术后认知功能障碍和神经炎症心脏手术和腹

2020-5-21 来源:本站原创 浏览次数:

60年前首次报道老年人手术后出现长期认知障碍。这种术后认知功能障碍(POCD)以痴呆样症状为特征,如记忆障碍、注意力不集中、无法计划、难以在不同任务间切换。

已提出若干机制参与POCD的发展。越来越多的证据表明炎症过程的参与。在啮齿类动物研究中,系统性和海马前炎性细胞因子和小胶质细胞激活的增加与术后空间和上下文学习和记忆障碍相关。此外,抑制中枢前炎性细胞因子信号可以减轻啮齿类动物术后的记忆损伤。最近的一项荟萃分析证实了患者手术后的外周炎症反应与POCD之间的联系。大脑中的炎症介质可能直接影响学习和记忆,但也可能通过抑制神经元内信号通路间接影响学习和记忆。

另外,有几项研究报道了麻醉状态下啮齿动物的空间记忆损伤,并涉及麻醉诱导的神经炎症或凋亡作为中介。然而,包括麻醉对照组在内的大多数POCD动物研究并未发现单纯麻醉对记忆和学习能力的影响。因此,关于麻醉与POCD之间关系的临床研究一直没有定论。关于心脏手术后的POCD,研究主要集中在体外循环(cardiopulbypass,CBP)的潜在影响,以及与之相关的微栓塞和脑低灌注。而在有或没有栓塞的CPB后,大鼠的空间记忆能力被证明受到了损害,关于CPB和微栓塞与POCD的关系的临床研究仍然没有定论。

最近,我们建立了腹部手术后POCD的大鼠模型,证实了认知障碍与神经炎症之间的联系。本研究的目的是深入了解心脏手术与非心脏手术后POCD风险增加的机制。因此,我们研究了大鼠心脏和腹部手术后的情感行为、学习和记忆的各个方面。此外,在与行为参数相关的大脑区域,我们研究了全身炎症反应和中枢炎症、神经内通路和神经发生的标志物。我们假设心脏手术与更严重的行为障碍和相应的大脑改变有关。

材料与方法

实验设计:使用Gpower3.1.9进行功率分析,以确定研究动物的数量。功率分析表明,5组单因素方差分析(onewayANOVA),每组12只动物,显著性检验效果为20%,标准差为15%,单因素方差分析(onewayANOVA),功率为0.8,显著性水平为0.05。主要实验大鼠分为:腹部手术(腹腔,n=12);心脏手术(心脏,n=18,预计死亡率为30%);心脏手术组以胸部手术(胸,n=12)作为对照组。所有接受手术的大鼠都接受了永久性的颈内静脉插管,以模拟长期置管的效果,并在最低限度的操作下进行定时采血。对照组保持幼稚(对照组,n=13),仅接受麻醉和镇痛(麻醉,n=12),或仅在麻醉下使用颈静脉导管(JVC,n=10)。为了避免疾病行为的干扰或手术对认知的急性影响(谵妄),大鼠在行为测试前一周恢复。术后第二周,大鼠接受一系列行为测试,测量情感行为、学习和记忆的各个方面:蔗糖偏好测试;开放的现场试验;新颖的对象和位置测试;在莫里斯水迷宫(MWM)中进行训练、探针试验和反向训练。

术后第14天MWM逆转任务完成后90min处死大鼠。术后6h和14d采血,分析肿瘤坏死因子a(TNFa)、白细胞介素(IL)-1b、IL-6、IL-10、IL-17、血管内皮生长因子(VEGF)、炎症损伤标志物中性粒细胞明胶酶相关脂calin(NGAL)。收集大脑,分析与行为参数有预期关联的区域:与空间和环境相关的学习和情绪的海马体;用于物体识别和情绪的前额叶皮层;认知灵活性的纹状体;杏仁核负责情绪相关的行为。此外,我们还纳入了室旁核,因为这个大脑区域被认为参与调节神经内分泌和对炎症刺激的自主反应,并被证明对心肌梗死有神经炎症反应。p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)、脑源性神经营养因子(BDNF)和使用doublecortin-X(DCX)的年轻成熟神经元。

由于需要人工呼吸的是心脏和假手术,而不是腹部手术,因此呼吸法可能是比较手术过程中观察到的差异的原因之一。因此,我们又做了一个对照实验来评估人工呼吸的影响。使用Gpower3.1.9进行功率分析。根据主实验血浆NGAL数据,每组5只动物进行方差分析,方差分析的幂次为0.8,显著性水平为0.05。在本实验中,我们比较了只进行麻醉(麻醉,n=5)、麻醉+人工呼吸(呼吸,n=5)和麻醉+人工呼吸+胸腔手术(胸腔,n=5)的大鼠血浆NGAL浓度和小胶质细胞染色。

数据分析:计算组均数(SEM)。采用SPSS进行统计分析。首先,统计分析主要实验对照组(对照组、麻醉组、JVC组)之间的组间差异。为了进一步分析,将对照组和麻醉组与手术干预组进行比较。采用重复测量方差分析和Tukey事后分析对新目标和定位测试中的多目标空间学习和目标探测时间进行分析。以象限和实验组为自变量,采用2*2方差分析评估MWM探针试验中靶区和相对象限的时间。事后分析包括在探针试验期间在目标区和反象限之间的配对t检验。所有其他结果与单因素方差分析和Tukey事后分析进行比较。分别对对照实验结果进行分析。显著性水平为p60.05。

3结果

3.1体重减轻情况

3.2麻醉和颈内静脉置管的影响

对照组体重减轻情况差异有统计学意义(对照组=1.4±2.0%;麻醉=-0.4±2.8%;IVC=-1.3±1.5%,F=15.44,p=0.)。对照组术后6h血浆NGAL(F-22.22,p0.)、IL-1p(F=3.39,p=0.)、IL-10(F=5.82,p=0.)、VEGF(F=3.46,p=0.)、NGAL浓度(F=3.57,p=0.)也有显著差异。然而,事后分析显示,与对照组相比,IVD组仅在6h时IL-10(p=0.)浓度和6h时NGAL(p=0.)浓度和14d时NGAL(p=0.)浓度显著升高。对照组除开放视野中心时间(f-3,75,p=0.)不同外,在行为测试中无差异,JVC组较对照组高(p=0.)。

3.3跨壁梗死的存在

在接受心脏手术的13只大鼠中,有6只发生了跨壁梗死。平均梗死面积%,3只大鼠梗死面积大于20%(35%、38%和55%)。心脏缺血再灌注损伤也可导致局灶性梗死的发生(Lipsicetal.,),但不能用标准方法定量。两组大鼠在体重减轻、行为测试结果或生化指标上均无显著差异。这在补充数据中有说明。鉴于这些结果,所有心脏手术大鼠被合并为一组进行进一步分析

3.4情感的行为

手术对蔗糖偏好行为测试结果无显著影响(F4,53=1.68,p=0.),在开放场地中心花费的时间(F4,56=0.19,p=0.)或在开放场地移动的距离(F4,=0.54,p=0.)。

3.5学习和记忆

3.6.全身和中枢炎症反应

血浆中主要的促炎细胞因子和抗炎细胞因子的浓度表明,术后6小时出现明显的全身炎症反应。组间有显著差异的血浆浓度NGAL(F4,34=41.03,p0.,图4),TNFa(F4,35=8.74,p0.,图4b),IL-1b(F4,45=18.42,p0.,图4c),il-6(F4,45=5.84,p=0.,图4d),和il-10(F4,44=13.06,p0.,图4e)。与其他外科手术和对照组相比,腹部手术组NGAL和TNFa明显增加。与对照组和麻醉组相比,所有手术组NGAL水平均升高,但TNFa未升高。IL-1b和IL-10在所有手术组中均有相似程度的升高,而IL-6仅在腹部和心脏手术后升高。各组间血清VEGF浓度无差异(F4,45=1.18,p=0.),IL-17浓度均低于所用检测方法(1.0pg/ml)。

中试分析显示,所有实验组术后第14天血浆IL-6和TNFa水平均低于ELISA试剂盒检测水平(分别为23.5pg/ml和7.8pg/ml)。NGAL测量14天的结果显示在图5中,代表NGAL染色的照片在图5d和e.等离子NGAL浓度组间术后第14天显著不同(F4,42=10.34,p0.,图5),增加NGAL浓度在胸腔和心脏组相比,腹部,麻醉,对照组,但胸腔和心脏之间没有区别。NGAL染色DG组间显著不同(F4,56=6.42,p0.,图5b)含量显著高于NGAL的外科组相比,麻醉组和增加的趋势NGAL腹部(p=0.)和心脏手术后控制相比(p=0.)。手术未影响门部NGAL染色。手术显著影响PVNmagnocellular部分的NGAL染色(F4,55=8.01,p0.,图5C),与对照组和麻醉组大鼠相比,胸外科和心脏外科手术后NGAL染色的面积明显增加。

小胶质细胞的活动由海马区和非海马区小胶质细胞的体细胞大小比决定,如图6所示。在海马体中,只有门区组间的小胶质细胞活性不同(F3,48=10.72,p0.)。胸、心手术后肺门小胶质细胞活性明显增强。此外,与腹部手术大鼠相比,心脏手术大鼠肝门的小胶质细胞活性增加。门部小胶质细胞数目与此相似(对照:,腹部,胸部,心脏,F3,48=3.90,p=0.)。各组间PFC微神经胶质活性差异显著(F3,47=6.62,p=0.),其中胸外科和心脏外科手术后PFC活性显著增加,腹部外科手术后PFC活性有增加的趋势(p=0.)。在BLA、DMS、DLS和PVN中,各组间的小胶质细胞活性无差异。

3.7人工通气的影响

接受麻醉、人工呼吸或胸外科手术的大鼠在干预后的最大减重值有显著差异(F2,14=6.40,p=0.,图7A),与其他干预措施相比,胸外科手术后的减重值显著高于其他干预措施。氧饱和度在任何时间点均不受人工呼吸或胸外科手术的影响(平均结果:麻醉:98.51.0%,呼吸:98.30.7%,胸腔:97.90.5%)。开胸后HR明显下降,后期归一化(诱导后立即:麻醉=bpm,呼吸=bpm,胸=bpm,F2,14=10.39,p=0.;干预一半:麻醉=次/分,呼吸=次/分,胸腔=次/分;干预结束:麻醉=次/分,呼吸=次/分,胸腔=次/分)。

3.8神经内通路和神经发生

4.讨论

4.1心脏和腹部手术后的认知和行为

与之前的研究一致,我们观察到腹部手术的大鼠存在空间记忆和识别的选择性损伤,因为这些大鼠只在MWM探针试验和新位置识别试验中表现出了受损的表现。有趣的是,心脏手术似乎与另一种类型的认知障碍有关,而不是更严重的空间记忆功能障碍。

据我们所知,我们是第一个在POCD动物模型中直接比较心脏手术和非心脏手术的,并且包括了几个认知领域的行为测试。之前的一项研究报道了术后第一周心肌缺血-再灌注对空间记忆的影响。与我们的发现一致,他们表明,心脏手术后空间记忆受损。此外,最近几项研究使用心肌梗死模型研究心力衰竭对认知功能的影响,表明心肌梗死可能导致长期空间记忆障碍。值得注意的是,所有这些研究都只包括空间学习和记忆的认知测试。

尽管在临床前研究结果与临床实践相结合时应谨慎行事,但我们的行为研究结果值得深思。在临床研究中,POCD通常被定义为至少在两项神经心理测试中出现显著损伤。根据这一定义,在我们的心脏手术组中观察到的更广泛的认知障碍可能比孤立的空间记忆障碍更容易诊断为POCD。确实有人注意到主观认知抱怨的报告比POCD的诊断更频繁。例如Johnson等人(2)发现29%的中年外科患者在接受大型非心脏手术三个月后报告出现记忆障碍,而在这些患者中只有6%诊断为POCD。

一般和心脏手术后都有抑郁症状的报道。在我们的研究中,探索行为和蔗糖偏好不受任何手术干预的影响。这与之前的研究一致,之前的研究显示在术后第1天内开放场地的行为发生了改变,但此后没有改变。心肌梗死后,情感行为的持续改变已被报道。这些相互矛盾的结果可以用我们研究中使用的较温和的缺血-再灌注模型来解释。

4.2心脏和腹部手术后的全身和神经炎症

腹部、胸部和心脏手术均引起明显的急性全身炎症反应,术后6小时内NGAL、IL-1b、IL-6和IL-10水平升高。有趣的是,腹部手术后6小时内NGAL和TNFa的浓度明显升高。相比之下,胸外科和心脏外科手术两周后,全身NGAL浓度仍增加了三倍,而腹部外科手术组的NGAL浓度已恢复到正常水平。NGAL通常被用作肾损伤的标志。然而,目前已知炎症条件下多种细胞类型包括内皮细胞、心肌细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞。因此,肠道内广泛的细菌-宿主相互作用可能导致腹部手术后更明显的急性炎症反应。值得注意的是,NGAL还被证明具有重要的免疫调节和趋化特性,因此,对于炎症过程的受控启动和解决可能至关重要。因此,与其他手术组相比,腹部手术后显著的TNFa和NGAL浓度可能有助于更快地解决炎症。

NGAL的慢性全身性升高与包括心脏和大脑在内的多种器官的炎性组织损伤有关。此外,NGAL与慢性炎症条件下的认知障碍相关,最近作为一种连接心力衰竭和精神障碍的潜在标记物受到

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