余輝艷 池亞菲 李紅睿 王 軒 周雪陽 肖 榮 席元第*
(1. 首都醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué)學(xué)系,北京 100069; 2. 首都醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物部,北京 100069; 3. 北京市順義區(qū)婦幼保健院醫(yī)務(wù)科,北京 101300)
學(xué)習(xí)記憶損傷是阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)等神經(jīng)退行性疾病的典型臨床癥狀,腦血管損傷在AD的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。研究[1-2]顯示,在AD患者中存在顱內(nèi)動(dòng)脈損傷和毛細(xì)血管損害的現(xiàn)象,這種腦血管損傷可能歸因于體內(nèi)嚴(yán)重的氧化損傷及其誘導(dǎo)的慢性腦血流灌注不足,最終導(dǎo)致神經(jīng)變性和認(rèn)知功能障礙的發(fā)生[3]。因此,尋找簡便易行且安全有效的防控腦血管損傷的辦法,無疑是預(yù)防和改善認(rèn)知功能障礙相關(guān)神經(jīng)退行性疾病的關(guān)鍵所在。
大豆卵磷脂(soybean lecithin,SL)和大豆異黃酮(soy isoflavone, SIF)是我國居民膳食中常見的大豆活性成分。研究[4]顯示,SL和SIF均具有諸如調(diào)節(jié)血脂、抗氧化、提高免疫等多種生理功能。研究[5-6]顯示,灌胃給予大鼠SIF可以改善β淀粉樣肽(β-amyloid, Aβ)介導(dǎo)的大鼠學(xué)習(xí)記憶下降以及拮抗大鼠的腦組織和腦血管損傷。然而目前的研究大多針對單一物質(zhì),雖然可以發(fā)揮上述調(diào)節(jié)作用,但對疾病的預(yù)防及改善效果較弱,且長期大劑量使用也存在安全風(fēng)險(xiǎn)。因此,本研究通過建立學(xué)習(xí)記憶損傷大鼠模型,使用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),探討不同劑量SL和SIF的聯(lián)合補(bǔ)充對AD大鼠學(xué)習(xí)記憶能力、腦血管病理損傷、體內(nèi)氧化損傷水平以及氧化還原平衡體系的影響,明確SL聯(lián)合SIF對大鼠學(xué)習(xí)記憶和腦血管的保護(hù)作用,并探索其最佳聯(lián)合劑量。
Wistar大鼠132只,SPF級(jí)、雄性,體質(zhì)量(250±30) g ,購于北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物許可證號(hào):SCXK(京)2012-0001。飼養(yǎng)條件:溫度20 ℃~23 ℃,濕度50%~55%,自然采光;不銹鋼籠飼養(yǎng),自由攝食進(jìn)水,飼以基礎(chǔ)飼料。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)通過首都醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn),倫理審查編號(hào):AEEI-2017-002。
酶標(biāo)儀 (Tecan公司,Infinite M200,瑞士);Aβ1-40購自Sigma-Aldrich公司(美國),SL購自上海太偉藥業(yè)有限公司,丙酮不溶物 為93.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),主要化學(xué)成分包括84.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的磷脂酰膽堿、2.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的磷脂酰胺和無磷脂酰肌醇;SIF購自正和通科技(北京)有限公司,其中大豆異黃酮的總含量為92.15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),主要化學(xué)成分包括 17.64%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的染料木黃酮、53.24%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的黃豆苷元和21.27%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的黃豆黃素;酶聯(lián)免疫吸附測定(enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)試劑盒 、硫代巴比妥酸測試試劑盒、谷胱甘肽(glutathione, GSH)和氧化谷胱甘肽(oxidized glutathione, GSSG)測定試劑盒均購自南京建城生物工程研究所并嚴(yán)格按照制造商的說明執(zhí)行實(shí)驗(yàn)程序。
試劑配制:SL和SIF溶解在0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))羧甲基纖維素鈉(sodium carboxyl methyl cellulose, CMC-Na)中;Aβ1-40溶解于0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氯化鈉注射液(以下簡稱生理鹽水)后37 ℃孵育3 d。
用1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))戊巴比妥鈉(50 mg/kg)腹腔注射麻醉,參照包新民等[7]的《大鼠腦立體定位圖譜》,采用大鼠腦立體定位儀(Narishige公司,日本)向大鼠側(cè)腦室以Bregma點(diǎn)為0點(diǎn),前囟后(anteroposterior,AP)1.3 mm,中線旁開(mediolateral,ML)1.8 mm,水平向下(dorsoventral,DV)3.4 mm注射Aβ1-40溶液(10 μg/5 μL)或生理鹽水各5 μL,微量注射器緩慢注射3 min,留針5 min,注射完畢緩慢抽出。術(shù)后第2天,給予每只大鼠肌注青霉素8萬單位,預(yù)防感染。
實(shí)驗(yàn)分組:通過兩因素三水平正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),所有大鼠根據(jù)體質(zhì)量分為11組,包括A組: 對照組[0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))CMC-Na灌胃+側(cè)腦室注射生理鹽水],B組: Aβ組[0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))CMC-Na灌胃+側(cè)腦室注射Aβ1-40]和9個(gè)SIF+SL干預(yù)組(不同劑量的SIF+SL灌胃+側(cè)腦室注射Aβ1-40), 具體包括C組: SL(40 mg·kg-1·d-1)+SIF(25 mg·kg-1·d-1) + Aβ組; D組: SL(40 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)+Aβ組; E組:SL(40 mg·kg-1·d-1)+SIF(100 mg·kg-1·d-1)+Aβ組; F組:SL(80 mg·kg-1·d-1)+SIF(25 mg·kg-1·d-1)+Aβ組; G組: SL(80 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)+Aβ組; H組:SL(80 mg·kg-1·d-1) + SIF(100 mg·kg-1·d-1) + Aβ組; I組: SL(160 mg·kg-1·d-1)+SIF(25 mg·kg-1·d-1)+Aβ組; J組: SL(160 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)+Aβ組; K組: SL(160 mg·kg-1·d-1)+SIF(100 mg·kg-1·d-1)+Aβ組。
實(shí)驗(yàn)處理:造模手術(shù)前,每天按各組SIF+SL或0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))CMC-Na的劑量給大鼠灌胃,連續(xù)14 d,然后進(jìn)行手術(shù),術(shù)后維持相同的灌胃干預(yù)28 d。實(shí)驗(yàn)期間,于術(shù)后第21天,進(jìn)行Morris 水迷宮訓(xùn)練(5 d)及測試(1 d),測試完畢后收集腦組織及血液樣本進(jìn)行其他檢測。
Morris水迷宮為一個(gè)不銹鋼的圓柱形水池,水池壁標(biāo)明4個(gè)入水點(diǎn),并以此將水池分為4個(gè)象限,即第1、2、3和4象限。平臺(tái)位于第1象限中間位置,水深為高出平臺(tái)1 cm,水溫控制在22 ℃~25 ℃。定位航行實(shí)驗(yàn):實(shí)驗(yàn)歷時(shí)6 d,前5 d學(xué)習(xí)記憶訓(xùn)練,每天將大鼠面向池壁分別從不同象限的入水點(diǎn)放入水中,記錄其找到平臺(tái)所需的時(shí)間,即為逃避潛伏期。如果在120 s內(nèi)找不到平臺(tái), 則將其引導(dǎo)至平臺(tái)并停留20 s,逃避潛伏期記為120 s。第6天為正式實(shí)驗(yàn),并記錄測試的逃避潛伏期。
每組采用數(shù)字表法隨機(jī)選擇6只大鼠,將麻醉大鼠的大腦迅速暴露,立即將解剖后的大腦浸入4%(體積分?jǐn)?shù))甲醛溶液中固定48 h,移入70%(體積分?jǐn)?shù))乙醇中脫水,并用石蠟包埋切片(片厚20 μm)。采用HE對切片進(jìn)行染色并觀察大鼠大腦皮質(zhì)海馬區(qū)腦血管組織形態(tài)變化。
每組采用數(shù)字表法隨機(jī)選擇6只大鼠,從麻醉大鼠心臟收集EDTA抗凝血液,在4 ℃以3 000 r/min離心10 min,收集血漿。采用ELISA法檢測大鼠血漿中3-硝基酪氨酸(3-nitrotyrosine, 3-NT)濃度,采用硫代巴比妥酸測試試劑盒測定丙二醛(malondialdehyde, MDA)濃度。
每組采用數(shù)字表法隨機(jī)選擇6只大鼠,采用酶法試劑盒檢測血漿GSH和GSSG濃度,并根據(jù)說明計(jì)算GSH/GSSG比率,以評估大鼠體內(nèi)氧化還原平衡狀態(tài)。
各組間逃避潛伏期的總體比較,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=1.330,P>0.05),但兩兩比較組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,與A組比較,B組大鼠逃避潛伏期顯著延長;但與B組比較,9個(gè)SL+SIF干預(yù)組的逃避潛伏期分別有不同趨勢的下降,即SL+SIF各干預(yù)組中E、F、G、H、J、K組大鼠的逃避潛伏期下降差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。同時(shí),大鼠游泳的總路程與逃避潛伏期一致(F=1.111,P>0.05),E、F、H、J、K組與B組相比,總路程縮短差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),詳見圖1。
圖1 大豆卵磷脂聯(lián)合大豆異黃酮對AD大鼠學(xué)習(xí)記憶能力的影響Fig.1 Effect of soy lecithin combined with soy isoflavone on learning and memory ability in AD rats (n=12 per group) *P<0.05 vs A group, #P<0.05 vs B group. A: control group; B: Aβ group; C: SL(40 mg·kg-1·d-1) + SIF(25 mg·kg-1·d-1) + Aβ group; D: SL(40 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; E: SL(40 mg·kg-1·d-1)+SIF(100 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; F: SL(80 mg·kg-1·d-1)+SIF(25 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; G: SL(80 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; H: SL(80 mg·kg-1·d-1)+SIF(100 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; I: SL(160 mg·kg-1·d-1)+SIF(25 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; J: SL(160 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; K: SL(160 mg·kg-1·d-1)+SIF(100 mg·kg-1·d-1) + Aβ group); AD: Alzheimer’s disease; Aβ: β-amyloid; SL: soy lecithin; SIF: soy isoflavone.
B組大鼠腦血管內(nèi)皮和平滑肌萎縮,毛細(xì)血管壁畸變嚴(yán)重,毛細(xì)血管直徑變窄甚至發(fā)現(xiàn)大鼠腦微血管減少。但這些病理變化在SL+SIF干預(yù)組,尤其是E、F、G、I組大鼠中較少出現(xiàn)(圖2)。
圖2 大豆卵磷脂聯(lián)合大豆異黃酮對AD大鼠腦血管病理損傷的影響Fig.2 Effect of soy lecithin combined with soy isoflavone on cerebrovascular pathological damage in AD rats (scale bar=50 μm, n=3 per group)A: control group; B: Aβ group, Arrows mean attenuation of endothelium in cerebral vessels and cerebrovascular smooth muscle cells; C: SL(40 mg·kg-1·d-1)+SIF(25 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; D: SL(40 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; E: SL(40 mg·kg-1·d-1)+SIF(100 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; F: SL(80 mg·kg-1·d-1)+SIF(25 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; G: SL(80 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; H: SL(80 mg·kg-1·d-1)+SIF(100 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; I: SL(160 mg·kg-1·d-1)+SIF(25 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; J: SL(160 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; K: SL(160 mg·kg-1·d-1)+SIF(100 mg/kg·d)+Aβ group; AD: Alzheimer’s disease; Aβ: β-amyloid; SL: soy lecithin; SIF: soy isoflavone.
各組間大鼠血漿中3-NT和MDA濃度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=2.121,P<0.05;F=4.110,P<0.05)。兩兩比較結(jié)果顯示,與A組比較,B組大鼠血漿中3-NT和MDA濃度顯著升高,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);3-NT濃度檢測,F(xiàn)組與A組比較,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0. 05);其他各組趨勢與B組一致,依然顯著高于對照組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);SL+SIF各組的MDA濃度檢測顯示,與B組比較,F(xiàn)組和H組濃度顯著降低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),詳見圖3。
圖3 大豆卵磷脂聯(lián)合大豆異黃酮對AD大鼠氧化損傷的影響Fig.3 Effect of soy lecithin combined with soy isoflavone on oxidative damage in AD rats (n=6 per group)*P<0.05 vs A group, #P<0.05 vs B group. A: control group; B: Aβ group; C: SL(40 mg·kg-1·d-1)+SIF(25 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; D: SL(40 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; E: SL(40 mg·kg-1·d-1)+SIF(100 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; F: SL(80 mg·kg-1·d-1)+SIF(25 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; G: SL(80 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; H: SL(80 mg·kg-1·d-1)+SIF(100 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; I: SL(160 mg·kg-1·d-1)+SIF(25 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; J: SL(160 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; K: SL(160 mg·kg-1·d-1)+SIF(100 mg·kg-1·d-1) + Aβ group; AD: Alzheimer’s disease; Aβ: β-amyloid; SL: soy lecithin; SIF: soy isoflavone; 3-NT: 3-nitrotyrosine; MDA: malondialdehyde.
各組之間大鼠GSH/GSSG水平比較,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=4.772,P<0.05)。兩兩比較結(jié)果顯示,與A組比較,B組大鼠的GSH/GSSG比率明顯降低;與B組比較,GSH/GSSG比值在C、D、E、F、G、H和I組中顯著升高(P<0.05),但J、K組的干預(yù)效果不明顯,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),詳見圖4。
圖4 大豆卵磷脂聯(lián)合大豆異黃酮對AD大鼠氧化還原平衡體系的影響Fig.4 Effect of soy lecithin combined soy isoflavone on the oxidation reduction balance system of AD rats (n=6 per group)*P<0.05 vs A group, #P<0.05 vs B group. A: control group; B: Aβ group; C: SL(40 mg·kg-1·d-1) + SIF(25 mg·kg-1·d-1) + Aβ group; D: SL(40 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; E: SL(40 mg·kg-1·d-1)+SIF(100 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; F: SL(80 mg·kg-1·d-1)+SIF(25 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; G: SL(80 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; H: SL(80 mg·kg-1·d-1)+SIF(100 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; I: SL(160 mg·kg-1·d-1)+SIF(25 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; J: SL(160 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; K: SL(160 mg·kg-1·d-1)+SIF(100 mg·kg-1·d-1)+Aβ group; AD: Alzheimer’s disease; Aβ: β-amyloid; SL: soy lecithin; SIF: soy isoflavone; GSH: ratio of glutathione; GSSG: oxidized glutathione.
通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及上述結(jié)果的綜合比較,可以明確9組SL+SIF干預(yù)組中,最佳聯(lián)合劑量為F組,即SL(40 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)。
學(xué)習(xí)記憶損傷是AD發(fā)生和發(fā)展過程中的主要臨床表現(xiàn),而血管因素在AD的發(fā)展進(jìn)程中扮演著重要角色[6,8]。研究[8-9]顯示,AD患者腦內(nèi)的Aβ可能是導(dǎo)致腦血管壁細(xì)胞發(fā)生氧化損傷的重要物質(zhì)之一。并且,Bennett等[10]的研究提出,血管損傷可能是AD發(fā)展的初始因素。鑒于認(rèn)知功能障礙的不可逆性,在AD發(fā)生和發(fā)展早期尋找有效的干預(yù)措施就顯得尤為重要。諸多研究[11-13]顯示,膳食活性物質(zhì),如SL、SIF、番茄紅素、姜黃素等植物活性成分對動(dòng)脈粥樣硬化,心血管疾病和AD都有不同程度的改善作用。但是,目前的研究大多針對單一物質(zhì),而鑒于單一膳食活性物質(zhì)的日常攝入量較為有限,因此上述的生理作用較弱。尤其對于神經(jīng)系統(tǒng)的保護(hù)及改善作用,探索膳食活性物質(zhì)的聯(lián)合作用則勢在必行。已知SL和SIF是大豆及其制品中的主要活性成分,但不同豆制品中該兩種成分的含量差異較大,且因膳食吸收率的影響,市場上已較多出現(xiàn)單一或復(fù)合含有SL和SIF的保健食品及補(bǔ)充劑[14]。鑒于上述原因,本研究通過正交試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),觀察SL聯(lián)合SIF對學(xué)習(xí)記憶損傷大鼠的改善作用,并探索其最佳聯(lián)合劑量,為后續(xù)的人群干預(yù)研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)。本研究結(jié)果顯示,SL+SIF處理可以顯著縮短Aβ1-40介導(dǎo)的學(xué)習(xí)記憶損傷大鼠的逃避潛伏期和游泳總路程,提示SL和SIF的聯(lián)合干預(yù)可以有效預(yù)防Aβ1-40引起的大鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力損傷。這與本課題組[5-6]前期研究發(fā)現(xiàn)的單獨(dú)使用SIF對Aβ1-42介導(dǎo)的大鼠學(xué)習(xí)記憶能力的改善作用一致,且與SIF單獨(dú)干預(yù)劑量80 mg·kg-1·d-1比較,聯(lián)合干預(yù)中SIF的最佳劑量50 mg·kg-1·d-1較低,安全性更強(qiáng)。研究[15]顯示,給予大豆磷脂酰絲氨酸6個(gè)月治療可以增強(qiáng)記憶障礙老年人的記憶功能,本研究結(jié)果提示SL+SIF可能具有同樣的應(yīng)用價(jià)值。
同時(shí),為了進(jìn)一步觀察Aβ1-40誘導(dǎo)的大鼠腦血管損傷情況,本研究通過HE染色法觀察了各組大鼠的腦血管組織病理改變。Aβ組大鼠的腦血管組織病理損傷較為嚴(yán)重,而SL+SIF干預(yù)可以保護(hù)腦血管組織保持完整。提示SL聯(lián)合SIF對腦血管組織具有保護(hù)作用。
那么,SL聯(lián)合SIF對腦血管的神經(jīng)保護(hù)作用又有怎樣的機(jī)制呢?已知SL和SIF均具有抗氧化及改善血脂的作用。研究[16-17]顯示,作為蛋白質(zhì)氧化損傷的標(biāo)志物3-NT在AD患者大腦中的星形膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元和腦血管內(nèi)皮細(xì)胞中均有所增加。同時(shí),Evans等[12]的研究證明,給健康的絕經(jīng)后婦女補(bǔ)充大豆異黃酮蛋白(25 g/d)聯(lián)合大豆卵磷脂(20 g/d)可以顯著提高其血清高密度脂蛋白膽固醇/低密度脂蛋白膽固醇的比率,而上述血脂變化正是腦血管的保護(hù)因素。在本研究發(fā)現(xiàn),Aβ模型組大鼠血漿中,蛋白質(zhì)氧化產(chǎn)物3-NT和脂質(zhì)氧化產(chǎn)物MDA均顯著升高,而這種升高可被SL+SIF干預(yù)所拮抗,因此提示,SL+SIF可能通過其發(fā)揮抗氧化能力來保護(hù)腦血管組織的細(xì)胞免受或少受Aβ介導(dǎo)的氧化損傷。
為了驗(yàn)證上述推論,本研究進(jìn)一步檢測了各組大鼠的血漿GSH/GSSG比率,以反映大鼠體內(nèi)的氧化還原平衡狀態(tài),結(jié)果不僅明確了SL+SIF改善大鼠體內(nèi)氧化還原狀態(tài)的作用,同時(shí)還反映了高劑量聯(lián)合補(bǔ)充對體內(nèi)的氧化損傷水平無改善作用。這與本課題組[18]前期體外研究發(fā)現(xiàn),高劑量(200 μmol/L)的染料木黃酮會(huì)導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞活力降低,具有毒性作用的結(jié)論一致。因此提示,適宜的最佳聯(lián)合劑量對健康有益,但大劑量補(bǔ)充則可能存在安全性問題。
綜上所述,本研究提示,SL聯(lián)合SIF可通過其抗氧化作用拮抗Aβ介導(dǎo)的大鼠腦血管損傷,進(jìn)而發(fā)揮對大鼠學(xué)習(xí)記憶的改善作用,并且SL(40 mg·kg-1·d-1)+SIF(50 mg·kg-1·d-1)是發(fā)揮大鼠神經(jīng)保護(hù)作用的最佳聯(lián)合劑量。本研究得出的SIF和SL有效聯(lián)合劑量比其他研究[15,19]中報(bào)道的SIF或SL的單一有效治療劑量較低,安全性更強(qiáng),提示SL和SIF的聯(lián)合補(bǔ)充可能適合在AD高危中老年人中長期補(bǔ)充,但這種推論需要更多的證據(jù)和人群研究的支持。