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阻塞性睡眠呼吸暫停(OSA)是睡眠呼吸障礙(SDB)中最常見(jiàn)的一種形式,是導(dǎo)致阿爾茨海默病發(fā)展的一個(gè)強(qiáng)有力的流行病學(xué)危險(xiǎn)因素。據(jù)估計(jì),大約 50% 的老年人患有阻塞性睡眠呼吸暫停(Obstructive Sleep Apnoea,OSA),他們的喉嚨肌肉在睡眠時(shí)間歇性收縮,阻塞氣道,導(dǎo)致呼吸停止和開(kāi)始。當(dāng)大腦缺氧時(shí),會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元的選擇性退化,這些神經(jīng)元通常會(huì)在失智癥中死亡。
昆士蘭大學(xué)(University of Queensland,UQ)昆士蘭腦研究所(Queensland Brain Institute,QBI)和生物醫(yī)學(xué)科學(xué)學(xué)院(School of Biomedical Sciences)的 Elizabeth Coulson 教授和她的團(tuán)隊(duì)在小鼠身上發(fā)現(xiàn)了睡眠時(shí)大腦缺氧和阿爾茨海默病之間的因果關(guān)系。研究結(jié)果近日發(fā)表在《Nature Communications》雜志上。
該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種小鼠SDB模型,該方法復(fù)制了人類(lèi)條件的關(guān)鍵特征:睡眠時(shí)的呼吸改變、睡眠中斷、中度低氧血癥和認(rèn)知障礙。當(dāng)在家族性AD模型中誘導(dǎo)SDB時(shí),小鼠表現(xiàn)出認(rèn)知障礙的加重和AD的病理特征,包括淀粉樣蛋白和炎癥標(biāo)志物水平的增加,以及膽堿能基底前腦神經(jīng)元的選擇性變性。這些病理特征并不是單獨(dú)由慢性缺氧或睡眠中斷而引起的。我們的研究結(jié)果還顯示,膽堿能神經(jīng)退行性變是由核缺氧誘導(dǎo)因子1 alpha的積累介導(dǎo)的。此外,在睡眠期間恢復(fù)血氧水平以防止缺氧,可以防止SDB引起的病理改變。這些發(fā)現(xiàn)提示了SDB誘導(dǎo)膽堿能基底前腦變性的信號(hào)機(jī)制。
研究實(shí)驗(yàn)
將C57BL/6麻醉后,為了誘導(dǎo)膽堿能( cMPT)病變,在背側(cè)被蓋核(laterodorsal tegmental nucleus) (LDT; AP, ?3.0?mm; ML, ±0.5?mm; DV, ?4.0?mm from Bregma, with the angle 34° backward)雙側(cè)注射 Urotensin II-SAPorin (UII- SAP; 0.07?μg/μl per site)。以相同的摩爾質(zhì)量注射blank-SAPorin(Blank-SAP)或 IgG-SAPorin (IgG-SAP)作為對(duì)照。
為了測(cè)量睡眠狀態(tài),采用無(wú)線(xiàn)遙測(cè)技術(shù)測(cè)量腦電圖(EEG)、肌電圖(EMG)和活動(dòng)節(jié)律。腦電電極被放置于運(yùn)動(dòng)皮層(AP+1, ML+1?mm,左,相對(duì)于bregma)和視覺(jué)皮層(AP?3, ML+3?mm,右,相對(duì)于bregma)。腦電電極用骨科水泥固定。肌電電極被錨定在斜方肌中。使用不可吸收的6-0縫合線(xiàn)材料縫合頭皮。
睡眠評(píng)價(jià)
電極放置手術(shù)兩周后,以500 Hz的采樣頻率記錄腦電圖和肌電圖。采用嚙齒動(dòng)物睡眠評(píng)分軟件對(duì)清醒、REM或non REM(NREM)睡眠進(jìn)行腦電圖和EMG記錄。REM期只有在≥1s長(zhǎng)時(shí)才被考慮。由于電極放置而造成明顯腦損傷的對(duì)照組小鼠被排除在分析之外。
另一組小鼠使用代謝表型系統(tǒng)進(jìn)行72小時(shí)的睡眠/覺(jué)醒參數(shù)評(píng)估,預(yù)先編程的光周期和光亮度控制晝夜節(jié)律。如果小鼠有≥10分鐘沒(méi)有運(yùn)動(dòng),則認(rèn)為它們睡著了。
全身體積描記系統(tǒng)
使用全身體積描記系統(tǒng)對(duì)小鼠進(jìn)行連續(xù)4小時(shí)的評(píng)估,期間記錄呼吸,同時(shí)記錄其他不受限制、自由運(yùn)動(dòng)的小鼠的腦電圖。小鼠被放置在一個(gè)全身體積描記器中。這種方法提供了一種間接的潮氣量測(cè)量,它與密封腔室呼吸過(guò)程中產(chǎn)生的循環(huán)腔室壓力信號(hào)成正比。首先讓小鼠30 min適應(yīng)環(huán)境,然后持續(xù)記錄3小時(shí)數(shù)據(jù)。
動(dòng)脈血氧飽和度測(cè)量
使用MouseOx Plus小鼠脈搏血氧儀在室內(nèi)空氣或環(huán)境室內(nèi)記錄不受限制的清醒小鼠的動(dòng)脈血氧飽和度。數(shù)據(jù)收集至少30 min,測(cè)量時(shí)儀器不能顯示錯(cuò)誤代碼。然后對(duì)每只實(shí)驗(yàn)條件的每只小鼠計(jì)算氧飽和度水平。
曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)
在一個(gè)正方形白色有機(jī)玻璃盒子(30 cm×30 cm)中進(jìn)行30 min的曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)箱被分為一個(gè)中心區(qū)(中心,15cm×15cm)和一個(gè)邊區(qū)(邊界)。使用攝像機(jī)記錄鼠標(biāo)的運(yùn)動(dòng),并使用視頻行為學(xué)系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析。以動(dòng)物身體中心為參考點(diǎn),計(jì)算總軌跡長(zhǎng)度。
Y 迷宮
Y迷宮由三個(gè)由有機(jī)玻璃組成的等距臂(120°,長(zhǎng)35cm,寬10cm)組成。在訓(xùn)練期間,小鼠被放置在其中一只臂(開(kāi)始臂)中進(jìn)入另一只臂,持續(xù)15 min。訓(xùn)練后的一天,小鼠被允許在Y迷宮中探索10 min,并進(jìn)入所有三個(gè)手臂。使用視頻行為學(xué)系統(tǒng)軟件對(duì)動(dòng)物進(jìn)行跟蹤,并分析在每只臂上花費(fèi)的總時(shí)間和時(shí)間百分比。
新對(duì)象識(shí)別
任務(wù)過(guò)程包括三個(gè)階段:適應(yīng)、熟悉化和測(cè)試階段。在適應(yīng)階段,小鼠被允許自由探索場(chǎng)地(40 cm×40cm)5 min。在熟悉階段,他們被放置在包含兩個(gè)相同樣本物體的場(chǎng)地,5 min,兩個(gè)物體都位于場(chǎng)地相對(duì)和對(duì)稱(chēng)的角落。在1小時(shí)的記憶保留間隔后,小鼠和兩個(gè)物體放回到場(chǎng)地,一個(gè)與樣本相同,另一個(gè)為新物體,允許動(dòng)物再次探索5 min。使用視頻行為學(xué)系統(tǒng)軟件跟蹤動(dòng)物,并分析探索物體的時(shí)間百分比。
主動(dòng)位置回避(Active place avoidance)
該裝置由一個(gè)高架測(cè)試場(chǎng)組成,網(wǎng)格地板有一個(gè)透明的圓形邊界,側(cè)壁安裝視頻采集系統(tǒng)。測(cè)試場(chǎng)地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(1轉(zhuǎn)/分),電刺激可以通過(guò)網(wǎng)格地板傳遞。在適應(yīng)后的第二天,小鼠每天進(jìn)行4或5天的訓(xùn)練,每天訓(xùn)練小鼠持續(xù)10 min,避免 60° 的電擊區(qū),進(jìn)入后導(dǎo)致短暫的足部電擊(500 ms,0.5 mA)。為了確定它們對(duì)電擊區(qū)的記憶,在最后一次訓(xùn)練結(jié)束24小時(shí)后,小鼠被允許在不施加電擊的情況下探索場(chǎng)地10 min。使用視頻行為學(xué)系統(tǒng)軟件跟蹤分析動(dòng)物行為。
被動(dòng)位置回避(Passive place avoidance)
被動(dòng)位置回避行為范式被用于測(cè)試基礎(chǔ)前腦依賴(lài)的idiothetic navigation(依賴(lài)于自身運(yùn)動(dòng)信息的導(dǎo)航,自我主張)。這個(gè)導(dǎo)航任務(wù)使用了與主動(dòng)位置回避任務(wù)相同的設(shè)備。然而,所有的外部線(xiàn)索都被消除,以減少allothetic navigation(依賴(lài)于外界信息的導(dǎo)航策略,異源導(dǎo)航),圓形邊界是不透明的灰色,競(jìng)技場(chǎng)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持靜止。小鼠經(jīng)歷了5 min的適應(yīng)階段,然后是10 min的訓(xùn)練階段,訓(xùn)練階段間隔1小時(shí)。訓(xùn)練24小時(shí)后,小鼠被允許在電擊場(chǎng)不施加電擊探索5 min。
Morris水迷宮(Morris water maze)
訓(xùn)練小鼠在水下1.5cm處找到一個(gè)平臺(tái),在游泳時(shí)老鼠看不見(jiàn)它。每天進(jìn)行3次試驗(yàn),每次60秒,試驗(yàn)間隔30個(gè)min。在每次試驗(yàn)中,小鼠以偽隨機(jī)的順序以三個(gè)標(biāo)定的起點(diǎn)中的一個(gè)放入水箱中。如果老鼠在60秒內(nèi)未能找到平臺(tái),它們會(huì)被手動(dòng)引導(dǎo)到平臺(tái),并允許在平臺(tái)停留至少20秒。小鼠根據(jù)需要被訓(xùn)練5天,以達(dá)到15s(逃避潛伏期)的訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)。探索實(shí)驗(yàn)安排在最后一次訓(xùn)練后24小時(shí),包括一個(gè)沒(méi)有平臺(tái)的60秒試驗(yàn)。使用視頻行為學(xué)系統(tǒng)軟件跟蹤測(cè)量動(dòng)物游泳軌跡。
睡眠剝奪(Sleep deprivation)
8只小鼠被放置在一個(gè)充滿(mǎn)水的睡眠剝奪箱(55cm×25cm)內(nèi),籠子里有9個(gè)圓柱體(直徑3cm),離水面1cm。睡眠剝奪籠和對(duì)照籠(有圓柱體,但無(wú)水)被放在一個(gè)氣候室(27?°C ,25% RH,光照周期為12:12小時(shí))里。小鼠被放置在睡眠剝奪籠子中20小時(shí)和普通飼養(yǎng)籠中4小時(shí)。飼養(yǎng)籠在光照周期中光照的4小時(shí)也放置在在氣候柜中。小鼠通過(guò)視頻進(jìn)行監(jiān)測(cè),并每天稱(chēng)重。
Fig. 2: Urotensin II-SAPorin處理影響呼吸模式,在睡眠期間會(huì)誘發(fā)血氧不足。
在清醒(A、B)或睡眠(C、D)期間注射對(duì)照空白SAP(A、C)或UII-SAP(B、D),采用全身體積描記記錄和對(duì)應(yīng)的EEG記錄下進(jìn)行靜態(tài)呼吸測(cè)量。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是指對(duì)雄性和雌性小鼠的睡眠-覺(jué)醒配對(duì)雙向方差分析和Levene方差檢驗(yàn)。
E UII-SAP組或?qū)φ战M空白-SAP組雄性小鼠的平均多導(dǎo)睡眠測(cè)量(睡眠-覺(jué)醒配對(duì)雙向方差分析)f頻率,PIF峰值吸氣流量,PEF峰值呼氣流量,EIP吸氣時(shí)間,EEP呼氣時(shí)間,RT:
F注射UII-SAP和空白SAP的雄性小鼠在睡眠期間的清醒活動(dòng)狀態(tài)的平均血氧飽和度水平。
G 注射了UII-SAP或?qū)φ战M空白-SAP的雄性小鼠血氧飽和度水平的代表性趨勢(shì)圖。
數(shù)據(jù)表明, cMPT損傷的小鼠在睡眠期間具有高度可變的呼吸模式,平均而言,這與由于上呼吸道阻力而發(fā)生的吸入和呼氣措施的預(yù)測(cè)改變相一致,呼吸對(duì)呼吸的變化表明了由缺氧引發(fā)的恢復(fù)反應(yīng)。大多數(shù)受損小鼠在睡眠中也表現(xiàn)出幾秒鐘的呼吸頻率下降,隨后是覺(jué)醒,這可以被解釋為呼吸暫停事件。此外,與最常見(jiàn)的SDB形式一致,在休息時(shí),當(dāng) cMPT損傷小鼠在睡眠期間血氧測(cè)量30 min,發(fā)現(xiàn)血氧飽和度在80-90%左右,顯著低于空白小鼠的>95%(圖2F,G)。該結(jié)果表明, cMPT損傷影響呼吸模式,導(dǎo)致睡眠期間的輕度缺氧,這與氣道阻塞相一致。
Fig. 3: Urotensin II-saporin處理影響睡眠模式,導(dǎo)致睡眠不足。
A 在亮燈(睡眠)和不亮燈(清醒)期間,REM、NREM和清醒期的平均數(shù)量。
B在亮燈(睡眠)和不亮燈(清醒)期間,REM、NREM和清醒睡眠的平均次數(shù)。
C 在開(kāi)燈(睡眠)和不亮燈(清醒)期間,REM、NREM和清醒睡眠的平均長(zhǎng)度。
D損傷(灰色)和UTII-SAP(紅色)損傷小鼠在睡眠狀態(tài)和睡眠和清醒之間移動(dòng)的平均轉(zhuǎn)換次數(shù)。E在活動(dòng)記錄的前48小時(shí)內(nèi),持續(xù)睡眠(持續(xù)至少10 min)的平均數(shù)量和時(shí)間和在12小時(shí)光照階段不活動(dòng)的總時(shí)間
F在前48小時(shí)的12小時(shí)光期中不活動(dòng)的總時(shí)間。
G一只對(duì)照組和一只受損傷的小鼠在12:12小時(shí)的光照:暗周期中超過(guò)3天的活動(dòng)周期圖。在黑暗期的第3天,小鼠暴露于30 Lux昏暗的光線(xiàn)下3小時(shí)。
H實(shí)驗(yàn)第3天12 h光期3h弱光期的活動(dòng)時(shí)間。在注射UII-SAP(紫色)后2周開(kāi)始的睡眠期2周內(nèi),小鼠每天放置40%含氧(高氧o2)8小時(shí),與注射UTII-SAP的小鼠相比,沒(méi)有睡眠不足。
Fig. 4: cMPT損傷加重了APP/PS1小鼠的認(rèn)知功能障礙。
A與熟悉(Fam)臂相比,在Y迷宮的新臂上花費(fèi)的時(shí)間百分比。注射空白SAP的小鼠表現(xiàn)出對(duì)新臂的偏好,而 cMPT損傷的小鼠沒(méi)有偏好。
B Morris水迷宮訓(xùn)練階段的逃逸潛伏期。在過(guò)去兩天的訓(xùn)練中, cMPT損傷的APP/PS1小鼠尋找逃逸平臺(tái)的時(shí)間明顯更多。
C在Morris水迷宮的探索測(cè)試中到達(dá)平臺(tái)位置的潛伏期。兩組間的逃逸潛伏期無(wú)顯著性差異。
D主動(dòng)位置回避試驗(yàn)中每個(gè)訓(xùn)練日小鼠接受的電擊次數(shù)。cMPT損傷的APP/PS1小鼠在最后兩天接受了明顯更多的電擊。
E cMPT損傷的APP/PS1小鼠所接受的電擊次數(shù)顯著高于非損傷的APP/PS1小鼠
Fig. 7: 睡眠剝奪會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙,但不會(huì)導(dǎo)致AD的病理變化
A與熟悉的臂相比,在Y迷宮的新臂上花費(fèi)的時(shí)間百分比。APP/PS1小鼠表現(xiàn)出對(duì)新臂的偏好,而睡眠剝奪的小鼠沒(méi)有偏好。
B C57Bl6小鼠在睡眠剝奪后的cBF神經(jīng)元數(shù)量與對(duì)照組小鼠相當(dāng)。
C海馬和皮質(zhì)裂解液中可溶性Aβ的量未因睡眠剝奪而改變。
D APP/PS1小鼠海馬和皮層的面積受年齡影響,但不受睡眠剝奪的影響。
HIF1α介導(dǎo)了 cMPT損傷后的cBF死亡
為了測(cè)試cBF神經(jīng)元是否因暴露于慢性缺氧條件而死亡,野生型雄性小鼠在睡眠期間每天暴露于降低的(80%)的氧氣條件下8小時(shí),持續(xù)4周。在這一時(shí)期,cBF神經(jīng)元的數(shù)量受到日常慢性缺氧沒(méi)有顯著不同的老鼠連續(xù)安置在常氧,表明慢性缺氧不能觸發(fā)相同的退行性途徑引起的 cMPT損傷。相比之下,慢性間歇性缺氧已被報(bào)道可誘導(dǎo)cBF神經(jīng)元變性。
Fig. 8: 間歇性缺氧可引起 cMPT損傷后的cBF神經(jīng)元丟失
A C67Bl6小鼠在每日睡眠時(shí)間內(nèi)每天在缺氧條件下暴露4周后的cBF神經(jīng)元數(shù)量。
B 在空白-SAP(灰色)或UII-SAP小鼠中,每日用15mg/kg2ME2(藍(lán)色)或載體(紅色)處理3周后,細(xì)胞核中存在HIF1α免疫染色的cBF神經(jīng)元的百分比。
C 4只動(dòng)物的基底前腦切片的代表性共聚焦圖像,經(jīng)ChAT(紅色)、HIF1α(綠色)和細(xì)胞核(DAPI;藍(lán)色)免疫染色。注射Blank-SAP(灰色)或UII-SAP,每天用15mg/kg2ME2(藍(lán)色)或載體(紅色)
D,E 處理3周后,小鼠cLDT (D)和cBF (E)神經(jīng)元的數(shù)量。2ME2治療可保護(hù)cBF神經(jīng)元免受損傷的影響。
F 在被動(dòng)位置回避任務(wù)的測(cè)試階段,2ME2處理(藍(lán)色條)和未處理的UII-SAP損傷(紅色條)小鼠與空白SAP損傷小鼠(灰色條)的表現(xiàn)。
G UII-SAP注射的ChAT-cre HIF-1αfl/wt小鼠的cBF神經(jīng)元數(shù)量與空白-SAP注射的ChAT-cre HIF-1αfl/wt小鼠無(wú)顯著差異。
預(yù)防缺氧可預(yù)防 cMPT損傷后的AD特征
人類(lèi)患者阻塞性睡眠呼吸暫停的標(biāo)準(zhǔn)治療是在睡眠期間使用持續(xù)氣道正壓(CPAP)治療,這是在物理上維持氣道開(kāi)放,從而防止血氧飽和度下降和睡眠喚醒。為了驗(yàn)證對(duì)SDB小鼠在高氧環(huán)境下的睡眠階段進(jìn)行治療是否可以保護(hù)cBF神經(jīng)元免受 cMPT損傷誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡和/或Aβ積累。
研究團(tuán)隊(duì)使用高氧(40%)環(huán)境,將 cMPT損傷小鼠在睡眠階段的血氧水平恢復(fù)到>為95%的spo2。從病變手術(shù)后2周開(kāi)始,年老的APP/PS1小鼠在12小時(shí)睡眠期間每天接受高氧治療,持續(xù)4周。該治療對(duì) cMPT病變的范圍沒(méi)有影響。
然而,APP/PS1中cBF神經(jīng)元的數(shù)量(圖9b;和野生型圖3E)高氧處理的 cMPT損傷動(dòng)物明顯高于未處理的損傷小鼠,與標(biāo)準(zhǔn)飼養(yǎng)籠中的假損傷動(dòng)物相似(圖9B),從而證實(shí)了cBF變性是SDB表型的結(jié)果。
此外,在損傷的APP/PS1隊(duì)列中,每日高氧治療顯著降低了淀粉樣蛋白病理程度(圖9C、E)和炎癥程度(圖9F-H)。
Fig. 9: 高氧治療可防止OSA加重AD表型
APP/PS1小鼠注射UII-SAP并經(jīng)常氧或高氧處理后,
cLDT (A)和cBF (B)神經(jīng)元的數(shù)量
新皮質(zhì)中硫黃素-s陽(yáng)性Aβ斑塊的數(shù)量(C)和面積(D)。
新皮質(zhì)中GFAP陽(yáng)性小膠質(zhì)細(xì)胞的密度(E)和面積(F)。
新皮質(zhì)中cd68陽(yáng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的密度(G)和面積(H)。
睡眠呼吸障礙會(huì)導(dǎo)致睡眠期間大腦缺氧,大腦缺氧會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元的選擇性退化,而這些退化神經(jīng)元,通常會(huì)在癡呆癥中死亡。當(dāng)研究人員剝奪小鼠睡眠時(shí),并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)引起與這種睡眠呼吸障礙相同的病理特征,即便是睡眠剝奪確實(shí)會(huì)損害記憶。研究人員認(rèn)為,睡眠呼吸暫停似乎是導(dǎo)致阿爾茨海默氏癥發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)因素。
“目前還沒(méi)有有效逆轉(zhuǎn)阿爾茨海默病的方法,因此預(yù)防疾病的發(fā)生就顯得尤為重要。這就需要我們了解哪些原因能導(dǎo)致特發(fā)性疾病的發(fā)生。"錢(qián)磊博士指出,“睡眠呼吸障礙是癡呆癥發(fā)生的一個(gè)重要的流行病學(xué)風(fēng)險(xiǎn)因素,與發(fā)病年齡提前、認(rèn)知能力下降增快有關(guān)。我們的工作為這種流行病學(xué)聯(lián)系提供了機(jī)制,也對(duì)識(shí)別高危人群具有重要意義。"
Elizabeth Coulson教授表示:“下一步我們將利用已有的動(dòng)物模型,研究在睡眠呼吸障礙過(guò)程中,參與基底前腦膽堿能神經(jīng)元病變的分子通路,并尋找潛在的候選分子阻止上述病變發(fā)生。此外,一項(xiàng)關(guān)聯(lián)睡眠呼吸障礙、MRI腦成像與癡呆癥的臨床試驗(yàn)也在進(jìn)行,進(jìn)一步確認(rèn)對(duì)睡眠呼吸障礙的干預(yù)是否能延緩或阻止癡呆癥的發(fā)生。"
Qian, L., Rawashdeh, O., Kasas, L. et al. Cholinergic basal forebrain degeneration due to sleep-disordered breathing exacerbates pathology in a mouse model of Alzheimer’s disease. Nat Commun 13, 6543 (2022).
塔望解決方案
氧環(huán)境控制
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