大鼠颅脑损伤仪

硫化物的分解代谢可改善缺氧性脑损伤个硫化物的分解代谢可改善缺氧性脑损伤 -哺乳动物的大脑极易遭受缺氧影响- 大脑对缺氧敏感的机制尚不完全清楚。H2S是一种抑制线粒体呼吸的气体，缺氧可以诱导H2S的积累。Eizo Marutani等人研究发现，在小鼠、大鼠和自然耐缺氧的地松鼠中，大脑对缺氧的的敏感性与SQOR的水平及分解硫化物的能力成反比。硫醌氧化还原酶（sulfide: quinone oxidoreductase , SQOR）是一种谷胱甘肽还原酶家族的膜结合黄素蛋白，为硫化物氧化解毒的一种关键酶。沉默的SQOR增加了大脑对缺氧的敏感性，而神经元特异性的SQOR表达则阻止了缺氧诱导的硫化物积累、生物能量衰竭和缺血性脑损伤。降低线粒体中SQOR的表达，不仅增加了大脑对缺氧的敏感性，也增加了心脏和肝脏对缺氧的敏感性。硫化物的药理清除维持了缺氧神经元的线粒体呼吸，并使小鼠能够抵抗缺氧。相关研究于2021年5月发表在Nature子刊Nature communications上，题为《Sulfide catabolism ameliorates hypoxic brain injury》，该研究由美国马萨诸塞州总医院以及哈佛医学院共同完成。该研究团队一开始的研究方向并不是寻找可以治疗脑卒中的靶点，他们的研究方向是「人体冬眠」，就像以往科幻电影里的那种，得了某种不治之症，然后进行冷冻或者其他技术的冬眠，等待科技进步以后，再次复苏。一开始，他们是要寻找可以对小鼠进行催眠的物质，锁定在了H2S。期初，吸入H2S的小鼠进入了一种「冬眠」状态，体温下降，无法动弹。但是，令人惊讶的是，小鼠很快就对吸入H2S的影响产生了耐受性。到了第五天，他们行动正常，不再受到H2S的影响。更有趣的现象是，研究团队发现，对H2S耐受的小鼠，对缺氧也能非常好的耐受。因而研究团队提出了SQOR基因在耐缺氧中起发挥重要作用的假设。实验方法描述所有小鼠都被饲养在12小时的昼/夜循环中，温度在20-25°C之间，湿度在40%-60%之间。 -间歇性H2S吸入- 小鼠暴露于80 ppmH2S的空气中连续5天，每天4小时。实验过程中实时监测H2S浓度和FiO2。每天在H2S吸入前后测量直肠温度，以检查H2S对体温的影响。 -CO2产生量的测量- 最后一次的吸入空气或H2S24小时后，在对照组或硫化物预处理小鼠中测量二氧化碳的产生。将小鼠放置在全身体积描记系统内，并测量二氧化碳的产量。 -小鼠的缺氧和缺氧耐受性- 为了测量缺氧耐受性，在最后一次空气或H2S吸入24小时后，将小鼠放入透明的塑料室中。然后，用低氧气体混合物以1 L/min连续冲洗腔室，以达到所需的FiO2。在缺氧暴露期间连续观察小鼠最多60 min，当小鼠出现严重痛苦迹象（扭动或发作、呼吸频率低于6/分钟和尿失禁）时，将其取出，用5%异氟烷安乐死并视为死亡。 -组织采集- 将小鼠采用异氟醚麻醉，呼吸机机械通气。用空气或缺氧气体混合物通气3 min后，将小鼠进行安乐死，开始取材。实验数据a：对照组和硫化物预处理组（SPC）小鼠的体温b：二氧化碳产生率（VCO2） c：血浆中硫化物的浓度d：血浆中的硫代硫酸盐、脑组织中的硫化物浓度f：脑组织中的硫代硫酸盐、 g：存活率h：小鼠在5% O2低氧下的VCO2i：常氧和5%低氧下，脑组织中的硫化物j：per sulfide，k NADH/NAD+比l：乳酸水平。m脑组织中的SQOR相对表达量，n、o：脑组织和心脏组织中 SQOR蛋白水平p、q：离体脑线粒体的氧气消耗速率 (OCR)r：计算得到的 ATP转换率。地松鼠的缺氧耐受性和硫胺分解代谢增强研究团队用RNA沉默SQOR，发现可增加大脑对缺氧的敏感性，而神经元特异性SQOR的表达可阻止缺氧诱导的硫化物积聚、生物能衰竭和缺血性脑损伤。SQOR可改善神经元细胞的线粒体功能降低线粒体的SQOR基因的表达，不只是大脑，而且心脏、肝脏对缺氧的敏感性都增加了。硫化物清除剂的作用通过药物清除硫化物，可维持缺氧神经元的线粒体呼吸过程，使小鼠耐受缺氧。该研究阐明了硫化物分解代谢在缺氧时能量平衡中的关键作用，并确定了缺血性脑损伤的治疗靶点。 在自然界中很多强有力的证据可以证明该研究的结论。例如，已知雌性哺乳动物比雄性哺乳动物更能抵抗缺氧，而前者的SQOR水平更高。当女性的SQOR水平被人为降低时，她们就更容易缺氧(雌激素可能是观察到的SQOR增加的原因），例如更年期。此外，一些冬眠动物，如地松鼠，对缺氧有很强的耐受性，这使得它们能够在冬季身体新陈代谢减缓的情况下生存下来。一只地松鼠的大脑比同样大小的老鼠的SQOR高出100倍。该研究的主要研究者说：“人脑的SQOR水平非常低，这意味着即使是少量的H2S积累，就可以影响神经元的健康。我们希望有一天我们研发出像SQOR一样有效的药物，这些药物可以用来治疗缺血性中风，以及心脏骤停引起的缺氧。 -塔望科技-解决方案- 全身体积描记系统小鼠放置于体积描记器内，可以实时监测呼吸，也可进行低氧干预、H2S暴露。可进行低氧耐受实验，也可监测动物的 耗氧量、CO2产生量、呼吸代谢率等。全身暴露染毒系统可以进行长期H2S暴露染毒、低氧实验等。动物能量代谢系统可以综合评估动物不同处理后的各种表型变化：进食量、进水量、进食进水模式、活动量、耗氧量、CO2产生量、呼吸代谢率等。动物低氧高氧实验系统各种常压/低压/高压下的缺氧/高氧实验。可进行恒定低氧，也可进行间歇低氧。 -相关文献- Marutani E, Morita M, Hirai S et al. "Sulfide catabolism ameliorates hypoxic brain injury".[J]. Nat Commun 12, 3108 (2021). &bull end &bull

研究背景 颅骨除了容纳、支持和保护脑组织，在头面部外形的塑造方面也承担了一定的责任。在严重的颅脑外伤、脑出血、颅内占位等情况下，需要紧急开颅手术缓解颅内高压，术后则会遗留颅骨缺损的问题，给患者的身心造成了严重的影响。颅骨成形术对颅骨缺损的修复和脑神经功能的恢复都有重要的意义。但用于颅骨成形术的传统生物材料都有着各自的优缺点，至今没有一个理想的解决方案，特别是传统生物材料都不能降解的致命缺陷对于儿童颅骨缺损的修复尤其不利，因此设计制备一种具有成骨活性的生物可降解颅骨修复材料非常迫切。 颅骨修复与其它长骨修复有较大的差异，主要表现在以下三个方面。 首先，颅骨修复除了需要快速成骨，还需要足够的力学支撑发挥保护作用，这就使得材料的孔隙率、孔径和力学强度之间产生了很难平衡的矛盾。 其次，颅骨的发育是膜内成骨作用的过程。在膜内成骨的过程中，骨髓间充质细胞在不形成软骨的情况下就直接分化为成骨细胞，紧接着形成包括额骨、顶骨以及部分枕骨的一系列扁平骨。这样一个相对复杂的成骨方式也决定了颅骨修复较其它长骨的修复更为困难。并且在颅脑外伤、肿瘤等原因造成的颅骨缺损中，硬脑膜常被损坏而缺损，对骨修复的过程更增加了困难。 再者，颅骨除了本身容纳、保护脑组织的作用外，还兼具塑形美容的作用，且颅骨的形状较复杂，个性化要求高，而传统的的人工骨材料规格单一、不可定制。因此，研发一种新的人工骨材料满足颅骨修复的特殊要求势在必行。 方法与结果 该研究采用复合支架的形式，将仿生矿化胶原与可降解生物相容性高分子材料——聚己内酯结合起来，采用溶剂造孔的方式，制备了一系列具有不同孔径分布及孔隙率特征的可植入骨修复支架材料。采用大鼠颅骨临界骨缺损动物模型对各组材料在体内的生物相容性及成骨性能进行评价，筛选出成骨性能最佳且力学强度可以接受的材料。 图1 不同孔结构特征支架SEM形貌及孔径统计分布 其中，最为重要的评价环节为影像学评价，已确定各个实验组之间在不同时间点的成骨情况差异。该研究中采取了Micro-CT（inspeXio SMX-90CT Plus, Shimadzu，日本岛津无损检测）透视并扫描4%多聚甲醛固定24h后的样本，扫描后经三维等值画图软件重建并进行成骨体积分析测定。通过X线透视及CT扫描影像评估样品植入前后的形状、骨密度，并通过成骨体积的测量进行定量分析。 图2 岛津Micro-CT三维重构结果 图3 根据Micro-CT结构计算的相对成骨体积 术后各组大鼠典型的Micro-CT扫描三维重建结果如图2所示。术后4周，模型组大鼠仅有少量针状骨结构位于缺损区，G1、G2、G4组大鼠骨桥位于缺损边缘，G3组大鼠骨桥部分通过缺损。术后8周，空白对照组大鼠缺损区中心有较多针状骨结构，边缘存在骨桥结构。G1、G2、G4组大鼠骨桥部分通过缺损，G3组大鼠骨桥通过缺损最长点。术后12周，模型组大鼠骨桥部分通过缺损，而G1、G2、G3、G4各组大鼠骨桥均通过了缺损最长点，而G3、G4组密度更接近于周围的骨组织，尤其是G3组，95%以上区域已成骨，部分缺损边界已显示不清。 定量分析通过三维重建软件测算出各组大鼠缺损部位的成骨体积，如图3所示。各组大鼠成骨体积在4周，8周，12周时都与空白对照组有显著性差异（P0.05），并且在各个时间点，G3组（pMC 1:10）矿化胶原基颅骨修复材料较G1、G2、G4组成骨体积更多，差异有统计学意义（P0.05）。 图4 Micro-CT重构的矢状位结果 术后各组大鼠Micro-CT正中矢状位影像如图4所示。术后4周，空白对照组缺损区边缘极少量点状高密度影，各实验组缺损区密度均匀增高，颅骨内面靠近硬膜一侧密度较对侧增高更明显。术后8周，空白对照组缺损区可见少量片状密度增高影，各实验组缺损区出现较大面积条状或片状密度增高影，且密度与周围骨质相近。术后12周，空白对照组可见条状密度增高影，各实验组缺损区域密度升高影面积较前明显增加，尤其是G3、G4组，缺损区大部分已被高密度影所占据，且密度和周围正常骨质非常相似。 图5 缺损区组织HE染色 图5所示为术后各组大鼠颅骨正中矢状位石蜡切片HE染色结果，新生成骨被染成密度均匀的粉红色。可以看到4周时，缺损区仅少量点状成骨，各实验组缺损区材料内部可见较密集的斑片状新生成骨。术后8周，对照组新生成骨较少，各实验组新生成骨由斑片状连接成长条状，部分跨越缺损区，新生成骨位于颅骨内侧面硬膜外层。术后12周，对照组缺损区可见部分条状新生成骨，各实验组材料内部和边缘皆有新骨形成，可观察到明显的骨小梁结构，尤其是G3组材料几乎完全降解，大部分被新生的自体骨结构所替代，尤其是靠近硬膜一侧，新生骨结构已与周围正常骨的结构相同。 总结与讨论 本部分研究采用大鼠颅骨临界骨缺损动物模型评价了不同溶剂配比的矿化胶原颅骨修复材料在体内的成骨性能。从影像学、组织学不同角度观察了材料诱导骨长入的过程，并进行了定量分析，筛选出成骨性能和力学强度达到最佳平衡的骨材料溶剂配比，既可以保证一定的力学强度，并且诱导成骨作用最好，为进一步颅骨修复材料的研发奠定了基础。 文献题目：《Tuning pore features of mineralized collagen/PCL scaffolds for cranial bone regeneration in a rat model》使用仪器：岛津5SMX-90CTPlus-1909第一作者：王硕原文链接：https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.110186 声明 1、文章来源：Materials Science & Engineering C2、因篇幅有限，仅显示第一作者。3、本文不提供文献原文，如有需要请自行前往原文链接查看。4、所引用文献仅供读者研究和学习参考，不得用于其他营利性活动。

记者22日从黑龙江省卫生厅获悉，由黑龙江省疾病控制中心专家新近完成的一项科研课题，在国内外首次系统地揭示了三聚氰胺引发动物肾损伤的发病机理、病变特点、肾脏结晶体形成的条件。研究结果为相关部门对三聚氰胺风险评估、制定食品和饲料中三聚氰胺的安全管理限量值提供了重要科学依据。该成果近日获得2009年度黑龙江省医药卫生科技进步一等奖。　　因三聚氰胺并非食品添加剂，国内外对三聚氰胺毒性研究资料掌握甚少，对三聚氰胺所造成肾损伤的量效关系、结晶体与肾脏病理损伤的关键环节等问题也缺乏深入探讨。据此，黑龙江省疾病控制中心毒理所主任医师王玉燕等首次成功建立三聚氰胺在肾脏形成结晶的大鼠动物模型，重现了这一疾病的病变过程。该模型方法科学先进，有可重复性。研究结果揭示肾脏为三聚氰胺的毒作用靶器官。其发生机理是三聚氰胺在胃内由胃酸催化水解生成三聚氰酸，两者在肾脏再结合形成三聚氰胺—三聚氰酸结合晶体，晶体充满肾小管，使肾脏体积增大、重量增加，因管壁的挤压作用而使肾组织严重缺血，导致肾脏呈现出特征性土黄色沙石样的外观。　　观察结果还表明，三聚氰胺结晶体还可导致肾脏炎症反应和纤维组织增生等病理改变，进一步引发肾脏代谢功能障碍，使血中尿素氮、肌酐等含量增加，最终使实验动物发生肾衰竭。王玉燕等在研究中，首次采用X射线衍射法确定肾脏中形成的结晶体为三聚氰胺—三聚氰酸的结合晶体，进而证实摄食三聚氰胺可使肾脏中形成三聚氰胺—三聚氰酸结合晶体，此手段具有明显的创新性。　　专家评价指出，该课题填补了我国三聚氰胺毒理学研究空白，对基础医学、药学和临床医学有重要意义。