The Effect of Probiotics on the Expression of Aβ and the Protective Effect of Neurons in Rats with Cerebral Ischemia-Reperfusion Injury
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摘要:
目的 探讨益生菌干预对脑缺血再灌注损伤大鼠脑组织Aβ表达的影响及神经元的保护作用。 方法 实验动物为雄性Sprague-Dawley大鼠，随机分为4组，各组n = 12：假手术组、模型组、益生菌组、依达拉奉组。假手术组仅分离颈总动脉，其余各组使用线拴法建立脑缺血再灌注模型。脑损伤程度使用神经行为学评分评估；大鼠脑组织梗死面积使用TTC染色观察；大鼠大脑海马CA1区与皮层区神经元病理形态学改变特征使用HE染色观察；Aβ蛋白的表达使用免疫组化实验检测。 结果 模型组相较假手术组，神经行为学评分升高（P < 0.05），脑梗死面积增加（P < 0.05），海马CA1区与皮层区神经元出现损伤，Aβ蛋白表达显著上调（P < 0.001，P < 0.05）；益生菌组、依达拉奉组与模型组相比，神经行为学评分降低（P < 0.05），脑梗死面积减小（P < 0.05），海马CA1区与皮层区神经元损伤减轻，Aβ蛋白表达水平在两组中均显著下调（P < 0.001，P < 0.05）；依达拉奉组改善更为明显。 结论 益生菌干预可下调Aβ蛋白的表达，减轻脑缺血再灌注大鼠脑组织损伤、发挥神经元保护作用。 Abstract:Objective To explore the effect of probiotics interventionon of the expression of Aβ in rats with cerebral ischemia-reperfusion and the protective effect of neurons. Methods Male SD rats were selected as the experimental animals and randomly divided into Sham Group, Model Group, Probiotics Group and Edaravone Group. The common carotid artery was separated only to the Sham Group While a cerebral ischemia-reperfusion model was eatablished to the other groups. The degree of brain injury was evaluated using neurobehavioral scoring; The infarct area of rat brain tissue was observed using TTC staining; HE staining was used to observe the pathological and morphological changes of neurons in the CA1 and cortical regions of the hippocampus in rats; The expression of Aβ proteins was detected using immunohistochemistry experiments. Results Compared with the Sham Group, the Model Group showed an increase in neurobehavioral scores （P < 0.05）, an increase in cerebral infarction focus （P < 0.05）, neuronal damage in the hippocampal CA1 and cortical regions, and a significant upregulation of Aβ protein expression （P < 0.001, P < 0.05）; Compared with the Model Group, the Probiotics Group and Edaravone Group showed a decrease in neurobehavioral scores （P < 0.05） and a reduction in cerebral infarction focus （P < 0.05）. The Probiotic Group and the Edaravone Group showed the less neuronal damage in the hippocampal CA1 and cortical regions , and the Aβ protein expression levels were significantly down regulated in both groups （P < 0.001, P < 0.05）. The improvement was more significant in Edaravone Group. Conclusion Probiotics intervention can downregulate the expression of Aβ protein, alleviate the brain tissue damage and exert neuroprotective effects in rats with cerebral ischemia-reperfusion. -
Key words:
- Probiotics /
- Cerebral ischemia-reperfusion injury /
- β amyloid /
- Edaravone
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冠心病（coronary heart disease，CHD）作为1种严重的心血管疾病，其发病率和死亡率在全球范围内持续上升，已成为全球公共卫生领域的重要挑战。基于《中国心血管健康与疾病报告2022》[1]推算，心血管疾病发病总数达3.3亿，其中冠心病
1139 万 。近年来冠心病呈现出年轻化趋势，临床上将其发病年龄男性≤55岁、女性≤65岁的冠心病定义为早发冠心病（premature coronary heart disease，PCHD）[2]。由于PCHD发病年龄较早，给社会和家庭带来的负担尤为严重，因此，早期预测和干预PCHD显得尤为关键。血清同型半胱氨酸（homocysteine，Hcy）和高密度脂蛋白胆固醇（high density lipoprotein cholesterol，HDL-C）作为2种重要的生化指标，与CHD的发生和发展密切相关。Hcy是1种含硫氨基酸，其水平升高已被证实与多种心血管疾病的发生风险增加有关[3]。它可能通过诱导氧化应激、损伤血管内皮细胞等机制，参与冠心病的发病[4]。而高密度脂蛋白胆固醇则是1种有益的脂蛋白，其主要功能是将血管中的胆固醇转运至肝脏进行代谢，从而维持血脂平衡，防止动脉粥样硬化的发生[5]。研究表明，血清Hcy与HDL-C是冠心病发病风险的独立影响因素[6−7]，而Hcy/HDL-C比值（homocysteine / high-density lipoprotein cholesterol ratio，HHR）或许是1个更敏感的预测指标，能够更准确地预示冠心病的发生风险及预后。然而，目前尚缺乏针对HHR在早发冠心病患者中的预测作用研究。因此，本研究的目标是测定早发冠心病患者血清中的Hcy和HDL-C水平，并计算HHR，以深入研究这一比值在早发冠心病患者发病风险及短期预后不良中的预测效用，旨在为早发冠心病的早期预测和干预提供新的理论支持。
1. 材料与方法
1.1 研究对象
收集云南省第三人民医院心血管内科2022年01月至2023年12月因胸闷、胸痛及心悸就诊的拟诊冠心病患者301例（男性≤55岁、女性≤65岁）；所有患者均行冠状动脉造影（coronary arteriography，CAG）检查，分为早发冠心病（PCHD）组及非冠心病（NCHD）组。其中PCHD组98例，男性患者71例，平均（46.56±6.41）岁，女性患者27 例，平均（58.33±5.90）岁；NCHD组203例，男性患者77例，平均（45.44±8.02）岁，女性患者126例，平均（55.52±7.12）岁。对PCHD患者出院后进行为期半年的随访，出现胸闷及胸痛等临床症状加重、心律失常、心力衰竭及死亡的患者列入预后不良组，无上述情况者纳入预后良好组。其中预后良好组55例，男性患者31例，平均（47.23±4.92）岁，女性患者24 例，平均（58.50±5.94）岁；预后不良组43例，男性患者40例，平均（46.05±7.38）岁，女性患者3例，平均（57.00±6.56）岁。纳入标准[8]：（1）2022年01月至2023年12月期间初次至云南省第三人民医院的心血管内科住院患者；（2）完善入院后相关检查，包括患者基线信息、左心功能超声指标、血脂、Hcy等；（3）完善CAG检查；（4）患者的一般情况资料完整。排除标准：（1）肝肾功能严重受损的患者；（2）甲状腺功能亢进者；（3）对碘造影剂过敏的患者；（4）近期口服影响Hcy及HDL-C代谢的药物者，如叶酸、他汀类等药物；（5）严重心肺功能不全不能耐受造影手术者；（6）既往已确诊冠心病、肺部疾病、横纹肌溶解等病史的患者；（7）临床资料不齐全。所有患者检查前均签署书面检查知情同意书。本研究通过大理大学医学伦理委员会的审查与批准。
1.2 研究方法
1.2.1 血清Hcy、HDL-C检测
所有患者均在术前首次空腹状态下采集静脉血，由云南省第三人民医院检验科完成检测。
1.2.2 冠状动脉造影检查
所有入组患者均接受CAG检查，通过穿刺桡动脉方法行选择性冠脉造影，显示左冠状动脉和右冠状动脉情况，由2名高年资冠脉介入术者判断冠脉病变情况。冠心病诊断标准[9]：左主干、前降支、回旋支或右冠脉等至少1支主要血管狭窄程度达到50%及以上；冠状完全正常定义为冠脉正常组，0 < 狭窄程度 < 50%定义为轻度狭窄组，50%≤狭窄程度 < 70%定义为中度狭窄组，狭窄程度≥70%定义为重度狭窄组。
1.2.3 资料收集
收集PCHD及NCHD组患者的基线信息，包括术前首次空腹检测的甘油三酯（triglyceride，TG）、总胆固醇（total cholesterol，TC）、低密度脂蛋白（low density lipoprotein cholesterol，LDL-C）；同时收集患者左心功能超声指标，包括左心室收缩末期容积（left ventricular end-systolic volume，LVESV）、左心室舒张末期容积（left ventricular end-diastolic volume，LVEDV）、左心室搏出量（ left ventricular stroke volume，LVSV）、左心室射血分数（left ventricular ejection fractions，LVEF）；最后收集入组患者是否合并吸烟史、高血压（hypertension，HTN）、2型糖尿病（diabetes mellitus type 2，T2DM）。
1.3 统计学处理
本研究先对连续变量进行K-S检验，非正态分布的用M（P25，P75）表示，利用Mann-Whitney U检验；正态分布的用均数±标准差（$ \bar x \pm s $）表示，2组样本用t检验，多组样本间比较采用单因素方差分析（One-way ANOVA）；分类资料用例（n%）表示，利用χ2检验分析。通过Logistic回归分析PCHD发病风险及短期预后的危险因素；利用受试者操作特征曲线（receiver operating characteristic curve，ROC）分析HHR对PCHD发病风险及短期预后不良的预测价值。所有数据分析采用SPSS 27.0统计软件进行，P < 0.05则表示差异有统计学意义。利用GraphPad Prism 8.0进行绘图。
2. 结果
2.1 患者一般资料比较
与 NCHD组相比较，PCHD组男性占比明显更高，合并T2DM及吸烟者占比更大，且 PCHD组LVESV、LVEDV、LDL-C、TG、Hcy、HHR高于NCHD组，LVEF、HDL-C低于NCHD组，差异均有统计学意义（P < 0.05）。PCHD 组年龄、LVSV、TC以及是否合并HTN较NCHD 组差异均无统计学意义（P > 0.05），见表1。
表 1 NCHD组与PCHD组一般资料比较[n（%）/（$ \bar x \pm s $）/M（P25，P75）]Table 1. Comparison of general data between NCHD group and PCHD group [n（%）/（$ \bar x \pm s $）/M（P25，P75）]临床指标 NCHD组
（n = 203）PCHD组
（n = 98）t/z/χ2 P 年龄（岁） 51.70 ± 8.92 49.81 ± 8.18 1.772 0.077 性别 45.979 < 0.001* 男 77（37.93） 71（72.45） 女 126（62.07） 27（27.55） 吸烟史 26（12.81） 39（39.80） 28.432 < 0.001* 左心功能超声指标 LVESV（mL） 40（40，44） 42（40，50） −2.894 0.004* LVEDV（mL） 104（104，110） 109.5（104，120） −3.379 < 0.001* LVSV（mL） 65.25 ± 4.88 65.15 ± 7.39 0.137 0.891 LVEF（%） 63（63，65） 63（60，64） −4.898 < 0.001* 血脂 TC（mmol/L） 4.61 ± 0.99 4.86 ± 1.27 −1.841 0.067 LDL-C（mmol/L） 2.71（2.15.3.37） 2.89（2.17，3.73） −1.989 0.047* HDL-C（mmol/L） 1.18（0.99，1.37） 1.01（0.88，1.23） −3.960 < 0.001* TG（mmol/L） 1.63（1.07，2.47） 2.10（1.43，2.71） −2.565 0.100* Hcy（μmol/L） 10.5（8.5，12.9） 13.5（10.63，17.90） −5.267 < 0.001* HHR 9.37（7.07，11.56） 13.30（9.10，19.49） −5.987 < 0.001* 既往病史 HTN 100（49.26） 85（86.73） 2.776 0.096 T2DM 31（15.27） 26（26.53） 4.693 0.030* *P < 0.05。 在PCHD组中，与预后良好组相比，预后不良组男性及吸烟者比例更高，Hcy、HHR水平高于预后良好组，年龄、TG、HDL-C低于预后良好组，差异有统计学意义（P < 0.05）。预后良好组与预后不良组中LVESV、LVEDV、LVSV、LVEF、TC、LDL-C以及是否合并HTN、T2DM相比较差异均无统计学意义（P > 0.05），见表2。
表 2 PCHD组中预后良好者与预后不良者一般资料比较[n（%）/（$ \bar x \pm s $）/M（P25，P75）]Table 2. Comparison of general data of good prognosis and poor prognosis in PCHD group [n（%）/（$ \bar x \pm s $）/M（P25，P75）]临床指标 预后良好（n = 55） 预后不良（n = 43） t/z/χ2 P 年龄（岁） 52（47，59） 49（43，51） −2.984 0.003* 性别 16.248 < 0.001* 男 31（56.36） 40（93.02） 女 24（43.64） 3（6.97） 吸烟史[n（%）] 20（42.00） 27（56.25） 6.753 0.009* 左心功能超声指标 LVESV（mL） 46.78 ± 14.76 51.14 ± 20.60 −1.220 0.226 LVEDV（mL） 111.75 ± 16.03 116.56 ± 21.23 −1.279 0.204 LVSV（mL） 64.96 ± 7.27 65.40 ± 7.61 −0.286 0.776 LVEF（%） 59.71 ± 8.04 58.16 ± 11.07 0.801 0.425 血脂 TC（mmol/L） 5.11 ± 1.21 4.54 ± 1.29 2.250 0.027* LDL-C（mmol/L） 3.16 ± 1.14 2.76 ± 1.14 1.719 0.089 HDL-C（mmol/L） 1.09（0.93，1.36） 0.96（0.78，1.12） −3.240 0.001* TG（mmol/L） 2.45 ± 2.11 2.52 ± 1.45 −0.187 0.852 Hcy（μmol/L） 11.5（9.5，13.5） 17.6（13.9，28.1） −6.090 < 0.001* HHR 9.76（7.85，13.01） 19.78（14.58，33.20） −6.708 < 0.001* 既往病史 HTN 34（61.82） 34（79.07） 3.381 0.066 T2DM 12（21.82） 11（25.58） 0.190 0.663 *P < 0.05。 2.2 冠状动脉不同程度狭窄组中Hcy、HDL-C、HHR的差异
301例患者中，冠脉正常组99例， Hcy为（10.919±4.126）μmol/L，HDL-C为（1.259±0.326）mmol/L，HHR为（9.183±4.150）；轻度狭窄组104例， Hcy为（12.617±7.744）μmol/L，HDL-C为（1.156±0.322）mmol/L，HHR为（11.752±7.789）；中度狭窄组25例，Hcy为（16.121±14.222）μmol/L，HDL-C为（1.141±0.270）mmol/L，HHR为（14.668±12.565）；重度狭窄组73例，Hcy为（19.877±14.283）μmol/L，HDL-C为（1.033±0.281）mmol/L，HHR为（20.947±17.374）。重度狭窄组中Hcy、HHR水平显著高于冠脉正常组及轻、中度狭窄组，HDL-C低于冠脉正常组及轻、中度狭窄组，差异有统计学差异（P < 0.001），见表3。
表 3 冠状动脉不同程度狭窄组中Hcy、HDL-C、HHR的差异Table 3. Differences of Hcy，HDL-C and HHR in groups with different degrees of coronary artery stenosis变量 冠脉正常
（n = 99）轻度狭窄
（n = 104）中度狭窄
（n = 25）重度狭窄
（n = 73）F P Hcy 10.919 ± 4.126 12.617 ± 7.744 16.121 ± 14.222 19.877 ± 14.283 6.769 < 0.001* HDL-C 1.259 ± 0.326 1.156 ± 0.322 1.141 ± 0.270 1.033 ± 0.281 7.562 < 0.001* HHR 9.183 ± 4.150 11.752 ± 7.789 14.668 ± 12.565 20.947 ± 17.374 9.406 < 0.001* *P < 0.05。 2.3 PCHD的患病及短期预后的影响因素分析
将患者是否合并PCHD作为因变量，选取单因素分析中有统计学意义的变量，纳入性别、吸烟史、LVESV、LVEDV、LDL-C、Hcy、HHR、LVEF、HDL-C及合并T2DM等自变量进行多因素Logistic回归分析。结果显示，性别、HHR、Hcy、LDL-C以及LVEF均是早发冠心病患病的独立影响因素，见表4。
表 4 对PCHD患病的危险因素Logistic回归分析Table 4. Logistic regression analysis of risk factors for PCHD变量 β OR 95%CI P 女性 −0.892 0.410 0.222～0.756 0.004* Hcy 0.072 −0.908 0.833～0.990 0.029* HHR 0.148 1.159 1.062～1.265 < 0.001* LDL-C 0.497 1.643 1.225～2.205 < 0.001* LVEF −0.098 0.907 0.860～0.995 < 0.001* *P < 0.05。 将PCHD短期预后作为因变量，选取单因素分析中有统计学意义的变量，将性别、年龄、吸烟史、Hcy、HHR、HDL-C、TC作为自变量纳入多因素logistic回归分析中。结果显示HHR是早发冠心病短期预后不良的独立危险因素，见表5。
表 5 对PCHD短期预后不良的危险因素Logistic回归分析Table 5. Logistic regression analysis of risk factors for poor short-term prognosis of PCHD变量 β OR 95%CI P HHR 0.330 1.301 1.209～1.601 < 0.001* *P < 0.05。 2.4 血清Hcy、HDL-C、HHR在PCHD患病及短期预后的预测价值分析
采用ROC曲线评估HHR对PCHD患病的预测效果，结果显示构建 ROC曲线结果显示，血清Hcy、HHR均对PCHD的患病具有预测价值（P < 0.05），HHR的预测价值较高 （ AUC = 0.713），见图1。
采用ROC曲线评估HHR对PCHD短期预后的预测效果，结果显示：HHR对早发冠心病的短期预后具有较高的预测价值 （ AUC = 0.715），见图2。
图 2 对PCHD短期预后的预测价值ROC曲线图Figure 2. ROC curve of predictive value for short-term prognosis of PCHD3. 讨论
冠心病是1种常见的心血管疾病，其发病率逐渐上升，严重威胁人类健康[10]。PCHD由于其发病年龄趋于年轻化，对社会和家庭带来更为严重的经济和心理负担[11]。多项研究表明，Hcy和HDL-C均是早发冠心病的独立影响因素[12−13]。 因此，联合检测Hcy和HDL-C的水平，或能更准确地评估个体发生早发冠心病的风险。因此，本研究通过收集PCHD及NCHD患者的血清Hcy及HDL-C水平，并计算出HHR，探讨2组患者中Hcy、HDL-C及HHR与PCHD相关性，同时分析Hcy、HDL-C及HHR对PCHD短期预后的影响，并利用多因素Logistic回归分析出PCHD患病及短期预后独立危险因素，进一步探讨HHR对PCHD患病及短期预后的预测价值。本研究结果发现在PCHD患者中HHR水平较高，且HHR水平越高，冠脉狭窄程度越重。同时，HHR可以在一定程度预测PCHD的发生以及短期预后。
陈康等[14]发现早发冠心病组Hcy水平显著高于非早发冠心病组，荣萍萍等研究表明早发冠心病组HDL-C水平低于非早发冠心病组[9]。在本研究中，PCHD组Hcy、HHR高于NCHD组，HDL-C水平低于NCHD组，与上述研究结果一致。研究表明冠心病的长期全因死亡率及MACE风险增加与TG/HDL-C的水平升高相关[15]。本研究中发现预后不良者Hcy、HHR水平高于预后良好，HDL-C较预后良好者减低，表明了Hcy、HHR水平越高、HDL-C水平越低，PCHD患者预后越差。本研究中发现在男性≤55岁、女性≤65岁中，血清Hcy、HHR水平与冠脉狭窄程度呈正相关，HDL-C与冠脉狭窄程度呈负相关。Wu You等[16]发现Hcy与冠脉狭窄程度成正相关。与本研究结果一致。多项研究表明男性、LDL-C、Hcy及LVEF均是早发冠心病的独立影响因素[17−19]。本研究对PCHD患病的危险因素进行二元Logistic回归分析，性别、HHR、Hcy、LDL-C以及LVEF均是早发冠心病患病的独立影响因素；HHR是PCHD短期预后不良的独立危险因素。Li Xiaoxia 研究团队发现非ST段抬高型急性冠脉综合征患者血清谷氨酰基转移酶、Hcy水平加重了冠状动脉病变，同时也是预后不良的独立预测因子[20]。Magnoni Marco等[21]发现冠心病患者的HDL-C水平显著降低，并且与冠脉狭窄程度及预后显著相关。综上研究可以发现Hcy及HDL-C与冠心病的发生和预后、冠脉狭窄程度密切相关。本研究构建ROC曲线分析，发现HHR对早发冠心病的发生及短期预后的均有较高的预测价值。
Hcy水平升高与冠心病的发生和发展密切相关。研究表明Hcy可能通过3种途径促进冠心病的进展：（1）Hcy可通过损伤血管内皮细胞，降低一氧化氮和前列环素的生成，这两种物质均为内源性血管扩张剂，从而导致血管内皮功能障碍[22]；（2）Hcy通过诱导内皮细胞的炎症反应，激活核转录因子κB（NF-κB），进而释放多种炎症因子，如白介素-6（IL-6）、白介素-8（IL-8）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α），进一步加剧血管内皮的损伤[4]；（3）Hcy还能直接促进血管外膜的动脉粥样硬化 [22]。而HDL-C是被大家公认的抗动脉粥样硬化因子，可通过反向运输胆固醇，减轻血管内皮氧化及炎症反应以及抗血栓等途径改善动脉粥样硬化[23]。当然，也有研究表明HDL-C与CHD的发生及预后并非单调关系，而是1种U型关系，过高的HDL-C也会增加CHD的患病率和死亡率[24]。
综上所述，本研究发现HHR可作为预测PCHD发生及短期预后的1项重要指标，HHR水平越高，PCHD患者冠脉狭窄程度越重。HHR作为临床常用检测指标的比值，具有检测方便、数据稳定、普及性好等优点，通过监测HHR，临床上可以更加准确地评估PCHD的发病风险及短期预后，为早期干预和治疗提供更有效的临床策略。
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图 1 各组大鼠脑组织梗死灶
A：假手术组；B：模型组；C：益生菌组；D：依达拉奉组。
Figure 1. Cerebral infarction focus of rats in each group
图 2 各组大鼠大脑海马CA1区与皮层区神经元病理形态学改变（×400）
A～D：大鼠海马CA1区神经元病理形态学改变；E～H：大鼠皮层区神经元病理形态学改变。
Figure 2. Pathological and morphological changes of neurons in the hippocampus CA1 and cortical regions of rats in each group （×400）
图 3 各组大鼠大脑海马CA1区与皮层区Aβ蛋白的表达
A～D：大鼠海马CA1区神经元Aβ蛋白表达情况；E～H：大鼠皮层区神经元Aβ蛋白表达情况。
Figure 3. Expression of Aβ protein in the hippocampal CA1 and cortical regions of rats in each group
图 4 各组大鼠大脑海马CA1区与皮层区Aβ蛋白的表达比较
A：大鼠大脑海马CA1区Aβ蛋白的表达统计图；B：大鼠大脑皮层区Aβ蛋白的表达统计图与模型组比较，**P < 0.05，****P < 0.001。
Figure 4. Comparison of protein expression in the hippocampal CA1 and cortical regions of rats in each groups
表 1 Zea Longa 5 级评分法评分标准
Table 1. Zea longa grade 5 scoring method scoring standard
评分 表现 0 无神经损害症状 1 梗死侧对侧前肢和前爪不能完全伸展 2 不能正常行走，行走时向梗死侧旋转 3 行走时向梗死对侧倾倒 4 无法行走和意识障碍 
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表 2 各组大鼠神经行为学评分[（$ \bar x \pm s $），分]
Table 2. Neurobehavioral scores of rats in each group[ （$ \bar x \pm s $），points]
分组 n 神经行为学评分 假手术组 12 0±0* 模型组 12 3.51±0.41 益生菌组 12 2.53±0.41* 依达拉奉组 12 2.27±0.20* 与模型组比较，*P < 0.05。
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表 3 各组大鼠脑组织梗死灶体积的比较[（$ \bar x \pm s$）%]
Table 3. Comparison of cerebral infarction focus volume of rats in each group [（$ \bar x \pm s$）%]
分组 n 脑梗死体积百分比 假手术组 3 0±0* 模型组 3 21.56±2.24 益生菌组 3 9.48±1.43* 依达拉奉组 3 6.99±1.32* 与模型组比较，*P < 0.05。
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