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《浙江大学》 2004年
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海马神经细胞缺氧过程中一氧化氮(NO)的扩散反应动力学研究

杨勇  
【摘要】: 一氧化氮(nitric oxide,NO)在脑缺血/缺氧性疾病中发挥着重要作用。尽管对NO在脑缺血/缺氧过程中的生理和病理已有大量的研究,然而对NO在脑缺血/缺氧中的确切机制目前还没有认识清楚,而认识清楚NO在脑缺血/缺氧过程中的作用机制对临床上治疗脑缺血/缺氧引起的神经损伤和脑缺血/缺氧防治药物的开发都具有重要指导意义。 本论文以培养的大鼠海马神经细胞为模型,利用生物医学工程的研究方法,如图像处理和数学建模仿真等来研究NO在单个大鼠海马神经细胞内的分布;并以缺氧缺糖(Oxygen and Glucose Deprive,OGD)为离体脑缺血/缺氧模型(即对培养的海马神经细胞进行缺氧缺糖),对脑缺血/缺氧过程中NO的扩散反应进行了数学建模仿真和实验的研究。 最新的有关一氧化氮合酶(nitic oxide synthase,NOS)在细胞内分布的研究表明NOS是定向地分布于细胞的特定部位,通常定位于要作用的靶点附近。从方法学上,NOS特异性分布研究通常应用免疫组化的方法。而NOS的分布和NO信号强度是否一致?即由于NOS的不均匀分布,细胞的不同部位NO信号的强度是否也不一致,某些部位强,某些部位弱?有关这方面研究还未见报道。 本研究以离体培养的大鼠海马神经细胞为实验模型,利用特异性荧光染料DAF-2对胞内NO进行荧光标记,利用激光共聚焦进行实时扫描,采集图像。通过图像处理的方法对培养的单个海马神经细胞NO的分布进行了研究。实验的主要结果: 1,NO在培养的海马神经细胞内的浓度分布是不均匀的。胞体浓度分布最高,树突次之,轴突最低。这个结果于NOS分布的免疫组化实验结果相一致。因此用图像处理方法直接证明了神经细胞NO分布的不均匀性; 2、过对系列三维重建图像的分析发现,神经细胞在刺激后,不同部位NO的变化也是不一样的; 3、了验证荧光染料DAF一2是否对实验结果产生影响,通过利用NO供体和激光 共聚焦技术,证明在荧光染料DAF一2过饱和的条件下,胞内染料分布不影响 NO的分布研究。 NO在胞内产生后,作为自由气体分子,很快向胞外扩散,并在扩散的同时,和 许多化学物质发生反应。NO的反应和扩散是一个非常复杂的问题。由于目前还 缺乏有效的NO实时在体检测在技术和方法,因此,单从生物学角度无法进行深 入的研究,如NO通过扩散作用到靶点涉及到有效浓度(闭值)、有效浓度的维 持时间、作用范围以及NO与其他化学物质的相互反应等都有待进一步研究。数 学建模仿真的方法是研究许多复杂生物现象的有效方法。考虑到中风等脑缺血/ 缺氧疾病的高发病率,以及N0在脑缺血/缺氧性疾病中发挥着非常重要作用。 因此,我们从建模仿真的角度对脑缺血/缺氧过程中NO的扩散反应行为进行了 研究。 通过培养大鼠海马神经细胞,以OGD为离体脑缺血缺氧实验模型,利用荧光标 记和激光共聚焦实时扫描技术,对OGD状态下海马神经细胞NO、02一等的变化 进行了检测。并对OGD状态下NO的扩散以及OGD状态下NO的反应网络进 行了数学建模和仿真的研究。所得结果如下: 1,关于血管内皮细胞和神经细胞在脑缺血/缺氧过程中NO合成动力学 血管内皮细胞和神经细胞在脑缺血/缺氧过程中NO都出现升高,但我们的研究 发现,神经细胞NO的升高要早于血管内皮细胞。通过比较两者c扩+升高的不 同,提出了导致这种差异的可能机理。 2,关于由神经细胞nNOS产生的NO的扩散过程 建立了数学模型,对由神经细胞NOS产生的NO的扩散过程进行了仿真,结果 显示由NOS产生的NO有可能通过扩散作用到脑血管,因而由神经细胞NOS产 生的NO有可能具有神经保护功能。 3,关于NO的反应网络模型 基于有关NO反应网络,建立了微分方程组数学模型,初步探讨了微分方程组的 数值解法。为进一步的深入研究打下基础。 因此,应用生物医学工程图像处理和数学仿真的方法,为NO在细胞内分布、胞 外扩散以及胞内外的反应研究提供了一种新的研究方法。这些方法的应用有助于 深入研究脑缺血等疾病NO的作用机制,为治疗和药物开发提供指导。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:R363

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