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2018, 35(5):406-410.doi:10.13213/j.cnki.jeom.2018.17707

大气颗粒物暴露和高脂高糖饮食对雄性大鼠学习记忆功能的影响


1. 华北理工大学公共卫生学院, 河北 唐山 063210 ;
2. 中国科学院城市环境研究所, 福建 厦门 361000

收稿日期: 2017-12-04;  发布日期: 2018-06-02

通信作者: 蒋守芳, Email: jiangshoufang@163.com  

作者简介: 刘颖(1991-), 女, 硕士生; 研究方向:大气颗粒物的健康效应; E-mail:

[目的] 研究大气颗粒物暴露和高脂高糖饮食对雄性大鼠学习记忆功能的影响。

[方法] 选择健康3周龄SD雄性大鼠共80只,按照体重随机均分为4组。利用独立通气笼具,暴露组大鼠吸入含大气颗粒物的空气,对照组吸入经过高效过滤器过滤大气颗粒物的空气,对照组和暴露组均设立高脂高糖饮食组和普通饮食组,分别喂饲高脂高糖饮食和普通饮食。每组又分为暴露3个月和暴露6个月2个亚组,每亚组10只大鼠,在暴露后用Morris水迷宫(包括定位航行和空间探索实验)评价各组大鼠的学习记忆能力。

[结果] 定位航行实验中:暴露3个月,高脂高糖饮食+大气颗粒物暴露组大鼠训练第4天的游泳距离和逃避潜伏期分别为(4.47±1.96)m和(26.89±10.37)s,高于普通饮食对照组的(2.13±1.38)m和(12.99±7.24)s,以及高脂高糖饮食对照组的(2.73±1.09)m和(15.01±4.43)s(P < 0.05);暴露6个月,高脂高糖饮食+大气颗粒物暴露组大鼠训练第4天的游泳距离为(7.74±6.64)m,高于普通饮食对照组的(3.68±2.11)m(P < 0.05),逃避潜伏期4组间差异无统计学意义(P>0.05)。空间探索实验中:暴露3个月时高脂高糖饮食+大气颗粒物暴露组大鼠的穿越平台次数和目标象限时间分别为(2.30±0.48)次和(31.41±5.48)s,普通饮食+大气颗粒物暴露组的穿越平台次数和目标象限时间分别为(3.30±1.64)次和(31.48±7.85)s,均低于普通饮食对照组[(4.70±1.64)次和(38.95±5.47)s](P < 0.05);暴露6个月时高脂高糖饮食+大气颗粒物暴露组大鼠的穿越平台次数[(2.40±1.51)次]低于普通饮食对照组[(4.00±1.05)次](P < 0.05)。

[结论] 大气颗粒物和高脂高糖饮食联合暴露对大鼠学习记忆功能的损伤比单独暴露严重。

关键词: 大气颗粒物;  高脂高糖饮食;  联合暴露;  学习记忆 

大气颗粒物是由元素碳、有机碳、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、矿物尘、海盐、痕量重金属元素以及水等成分组成的复杂混合体。研究表明,大气颗粒物会使中枢神经系统疾病的发病、住院、死亡率增加,甚至与脑卒中、老年痴呆和帕金森症等的发生发展相关[1]。在对美国近2万名年龄在70~81岁的妇女进行相关测试后发现,大气颗粒物PM10和PM2.5长期暴露可造成她们的认知功能减弱[2]。长期大气颗粒物暴露所导致的慢性炎症反应产生的炎性介质可以到达脑部,引起中枢神经系统重要炎性介质的低水平表达和活性氧形成[3],其中细颗粒物、超细颗粒物作为触发内皮细胞活化、破坏血脑屏障改变的一系列事件的关键触发因素可引起先天免疫系统反应、炎症反应和神经退行性疾病。

研究显示,高脂高糖饮食可导致大鼠的学习记忆能力和突触可塑性降低[4]。高脂高糖饮食是导致肥胖的主要因素之一,SINGH-MANOUX等[5]发现儿童期肥胖可降低青少年认知功能;中年期肥胖对年老时认知的影响更加明显[6]。高脂饮食也是导致认知功能障碍的因素之一,高饱和脂肪酸膳食是诱发阿尔茨海默病的重要危险因子[7]

日常生活中,大气颗粒物暴露和高脂高糖饮食常常同时存在,因此研究联合暴露对认知功能的影响具有重要的现实意义。本研究拟两者联合暴露采用Morris水迷宫测试大鼠的学习记忆功能,以评价大气颗粒物暴露和高脂高糖饮食对大鼠认知功能影响的联合作用。

1   材料与方法

1.1   仪器

Morris水迷宫(北京硕林苑科技,中国),空气质量检测仪(博朗通,中国),大小鼠独立通气笼具系统(TECNIPLAST,中国),高脂高糖饲料(北京华阜康,中国)。

1.2   实验动物分组

选择3周龄清洁级健康SD雄鼠共80只,按照体重随机分为4组,每组20只,根据暴露方式不同,分别为高脂高糖饮食+大气颗粒物暴露组(HP)、高脂高糖饮食对照组(HC)、普通饮食+大气颗粒物暴露组(CP)和普通饮食对照组(CC)。根据暴露时间的不同,每组再分为暴露3个月和暴露6个月2个亚组,每亚组10只大鼠。高脂高糖饲料主要由玉米、豆粕、蔗糖、猪油及其他矿物元素等构成,各成分能量构成比为:蛋白质16.5%,脂肪45.7%,碳水化合物37.9%。染毒期间大鼠自由饮水摄食,按昼夜节律采光。

1.3   大气颗粒物暴露舱

在饲养室安装两个排气扇,分别为进气扇和排气扇,将独立通气笼具(individual ventilated cages,IVC)系统的进气孔安装在进气扇下方,出气孔安装到室外,将IVC中进气端的高效过滤器拆掉,使室内空气直接通过IVC进入到大气颗粒物暴露组的各个笼盒中。经检测,笼盒中大气颗粒物浓度与室内基本一致,室内颗粒物浓度达到室外浓度的80%~90%。室内安装空调,保证室温保持在21~22℃之间。对照组暴露舱设置与暴露组基本相同,只是在IVC进气端安装高效过滤器,过滤大气颗粒物,实现对照组和暴露组吸入的空气唯一的区别为有无大气颗粒物。经检测,对照组暴露舱内大气颗粒物质量浓度(后称浓度)保持在0~5μg/m3

1.4   大气颗粒物浓度测定

饲养室内放入空气质量检测仪,记录2015年12月18日—2016年6月18日室内大气颗粒物的浓度。

1.5   学习记忆功能测定

分别在染毒3个月和6个月后用Morris水迷宫对大鼠的学习记忆功能进行检测,分为定位航行实验和空间探索实验。

1.5.1   定位航行实验

用于测量大鼠的学习获取能力。实验持续4 d,每天训练4次,每次训练间隔120 s。训练时将每个象限池壁中间作为入水点,按顺序依次将大鼠面向池壁放入水中,使用计算机观察并记录大鼠找到隐匿于水面下2 cm的平台所需时间(即逃避潜伏期)。如果大鼠找到平台,计算机记录则停止,如果大鼠在120 s内未找到平台,需实验者将其引至平台,并让其在平台上停留15 s,这时潜伏期记为120 s,大鼠在潜伏期内运动的总距离为游泳距离。

1.5.2   空间探索实验

用于测量大鼠学会寻找平台后,对平台空间位置记忆的能力。在第5天训练时撤除平台,然后选择一个象限入水点将大鼠面向池壁放入水中,记录其在120 s内穿过原平台所在象限的时间以及其跨过平台相应位置的次数。

1.6   统计学分析

采用SPSS 17. 0统计软件对数据进行处理。计量资料结果用x±s描述,组间比较采用方差分析,两两比较采用LSD检验。检验水准α=0.05。

2   结果

2.1   大气颗粒物浓度

本实验共进行180 d,其中PM2.5浓度超过75 μg/m3的天数有77 d,PM10浓度超过150μg/m3的天数为67 d,饲养室内的大气颗粒物浓度变化如表 1所示。经统计分析:暴露第2个月,PM10和PM2.5每个月的最大值、月均值、最大超标倍数和超标频率均明显降低;除第2个月外,随着暴露时间的延长,PM10和PM2.5每个月的最大值、月均值、最大超标倍数和超标频率基本上是逐渐降低的。

表1

染毒期间大气颗粒物每月浓度变化

Table1.Monthly change of atmospheric particulate matters concentrations during designed exposures

2.2   定位航行实验结果

2.2.1   暴露3个月

训练第1天,CP组大鼠的游泳距离高于CC组,CP和HP组的逃避潜伏期高于CC和HC组;训练第2天,HP组大鼠的游泳距离大于其他3组,CP和HP组的逃避潜伏期高于CC和HC组;训练第3天,与HC组相比,CP组和HP组逃避潜伏期均延长;训练第4天,HP组的游泳距离和逃避潜伏期均延长;以上差异均有统计学意义(P < 0.05)。见表 2

表2

暴露3个月后4组大鼠定位航行实验结果(n=10,x±s

Table2.Orientation navigation test results of four-group rats after 3 months of exposure

2.2.2   暴露6个月

暴露6个月后,随着训练时间延长,各组大鼠的游泳距离和逃避潜伏期呈现缩短的趋势。训练第1天,与CC组相比,其他3组游泳距离均延长,HP游泳距离大于HC组,CP和HP组逃避潜伏期大于CC组和HC组;训练第2天,CP和HP组游泳距离大于HC组,HP组的逃避潜伏期大于CC组和HC组;训练第3天,与CC相比,CP与HP组游泳距离均延长,与CC和HC组相比,HP组逃避潜伏期延长;训练第4天,与CC组相比,HP组游泳距离延长;以上差异均有统计学意义(P < 0.05)。见表 3

表3

暴露6个月后4组大鼠定位航行实验结果(n=10,x±s

Table3.Orientation navigation test results of four-group rats after 6 months of exposure

2.3   空间探索实验结果

暴露3个月后,与CC组相比,CP和HP组大鼠穿越平台次数和目标象限时间减少,差异均有统计学意义(P < 0.05)。与HC组相比,HP组穿越平台次数减少,差异具有统计学意义(P < 0.05)。暴露6个月后,与CC组相比,HP组大鼠穿越平台次数减少,差异有统计学意义(P < 0.05)。见表 4

表4

暴露不同时间后4组大鼠空间探索试验结果(n=10,x±s

Table4.Spatial probe test results of four-group rats after different exposure durations

3   讨论

研究显示,冬季的大气颗粒物主要来源为区域性燃煤排放以及机动车尾气排放,其中PM2.5和PM10是主要危害因子[8]。大气颗粒物主要通过氧化应激和炎症反应对机体造成损伤[9]。本实验中,大气颗粒物暴露组的游泳距离、逃避潜伏期均呈现比对照组延长的趋势,而穿台次数和目标象限时间较对照组减少,在一定程度上反映了大鼠学习记忆能力的降低。WIN-SHWE等[10]的研究结果发现,柴油燃烧产生的颗粒物会导致大鼠的学习记忆功能降低,这与本实验结果一致。李久存等[11]研究显示,妊娠期和哺乳期暴露大气颗粒物对仔鼠的中枢神经系统产生不良影响,降低仔鼠的学习记忆功能。

高脂高糖饮食已成为现代社会的重要饮食结构,由此引发的各种健康问题备受关注。研究最广泛的是高脂高糖饮食对肥胖及心血管系统疾病的影响,然而研究发现高脂高糖饮食同样会对中枢神经系统产生影响。SHARMA等[12]研究显示富含饱和脂肪酸的高能量饮食可以导致肥胖大鼠脑内氧化应激增强,炎症反应加重,降低大鼠的学习记忆能力。本实验中,未发现高脂高糖饮食组大鼠的学习记忆能力降低。但是高脂高糖饮食和大气颗粒物联合暴露组大鼠的游泳距离和逃避潜伏期高于普通饮食对照组和高脂高糖饮食对照组,穿越平台次数和目标象限时间则低于这两组,说明联合暴露比单独高脂高糖饮食暴露对学习记忆能力的影响更加明显,而且高脂高糖饮食和大气颗粒物联合组暴露3个月训练第2天和第4天的游泳距离大于单独大气颗粒物暴露组,提示联合暴露对大鼠学习记忆功能的损害要大于单纯大气颗粒物暴露。

本实验将外界空气引入暴露舱,大鼠暴露的大气颗粒物成分与室外大气颗粒物成分完全一致,颗粒物暴露浓度达到室外浓度的80%~90%,较好地模拟了人类暴露大气颗粒物的过程,在一定程度上为评估大气颗粒物污染对神经系统的影响提供实验基础。研究结果显示大气颗粒物暴露和高脂高糖饮食的联合作用对大鼠的学习记忆能力产生的不良影响更加明显,而其相关机制需进一步探讨。

表1

染毒期间大气颗粒物每月浓度变化

Table 1 Monthly change of atmospheric particulate matters concentrations during designed exposures

表2

暴露3个月后4组大鼠定位航行实验结果(n=10,x±s

Table 2 Orientation navigation test results of four-group rats after 3 months of exposure

表3

暴露6个月后4组大鼠定位航行实验结果(n=10,x±s

Table 3 Orientation navigation test results of four-group rats after 6 months of exposure

表4

暴露不同时间后4组大鼠空间探索试验结果(n=10,x±s

Table 4 Spatial probe test results of four-group rats after different exposure durations

参考文献

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[基金项目]

[作者简介] 刘颖(1991-), 女, 硕士生; 研究方向:大气颗粒物的健康效应; E-mail: 1549556023@qq.com

[收稿日期] 2017-12-04 00:00:00.0

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