基于心-脑神经"对话"的中枢调控心肌缺血再灌注损伤多层次表征研究

Myocardial ischemia-reperfusion injury should cause the network disorder of spinal cord and brain function. Researches on mechanism of heart-brain neural crosstalk have given us attractive prospects for the treatment of cardiac disorders in recent years. It is important to study the multi-level characterization of central neuronal regulation for myocardial ischemia-reperfusion injury; however, there are few studies on heart neural network. At first, applicants would establish three new set of myocardial ischemia-reperfusion injury models after sensory denervation, vagus denervation, and sympathetic denervation, respectively. Analysis of the metabolic kinetics parameters in different brain regions was used to study the change of the functional network, and systemically screening the key brain regions after sensory denervation, vagus denervation, and sympathetic denervation. Then the structural input and output networks of the key brain regions were mapped using various neurotropic virus circuitry tracing tools. With the combination of the technologies of proteomics and metabolomics, microdialysis, tissue clearing, laser scanning confocal microscopy and three-dimensional reconstruction, the effects of central neuronal regulation for myocardial ischemia-reperfusion injury were multi-levelly characterized. Based on the heart-brain neural network, this project gradually provides scientific evidences for prevention and treatment of myocardial ischemia-reperfusion injury.

心肌缺血再灌注损伤会引起脊髓和脑功能网络紊乱，近年来心-脑“对话”机制成为国内外干预心脏疾病的研究热点。虽然基于心-脑神经网络水平研究中枢调控心肌缺血再灌注损伤多层次表征具有重要意义，但相关研究甚少。申请者分别建立去感觉神经、去迷走神经和去交感神经支配心脏的心肌缺血再灌注损伤大鼠的新模型。拟运用不同脑区代谢动力学参数研究上述去神经心脏模型的心肌缺血再灌注损伤后全脑代谢功能网络变化，确定相关的关键靶点；嗜神经病毒环路标记技术确定相关靶点的输入输出网络，有机整合蛋白质组学、代谢组学、微透析技术以及组织透明化和中枢三维成像技术对中枢调控心肌缺血再灌注损伤进行多层次表征研究。该项目基于心脑神经网络研究，为心肌缺血再灌注损伤的预防和治疗提供可借鉴的科学依据。

心脏手术患者围术期常并发心肌缺血再灌注损伤（myocardial ischemia reperfusion injury，MIRI），进而影响手术疗效和预后。心脏受交感和副交感神经的双重调控，激活交感神经可加重心肌损伤。SD大鼠（6~8 w，200~250 g），随机分为6组，即Sham组(假手术组)、SD组（去交感神经组）、V组（去迷走神经组）、IR组（心肌缺血再灌注损伤组）、SD_IR组（SD+IR组）和V_IR组（V+IR组），制备去交感/迷走神经干预MIRI大鼠模型。通过1H-13C NMR代谢组学技术和16S rRNA基因测序技术探索大鼠不同脑区小分子代谢物和肠道菌群的变化，通过Spearman相关性系数分析研究肠道菌群与脑小分子代谢物之间的相关性。结果显示去交感神经后，MIRI大鼠心肌损伤减轻，去迷走神经后心肌损伤加重。去交感/迷走神经干预MIRI后，大鼠脑代谢物水平显著改变，且差异代谢物的13C富集有明显的区域差异。去交感神经后，SD_IR组大鼠延髓中Glu4和Asp3、丘脑中Glx3 、下丘脑中Glx2 、颞叶皮层中Glx2、额叶皮层中Glx3和NAA3、顶叶皮层中Gln4、枕叶皮层中Glx2的13C富集增多；去迷走神经后，V_IR组大鼠延髓中Glx2、中脑中Glx2、丘脑中NAA2、颞叶皮层中Asp2、额叶皮层中GABA2、Glx2、Glx3、Asp2、Asp3和NAA3、顶叶皮层中Gln4、Glx2、Glx3和Asp2、枕叶皮层中Glx2的13C富集增多，下丘脑中Glx2的13C富集减少。肠道菌群α多样性和β多样性分析发现去交感/迷走神经干预MIRI后，大鼠肠道菌群结构发生显著改变，V_IR组的肠道菌群丰富度和多样性显著降低。差异性分析结果显示在门水平，主要差异菌群为：拟杆菌门、厚壁菌门和脱硫杆菌门；在属水平，主要为拟杆菌属、乳杆菌属和梭菌属UCG.014。4、肠道菌群与脑代谢物的相关性分析发现梭菌属UCG.014的相对丰度与颞叶皮层的Glx2和枕叶皮层的Glx2呈负相关。同时，梭菌属UCG.014与血清cTnI水平呈负相关，颞叶皮层的Glx2和枕叶皮层的Glx2与血清cTnI水平呈正相关。本研究有机整合蛋白质组学、代谢组学等技术对中枢调控心肌缺血再灌注损伤进行多层次表征研究。该项目为心肌缺血再灌注损伤的预防和治疗提供可借鉴的科学依据。