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编号:10504517
肺冲击伤对大鼠学习、记忆能力的影响及其机制
http://www.100md.com 《第三军医大学学报》 1999年第6期
     蒋建新** Ibolja Cernak 王正国 廖维宏 徐 红 刘大维 石 林 李晓炎 王克万

    提 要 目的:探讨胸部局部冲击伤后大鼠神经行为功能改变,及肺冲击伤对中枢神经系统的影响。方法:致伤前,动物均在一计算机控制的双向穿梭箱内连续训练6 d,每天连续训练20次,以获得主动回避反射(AAR)。在最后2 d的训练中,AAR≥80%的大鼠被选用于冲击伤实验。采用BST-Ⅲ生物激波管致大鼠单纯肺冲击伤。脑组织内NO-2/NO-3、cGMP含量分别采用比色测定试剂盒和酶免疫测定试剂盒进行测定。结果:①肺冲击伤后,大鼠AAR和ER明显下降,主动回避反应潜伏期(AARL)明显延长。②肺冲击伤后3、24 h和5 d,海马和脑干组织内NO-2/NO-3、cGMP含量明显升高。③海马和脑干组织内NO-2/NO-3水平变化分别与肺冲击伤伤情、AAR、ER和AARL值呈显著相关性。结论:单纯肺冲击伤可引起远隔器官-中枢神经系统功能损害,其机制可能与海马和脑干组织内NO释放增多有关。
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    关键词:肺冲击伤 神经创伤

    肺脏是冲击波作用的主要靶器官,因而肺损伤往往是决定冲击伤伤情发展、转归及预后的主要因素[1]。临床观察发现[2],冲击伤伤员也常常出现意识障碍、昏睡、眩晕、头痛、近事遗忘等症状。这种中枢神经系统损害是否为肺冲击伤的继发性改变,迄今尚未得到阐明。

    近年研究表明[3~5],一氧化氮(nitric oxide,NO)在神经、免疫、心血管等多个系统中具有广泛而复杂的生理与病理作用。然而,关于冲击伤时脑组织内NO的变化及其与神经行为功能改变的关系,迄今尚未见文献报道。本研究采用我室自行设计的BST-Ⅲ型生物激波管,以主动回避反应(Active avoidance response,AAR)作为学习和记忆的指标,探讨了单纯肺冲击伤后神经行为功能改变、海马和脑干组织内NO的变化及其相互关系,为阐明肺冲击伤对中枢神经系统功能的影响及其机制提供实验依据。
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    1 材料和方法

    1.1 实验动物 研究选用雄性Wistar大鼠20只,体重220~270 g。致伤前,所有动物均进行AAR训练。实验选用经训练后AAR≥80%的动物。随机将动物分为冲击伤后3 h(n=6)、24 h(n=8)和5 d(n=6)3组。

    1.2 胸部局部冲击伤模型

    用BST-Ⅲ型生物激波管致伤。 氯胺酮肌注麻醉(35 mg/kg)后,将大鼠侧放入盒内(铺有海绵),使激波管口正对着右侧胸部中央,同时用一铁板保护身体其它部位。管口距离胸部6.25m,入射超压峰值为440 kPa,正压作用时间为50 ms。

    1.3 AAR训练

    采用自行设计、计算机控制的光信号刺激的双向穿梭箱(Two-way shuttle box),大小为48 cm×22 cm×22.5 cm,两室之间有拱形小门相通。箱底由铜棒组成,可通交流电(5 mA,持续5s)产生足电震(foot shock)。两室内各装一小灯泡,以灯光作为条件刺激,建立条件性穿梭反应,即AAR。其方法是:先让大鼠在箱内适应环境5min,然后呈现灯光(为条件刺激,约40 1ux,持续5s),如果大鼠在灯亮后不逃至暗室,5s后则自动给予电击(为非条件刺激,5mA,持续5s),使大鼠学会见到灯光即跑到暗室的条件反应。若动物见灯亮后自行跑到暗室则为AAR,所需时间为主动回避反应潜伏期(Active avoidance response latency,AARL),若动物见灯亮后仍需电刺激才跑到暗室则为逃避反应(Escape response,ER),所需时间为逃避反应潜伏期(Escape response latency,ERL)。依此方法动物每天连续训练20次,每次间隔为30 s,连续训练6d,以AAR次数占训练次数的百分比即为AAR习得率(Acquisition),反映其学习能力。然后选取最后2d内习得率均≥80%的动物用于冲击伤实验。分别在冲击伤后3、24 h和5d,再测试动物AAR,检测其记忆保持能力。以上实验均在避光和安静的环境中进行。
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    1.4 冲击伤伤情评估

    对冲击伤伤情同时进行定性和定量评估。伤情的定性评估标准为:无伤;轻伤:出血点呈点状或散在性分布,出血总面积小于全肺面积的10%;中度:较多的点状出血,有片状出血,出血总面积<全肺面积的50%;重度:较多片状出血,偶见大片出血,出血总面积约为50%的全肺表面积,肺切面有泡沫状水肿液溢出;极重度:较多大片状出血,甚至肺实变,出血面积大于50%肺表面积,气管中有较多的血性泡沫液。

    冲击伤伤情的定量评估采用Yelverton记分法[6]

    1.5 亚硝酸盐/硝酸盐(NO-2/NO-3)含量测定

    分别在冲击伤后3、24 h和5d,断头活杀动物,取海马和脑干组织,置液氮速冻,-70°C保存。脑组织于磷酸盐缓冲液(pH 7.4,1∶10,g/v)中匀浆,匀浆液置高速冷冻离心机中离心,10000×g,10 min,随后超高速离心,100000×g,15 min。应用0.45 μm滤器过滤,随后采用10 kDa分子量的滤器进行超滤。采用NO比色测定试剂盒(Cayman Chemical Company,USA)进行测定。
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    1.6 cGMP测定

    将脑组织置磷酸缓冲液(0.05 mmol/L,pH7.4)-10%三氯乙酸中(1∶10,g/ml)匀浆,1500×g离心10 min,取上清,上清液经乙醚反复抽提3次(5份体积乙醚:1份体积样本)以去除三氯乙酸,然后70°C,加热5min,去除样本中剩余的乙醚。采用酶免疫测定试剂盒测定cGMP。

    1.7 蛋白质测定

    组织标本蛋白质含量测定采用Bradford法[7]

    1.8 统计学分析

    数据以X±s表示。选用软件Staticica 5.0进行t检验和相关分析。

    2 结果
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    2.1 冲击伤伤情

    大体解剖结果显示,胸部局部暴露冲击波后,绝大多数动物肺脏呈较多的点状或片状出血,出血总面积占全肺面积的40%~50%,为中度肺损伤,仅少数动物肺脏呈散在的点状出血,出血总面积小于全肺面积的10%,为轻度肺损伤,其它脏器未见明显改变。

    Yelverton评分结果显示,伤后3、24 h和第5天,肺冲击伤评分值分别为:35.6±12.5,23±8.9和7.2±6.3。

    2.2 脑组织内NO-2/NO-3含量的变化

    脑冲击伤后3h,海马和脑干组织内NO-2/NO-3含量即显著高于基础值,伤后24 h仍显著升高,脑干组织内NO-2/NO-3含量在伤后5 d仍明显高于伤前,见图1。
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    图1 胸部局部冲击伤后海马与脑干组织内NO-2/NO-3含量的变化与基础值比较,**:P<0.01,***:P<0.001

    Fig 1 Changes of NO-2/NO-3 contents in hippocampus and brainstem tissues after local blast injury of chest **:P<0.01,***:P<0.001 vs baseline values

    2.3 脑组织内cGMP含量的变化

    肺冲击伤后,海马和脑干组织内cGMP含量均明显高于伤前,见图2。

    图2 胸部局部冲击伤后海马与脑干组织内cGMP含量的变化与基础值比较,*:P<0.05,**:P<0.01
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    Fig 2 Changes of cGMP contents in hippocampus and brainstem tissues after local blast injury of chest *:P<0.05,**P<0.01 vs baseline values

    2.4 ERL和AARL变化

    肺冲击伤时,AARL分别在伤后3、24 h明显延长,ERL无明显变化,见表1。

    表1 单纯肺冲击伤后ERL和AARL的变化

    Tab 1 Changes of ERL and AARL after simple pulmonary blast injury

    Baseline

, 百拇医药     3 h

    Baseline

    24 h

    Baseline

    5 d

    ERL

    5.68±0.36

    6.28±0.57

    5.58±0.35

    5.86±0.56

    5.71±0.18

    5.50±0.17
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    AARL

    2.46±0.47

    3.66±0.99#

    2.73±0.42

    3.32±0.56#

    3.10±0.19

    3.02±0.30

    #:P<0.05 vs baseline values

    2.5 AAR和ER变化 肺冲击伤后,AAR均显著低于伤前,ER明显高于伤前,见表2。

    表2 单纯肺冲击伤后AAR和ER的变化
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    Tab 2 Changes of AAR and ER after simple pulmonary blast injury

    Baseline

    3 h

    Baseline

    24 h

    Baseline

    5 d

    AAR

    80.8±14.2

    39.2±22.7##

    83.7±7.9
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    63.5±31.1#

    84.2±8

    75±10.9#

    ER

    20.8±15.6

    59.2±22.2##

    16.3±7.9

    36.5±31.1#

    15.8±8

    25±10.9#

    #:P<0.05,##:P<0.01 vs baseline values
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    2.6 NO变化与神经行为功能改变、冲击伤伤情的相关分析

    肺冲击伤后,脑干组织内NO-2/NO-3含量变化也与冲击伤伤情、AAR、AARL、ERL呈显著的相关性(γ=0.87,-0.56,0.75,0.89,P<0.01)。

    3 讨论

    大体解剖结果显示,胸部局部暴露冲击波后,动物肺脏呈较多的点状或片状出因,出血总面积占全肺面积的40%~50%,为中度肺损伤,而其它脏器未见改变。说明胸部局部冲击波暴露仅造成单纯肺脏冲击伤。

    神经行为功能检查显示,胸部局部冲击伤后,大鼠AAR明显下降,ER明显升高,AARL明显延长,提示大鼠学习和记忆能力下降,说明胸部局部暴露冲击波引起的肺冲击波可进一步造成远隔器官-中枢神经系统的损害。
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    研究结果进一步显示,肺冲击伤后,海马与脑干组织内NO-2/NO-3含量均显著升高,其中海马组织内NO-2/NO-3含量随伤后时间延长而递增。相关分析表明,脑组织内NO-2/NO-3含量变化与肺冲击伤伤情呈显著正相关。提示肺冲击伤后脑组织内NO生成明显增多,其机制可能与压力波传播、脑组织缺血缺氧以及神经内分泌反应有关。

    现已研究证实[4],正常情况下,在中枢神经系统内合成的NO是调节脑内信息传递、突触可逆性(学习与记忆)等方面的重要介质。然而,病理情况下,如脑缺血时,脑内NO产量显著增加,此时则产生细胞毒作用,因而又是神经系统损伤的重要机制[5]。相关分析显示,脑干组织内NO-2/NO-3含量变化与AAR、ER、AARL呈显著相关性。提示NO产生增加可能是肺冲击伤导致远隔器官-中枢神经系统损害的重要机制之一。
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    与其它介质不同,NO的各种活性不是通过细胞膜受体介导的,主要是通过激活细胞内可溶性鸟苷酸环化酶,使细胞内cGMP浓度迅速升高,cGMP随后调节蛋白激酶、磷酸二脂酶和离子通道等而产生不同的生物学作用[5]。本研究也发现,肺冲击伤后,海马与脑干组织内cGMP水平均显著升高。此外,NO诱导颅脑冲击伤的作用机制可能还与以下因素有关:(1)协同或增强氧自由基作用[8];(2)使含巯基类蛋白硝基化[9],影响信息传导;(3)促进谷氨酸等兴奋性氨基酸释放,介导兴奋毒性损伤[9]

    *全军“九五”指令性课题,No.96L040

    **蒋建新,男,36岁,研究员,博士

    *This project was supported by the "Ninth five" obligatory budget of PLA,No.96L040
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    作者单位:第三军医大学附属大坪医院野战外科研究所第四研究室 重庆,400042

    参考文献

    1 黎 鳌,盛志勇,王正国 主编.现代战伤外科.北京:人民军医出版社,1998.93~126

    2 Clemedson C J. Blast injury. Physiol Rev,1956,36(2):336

    3 Rosselli M, Keller P J, Dubey R K. Role of nitric oxide in the biology,physiology and pathophysiology of reproduction. Hum Reprod Update,1998,4(1):3

    4 赵保路,陈惟昌.NO自由基的性质及其生理功能.生物化学与生物物理进展,1993,20(5):409
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    5 Dawson T M, Dawson V L, Snyder S H. Molecular mechanisms of nitric oxide actions in the brain. Ann N Y Acad Sci,1995,Nov.17,738:76

    6 Yeverton J T. Pathology scoring system for blast injuries. J Trauma,1996,40(Suppl):S111

    7 Bradford M M. A rapid and sensitive method for the quantification of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal Biochem,1976,238(2):248

    8 Bechman J S, Chen J, Crow J P, et al. Reactions of nitric oxide,superoxide and peroxynitrite with superoxide dismutase in neurodegeneration. Prog Brain Res,1994,103(2):371

    9 Gross S S, Wolin M S. Nitric oxide:pathophysiological mechanism. Annu Rev Physiol,1995,57(3):737, http://www.100md.com(蒋建新** Ibolja Cernak 王正国 廖维宏 徐 红 刘大维 石 林 李晓炎 王克万)