GSK-3β/β-catenin信号通路介导七氟烷麻醉导致POCD的分子机制研究

Postoperative Cognitive Dysfunction (POCD) is a common complication of general anesthesia in elderly patients which manifests memory loss or even causes dementia. Researches show that activation of hippocampal Glycogen synthase Kinase-3β (GSK-3β) leads to neurotoxicity and over-phosphorylation of tau protein reproducing hallmark pathologies of Alzheimer`s Disease. Our previous study revealed that sevoflurane down-regulates β-catenin expression through activating GSK-3β and further causes long-term memory loss. Thus, we hypothesize that GSK-3β/β-catenin signaling participates in sevoflurane induced POCD and AD pathology. In this proposal, we are going to modify the activation of GSK-3β/β-catenin signaling in vitro and in vivo via using GSK-3β specific inhibitor(s) and/or overexpressing of β-catenin by lentivirus, and assess the effect of sevoflurane anesthesia on hippocampus-dependent memory formation, neuronal apoptosis, synaptic function, Aβ oligomerization and tau protein over-phosphorylation. Our aim is to identify the mechanism of sevoflurane induced POCD and its common features with AD in order to provide potential drug target for POCD and AD treatment.

术后认知功能障碍（POCD）是老年患者的常见全麻并发症，主要表现为记忆缺失，直至痴呆。既往研究表明海马糖原合酶激酶-3β（Glycogen synthase Kinase-3β, GSK-3β）激活导致Aβ诱导的神经毒性及tau蛋白过度磷酸化等阿尔茨海默病（AD）病理特征。此外，我们前期研究发现七氟烷通过激活海马 GSK-3β，进而下调β-catenin表达导致长期记忆缺失。因此，我们假设GSK-3β/β-catenin通路可能同时介导了七氟烷导致的POCD及AD病理变化。本课题拟采用GSK-3β特异性抑制剂或慢病毒转染β-catenin质粒，分别从整体水平、细胞水平以及分子水平上观察七氟醚麻醉下大鼠海马依赖的记忆形成、神经元细胞凋亡、神经突触功能以及不同脑区的Aβ寡聚化及tau蛋白过度磷酸化。探讨七氟烷麻醉导致的POCD是否与AD具有共同的分子机制，为防治POCD及AD提供药物新靶点。

随着手术和麻醉技术的进步，以及术前风险评估的完善，使得术后严重并发症的发生率更低，然而对于如何从围术期应激中有效保护大脑仍是围术期并发症防治的重要挑战。通过一系列神经心理测试检测到的术后持久性认知衰退称为术后认知功能障碍(POCD)。年龄是导致 POCD 的主要危险因素，但全身麻醉暴露也可能是一个潜在的致病因素。阿尔茨海默症(AD)是引起老年痴呆的主要病因。POCD的早期表现与AD相似，因此我们假设了全身麻醉是否能加速AD的发展，两者之间是否有共同的机制。为此我们使用了APP/PS1的AD模型小鼠来研究七氟烷的暴露是否能够促进AD的进展。通过使用不同浓度的七氟烷暴露，我们发现3%七氟烷暴露7天后小鼠的空间记忆明显受损，说明3%七氟烷能损害AD小鼠的认知功能。接下来我们通过分子实验检测了AD相关指标的变化，发现3%七氟烷暴露24小时后Aβ斑块数量和面积、Aβ40、APP、β-CTF水平都有明显增加。同时发现七氟烷损害了自噬的降解，这种作用能被自噬激活剂雷帕霉素所逆转。同时在细胞实验中我们发现氧化石墨烯纳米颗粒(GO)可以有效减少β-CTF、Aβ40和Aβ42水平，增加APP向溶酶体递送降解从而改善POCD。另一种全身麻醉剂丙泊酚通过GABAA受体降低胆碱能神经元的兴奋性，全身给予丙泊酚能损害麻醉后记忆恢复，这可能是由于GSK3β所介导的。我们的研究首先证实了3%浓度的七氟烷暴露可以加速AD的进展，这可能是由于损害了自噬功能所引起的，通过促进自噬流可以改善小鼠术后的认知功能。我们创新性在麻醉领域应用了纳米材料，证实了其对POCD模型小鼠认知功能有一定改善作用。本研究结果对于阐明七氟烷与AD的关系有一定的科学意义，增大的溶酶体可能是预测和诊断麻醉药神经毒性的新标志，可能会为临床上预防或治疗 POCD 提供新的方法。