Gây mê kéo dài dẫn đến viêm thần kinh và sự loại bỏ synapse do bổ sung trung gian của viêm thần kinh và các hành vi lo âu liên quan đến rối loạn nhận thức thần kinh
Tóm tắt
Các rối loạn nhận thức thần kinh ở giai đoạn phẫu thuật (PND) với tỷ lệ cao thường xuyên xảy ra ở bệnh nhân phẫu thuật cao tuổi, có liên quan chặt chẽ đến sự độc hại thần kinh do gây mê kéo dài. Căn nguyên bệnh lý thần kinh của sự độc hại do gây mê vẫn còn mơ hồ.
Gây mê kéo dài bằng sevoflurane được sử dụng để thiết lập mô hình động vật độc hại thần kinh do sevoflurane (SIN). Các bài kiểm tra như mê cung nước Morris, mê cung nâng cao và bài kiểm tra trường mở được áp dụng để theo dõi hành vi nhận thức và hành vi lo âu ở chuột SIN. Chúng tôi đã điều tra căn cứ bệnh lý thần kinh của SIN thông qua các kỹ thuật như phân tích biểu hiện gen, điện sinh lý, sinh học phân tử, kính hiển vi điện tử quét, nhuộm Golgi, xét nghiệm TUNEL, và phân tích hình thái. Công việc của chúng tôi làm rõ hơn cơ chế bệnh lý của SIN bằng cách tiêu diệt vi mô thần kinh, ức chế viêm thần kinh và trung hòa C1q.
Nghiên cứu này cho thấy rằng gây mê kéo dài kích hoạt con đường viêm NF-κB, viêm thần kinh, ức chế khả năng kích thích thần kinh, rối loạn nhận thức, và các hành vi giống lo âu. Sequencing RNA cho thấy rằng các gen của các loại synapse khác nhau giảm biểu hiện sau gây mê kéo dài. Sự di chuyển, kích hoạt và thực bào của vi mô thần kinh được gia tăng. Cũng đã quan sát thấy sự thay đổi hình thái vi mô thần kinh. C1qa, khởi đầu của chuỗi bổ sung, và C3 đều gia tăng, và việc đánh dấu synapse của C1qa cũng tăng. Sau đó, chúng tôi phát hiện rằng con đường bổ sung "Ăn tôi" đã trung gian hóa sự nhậm synapse của vi mô thần kinh trong hồi hải mã sau khi gây mê kéo dài. Sau đó, synapse đã bị mất một cách đáng kể trong hồi hải mã. Hơn nữa, các mỏm nhánh giảm và các gen của chúng cũng giảm biểu hiện. Sự tiêu diệt vi mô thần kinh cải thiện sự kích hoạt của viêm thần kinh và bổ sung và cứu vãn sự mất synapse, rối loạn nhận thức, và các hành vi giống lo âu. Khi ức chế viêm thần kinh hoặc trung hòa C1q xảy ra, bổ sung cũng giảm và sự loại bỏ synapse bị gián đoạn.
Những phát hiện này minh họa rằng gây mê kéo dài đã kích hoạt viêm thần kinh và việc nhậm synapse trung gian bởi bổ sung có vai trò bệnh lý gây ra sự loại bỏ synapse trong SIN. Chúng tôi đã chứng minh các căn nguyên bệnh lý thần kinh của SIN, điều này có liên quan trực tiếp đến điều trị cho bệnh nhân PND.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Xu L, Guo Y, Wang G, Sun G, Sun W, Li J, Li X, Wu J, Zhang M. Inhibition of adult hippocampal neurogenesis plays a role in sevoflurane-induced cognitive impairment in aged mice through brain-derived neurotrophic factor/tyrosine receptor kinase B and neurotrophin-3/tropomyosin receptor kinase C pathways. Front Aging Neurosci. 2022;14:782932.
Wang Y, Qian M, Qu Y, Yang N, Mu B, Liu K, Yang J, Zhou Y, Ni C, Zhong J, et al. Genome-wide screen of the hippocampus in aged rats identifies mitochondria, metabolism and aging processes implicated in sevoflurane anesthesia. Front Aging Neurosci. 2020;12:122.
Miller D, Lewis SR, Pritchard MW, Schofield-Robinson OJ, Shelton CL, Alderson P, Smith AF. Intravenous versus inhalational maintenance of anaesthesia for postoperative cognitive outcomes in elderly people undergoing non-cardiac surgery. Cochrane Database Syst Rev. 2018;8(8):Cd012317.
Shao A, Fei J, Feng S, Weng J. Chikusetsu saponin IVa alleviated sevoflurane-induced neuroinflammation and cognitive impairment by blocking NLRP3/caspase-1 pathway. Pharmacol Rep. 2020;72(4):833–45.
Lv G, Li C, Wang W, Li N, Wang K. Silencing SP1 alleviated sevoflurane-induced POCD development via cholinergic anti-inflammatory pathway. Neurochem Res. 2020;45(9):2082–90.
Li L, Zhou R, Lv H, Song L, Xue X, Wu L. Inhibitive effect of luteolin on sevoflurane-induced neurotoxicity through activation of the autophagy pathway by HMOX1. ACS Chem Neurosci. 2021;12(18):3314–22.
Yang ZY, Yuan CX. IL-17A promotes the neuroinflammation and cognitive function in sevoflurane anesthetized aged rats via activation of NF-κB signaling pathway. BMC Anesthesiol. 2018;18(1):147.
Peng S, Li P, Liu P, Yan H, Wang J, Lu W, Liu C, Zhou Y. Cistanches alleviates sevoflurane-induced cognitive dysfunction by regulating PPAR-γ-dependent antioxidant and anti-inflammatory in rats. J Cell Mol Med. 2020;24(2):1345–59.
Hong S, Beja-Glasser VF, Nfonoyim BM, Frouin A, Li S, Ramakrishnan S, Merry KM, Shi Q, Rosenthal A, Barres BA, et al. Complement and microglia mediate early synapse loss in Alzheimer mouse models. Science. 2016;352(6286):712–6.
Lui H, Zhang J, Makinson SR, Cahill MK, Kelley KW, Huang HY, Shang Y, Oldham MC, Martens LH, Gao F, et al. Progranulin deficiency promotes circuit-specific synaptic pruning by microglia via complement activation. Cell. 2016;165(4):921–35.
Wang C, Yue H, Hu Z, Shen Y, Ma J, Li J, Wang XD, Wang L, Sun B, Shi P, et al. Microglia mediate forgetting via complement-dependent synaptic elimination. Science. 2020;367(6478):688–94.
Elmore MR, Najafi AR, Koike MA, Dagher NN, Spangenberg EE, Rice RA, Kitazawa M, Matusow B, Nguyen H, West BL, et al. Colony-stimulating factor 1 receptor signaling is necessary for microglia viability, unmasking a microglia progenitor cell in the adult brain. Neuron. 2014;82(2):380–97.
Linker KE, Gad M, Tawadrous P, Cano M, Green KN, Wood MA, Leslie FM. Microglial activation increases cocaine self-administration following adolescent nicotine exposure. Nat Commun. 2020;11(1):306.
Nemeth CL, Glasper ER, Harrell CS, Malviya SA, Otis JS, Neigh GN. Meloxicam blocks neuroinflammation, but not depressive-like behaviors, in HIV-1 transgenic female rats. PLoS One. 2014;9(10):e108399.
Xu F, Wang Y, Han L, Deng D, Ding Y, Ma L, Zhang Q, Chen X. PEX5R/Trip8b-HCN2 channel regulating neuroinflammation involved in perioperative neurocognitive disorders. Cell Biosci. 2022;12(1):156.
Wang M, Zuo Y, Li X, Li Y, Thirupathi A, Yu P, Gao G, Zhou C, Chang Y, Shi Z. Effect of sevoflurane on iron homeostasis and toxicity in the brain of mice. Brain Res. 2021;1757:147328.
Zhang Q, Li Y, Bao Y, Yin C, Xin X, Guo Y, Gao F, Huo S, Wang X, Wang Q. Pretreatment with nimodipine reduces incidence of POCD by decreasing calcineurin mediated hippocampal neuroapoptosis in aged rats. BMC Anesthesiol. 2018;18(1):42.
Shi Y, Manis M, Long J, Wang K, Sullivan PM, Remolina Serrano J, Hoyle R, Holtzman DM. Microglia drive APOE-dependent neurodegeneration in a tauopathy mouse model. J Exp Med. 2019;216(11):2546–61.
Jin WN, Shi SX, Li Z, Li M, Wood K, Gonzales RJ, Liu Q. Depletion of microglia exacerbates postischemic inflammation and brain injury. J Cereb Blood Flow Metab. 2017;37(6):2224–36.
Gupta YK, Chaudhary G, Sinha K. Enhanced protection by melatonin and meloxicam combination in a middle cerebral artery occlusion model of acute ischemic stroke in rat. Can J Physiol Pharmacol. 2002;80(3):210–7.
Bromley-Brits K, Deng Y, Song W. Morris water maze test for learning and memory deficits in Alzheimer's disease model mice. J Vis Exp. 2011;53:2920.
Moradi Vastegani S, Hajipour S, Sarkaki A, Basir Z, Parisa Navabi S, Farbood Y, Khoshnam SE. Curcumin mitigates lipopolysaccharide-induced anxiety/depression-like behaviors, blood-brain barrier dysfunction and brain edema by decreasing cerebral oxidative stress in male rats. Neurosci Lett. 2022;782:136697.
Han L, Zhao S, Xu F, Wang Y, Zhou R, Huang S, Ding Y, Deng D, Mao W, Chen X. Sevoflurane increases hippocampal theta oscillations and impairs memory via TASK-3 Channels. Front Pharmacol. 2021;12:728300.
Xu F, Zhang G, Yin J, Zhang Q, Ge MY, Peng L, Wang S, Li Y. Fluoxetine mitigating late-stage cognition and neurobehavior impairment induced by cerebral ischemia reperfusion injury through inhibiting ERS-mediated neurons apoptosis in the hippocampus. Behav Brain Res. 2019;370:111952.
Xu F, Ma R, Zhang G, Wang S, Yin J, Wang E, Xiong E, Zhang Q, Li Y. Estrogen and propofol combination therapy inhibits endoplasmic reticulum stress and remarkably attenuates cerebral ischemia-reperfusion injury and OGD injury in hippocampus. Biomed Pharmacother. 2018;108:1596–606.
Milosević NT, Ristanović D. The Sholl analysis of neuronal cell images: semi-log or log-log method? J Theor Biol. 2007;245(1):130–40.
Ferreira TA, Blackman AV, Oyrer J, Jayabal S, Chung AJ, Watt AJ, Sjöström PJ, van Meyel DJ. Neuronal morphometry directly from bitmap images. Nat Methods. 2014;11(10):982–4.
Otxoa-de-Amezaga A, Miró-Mur F, Pedragosa J, Gallizioli M, Justicia C, Gaja-Capdevila N, Ruíz-Jaen F, Salas-Perdomo A, Bosch A, Calvo M, et al. Microglial cell loss after ischemic stroke favors brain neutrophil accumulation. Acta Neuropathol. 2019;137(2):321–41.
Soltys Z, Orzylowska-Sliwinska O, Zaremba M, Orlowski D, Piechota M, Fiedorowicz A, Janeczko K, Oderfeld-Nowak B. Quantitative morphological study of microglial cells in the ischemic rat brain using principal component analysis. J Neurosci Methods. 2005;146(1):50–60.
Pasing Y, Fenton CG, Jorde R, Paulssen RH. Changes in the human transcriptome upon vitamin D supplementation. J Steroid Biochem Mol Biol. 2017;173:93–9.
Androsova G, Krause R, Winterer G, Schneider R. Biomarkers of postoperative delirium and cognitive dysfunction. Front Aging Neurosci. 2015;7:112.
Madore C, Yin Z, Leibowitz J, Butovsky O. Microglia, lifestyle stress, and neurodegeneration. Immunity. 2020;52(2):222–40.
Aguzzi A, Barres BA, Bennett ML. Microglia: scapegoat, saboteur, or something else? Science. 2013;339(6116):156–61.
Paolicelli RC, Bolasco G, Pagani F, Maggi L, Scianni M, Panzanelli P, Giustetto M, Ferreira TA, Guiducci E, Dumas L, et al. Synaptic pruning by microglia is necessary for normal brain development. Science. 2011;333(6048):1456–8.
Pinto B, Morelli G, Rastogi M, Savardi A, Fumagalli A, Petretto A, Bartolucci M, Varea E, Catelani T, Contestabile A, et al. Rescuing over-activated microglia restores cognitive performance in juvenile animals of the Dp(16) mouse model of down syndrome. Neuron. 2020;108(5):887-904.e12.
Subbarayan MS, Joly-Amado A, Bickford PC, Nash KR. CX3CL1/CX3CR1 signaling targets for the treatment of neurodegenerative diseases. Pharmacol Ther. 2022;231:107989.
Meucci O, Fatatis A, Simen AA, Miller RJ. Expression of CX3CR1 chemokine receptors on neurons and their role in neuronal survival. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000;97(14):8075–80.
Presumey J, Bialas AR, Carroll MC. Complement system in neural synapse elimination in development and disease. Adv Immunol. 2017;135:53–79.
Vasek MJ, Garber C, Dorsey D, Durrant DM, Bollman B, Soung A, Yu J, Perez-Torres C, Frouin A, Wilton DK, et al. A complement-microglial axis drives synapse loss during virus-induced memory impairment. Nature. 2016;534(7608):538–43.
Shi Q, Colodner KJ, Matousek SB, Merry K, Hong S, Kenison JE, Frost JL, Le KX, Li S, Dodart JC, et al. Complement C3-deficient mice fail to display age-related hippocampal decline. J Neurosci. 2015;35(38):13029–42.
Cornell J, Salinas S, Huang HY, Zhou M. Microglia regulation of synaptic plasticity and learning and memory. Neural Regen Res. 2022;17(4):705–16.
Gomez-Arboledas A, Acharya MM, Tenner AJ. The role of complement in synaptic pruning and neurodegeneration. Immunotargets Ther. 2021;10:373–86.
Werneburg S, Jung J, Kunjamma RB, Ha SK, Luciano NJ, Willis CM, Gao G, Biscola NP, Havton LA, Crocker SJ, et al. Targeted complement inhibition at synapses prevents microglial synaptic engulfment and synapse loss in demyelinating disease. Immunity. 2020;52(1):167-82.e7.
Neniskyte U, Gross CT. Errant gardeners: glial-cell-dependent synaptic pruning and neurodevelopmental disorders. Nat Rev Neurosci. 2017;18(11):658–70.
Gunner G, Cheadle L, Johnson KM, Ayata P, Badimon A, Mondo E, Nagy MA, Liu L, Bemiller SM, Kim KW, et al. Sensory lesioning induces microglial synapse elimination via ADAM10 and fractalkine signaling. Nat Neurosci. 2019;22(7):1075–88.
Stevens B, Allen NJ, Vazquez LE, Howell GR, Christopherson KS, Nouri N, Micheva KD, Mehalow AK, Huberman AD, Stafford B, et al. The classical complement cascade mediates CNS synapse elimination. Cell. 2007;131(6):1164–78.
Li Q, Zhang X, Li S, Li W, Teng Y, Zhou Y, Xiong H. Carnosol alleviates sevoflurane-induced cognitive dysfunction by mediating NF-κB pathway in aged rats. Drug Dev Res. 2022;83(6):1342–50.
Fang P, Chen C, Zheng F, Jia J, Chen T, Zhu J, Chang J, Zhang Z. NLRP3 inflammasome inhibition by histone acetylation ameliorates sevoflurane-induced cognitive impairment in aged mice by activating the autophagy pathway. Brain Res Bull. 2021;172:79–88.
Zhu R, Zeng S, Li N, Fu N, Wang Y, Miao M, Yang Y, Sun M, Zhang J. Sevoflurane exposure induces neurotoxicity by regulating mitochondrial function of microglia due to NAD insufficiency. Front Cell Neurosci. 2022;16:914957.
Druart M, Le Magueresse C. Emerging roles of complement in psychiatric disorders. Front Psychiatry. 2019;10:573.
Manabe T, Rácz I, Schwartz S, Oberle L, Santarelli F, Emmrich JV, Neher JJ, Heneka MT. Systemic inflammation induced the delayed reduction of excitatory synapses in the CA3 during ageing. J Neurochem. 2021;159(3):525–42.
Bodea LG, Wang Y, Linnartz-Gerlach B, Kopatz J, Sinkkonen L, Musgrove R, Kaoma T, Muller A, Vallar L, Di Monte DA, et al. Neurodegeneration by activation of the microglial complement-phagosome pathway. J Neurosci. 2014;34(25):8546–56.
Alawieh A, Chalhoub RM, Mallah K, Langley EF, York M, Broome H, Couch C, Adkins D, Tomlinson S. Complement drives synaptic degeneration and progressive cognitive decline in the chronic phase after traumatic brain injury. J Neurosci. 2021;41(8):1830–43.
Krukowski K, Grue K, Becker M, Elizarraras E, Frias ES, Halvorsen A, Koenig-Zanoff M, Frattini V, Nimmagadda H, Feng X, et al. The impact of deep space radiation on cognitive performance: from biological sex to biomarkers to countermeasures. Sci Adv. 2021;7(42):eabg6702.
Rice RA, Spangenberg EE, Yamate-Morgan H, Lee RJ, Arora RP, Hernandez MX, Tenner AJ, West BL, Green KN. Elimination of microglia improves functional outcomes following extensive neuronal loss in the hippocampus. J Neurosci. 2015;35(27):9977–89.
Dang DD, Saiyin H, Yu Q, Liang WM. Effects of sevoflurane preconditioning on microglia/macrophage dynamics and phagocytosis profile against cerebral ischemia in rats. CNS Neurosci Ther. 2018;24(6):564–71.
Dai J, Li X, Wang C, Gu S, Dai L, Zhang J, Fan Y, Wu J. Repeated neonatal sevoflurane induced neurocognitive impairment through NF-κB-mediated pyroptosis. J Neuroinflammation. 2021;18(1):180.
Wang F, Li C, Shao J, Ma J. Sevoflurane induces inflammation of microglia in hippocampus of neonatal rats by inhibiting Wnt/β-Catenin/CaMKIV pathway. J Pharmacol Sci. 2021;146(2):105–15.
Pei Z, Wang S, Li Q. Sevoflurane suppresses microglial M2 polarization. Neurosci Lett. 2017;655:160–5.
Brás JP, Bravo J, Freitas J, Barbosa MA, Santos SG, Summavielle T, Almeida MI. TNF-alpha-induced microglia activation requires miR-342: impact on NF-kB signaling and neurotoxicity. Cell Death Dis. 2020;11(6):415.
Restin T, Kajdi ME, Schläpfer M, Roth Z’graggen B, Booy C, Dumrese C, Beck-Schimmer B. Sevoflurane protects rat brain endothelial barrier structure and function after hypoxia-reoxygenation injury. PLoS One. 2017;12(10):e0184973.
Acharya NK, Goldwaser EL, Forsberg MM, Godsey GA, Johnson CA, Sarkar A, DeMarshall C, Kosciuk MC, Dash JM, Hale CP, et al. Sevoflurane and Isoflurane induce structural changes in brain vascular endothelial cells and increase blood-brain barrier permeability: possible link to postoperative delirium and cognitive decline. Brain Res. 2015;1620:29–41.