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编号:10260616
甲基汞对大脑皮层神经细胞内游离钙的影响
http://www.100md.com 《中华预防医学杂志》 2000年第2期
     作者:祝卫国 陈学敏 庄志雄 汤平涛 谢虹

    单位:祝卫国(同济医科大学环境卫生学教研室);陈学敏(同济医科大学环境卫生学教研室);谢虹(同济医科大学环境卫生学教研室);庄志雄(深圳市卫生防疫站卫生毒理科);汤平涛(深圳市卫生防疫站卫生毒理科)

    关键词:甲基汞化合物;大脑皮质;钙;神经元

    中华预防医学杂志000203 摘 要:目的 研究甲基汞对急性分离的大脑皮层神经细胞内游离Ca2+水平的影响。方法 采用钙离子指示剂Fura-2双波长荧光检测技术。结果 (0.10~5.00)×10-6mol/L甲基汞可使大脑皮层神经细胞内游离Ca2+水平显著升高,且有剂量-效应关系。甲基汞升高神经细胞内游离Ca2+的作用与胞外Ca2+大量内流和胞内储Ca2+释放有关,且以胞外Ca2+内流为主。胞外Ca2+内流与N-甲基-D-天冬氨酸受体门控Ca2+通道以及电压门控Ca2+通道有关,而与电压依赖性Na+通道无关。结论 甲基汞可使神经细胞内游离Ca2+浓度异常升高,且与Ca2+通道有密切关系。
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    Effects of methylmercury on intracellular free calcium content in cerebral cortical neurons

    ZHU Weiguo,CHEN Xuemin,ZHUANG Zhixiong,et al.

    (Department of Environmental Health,Tongji Medical University, Wuhan 430030, China)

    Abstract:Objective This study was conducted to explore effects and potential mechanism of methylmercury on concentration of intracellular free calcium (Ca2+) in the acutely isolated cerebral cortical neurons. Methods Calcium ion indicator Fura-2 two wave-length fluorophotometry was used to measure concentration of Ca2+. Results (0.10~5.00)×10-6 mol/L of methylmercury could increase level of free intracellular Ca2+ in cerebral cortical neurons significantly (P<0.01), in a dose-response manner. Increase in intracellular free Ca2+ of neurons caused by methylmercury associated with large influx of Ca2+ outside cells and release of stored Ca2+ inside cells, especially by influx of Ca2+ outside cells. Influx of Ca2+ outside cells associated with Ca2+ channels regulated by receptor gate and potential gate, but not associated with sodium-dependent channel. Conclusion Methylmercury lead to abnormal increase of intracellular free Ca2+ in neurons, which is closedly related to Ca2+ channel.
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    Key words:Methylmercury compounds;Cerebral cortex;Calcium;Neurons

    有研究表明,甲基汞的神经毒性与其所致神经细胞胞内游离Ca2+水平的异常持续增高有关,但其机制尚不十分清楚[1,2]。我们采用双波长荧光光度法检测甲基汞对胞内游离Ca2+水平的影响,并对其可能的机制进行了探讨。

    材料与方法

    1.试剂与仪器:氯化甲基汞(MMC、≥98%、Merck公司生产),钙离子指示剂Fura-2/AM、α-氨基-5-磷戊酸(AP5)、memantine、河豚毒素(TTX)、verapamil、Triton X-100均为Sigma公司产品,胰蛋白酶(Difco进口分装),DMEM培养基和胎牛血清(Gibco、BRL),其他试剂均为国产分析纯。RF 2000型荧光分光光度计(日本岛津)501型超级恒温水浴器(上海试验仪器厂),LDZ-5-2离心机。
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    2.测定原理:Fura-2因亲水性较强难以进入细胞,在其负性基团部位结合上亲脂的乙酰羟甲基酯成为Fura-2/AM后与细胞温育时很容易透过细胞膜。Fura-2/AM进入细胞后,在胞内酯酶作用下水解成Fura-2而滞留在胞浆内,后者与胞浆内游离Ca2+结合形成Fura-2-Ca2+复合物。Fura-2及其与Ca2+结合的复合物的最大激发光波长分别为380 nm和340 nm,其发射光的强度与Ca2+浓度呈比例关系。据此可由公式计算出胞内游离Ca2+浓度=Kd(F0Fs)(R-Rmin)/(Rmax-R),式中Kd值为224 nmol/L,F0和Fs分别代表Ca2+为零及饱和状态下测得的荧光强度,R为实验观察到的荧光比值,Rmax和Rmin分别为最大和最小的荧光比值,即在>1 mmol/L游离Ca2+浓度和大于等于此Ca2+浓度2倍的乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸(EGTA)情况下,分别加入0.1% Triton X-100后所测定的荧光比值,在计算游离Ca2+之前,应减去在没有负载Fura-2的细胞中测得的自发荧光和背景荧光。
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    3.单细胞悬液制备:参照文献[3]的方法,取新生SD大鼠,剥离出脑组织,迅速分离出大脑皮层。在冷Hank液(NaCl 137 mmol/L、KCl 5.0 mmol/L、CaCl2 1.3 mmol/L、MgSO4 0.8 mmol/L、Na2HPO4 0.6 mmol/L、KH2PO4 0.4 mmol/L、NaHCO3 3.0 mmol/L、右旋葡萄糖5.6 mmol/L、pH值7.4)中清洗2次,仔细剥离、剔除软脑膜和血管,再用Hank液洗2次。把脑组织置于小烧杯中,用剪刀剪至1 mm3大小,加入预温的0.25%胰蛋白酶37℃消化20 min,消化结束后用含10%胎牛血清的DMEM培养基终止消化。过250目筛,滤液经1 500 r/min离心10 min,再用Hank液洗2次。最后用含10%胎牛血清的DMEM培养基制成单细胞悬液,计数并调整细胞密度为1×108/ml,用锥虫蓝染色检查细胞存活率,要求不低于95%。
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    4.Fura-2/ AM 负载:在上述单细胞悬液中,加入Fura-2/AM应用液,使终浓度为5 μmol/L。37℃恒温水浴振荡45 min,负载后细胞悬液1 000 r/min离心5 min,弃上清,再用含0.2%牛血清白蛋白的Hank液洗2次。最后用无镁的Hepes-Hank缓冲液(Hepes 10 mmol/L,KCl 5.0 mmol/L,NaCl 145 mmol/L,CaCl2 1.3 mmol/L,右旋葡萄糖10 mmol/L,Na2HPO4 1 mmol/L,pH值7.4)悬浮细胞,调整细胞密度为1×106/ml,锥虫蓝染色检查细胞存活率,要求不低于90%。测定前细胞37℃预温3 min。

    5.荧光测定:激发光光栅和发射光光栅均为10 nm,激发波长为340 nm和380 nm交替扫描,激发光波长变换时间1 s,发射光波长为510 nm。测定时先分别测定340 nm和380 nm激发光所产生的荧光强度,求出R值,再加入终浓度为0.1%的Triton X-100进行测定,求出Rmax值,最后加入5 mmol/L EGTA(pH>8.5)进行测定,求出Rmin值,再根据前述公式计算游离Ca2+
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    6.处理因素:研究甲基汞对胞内游离Ca2+影响时,于负载好的细胞悬液内,加入甲基汞使其终浓度分别为0.00、0.01、0.10、1.00、2.00、5.00 μmol/L,37℃恒温水浴10 min,再进行测定;研究甲基汞影响胞内游离Ca2+的机理时,先在负载好的细胞悬液内,分别加入终浓度为AP510 μmol/L,memantine 100 μmol/L,verapamil 10 μmol/L,TTX 5 μmol/L,37℃恒温水浴10 min,再加入终浓度为2 μmol/L的甲基汞,37℃恒温水浴10 min后进行测定;研究在无胞外Ca2+条件下,甲基汞对胞内游离Ca2+的影响时,用不含Ca2+、含EGTA 5 mmol/L的Hepes-Hank液代替含CaCl2 1.3 mmol/L的Hepes-Hank液,其他操作条件不变。所有的负载细胞在各种处理完成后10 min内测完。
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    结果

    1.甲基汞对大脑皮层细胞胞内游离Ca2+的影响(n=5):当胞外Ca2+浓度为1.3 mmol/L时,静息状态下大脑皮层神经细胞游离Ca2+浓度为(107.79±6.85) nmol/L,与文献报道一致[4],也在正常的神经细胞游离Ca2+(100~200 nmol/L)范围内。用甲基汞(分别为0.01、0.10、1.00、2.00和5.00 μmol/L)处理细胞后,大脑皮层神经细胞游离Ca2+明显升高,分别为(122.03±11.08)、(163.83±16.19)、(396.27±51.66)、(730.68±79.80)和(1 285.29±166.87) nmol/L,除0.01 μmol/L组外,与对照组相比,差异均有非常显著性(P<0.01),且随甲基汞浓度的增加,胞内游离Ca2+也增加,具有良好的剂量-效应关系(大脑皮层r=0.992,P<0.05)。
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    2.甲基汞升高胞内游离Ca2+机理的探讨(n=3~5):在胞外Ca2+为1.3 mmol/L时,预先用上述试剂处理细胞10 min,可在一定程度上减弱甲基汞的升钙作用(P<0.05),作用强弱的顺序为verapamil>AP5>memantine;其游离Ca2+浓度分别为(353.87±39.58) nmol/L、(470.91±56.39) nmol/L和(525.30± 72.11) nmol/L;与甲基汞组比较,分别为P<0.01、P<0.01和P<0.05。verapamil的拮抗作用最强;TTX无明显作用,其游离Ca2+浓度为(729.22±83.18) nmol/L。在胞外Ca2+浓度为0.0 mmol/L时,2.00 μmol/L甲基汞37℃温育10 min,大脑皮层神经细胞游离Ca2+浓度(169.10±17.06) nmol/L仍明显高于对照组游离Ca2+浓度(87.16±6.94) nmol/L,P<0.01。
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    讨论

    本研究利用80年代发展起来的钙离子指示剂Fura-2和双波长荧光检测技术进行研究,发现甲基汞在(0.10~5.00)×10-6 mol/L 范围内,可使急性分离的大脑皮层神经细胞游离Ca2+水平明显升高,且有良好的剂量-效应关系,这与以往的研究结果基本一致[1,2]。此外,我们利用各种干预因素探讨了本实验条件下甲基汞升高大脑皮层神经细胞游离Ca2+的可能机理。结果表明,在胞外Ca2+为1.3 mmol/L时,用电压依赖性Ca2+通道拮抗剂verapamil、N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体竞争性拮抗剂AP5和非竞争性拮抗剂memantine预先处理神经细胞,可在不同程度上阻断甲基汞引起的游离Ca2+升高,而Na+通道拮抗剂TTX无明显作用。在胞外Ca2+为0.0 mmol/L时,甲基汞仍可使游离Ca2+升高,不过游离Ca2+增加的绝对水平较低,当胞外Ca2+为1.3 mmol/L时,2.00 μmol/L甲基汞可使大脑皮层神经细胞游离Ca2+增加577.87%;而当胞外Ca2+为0.0 mmol/L时,2.00 μmol/L甲基汞仅使大脑皮层神经细胞游离Ca2+增加94.01%。提示在本实验条件下,甲基汞升高神经细胞游离Ca2+的作用与胞外Ca2+大量内流和胞内储Ca2+释放有关,且以胞外Ca2+内流为主。甲基汞引起胞外Ca2+大量内流的作用与NMDA受体门控Ca2+通道以及电压门控Ca2+通道有关,而与电压依赖性Na+通道无关[5],而胞内储Ca2+释放增加可能与甲基汞增加三磷酸肌醇生成有关[2],三磷酸肌醇与内质网上三磷酸肌醇受体结合后可促进内质网储Ca2+释放。此外,甲基汞抑制神经细胞膜Ca2+-ATP酶也可引起胞内游离Ca2+增加[6]
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    志谢 同济医科大学病理生理教研室夏若寒、刘晨虹、郝天玲等老师

    基金项目:国家自然科学基金资助(39470603)

    参考文献

    [1]Hare MF, McGinnis KM, Atchison WD. Methylmercury increases intracellular concentration of Ca2+ and heavy matals in NG108-15 cells. J Pharmacol Exp Ther, 1993, 266: 1626-1635.

    [2]Sarafian TA. Methyl mercury increases intracellular Ca2+ and inositol phosphate levels in cultured cerebellular granule neurons. J Neurochem, 1993, 61: 648-657.
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    [3] Dildy JE, Leslie SW. Ethanol inhibits NMDA-induced increase in free intracellular Ca2+ in dissociated brain cells. Brain Res, 1989, 499: 383-387.

    [4]Sakamoto M, Ikegami N, Nakano A. Protective effects of Ca2+ channel blockers against methyl mercury toxicity. Pharmacol Toxicol, 1996, 78: 193-199.

    [5]Hare MF, Atchison WD. Nifedipine and tetrodotoxin delay the onset of methylmercury-induced increase in [Ca2+]i in NG108-15 cells.Toxicol Appl Pharmacol, 1995, 135: 299-307.

    [6]Freitas AJ, Rocha JB, Wolosker H, et al. Effects of Hg2+and CH3Hg+on Ca2+ fluxes in rat brain microsomes. Brain Res, 1996, 738: 257-264.

    收稿日期:1999-03-31, 百拇医药