从“脑为元神之府”探讨安寐丹对睡眠剥夺大鼠能量代谢的影响及机制

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目的:
  本文在团队前期研究基础上,围绕安寐丹对睡眠剥夺(SD)大鼠的作用机理,从理论部分和实验部分两个层面进行研究。理论部分将基于中医学“脑为元神之府”观点,从中医学对脑的认识,元神的认识,以及脑、元神、睡眠三者之间的关系进行梳理和挖掘,进而提出“元气-阴阳-五藏神”的失眠防治理论体系并阐述其中医内涵。实验部分通过建立SD大鼠模型,确立培元安神方安寐丹为实验用药,主要围绕安寐丹对SD大鼠能量代谢的作用机制,包括代谢水平、活动强度、线粒体生物学功能、能量代谢通路蛋白表达特征以及睡眠与能量的关系等开展相关研究,以期阐释SD发生后能量代谢的变化情况以及安寐丹调控的作用机理,为中医药防治睡眠障碍性疾病提供新思路和新方法。
  方法:
  理论探讨:通过文献检索、古籍整理、系统总结等多种方法,从“脑为元神之府”观点出发,挖掘其理论内涵,分析中医学对“脑”“元神”的理解,从其概念、发展演变、生理功能,引申内涵等进行深入阐析,探讨关于脑、元神和睡眠关系的中西医认识,并进一步提出“元气-阴阳-五藏神”的失眠防治体系,分析其合理性和科学性,为我们确立培元安神治法及方药奠定基础,也为丰富中医药失眠防治理论提供支撑。
  实验研究:健康SpragueDawley雄性大鼠,体质量220±10g,实验过程中控制温度、湿度及光照在正常范围,食物、垫料等灭菌处理,先进行1周环境适应后随机分为空白组(Ctrl)、模型组(SD)、安寐丹组(AMD)及褪黑素组(MT)。每日灌胃一次,连续给药4周。采用改良多平台水环境法制备睡眠剥夺模型。实验一检测各组体质量、摄食量及运动耐力,血糖及血脂水平,糖脂代谢相关基因,ATP、Na+-K+-ATP酶、Ca2+-Mg2+-ATP水平。实验二用HE染色及超微电镜观察大鼠下丘脑形态及线粒体等细胞器结构,Westernblotting检测线粒体关键蛋白TFAM、Nrf1、Drp1和Mfn2表达以及免疫荧光(双标)检测四种蛋白在线粒体的靶向定位;ROS染色以及ELISA检测SOD、MDA、GSH-Px水平共同评价线粒体氧化应激程度。实验四运用免疫荧光检测腺苷受体A1R、A2AR以及神经递质受体mGluR5、PTGDR、GABAA1α的表达及共表达。实验三分组同实验一,每组再分4个亚组(n=5):ZT0组、ZT6组、ZT12组、ZT18组。SD模型建立及给药方式同实验一。运用自主活动视频分析系统监测各组自发活动,RealTime-qPCR检测AMPK/PGC-1α/Nrf-1通路及生物钟基因Per1、Cry1、Bmal1、Clock转录水平,Westernblotting检测p-AMPK、PGC-1α、Nrf-1蛋白翻译水平,免疫组化检测节律基因的表达。
  结果:
  理论探讨:关于“脑为元神之府”,中医学有非常丰富的理论渊源,中医学对脑和元神从功能的角度认识地较为全面,且二者联系体现在精神情志思维活动上,睡眠调节属于其中范畴。元神是化生五脏神的基础,五脏神的功能通过脑整合,脑的功能集中通过五脏神体现,表现在精神、情志、思维等多个维度,睡眠与脑的联系通过协调五脏阴阳发生联系。故“元气-阴阳-五脏神”的失眠防治体系符合中医学对睡眠与脑、神关系的定位,元气是根柢,阴阳是纲领,五脏神是核心。培元安神治法是我们防治失眠的一种重要的治疗方法。基于该种治法本课题组确立了古方安寐丹并开展相关实验研究,阐明安寐丹对SD大鼠的作用机制,为指导临床提供新思路和新方法。
  实验研究:实验一,(1)各组大鼠体质量随时间增加,Ctrl组增长明显,SD增长率缓慢。与Ctrl组比较,SD组体质量从第7天降低,并在其后较Ctrl组显著下降;与SD组比较,AMD组从第14天体重增加,并在随后增长。摄食情况显示SD组在4小时内总的摄食量增加,同时前2小时与后2小时SD大鼠进食量均较Ctrl组显著性增加;安寐丹干预后0-2h及2-4h的摄食量较SD组并未见统计学差异。(2)糖脂代谢结果显示,与Ctrl组比较,SD组FBS、TG、TC、LDL-C水平显著升高,HDL-C含量则显著下降;与SD组对比,AMD显著降低了FBS、TG、TC、LDL-C水平,同时增加了HDL-C。肝脏中糖脂代谢相关基因mRNA结果显示,与Ctrl组比较,SD大鼠FAS、ACC1基因表达上调,PPARγ、GLUT4表达下调;AMD能够不同程度下调FAS、ACC1基因而上调PPARγ、GLUT4,说明安寐丹改善糖脂代谢与调节FAS、ACC1、PPARγ、GLUT4基因表达相关。(3)力竭性游泳显示SD大鼠游泳时间、游泳速度及游泳总路程均显著下降,经安寐丹干预后以上三项指标均有明显提升,提示安寐丹能够改善SD导致的活动下降,提高大鼠的运动量。(4)ATP水平及ATP酶结果显示SD组ATP水平、Na+-K+-ATP酶、Ca2+-Mg2+-ATP酶均显著下降,AMD组ATP、Na+-K+-ATP酶、Ca2+-Mg2+-ATP酶均增加,说明安寐丹可以改善SD导致的高代谢状态,纠正代谢紊乱。
  实验二:(1)HE染色结果显示,Ctrl组细胞结构完整,形态正常,胞浆丰富,胞核清晰,核浆比大;SD组细胞数量明显减少,形态不规则,胞浆浓缩,核固缩。AMD干预后细胞形态结构改善,少量核固缩和细胞坏死。超微电镜结果显示,Ctrl组细胞形态基本正常,线粒体形态规则;SD组细胞核不规则,线粒体肿胀变形,嵴断裂或消失。AMD干预后细胞形态改善,部分线粒体肿胀及空泡现象。(2)Westernblotting结果显示,与Ctrl组相比,SD大鼠下丘脑TFAM、Nrf1、Drp1、Mfn2蛋白相对表达均显著减少;与SD组比较,AMD升高了TFAM、Nrf1、Drp1、Mfn2表达,说明安寐丹可以改善SD大鼠下丘脑线粒体生物合成、融合及分裂功能,维持线粒体结构和功能稳定。(3)免疫荧光显示,TFAM、Nrf1、Drp1及Mfn2与VDAC1之间均存在共表达,Ctrl组有大量的阳性细胞共存;SD组共表达减少。经过AMD干预TFAM、Nrf1、Drp1、Mfn2与VDAC1共表达增多,结果与前面WB一致。(4)ROS染色显示Ctrl组IOD较低,SD大鼠IOD升高;与SD组比较,AMD显著降低IOD,但AMD与MT组比较无差异。SD组SOD及GSH-Px水平下降,MDA增加;AMD升高SOD及GSH-Px水平并降低MDA表达。说明安寐丹缓解了氧化应激失衡,并可能通过改善活性氧代谢影响线粒体功能。
  实验三:(1)Ctrl组的CAMKKβ、AMPK、PGC-1α、Nrf-1的mRNA呈现一定节律特征,四种基因有光期下降,暗期上升的趋势。与Ctrl组比较,SD组节律出现紊乱,CAMKKβ在ZT18,PGC-1α在ZT0与Ctrl比较无统计学意义;CAMKKβmRNA在ZT0表达下调,在ZT6、ZT12表达上调;AMPKmRNA在ZT0、ZT6、ZT12表达上调,在ZT18表达下调;PGC-1αmRNA在ZT6、ZT12表达上调,在ZT18表达下调;Nrf-1mRNA在ZT6表达上调,在ZT0、ZT12、ZT18表达下调。与SD组比较,AMD干预后大鼠节律改善,有光期表达减少暗期增加的趋势,CAMKKβmRNA在ZT0、ZT18及PGC-1αmRNA在ZT0与SD组无统计学意义,AMPKmRNA、Nrf-1mRNA在四个时间节点均较SD组有显著改善。(2)进一步使用Westernblotting方法检测了AMPK的磷酸化水平及PGC-1α、Nrf-1在不同节点的翻译水平。结果显示,与Ctrl组比较,SD组p-AMPK、PGC-1α及Nrf-1蛋白相对表达量不规律,总体表达量下降,p-AMPK在ZT12表达上升,PGC-1α、Nrf-1在4个节点表达均下降;与SD组比较,AMD干预p-AMPK、PGC-1α、Nrf-1总体表达上调,其中p-AMPK在ZT12节点无统计学差异,PGC-1α在ZT12表达降低,Nrf-1在ZT18表达降低,其余节点蛋白表达增加。(3)Ctrl大鼠Bmal1、Cry1及Per1基因表现一定节律特征,Bmal1在光期降低并逐渐到暗期增加,Cry1、Per1在光期增加暗期降低。Clock尚未有显著节律特征。与Ctrl组比较,SD组未出现节律特征,Bmal1mRNA在ZT0、ZT12、ZT18下调、ClockmRNA在ZT6、ZT12下调,Cry1mRNA在ZT0上调而在ZT6、ZT12、ZT18下调;Per1mRNA在4各节点表达均下调。与SD对比,AMD干预后Bmal1、Cry1及Per1基因在不同节点改善,其中Bmal1、Cry1在4个时间节点上与SD组均有统计学意义,Bmal1mRNA除在ZT6表达下调,其余较SD组表达上调;同时,Clock、Per1仅在ZT6、ZT12上调了Clock、Per1。(4)选择差异最显著ZT6、ZT12检测四种基因蛋白表达。与Ctrl组比较,SD组Bmal1、Clock、Cry1、Per1蛋白表达在ZT6、ZT12均显著降低;与SD组比较,AMD干预后Bmal1、Clock、Cry1、Per1蛋白表达在ZT6、ZT12增加,IOD显著升高。(5)Ctrl组呈现较好昼夜节律特征,而SD组昼夜节律相对紊乱,TT、LT、DT均明显延长。SD除20:00及8:00外,其余6个节点时间较Ctrl组增加;安寐丹显著缩短了TT、LT及DT;在11:00至20:00的4个节点与SD组比较有统计学意义。光暗条件下各组大鼠白天活动速度、活动次数较夜间均显著减少;与Ctrl组比较,SD组在白天夜间活动速度、活动次数均增加;与SD组比较,AMD降低了SD大鼠夜间活动的平均速度,以及降低日间及夜间活动次数。
  实验四:(1)与Ctrl组比较,SD组中A1R、mGluR5荧光强度升高,A2AR、PTGDR、GABA1α荧光强度显著下降;与SD组比较,AMD干预后A1R、mGluR5荧光强度均降低,A2AR、PTGDR、GABA1α荧光强度显著增强,蛋白表达量升高。(2)免疫荧光观察蛋白共表达。A1R与mGluR5可见明显共表达,SD组较Ctrl组明显,共表达为黄色或橙色。但SD组及AMD组中A2AR与mGluR5的共表达很低甚至无共表达,提示A1R可能更密切与mGluR5结合发挥睡眠调节作用,而A2AR与mGluR5的作用并不显著。A1R与PTGDR之间未见有共表达,A2AR与PTGDR可见显著共表达,SD组共表达减少,AMD可见部分共表达。A1R、A2AR与GABAA1α均有明显共表达,Ctrl组明显,SD组较低,AMD干预后共表达增加。
  结论:
  (1)失眠中医称“不寐”,总由心神不安导致的睡眠质量下降。中西医都认为脑都是十分重要的脏腑,在精神情志等高级生命活动中发挥关键作用。基于中医学“脑为元神之府”理论,吸收《内经》睡眠“三大学说”——阴阳理论、营卫理论、脏腑理论的思想,我们进一步总结归纳出以“元气-阴阳-五脏神”为核心的失眠防治体系,认为元气是睡眠的根柢,阴阳是睡眠的纲领,五脏神是睡眠的核心,从整体的、功能的、系统的层面认识了失眠的病因病机,基于该理论体系我们确立培元安神治法为失眠治疗的重要方法,培元安神代表方安寐丹为其代表方。
  (2)SD与能量代谢紊乱相关,常相互作用,互为因果。SD发生后能量代谢出现明显异常,故能量代谢紊乱参与了SD发生发展过程,从能量代谢角度着手防治睡眠障碍可能成为一种新的思路。
  (3)安寐丹能够改善SD大鼠能量代谢紊乱,纠正糖脂代谢异常,提高活动度及ATP水平。
  (4)安寐丹可以通过改善线粒体结构损伤,改善线粒体生物合成、分裂及融合等功能,缓解SD导致的能量代谢紊乱。
  (5)安寐丹改善AMPK/PGC-1α/Nrf-1通路蛋白节律性表达进而调节线粒体生物学功能,安寐丹同时影响生物钟基因的节律特征,使得AMPK作为细胞能量状态传感器可能从能量和节律两个层面参与SD大鼠的代谢过程。
  (6)安寐丹可以改善A1R及A2AR表达,并调节其与mGluR5、PTGDR、GABAA1α共表达水平,并可能从该途径发挥改善SD大鼠睡眠的作用。
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