基因鼠培育的神經元展現出對缺血損傷的易損性增加[16]。當Kv4.2亞單位在遺傳學上被刪除時，海馬CA1錐體細胞樹突的IA電流幾乎完全消失，LTP的閾值降低，并導致了海馬功能的損傷。在體外和體內試驗中均已證實，通過Kv1.4和Kv4.2重組體的共表達有效改善了不耐受缺血的中等大小的棘狀神經元(medium spiny neurons，MS)的存活率[17]。我們發現與假手術組相比，各缺血再灌注組的Kv4.2和Kv1.4的mRNA表達水平均明顯下調，甚至是在缺血再灌注之后48 h。Kv1.4和Kv4.2是A型鉀通道的亞單位，介導了皮質和海馬樹突錐體神經元的興奮性，其表達下調可能影響缺血后膜電位的穩定性，導致神經元對缺血的不耐受。

興奮性中毒是許多神經系統疾病包括卒中的主要原因。IA電流調節神經元的興奮性并因此影響病理學過程。我們推測Kv4.2的下調可能涉及腦缺血之后興奮性中毒細胞的死亡。長久以來，人們認為鉀電流的增強導致膜電位超極化并降低了興奮性，對缺血是有保護作用的[16]。研究表明[18]，在缺血損傷之后IA電流在紋狀體的缺血耐受神經元中顯著增強，IA的活化使峰閥值(spike threshold) 提高，縮短動作電位時程，從而降低神經元的興奮性[19]。我們的研究發現，NaHS后處理顯著增加了tGCI大鼠海馬神經元的存活細胞數目，同時在再灌注26 h，與tGCI組比較，NaHS組Kv1.4和Kv4.2的mRNA表達水平均明顯上調，暗示NaHS可能通過上調Kv1.4 和 Kv4.2 的 mRNA 表達發揮腦保護作用。其機制可能是：(1)根據Zou等人的研究，鉀通道基因表達水平的變化與腦缺血時鉀電流發生的變化相一致。在tGCI模型中，NaHS后處理使Kv4.2和K v1.4基因表達水平上調，增強了A-型鉀電流，減慢了神經沖動的發放頻率，縮短動作電位時程，抑制神經元興奮性及降低氧耗，保護了神經元免受腦缺血損傷。(2)有研究顯示[8]，NaHS經由PKC/ERK1/2路徑針對腦缺氧誘導的神經元死亡發揮了保護效應，而ERK/MAPK又通過對 Kv4.2的T607位點的直接磷酸化來動態調節通道功能[20]。那么NaHS也可能借由這些分子路徑調節Kv4.2的基因及蛋白表達水平而發揮保護效應。在再灌注48 h，NaHS組與tGCI組相比較，Kv4.2和Kv1.4的mRNA表達差異無統計學意義，可能與實驗中NaHS系單次給藥，給藥劑量偏小，導致其作用不持久有關。與KV4.2的表達不同的是，與假手術組相比，在再灌注26 h，NaHS組KV1.4 mRNA的表達水平較缺血組升高，但并未高于假手術組，這表明NaHS衰減了缺血之后kv1.4的降低，從而通過抑制IA電流衰減而發揮了腦保護作用。

總的來講，我們的研究揭示了H2S 的潛在保護效應與其在腦卒中治療中的潛在價值。

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Effect of potassium channels Kv4.2 and Kv1.4 in neuroprotection of NaHS Postconditioning against Transient Global Cerebral Ischemia in Rats

BAIChengping，ZHAOChengliang.

(TheqinghaiuniversityaffiliatedhospitalneurologyDepartment，Xining810001，China)

Objective We intend to study the effects of sodium hydrosulfide postconditioning on the Kv4.2 and Kv1.4 potassium channel mRNA expression of hippocampus after transient global cerebral ischemia in rats and its role in brain protection，so as to explore the neuroprotective mechanism of NaHS against Transient Global Cerebral Ischemia model in Adult Rats. Methods Transient global ischemia was produced in adult Wistar rats using the 4-vessel occlusion method. The rats were randomly assigned into 3 groups：sham group，tGCI group，and tGCI+NaHS groups. NaHS postconditioning was carried out by intraperitoneal injection of 24 μmol/kg or 180 μmol/kg of NaHS at 1d post-tGCI. The neuronal death in the hippocampal CA1subregion was determined by Nissl staining and NeuN staining. The mRNA expression levels of Kv4.2 and Kv1.4 potassium channels were analyzed by RT-PCR. Results (1)Compared with the tGCI group，24 μmol/kg NaHS Postconditioning significantly increased the number of surviving cells in hippocampus. However，higher concentration of exogenous NaHS (180 μmol/kg) didn’t offer a protection against the neuronal injury induced by global cerebral ischemia-reperfusion. (2)The mRNA expression of Kv4.2 and Kv1.4 in hippocampus in the tGCI group were lower than that in Sham group (P<0.05). The mRNA expression of KV4.2 (1.24±0.08)、Kv1.4 (1.11±0.07) in hippocampus of NaHS treatment group was markedly higher than the tGCI group at 26 hours after reperfusion(0.75±0.04)、(0.79±0.06) respectively. (P<0.05). Conclusion Exogenous NaHS postconditioning may lead to membrane potential hyperpolarization by increasing Kv4.2 and Kv1.4 mRNA expression level，which inhibit the excitability of neurons and reduce oxygen consumption，protect neurons against cerebral ischemic injury.

Transient global cerebral ischemia； Potassium channels； NaHS neuroprotection

1003-2754(2017)07-0613-05

2017-03-23；

2017-06-10

青海省科技廳應用基礎研究計劃(No. 2016-ZJ-735)

(1.青海大學附屬醫院神經內科，青海 西寧 810001；2.青海大學研究生院，青海 西寧 810000) 通訊作者：拜承萍，E-mail：0101kobe@163.com

R743.31

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