褪黑素對體外腦缺氧模型中神經(jīng)干細胞的作用及機制研究.pdf

1、褪黑素melatonin(5-methoxy-N-acetyltryptamine)，是一種廣泛存在的小分子吲哚胺類物質，從單細胞藻類到靈長類動物都有存在。在哺乳動物體內是一種主要由松果體合成分泌的神經(jīng)內分泌激素，是存在于從藻類到人類等眾多生物中的一種荷爾蒙，它在生物體內的含量水平隨每天的時間變化而變化。褪黑素的分泌受晝夜節(jié)律性的調節(jié)，分泌高峰主要出現(xiàn)在夜晚，而白天分泌減少。調節(jié)褪黑素分泌晝夜節(jié)律性的主要中樞位于下丘腦的視交叉上核(su

2、prachiasmaticnuclei，SCN)，主要通過多突觸連接來調節(jié)松果體的功能。由于褪黑素是一種脂溶性激素，所以它不但可以通過血腦屏障，而且可以通過下丘腦屏障直達中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮效應，尤其在各種腦損傷中，褪黑素更是通過損傷的血腦屏障直達中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮效應。在人體內可參與調節(jié)多個系統(tǒng)的功能。最近的研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素受體在不同發(fā)育程度的大鼠胚胎中樞神經(jīng)系統(tǒng)的多個區(qū)域均有表達，且在小鼠NSCs，神經(jīng)元和膠質細胞上都有褪黑素受體(mel

3、atonin receptor)的表達。這些研究結果表明褪黑素可能參與調節(jié)了神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育。
　　 氧是細胞能量代謝的重要底物，是細胞新陳代謝的重要調控環(huán)節(jié)，機體一系列的病理狀態(tài)均伴隨缺氧的發(fā)生，其中腦組織對氧的需求量大，而儲存量又很少，所以中樞神經(jīng)系統(tǒng)對缺氧最為敏感，耐受性低。缺氧會影響干細胞生存的微環(huán)境狀態(tài)，雖暫時性促進NSCs增殖，卻最終抑制了NSCs的增殖，使其增殖數(shù)量減少，且使其分化不良。NSCs是指神經(jīng)系統(tǒng)中具有干細

4、胞特征的細胞群體，能自我更新和分化，可分化為神經(jīng)元、星型膠質細胞和少突膠質細胞等細胞群，用于各種腦損傷和退行性病變的治療。但是，褪黑素對缺氧損傷的神經(jīng)干細胞有沒有作用，有什么樣的作用，以及其可能的機制是什么，至今尚未見報道。
　　 因此，我們利用NSCs體外缺氧模型來模擬腦缺氧環(huán)境，采用MTT，免疫熒光、RT-PCR和Western blot等技術方法，研究褪黑素對體外缺氧NSCs的作用及其可能發(fā)揮作用的作用機制。
　　

5、 一、NSCs的分離、培養(yǎng)和擴增
　　 NSCs體外培養(yǎng)成功與否取決于動物種屬、年齡、取材部位、接種密度、培養(yǎng)基營養(yǎng)條件及促有絲分裂因子的選擇等。研究發(fā)現(xiàn)，相比于新生鼠和成年鼠，胚胎鼠腦皮質中NSCs含量最高，且胚胎來源的NSCs體外分離培養(yǎng)時具有更高的擴增能力和分化潛能。其中胎齡12-15天的胚胎中NSCs的增值分化潛能處于高峰。
　　 實驗選用了孕12.5天的小鼠胚胎體外分離培養(yǎng)NSCs，在體視鏡下分離胚胎神經(jīng)管前端

6、腦泡，經(jīng)機械吹打獲取細胞懸液，接種于無血清的神經(jīng)干細胞培養(yǎng)基，獲得神經(jīng)前體細胞(neuralprogenitor cells，NPCs)，應用5-溴-2-脫氧尿嘧啶核苷(5-bromo-2-deoxyuridine，BrdU)標記以及巢蛋白(Nestin)免疫熒光染色技術檢測其增殖和更新能力，采用神經(jīng)元特異性抗體微管相關蛋白2(microtubuleassociated protein2，MAP2)和神經(jīng)膠質細胞特異性抗體膠質原纖維酸性

7、蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)免疫熒光染色法檢測了其分化情況。實驗顯示，獲得的是具有增殖能力和分化潛能的神經(jīng)前體細胞，可以用于后續(xù)實驗研究。實驗結果顯示，我們體外分離培養(yǎng)的神經(jīng)干細胞具有較好的增值能力和自然分化能力，完全可以用于后續(xù)的實驗研究。
　　 二、褪黑素對體外缺氧NSCs增殖分化的影響
　　 為了研究不同濃度褪黑素對NSCs細胞活性的影響，我們用MTT法檢測細胞活

8、性來篩選了最佳的藥物濃度，實驗設置0，1 nm，10 nm，100 nm，1μm，10μm，100μm七個濃度梯度，結果顯示，特定濃度的褪黑素可提高NSCs的細胞活性，而且該作用呈現(xiàn)一定的劑量依賴關系，當褪黑素的濃度達到100nM時，細胞的活性最高，所以我們選用100nM的褪黑素濃度作為后續(xù)實驗的藥物濃度。
　　 體外模擬腦缺氧模型，體外培養(yǎng)的NSCs體外缺氧12h作為模擬腦缺氧的體外模型，利用MTT檢測了缺氧后NSCs的細胞活

9、性，結果顯示體外缺氧后NSCs細胞活性明顯降低，說明神經(jīng)干細胞體外缺氧模型是成功的。我們把實驗分為四個組，正常對照組(CT)，正常加藥組(CT+MT)，缺氧組(Hy)，缺氧加藥組(Hy+MT).各個對照組和處理組之間均存在顯著性差異，說明褪黑素可顯著提高細胞的細胞活性。且褪黑素對神經(jīng)干細胞的增殖的促進作用在缺氧后的第3天最明顯。后我們又通過BrdU摻入實驗來檢測褪黑素對體外缺氧神經(jīng)干細胞增殖作用的影響，缺氧后四組細胞分別在缺氧后第3天檢

10、測細胞增殖，BrdU免疫熒光染色結果顯示干細胞的增殖高峰在第3天。
　　 對于NSCs體外缺氧處理后，分成上述四組進行體外誘導分化實驗，分別在分化的第3，5，7，9天進行GFAP和MAP2的免疫熒光染色標記分化的細胞，染色后計數(shù)陽性細胞數(shù)，并進行統(tǒng)計學分析，結果顯示缺氧明顯抑制了NSCs向神經(jīng)元方向的分化，而褪黑素則有效補救了這一后果，明顯促進了NSCs向神經(jīng)元方向的分化。褪黑素對向星形膠質細胞的分化沒有明顯變化，但卻可以明顯促

11、進向少突膠質細胞的分化，使膠質細胞的分化明顯提前。
　　 三、褪黑素影響體外缺氧NSCs增殖分化的機制研究
　　 為了研究褪黑素促進NSCs增殖的機制，我們檢測了NSCs表面的受體表達情況，分別從基因和蛋白的水平上檢測到了褪黑素Ⅰ型受體的表達。而MAPK信號通路是褪黑素作用與神經(jīng)系統(tǒng)的重要信號通路，MAPK又是調節(jié)細胞增殖分化的主要信號通路。我們再加入褪黑素處理后的5、15、30、60和75 min四個時間點收集NSCs

12、，通過Western blot檢測了ERK1/2和p-ERK1/2蛋白的表達狀況。結果顯示，ERK1/2可被褪黑素所激活，而活化型ERK1/2即p-ERK1/2的水平在5min開始升高，至30 min到達到高峰，之后開始下降，至75 min接近正常水平，而細胞內總的ERK1/2的水平則沒有明顯變化。加入褪黑素受體的抑制劑(Luzindole)后，p-ERK1/2的活化水平和細胞的增殖率均明顯低于單純褪黑素作用組，而和對照組水平接近。這表

13、明，褪黑素確可通過與NSCs表面的褪黑素受體結合，通過誘導ERK1/2的快速磷酸化，調節(jié)細胞的增殖。提示ERK1/2的活化參與了褪黑素對體外缺氧NSCs增殖的促進作用。
　　 為了研究褪黑素對體外缺氧NSCs分化的可能機制，我們應用RT-PCR方法檢測了與NSCs分化密切相關的bHLH家族主要轉錄因子的表達變化，結果顯示，Neurog1、NeuroD2、Mash1、Id1和Hes5的mRNA水平與對照組相比均有顯著升高。其中Ne

14、urog1、NeuroD2、Mash1和Id1四個轉錄因子不僅mRNA水平高于對照，并且在褪黑素處理組的峰值均比對照組提前出現(xiàn)。
　　 四、褪黑素對體外缺氧NSCs凋亡的影響機制研究
　　 以往的研究顯示，褪黑素有神經(jīng)保護作用，但其分子機制不明。本研究采用體外缺氧的方法，建立穩(wěn)定的體外缺氧模型。結果顯示，褪黑素治療組同對照組相比細胞凋亡的數(shù)量明顯降低，與以往的研究結果相一致。為了探討褪黑素抑制細胞凋亡的機制，我們檢測了B

15、cl-2、Bax和Caspase3的蛋白表達水平，結果顯示，褪黑素處理組活化型caspase-3和Bax的表達水平明顯低于體外缺氧處理組，Bcl-2蛋白則明顯升高，提示Caspase3、Bax和Bcl-2共同參與了褪黑素對體外缺氧后NSCs的抗凋亡作用。
　　 結論：
　　 褪黑素能促進體外缺氧的NSCs的細胞活性，并表現(xiàn)出一定的劑量依賴性。褪黑素能促進體外缺氧的NSCs的增殖，并上調ERK1/2的蛋白磷酸化。褪黑素能調