线粒体自噬障碍在七氟烷引起的认知功能障碍中的作用及GABARAP-BNIP3/BNIP3L的参与机制

Sevoflurane-induced postoperative cognitive dysfunction (POCD) is well-documented in clinic practice. However its underlying mechanisms are poorly understood. Our previous works found sevoflurane-induced POCD was accompanied with autophagy impairment in rat hippocampal neurons. Rapamycin, an autophagy inducer, was found alleviated sevoflurane-induced neuronal injury in rats. Nevertheless, over-activated autophagy is deleterious to neuronal survival. Therefore, it is quite necessary to further identify the detailed mechanisms of sevoflurane-induced POCD and thus to develop the associated drug targets. Our preliminary data interestingly found that sevoflurane led to mitochondria autophagy (mitophagy) impairment, which is involved in sevoflurane-induced cell death. Sevoflurane causes the reassembling of GABA receptors which GABARAP are substantially recruited. GABARAPs are required in mitophagy process by binding with mitochondrial out membrane proteins BNIP3 or BNIP3L. We therefore hypothesized that the uncoupling of GABARAPs and BNIP3/BNIP3L is involved in sevoflurane-induced mitophagy impairment. In this study, we aimed to identify the contributions of impaired mitophagy in sevoflurane-induced POCD and further explore the involvement of GABARAP-BNIP3/BNIP3L pathway in this scenario. The current study will provide critical experimental evidences for the development of therapeutic targets against POCD.

七氟烷诱导的术后认知功能障碍(POCD)是术后常见并发症，其病理机制尚不完全清楚。申请人前期研究发现，POCD发生伴随大鼠海马神经元自噬障碍，雷帕霉素诱导自噬可减轻七氟烷所致POCD。申请人的预实验有趣地发现，七氟烷导致细胞线粒体自噬障碍，并初步发现线粒体自噬障碍可能参与了其诱导的细胞损伤。七氟烷导致神经元GABA受体重组装，该过程有大量GABARAP参与，申请人提出，七氟烷作用后较长时间内GABARAP与线粒体外膜蛋白BNIP3或BNIP3L结合减少，最终造成线粒体自噬障碍。申请人的预实验也发现GABARAP在七氟烷处理后表达下调。因此，本项目拟进一步利用细胞及动物实验，结合多种分子生物学手段，进一步明确线粒体自噬障碍在七氟烷所致POCD中的作用，并试图阐明GABARAP-BNIP3/BNIP3L通路在上述过程中的参与机制。本研究将有望为发现POCD干预靶点提供实验依据。

术后认知功能障碍是老年患者手术后常见的一种中枢神经系统并发症，其发病率高、可严重影响疾病预后，但其病因复杂、发病机制目前尚不清楚。有不少研究认为，吸入麻醉药是诱发老年患者或老年动物认知功能障碍的重要因素。本项目的前期研究已经证明七氟烷可引起老年大鼠的认知功能障碍，并且初步明确了自噬可能是七氟烷诱导POCD的关键早期细胞生物学事件。在细胞内大细胞器一般通过自噬进行自我清理，而线粒体自噬在维持正常线粒体质量和细胞正常功能，应对各种应激状态发挥重要的作用。本项目中建立七氟烷诱发认知功能障碍的大鼠模型和七氟烷对H4细胞的影响，分析七氟烷在体内体外对线粒体功能的影响，初步探究了线粒体功能与七氟烷诱发的老龄大鼠认知功能障碍的相关性；同时我们利用线粒体自噬特有的工具质粒和病毒，分别从体内体外探究了七氟烷引起线粒体功能障碍。随后利用线粒体自噬的激动剂对老龄大鼠进行干预，然后再用七氟烷处理，观察大鼠的行为学认知的改变和海马组织神经细胞生理状态相应的变化，从而明确线粒体自噬在吸入麻醉药诱发老龄大鼠认知功能障碍中的作用。随后我们利用PARK2质粒及其突变质粒，确定七氟烷通过抑制Parkin蛋白的表达引起线粒体自噬功能障碍，进一步证明线粒体自噬在吸入麻醉药诱发老龄大鼠认知功能障碍中的重要作用。本项目究了线粒体自噬在吸入麻醉药诱导的认知功能障碍的作用及其机制具有重要的临床医学价值，不仅可以进一步揭示术后认知功能障碍的机制，亦为临床上有效防治提供新的思路和理论依据。