電針對術后認知功能障礙大鼠認知功能及海馬TNF-α和IL-1β表達的影響

劉佩蓉,張瑜,桂敏,刁樞

(上海中醫藥大學附屬第七人民醫院,上海 200137)

·動物實驗·

電針對術后認知功能障礙大鼠認知功能及海馬TNF-α和IL-1β表達的影響

劉佩蓉,張瑜,桂敏,刁樞

(上海中醫藥大學附屬第七人民醫院,上海 200137)

目的 觀察電針對術后認知功能障礙大鼠認知功能及海馬TNF-α和IL-1β表達的影響,探討電針的作用機制。方法 將90只健康SD雄性老齡大鼠,隨機分為假手術組(C組),手術組(S組),電針組(Z組),每組30只。每組又分為術后1 d、術后3 d和術后7 d 3個亞組。采用Morris水迷宮檢測認知功能,免疫組化法檢測大鼠海馬TNF-α和IL-1β的變化。結果 與C組同時點比較,S組術后1 d、3 d、7 d找到平臺的潛伏期延長,穿越平臺次數減少(P＜0.05),以術后3 d最為明顯;與S組同時點比較,Z組術后1 d、3 d、7 d找到平臺的潛伏期縮短,穿越平臺次數增多(P＜0.05)。與 C組同時間點比較,S組 TNF-α和 IL-1β術后陽性表達數量增加(P＜0.05);與 S組同時間點比較,Z組各亞組陽性表達數量降低(P＜0.05)。結論 電針調節能改善肝左葉切除大鼠術后學習和記憶能力,可能與抑制海馬TNF-α和IL-1β的過度表達有關。

電針;認知障礙;Morris水迷宮;TNF-α;IL-1β;大鼠;消化系統外科手術

術后認知功能障礙(postoperative cognitive dysfunction, POCD)是手術麻醉后常見的中樞神經系統并發癥,導致患者記憶、注意力、語言和抽象思維能力顯著降低[1]。POCD常見于手術麻醉后的老年患者,約14%的老年人在手術后3個月內經歷過認知能力下降[2]。POCD增加老年患者的病死率,所以發展潛在的預防或治療 POCD的策略非常迫切[3]。近年來,各種臨床研究發現了許多POCD的危險因素,如麻醉類型、患者年齡、手術應激、手術創傷和術后疼痛等[4-6]。手術創傷后海馬促炎因子的過度表達是 POCD的發病機制之一[7-9]。電針調節能減輕非手術創傷大鼠腦組織炎癥反應[10-11],進而改善學習記憶能力,但對于手術創傷大鼠是否同樣有效,目前尚無定論。本研究采用肝左葉切除術模擬中等手術創傷建立POCD模型[12],旨在探討電針調節對 POCD大鼠認知功能的改善作用以及與海馬促炎因子TNF-α和IL-1β表達的關系。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

健康SD雄性老齡大鼠,18～20月齡,體重300～350 g,購自中科院上海實驗動物中心。

1.2 實驗動物分組與處理

90只健康SD雄性老齡大鼠隨機分為假手術組(C組)、手術組(S組)、電針組(Z組),每組30只。每組根據不同時間點分為術后1 d、術后3 d和術后7 d 3個亞組(n=10)。

根據文獻建立POCD模型[12],S組和Z組肝左葉切除術,10%水合氯醛(0.04 mL/10 g)腹腔注射麻醉,待大鼠翻正反射消失后仰臥位固定,腹部消毒,于上腹部正中線做一小切口,游離切除左側肝葉,徹底止血,逐層關腹。C組腹腔注射麻醉后在上腹部正中線相同部位僅做表皮切開縫合術,不切除肝左葉。

Z組參照《實驗動物穴位圖譜》[13],取百會穴(在頭頂正中線中點頭骨中央),雙側內關穴(位于腕至肘間下1/6處前肢內側,離腕關節約3 mm的尺橈骨縫間),雙側合谷穴(位于前肢第一、二掌骨之間)。采用0.35 mm×13 mm不銹鋼毫針,平刺約2.5 mm。然后百會穴連接韓氏穴位神經刺激儀(與百會穴形成環路的另一電極,連接于百會穴后5 mm的非穴點)。電針頻率2/10 Hz,強度4 mA,疏密波持續刺激。術前30 min至手術結束,術后每日1次,每次30 min,連續7 d。C組和S組不予電針干預。

1.3 觀察指標

1.3.1 行為學測定

采用Morris水迷宮測定學習記憶能力,具體包括定位巡航實驗和空間探索實驗。Morris水迷宮測定時,室溫及水溫均保持在24～26℃。迷宮上方安置與電腦系統連接的攝像機,同步記錄。于術前5 d進行Morris水迷宮訓練,每天4次。定位巡航實驗,將大鼠從離平臺最遠的象限1/2弧度處輕放于水中,讓其找到水中的平臺,記為潛伏期(設定最長游動時間為90 s)。空間探索實驗,定位巡航實驗后撤除平臺,選定和平臺相對的象限中點為入水點,記錄90 s內老齡大鼠為搜索平臺而穿過平臺區的次數。大鼠經訓練后,能連續3次在90 s內從起始點找到平臺,作為訓練成功的大鼠,進入后面的試驗。分別記錄術后1 d、3 d、7 d老齡大鼠的逃避潛伏期及穿越平臺次數。

1.3.2 海馬TNF-α和IL-1β的測定

于術后1 d、術后3 d和術后7 d 3個時間點麻醉后取大鼠海馬組織,-85℃冰箱保存,運用免疫組化染色海馬TNF-α和IL-1β。組織切片放入3%過氧化氫溶液(雙氧水:純水=1:9),室溫避光孵育25 min,阻斷內源性過氧化物酶,PBS液沖洗5 min×3次;加入3%BSA,室溫封閉30 min;加入一抗,4℃孵育過夜,PBS液沖洗5 min×3次;滴加與一抗相應種屬的二抗(HRP標記)覆蓋組織,室溫孵育50 min,最后用DAB顯色,蘇木素復染,脫水、透明、中性樹膠封片,蘇木素染細胞核為藍色,DAB顯出的陽性表達為棕黃色。

1.4 統計學方法

運用SPSS15.0統計軟件對資料進行統計分析,計量資料以均數±標準差表示,多組間比較采用方差分析,兩兩比較采用q檢驗。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 3組大鼠行為學測定結果比較

與C組同時點比較,S組術后1 d、3 d、7 d找到平臺的潛伏期延長,穿越平臺次數減少(P＜0.05),以術后3 d最為明顯;與S組同時點比較,Z組術后1 d、3 d、7 d找到平臺的潛伏期縮短,穿越平臺次數顯著增多(P＜0.05);Z組與C組術后同時點比較,差異無統計學意義(P＞0.05)。詳見表1。

表1 3組大鼠行為學測定結果比較 (±s,個)

表1 3組大鼠行為學測定結果比較 (±s,個)

注:與C組同時點比較1)P＜0.05;與S組同時點比較2)P＜0.05

指標 組別n術后1 d 術后3 d 術后7 d C 組 10 26.33±7.05 27.35±6.97 27.35±7.01逃避潛伏期(s)穿越平臺數(次)S 組 10 33.10±6.811)62.52±12.011)40.11±11.451)Z 組 10 26.07±6.322)34.11±7.822)30.73±7.222)C 組 10 5.11±1.46 4.87±1.37 5.24±1.45 S 組 10 3.63±1.451)2.56±0.791)3.27±0.891)Z 組 10 4.98±1.332)3.87±0.882)4.36±1.102)

2.2 3組大鼠海馬區TNF-α、IL-1β陽性細胞數比較

與C組同時間點比較,S組TNF-α和IL-1β術后陽性表達數量增加(P＜0.05),其中TNF-α以術后1 d最為明顯;IL-1β以術后3 d最為明顯;與S組同時間點比較,Z組各亞組 TNF-α、IL-1β陽性表達數量顯著降低(P＜0.05)。與C組比較,Z組術后 1 d TNF-α陽性表達數量增加(P＜0.05),術后3 d恢復;術后1 d和術后 3 d IL-1β陽性表達數量增加(P＜0.05),術后 7 d恢復。詳見表2。

表2 3組大鼠海馬區TNF-α、IL-1β陽性細胞數比較 (±s)

表2 3組大鼠海馬區TNF-α、IL-1β陽性細胞數比較 (±s)

注:與C組同時點比較1)P＜0.05;與S組同時點比較2)P＜0.05

指標 組別n術后1 d 術后3 d 術后7 d C 組 10 0.82±0.12 0.78±0.15 0.80±0.13 TNF-αS 組 10 1.46±0.221)1.28±0.251)1.10±0.261)Z 組 10 1.09±0.241)2)0.93±0.212)0.85±0.232)C 組 10 3.02±0.36 3.23±0.34 2.97±0.30 IL-1βS 組 10 5.32±0.471)6.16±0.551)5.87±0.521)Z 組 10 4.31±0.351)2)4.56±0.381)2)3.28±0.362)

3 討論

POCD是老年患者手術麻醉后常見的并發癥,主要表現為學習和記憶能力的可逆性損害[14],部分甚至發生癡呆,嚴重影響患者的生活質量,并帶來沉重的經濟和社會負擔。

結合傳統經絡理論及相關基礎研究,電針能雙向調節神經-內分泌-免疫系統,抑制炎癥的過度表達。根據POCD的臨床表現,當屬中醫學“健忘”范疇,甚至“癡呆”。中醫學認為,POCD的病位主要在于心腦,治療需立足疏經通絡、醒神開竅。百會位居巔頂,穴歸屬督脈,是調節大腦功能的要穴[15-16]。內關屬手厥陰心包經的絡穴,為八脈交會穴,善治精神疾患[16-17]。合谷是手陽明大腸經的原穴,疏經通絡,是頭面部疾患中常用的穴位[18]。因此,本研究選取百會穴、雙側合谷穴和雙側內關穴行電針調節。

Morris水迷宮是測定大鼠學習記憶能力的重要工具,通過受試大鼠找到迷宮中的平臺位置來反映空間記憶功能。Morris水迷宮廣泛應用于評價大鼠和小鼠的認知功能[19-24]。故本研究采用Morris水迷宮測定大鼠術后認知功能的變化。

炎癥反應在手術創傷和麻醉引發的認知功能障礙中起著重要的作用[25-26]。POCD的發病機制中,炎癥反應可能起到重要的作用[7-9]。生理狀態下促炎因子和抗炎因子處于脆弱的平衡,這種平衡很容易被手術創傷打破,引起局部和全身炎癥反應。手術創傷激活外周免疫系統釋放各種炎性因子,外周炎性因子透過血腦屏障激活小膠質細胞和血管內皮細胞,導致海馬區長時程增強效應的破壞,介導認知功能的損傷;與年齡相關的膠質細胞活性的改變也會加劇老年患者炎癥反應的程度[8-9]。在POCD大鼠海馬組織中,各種炎癥細胞因子水平顯著升高,包括TNFα、IL-1α/β、IL-6和IL-8等[27]。這些炎癥細胞因子能進一步激活小膠質細胞、破壞血腦屏障的通透性,最終引起腦損傷和認知功能障礙[28-29]。本次研究顯示,與C組同時間點相比,S組術后TNF-α和IL-1β陽性表達數量增加(P＜0.05),與行為學測定在時間上吻合,證實存在有神經炎癥反應,與以往研究一致[7-9]。

近期研究顯示,電針刺激能改善血管性癡呆大鼠學習記憶能力,降低海馬組織中的IL-1β、TNF-α含量,緩解腦缺血后炎癥反應[10]。電針可以抑制阿爾茨海默病大鼠海馬區IL-1β、TNF-α的過度表達,減輕腦組織炎癥反應,進而改善學習記憶能力[11]。這表明,抑制炎癥反應是電針治療認知功能障礙的一種機制。多個研究報道,抑制TNFα或IL-1α/β信號通路能有效改善老齡大鼠術后認知功能障礙[30-34]。本研究中與C組同時間點比較,S組TNF-α和IL-1β陽性表達數量顯著增加(P＜0.05);Z組與S組同時間點比較,TNF-α和IL-1β陽性表達數量降低(P＜0.05);Z組與C組同時間點比較,TNF-α術后3 d恢復,IL-1β術后7 d恢復;并且,海馬炎癥因子表達與行為學測定一致。本研究結果提示,電針調節可能通過抑制手術創傷大鼠海馬促炎因子的過度表達,起到改善學習記憶的作用。

綜上所述,電針調節能改善肝左葉切除大鼠術后學習和記憶能力,可能與抑制海馬TNF-α和IL-1β的過度表達有關。

[1]Bekker AY, Weeks EJ. Cognitive function after anaesthesia in the elderly[J].Best Pract Res Clin Anaesthesiol,2003,17(2):259-272.

[2]Norkien? I, Samalavi?ius R, Misiūrien? I,et al. Incidence and risk factors for early postoperative cognitive decline after coronary artery bypass grafting[J].Medicina(Kaunas), 2010,46(7):460-464.

[3]Deiner S, Silverstein JH. Postoperative delirium and cognitive dysfunction[J].Br J Anaesth, 2009,103(Suppl 1):i41-i46.

[4]Wuri G, Wang DX, Zhou Y,et al. Effects of surgical stress on long-term memory function in mice of different ages[J].Acta Anaesthesiol Scand, 2011,55(4): 474-485.

[5]Kalenka A, Gross B, Maurer MH,et al. Isoflurane anesthesia elicits protein pattern changes in rat hippocampus[J].J Neurosurg Anesthesiol, 2010,22(2):144-154.

[6]Shoair OA, Grasso Ii MP, Lahaye LA,et al. Incidence and risk factors for postoperative cognitive dysfunction in older adults undergoing major noncardiac surgery: A prospective study[J].J Anaesthesiol Clin Pharmacol,2015,31(1):30-36.

[7]Wan Y, Xu J, Ma D,et al. Postoperative impairment of cognitive function in rats: a possible role for cytokine-mediated inflammation in the hippocampus[J].Anesthesiology, 2007,106(3):436-443.

[8]Cibelli M, Fidalgo AR, Terrando N,et al. Role of interleukin-1beta in postoperative cognitive dysfunction[J].Ann Neurol, 2010,68(3):360-368.

[9]Terrando N, Eriksson LI, Ryu JK,et al. Resolving postoperative neuroinflammation and cognitive decline[J].Ann Neurol, 2011,70(6):986-995.

[10]忽浩杰,朱廣旗,葛成慧,等.不同時期電針對血管性癡呆大鼠海馬組織IL-1β、TNF-α含量及其學習記憶能力的影響[J].貴陽中醫學院學報,2009,31(3):50-53.

[11]朱書秀,周麗莎,孫國杰.電針對阿爾茨海默病模型大鼠行為學及海馬區IL-1β、TNF-α的影響[J].陜西中醫學院學報,2008,31(4):55-57.

[12]任冬青,閻文軍,岳海源,等.茯苓多糖對肝葉部分切除老年大鼠術后認知功能障礙的影響[J].國際麻醉學與復蘇雜志,2016,37(8):714-717,731.

[13]林文注,王佩.實驗針灸學[M].上海:上海科學技術出版社,1994:286.

[14]張素素,錢燕寧.術后認知功能改善的研究進展[J].國際麻醉學與復蘇雜志,2015,36(11):1012-1015.

[15]勞寧,熊利澤,路志紅,等.百會穴在電針刺激預處理誘導腦缺血耐受中的作用[J].第四軍醫大學學報,2003,24(5):418-420.

[16]陳少仁,高紅濤,茹永剛,等.針刺百會、內關穴治療血管性癡呆的臨床療效觀察[J].四川中醫,2007,25(3):98-99.

[17]周潔,趙嫣紅,王祥瑞.電針刺內關穴對不停跳冠脈搭橋患者術后認知功能的影響[J].臨床麻醉學雜志,2011,27(12):1188-1189.

[18]陳鳳英,沈智威,關計添,等.手法針刺合谷穴得氣與腦功能激活關系的探討[J].磁共振成像,2011,2(2):112-117.

[19]王緒平,咼登俊,陳宇,等.Morris水迷宮實驗評價血管性癡呆大鼠模型的學習記憶能力[J].中華中醫藥學刊,2013,31(1):99-100.

[20]武海霞,吳志剛,劉紅彬,等.Morris水迷宮實驗在空間學習記憶研究中的應用[J].神經藥理學報,2014,4(5):30-35.

[21]李斌,謝淑玲,彭麗燕,等.3種擬癡呆動物模型在Morris水迷宮行為學測試中學習記憶行為的差異[J].醫學研究生學報,2014,27(7):683-685.

[22]孔林林,張軍,喬楓,等.基于小鼠Morris水迷宮和Y迷宮聯合試驗的多任務行為學測試研究[J].神經解剖學雜志,2013,29(4):365-368.

[23]劉金鳳,聶坤,栗振杰,等.Morris水迷宮測評方法的改進及對快速老化癡呆小鼠SAMP8認知功能的再評價[J].中國中醫急癥,2013,22(1):5-7,22.

[24]封敏,盧圣鋒,張承舜,等.國內大鼠Morris水迷宮實驗現狀與分析[J].遼寧中醫雜志,2011,38(11):2170-2172.

[25]Cao XZ, Ma H, Wang JK,et al. Postoperative cognitive deficits and neuroinflammation in the hippocampus triggered by surgical trauma are exacerbated in aged rats[J].Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry,2010,34(8):1426-1432.

[26]Callaway JK, Jones NC, Royse AG,et al. Memory impairment in rats after desflurane anesthesia is age and dose dependent[J].J Alzheimers Dis, 2015,44(3):995-1005.

[27]Yu L, Sun L, Chen S. Protective effect of senegenin on splenectomy-induced postoperative cognitive dysfunction in elderly rats[J].Exp Ther Med, 2014,7(4):821-826.

[28]Dong X, Luo M, Huang G,et al. Relationship between irradiation-induced neuro-inflammatory environments and impaired cognitive function in the developing brain of mice[J].Int J Radiat Biol, 2015,91(3):224-239.

[29]Wardill HR, Mander KA, Van Sebille YZ,et al. Cytokine-mediated blood brain barrier disruption as a conduit for cancer/chemotherapy-associated neurotoxicity and cognitive dysfunction[J].Int J Cancer, 2016,139(12):2635-2645.

[30]Ma Y, Cheng Q, Wang E,et al. Inhibiting tumor necrosis factor-α signaling attenuates postoperative cognitive dysfunction in aged rats[J].Mol Med Rep, 2015,12(2):3095-3100.

[31]Yang N, Liang Y, Yang P,et al. TNF-α receptor antagonist attenuates isoflurane-induced cognitive impairment in aged rats[J].Exp Ther Med, 2016,12(1):463-468.

[32]Sun D, Yang L, Wu Y,et al. Effect of intravenous infusion of dobutamine hydrochloride on the development of early postoperative cognitive dysfunction in elderly patients via inhibiting the release of tumor necrosis factor-α[J].Eur J Pharmacol, 2014,741:150-155.

[33]Terrando N, Monaco C, Ma D,et al. Tumor necrosis factor-alpha triggers a cytokine cascade yielding postoperative cognitive decline[J].Proc Natl Acad Sci U S A, 2010,107(47):20518-20522.

[34]Barrientos RM, Hein AM, Frank MG,et al. Intracisternal interleukin-1 receptor antagonist prevents postoperative cognitive decline and neuroinflammatory response in aged rats[J].J Neurosci, 2012,32(42):14641-14648.

Effect of Electroacupuncture on Cognition and Hippocampal TNF-α and IL-1β Expressions in Rats with Postoperative Cognitive Dysfunction

LIU Pei-rong,ZHANG Yu,GUI Min,DIAO Shu.Seventh People’s Hospital of Shanghai University of TCM,Shanghai200137,China

Objective To observe the effect of electroacupuncture (EA) on the cognition and hippocampal tumor necrosis factor (TNF)-α and interleukin (IL)-1β expressions in rats with postoperative cognitive dysfunction (POCD),and discuss the action mechanism of EA. Method Ninety healthy male senile Sprague-Dawley (SD) rats were randomized into a sham operation group (group C), an operation group (group S) and an EA group (group Z), 30 rats in each group. Each group was then further divided into 3 subgroups: postoperative day 1, postoperative day 3 and postoperative day 7. The Morris water maze was adopted to evaluate the cognitive function, and immunochemistry method was used to detect the changes of TNF-α and IL-1β. Result Compared with group C at the same time points, the latent period was significantly longer and the crossing times were lower in group S on postoperative day 1, day 3 and day 7 (P＜0.05), and the differences were most significant on postoperative day 3;compared with group S at the same time points, the latent period was significantly shorter and the crossing times were higher in group Z on postoperative day 1, day 3 and day 7 (P＜0.05). Compared with group C at the same time point,the positive expressions of TNF-α and IL-1β were significantly higher in group S (P＜0.05); compared with group S at the same time points, the positive expressions were significantly lower in each subgroup of group Z (P＜0.05).Conclusion EA can improve the learning and memory of rats after left lateral segmentectomy of the liver, which ispossibly related to the inhibition of the over-expressions of TNF-α and IL-1β.

Electroacupuncture; Cognitive impairment; Morris water maze; TNF-α; IL-1β; Rat; Digestive system surgical procedures

R2-03

A

2017-05-14

10.13460/j.issn.1005-0957.2017.09.1116

1005-0957(2017)09-1116-05

上海市衛計委面上項目(20134286);上海市浦東新區學科帶頭人培養計劃(PWRd2016-17)

劉佩蓉(1976—),女,副主任醫師,碩士,Email:lpeir@126.com

刁樞(1963—),男,主任醫師,Email:diao_shu@126.com