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编号:10271661
膜环境高温对新生SD大鼠下丘脑神经元延迟整流性钾通道的影响
http://www.100md.com 《中国病理生理杂志》 2000年第2期
     作者:蔡春青 邹飞

    单位:蔡春青 邹飞(第一军医大学高温医学研究室,广东 广州 510515);邹飞(第一军医大学高温医学研究室,广东 广州 510515)

    关键词:温度;钾通道;下丘脑;神经元

    中国病理生理杂志000203

    [摘 要] 目的:观察高温对下丘脑神经元延迟整流性K+通道(IK)的影响。方法:采用膜片钳技术的细胞贴附记录模式,记录IK的活动动力学。 结果:在32℃、37℃、39℃下,随温度升高,新生SD大鼠IK的电导、长时程开放时间常数(τo2)、开放概率(Po)升高(P<0.05),出现较多的簇状开放和多级开放,热损伤(43℃)处理后,通道活动出现多形式开放,电压依赖程度减弱或丧失。结论:下丘脑神经元IK可能参与机体的发热和中暑发病过程。
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    [中图分类号] R338 [文献标识码] A

    [文章编号] 1000-4718(2000)02-0105-04

    Effect of membrane environment at high temperature on delayed rectifier K+ channel in hypothalamus neurons

    CAI Chun-qing, ZOU Fei

    (Department of Thermal Environmental Medicine,First Military Medical University, Guangzhou 510515,China)

    [Abstract] AIM: To observe the effect of high temperature on the delayed rectifier K+ channel(IK) in hypothalamus neurons. METHODS: The kinetic properties of IK were measured by cell-attached mode of patche-clamp technique. RESULTS: The conductance, long-term open constant(τo2) and open probability(Po) of IK increased with increase of temperature (P<0.05), while more burst open and multi-order open were recorded. Many types of currents occurred after heat stress at 43℃,and voltage-dependent property reduced and even depressed. CONCLUSIONS: The activating action of IK might be affected obviously by high temperature, the coupling between IK and body fever or heatstroke remained to be established.
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    [MeSH] Temperature; Potassium channels; Hypothalamus; Neurons

    下丘脑视前区及邻近的下丘脑前区(POAH)参与调节体温,温度升高,神经元膜上Na+、K+等离子通道活动发生变化,诱发神经元动作电位频率和幅度的改变[1],机体中暑时这种变化尤其明显,神经元也较其它中枢部位更易变性坏死[2]。因此研究高温对该脑区神经元离子通道的影响,对于探讨机体的发热和中暑机制具有重要意义。本文采用膜片钳技术,观察经高温处理后SD大鼠下丘脑神经元膜上IK活动动力学的变化。

    材 料 和 方 法

    一、新生大鼠下丘脑神经元的急性分离

    5~10 d SD大鼠,快速断头取脑,解剖显微镜下分离下丘脑,放入盛有经氧充分饱和的人工脑脊液(artifical cerebrospinal fluid,ACSF)中,ACSF的成份(mmol/L)为:NaCl 140,KCl 5,NaHCO3 20, NaH2PO4 1, CaCl2 2, MgSO4 2,葡萄糖10,pH 7.4,通氧平衡30 min后,将脑片移入新鲜配置的2.5%胰蛋白酶-ACSF 3 mL中消化,15 min后取出脑片,用针头将其分离成丝状,加入2 mL DMEM液吸入离心管中,用不同管径的Pasteur管连续吹打,使细胞分散,取上部悬液加到已涂有0.1%的多聚赖氨酸盖玻片上静置30 min后,进行通道记录。
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    二、神经元的温度处理

    利用恒温灌流装置对浴槽液进行不同温度(32℃、37℃、39℃和43℃)液体的循环灌流,温度误差±0.5℃。40 min后进行单通道记录,浴槽液成份(mmoL/L)为:NaCl 140,KCl 5, CaCl2 2, MgSO4 1,Hepes 10,TTX 0.001(河北省水产研究所),CdCl2 0.2(Sigma), 葡萄糖 10,pH 7.4。

    三、单通道记录和资料分析

    实验在倒置显微镜下进行,用微电极液压操纵器(NARISIGE)控制电极接近细胞,选取直径较小、形态一致、大小均匀、有突起的神经元进行记录,记录用玻璃微电极阻抗为8~12 MΩ,封接阻抗大于5GΩ,电极分两步拉制,内灌电极液(成份同浴槽液)。采用的记录模式除说明外均为细胞贴附式,电流经CEZ-2400型膜片钳放大器(NIHON KOHDENO,Japan)放大,经125 kHz Labmaster DMA数据采集系统后直接输入计算机,用6.0.2版PCLAMP电信号处理软件(Axon instrument,USA)对数据进行采样、分析和测量,利用方差分析进行统计学处理,数据以±s表示。
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    四、热力学参数

    评价通道活动的温度相关性改变,采用热力学参数[3]Q10和Ea,Q10称为热敏系数:Q10=(P1/P2)10/(T1-T2);通道的活化能Ea:Ea=R(lnP1-lnP2)/(1/T1-1/T2);式中的R为气体常数,P1、P2分别用绝对温度T1、T2(T1、T2相差不超过10℃)下的电导值或实验中得到的开放或关闭状态所占的百分率α表示。

    结 果

    倒置显微镜×40镜下见,常温分离的神经元分布均匀,浑圆形或锥形,核致密,有颗粒分布,胞质均匀,边界清晰,约1/10~1/5细胞有突起,高温(>37℃)处理后,视野下可见较多细胞碎片,突起细胞减少,核可见颗粒样或散片状致密物质,温度越高,改变越明显。
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    一、下丘脑K+通道的特性

    采用内面向外式,能够方便地改变膜内外的离子浓度,以了解通道的离子通透性,结果发现:膜片内外对称性地使用120 mmol/L [K+]o和[K+]i,钳制电位(Vh)为负时观察到内向电流,为正时则出现外向电流,翻转电位(Erev)始终接近于0mV(n=5),平均单通道电导为(84±17) pS;当[K+]o浓度为0时,只观察到外向电流,用相同浓度的Na+取代K+,电流消失;当[K+]o/[K+]i为120/50 mmol/L时,Erev为(20±5) mV(n=3); 改变双侧[Cl-]和[Ca2+]通道活动未见改变。用120 mmol/L的CsCl2取代细胞外液中的KCl时,通道电流消失;向浴槽液中加入20 mmol/L的4-AP,通道电流未见改变(n=7,P>0.05);加入20 mmol/L tetraethylammonium,通道电流变小(P<0.05)。
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    二、高温对K+通道动力学的影响

    (一)电流幅度 Vh为-30 mV时,32℃、37℃、39℃下神经元K+通道的电流幅度分别为(-4.356±0.709) pA、(-7.983±1.828) pA和(-9.202±2.014) pA(P<0.05,n=9)(图1),相对于32℃的Q10为3.36和2.91,明显超过温度对离子扩散速度影响的Q10(<1.5)。

    Fig 1 Gating behaviour of IK in hypothalamus neurons at three temperature Vh at-40 mV

    图1 不同温度时下丘脑神经元IK的活动
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    (二)开关动力学的变化 在10例观察的膜片中,Vh为-20 mV时,随温度的升高,τo2逐渐延长(P<0.01),Q10(α)也升高,长时程关闭时间常数τc3显著缩短(P<0.01)(表1)。

    表1 高温对下丘脑神经元IK开关动力学的影响

    Tab 1 Effect of temperature on kinetic properties of IK in neurons from hypothalamus (±s,n=10)

    32℃

    37℃

, 百拇医药     39℃

    τ(ms)

    α(%)

    τ(ms)

    α(%)

    Q10

    τ(ms)

    α(%)

    Q10

    Open:

    τo1

    1.55±0.49
, 百拇医药
    48.9

    3.92±1.47*

    26.2

    0.29

    5.52±2.02**△

    6.8

    0.06

    τo2

    7.44±2.74

    51.1

    36.83±5.17**
, 百拇医药
    73.8

    2.09

    44.86±4.35**△

    93.2

    2.36

    Close:

    τc1

    1.39±0.52

    66.4

    0.81±0.71

    82.5

    1.54
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    0.78±0.01*

    49.3

    0.65

    τc2

    11.82±5.90

    26.9

    29.90±6.64*

    16.9

    0.39

    7.42±3.11▲▲

    20.7
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    0.69

    τc3

    497.16±37.10

    6.7

    193.25±8.86**

    0.6

    0.01

    10.26±4.23**△

    30.0

    6.87

    *P<0.05, **P<0.01, vs 32℃; △P<0.05, vs 32℃; ▲▲P<0.01, vs 37℃
, 百拇医药
    (三)簇状(Burst)开放 温度升高,burst开放的开放时程和Po都明显增大(表2,P<0.05),相对于32℃,37℃的Q10为31.65,39℃的Q10为41.50,表明burst开放对温度的较强敏感性。

    表2 高温对IK的burst开放的影响

    Tab 2 Effect of temperature on burst opening at 32℃, 37℃ and 39℃(Vh at-30 mV)

    32℃(n=6)

    37℃(n=5)

    39℃(n=4)

    τb1
, 百拇医药
    1.465±0.027

    5.456±0.946**

    8.077±1.114**△

    τb2

    6.592±5.897

    49.708±16.122**

    83.224±30.669**△

    Po

    0.147±0.086

    0.827±0.391*
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    0.947±0.249**

    Burst average time

    5.801±1.075

    38.016±10.059**

    69.047±23.810**

    *P<0.05, **P<0.01, vs 32℃; △P<0.05, vs 37℃

    (四)Po 温度升高,Po增大(P<0.05),Vh为-30 mV时,Po在32℃时为0.029±0.072,37℃时为0.175±0.224,39℃时为0.696±0.372(n=4)。

    (五)通道的多级开放 39℃时,Vh去极化在-30 mV以上时,通道可见多级开放。
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    1.电流幅度 在同一Vh条件下,第二级开放的电流幅度为(-11.16±1.43) pA,α为47.4%,第一级为(-5.69±1.26) pA,α为52.6%。第二级与第一级幅度的差数和第一级幅度无显著差异(P>0.05),二者开放比例大致为1∶1,表明多级开放是由于通道电流叠加所致。

    2.通道的开关参数 对每一级开放时程分布直方图进行双指数分析拟合,Vh为-30 mV,第一级开放的τo1、τo2分别为(5.701±1.745和19.859±6.003) ms,长成分占90.0%;第2级开放的τo1、τo2分别为(3.383±0.065和21.400±3.874) ms,长成分占86.8%,两级开放的τo2和α相近(P>0.05)。

    三、43℃高温(热损伤)处理后K+通道动力学变化
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    (一)通道的活动出现多种形式 43℃高温处理40 min后,40%的膜片记录到通道活动(n=16),处理60 min后下降为10%(n=35,P<0.05)。可记录到的活动有多种形式:1活跃的长burst开放,2不活跃的通道的单个开放,3多级和多电导开放,4通道活动的背景噪声增强等。

    (二)K+通道电压依赖性减弱和丧失 43℃高温处理40 min后,部分通道活动随着膜电位去极化水平的升高,电流幅度呈现出不规则的变化,显示出电压依赖性的减弱和丧失(图2)。

    Fig 2 I-V curve showed irregular curve as raised temperature to 42℃

    图2 热应激处理后的IK电流幅度
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    讨 论

    本文记录到的通道对K+具有高度的选择通透性,在开放动力学方面具有明显的电压依赖性,结合对K+通道阻断剂的反应,提示为IK。下丘脑神经元在热应激处理后,IK的Ea增高,K+通过IK的流量和速率增大,通道蛋白构型转换速率加快,体内产生的一些代谢物质也参与调控通道蛋白,因此IK活动增强,出现较多的burst开放,这有利于细胞快速复极化,增加单位时间内神经元动作电位的发放率,并且使神经元有足够的时间处于静息期;IK出现多级开放,提示高温提高了胞膜IK的活动密度[4], 表明神经元的温度敏感性提高[5]。另一方面,当温度升高至43℃时,过高的温度持续一定时间可能破坏胞膜和胞浆内结构,导致离子型受体和G-蛋白偶联型受体或者调节离子通道的第二信使遭受破坏,损伤通道的门控机制,高温也可能影响通道的蛋白质磷酸化/去磷酸化过程[6],从而影响通道的构型,所以IK的活动出现多种形式,电压依赖性减弱或丧失。这些结果提示IK在机体的发热和中暑的发病机理中起着重要作用。
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    [基金项目] 军队“九五”课题基金资助;国家自然科学基金资助(39970810)

    [参 考 文 献]

    [1] Griffin JD,Kaple ML,Chow AR, et al. Cellular mechanism for neuronal thermosensitivity in the rat hypothalamus [J]. J Physiol, 1996,492:231~242.

    [2] 陈 忠,朱剑琴. 高温中暑的病理生理学研究进展[J]. 国外医学生理、病理科学与临床分册,1997,17:373~375.

    [3]Zanello L P, Aztirias E, Antollini, et al. Nicotinic acetylcholine receptor channels are influenced by the physical state of their membrane enviroment [J]. Biophys J,1996,70:2155~2164.
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    [4] 葛伟文,王之贤. 温度适应的分子生物学机制[J]. 生理科学进展,1997,28:268~270.

    [5]Tzschentke B, Nichelmann M. Influence of prenatal and postnatal acclimation on nervous and peripheral thermoregulation [J]. Ann NY Acad Sci, 1997,813: 87~94.

    [6] Levitan IB. Modulation Kf ion channels phosphorylation and dephosphorylation [J]. Annu Rev Physiol,1994,56:193.

    [收稿日期]1998-11-05 [修回日期]1999-03-16

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