Increase of reactive oxygen species generation in cerebral cortex slices after the transiently enhanced metabolic activity

短暫增強代謝活動后大腦皮層切片中活性氧生成的增加

來源：Neuroscience Research, Volume 123, 2017, Pages 55-64

《神經科學研究》，第123卷，2017年，第55-64頁

 

摘要

這篇論文的摘要討論了在缺氧-再氧合等條件下，活性氧（ROS）生成增加的現象。研究關注另一種缺氧情況：短暫增強的能量代謝（如癲癇發作）導致組織氧分壓（pO2）降低，但ROS生成是否在代謝增強后的恢復期增加尚不明確。研究使用高鉀處理誘導大腦皮層切片代謝活動短暫增強，通過化學發光、組織pO2和氧化還原平衡測量，發現高鉀處理后的恢復期ROS生成增強，而反向處理或無處理則無此效應。高鉀處理引起組織pO2短暫降低和氧化還原平衡向還原方向偏移，表明代謝活動增強及其恢復可能與ROS生成相關。

 

研究目的

本研究旨在調查大腦組織中短暫增強能量代謝誘導的缺氧狀態后，ROS生成是否增加，并探討其與組織pO2變化和氧化還原平衡的關系，以模擬生理或病理條件下代謝活動增強導致的ROS生成機制。

 

研究思路

研究思路包括使用大鼠大腦皮層切片，通過高鉀處理（50mM KCl）短暫增強代謝活動，模擬神經活動增強狀態。采用實時生物放射成像技術檢測超氧化物依賴性化學發光，以量化ROS生成。同時，使用丹麥Unisense氧微電極和氧化還原微電極實時測量組織pO2和氧化還原電位變化。實驗設置不同處理組：高鉀后對照鉀處理、對照鉀后高鉀處理、單獨高鉀或對照鉀處理，以比較ROS生成動態。通過測量氧消耗率和FDG攝取率驗證代謝活動增強，并結合藥理學和統計學分析，探討ROS生成與代謝、氧供需平衡的關聯。

 

測量的數據及研究意義

1 ROS化學發光強度數據：通過實時生物放射成像測量切片中超氧化物依賴性化學發光強度，顯示高鉀處理后的恢復期（對照鉀處理）化學發光顯著增強，而反向處理或無處理則無變化。數據來自圖2、圖3和圖4。研究意義在于直接證明短暫代謝增強后的恢復期ROS生成增加，揭示了代謝活動波動與氧化應激的因果關系，為理解癲癇等病理狀態中ROS爆發提供實驗依據。

 

 

 

2 鉀濃度和灌注速率對ROS生成的影響數據：不同鉀濃度（5、14、28、50mM）和灌注速率（3、6、12mL/min）處理下，化學發光強度在恢復期呈鉀濃度依賴性增加和氧輸送依賴性降低。數據來自圖5。研究意義表明ROS生成受代謝強度（鉀濃度）和氧可用性（灌注速率）調節，強調氧供需失衡在ROS生成中的關鍵作用，模擬體內血流變化對腦氧化狀態的影響。

 

3 氧消耗和FDG攝取數據：氧消耗率和FDG攝取率隨鉀濃度增加而升高，50mM鉀時達峰值。數據來自圖6。研究意義驗證高鉀處理有效增強能量代謝，確認代謝活動增強是pO2降低和ROS生成的前提，為代謝-氧化應激聯動提供量化證據。

 

4 組織pO2和氧化還原電位數據：使用丹麥Unisense電極實時測量顯示，高鉀處理引起組織pO2降低29%和氧化還原電位向還原方向偏移68%，恢復期逐漸正常。數據來自圖7。研究意義在于實時捕獲代謝活動中氧和氧化還原動態，直接關聯缺氧與氧化還原失衡，為ROS生成的生理機制提供實證。

 

 

 

結論

1 短暫增強能量代謝（如高鉀處理）后的恢復期，大腦皮層切片中ROS生成顯著增加，但這種增加不單純依賴于代謝率，而是與代謝活動波動導致的短暫缺氧和氧化還原失衡相關。

2 ROS生成由代謝增強誘導的組織pO2降低和氧化還原平衡向還原方向偏移觸發，恢復期氧可用性正常化時ROS爆發，模擬了生理或病理狀態（如癲癇）中神經活動增強后的氧化應激。

3 研究強調了代謝活動、氧供需平衡和氧化還原狀態在ROS生成中的相互作用，為腦疾病中氧化損傷機制提供了新見解。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量的組織pO2和氧化還原電位數據具有關鍵研究意義，因為它提供了高時空分辨率的實時定量，能夠直接監測腦切片微環境中的物理化學變化。Unisense氧電極基于克拉克原理，生成與氧分壓成正比的電流，允許以毫秒級精度測量組織深度剖面中的pO2變化（如圖7A）。研究意義包括：首先，電極的高靈敏度（可檢測百帕級pO2變化）實時揭示了高鉀處理如何引起組織pO2降低29%，證實代謝增強導致局部缺氧，為缺氧誘導ROS生成提供直接證據。其次，氧化還原電極測量氧化還原電位（如圖7B），顯示高鉀處理下電位向還原方向偏移68%，表明代謝活動增強導致氧化還原失衡，電子積累可能促進超氧化物形成。這些數據通過實時關聯pO2下降和還原態偏移，將代謝活動與氧化應激直接鏈接，證實短暫缺氧后的再氧合是ROS爆發的關鍵階段。Unisense電極的應用增強了實驗的可靠性，使研究人員能夠量化代謝波動中的氧動力學，為理解腦能量代謝與氧化應激的因果關系提供了不可替代的工具。