孤独症谱系障碍(autism spectrum disorder,ASD)是一组以社交沟通障碍、兴趣或活动范围狭窄及重复刻板行为为核心症状的神经发育障碍,已成为全球罹患率增长最快的疾病之一[1]。起病自童年且贯穿一生,影响1.0%~2.7%的儿童和成年人,全球约有7 800万ASD患者,我国患者逾300万人[2-5]。ASD具有高度异质性和复杂性,且发病机制尚不明确,亟待开发更多有效的治疗方案[6]。
丙戊酸(valproic acid, VPA)是一种短链脂肪酸,广泛用作抗癫痫药物。临床研究表明,孕期VPA暴露与许多疾病风险增加相关,包括发育迟缓、智力障碍和ASD等疾病[7-10]。VPA诱导的ASD样模型代表了一种环境病因综合征,与携带单一ASD相关基因突变的转基因模型相比,该模型可能更好地代表源自环境/表观遗传的特发性ASD病例[11]。因此,孕期VPA暴露诱导的子代ASD大鼠对研究ASD背后复杂的生理及病理学机制具有临床意义和科学价值。血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)在妊娠期间形成,是中枢神经系统内皮细胞在血液和脑组织之间建立的一个选择性过滤器[12]。BBB的主要功能是通过限制可能对神经元活动产生负面影响的循环溶质、大分子蛋白质和炎症细胞进入脑组织,在中枢神经系统防御中起着关键作用[13]。BBB异常可能导致外部有害物质进入大脑及神经炎症反应,从而导致神经元的异常兴奋和突触功能改变,影响大脑发育和功能[14-16]。有研究报道,BBB功能障碍表现为不同程度的脑血管通透性过高、神经血管解耦或血流失调。目前血脑屏障在ASD中发现的改变主要集中在血管通透性增加,导致大脑更容易受到外界物质的影响,发生神经炎症和其他有害物质的损害,但尚未发现可以恢复BBB功能的疗法[13-14]。有研究发现,孕期VPA暴露会通过干扰线粒体-Wnt信号级联增加BBB的通透性[13]。
解聚素金属蛋白酶10(a disintegrin and metallo-protease domain 10,ADAM10)是解聚素金属蛋白酶家族的一员,在大脑中高水平表达,有100多种切割底物。ADAM10可以通过切割血管内皮细胞粘附蛋白(vascular endothelial cadherin, VE-Cad)从而调节BBB的通透性[17],通过切割淀粉样蛋白前体产生分泌型淀粉样蛋白前体α(secreted amyloid precursor protein-α, sAPPα)调节突触的分子组织结构与活性,也可以通过切割CX3CL1调节小胶质细胞介导的突触修剪,是胚胎期及儿童期大脑发育和维持神经网络稳态的重要因子[15, 18]。ADAM10缺陷与部分生命两端的儿童期神经发育性疾病和老年期神经退行性疾病相关,如癫痫、阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease, AD)及亨廷顿综合征(Huntington’s disease,HD)等[18-20]。ADAM10通过调节树突棘发育以及突触可塑性,进而影响社交能力和学习记忆功能[21-22]。ADAM10抑制剂可有效改善脆性X综合征转基因模型小鼠神经结构发育及异常行为[23]。最新研究发现,CNTNAP2基因突变所致ADAM10表达异常可致ASD样行为[24]。因此推测,ADAM10可能是ASD发病机制中的一种重要致病因子和治疗靶点。ADAM10参与ASD发病机制的研究较少,且未见ADAM10抑制剂对ASD样行为大鼠神经发育及行为的干预研究。本研究拟通过腹腔注射ADAM10抑制剂,探讨其对ASD样行为大鼠BBB通透性、突触发育及学习记忆能力的影响,为进一步制定ASD的治疗策略提供参考。
1 材料与方法 1.1 实验动物与分组本研究中所用SD大鼠从重庆医科大学动物中心[No.SYXK(Yu)2022-0002]购买,饲养于重庆医科大学附属儿童医院实验动物中心SPF级动物房内,SPF室环境温度为(25±2)℃,湿度为(50±5)%,昼夜循环设定为12/12 h(光照:早7:00至晚7:00;暗室:晚7:00至早7:00),所有动物自由饮水、进食。动物实验流程均经过重庆医科大学实验动物福利伦理审查委员会批准(CHCMU-IACUC20230629005)。
为了排除性别差异,选取了雄性子代大鼠进入相应的对照组、实验组。将50只孕期VPA诱导(孕12.5 d腹腔注射单剂量VPA 600 mg/kg)的子代ASD大鼠按照随机数字表法分为丙戊酸组(VPA组)、ADAM10抑制剂TAT-Pro-ADAM10(709-729)治疗组(TAT-Pro组),另取25只孕期等体积生理盐水诱导的大鼠作为对照组(CON组)。TAT-Pro组在生后第20天腹腔注射TAT-Pro-ADAM10(709-729) (3 nmol/g),该抑制肽使用方法参考先前文献报道[18, 23],CON组和VPA组在第20天给予等体积的生理盐水。生后第21、28天断头并获取海马组织完成分子生物学及形态学检测,生后24 d开始行为学检测,获取海马组织及行为学时间参考先前文献报道[18, 23]。
1.2 主要仪器、试剂VPA(Sigma公司,美国);TAT-Pro-ADAM10(709-729)(吉尔生化,中国);总蛋白提取试剂盒、BCA蛋白含量检测试剂盒(江苏凯基,中国);SDS-PAGE电泳凝胶配制试剂盒(上海雅酶,中国);ADAM10 Rabbit抗体(Abcam,英国),VE-Cad Rabbit抗体(Santa,美国),Occludin Rabbit抗体(武汉三鹰,中国),ZO-1 Rabbit抗体(武汉三鹰),PSD95 Rabbit抗体(武汉三鹰),SYN Rabbit抗体(华安生物,中国);高尔基染色试剂盒(FD Neuro Technologies, Inc.美国);0.22 μm PVDF膜(Millipore公司,德国);ANY-Maze视频跟踪系统(Stoelting,美国);免疫荧光激光共聚焦显微镜(Nikon,日本)。
1.3 旷场及梳毛实验旷场箱被分为中央区和周边区,依次将各组子代大鼠从中央区放入,测试时间5 min。摄像系统记录每只仔鼠在中央区的时间以评估其探索行为,记录自我梳毛时间来明确是否具有重复刻板行为表现,实验过程中保持安静。每只动物实验完成后用75%的酒精清洁实验设备。
1.4 三箱实验在连通的透明三室箱中进行,是评估大鼠社交能力的经典方法。第1天,在中间箱放入实验鼠并让其适应5 min。第2天,在两侧箱的金属笼中各放入1只同龄、同性别的陌生鼠和1个玩具,实验鼠从中间箱放入后在装置中自由探索5 min。第3天,在两侧箱的金属笼中分别放入陌生鼠和与实验鼠同笼同性别的熟悉鼠,实验鼠从中间箱放入使其自由探索5 min。摄像系统记录实验鼠在每个箱内的活动时间,观察大鼠的社交能力。实验过程中保持安静。每只动物实验完成后用75%的酒精清洁实验设备。
1.5 Morris水迷宫实验每次实验均由电脑自动记录动物从入水点到达平台所需时间,以所需时间作为学习和记忆成绩,若设定时间内未找到站台,计算机停止跟踪,记录时间为60 s。若大鼠在60 s内未找到平台,则将其放在平台停留10 s。第1天为适应训练,在无平台的情况下,让大鼠在迷宫中自由游泳60 s;第2~6天为定位航行实验(非可视训练),分别测试4个象限,记录大鼠游泳轨迹及找到平台所需时间;第7天为平台探索实验,撤去平台,从离平台所在象限最远的象限将实验鼠放入迷宫,记录实验鼠在规定时间内找到平台所在位置次数。
1.6 蛋白质印迹每组取4只大鼠,将50 mg海马组织置于200 μL组织裂解液(RIPA ∶PMSF=1 000 ∶1)中,匀浆后在4 ℃离心10 min(10 000 ×g),离心后取上清,BCA试剂盒测定蛋白浓度。将蛋白质溶液与5×SDS以5 ∶1的比例混合,然后在100 ℃高温变性10 min。电泳分离变性蛋白并转移至PVDF膜,5%脱脂奶粉在室温下封闭2 h,用PBST洗膜3次,在ADAM10、VE-Cad、Occludin、ZO-1、PSD95的一抗中4 ℃孵育过夜,次日在相应二抗中常温孵育1 h,PBST洗膜3次后使用Bio-Rad ChemiDocTM Touch成像系统进行成像。使用Image J软件测量目的蛋白与β-actin灰度值比值,相对定量分析目的蛋白表达。
1.7 免疫荧光染色每组取5只大鼠,用4%多聚甲醛心脏灌注,蔗糖梯度脱水后将海马组织用OCT包埋,冰冻切片切取20 μm海马组织。用0.01 mol/L的PBS在常温下漂洗5 min×3次,将切片置于封闭液(0.3% Triton+0.1% Tween+PBS)后在常温下孵育2 h。用PBS(0.01 mol/L) 常温漂洗5 min×3次,将切片置入ZO-1 Rabbit抗体中(1 ∶200),4 ℃过夜孵育。第2天将切片在常温下复温1 h,然后用PBS漂洗3次,每次5 min。随后将切片放入含有荧光二抗(Abcam,1 ∶500)的溶液中,在常温下避光孵育50 min。取出切片后,用PBS液漂洗3次,每次5 min。接着进行DAPI复染10 min,然后用PBS在常温下漂洗2次,每次3 min。将切片平整贴于防脱载玻片上,滴上抗荧光淬灭剂封片,于4 ℃避光保存。采用免疫荧光激光共聚焦显微镜观察拍照。
1.8 高尔基染色每组取5只大鼠,取脑组织标本后迅速浸泡至AB混合液中,常温浸泡6 h后更换1次新的AB混合液。室温下AB液浸泡避光保存2周。取出标本转到C液中,24 h后更换1次新的C液。室温下C液浸泡避光保存72 h。取出标本后擦除表面的液体,转至-80 ℃冰箱过夜。冰冻切片机的样本盘上滴加少许OCT包埋液,使标本固定在样本盘上,将脑组织切成厚度为100 μm的薄片。脑组织铺在明胶包被的载玻片,避光下室温保存2 d。使用双蒸水冲洗切片4 min×2次。把切片置于染色混合液(D液∶E液∶双蒸水=1 ∶1 ∶2)中,在摇床上染色10 min。使用双蒸水冲洗切片4 min× 2次。在50%、75%、95%的乙醇中对切片进行梯度脱水,每个梯度4 min。使用无水乙醇对切片进行脱水4 min×4次。在二甲苯中对切片进行透明4 min×3次。用树脂封片剂原液对盖玻片进行封片。光学显微镜下观察神经元树突棘并进行图像分析。在次级树突上30~100 μm段内计算树突棘的数量。用Image J软件对图像进行分析。
1.9 统计学分析采用SPSS 25.0软件进行分析,使用GraphPad Prism 9.0软件生成图形。采用x±s表示具有正态分布的变量。水迷宫实验逃避潜伏期数据采用双因素方差分析,其余多组数据之间比较采用单因素方差分析。检验水准α=0.05。
2 结果 2.1 ADAM10抑制剂对孕期VPA暴露诱导的子代ASD大鼠生长发育无显著影响本研究监测了子代大鼠生后1~28 d的尾长及体质量变化,发现VPA及TAT-Pro组子代大鼠尾巴均出现明显折尾(图 1A)。VPA组子代大鼠尾长与CON组相比显著缩短(P<0.05),但TAT-Pro组与VPA组相比无显著差异,见图 1A、B。3组仔鼠的体质量变化未见统计学差异(图 1C)。
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A:不同子代大鼠尾部畸形情况;B:子代大鼠生后第1、7、14、21、28天尾长变化a:P<0.05,与CON组比较;C:子代大鼠生后第1、7、14、21、28天体质量变化 图 1 3组子代大鼠建模期间尾长及体质量变化(n=10, x±s) |
2.2 ADAM10抑制剂可以改善孕期VPA暴露引起的子代大鼠ASD核心症状
在旷场实验中,首先检测了3组子代大鼠的运动总距离,结果发现3组的总运动距离没有显著差异(图 2A)。但与CON组相比,VPA组大鼠的跨线次数及在中央区停留时间均显著减少(P<0.05),TAT-Pro组跨线次数及在中央区停留时间较VPA组显著增多(P<0.05,图 2B、C)。在梳毛实验中,VPA组大鼠的梳毛时间较CON组显著增加(P<0.05),TAT-Pro组梳毛时间较VPA组显著减少(P<0.05),见图 2D。在三箱的社会互动实验中,结果显示与CON组相比,VPA组大鼠在玩具箱中停留的时间更长(P<0.05),在陌生鼠箱中停留的时间较短(P<0.05),而TAT-Pro组子代大鼠与VPA组相比,其在陌生鼠箱中会花费更多的时间(P<0.05),见图 2E。在三箱的社会新颖性实验中,结果显示与CON组相比,VPA组子代大鼠在熟悉鼠箱中停留的时间更长(P<0.05),在陌生鼠箱中停留的时间较短(P<0.05),而TAT-Pro组子代大鼠与VPA组相比,其在陌生鼠箱中会花费更多的时间(P<0.05),见图 2F。
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a:P<0.05,与CON组比较;b: P<0.05,与VPA组比较 A:旷场实验中移动总距离; B: 旷场实验在中央区域跨线次数; C: 旷场实验在中央区域停留时间; D: 梳毛时间; E: 在陌生鼠箱与玩具箱中停留的时间; F: 在陌生鼠箱与熟悉鼠箱中停留的时间 图 2 3组子代大鼠旷场及三箱实验(n=11,x±s) |
2.3 ADAM10抑制剂可以改善孕期VPA暴露引起子代大鼠的学习记忆障碍
通过对3组大鼠在水迷宫中逃避潜伏期的检测,发现VPA组显著高于CON组(P<0.05),TAT-Pro组较VPA组显著降低(P<0.05),见图 3A。通过对平台探索次数的检测,发现VPA组平台探索次数显著低于CON组(P<0.05),而TAT-Pro组平台探索次数较VPA组显著增多(P<0.05),见图 3B。
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a:P<0.05,与CON组比较;b: P<0.05,与VPA组比较 A:逃避潜伏期; B: 平台探索次数 图 3 3组子代大鼠水迷宫实验(x±s) |
2.4 ADAM10抑制剂可以上调VE-cad蛋白表达量
Western blot检测发现,VPA组ADAM10蛋白表达水平较CON组显著升高(P<0.05),VE-Cad蛋白表达水平较CON组显著降低(P<0.05);TAT-Pro组ADAM10蛋白表达水平较VPA组显著下调(P<0.05),VE-Cad蛋白表达水平较VPA组显著上调(P<0.05,图 4)。
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a:P<0.05,与CON组比较;b: P<0.05,与VPA组比较 A、B:3组子代大鼠海马组织中ADAM10、VE-Cad电泳结果;C:3组子代大鼠海马组织ADAM10定量分析;D:3组子代大鼠海马组织VE-Cad定量分析 图 4 3组子代大鼠海马组织中ADAM10、VE-Cad的蛋白表达水平(n=4, x±s) |
2.5 ADAM10抑制剂可以改善子代ASD大鼠BBB通透性
Western blot检测BBB通透性相关蛋白发现,VPA组Occludin和ZO-1蛋白表达水平较CON组显著降低(P<0.05);TAT-Pro组Occludin蛋白表达水平较VPA组显著上调(P<0.05),但ZO-1蛋白表达水平较VPA组无显著改变,见图 5A~D。进一步,用免疫荧光染色检测ZO-1的定位及定量,发现结果与上述Western blot结果一致。VPA组ZO-1蛋白表达水平较CON组显著降低(P<0.05),TAT-Pro组ZO-1蛋白表达水平较VPA组无统计学差异,见图 5E、F。
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a:P<0.05,与CON组比较;b: P<0.05,与VPA组比较 A、B:3组大鼠海马组织中Occludin、ZO-1电泳结果;C:3组大鼠海马组织中Occludin定量分析(n=4);D:3组大鼠海马组织中ZO-1定量分析(n=4);E、F: 免疫荧光检测ZO-1蛋白表达变化及荧光量化分析(n=5) 图 5 3组子代大鼠海马组织中Occludin、ZO-1的蛋白表达水平(x±s) |
2.6 ADAM10抑制剂可以改善孕期VPA诱导的子代大鼠神经元异常
Western blot检测海马组织中突触蛋白发现,VPA组SYN和PSD95蛋白表达水平较CON组显著升高(P<0.05,图 6C、D),TAT-Pro组PSD95蛋白表达水平较VPA组显著降低(P<0.05,图 6B、D),但TAT-Pro组SYN蛋白表达水平与VPA组比较无统计学差异(图 6A、C)。进一步,用高尔基染色检测树突棘密度变化,发现VPA组树突棘密度较CON组显著升高,且不成熟树突棘显著增多(P<0.05);TAT-Pro组树突棘密度较VPA组显著降低(P<0.05),见图 6E、F。
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a:P<0.05,与CON组比较;b: P<0.05,与VPA组比较 A、B:3组子代大鼠海马组织中SYN、PSD95电泳结果;C:3组子代大鼠海马组织SYN定量分析(n=4);D:3组大鼠海马组织PSD95定量分析(n=4);E、F:3组大鼠海马组织高尔基染色树突棘及量化分析(n=5) 图 6 3组子代大鼠海马组织突触结构发育情况(x±s) |
3 讨论 3.1 ADAM10在ASD发病机制中的作用
ASD的发病机制非常复杂且具有高度异质性,涉及多种因素,被认为是早期大脑发育和神经重组改变的结果,并受遗传与环境交互作用的影响[25-27],尚缺乏有效的ASD病因治疗手段。ADAM10是ADAM跨膜蛋白家族中的一员,在大脑中高水平表达,可以切割100多种不同的底物,包括Notch家族成员、APP、VE-cad、IL-6细胞因子受体等[15, 28]。目前,ADAM10异常表达对多个神经退行性疾病的影响已在AD[19-20]、HD[18]等疾病模型中相继得到证实。近期研究发现,ADAM10的异常表达可能是ASD发病的重要原因[24]。
孕期VPA暴露诱导的子代ASD大鼠模型能更好地代表源自环境/表观遗传的特发性ASD病例,已被广泛用于ASD基础研究,包括靶向药物治疗研究[11, 29]。大量研究表明,孕期VPA暴露可以导致子代大鼠出现ASD样行为及认知功能障碍[25, 30]。本研究发现,使用ADAM10抑制剂TAT-Pro-ADAM10(709-729)后,不仅可以显著改善孕期VPA暴露所引起的ASD样行为,也显著改善了子代大鼠的学习记忆功能损害。
3.2 ADAM10可能通过影响BBB功能调节ASD病理过程目前认为,BBB功能受损为ASD患者大脑重要特征之一[14, 29, 31]。其中,BBB作为神经系统的重要保护屏障,在维持大脑内部环境稳定和神经元正常功能方面起着至关重要的作用[14, 32]。关于ADAM10对BBB通透性影响的研究甚少。VE-Cad是内皮粘附连接的主要粘附分子, 它在控制内皮通透性、血管完整性和血管生成方面起着至关重要的作用[17]。SCHULZ等[17]证明ADAM10可以通过特异性切割内皮细胞中的VE-Cad,增加血管内皮通透性,进而影响BBB功能。于是推测ADAM10过表达可能通过对BBB中的连接蛋白VE-Cad过度切割,使BBB的通透性增加,进而影响ASD的发病。本研究结果表明,与CON组相比,VPA组的ADAM10表达增加,且代表BBB功能的VE-Cad、Occludin、ZO-1表达均降低,提示VPA组大鼠的BBB受损,这与MEHRA等[29]的研究是一致的。抑制ADAM10的过表达可以减少VE-Cad的切割,导致其蛋白表达量增加,同时可以影响Occlduin的蛋白表达,改善孕期VPA暴露引起的BBB功能障碍。提示ADAM10可能通过影响BBB的功能来调节ASD病理过程。
3.3 ADAM10在突触发育异常中的作用及其与ASD的关联突触发育障碍被认为是ASD患者大脑的另一重要特征[1, 15]。突触结构发育异常是影响突触功能的关键因素。大量研究表明,ADAM10通过切割APP、CX3CL1等蛋白影响突触结构发育[15, 28]。目前认为,树突棘是一种微小的膜性生长物,是兴奋性突触传递的主要部位。在中枢神经系统中,树突棘影响突触连接,对神经元回路的形成至关重要[33]。而在ASD患者中,树突棘形成异常已有报道[34-35]。本研究表明,孕期VPA暴露会使仔鼠海马组织中树突棘密度增加,并以未成熟树突棘为主;且突触蛋白PSD95及SYN蛋白表达均显著增多,提示孕期VPA暴露可以诱导仔鼠的突触结构发育异常,进而影响突触功能。进一步研究发现,孕期VPA暴露诱导的子代ASD大鼠ADAM10异常增高可致突触蛋白表达异常;抑制ADAM10过表达,SYN-1和PSD-95蛋白水平显著降低,树突棘密度降至正常水平。提示ADAM10过表达可能是导致ASD突触发育异常的关键因素。
3.4 局限性及未来研究方向本研究还存在一些局限性,如动物模型研究不能完全替代临床研究,且本实验尚未揭示ADAM10影响Occludin及突触蛋白表达的机制,需要通过临床样本研究及更深入的机制研究来进一步验证和解释本研究的假设。
综上所述,本研究为深入了解ASD的神经生物学基础提供了新的视角,揭示了ADAM10抑制剂在修复ASD相关神经结构和功能异常以及改善ASD样行为方面的潜在作用,并为ASD患者提供了新的参考治疗靶点,为开发ASD的新型治疗药物提供了重要线索。未来研究应进一步探讨ADAM10抑制剂的治疗剂量和治疗机制,为进一步的药物研发提供更多的数据支持。
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