輔酶Q10通過抑制炎癥損傷及細胞凋亡保護創傷性顱腦損傷

鄭銳哲 毛旻韜 楊西濤 劉玉梅

1上海交通大學醫學院附屬同仁醫院（上海200336）；2上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院（上海201999）

創傷性顱腦損傷（traumatic brain injury，TBI）是一個重要的公共衛生問題，TBI 的發生率約為5000 萬人次/年［1-2］。由于世界上大約一半的人口在其一生中可能經歷一次或多次TBI，TBI 成為當今社會最主要的致殘及致死性疾病之一，帶來嚴重的家庭及社會負擔。TBI 發生后，腦組織發生一系列變化，包括線粒體功能障礙、氧化應激、細胞凋亡、炎癥損傷反應，而這些病理變化會進一步加重腦組織損傷［3-9］。而炎癥損傷、細胞凋亡等已成為TBI 發生進展的重要環節。如何有效阻止TBI后的炎癥損傷、細胞凋亡等二次損傷對TBI 后神經保護及功能恢復具有重要意義。

輔酶Q10（CoQ10）是有氧氧化呼吸鏈中不可或缺的電子傳遞體，其作為細胞內不可或缺的內源性親脂抗氧化劑，調控著線粒體的功能發揮［10-12］。有研究表明：CoQ10 對腦缺血再灌注損傷、阿爾茨海默病（AD）、帕金森病（PD）及亨廷頓病（HD）等神經退行性疾病起到一定的治療作用，這得益于其對抗氧化應激損傷，進而增強線粒體的能量代謝的治療效果［12-15］。然而，針對于CoQ10 對TBI 后腦組織的保護作用的研究甚少。因此，本研究擬采用TBI 小鼠作為研究對象，通過給予不同劑量的CoQ10 干預，評估其神經行為學得分，檢測腦組織中TNF-α、IL-6、IL-1β炎癥因子的水平、凋亡蛋白Bcl-2、Bax 和c-Caspase3 蛋白以及軸突再生蛋白GAP43 的表達情況，來探討CoQ10 對TBI 小鼠潛在的保護作用及相關機制，現報告如下。

1 材料與方法

1.1 動物及試劑雄性C57 小鼠均為8 ～10 周，體質量20 ～25 g，購買自上海南方模式生物研究中心。CoQ10 購自衛材（中國）藥業有限公司；反轉錄和實時定量PCR 試劑盒購于TaKaRa 公司。實驗所用引物均由生工生物工程（上海）股份有限公司合成。

1.2 分組及給藥小鼠隨機分為4 組：假手術組（sham）、創傷性顱腦損傷組（TBI）、CoQ10 低劑量組（LDG）和高劑量組（LHQ）。LDG 和HDG 組于造模后予以灌胃給藥，劑量分別為10 mg/（kg·d）和30 mg/（kg·d），連續給予1 周。

1.3 模型建立本實驗選用經典的控制性腦皮質損傷（CCI）小鼠模型［16］，具體步驟如下：腹腔注射5%水合氯醛（0.01 mL/g）對入組小鼠進行麻醉，隨后將其固定于立體定向儀上，于無菌條件下作正中切口切開小鼠頭皮，無菌鑷分離頭皮后采用骨膜剝離子剝離骨膜；采用電鉆在人字縫與右側冠狀縫之間、中線旁開2 mm 處進行顱骨鉆孔，骨窗大小約為徑3 mm，暴露出完整的硬腦膜；采用精細顱骨撞擊儀設定打擊參數（打擊時間均為100 ms；打擊深度1.5 mm；打擊速度均為1.5 m/s）。打擊后對小鼠進行骨瓣還納入，最后縫合小鼠頭皮。本研究中的假手術組小鼠在去除骨瓣后不進行打擊，其余處理同手術組。為減少操作差異性帶來的誤差，腹腔內藥物注射及TBI 建模均由同一操作者進行。

1.4 Western blot 實驗對小鼠進行腹腔注射水合氯醛麻醉藥后，即斷頭取腦，顯微鏡下分離出損傷側皮層組織，加入預冷的含有蛋白酶抑制劑PMSF 的細胞裂解液RIPA，冰上超聲時間為2 min，隨后12 000× g 離心后取上清液，采用分光光度計進行蛋白濃度定量。取8 μg 的蛋白樣品進行10% SDS-PAGE 電泳，之后濕轉至PVDF 膜，采用5%脫脂奶粉封閉此PVDF 膜1 h。加入一抗4 ℃孵育過夜；TBST 洗膜3 次后，加入相應二抗，隨后進行孵育1 h；在TBST 洗膜3 次后，采用ECL 化學發光法顯色，同時采用Tanon 4500 自動化學發光圖像分析系統掃描并分析結果。實驗中所用一抗如下：兔Bax 抗體（1∶1 000 稀釋，美國CST，貨號14796）、小鼠Bcl-2 抗體（1∶1 000 稀釋，美國CST 公司，貨號15071），兔Cleaved Caspase-3 抗體（1∶500 稀釋，美國CST 公司，貨號9664），兔單克隆GAP4 抗體（1∶1 000 稀釋，美國abcam 公司，貨號ab75810）。所用二抗均購于碧云天生物技術有限公司，辣根過氧化物酶標記的抗小鼠（1∶2 000稀釋，貨號A0216）及山羊抗兔（1∶2 000 稀釋，貨號A0208）。

1.5 實時熒光定量PCR采用TRIzol 法提取各組皮層組織總RNA 后，采用NanoDrop 對RNA 的濃度及質量測定。取2 μg RNA 進行反轉錄為cDNA，具體參照逆轉錄試劑盒的操作步驟。實時熒光定量PCR 反應在Thermo RT-qPCR 儀進行。操作步驟說明如下：每個反應設3 個復孔。根據實時熒光定量擴增曲線測得目的基因及內參基因的Ct 值，用GAPDH 標準化目的基因的表達水平，通過2-△△Ct法分析，重復實驗3次。實驗中所用引物序列設計如下：TNF-α：正向（GGAACACGTCGTGGGATAATG），反向（GGCAGACTTTGGATGCTTCTT）、IL-6：正向（TCTATA-CCACTTCACAAGTCGGA），反向（GAATTGCCATTGCACAACTCTTT）、IL-1β：正向（GCAACTGTTCCTGAACTCAACT），反向（ATCTTTTGGGGTCCGTCAACT）、GAPDH：正向（AGGTCGGTGTGAACGGATTTG），反向（TGTAGACCATGTAGTTGAGGTCA）。

1.6 改良神經功能缺損評分在CCI 損傷后的1、3、7、14 d 采用改良的神經功能缺損評分表（modified neurological severity scores，mNSS）對小鼠進行功能評定，具體包括行走測試、感覺實驗、提尾實驗、平衡木實驗、反射缺失和不正常運動實驗。

1.7 轉棒實驗（Rota-Rod test）在CCI損傷后14 d對小鼠進行轉棒實驗功能評估。具體如下：將損傷后的小鼠置于測試儀器上，首先給予30 s 的時間適應，然后啟動轉棒式疲勞儀，讓小鼠在轉速為5 r/min 的轉棒上爬行90 s。隨后調整轉速為16 r/min，同時完成記時，采用紅外裝置監測小鼠從轉棒的跌落，同時自動停止記時，最后記錄小鼠在轉桿上運動的具體時間，以及小鼠第一次從轉棒上跌落的時間（潛伏期）。

1.8 統計學方法采用Quantity one 軟件處理Western blot 結果，數據以均數±標準誤顯示，使用SPSS 22.0 統計軟件包作統計分析，多組間進行用單因素方差分析，以P＜0.05 表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 CoQ10 可降低TBI 后炎癥因子的表達用實時熒光定量PCR 方法檢測CoQ10 對TBI 后炎癥因子表達的影響。結果顯示：與Sham 相比，TBI 組炎癥指標TNF-α、IL-6、IL-1β炎癥因子表達明顯上調（P＜0.001）；與TBI 組相比，LDG 組和HDG 組的TNF-α、IL-6、IL-1β炎癥因子表達顯著降低，差異均有統計學意義（P＜0.001），見圖1。

圖1 Real-time PCR 檢測不同組小鼠皮層組織中炎癥因子TNF-α、IL-6、IL-1β 的mRNA 水平Fig.1 Evaluating the mRNA levels of TNF-α，IL-6 and IL-1β in cortex of mice in different groups by Real-time PCR

2.2 CoQ 可抑制TBI 后細胞凋亡與Sham 組相比，TBI 組Bax 和c-Cas3 蛋白表達顯著增加，Bcl-2蛋白表達顯著降低，同時Bcl-2/Bax 比率顯著降低，差異有統計學意義（P＜0.001）。與TBI 組相比，LDG組和HDG組Bax和c-Cas3蛋白表達顯著降低，Bcl-2蛋白表達顯著增加，同時Bcl-2/Bax 比率顯著升高，差異有統計學意義（P＜0.001），提示低劑量或高劑量CoQ 均能改善凋亡蛋白的表達，阻止細胞凋亡，見圖2、3。

2.3 CoQ10可上調TBI后神經再生蛋白GAP43的表達CoQ10 處理組（LDG 和HDG）GAP43 mRNA及蛋白表達量較TBI 組顯著增加（P＜0.001），見圖4。

圖2 Western blot 檢測各組Bcl-2、Bax 蛋白表達水平Fig.2 Detecting the protein levels of Bcl-2 and Bax in different groups by Western blot

圖3 Western Blot 檢測各組c-Caspase3 蛋白表達水平Fig.3 Detecting c-Caspase3 protein level in different groups by Western blot

2.4 CoQ10 處理可部分改善TBI 后神經功能改良神經功能損傷評分（mNSS）結果顯示：與TBI 組相比，CoQ10 治療可以明顯降低腦外傷CCI 造模后7 和14 d 的mNSS 評分數值，且隨著時間的延長，效果逐漸明顯；而且HDG 組小鼠mNSS 評分改善更加明顯。轉棒實驗結果發現，TBI 后CoQ10 處理組小鼠在轉棒上停留的時間相對TBI 小鼠延長（P＜0.001），見圖5。

圖4 Real-time PCR 及Western Blot 檢測各組GAP43 蛋白表達水平Fig.4 The mRNA and protein levels of GAP43 in different groups were detected by Real-time PCR and Western Blot

圖5 CoQ10 可降低TBI 后mNSS 評分、增加TBI 小鼠的轉棒實驗時間Fig.5 Treatment with CoQ10 can reduce the mNSS score and increase the time in Rota-Rod test

3 討論

在TBI 損傷后的腦組織存在復雜的變化，其主要受到氧化應激反應、線粒體功能障礙、細胞凋亡及炎癥損傷、鈣超載、自由基增多和脂質過氧化等多種作用機制的調控［3-8］。由于腦組織中的不飽和脂肪酸含量相對豐富，導致其極易發生脂質過氧化反應，并且腦組織中的抗氧化酶含量少，加重了其損傷的程度［3-8］。大量證據［3-4，7-8］表明，神經炎癥是TBI 后繼發性腦損傷的重要因素，TBI 后出現的一系列炎癥反應：如單核細胞增多、中性粒細胞浸潤及淋巴細胞減少，在繼發性腦損傷過程中起重要作用［3，7］。此外，腦組織中炎癥細胞的聚集，進而誘發炎癥因子的釋放，更進一步的加重了腦損傷［3，7，17］。相關性分析結果顯示，TNF-α 和白細胞介素（主要IL-6、IL-8、IL-1β等）是與腦損傷相關的炎性因子［3，7，17］。TNF-α主要由神經膠質細胞在應激性過程中產生［3，7，17］，其在腦損傷加重的過程中起重要作用。有研究表明，CoQ10 可以通過降低腦組織的TNF-α的水平，進而保護神經膠質細胞［18］。本研究結果顯示，CoQ10 不僅顯著降低腦組織中TNF-α ，而且降低IL-1β、IL-6 的表達，表明CoQ10 可減少炎癥細胞釋放炎癥因子，進而對神經細胞起保護作用。

TBI 后，過度的氧化應激反應及炎癥損傷可誘發神經細胞的凋亡，最終導致神經功能障礙的發生［18］。在此過程中，Bax 基因作為促進凋亡的核心基因，其表達主要通過促使細胞色素C 穿越線粒體內膜，激活caspase 的級聯放大反應，實現神經細胞凋亡的促進作用［19-20］；而Bcl-2 基因則是抑制凋亡的核心基因，其表達主要通過與Bax 基因結合形成異源性二聚體，實現對Bax 基因的抑制作用，進而抑制進一步的級聯反應，抑制Bax 基因的促凋亡活性［19-21］。實際情況下，Bax 基因與Bcl-2 基因的表達比例實現細胞在接受信號刺激后的結局為生存/死亡的精準調控。此外，Caspase-3 基因在上述神經細胞凋亡的極聯反應通路中位居核心，其表達與激活決定了凋亡的信號通路的傳導［20，22］。本實驗結果顯示，TBI 后腦組織中Bcl-2/Bax 基因比率下調，呈現損傷后凋亡激活，而給予CoQ10后，Bcl-2基因表達明顯升高、Bax 及c-Caspase3 基因表達顯著降低，Bcl-2/Bax 比率顯著升高，這表明CoQ10 可抑制凋亡信號，具有神經保護作用。

過度的炎癥激活不僅可導致細胞的凋亡，也能阻礙神經可塑性，不利于軸突生長［4，8，23］。而神經細胞的存活及神經再生是神經功能康復的基礎。本研究發現CoQ10 可上調神經再生標記物GAP43，表明CoQ10 可改善神經再生能力。一方面可能是殘存的神經元增多所致；一方面可能是抑制炎癥損傷后，改善神經損傷后的微環境有利于神經再生所致。通過行為學評估TBI 小鼠的神經功能情況，發現CoQ10 可部分改善TBI 后的神經功能障礙，這一結果可能是因為其對炎癥損傷的抑制及細胞凋亡的保護作用。

綜上所述，TBI 后CoQ10 處理可減少TBI 后腦組織中炎癥因子的表達，進而減低細胞凋亡，促進神經細胞再生及部分神經功能康復，對防治TBI后的繼發性腦損傷可能具有良好的應用前景，但此類作用的定量機制及關聯效應有待更進一步研究，總之，這一理論依據為臨床TBI 治療策略的優化提供了新契機。