《Brain and Behavior》：Effects of Dexmedetomidine on the Behavioral Outcomes in Streptozotocin-Induced Alzheimer's Disease Rats
1 引言
阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是一种与年龄相关的常见且致残的神经退行性疾病。其临床特征为认知能力逐渐下降、进行性记忆障碍以及一系列行为障碍。据最新估计，全球AD连续体（包括痴呆、前驱期疾病和临床前生物标志物证据）的个体数量现已超过1亿，其中约3200万人目前患有AD痴呆。尽管在识别遗传、分子和环境风险因素方面取得了实质性进展，但AD的病因学仍然是高度多因素的。当代机制研究表明，多种相互作用的通路共同驱动疾病进展。除了经典的淀粉样蛋白-β（Aβ）级联反应和tau蛋白过度磷酸化之外，慢性神经炎症和免疫失调已成为神经元损伤的主要贡献者，外周免疫细胞浸润大脑并放大细胞因子介导的神经毒性。血管功能障碍（包括血脑屏障破坏、脑灌注受损和内皮损伤）进一步加剧了Aβ和tau病理，并降低了大脑对神经退行性变的恢复能力。此外，脂质代谢紊乱和线粒体功能障碍已被确定为导致疾病异质性的相互关联的过程。
α2-肾上腺素能受体（α2-adrenergic receptors, α2-ARs）是G蛋白偶联受体，广泛表达于蓝斑、海马体和前额叶皮层，通过突触前抑制去甲肾上腺素释放来调节去甲肾上腺素能传递。激活α2-ARs可降低环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate, cAMP）信号传导，降低神经元兴奋性，并调节涉及炎症和氧化应激的下游信号通路。
去甲肾上腺素能功能障碍越来越被认为是AD病理生理学的关键因素，这主要是由于蓝斑神经元的早期退化、皮质去甲肾上腺素水平降低以及小胶质细胞调节受损——这些变化促进了慢性神经炎症、突触脆弱性和认知能力下降。在此机制背景下，右美托咪定（Dexmedetomidine, Dex），一种高选择性α2-ARs激动剂，因其在神经退行性变临床前模型中能够减轻神经炎症、限制氧化应激和保护突触完整性而受到越来越多的关注。此外，Dex已被证明可以对抗β-淀粉样蛋白诱导的神经毒性并增强脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor, BDNF）的表达。实验研究进一步报道，在β-淀粉样蛋白攻击的小鼠模型中，Dex治疗后认知表现和神经元保护得到改善。
Dex因其镇静和交感神经阻滞特性而广泛应用于麻醉实践，临床证据表明，与其他镇静剂相比，它可降低术后谵妄的发生率和严重程度。总的来说，这些机制支持Dex作为改善AD相关认知功能障碍的潜在治疗策略，无论是作为直接干预还是作为受影响患者的麻醉辅助用药。
本研究调查了Dex在链脲佐菌素（streptozotocin, STZ）诱导的AD大鼠模型中对行为异常的影响，该模型被广泛认为是散发性AD病理的转化模型。STZ最初因其致糖尿病作用而被识别，已在神经科学研究中用于模拟AD样表型。脑室内（intracerebroventricular, ICV）STZ给药会破坏脑胰岛素信号传导，导致神经元功能障碍、氧化应激和认知障碍——这些都是散发性AD的标志。尽管Dex在其他AD相关模型中显示出有益效果，但其在STZ范式中的评估可能提供临床相关的见解，因为散发性AD构成了人类病例的大多数。
2 材料与方法
2.1 实验动物
研究使用成年雄性Wistar大鼠（2-3月龄，体重200-250克）。动物被随机分配到七个实验组（每组n = 10）：(1) 对照组（Control）：不接受手术或处理；(2) 假手术组（Sham）：接受双侧ICV人工脑脊液（artificial cerebrospinal fluid, ACSF）注射以及相当于Dex溶剂体积的蒸馏水腹腔（intraperitoneal, i.p.）注射；(3) STZ组：在第1天和第3天接受双侧ICV STZ（3 mg/kg）注射；(4) 假手术+Dex 25组（Sham + Dex 25）：接受上述ACSF处理，并在每次ACSF输注后腹腔注射Dex（25 μg/kg）；(5-7) STZ + Dex 25、50、100组：接受STZ联合剂量分别为25、50或100 μg/kg的Dex处理。研究仅使用雄性大鼠以尽量减少与性激素相关的变异性。所有动物护理程序和行为实验均按照克尔曼医科大学动物伦理委员会的伦理指南进行。
2.2 行为学测试
2.2.1 旷场实验（Open-Field Test, OFT）
用于评估自发 locomotor 活动、探索行为和重复运动。将每只大鼠单独放置在透明的有机玻璃竞技场（90 × 90 × 30 cm）中，使用自动视频跟踪系统记录其活动。 locomotor 活动量化为总移动距离，而在周边区域与中心区域所花费的时间被视为焦虑样行为的间接指标。由对分组不知情的观察者手动评分垂直探索活动（直立）和刻板行为（如理毛）。
2.2.2 高架十字迷宫实验（Elevated Plus Maze, EPM）
用于检测焦虑样行为。迷宫由两个开放臂和两个封闭臂组成。将每只大鼠放置在中央平台，面向一个开放臂，允许自由探索5分钟。记录在各臂停留的时间和进入各臂的次数。
2.2.3 Y迷宫实验（Y-Maze Test）
用于评估空间工作记忆。测试在两个时间点进行：立体定位手术前一天（基线）和最后一次STZ/ACSF注射后22天。迷宫由三个相同的臂组成。允许大鼠探索迷宫8分钟。计算自发交替行为（连续进入三个不同臂而不重复）的百分比。
2.2.4 莫里斯水迷宫实验（Morris Water Maze, MWM）
用于评估空间学习和记忆。迷宫包括一个圆形水池和一个隐藏的逃生平台。实验包括两个阶段：获得阶段（训练）和探查阶段（回忆）。在训练阶段，每只大鼠在连续三天中每天进行四次试验。在第四天，移除平台后进行探查试验，记录在目标象限花费的时间和移动距离的百分比。
2.3 统计学分析
使用Shapiro-Wilk检验正态性，Brown-Forsythe检验方差齐性。对MWM获得阶段和Y迷宫表现进行重复测量双因素方差分析（two-way repeated-measures ANOVA）。Y迷宫内的组内差异使用配对样本t检验进一步检查。根据方差假设是否满足，对其他行为测量值应用单因素方差分析（one-way ANOVA）或Welch's ANOVA。事后比较使用Tukey's检验或Dunnett's检验进行。统计学显著性定义为p < 0.05。
3 结果
3.1 旷场实验（OFT）
在旷场实验中，除直立行为外，所有变量均符合正态性和方差齐性假设。STZ或Dex处理对总移动距离、在中心或周边区域停留的时间或理毛行为均未观察到显著影响（所有比较p > 0.05）。
直立数据呈正态分布但存在方差异质性，因此采用Welch's ANOVA。检测到直立行为存在显著的组效应（W (6, 27.60) = 11.77, p < 0.0001）。与对照组（p = 0.0017）和假手术组（p = 0.011）相比，STZ组大鼠的直立频率显著降低。给予Dex显著恢复了STZ处理动物的直立行为，与STZ组相比，STZ + Dex 25 μg/kg组（p = 0.0001）和STZ + Dex 100 μg/kg组（p = 0.016）观察到显著改善。
3.2 高架十字迷宫实验（EPM）
为评估焦虑样表型，分析了进入开放臂的百分比和在开放臂停留的时间。所有EPM变量均呈正态分布且方差齐性。单因素方差分析显示，各实验组在任一参数上均无显著差异（p > 0.05），表明STZ给药或Dex处理均未显著改变该范式中的焦虑相关行为。
3.3 Y迷宫实验
使用双因素重复测量方差分析Y迷宫表现，时间（处理前 vs. 处理后）作为受试者内因素，处理组作为受试者间因素。分析揭示了时间的显著主效应[F(1,63) = 11.90, p = 0.001]，表明跨测试会话的表现存在整体变化。还观察到组的显著主效应[F(6,63) = 3.10, p = 0.007]，表明处理条件对工作记忆表现存在差异效应。重要的是，检测到显著的组×时间交互作用[F (6,63) = 3.39, p = 0.006]，表明从基线开始的变化幅度在各组之间存在差异。
事后分析和配对样本t检验显示，STZ给药导致自发交替行为显著减少（t (9) = 4.43, p = 0.002，处理前 vs. 处理后），证实了空间工作记忆损伤的诱导。此外，STZ组的交替表现显著低于对照组和假手术组（p < 0.01）。用25 μg/kg的Dex处理显著逆转了STZ诱导的缺陷，相对于STZ组恢复了交替行为（p = 0.002）。
这些结果表明STZ诱导了显著的工作记忆损伤，而Dex，特别是在25 μg/kg剂量下，赋予了保护性认知效应。
3.4 莫里斯水迷宫实验（MWM）
为评估空间学习和记忆表现，大鼠进行了MWM任务。在获得阶段，使用双因素重复测量方差分析分析了三个训练区块的逃避潜伏期和移动距离。与对照组（逃避潜伏期：区块1-3，p < 0.001；移动距离：区块1，p = 0.004；区块2-3，p < 0.001）和假手术组（逃避潜伏期：区块2-3，p = 0.002；移动距离：区块2，p = 0.001；区块3，p < 0.001）相比，STZ组表现出显著延长的逃避潜伏期和更大的移动距离，表明空间学习受损。
用25 μg/kg剂量的Dex处理显著改善了这些学习缺陷，证据是相对于未处理的STZ组，逃避潜伏期（区块2，p = 0.0009；区块3，p < 0.01）缩短和移动距离（区块2，p = 0.02；区块3，p < 0.001）减少。
在对照组、假手术组、假手术+Dex 25组和STZ + Dex 25组中，观察到第三个训练区块的逃避潜伏期和移动距离相对于第一个区块显著减少（p < 0.05），证实了跨重复试验的有效学习。
在探查试验中，移除平台显示，STZ处理的大鼠在目标象限花费的时间显著减少（p < 0.01 vs. 对照组）且移动距离更短（p < 0.01 vs. 对照组），这与记忆保留受损一致。相比之下，STZ + Dex 25 μg/kg组的大鼠在平台象限花费的时间显著更多（p < 0.01）且移动距离更大（p = 0.03），表明空间记忆保留得到改善。总的来说，这些发现证明25 μg/kg的Dex有效逆转了STZ诱导的空间学习和记忆缺陷。
4 讨论
本研究探讨了高选择性α2-ARs激动剂Dex在STZ诱导的AD大鼠模型中对认知和行为损伤的潜在治疗作用。研究结果表明，25 μg/kg剂量的Dex给药显著改善了通过MWM和Y迷宫任务评估的空间学习和记忆缺陷。相比之下，使用OFT和EPM评估的焦虑样行为未因STZ给药或Dex处理而发生显著改变。
Dex观察到的认知益处与先前报道其通过α2-肾上腺素能机制调节神经炎症、氧化应激和凋亡信号传导能力的研究一致——这些过程是AD病理生理学的核心。空间记忆任务中表现的改善表明Dex可能有助于保护海马功能和突触可塑性。STZ诱导缺陷的逆转与表明Dex在实验性AD模型中增强BDNF表达、支持神经发生并部分恢复 disrupted 胰岛素信号的证据一致。然而，这些机制解释仍然是推测性的，因为本研究未包括分子、生化或组织病理学分析。
尽管在本研究使用的ICV STZ模型中焦虑样行为未受到显著影响，但先前的研究报道了STZ给药后情感结局的相当大的变异性。这种不一致性可能反映了模型异质性，而非药效学的缺乏。事实上，虽然一些研究在年轻动物中观察到焦虑相关行为的改变，但其他使用老年或有行为经验大鼠的研究报道了EPM表现的微小变化。因此，本研究中Dex缺乏抗焦虑样效应可能反映了焦虑表型的有限表达，而非真正的无效。未来结合应激增强或情感聚焦范式的调查可能更好地阐明这方面。
值得注意的是，最显著的神经认知益处出现在25 μg/kg的Dex剂量下。这一发现与其他神经学模型中的报告一致，表明较低剂量下具有最佳的神经保护作用，而较高剂量可能引入镇静或运动减退效应，从而混淆行为评估。因此，在评估Dex的认知结局时，剂量选择似乎至关重要。
鉴于其广泛的临床用途和已确立的短期安全性，Dex是重新用作神经退行性疾病药物的有吸引力的候选者。临床前研究一致证明，Dex在临床相关浓度下可减轻神经炎症、氧化应激和突触功能障碍，且无重大全身毒性。小规模人体研究也探索了Dex用于预防老年或神经易感患者的术后谵妄和镇静，进一步支持其在适当滴定时的耐受性。然而，必须仔细考虑与慢性α2-肾上腺素能受体刺激相关的潜在风险——例如低血压、心动过速和觉醒状态改变——特别是在老年个体或认知易感人群中。此外，在神经退行性疾病背景下长期安全性数据的缺乏，以及中枢肾上腺素能信号传导中潜在的物种特异性差异，需要对这些发现进行谨慎的解释。因此，将这些有前景的临床前结果转化为有效的治疗策略将需要精心设计的临床试验，系统地评估阿尔茨海默病或其他痴呆患者的最佳给药方案、治疗持续时间和临床相关结局指标。
5 结论
本研究证明，25 μg/kg的Dex有效减轻了STZ在AD大鼠模型中诱导的空间和工作记忆损伤。未检测到焦虑样行为的显著改变，这反映了ICV-STZ模型引发显著焦虑相关表型的能力有限，而非Dex在该行为领域无效。虽然观察到的认知改善表明Dex具有潜在的神经保护作用，但其潜在机制在很大程度上仍未解决，因为未进行分子和组织学分析。总的来说，这些发现支持Dex作为改善AD相关认知能力下降的有前景的候选药物；然而，其机制基础和长期安全性必须在未来结合全面神经生物学评估的研究中予以阐明。
