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

硫化氫通過促進海馬的Warburg效應突觸可塑性通路減輕術后認知功能障礙

來源：Toxicology and Applied Pharmacology 409 (2020) 115286

 

1. 論文摘要核心內容

 

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

 

逆轉內源性H?S生成抑制：術后大鼠海馬內源性H?S合成酶（CBS、3-MST）表達下降，H?S水平降低（圖2），NaHS治療可恢復其水平。

 

 

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

 

 

增強突觸可塑性：NaHS提升突觸蛋白（synapsin-1、PSD-95）表達（圖4），改善突觸超微結構（突觸密度↑、活性區長度↑、PSD厚度↑）（圖9）。

 

 

 

認知功能改善：通過Y迷宮、新物體識別（NOR）、水迷宮（MWM）測試證實NaHS逆轉術后認知障礙（圖3）。

 

 

機制驗證：糖酵解抑制劑2-DG阻斷NaHS的沃伯格效應激活及認知保護作用（圖6-8），證實 H?S→沃伯格效應→突觸可塑性→認知改善 的通路（圖1）。

 

 

 

 

 

 

2. 研究目的

 

1.探究 H?S是否緩解POCD 及其與海馬內源性H?S系統的關系。

2.闡明 沃伯格效應（有氧糖酵解） 在H?S神經保護中的作用。

3.驗證 突觸可塑性 是否為H?S改善POCD的關鍵下游機制。

 

3. 研究思路

 

1.動物模型：

 

18月齡SD大鼠接受剖腹手術（模擬POCD），術后腹腔注射NaHS（30/100 μmol/kg）或聯合2-DG（糖酵解抑制劑）。

 

分組：對照組、手術組、手術+NaHS組、手術+NaHS+2-DG組等（圖1）。

2.認知行為學評估：

 

Y迷宮：工作記憶（自發交替率，圖3A）。

 

新物體識別（NOR）：識別記憶（辨別指數，圖3D）。

 

水迷宮（MWM）：空間學習記憶（逃避潛伏期、平臺穿越次數，圖3F,H）。

3.分子與超微結構分析：

 

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

 

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

 

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

4.機制驗證：2-DG抑制糖酵解，觀察其對NaHS保護作用的逆轉（圖6-8）。

 

4. 關鍵數據及研究意義

(1) 內源性H?S系統受損與恢復（圖2）

 

 

數據：

 

術后海馬 CBS/3-MST表達↓（圖2A-B），H?S濃度↓（Unisense電極測量，圖2C）。

 

NaHS（100 μmol/kg）恢復酶表達及H?S水平（*P<0.05 vs 手術組）。

 

意義：首次證實POCD伴隨 海馬H?S代謝障礙，外源性H?S可修復內源性系統。

 

(2) 認知行為改善（圖3）

 

 

數據：

 

Y迷宮：手術組自發交替率↓（工作記憶受損），NaHS恢復至正常（圖3A）。

 

NOR：手術組辨別指數↓（識別記憶受損），NaHS顯著提升（圖3D）。

 

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

 

意義：H?S全面改善 術后多種認知域障礙，為臨床干預提供依據。

 

(3) 沃伯格效應激活（圖5）

 

 

數據：

 

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

 

NaHS顯著逆轉上述變化（*P<0.05 vs 手術組）。

 

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

 

(4) 突觸可塑性增強（圖4,9）

 

 

數據：

 

術后 synapsin-1/PSD-95表達↓（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，改善超微結構（*P<0.05 vs 手術組）。

 

意義：H?S通過 結構-功能雙重修復 突觸，支撐認知恢復。

 

(5) 機制驗證（圖6-8）

 

 

數據：

 

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

 

2-DG單獨使用不影響正常大鼠認知（排除非特異性毒性）。

 

意義：確立 沃伯格效應為H?S的核心下游機制，為靶向代謝干預POCD提供依據。

 

5. 結論

 

1.H?S是POCD潛在治療靶點：外源性H?S（NaHS）恢復內源性H?S生成，逆轉術后認知障礙。

2.代謝-突觸軸心機制：H?S通過激活海馬沃伯格效應（↑糖酵解/乳酸生成），促進突觸可塑性（↑突觸蛋白/結構完整性），最終改善認知。

3.臨床轉化價值：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電極的核心價值

(1) 技術突破性應用

 

 

原位實時監測H?S動力學：

 

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

 

關鍵數據：術后H?S濃度從 0.35→0.15 μmol/mg/min，NaHS恢復至 0.32 μmol/mg/min（*P<0.05）。

 

(2) 關鍵科學貢獻

 

 

精準量化H?S代謝異常：

 

直接證實POCD早期存在 海馬H?S合成障礙，為“內源性H?S系統受損”假說提供 直接證據。

 

揭示H?S劑量效應：

 

Unisense數據明確 NaHS 100 μmol/kg 為最優劑量（30 μmol/kg效果不顯著），指導后續實驗設計。

 

(3) 研究意義

 

 

機制深度解析：

 

Unisense數據將 H?S代謝變化 與 下游沃伯格效應（圖5）及 突觸可塑性（圖4,9）動態關聯，確立因果鏈條。

 

技術不可替代性：

 

傳統H?S檢測（如亞甲基藍法）需組織破碎，無法實現 原位實時監測；Unisense電極的 微創性（響應時間<1分鐘）和 高空間分辨率（組織水平）是機制研究的黃金標準。

 

總結

 

本研究通過 Unisense電極的高精度H?S監測，首次揭示POCD中 海馬H?S代謝缺陷 是認知障礙的早期事件，并闡明H?S通過 沃伯格效應-突觸可塑性軸 發揮神經保護作用。其技術價值在于：

 

1.動態代謝圖譜：Unisense捕捉H?S實時變化，為代謝重編程研究提供時間窗依據。

2.靶點驗證：H?S濃度與認知評分顯著相關（r=0.82, P<0.01），支持其作為POCD生物標志物。

3.轉化醫學橋梁：Unisense數據指導NaHS最佳劑量（100 μmol/kg），推動H?S供體向臨床轉化。

 

這一發現為老年手術患者認知保護提供了新視角，凸顯Unisense電極在神經代謝研究中的不可替代性。