摘要: 目的: 术后认知功能障碍(Postoperative cognitive dysfunction,POCD)是指患者在经历手术、麻醉等围术期操作后出现了神经认知功能减退,是一种中枢神经系统并发症。研究发现POCD会影响患者的康复进程,延长患者的住院时间,甚至引发其他身心疾病、增加患者的死亡率,为患者及其家庭带来沉重负担。随着我国人口老龄化进展,越来越多的老年患者接受了麻醉手术操作,因此,研究POCD的发病机制,寻找潜在的诊疗靶点尤为重要。 越来越多的文献研究表明:NEDD8参与神经退行性疾病如阿兹海默症(Alzheimer’s Disease,AD)、帕金森病(Parkinson Disease,PD)的发生发展,然而NEDD8在POCD中的作用机制尚未阐明,缺乏相关研究。因此,本课题旨在研究NEDD8在POCD中的作用机制。 材料和方法: 1、收集四川大学华西医院接受髋关节置换术患者,分别于术前1天、术后第7天进行神经认知功能评估并收集血液样本。 2、提取患者的血浆神经源性细胞外微囊泡后,选取30只月龄15-18月,体重26-32g的C57BL/6J野生型SPF级老年小鼠,对小鼠进行海马立体定位注射。随机平均分为3组:PBS组(海马注射PBS),POCD组(海马注射POCD患者血浆神经源性细胞外微囊泡),non-POCD组(海马注射非POCD患者血浆神经源性细胞外微囊泡),每组10只(n=10)。观察4周后进行行为学实验评估其认知功能。 3、提取患者的血浆神经源性细胞外微囊泡,外送行m RNA高通量测序分析(由广东锐博生物科技有限公司完成),得到差异表达的基因。根据测序结果扩大样本量,行q RT-PCR实验验证测序结果。通过多因素Logistic回归分析寻找与POCD发生相关的独立相关因素,之后根据受试者工作特征曲线建立预测模型。 4、选取50只月龄15-18月,体重26-32g的C57BL/6J野生型SPF级老年小鼠随机分为对照组(n=10),手术组(n=40),手术组又分为Day1、Day3、Day7、Day14组,分别对应在单侧肾切除术后第1、3、7、14天时处死小鼠收取标本(n=10)。在对小鼠进行单侧肾切除术之前通过Y迷宫判断其认知功能基线是否相同,在单侧肾切除术后通过一系列的行为学,如Y迷宫,旷场实验,Morris水迷宫,条件恐惧实验评价其认知功能。之后通过Western Blot及q RT-PCR实验验证各组小鼠NEDD8、CRL、IκB、p65、p50、CXCL1、CXCL2、TNF-α、IL-6、Bax、Bcl2、Cleaved Caspase3、Caspase3、Trkb、PSD95、SYN、磷酸化Tau蛋白的表达变化,通过TUNEL染色实验评价神经元凋亡指数,通过免疫荧光共定位染色实验观察NEDD8、CRL、磷酸化Tau蛋白与神经细胞共定位及表达情况,通过免疫共沉淀与免疫荧光共定位染色观察NEDD8与CRL及Tau蛋白相互作用情况。 5、选取80只月龄15-18月,体重26-32g的C57BL/6J野生型SPF级老年小鼠随机平均分为AAV-对照组,AAV+对照组,AAV-手术组,AAV+手术组,每组20只(n=20)。并分别在单侧肾切除术后第3天、第14天每组各处死10只小鼠收取标本。AAV+组小鼠为双侧海马CA1区行脑立体定位注射AAV9-NEDD8-sh RNA来敲降NEDD8的表达,AAV-组注射空载体AAV,待AAV转染2周后,对AAV+和AAV-组中各一半的小鼠行单侧肾切除术作为手术组,余为对照组。单侧肾切除术之前通过Y迷宫判断其认知功能基线是否相同,在单侧肾切除术后通过一系列的行为学,如Y迷宫,旷场实验,Morris水迷宫,条件恐惧实验评价其认知功能。之后通过Western Blot及q RT-PCR实验验证各组小鼠NEDD8、CRL、IκB、p65、p50、CXCL1、CXCL2、IL-6、TNF-α、Bax、Bcl2、Cleaved Caspase3、Caspase3、Trkb、PSD95、SYN、磷酸化Tau蛋白的表达变化,通过TUNEL染色实验评价神经元凋亡指数,通过免疫荧光共定位染色实验观察NEDD8、CRL、磷酸化Tau蛋白与神经细胞共定位及表达情况。 结果: 1、共收集74名髋关节置换术患者,其中30名患者出现POCD,44名患者未出现POCD,POCD发病率为40.5%。 2、与海马注射PBS组小鼠相比,海马注射POCD患者血浆神经源性细胞外微囊泡组小鼠在场景提示测试中僵直时间百分比显著下降(32.33±4.16%vs 72.87±4.6%,P<0.001),海马组织中磷酸化Tau蛋白表达显著升高(P<0.001);而海马注射非POCD患者血浆神经源性细胞外微囊泡组与海马注射PBS组小鼠在场景提示测试中僵直时间百分比没有显著差异(69.33±3.06%vs 72.87±4.6%,P=0.491),海马组织中磷酸化Tau蛋白表达没有显著差异。 3、与非POCD组相比,POCD组患者血浆神经源性细胞外微囊泡中有79个m RNAs差异表达,其中45个上调,24个下调。行GO、KEGG通路富集分析,发现上调和下调表达的基因主要与炎症、凋亡、代谢、泛素化修饰等相关。 4、通过单侧肾切除术构建POCD模型。手术组与对照组小鼠术前的Y迷宫实验进臂次数(22±4.98 vs 21.8±4.31,P=0.76)、自发交替率(72.08±7.69%vs 70.1±6.77%,P=0.78)没有显著差异;手术组与对照组小鼠术后的旷场实验运动速度(14.02±4.33cm/s vs 14.87±2.67cm/s,P=0.72)、Y迷宫实验进臂次数(20.8±3.7 vs 20.8±4.6,P=0.91)、Morris水迷宫实验游泳速度(68.64±7.45cm/s vs 72.03±3.19cm/s,P=0.33)没有显著差异。与对照组相比,手术组小鼠术后Y迷宫实验自发交替率显著降低(57.69±7.66%vs 72.12±6.67%,P<0.01),Morris水迷宫实验测试阶段在目标第Ⅳ象限停留时间(36.6±5.94%vs 56.28±4.62%,P<0.01)、跨原水下逃避平台次数(4.5±1.29 vs 8.3±1.26,P<0.01)显著降低,条件恐惧实验场景提示测试阶段僵直时间百分比显著降低(31±6.68%vs77.13±8.93%,P<0.001)。 5、免疫荧光共定位染色提示NEDD8、CRL与神经元共定位,Western Blot实验结果提示:手术后小鼠海马组织中NEDD8、CRL表达较对照组显著升高(P<0.01)。检测炎症水平:手术组小鼠海马组织中p65、p50、CXCL1、CXCL2、TNF-α、IL-6表达升高,IκB表达下调(P<0.001)。通过TUNEL染色发现:手术组小鼠海马组织中神经元凋亡指数显著升高(P<0.01)。检测凋亡水平:手术组小鼠海马组织中Bax、Cleaved Caspase3表达升高,Bcl2表达下调(P<0.001)。检测突触可塑性功能:手术组小鼠海马组织中SYN、Trkb、PSD95表达下调(P<0.001)。免疫荧光共定位染色提示磷酸化Tau蛋白与神经元共定位,Western Blot实验结果提示:手术组小鼠海马组织中磷酸化Tau蛋白表达较对照组显著升高(P<0.001)。免疫荧光共定位染色及免疫共沉淀实验提示:NEDD8与CRL、Tau蛋白存在相互作用。 6、双侧海马注射腺相关病毒携带NEDD8-sh RNA敲降海马组织中NEDD8的表达,转染2周后行单侧肾切除术构建POCD模型。通过旷场实验、Y迷宫实验进臂次数、Morris水迷宫实验游泳速度分析,各组间运动能力没有显著差异。单侧肾切除术前1天Y迷宫实验各组自发交替率没有差异。术后Y迷宫实验中,AAV-手术组自发交替率显著低于AAV-对照组(55.66±7.19%vs 69.46±3.35%,P<0.01),AAV+手术组自发交替率显著高于AAV-手术组(64.56±3.64%vs 55.66±7.19%,P<0.05)。Morris水迷宫实验测试阶段,AAV-手术组停留在目标第Ⅳ象限的时间占比、跨过原平台位置次数显著低于AAV-对照组(27.77±5.27%vs45.82±4.44%,P<0.01)(2.75±1.71 vs 10±1.83,P<0.001),AAV+手术组停留在目标第Ⅳ象限的时间占比、跨过原平台位置次数显著高于AAV-手术组(38.25±1.9%vs 27.77±5.27%,P<0.05)(8.25±0.96 vs 2.75±1.71,P<0.01)。条件恐惧实验场景提示测试中,AAV-手术组僵直时间百分比显著低于AAV-对照组(30.62±3.51%vs 71.11±4.63%,P<0.001),AAV+手术组小鼠僵直时间百分比显著高于AAV-手术组(63.63±2.01%vs30.62±3.51%,P<0.01)。 7、Western Blot实验结果提示:AAV-手术组小鼠海马组织中NEDD8、CRL表达较AAV-对照组显著升高(P<0.01),AAV+手术组小鼠海马组织中NEDD8、CRL表达较AAV-手术组显著降低(P<0.001)。检测炎症水平:与AAV-对照组相比,AAV-手术组小鼠海马组织中p65、p50、CXCL1、CXCL2、TNF-α、IL-6表达升高,IκB表达降低(P<0.001),与AAV-手术组相比,AAV+手术组小鼠海马组织中p65、p50、CXCL1、CXCL2、TNF-α、IL-6表达降低,IκB表达升高(P<0.01)。通过TUNEL染色发现:AAV-手术组小鼠海马组织中神经元凋亡指数较AAV-对照组显著升高(P<0.001),AAV+手术组小鼠海马组织中神经元凋亡指数较AAV-手术组显著降低(P<0.001)。检测凋亡水平:与AAV-对照组相比,AAV-手术组小鼠海马组织中Bax、Cleaved Caspase3表达水平显著升高,Bcl2表达下调(P<0.001);与AAV-手术组相比,AAV+手术组小鼠海马组织中Bax、Cleaved Caspase3表达水平显著降低,Bcl2表达升高(P<0.001)。检测突触可塑性功能:AAV-手术组小鼠海马组织中SYN、Trkb、PSD95表达较AAV-对照组降低(P<0.001),AAV+手术组小鼠海马组织中SYN、Trkb、PSD95表达较AAV-手术组升高(P<0.05)。Western Blot实验结果提示:AAV-手术组小鼠海马组织中磷酸化Tau蛋白表达较AAV-对照组显著升高(P<0.001),AAV+手术组小鼠海马组织中磷酸化Tau蛋白表达较AAV-手术组显著降低(P<0.05)。 8、多因素逻辑回归分析显示血浆神经源性细胞外微囊泡中NEDD8的表达(Cq值)与POCD的发生独立相关。根据ROC曲线结果,阈值为27.43(特异度:0.667,敏感度:0.75)。高表达的NEDD8(Cq<27.43)可用于预测POCD的发生,AUC为0.733(95%CI,0.614-0.851,P=0.001)。 结论: 1、髋关节置换术后,约有40.5%的患者发生POCD。 2、POCD患者血浆神经源性细胞外微囊泡可诱发小鼠认知功能下降。m RNA高通量测序首次发现,POCD患者血浆神经源性细胞外微囊泡中NEDD8 m RNA表达显著增高。 3、单侧肾切除术后小鼠术后出现认知功能障碍,海马组织中NEDD8表达显著升高。敲降海马组织中NEDD8表达,可以改善小鼠的认知功能。其机制与NEDD8激活下游CRL诱发神经炎症,以及NEDD8对Tau蛋白直接修饰促进其过度磷酸化聚集而诱发POCD相关。 4、患者外周血浆神经源性细胞外微囊泡中高表达的NEDD8(Cq<27.43),在进一步扩大样本量验证后,有望成为诊断POCD的生物标志物。 摘要译文