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编号:10270825
低功率半导体激光照射对大鼠神经损伤后脊髓降钙素基因相关肽表达的影响
http://www.100md.com 《中国康复医学杂志》 2000年第2期
     作者:王冰水 易南 李玲 马虹 王晓莉 王建波 邱建勇

    单位:王冰水(第四军医大学西京医院物理医学与康复医学科,西安,710033);易南(第四军医大学西京医院物理医学与康复医学科,西安,710033);李玲(第四军医大学西京医院物理医学与康复医学科,西安,710033);马虹(第四军医大学西京医院物理医学与康复医学科,西安,710033);王晓莉(第四军医大学西京医院物理医学与康复医学科,西安,710033);王建波(第四军医大学西京医院病理科);邱建勇(第四军医大学分子生物学教研室)

    关键词:半导体激光; 大鼠; 脊髓; 降钙素基因相关肽

    中国康复医学杂志000201 摘要 目的:研究15mW半导体激光照射对大鼠坐骨神经损伤后脊髓降钙素基因相关肽(CGRP)表达的影响。方法:96只成年雄性SD大鼠制成坐骨神经损伤模型,半导体激光照射损伤的坐骨神经,能量密度为31.85J/ cm2,应用免疫组化方法观察脊髓内CGRP的变化。结果:神经损伤后1天脊髓内CGRP表达即增加;第2周及第4周时激光照射组CGRP的表达高于对照组,阳性表达主要集中于脊髓前角运动神经元和背根感觉纤维;第8周时降钙素基因相关肽仍保持较高水平的表达,但与对照组比较无明显差异。结论:15mW 半导体激光照射大鼠损伤的坐骨神经可引起脊髓内神经元CGRP表达的变化,有促进完成神经再生的作用。
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    A study on the expression of calcitonin gene-related peptide in the spinal cord after irradiation on injured nerve of rat by low intensity diode laser

    WANG Bingshui YI Nan LI Ling

    Abstract Objective:To study the expression of calcitonin gene-related peptide(CGRP) in the spinal cord after irradiation on injured sciatic nerve of rats by diode laser with output power of 10mW.Method:Injured sciatic nerves, which were established in 96 adult male SD rats.The rats were irradiated by diode laser. The changes of CGRP in spinal cord were immunohistochemically studied.Result:The expression of CGRP increased in spinal cord on the first day after injury of sciatic nerve. More expression of CGRP at second and fourth week was observed in laser irradiation group comparing to the control group. The positive substance was mainly found in motor neuron of the anterior horn and in sensory nerve fiber in the posterior horn. At eighth week, CGRP remained a high expression in both groups, and showed no significant difference. Conclusion:The expression of CGRP in spinal cord could be changed by diode laser irradiation with power output of 15mW on injured sciatic nerve in rat.Diode laser irradiation could promote nerve regeneration.
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    Author′s address Dept. of Physiotherapy & Rehabilitation , Xijing Hospital, Fourth Military Medical University,Xi′an, 710033

    Key words Diode laser; Rat;Spinal cord;Calcitonin gene-related peptide

    半导体激光是近红外激光,有广泛的生物学作用,对组织的穿透比He-Ne激光更深〔1〕,但作用机理尚待探讨。降钙素基因相关肽(calcitonin gene-related peptide, CGRP)是由37个氨基酸残基组成的神经多肽〔2、3〕,起着递质或细胞外调节物样作用,由降钙素基因家族编码,但化学结构、体内分布及生物活性不同于降钙素,主要分布在神经系统中〔4〕,具有舒张血管作用,在神经再生过程中亦起一定作用〔5〕。本实验观察了半导体激光照射损伤大鼠坐骨神经后脊髓CGRP表达的变化。
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    1 材料和方法

    1.1 动物模型的制作及分组

    成年雄性SD大鼠96只,体重250±20g,1%戊巴比妥钠(30mg/kg)腹腔注射麻醉,常规消毒,取右股后外侧暴露坐骨神经,于神经分叉上0.7cm处用眼科剪剪断,并修剪神经断端的覃状头,原位吻合缝合神经外膜,吻合后创口内放入庆大霉素2万单位关闭创口,对等分成激光照射组和对照组,各48只。

    1.2 光源及照射方法

    砷化镓半导体激光器(北京产),波长810nm,激光照射功率为15 mW,每次使用前激光功率计检测激光器的功率输出。照射时光斑直径0.6cm,功率密度为53.08 mW/cm2,对准神经吻合处每次照射10min,照射能量密度为31.85 J/cm2;对照组做相同的处理,激光照射功率输出为0mW(假照射),每日1次,连续10天。
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    1.3 标本制作

    于照射前、照射后1天、3天、1周、2周、4周、6周、8周,照射组和对照组各取6只大鼠。给大鼠腹腔注射1%戊巴比妥钠2ml,待大鼠麻醉后,依次剪开胸腔、右心房、心室,而后剪开左心室,将输液管通过左心室插入主动脉内,快速灌注生理盐水150ml,快速灌注4%多聚甲醛200ml,缓慢滴注300ml,持续1.5~2小时,而后取坐骨神经及相应脊髓,浸入20%蔗糖液4℃过夜,恒冷箱切片,每只大鼠脊髓间断均匀取4个断面,片厚30μm。

    1.4 免疫组织化学染色步骤

    用0.01mol/L PBS清洗10min×3→浸入含0.3%Triton×100的0.01mol/L PBS 30min → 0.01mol/L PBS 清洗10min×3→ 加羊抗CGRP4℃孵育48小时,取出入0.01mol/LPBS清洗 10min×3→加入兔抗羊抗体室温孵育2小时→入0.01mol/L PBS清10min×3→浸入ABC复合物室温孵育2小时,浸洗硫酸镍胺加强的DAB蓝色反应法显色、贴片、干燥、脱水、透明、中性树胶封片。
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    1.5 图像分析

    应用Leica Q570c真彩色图像分析仪(德国),进行灰度定量分析。每只大鼠的脊髓有4张切片,每张切片在损伤侧后角的第3、4板层选5个高倍视野进行阳性物质密度值测定,取测定数值减去背景测定数值的绝对值,再取4个断面的平均数值进行统计分析。

    2 结果

    正常成年大鼠腰骶段脊髓中CGRP阳性反应的细胞数目较少,每一切面多有1~2个CGRP阳性反应细胞,均为前角运动神经元,染色较淡,无明显阳性纤维,阳性反应细胞多为大细胞,呈圆形或多角形,树突较短,阳性物质主要集中在胞浆,胞核为阴性。坐骨神经损伤后1天即发现损伤侧CGRP阳性反应增强,1周内半导体激光照射组和对照组无明显差异,此时神经元突起明显,少量神经元间有较长的阳性纤维,后角CGRP阳性反应纤维较多。第2周时激光照射组CGRP阳性反应较对照组更明显,前角运动神经元阳性个数明显多于对照组(图1),细胞阳性染色较重,集中在胞浆,胞体突起较多,有的细胞有较长的CGRP阳性纤维向外伸展,未损伤侧前角运动神经元阳性个数也少量增加。损伤侧后角阳性纤维排列密集,走形较杂乱,纤维上有较多的CGRP阳性膨体,呈串珠状(图2),见附表。
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    附表 脊髓后角CGRP阳性反应灰度值测定(±s) 术后天数

    例数

    对照组

    激光组

    1

    6

    54.13±6.83

    55.13±7.67

    3

    6

    64.38±9.42
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    66.28±7.31

    7

    6

    89.86±9.49

    93.98±10.09

    14

    6

    83.67±8.94

    95.47±11.05

    28

    6

    71.76±10.07
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    83.79±9.57

    42

    6

    70.45±11.24

    75.87±8.77

    56

    6

    65.91±9.78

    67.48±7.21

    ①P<0.05, 与对照组比较

    图1A 第20周时激光组大鼠脊髓前角
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    CGRP阳性运动神经元(×200)

    图1B 第20周时对照组大鼠脊髓前角

    CGRP阳性运动神经元(×200)

    图2A 第20周时激光组大鼠脊髓后角

    CGRP阳性神经纤维(×400)

    图2B 第20周时对照组大鼠脊髓后角

    CGRP阳性神经纤维(×400)
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    由表可见,第2、4周时激光照射组高于对照组(P<0.01),第6周时仍保持较高水平,第8周时激光照射组与对照组已无明显差异,但均高于正常水平。

    3 讨论

    神经修复是一个较为复杂的过程,外周神经元损伤后可产生一系列的化学和组织学变化。一般认为,在这种变化中,与神经递质代谢有关的酶蛋白的合成下降,而与轴突存活和修复有关的结构蛋白的合成增加,如神经生长因子〔6〕和生长相关蛋白(GAP-43)〔7〕的表达。外周轴突损伤后,可导致CGRP在运动神经元中含量增高,15mW的半导体激光是波长810nm的低功率相干光,有广泛的生物学效应,作用于生物组织可使生物膜分子构象发生改变,改变膜受体结构,使细胞活性发生变化,有明显的生物学刺激作用〔8〕 。半导体激光作为一种外界物理因子,通过其生物刺激作用使脊髓内CGRP表达增高。激光照射组2周时前角运动神经核团CGRP阳性反应较对照组更强烈,阳性细胞数目明显多于对照组,激光照射组的后角阳性神经纤维密集,数量多,染色重,较对照组阳性物质明显增多。神经元产生的CGRP作为一种信号作用于胶质细胞,触发神经元与胶质细胞间的反应,从而促进神经元的存活与修复再生。另有研究发现CGRP对神经细胞具有明显的营养作用,运动神经元疾病的脊髓和脑细胞核中CGRP免疫反应明显降低〔9〕,也提示了CGRP对神经细胞具有营养作用。一般认为胶质细胞上存在CGRP受体〔10〕,而CGRP可能是神经和胶质细胞间作用的一种调质,CGRP首先与胶质细胞上的受体结合,刺激膜上的cAMP合成增多,进而激活c-fos基因的表达,功能c-fos基因又可诱导胶质细胞的纤维酸性蛋白的基因表达,促进GFAP的合成,胶质细胞还能形成或分泌NGF,促轴突因子、胰岛素生长因子等多种神经营养因子,这些因子能促进中枢神经和周围神经轴突的生长和存活,在神经修复再生过程中起重要作用。
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    完整的神经元和外周组织分别对CGRP的合成产生正反馈和负反馈作用。正常情况下,它们处于一种平衡状态,当外周神经损伤后,失神经支配的肌肉组织失去了对CGRP合成的抑制作用,而致神经元中CGRP合成增多,有利于神经的再生。CGRP是强烈的血管舒张因子〔11〕,CGRP的增多可增加损伤运动神经元和轴突的血液供应,亦有利于神经的再生,但CGRP的舒血管作用机制尚未明确。另外,CGRP有明显抗缺血及抗自由基损伤的保护作用,在神经再生中亦不可忽视。激光照射后未损伤侧脊髓内CGRP阳性反应细胞亦明显增多,激光照射治疗后机体可有系统效应〔12〕,其机理需进一步探讨。坐骨神经损伤后1天脊髓内CGRP水平即增高,1周达到较高水平,而第8周时大部分大鼠的肢体功能包括肌力、展趾功能基本恢复时,CGRP仍有较高水平的表达,说明CGRP是神经修复过程中较为敏感的因素,对神经损伤及外周物理因子的刺激反应较为敏感。神经损伤早期,激光照射组与对照组之间无明显差异,而第2周到第4周激光照射停止后,激光照射组CGRP表达明显高于对照组,说明神经损伤早期,损伤本身的刺激在CGRP表达中占主导作用,而激光照射作为外界物理因子刺激起次要作用。随着时间延长,物理因子刺激逐渐发挥主要作用,激光照射组第4周时CGRP仍有较高的表达说明激光照射停止后其生物学刺激作用仍然存在。CGRP的调控非常复杂,它的基因前体选择性剪接的不同,在不同组织中表达为降钙素或CGRP,低功率半导体激光作为一种物理因子,照射损伤的坐骨神经可改变脊髓内CGRP的表达,但其在CGRP调控中的作用及如何引起CGRP的表达的变化还需进一步研究。
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    基金项目:国家自然科学基金资助课题。编号:39670698

    4 参考文献

    1 卓黄正,李峻亨主编. 现代激光医学. 第1版. 南宁市: 广西科学技术出版社,1996.129.

    2 Amara SG, Jonas V, Rosenfeld MG, et al. Alternative RNA processing in calcitonin gene expression generates mRNAs encoding different polypeptide products. Nature, 1982,298:240.

    3 Rosenfeld MG, Mermond JJ, Amara SG, et al. Production of a neuropeptide encoded by the calcitonin gene via tissue-specific RNA processing. Nature, 1983,304:129.
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    4 Marksteiner J, Mahata SK, Pycha R, et al. Distribution of secretoneurin immunoreactivity in the spinal cord and lower brainstem in comparison with that of substance P and Calcitonin gene-related peptide. J Com Neurol , 1994,340:243.

    5 Dumoulin FL, Raivich G, Haas CA, et al. Calcitonin gene-related peptide and peripheral nerve regeneration. Ann N.Y Acad Sci, 1992,657:351.

    6 Ernfors P, Henschen A, Olson L, et al. Expression of nerve growth factor receptor mRNA is developmentally regulated and increased after axotomy in rat spinal cord motoneurons. Neuron,1989,2(6):1605.
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    7 Hoffman PN. Expression of GAP-43, a rapidly transported growth-associated protein, and class II beta tubular, a slowly transported cytoskeletal protein are coordinated in regenerating neurons. J Neurosci, 1989,9(3):893.

    8 Mester E, Mester AF, Mester A. The biomedical effects of laser application. Laser Surg Med, 1985,5:91.

    9 Zhang YQ, Vacca-Galloway LL. Decreased immunoreactive (IR) calcitonin gene-related peptide correlates with sprouting of IR-peptedergic and serotonergic neuronal processes in spinal cord and brain nuclei from the Wobbler mouse during motoneuron disease. Brain Research, 1992,587:169.
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    10 Lazar P, Reddington M, Streit WJ, et al. The action of calcitonin gene-related peptide on astrocyte morphology and cyclic AMP accumulation in astrocyte cultures from neonatal rat brain. Neurosci Lett, 1991,130(1):99.

    11 Brain SD, Williams TJ, Tippins JR, et al. Calcitonin gene-related peptide is potent vasodilator. Nature, 1985,313:54.

    12 Rochkind S, Rousso M, Nissan M, et al. Systemic effects of low-power laser irradiation on the peripheral and central nervous system, cutaneous wounds, and burns. Lasers Surg Med, 1989,9(2):174.

    收稿日期:1999-12-03, http://www.100md.com