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1、目的:稀土元素(rare earth elements,REEs)包括輕稀土元素,以鑭、鈰為代表和以釔、镥為代表的重稀土元素。鑭(Lanthanum,La),緣于其性質(zhì)活潑和在自然界中較為豐富被作為研究REEs毒作用的代表物質(zhì)。研究已經(jīng)表明REEs可經(jīng)口,呼吸道和皮膚吸收等途徑進(jìn)入機(jī)體,并在多種組織器官中蓄積。Feng的研究發(fā)現(xiàn)大鼠連續(xù)6w經(jīng)灌胃攝入氯化鑭(lanthanum chloride,LaCl3)(2 mg/kgBW/day)
2、后,海馬中的La含量為0.014±0.007μg/g。自孵化期E9至E16每日注射2 mg/kg LaCl3后,小雞大腦中的La可達(dá)0.029±0.011μg/g。仔鼠自孕期至斷乳后經(jīng)飲水染La(0.5% LaCl3)后大鼠海馬中鑭含量接近0.04μg/g。據(jù)此,認(rèn)為鑭可穿透血腦屏障進(jìn)入大腦組織并在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)中蓄積。小劑量的稀土元素可引起hormesis效應(yīng),然而高劑量可對(duì)機(jī)體多
3、系統(tǒng)多臟器造成損害,其中神經(jīng)系統(tǒng)相較于其他組織和器官更為敏感。流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示居住于稀土礦區(qū)的兒童,其血REEs含量達(dá)2.18±1.08 ng/g時(shí)會(huì)表現(xiàn)出智商和認(rèn)知水平明顯下降,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明,REEs可導(dǎo)致CNS發(fā)育缺陷。鑭暴露后小雞的長(zhǎng)期記億受到損傷。Morris water maze試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),與對(duì)照組相比,亞慢性暴露于LaCl3的大鼠的學(xué)習(xí)記憶能力顯著下降。以上的研究表明鑭具有明顯的神經(jīng)毒性。因此,隨著REEs的普遍應(yīng)用,
4、腦中累積的鑭對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的損害作用不容忽視,但其確切的機(jī)制至今仍不清楚。
有研究顯示LaCl3可造成原代培養(yǎng)大鼠大腦皮層星形膠質(zhì)細(xì)胞的嚴(yán)重?fù)p傷,而且LaCl3可誘發(fā)原代培養(yǎng)大鼠大腦皮層神經(jīng)元胞內(nèi)產(chǎn)生過(guò)量的活性氧(reactiveoxygen species,ROS)。ROS水平過(guò)高是組織細(xì)胞內(nèi)發(fā)生氧化應(yīng)激的一個(gè)重要標(biāo)志。核因子NF-E2相關(guān)因子(nuclear factor erythroid2-related factor,
5、Nrf2)-抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant response element,ARE)信號(hào)通路是組織細(xì)胞應(yīng)答氧化應(yīng)激反應(yīng)最重要的防御體系之一。一旦暴露于ROS,Nrf2就會(huì)與其胞漿內(nèi)抑制蛋白(Kelch-like ECH-associated protein1,Keap1)解離,轉(zhuǎn)位入核,與小MAF蛋白結(jié)合形成異二聚體后再綁定于ARE序列,從而驅(qū)動(dòng)Nrf2依賴(lài)性基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá),這包括解毒酶類(lèi)和抗氧化酶類(lèi)基因。例如血紅素加氧合酶
6、1(haemeoxygenase1,HO-1),依賴(lài)還原型輔酶醌氧化還原酶1(NADP(H): dehydrogenasequinone1,NQO1),γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-glutamylcysteine synthethase,γ-GCS),谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(glutathione S transferase,GST),超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD),谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathi
7、one peroxidase,GSH-Px),谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase,GR)等,在神經(jīng)細(xì)胞抵御由化學(xué)毒物引發(fā)的氧化損傷方面發(fā)揮極為重要的作用。Nrf2-ARE信號(hào)通路活化可拮抗H2O2誘發(fā)的大鼠大腦星形膠質(zhì)細(xì)胞凋亡和壞死,增加神經(jīng)元對(duì)谷氨酸毒性的耐受能力,而Nrf2缺失或活化受抑的神經(jīng)細(xì)胞會(huì)增加對(duì)化學(xué)毒物所致的氧化損傷、鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)和線(xiàn)粒體損傷的敏感性。更為有趣的是,有研究顯示Nrf2和其下游的信號(hào)分子
8、與學(xué)習(xí)記憶過(guò)程有很大的相關(guān)性?;谝陨系难芯拷Y(jié)果,本次研究采用整體動(dòng)物與體外細(xì)胞培養(yǎng)相結(jié)合的方法,應(yīng)用神經(jīng)行為學(xué)、組織病理學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)等技術(shù)手段,從ROS生成水平,Nrf2-ARE信號(hào)通路活化狀態(tài)以及抗氧化酶的活性與、表達(dá)調(diào)控等不同層面探討鑭對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的損傷與Nrf2-ARE信號(hào)通路之間是否存在聯(lián)系,為進(jìn)一步闡明鑭的神經(jīng)毒作用機(jī)制,尋找有效干預(yù)的分子靶點(diǎn)提供更新的試驗(yàn)資料與科學(xué)依據(jù)。
研究方法:整體動(dòng)物試驗(yàn),由實(shí)驗(yàn)
9、動(dòng)物中心(中國(guó)醫(yī)科大學(xué))提供的健康成年Wistar大鼠總計(jì)100只(雌性∶雄性=1∶1),體重260±10g,于動(dòng)物室飼養(yǎng)1w左右以適應(yīng)周?chē)h(huán)境。根據(jù)隨機(jī)化原則將雌鼠分為對(duì)照組和少,低,中,高劑量染鑭組,每組10只動(dòng)物。將雌性和雄性大鼠按照1∶1同籠進(jìn)行交配,次日清晨發(fā)現(xiàn)陰栓或陰道分泌物鏡檢有精子者記為妊娠第0d,然后孕鼠單籠飼養(yǎng)并自由攝水。各組子一代大鼠自出生后分別暴露于含0,0.125% LaCl3,0.25% LaCl3,0.5%
10、 LaCl3,1.0% LaCl3的蒸餾水溶液。子代大鼠在斷乳前經(jīng)由吸吮母乳染鑭,斷乳后則通過(guò)自行飲水?dāng)z入相應(yīng)濃度的LaCl3蒸餾水溶液,至斷乳后2個(gè)月結(jié)束,進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定。采用Morris水迷宮測(cè)定仔鼠的學(xué)習(xí)記憶能力,采用透射電子顯微鏡技術(shù)觀(guān)察仔鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)變化,采用DCFH-DA熒光探針檢測(cè)海馬神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)ROS水平,采用real time PCR法和western blot方法檢測(cè)仔鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)Nrf2,NQO1,H
11、O-1,γ-GCS,GST,SOD,GSH-Px1,GR mRNA轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)水平。
體外試驗(yàn)使用出生24 h之內(nèi)的wistar仔鼠進(jìn)行大腦皮層神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞的原代培養(yǎng)。采用神經(jīng)元特異性烯醇化酶(neuron-specific enolase,NSE)和神經(jīng)膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)鑒定神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞。采用DCFH-DA熒光探針檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)ROS水平
12、,采用AnnexinⅤ/PI雙染測(cè)定細(xì)胞凋亡/壞死率,采用細(xì)胞免疫熒光法觀(guān)察Nrf2核轉(zhuǎn)位水平變化,采用real time PCR法和western blot方法檢測(cè)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)Nrf2,NQO1,HO-1,γ-GCS,GST,SOD mRNA轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)水平。使用Nrf2蛋白穩(wěn)定劑叔丁基對(duì)苯二酚(Tert-Butylhydroquinone,tBHQ)干預(yù)后,對(duì)上述各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行再次測(cè)定,驗(yàn)證鑭所致氧化應(yīng)激與Nrf2-ARE
13、信號(hào)通路的關(guān)聯(lián)及其對(duì)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞的不利影響。
結(jié)果:1、LaCl3對(duì)仔鼠學(xué)習(xí)記憶能力的影響。Morris水迷宮定位航行試驗(yàn)中,隨著染鑭劑量增加,仔鼠找到水下平臺(tái)的潛伏期和游泳距離逐漸增加;與對(duì)照組相比,仔鼠尋找平臺(tái)的路徑表現(xiàn)出雜亂,無(wú)目的性,用時(shí)增加,游泳距離增長(zhǎng)。在空間探索試驗(yàn)中,染鑭組仔鼠在目標(biāo)象限的停留時(shí)間和穿越目標(biāo)象限的次數(shù)明顯低于對(duì)照組,搜索平臺(tái)策略目的性降低,甚至很少進(jìn)入目標(biāo)象限。2、LaCl3對(duì)仔鼠海馬神
14、經(jīng)細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)照組仔鼠海馬內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整,胞質(zhì)內(nèi)細(xì)胞器較豐富,棒狀或球狀的線(xiàn)粒體分布于胞漿內(nèi),豐富的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)周?chē)街S多呈小顆粒狀的核糖體,高爾基體表現(xiàn)正常,多個(gè)扁平樣囊泡堆積,周?chē)⒉贾虼蠡蛐〉倪\(yùn)輸小泡,核膜邊緣光滑連續(xù)完整;染鑭組仔鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng),高爾基體,線(xiàn)粒體均受到損傷,表現(xiàn)為數(shù)量減少,線(xiàn)粒體出現(xiàn)空泡樣變化,溶酶體內(nèi)內(nèi)體數(shù)量增多,核膜邊緣凹凸不平,核膜連續(xù)性受到損傷。3、LaCl3對(duì)神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)ROS、MDA水
15、平,GSH含量,抗氧化酶活力的影響。體內(nèi)、體外實(shí)驗(yàn)中,LaCl3可造成神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)ROS過(guò)量產(chǎn)生,MDA水平增加,GSH含量減少,抗氧化酶活力減弱。4、LaCl3對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞凋亡率/壞死率影響。體外實(shí)驗(yàn)中,隨著LaCl3處理濃度的增加,星形膠質(zhì)細(xì)胞凋亡率/壞死率逐漸增加。5、LaCl3對(duì)Nrf2-ARE信號(hào)通路及其靶基因表達(dá)水平的影響。隨著染鑭劑量的增加,Nrf2及其靶基因的mRNA轉(zhuǎn)錄和蛋白的表達(dá)水平逐漸減少,明顯低于對(duì)照組。6、使用
16、Nrf2的穩(wěn)定劑tBHQ后,Nrf2信號(hào)通路被活化,促進(jìn)抗氧化酶活力表達(dá),拮抗鑭對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的損傷作用。
結(jié)論:1、鑭可使仔鼠的空間學(xué)習(xí)記憶能力下降。2、體內(nèi)、體外試驗(yàn)中,鑭可使神經(jīng)細(xì)胞ROS、MDA水平增加,GSH含量減少,抗氧化酶活力降低。3、鑭可干擾Nrf2-ARE信號(hào)通路,下調(diào)其靶基因的表達(dá)水平。4、鑭可明顯影響神經(jīng)元超微結(jié)構(gòu),并使神經(jīng)細(xì)胞的凋亡率/壞死率明顯升高。5、使用Nrf2的穩(wěn)定劑tBHQ,可活化Nrf2信號(hào)通路
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