运动改善血管性认知障碍和痴呆(VCID)实验小鼠模型中的脑血流和功能结局

Exercise Improves Cerebral Blood Flow and Functional Outcomes in an Experimental Mouse Model of Vascular Cognitive Impairment and Dementia (VCID).

作者信息Mohammad Badruzzaman Khan, Haroon Alam, Shahneela Siddiqui, Muhammad Fasih Shaikh, Abhinav Sharma, Amna Rehman, Babak Baban, Ali S Arbab, David C Hess
PMID36689081
发布时间2024-04
DOI10.1007/s12975-023-01124-w

实验完整度

高

包含BCAS模型、运动干预、行为学测试、组织病理、Western blot、流式、MR成像及RBC变形性检测等多个独立实验层级,并进行功能与机制验证。

主要模型

C57BL/6J小鼠双侧颈总动脉狭窄(BCAS)模型 体外细胞实验(未涉及)

重点核对

BCAS手术使用内径0.18mm的微线圈,双侧颈总动脉狭窄 运动干预:术后一周开始, treadmill 跑台运动,速度15m/min,坡度5%,每天30分钟,每周5天,持续4周 CBF监测:LSCI在术前、术后即刻及术后1个月测量 行为学测试:新物体识别、Y迷宫、平衡木、悬挂线、开放场 分子检测:Western blot检测AMPK/pAMPK、NOS3/pNOS3;流式检测RBC中pAMPK、pNOS3

摘要

血管性认知障碍和痴呆(VCID)是日益增长的公共卫生威胁,且目前尚无已知治疗方法。双侧颈总动脉狭窄(BCAS)小鼠模型是有效的VCID模型。此前,我们已报道在由BCAS诱导的慢性脑低灌注(CCH)期间进行远程缺血后处理(RIPostC)可增加脑血流量(CBF)、改善认知功能并减少白质损伤。我们假设在CCH期间,体育锻炼(EXR)能够增加CBF并预防BCAS模型中的认知障碍。对雌雄C57/B6小鼠进行BCAS手术以建立CCH。BCAS手术一周后,小鼠被随机分为每日一次 treadmill 运动组或不运动组,持续四周。在BCAS前、后及四周后使用LSCI监测CBF。运动训练后进行认知测试,并采集脑组织用于组织病理学和生化检测。BCAS导致慢性低灌注,进而引起认知功能和其他功能结局受损。组织学检查显示,BCAS引起皮层和海马的神经元形态改变及细胞死亡。免疫印迹显示,BCAS与AMPK和pAMPK、NOS3和pNOS3的显著下调相关。BCAS还降低了红细胞(RBC)变形能力。EXR治疗增加并持续改善CBF和认知功能、肌力,减少细胞死亡和白质丢失。EXR在BCAS模型中有效,改善CBF和认知功能,减少白质损伤,改善RBC变形能力,并增加RBC中的NOS3和AMPK。EXR改善CBF并减轻组织损伤的机制需要进一步研究。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
长期运动是否能改善BCAS诱导的慢性脑低灌注模型中的脑血流和认知功能,并探讨其潜在机制?
核心机制
运动可能通过激活红细胞中的AMPK/NOS3通路,增加NO生物利用度,改善RBC变形性,从而增加脑血流并减轻白质损伤。
主要证据
BCAS小鼠经4周 treadmill 运动后,CBF显著增加,认知(NOR、Y迷宫)和运动功能(平衡木、悬挂线)改善;组织学显示白质损伤减轻,神经元存活增加;Western blot和流式显示pAMPK和pNOS3表达上调。
研究意义
运动可作为VCID的潜在治疗策略,为临床预防和治疗血管性认知障碍提供实验依据。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

建立BCAS慢性脑低灌注模型

模拟VCID的慢性脑低灌注状态

对C57BL/6J小鼠进行双侧颈总动脉狭窄手术,使用内径0.18mm微线圈,术后1周开始运动干预。

2

运动干预

评估长期运动对BCAS模型的影响

术后1周,BCAS+EXR组进行 treadmill 跑步运动,速度15m/min,坡度5%,每天30分钟,每周5天,持续4周。

3

脑血流监测

检测BCAS及运动干预对CBF的影响

使用LSCI在术前、术后即刻及术后1个月测量脑血流,并用MRI ASL进行验证。

4

行为学测试

评估认知和运动功能

进行NOR、Y迷宫、平衡木、悬挂线、开放场测试。

5

组织病理学分析

评估白质损伤和神经元形态

脑组织切片进行LFB、H&E、Nissl染色。

6

分子生物学检测

检测AMPK/NOS3通路蛋白表达

Western blot检测脑组织中AMPK、pAMPK、NOS3、pNOS3;流式检测RBC中pAMPK、pNOS3。

7

RBC变形性检测

评估运动对红细胞功能的影响

使用RheoScan-AnD 300测量不同剪切力下的红细胞伸长指数(EI)。

8

MRI评估

验证CBF和白质完整性

使用7T MRI进行ASL和DTI成像。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
微线圈--0.18mm
跑台Columbus InstrumentsExer-6M
激光散斑对比成像仪Perimed Inc.--
RIPA裂解液----
BCA蛋白定量试剂盒Thermo Scientific--
PVDF膜----
抗β-actin抗体Sigma-AldrichA5441
抗eNOS抗体Cell Signaling32027S
抗p-S1177 eNOS抗体Cell Signaling9571
抗AMPK抗体Cell Signaling2532S
抗p-T172-AMPK抗体Cell Signaling2535
HRP标记二抗Jackson Immunoresearch--
ECL Plus Western blot检测系统Bio-Rad--
抗Glycophorin A抗体Bioss USAbs-2575R
固定/破膜浓缩液Affymetrix eBioscience88-8824
抗p-eNOS抗体BD Biosciences560103
抗p-AMPK抗体Bioss USAbs-4002R
抗血红蛋白β抗体Santa Cruz Biotechsc-21757
FACS Calibur流式细胞仪BD Biosciences--
CellQuest软件BD Biosciences--
NO分析仪280iGE Analytical Instruments--
7特斯拉Bruker BioSpec 70/20Bruker--
RheoScan-AnD 300RheoMeditech--
溶剂蓝38Sigma--
碳酸锂Sigma--
中性红溶液Sigma--
Any-Maze软件Stoelting--
Ethovision XT视频追踪软件Noldus Information Technology--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
动物模型
小鼠品系、年龄、性别、体重、饲养条件
阅读提示:见Materials and Methods: Animals and Experimental Groups
BCAS手术
微线圈内径、位置、手术步骤、麻醉、体温维持
阅读提示:见Materials and Methods: Bilateral Carotid Artery Stenosis Surgical Procedure
运动干预
运动设备、速度、坡度、时间、频率、持续时间、开始时间
阅读提示:见Materials and Methods: Treadmill Running Exercise
CBF测量
测量时间点、设备、麻醉、温度控制
阅读提示:见Materials and Methods: Cerebral Blood Flow by Laser Speckle Contrast Imager
行为学测试
测试设备、参数(如探索时间、判别指数)、训练和测试流程
阅读提示:见Materials and Methods: Behavioral study: Functional outcomes
组织病理学
固定、切片厚度、染色方法、评分标准
阅读提示:见Materials and Methods: Histopathology
Western blot
组织裂解、蛋白定量、抗体稀释度、显色方法
阅读提示:见Materials and Methods: Western blot
流式细胞术
抗体、固定透化、补偿、门控策略
阅读提示:见Materials and Methods: Flow cytometry
RBC变形性
设备、剪切应力范围、样本处理
阅读提示:见Materials and Methods: RBC deformability
MRI
扫描序列、参数、图像分析
阅读提示:见Materials and Methods: Magnetic Resonance Induction (MRI) acquisition and Analysis