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目的:
人和哺乳动物出生后,视觉系统能够根据视觉环境的刺激调整和改变与生俱有的神经联系和突触结构。这一改变发生的最敏感时期称为视觉发育可塑性关键期。在这个关键期内,由于各种原因导致眼部接受的有效光线刺激减少,使得矫正视力低于正常形成弱视。其中,在视觉关键期内,由于屈光间质混浊(角膜白斑或白内障),完全性上睑下垂,造成单眼形觉剥夺更容易形成弱视。形觉剥夺性弱视一般为单眼性弱视。引起形觉剥夺性弱视的原因,既有单眼形觉剥夺因素,也有双眼异常相互作用因素。弱视的发病机理,一直是眼科学者们多年来研究和讨论的热点话题。
目前已有的研究发现,谷氨酸及其受体在弱视的发病机制中扮演着重要的角色,尤其是NMDAR1起着重要作用。NMDAR1是谷氨酸受体的一种主要亚型,为特异性离子通道,与配体结合后可以使神经细胞膜对Ca2+的通透性增加,Ca2+大量进入细胞内,作为第二信使激活Ca2+依赖酶,引起细胞内生理效应的变化。NMDAR1与长时程增强和长时程抑制、学习、记忆、突触可塑性有关。NMDAR1在视皮质发育过程中可塑性的调控、成年后视皮层神经元突触联系的可塑性的调节、诱导c-fos基因的表达、以及与蛋白激酶C的相互作用中都起重要作用。
CREB在单眼视觉剥夺时可被激活,其对视觉优势柱的可塑性变化具有重要作用。有研究表明对于弱视动物模型进行HSV-mCREB治疗,其视觉优势可塑性可以恢复。在神经科领域里,NMDA-CREB级联反应的激活,可以保护小脑颗粒细胞。鉴于NMDA和CREB均与弱视的发病机制有关,我们拟研究这一级联反应在弱视发病机制中的作用,在弱视的发病机制中CREB是以其磷酸化的形式pCREB在发挥作用,所以我们研究所选取的检测指标为pCREB。
左旋多巴是多巴胺的一种前体,它在通过血-脑屏障后转化为多巴胺发挥作用。多巴胺参与了敏感期视皮质的发育,多巴胺及儿茶酚胺代谢可以解除弱视眼的皮质抑制,从而改善视功能。目前,左旋多巴已经广泛应用于临床治疗弱视并取得了初步成效。对其治疗弱视的分子机制进行探讨,有助于阐明弱视的发生机制。
我们首先制作单眼形觉剥夺动物模型,对形觉剥夺模型动物的电生理功能进行检测并对其视皮质神经元的超微结构进行观察;接下来,我们对单眼形觉剥夺大鼠视皮质NMDAR1、pCREB分子表达水平进行检测,并观察左旋多巴对NMDAR1、pCREB表达的影响;第三部分,我们对正常动物及模型动物双侧视皮质中NMDAR1及pCREB的表达进行分子生物学检测,并使用抑制剂进行干预,探讨NMDA-CREB级联反应在单眼形觉剥夺弱视优势眼形成中的作用。
方法:
1、制作单眼形觉剥夺动物模型,14日龄SD大鼠幼鼠分为正常组与实验组,实验组腹腔注射麻醉后,封闭实验眼,使上下睑黏连形成单眼剥夺。对照组大鼠不做任何处理。两组组大鼠分别在同等自然光照环境下饲养至45日龄。
2、形觉剥夺动物模型的电生理研究,对两组大鼠分别进行F-VEP检查,测量P1波峰潜时和振幅,并进行比较。
3、电镜观察视皮质神经元的超微结构,取实验组及对照组大鼠封闭眼对侧的视皮质,使用透射电镜,观察其超微结构。
4、使用免疫组织化学,实时荧光定量PCR,蛋白免疫印记技术对45日龄的正常组及单眼形觉剥夺(MD)组动物视皮质中NMDAR1、pCREB的mRNA及蛋白表达进行检测;自46日龄起,分别给予单眼形觉剥夺大鼠左旋多巴40mg/kg(LD组)和等体积生理盐水(NS组)灌胃,每日1次,连续28天,对LD组、NS组鼠视皮质中NMDAR1、pCREB的表达进行检测,方法同前。
5、制作单眼形觉剥夺动物模型,使用免疫组织化学、蛋白免疫印记的方法检测正常组及MD组大鼠双侧视皮质中NMDAR1,pCREB的表达,分别使用钙调蛋白激酶IV抑制剂KN-93(KN-93组)和生理盐水(NS组)处理后,检测KN-93组及NS组大鼠双侧视皮质NMDAR1,pCREB的表达,方法同前。
结果:
1、形觉剥夺动物模型的电生理研究,正常大鼠F-VEP呈现典型的NPN波形,P1波峰潜时短,波峰陡直。形觉剥夺大鼠F-VEP检测结果,P1波峰潜时明显延长,波峰显著降低。
2、电镜观察单眼形觉剥夺动物视皮质神经元的超微结构发现:形觉剥夺动物视皮质中神经元的超微结构受到破坏。损伤较重的神经元核的形态尚存在,核周间隙扩展或核膜大部分崩解消失,胞质内容物也大部分崩解,残存少量的粗面内质网及仅有少量扁平囊的高尔基复合体。线粒体肿胀,结构模糊。而正常组鼠视皮质中看不到这些变化。
3、单眼形觉剥夺大鼠视皮质中NMDAR1、pCREB的mRNA及蛋白表达均较正常组降低;左旋多巴处理后的模型大鼠视皮质中NMDAR1、pCREB的mRNA及蛋白表达较生理盐水处理组升高。
4、单眼形觉剥夺动物视皮质中剥夺侧与非剥夺侧NMDAR1及pCREB的表达,与正常组大鼠相比,形觉剥夺鼠非剥夺侧视皮质中NMDAR1及pCREB表现为低表达状态,而剥夺侧视皮质中NMDAR1及pCREB都表现为高表达状态。
5、分别使用生理盐水及钙调蛋白激酶IV抑制剂KN-93处理后,两组形觉剥夺模型大鼠视皮质中剥夺与非剥夺侧NMDAR1的表达无明显差异,而pCREB在KN-93组剥夺侧视皮质中的表达明显低于生理盐水组,在非剥夺侧的表达两组无明显差异。
结论:
1、单眼形觉剥夺使模型大鼠F-VEP的P1波峰潜时明显延长,振幅显著降低;
2、单眼形觉剥夺使模型大鼠视皮质神经元超微结构被破坏;
3、单眼形觉剥夺可以在转录或者转录上游的水平对视皮质NMDAR1、pCREB表达的产生影响;
4、NMDAR1、pCREB与视觉发育的可塑性有关,左旋多巴能够逆转因形觉剥夺引起的NMDAR1、pCREB表达下降,这是其能够改善视功能的分子机制之一,其作用部位在于视皮质;
5、NMDA-CREB级联反应参与了视觉敏感期优势眼的形成过程,其具体发挥作用的分子为NMDAR1、pCREB;
6、钙调蛋白激酶IV的抑制剂KN-93可以通过干预NMDA-CREB级联反应的传导影响优势眼的建立和形成。