Hydrogen sulfide attenuates postoperative cognitive dysfunction through promoting the pathway of Warburg effect-synaptic plasticity in hippocampus

硫化氫通過(guò)促進(jìn)海馬的Warburg效應(yīng)突觸可塑性通路減輕術(shù)后認(rèn)知功能障礙

來(lái)源：Toxicology and Applied Pharmacology 409 (2020) 115286

 

1. 論文摘要核心內(nèi)容

 

研究首次揭示 外源性H?S（通過(guò)供體NaHS） 通過(guò) 雙重機(jī)制 緩解POCD：

 

逆轉(zhuǎn)內(nèi)源性H?S生成抑制：術(shù)后大鼠海馬內(nèi)源性H?S合成酶（CBS、3-MST）表達(dá)下降，H?S水平降低（圖2），NaHS治療可恢復(fù)其水平。

 

 

激活沃伯格效應(yīng)（Warburg Effect）：NaHS上調(diào)糖酵解關(guān)鍵酶（HK2、PKM2、LDHA、PDK1），增加乳酸生成，抑制PDH表達(dá)（圖5），促進(jìn)海馬能量代謝向糖酵解傾斜。

 

 

增強(qiáng)突觸可塑性：NaHS提升突觸蛋白（synapsin-1、PSD-95）表達(dá)（圖4），改善突觸超微結(jié)構(gòu)（突觸密度↑、活性區(qū)長(zhǎng)度↑、PSD厚度↑）（圖9）。

 

 

 

認(rèn)知功能改善：通過(guò)Y迷宮、新物體識(shí)別（NOR）、水迷宮（MWM）測(cè)試證實(shí)NaHS逆轉(zhuǎn)術(shù)后認(rèn)知障礙（圖3）。

 

 

機(jī)制驗(yàn)證：糖酵解抑制劑2-DG阻斷NaHS的沃伯格效應(yīng)激活及認(rèn)知保護(hù)作用（圖6-8），證實(shí) H?S→沃伯格效應(yīng)→突觸可塑性→認(rèn)知改善 的通路（圖1）。

 

 

 

 

 

 

2. 研究目的

 

1.探究 H?S是否緩解POCD 及其與海馬內(nèi)源性H?S系統(tǒng)的關(guān)系。

2.闡明 沃伯格效應(yīng)（有氧糖酵解） 在H?S神經(jīng)保護(hù)中的作用。

3.驗(yàn)證 突觸可塑性 是否為H?S改善POCD的關(guān)鍵下游機(jī)制。

 

3. 研究思路

 

1.動(dòng)物模型：

 

18月齡SD大鼠接受剖腹手術(shù)（模擬POCD），術(shù)后腹腔注射N(xiāo)aHS（30/100 μmol/kg）或聯(lián)合2-DG（糖酵解抑制劑）。

 

分組：對(duì)照組、手術(shù)組、手術(shù)+NaHS組、手術(shù)+NaHS+2-DG組等（圖1）。

2.認(rèn)知行為學(xué)評(píng)估：

 

Y迷宮：工作記憶（自發(fā)交替率，圖3A）。

 

新物體識(shí)別（NOR）：識(shí)別記憶（辨別指數(shù)，圖3D）。

 

水迷宮（MWM）：空間學(xué)習(xí)記憶（逃避潛伏期、平臺(tái)穿越次數(shù)，圖3F,H）。

3.分子與超微結(jié)構(gòu)分析：

 

內(nèi)源性H?S：Unisense H?S微電極檢測(cè)海馬H?S濃度（圖2C），Western blot測(cè)CBS/3-MST（圖2A-B）。

 

沃伯格效應(yīng)：Western blot測(cè)糖酵解酶（HK2/PKM2/LDHA/PDK1/PDH，圖5A-E），乳酸試劑盒測(cè)乳酸水平（圖5F）。

 

突觸可塑性：Western blot測(cè)突觸蛋白（synapsin-1/PSD-95，圖4），電鏡觀察突觸超微結(jié)構(gòu)（圖9）。

4.機(jī)制驗(yàn)證：2-DG抑制糖酵解，觀察其對(duì)NaHS保護(hù)作用的逆轉(zhuǎn)（圖6-8）。

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

(1) 內(nèi)源性H?S系統(tǒng)受損與恢復(fù)（圖2）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

術(shù)后海馬 CBS/3-MST表達(dá)↓（圖2A-B），H?S濃度↓（Unisense電極測(cè)量，圖2C）。

 

NaHS（100 μmol/kg）恢復(fù)酶表達(dá)及H?S水平（*P<0.05 vs 手術(shù)組）。

 

意義：首次證實(shí)POCD伴隨 海馬H?S代謝障礙，外源性H?S可修復(fù)內(nèi)源性系統(tǒng)。

 

(2) 認(rèn)知行為改善（圖3）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

Y迷宮：手術(shù)組自發(fā)交替率↓（工作記憶受損），NaHS恢復(fù)至正常（圖3A）。

 

NOR：手術(shù)組辨別指數(shù)↓（識(shí)別記憶受損），NaHS顯著提升（圖3D）。

 

MWM：手術(shù)組逃避潛伏期↑、平臺(tái)穿越次數(shù)↓（空間記憶受損），NaHS逆轉(zhuǎn)（圖3F,H）。

 

意義：H?S全面改善 術(shù)后多種認(rèn)知域障礙，為臨床干預(yù)提供依據(jù)。

 

(3) 沃伯格效應(yīng)激活（圖5）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

術(shù)后糖酵解酶 HK2/PKM2/LDHA/PDK1表達(dá)↓，PDH（氧化代謝酶）表達(dá)↑，乳酸水平↓（圖5A-F）。

 

NaHS顯著逆轉(zhuǎn)上述變化（*P<0.05 vs 手術(shù)組）。

 

意義：揭示POCD存在 海馬能量代謝紊亂（糖酵解抑制），H?S通過(guò) 重編程代謝 促進(jìn)能量供應(yīng)。

 

(4) 突觸可塑性增強(qiáng)（圖4,9）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

術(shù)后 synapsin-1/PSD-95表達(dá)↓（圖4），突觸密度↓/突觸間隙寬度↑/PSD厚度↓（電鏡，圖9）。

 

NaHS提升突觸蛋白表達(dá)，改善超微結(jié)構(gòu)（*P<0.05 vs 手術(shù)組）。

 

意義：H?S通過(guò) 結(jié)構(gòu)-功能雙重修復(fù) 突觸，支撐認(rèn)知恢復(fù)。

 

(5) 機(jī)制驗(yàn)證（圖6-8）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

2-DG阻斷NaHS的沃伯格效應(yīng)激活（圖6）、突觸蛋白表達(dá)（圖8）及認(rèn)知改善（圖7）。

 

2-DG單獨(dú)使用不影響正常大鼠認(rèn)知（排除非特異性毒性）。

 

意義：確立 沃伯格效應(yīng)為H?S的核心下游機(jī)制，為靶向代謝干預(yù)POCD提供依據(jù)。

 

5. 結(jié)論

 

1.H?S是POCD潛在治療靶點(diǎn)：外源性H?S（NaHS）恢復(fù)內(nèi)源性H?S生成，逆轉(zhuǎn)術(shù)后認(rèn)知障礙。

2.代謝-突觸軸心機(jī)制：H?S通過(guò)激活海馬沃伯格效應(yīng)（↑糖酵解/乳酸生成），促進(jìn)突觸可塑性（↑突觸蛋白/結(jié)構(gòu)完整性），最終改善認(rèn)知。

3.臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值：靶向糖酵解（如H?S供體）或成防治POCD新策略，尤其適用于老年患者。

 

6. 丹麥Unisense電極的核心價(jià)值

(1) 技術(shù)突破性應(yīng)用

 

 

原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)H?S動(dòng)力學(xué)：

 

采用 Unisense H?S微電極（H2S-MRCh）（方法2.4節(jié)）直接測(cè)量海馬組織H?S濃度（圖2C），突破傳統(tǒng)生化法局限。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)：術(shù)后H?S濃度從 0.35→0.15 μmol/mg/min，NaHS恢復(fù)至 0.32 μmol/mg/min（*P<0.05）。

 

(2) 關(guān)鍵科學(xué)貢獻(xiàn)

 

 

精準(zhǔn)量化H?S代謝異常：

 

直接證實(shí)POCD早期存在 海馬H?S合成障礙，為“內(nèi)源性H?S系統(tǒng)受損”假說(shuō)提供 直接證據(jù)。

 

揭示H?S劑量效應(yīng)：

 

Unisense數(shù)據(jù)明確 NaHS 100 μmol/kg 為最優(yōu)劑量（30 μmol/kg效果不顯著），指導(dǎo)后續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

 

(3) 研究意義

 

 

機(jī)制深度解析：

 

Unisense數(shù)據(jù)將 H?S代謝變化 與 下游沃伯格效應(yīng)（圖5）及 突觸可塑性（圖4,9）動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，確立因果鏈條。

 

技術(shù)不可替代性：

 

傳統(tǒng)H?S檢測(cè)（如亞甲基藍(lán)法）需組織破碎，無(wú)法實(shí)現(xiàn) 原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；Unisense電極的 微創(chuàng)性（響應(yīng)時(shí)間<1分鐘）和 高空間分辨率（組織水平）是機(jī)制研究的黃金標(biāo)準(zhǔn)。

 

總結(jié)

 

本研究通過(guò) Unisense電極的高精度H?S監(jiān)測(cè)，首次揭示POCD中 海馬H?S代謝缺陷 是認(rèn)知障礙的早期事件，并闡明H?S通過(guò) 沃伯格效應(yīng)-突觸可塑性軸 發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。其技術(shù)價(jià)值在于：

 

1.動(dòng)態(tài)代謝圖譜：Unisense捕捉H?S實(shí)時(shí)變化，為代謝重編程研究提供時(shí)間窗依據(jù)。

2.靶點(diǎn)驗(yàn)證：H?S濃度與認(rèn)知評(píng)分顯著相關(guān)（r=0.82, P<0.01），支持其作為POCD生物標(biāo)志物。

3.轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)橋梁：Unisense數(shù)據(jù)指導(dǎo)NaHS最佳劑量（100 μmol/kg），推動(dòng)H?S供體向臨床轉(zhuǎn)化。

 

這一發(fā)現(xiàn)為老年手術(shù)患者認(rèn)知保護(hù)提供了新視角，凸顯Unisense電極在神經(jīng)代謝研究中的不可替代性。