胰岛素样生长因子-1通过IRE1αα/JNK信号通路改善高氧新生大鼠海马损伤

《IBRO Neuroscience Reports》：Insulin-like growth factor-1 improve hippocampal damage in hyperoxic neonatal rats through the IRE1α/JNK signaling pathway

　　

摘要：高氧诱导的脑损伤是早产儿的主要并发症，并与长期神经发育缺陷密切相关。尽管胰岛素样生长因子-1（IGF-1）已显示出神经保护特性，但其在高氧诱导脑损伤中的作用及潜在机制仍不完全清楚。在本研究中，新生Wistar大鼠从出生起暴露于85%氧气以建立高氧诱导脑损伤模型，并给予重组人IGF-1（rhIGF-1，1 μg/g）。通过ELISA评估海马组织中的氧化应激标志物和炎症细胞因子，同时使用苏木精和伊红染色评估组织病理学变化。通过Western blotting分析与突触功能和IRE1α_α/JNK信号通路相关的蛋白表达。使用Morris水迷宫测试评估认知功能。结果显示，rhIGF-1显著降低了氧化应激和神经炎症，减轻了海马结构损伤，并改善了学习和记忆表现。此外，rhIGF-1抑制了IRE1α_α/JNK信号通路的激活。总之，IGF-1对高氧诱导的海马损伤发挥神经保护作用，这些作用与内质网应激相关信号通路的调节有关。这些发现强调了IGF-1作为与高氧相关的新生儿脑损伤的有前景的治疗候选药物。

**论文解读：胰岛素样生长因子-1通过抑制IRE1α_α/JNK信号通路改善高氧新生大鼠海马损伤**

**研究背景**

高氧诱导的脑损伤是早产儿接受氧疗后的主要并发症，与长期神经发育缺陷，特别是学习和记忆功能障碍密切相关。尽管新生儿护理水平在不断提高，但目前仍缺乏有效的治疗策略来预防或减轻高氧相关的脑损伤，这使得寻找靶向性神经保护干预措施变得尤为迫切。发育中的大脑对高氧环境高度敏感，高氧会破坏氧化还原稳态，引发氧化应激、神经炎症和突触功能障碍等一系列病理事件。其中，内质网应激（ERS）被认为是高氧诱导神经元功能障碍的关键因素。ERS由错误折叠蛋白的积累引发，并激活未折叠蛋白反应，当反应过度时，会激活下游信号通路，调节炎症反应和细胞稳态。特别是，肌醇需求酶1α（IRE1α_α）/c-Jun N-末端激酶（JNK）信号通路是连接内质网应激与神经炎症的关键环节，并与多种神经系统疾病有关。然而，该通路是否在高氧诱导的海马损伤中发挥核心作用尚不完全清楚。

胰岛素样生长因子-1（IGF-1）是一种对大脑发育和神经元成熟至关重要的神经营养因子。既往研究表明，IGF-1通过增强神经元存活、促进突触可塑性以及调节氧化应激和炎症反应来发挥神经保护作用。值得注意的是，IGF-1水平与早产儿的神经发育结局密切相关，提示其潜在的治疗相关性。尽管IGF-1已在多种脑损伤模型中显示出保护作用，但其在高氧诱导的海马功能障碍中的作用及潜在机制，特别是与内质网应激信号通路的关系，尚未完全阐明。因此，本研究旨在探讨IGF-1是否能够减轻高氧诱导的海马损伤和认知功能障碍，并观察其效应是否与内质网应激相关的IRE1α_α/JNK信号通路有关。该论文发表在《IBRO Neuroscience Reports》。

**关键技术方法**

本研究采用的主要技术方法包括：1. **高氧诱导脑损伤动物模型建立**：将新生Wistar大鼠从出生起暴露于85%氧气环境中，以模拟临床早产儿高氧暴露。2. **ELISA法**：检测海马组织中氧化应激标志物（活性氧ROS、丙二醛MDA、超氧化物歧化酶SOD、谷胱甘肽GSH）和炎症细胞因子（肿瘤坏死因子-α TNF-α、白细胞介素-1β IL-1β、白细胞介素-6 IL-6）的水平。3. **组织病理学评估**：采用苏木精-伊红（HE）染色和尼氏染色观察海马组织形态学改变，并通过免疫组化染色检测小胶质细胞标志物Iba-1的表达。4. **Western blotting**：分析海马组织中与突触功能（脑源性神经营养因子BDNF、突触素-1 Synapsin-1、髓鞘碱性蛋白MBP）以及IRE1α_α/JNK信号通路相关蛋白（p-IRE1α_α、总IRE1α_α、p-JNK、总JNK、GRP78、CHOP、Caspase-12）的表达水平。5. **Morris水迷宫实验**：评估大鼠的空间学习和记忆能力。所有动物实验在延边大学实验动物中心进行，并获该校动物伦理委员会批准。

**研究结果**

**3.1. IGF-1减少高氧诱导的氧化应激**

为评估IGF-1对高氧诱导氧化应激的影响，研究人员检测了ROS、MDA、SOD和GSH的水平。与对照组相比，高氧组大鼠海马SOD和GSH水平显著降低，而ROS和MDA水平升高。IGF-1治疗则逆转了这些变化，表现为SOD和GSH水平升高，ROS和MDA水平降低。

**3.2. IGF-1可减轻海马组织损伤和脑组织水肿**

为验证高氧诱导脑损伤模型是否成功建立以及IGF-1治疗能否改善高氧诱导的脑水肿和海马组织病理学损伤，研究人员评估了脑水含量、HE和尼氏染色结果。与对照组相比，高氧组海马锥体细胞形态不规则，细胞体积缩小，核固缩且排列稀疏。IGF-1治疗后，细胞形态、体积和排列均得到明显改善。尼氏染色显示，高氧组海马神经元胞质着色变浅，尼氏体显著减少，而IGF-1治疗减轻了这种神经元损伤。高氧组脑水含量增加，而IGF-1治疗组则有所降低。

**3.3. IGF-1可减少高氧诱导的小胶质细胞活化和炎症反应**

为评估IGF-1对高氧诱导海马小胶质细胞活化的抑制作用，研究人员使用Iba-1作为小胶质细胞标志物进行免疫组化染色。对照组小胶质细胞呈分枝状形态，胞体细长；高氧组小胶质细胞胞体增大，突起短粗，形态趋近圆形或椭圆形；IGF-1治疗组的小胶质细胞形态介于两者之间。定量分析显示，与对照组相比，高氧组海马Iba-1表达显著上调，而IGF-1治疗组则显著降低。此外，高氧组海马组织匀浆中TNF-α、IL-1β和IL-6水平显著升高，IGF-1治疗后显著降低。

**3.4. IGF-1导致高氧诱导脑损伤大鼠海马组织中BDNF、Synapsin-1和MBP表达升高**

Western blot分析显示，与对照组相比，高氧组大鼠海马中BDNF、Synapsin-1和MBP的表达水平显著降低。IGF-1治疗则显著增加了这三种蛋白的表达，提示IGF-1改善了高氧诱导的神经保护性生物标志物的抑制。

**3.5. IGF-1减轻海马损伤与抑制ERS相关的IRE1α_α/JNK通路有关**

Western blot分析显示，各组间总IRE1α_α和总JNK的表达水平保持稳定。然而，与对照组相比，高氧组中IRE1α_α（p-IRE1α_α）和JNK（p-JNK）的磷酸化水平显著增加，而IGF-1治疗显著降低了其磷酸化水平。此外，高氧组中ERS相关蛋白GRP78、CHOP和Caspase-12的表达升高，而IGF-1治疗组则显著降低。各组间AP-1表达无显著变化。这些发现表明，IGF-1治疗与抑制高氧诱导的IRE1α_α/JNK通路激活和减少ERS相关凋亡信号相关。

**3.6. IGF-1可减轻高氧诱导脑损伤后的认知和记忆功能障碍**

Morris水迷宫实验结果显示，在4天的训练期，所有组大鼠的逃避潜伏期均逐渐缩短，但高氧组的逃避潜伏期显著长于对照组，而IGF-1补充则显著加速了学习过程。在探索实验中，与对照组相比，高氧组大鼠穿越原平台位置的次数和在目标象限的游泳距离显著减少，而IGF-1给药则显著增加了这些指标。各组间平均游泳速度无显著差异，排除了运动缺陷对结果的干扰。

**总结与讨论**

本研究得出结论，IGF-1对新生大鼠高氧诱导的海马损伤和认知功能障碍具有显著的神经保护作用。这些保护作用通过改善组织病理学形态、减轻脑水肿以及增强空间学习和记忆能力得以体现。IGF-1的神经保护机制与其抗氧化能力、抗炎作用以及促进神经保护和突触相关蛋白表达密切相关。更为重要的是，本研究揭示了IGF-1的保护作用与抑制内质网应激介导的IRE1α_α/JNK信号通路有关。IGF-1治疗显著降低了IRE1α_α和JNK的磷酸化水平，并减少了下游ERS标志物（如GRP78、CHOP和Caspase-12）的表达。行为学结果也证实了IGF-1可改善认知功能恢复。研究结论指出，IGF-1通过减轻氧化应激和抑制神经炎症来保护海马免受高氧损伤，其作用与抑制内质网应激介导的IRE1α_α/JNK信号通路相关。这些发现为高氧诱导脑损伤的机制提供了新见解，并提示IGF-1可能成为新生儿脑损伤的潜在治疗策略。