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低剂量对乙酰氨基酚(APAP)通过抗氧化和抗炎机制保护D-半乳糖诱导的加速衰老模型中的神经元免受氧化应激和神经炎症损伤
《Scientifica》:Low-Dose Paracetamol Treatment Protects Neuronal Oxidative Stress and Neuroinflammation in D-Galactose-Induced Accelerated Aging Model
【字体: 大 中 小 】 时间:2025年09月20日 来源:Scientifica 3.1
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本研究揭示低剂量对乙酰氨基酚(APAP,15和50 mg/kg)在D-半乳糖(D-gal)诱导的加速衰老小鼠模型中,通过降低脑内MDA水平、抑制NOX4表达、调节炎症因子(TNF-α、IL-1β、IL-10)平衡,显著减轻神经元损伤,其神经保护效应与维生素E(Vit E)相当,为神经退行性疾病的防治提供了新策略。
全球老龄化人口逐渐增加,预计到2050年将达到21亿。衰老是涉及结构和功能逐渐衰退的自然过程,可发展为与高龄相关的严重疾病,如心血管疾病和神经系统疾病。高龄还与阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)和血管性痴呆的发病风险增加有关。在众多解释衰老过程的理论中,氧化应激增加被广泛认为是导致衰老的一个因素,可引起细胞、组织和器官的损伤。衰老过程中过量产生的活性氧(ROS)会损害蛋白质、脂质和DNA等细胞组分,进一步导致细胞结构和功能的恶化,最终造成细胞损伤和丢失。
在大脑中,氧化应激升高与神经营养因子下调和突触功能障碍密切相关,这两者都是与认知衰退相关的关键因素。此外,增加的氧化应激可改变多种炎症细胞因子的水平,从而促进炎症反应。衰老过程中,抗炎细胞因子如白细胞介素-10(IL-10)和转化生长因子-β(TGF-β)的波动,以及促炎细胞因子如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白细胞介素-1β(IL-1β)的上调,在海马体、皮层、杏仁核和丘脑等多个脑区均有报道。这些细胞因子的改变,结合升高的氧化应激,与AD和PD等神经退行性疾病的发生和发展密切相关。因此,具有抗氧化和抗炎特性的药物作为减轻衰老有害影响、提高老年人生活质量的策略性方法,正受到越来越多的关注。
D-半乳糖(D-gal)是一种单糖,存在于体内和多种天然产品中,包括酸奶、奶酪、牛奶和黄油,以及猕猴桃、李子、栗子和樱桃等水果,还有草药和蔬菜中。在正常消费水平下,D-gal可以被动物完全代谢。相反,在过量消费的情况下,D-gal无法被完全处理,导致半乳糖醇在细胞内积累。结果,大脑经历过量自由基和ROS以及氧化应激的增加。事实上,D-gal诱导的啮齿类动物已被证明是研究衰老相关大脑和神经行为变化的有效模型,并已被广泛用于研究各种神经保护剂(包括天然和合成化合物)的潜在治疗效果。
对乙酰氨基酚(APAP)是一种广泛用于治疗疼痛和发热的非处方药。除了其解热和镇痛特性外,APAP还被认为能够影响神经行为结果。在一项双盲随机对照研究中,APAP治疗能够增强健康志愿者的认知反思和空间记忆。在动物模型中,APAP治疗已显示出促智和神经保护作用,可能归因于其抗氧化和抗炎特性。在15.1 mg/kg剂量下,APAP改善了大鼠中秋水仙碱诱导的空间记忆丧失,而较高剂量75–100 mg/kg则减轻了脂多糖诱导的神经炎症模型中的记忆缺陷,并通过调节海马细胞因子改善了术后认知衰退。此外,我们早期的研究结果表明,15和50 mg/kg剂量的APAP通过改善D-gal诱导的衰老小鼠在新物体识别(NOR)和莫里斯水迷宫(MWM)测试中的表现,防止了认知衰退。这种记忆增强与前额皮层和海马体中脑源性神经营养因子(BDNF)及其受体酪氨酸激酶B(TrkB)信号通路的恢复相关。然而,低剂量APAP的抗氧化和抗炎特性是否是在D-gal诱导的衰老模型中观察到认知改善效果的基础,仍不清楚。
因此,本研究在D-gal诱导的衰老小鼠模型中,研究了两种不同低剂量APAP(15或50 mg/kg)长期治疗对负责认知功能的关键脑区——前额皮层和海马体的抗氧化和抗炎作用。
总共50只6周龄雄性ICR小鼠(体重20–25 g)购自Nomura Siam International Co. Ltd.(泰国曼谷)。每只小鼠饲养在受控环境中,12小时光/暗循环,温度22 ± 2°C,相对湿度55 ± 10%。所有小鼠自由获取标准食物和饮用水。本研究中使用动物的所有方案和程序均经过泰国瓦莱拉克大学动物伦理委员会的全面评估和批准(协议号:WUACUC-65061)。
所有小鼠适应14天,然后随机分为五组。对照组小鼠(n = 10)皮下注射相同体积的0.9%生理盐水溶液,并口服蒸馏水。D-gal组小鼠(n = 10)皮下注射D-gal(Sigma-Aldrich,美国密苏里州圣路易斯)200 mg/kg,并灌胃蒸馏水。D-gal + APAP15和D-gal + APAP50组小鼠(n = 10)皮下注射D-gal 200 mg/kg,然后分别口服15和50 mg/kg的APAP(TYLENOL, OLIC (Thailand) Ltd., 泰国大城府)。D-gal + Vit E组小鼠(n = 10)皮下注射D-gal 200 mg/kg,然后口服活性维生素E(α-生育酚,cat no. 10191-41-0, Merck Millipore, 美国马萨诸塞州)100 mg/kg。本研究中应用的D-gal治疗剂量和持续时间与先前研究建立的方案密切匹配。本研究中使用的APAP剂量(15和50 mg/kg)是基于先前证明APAP对认知功能具有剂量依赖性效应的研究结果而选择的。Ishida等人的研究报告称,低剂量(15.1 mg/kg)增强了MWM中的记忆表现,而较高剂量则无效或有害。此外,我们的初步数据(未发表)显示,长期给予50 mg/kg APAP改善了正常成年大鼠的NOR和MWM表现,提示潜在的促智效应。这些发现指导了我们选择两种低剂量方案来评估在D-gal诱导的衰老模型中的神经保护作用。此外,维生素E因其抗氧化和神经保护特性而被用作阳性对照。治疗每天进行一次,持续六周,D-gal和APAP给药间隔30分钟。值得注意的是,在药物给药的第二周,D-gal + Vit E组中的一只小鼠意外生病。根据兽医的建议,该动物被排除在研究之外,以防止对结果产生潜在的混杂影响。因此,D-gal + Vit E组的小鼠总数减少到9只。治疗结束时,所有小鼠被处死,并进行样本收集。
治疗期结束时,用氯胺酮(100 mg/kg)腹腔注射麻醉小鼠。确认深度麻醉后,进行开胸术暴露心脏。使用无菌1 mL注射器配备25G针头从左心室收集血液,并放入血清凝血激活管中。这种终端程序允许以最小的痛苦收集足够的血容量。血液在室温下凝固,然后在4°C下以10,000 × g离心10分钟以获得血清,并存储在-80°C直至进一步分析。实验结束时,一半的小鼠(每组5只)被处死以获取新鲜大脑,而另一半(每组4-5只)被指定用于另一项组织病理学研究。所需样本量使用G*Power 3.1基于先前研究的数据确定。对于新鲜大脑收集,小鼠经心灌注冰冷的磷酸盐缓冲溶液(PBS, pH 7.4),然后快速取出大脑,解剖,并将大脑存储在-80°C直至分析,遵循已建立的解剖方案。对于组织病理学和免疫组织化学(IHC)研究,小鼠经心灌注冰冷的PBS,随后灌注10%中性缓冲福尔马林(NBF)直至出现尸僵。然后仔细取出大脑和肝脏,并浸入NBF中在4°C下保存48小时,然后进行组织处理。
通过血清肝酶分析测量每个样本中三种主要肝酶的水平,包括天冬氨酸氨基转移酶(AST)、丙氨酸氨基转移酶(ALT)和碱性磷酸酶(ALP)。使用H&E染色的标准方案进行肝脏组织病理学检查。
使用商业试剂盒(cat no. MAK085, Sigma-Aldrich, 美国密苏里州圣路易斯)对脑组织中包含的MDA进行定量,并按照制造商的说明进行操作。简要来说,冷冻的前额皮层和海马组织在300 μL含有3 μL丁基羟基甲苯(BHT, 100×)的冰冷MDA裂解缓冲液中裂解。将脑裂解液在10,000 × g下离心10分钟,并保留上清液。制备一系列MDA标准溶液,浓度分别为0.4、0.8、1.2、1.6和2.0 nM。随后,将每个样品和标准品与600 μL硫代巴比妥酸(TBA)溶液混合。将混合物在95°C下煮沸30分钟,然后在冰浴中冷却10分钟。为了测量光密度,将200 μL溶液一式两份移液到96孔板中,并在532 nm下使用酶标仪读取。样品中MDA的浓度通过对照标准曲线计算,除以加入孔中的样品体积(mL),并乘以相应的稀释因子。使用Bradford法量化样品中包含的蛋白质量,MDA含量报告为nmol/mg蛋白质。
将福尔马林固定的大脑组织处理并包埋在石蜡中。每个石蜡包埋的大脑块以5 μm的厚度冠状切片,并放置在玻璃载玻片上。每组选择五只动物,除了D-gal + Vit E组(n = 4)。从每只动物中,每隔八个间隔收集组织切片,并选择三个切片进行分析。风干后,使用标准方案用H&E染色切片。所有载玻片使用数字显微镜和载玻片扫描仪(M8 Precipoint, Fritz Müller, 德国)进行扫描。在前额皮层(大约距前囟1.94至2.34 mm)内的标准测量框(82,875 μm2)中,从每个切片的五个随机字段进行细胞计数,而对整个CA1区域的神经元细胞数量进行计数用于海马体(大约距前囟-1.90至-2.10 mm)。每个大脑的细胞计数在400倍放大倍数下使用ViewPoint和虚拟幻灯片查看软件进行。表现出核和细胞膜未改变组织学特征的神经元被分类为完整或存活的神经元。病理变化以细胞收缩、染色质浓缩、核固缩和嗜酸性为特征。完整神经元的数量表示为每高倍视野的细胞数,受损细胞的数量报告为相对于总细胞数的百分比。神经元细胞计数由对实验条件盲法的实验者进行。
从每个大脑中选择三个包含海马体和前额皮层的代表性载玻片,与组织学研究中使用的载玻片一致,进行定量研究。使用配备连接至PC显示器的数码相机(Axiocam, Carl Zeiss)的AxioM1光学显微镜(Carl Zeiss, 德国奥伯科亨)在高放大倍数(400×)下捕获前额皮层内五个随机字段(面积82,875 μm2)和海马CA1区域(覆盖辐射层、锥体细胞层和oriens层)的图像。
使用ImageJ软件(美国马里兰州贝塞斯达国立卫生研究院)监测所有捕获图像中TNF-α、IL-1β、IL-10、TGF-β和NADPH氧化酶4(NOX4)的定量免疫反应性。每张拍摄的照片分辨率为1771 × 945像素。通过减去背景将原始的RGB彩色图像转换为8位灰度。通过颜色反卷积产生的DAB染色图片用于检查IHC染色。DAB彩色图像中每个像素的亮度由0(黑色)到255(白色)之间的值表示。使用100的阈值,建立了具有中度至强烈IHC染色的图像总面积。然后通过将值除以图像的整个面积来计算具有中度至强烈染色的图像的百分比。每种抗体的相对免疫反应性(RI)比率计算为百分比,100%对应对照组。免疫反应性的定量分析由对实验条件盲法的实验者进行。
在本研究中,使用单因素方差分析(ANOVA)和Bonferroni事后检验对所有数据进行统计学评估。所有分析均使用GraphPad Prism 9.1(GraphPad Software Inc., 美国加利福尼亚州拉霍亚)进行。统计学显著性设定为p < 0.05,结果以均值 ± 标准差表示。
三组主要肝酶的血清水平在实验动物中没有显著差异。通过H&E染色检查肝脏形态学显示,实验组之间在细胞坏死、双核肝细胞、细胞肿胀或炎症细胞浸润方面没有显著差异。
使用H&E染色说明前额皮层和海马CA1神经元的形态变化。在对照组中检测到少量损伤。视野中神经元周围没有水肿,神经元全部清晰未受损。然而,D-gal组中相当大比例的神经元显示出显著的退行性改变,如嗜酸性、细胞周围水肿、完整性丧失、细胞收缩和核固缩。
低剂量APAP(15和50 mg/kg)或Vit E注射减轻了接受D-gal注射组的神经元变性的严重程度。前额皮层细胞计量的定量分析显示,与对照组相比,D-gal组完整神经元的数量显著减少了30.10%(69.90 ± 5.82% vs. 100.00 ± 9.51%, p < 0.05)。与D-gal组相比,在D-gal + APAP15、D-gal + APAP50和D-gal + Vit E组中观察到完整神经元的显著增加,分别增加了23.74%、39.16%和38.85%(93.64 ± 12.85, 109.10 ± 16.67, 和108.80 ± 16.63% vs. 69.90 ± 5.82%; p < 0.05)。
从海马体细胞计数获得的结果表明,与对照组相比,D-gal组完整神经元的数量显著减少了36.12%(63.88 ± 9.93% vs. 100.00 ± 9.32%, p < 0.05)。然而,我们观察到与D-gal组相比,D-gal + APAP15、D-gal + APAP50和D-gal + Vit E组中完整神经元的数量显著增加,分别增加了23.47%、24.86%和41.46%(87.35 ± 9.07, 88.74 ± 12.97, 和105.30 ± 21.66% vs. 63.88 ± 9.93%, p < 0.05)。
D-gal组前额皮层中受损神经元的百分比与对照组相比显著增加了16.86%(43.40 ± 11.78% vs. 26.54 ± 4.93%, p < 0.05)。与D-gal组相比,D-gal + APAP15组受损神经元的百分比没有显著差异。然而,与D-gal组相比,在D-gal + APAP50组(17.50%)和D-gal + Vit E组(15.55%)中观察到受损神经元百分比的显著下降(25.90 ± 6.18和27.85 ± 3.93% vs. 43.40 ± 11.78%, p < 0.05)。
所有动物组海马体中受损神经元的百分比显示,与对照组相比,D-gal组显著增加了7.20%(19.40 ± 2.00% vs. 12.20 ± 2.49%, p < 0.05)。与D-gal组相比,D-gal + APAP15组受损神经元的百分比没有检测到显著差异。然而,与D-gal组相比,在D-gal + APAP50组(6.58%)和D-gal + Vit E组(6.37%)中观察到显著下降(12.82 ± 1.18和13.03 ± 3.40% vs. 19.40 ± 2.00%, p < 0.05)。
实验组的MDA水平变化显著。在前额皮层,与对照组相比,D-gal组的MDA水平显著增加(5.00 ± 1.39 vs. 1.77 ± 1.22 nmol/mg蛋白质, p < 0.05)。与D-gal组相比,D-gal + APAP15和D-gal + Vit E组的MDA水平没有显著差异(p > 0.05)。然而,与D-gal组相比,D-gal + APAP50组的MDA水平显著下降(1.29 ± 0.75 vs. 5.00 ± 1.39 nmol/mg蛋白质, p < 0.05)。在海马体中,与对照组相比,D-gal组观察到MDA水平显著增加(5.53 ± 2.21 vs. 2.72 ± 1.32 nmol/mg蛋白质, p < 0.05)。然而,与D-gal组相比,D-gal + APAP15、D-gal + APAP50和D-gal + Vit E组的MDA水平显著下降(2.74 ± 1.21, 1.73 ± 1.08, 和1.70 ± 0.84 vs. 5.53 ± 2.21 nmol/mg蛋白质, 分别; p < 0.05)。
IHC分析显示,与对照组相比,D-gal组前额皮层中TNF-α蛋白表达显著增加了103.2%(203.2 ± 43.59% vs. 100.0 ± 20.71%, p < 0.05)。与D-gal组相比,D-gal + APAP15和D-gal + APAP50组的TNF-α蛋白表达没有显著改变。然而,在D-gal + Vit E组中观察到TNF-α蛋白显著下降(87.87%)(115.4 ± 38.48% vs. 203.2 ± 43.59%, p < 0.05)。在海马CA1区,与对照组相比,D-gal组的TNF-α蛋白表达显著增加了约99%(199.0 ± 13.28% vs. 100.0 ± 19.64%, p < 0.05)。D-gal + APAP15和D-gal组之间的TNF-α蛋白水平没有显著差异。然而,在D-gal + APAP50组中检测到TNF-α免疫反应性下降了75.30%(123.7 ± 7.72% vs. 199.0 ± 13.28%, p < 0.05)。同样,与D-gal组相比,D-gal + Vit E组表现出TNF-α免疫反应性的显著减少(77.14%)(121.9 ± 23.10% vs. 199.0 ± 13.28%, p < 0.05)。
前额皮层和海马CA1中IL-1β的免疫反应性显示。前额皮层的定量分析显示,与对照组相比,D-gal组IL-1β的表达显著增加了48.80%(148.8 ± 23.23% vs. 100.0 ± 19.41%, p < 0.05)。D-gal + APAP15组的IL-1β蛋白表达与D-gal组相比没有显著差异(p > 0.05)。然而,D-gal + APAP50组显示IL-1β蛋白表达显著下降,与D-gal小鼠相比,IL-1β免疫反应性下降了33.76%(115.0 ± 6.72% vs. 148.8 ± 23.23%, p < 0.05)。此外,我们在D-gal + Vit E组中检测到IL-1β蛋白表达显著下降,与D-gal组相比,IL-1β免疫反应性下降了44.85%(103.9 ± 10.84% vs. 148.8 ± 23.23%, p < 0.05)。在对海马CA1的观察中,五个实验组之间未检测到IL-1β免疫反应性的显著差异(p > 0.05)。
前额皮层和海马CA1中TGF-β的免疫反应性显示。在前额皮层的观察显示,与对照组相比,D-gal组TGF-β蛋白表达显著增加,TGF-β免疫反应性增加了约66%(166.7 ± 52.63% vs. 100.0 ± 16.28%, p < 0.05)。然而,与D-gal组相比,D-gal + APAP15、D-gal + APAP50或D-gal + Vit E组的TGF-β免疫反应性没有显著变化(p > 0.05)。海马CA1区域的研究结果显示,与对照组相比,D-gal组TGF-β蛋白显著增加了59.29%(159.29 ± 11.61% vs. 100.0 ± 9.14%, p < 0.05)。然而,我们无法在给予低剂量APAP(15或50 mg/kg)或Vit E的D-gal小鼠中检测到统计学上的显著差异(p > 0.05)。
前额皮层和海马CA1中IL-10的免疫反应性显示。在前额皮层,统计分析显示,与对照组相比,D-gal组IL-10蛋白表达显著下降,IL-10免疫反应性减少了36%(63.16 ± 5.35% vs. 100.0 ± 25.85%, p < 0.05)。与D-gal组相比,我们无法在D-gal + APAP15、D-gal + APAP50或D-gal + Vit E组中检测到IL-10蛋白表达的显著差异(p > 0.05)。海马CA1的统计分析表明,与对照组相比,D-gal组IL-10蛋白显著下降,IL-10免疫反应性下降了77.81%(22.19 ± 6.47% vs. 100.00 ± 9.09%, p < 0.05)。然而,与D-gal组相比,在D-gal + APAP15(31.81%)、D-gal + APAP50(45.39%)和D-gal + Vit E(44.49%)组中观察到IL-10蛋白表达的显著增加(53.99 ± 10.64, 67.57 ± 9.04, 和66.68 ± 14.30% vs. 22.19 ± 6.47%, 分别, p < 0.05)。
前额皮层和海马CA1中NOX4免疫反应性的照片提供。前额皮层NOX4免疫反应性的统计分析显示,与对照组相比,D-gal小鼠中NOX4蛋白表达显著增加,NOX4免疫反应性增加了20.23%(120.2 ± 9.19% vs. 100.0 ± 5.93%, p < 0.05)。然而,与D-gal组相比,D-gal + APAP15(19.76%)和D-gal + Vit E(37.54%)组的NOX4蛋白表达显著下降(100.5 ± 5.15和82.6 ± 2.79% vs. 120.2 ± 9.19%, p < 0.05)。在本研究中,D-gal + APAP50组的NOX蛋白表达与D-gal组没有显著差异。海马CA1中NOX4免疫反应性的定量分析显示。与对照组相比,D-gal组观察到NOX蛋白表达显著增加,NOX4免疫反应性增加了144.10%(244.1 ± 9.34% vs. 100.0 ± 13.16%, p < 0.05)。与D-gal组相比,D-gal + APAP15组的NOX蛋白表达没有显著差异(p < 0.05)。然而,与D-gal组相比,D-gal + APAP50(86.38%)和D-gal + Vit E(78.76%)组的NOX4蛋白显著下降(157.7 ± 11.70和165.3 ± 14.17% vs. 244.1 ± 9.34%, p < 0.05)。
本研究中使用的D-gal诱导的衰老小鼠模型在模拟自然衰老的关键方面,特别是增加的氧化应激和慢性炎症方面,是成熟的。长期D-gal给药增强了ROS的产生并损害了抗氧化防御,导致氧化损伤。同时,它激活了神经炎症通路,包括上调TNF-α和IL-1β等细胞因子。这些改变密切类似于在年龄相关神经退行性疾病中观察到的病理特征。在我们目前的研究中,D-gal处理的小鼠表现出升高的氧化应激,以增加的MDA和NOX4水平为标志,以及加剧的神经炎症,表现为上调的TNF-α、IL-1β和TGF-β,以及减少的IL-10。这些发现进一步支持了该模型在研究年龄相关神经退行性变机制方面的相关性。
在过去十年中,一些研究报告了低剂量APAP治疗在各种实验模型中的神经保护作用。我们先前的工作表明,6周低剂量APAP(15和50 mg/kg)治疗增强了认知功能,证据是D-gal诱导的衰老小鼠在NOR和MWM测试中的表现改善。然而,这些有益效果背后的机制仍不清楚。在本研究中,我们通过研究低剂量APAP的抗氧化和抗炎特性是否有助于其在同一队列D-gal诱导的衰老小鼠中减轻认知衰退的能力,扩展了我们先前的发现。结果表明,低剂量APAP治疗(15和50 mg/kg)减轻了D-gal衰老小鼠模型关键脑区的神经元损失。此外,低剂量APAP改善了衰老大脑中的氧化应激状态和炎症介质谱。总的来说,本研究中使用的低剂量APAP的保护效果与Vit E给药所展示的效果相似。
APAP是一种非处方药,因其安全范围广。然而,大剂量的这种药物与肝毒性密切相关。本研究中的结果表明,低剂量APAP(15或50 mg/kg)和D-gal给药均未诱导肝毒性,证据是所有实验组中肝酶水平(AST、ALT和ALP)和肝脏组织学没有显著变化。这些结果表明,慢性低剂量APAP治疗对肝脏无害,并且本研究中确定的神经病理学表现不是由肝毒性诱导的。
前额皮层和海马体特别容易受到年龄相关变化和神经退行性过程的影响,影响各种形式的可塑性、学习和记忆。海马体的CA1区是AD中首先显示病理和神经元损失的脑区之一。因此,这些是专注于衰老和神经退行性变研究的关键区域。在本研究中,单独长期接受D-gal处理的小鼠在前额皮层和海马体中均显示出完整神经元的减少和神经元损伤的增加。这些结果与几项研究的结果一致,这些研究表明D-gal诱导后大脑中衰老细胞和凋亡增加。另一方面,给予低剂量APAP(15和50 mg/kg)或Vit E的D-gal小鼠显示出完整神经元数量的增加。50 mg/kg APAP和Vit E治疗显著减少了神经元损伤。这些结果表明,低剂量APAP和Vit E治疗在D-gal诱导的加速衰老大脑中发挥抗衰老作用。低剂量APAP对抗神经元细胞损伤的神经保护作用也可能解释了先前研究中在D-gal诱导的衰老小鼠中NOR和MWM任务表现的改善。
自由基的快速积累加速组织和器官的衰老是D-gal衰老模型最有利的方面。几个大脑区域,包括听觉皮层、海马体、腹侧耳蜗核和大脑皮层,可能受到D-gal诱导的氧化应激和线粒体功能障碍的影响。NOX4是NOX氧化酶家族的成员,是哺乳动物中ROS产生的主要来源。在生理水平上,它通常存在于大脑中,并在细胞中毒性化学物质的消除和细胞信号转导中
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