Abstract
Viele Patienten erholen sich nach einer Operation körperlich sehr gut, jedoch gibt es einige von ihnen, die unter Stimmungsschwankungen bis hin zur Depression leiden. Postoperative Depressionen können aus kognitiver Dysfunktion, Schmerzen und einem beeinträchtigten Immunsystem während der Operation resultieren. Es besteht jedoch eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass die Allgemeinanästhesie für die Entwicklung einer Depression verantwortlich ist. Hier setzten wir eines der am häufigsten verwendeten Anästhetika, Propofol, in einem Mausmodell ein, um zu untersuchen, ob dieses intravenöse Anästhetikum depressionsähnliche Verhaltensweisen bei Mäusen hervorrufen kann. Wir fanden heraus, dass eine Einzeldosis Propofol signifikant abnormale Verhaltensleistungen in Schwanzsuspension, forciertem Schwimmen und im offenen Feldtest verursachte. Wir untersuchten auch den Hirnschnitt dieser Mäuse und stellten fest, dass es eine signifikant reduzierte Expression des CD11b-Proteins gab, was eine Hemmung von Propofol auf die Mikroglia-Funktion zeigte. Wir untersuchten die Wirkung von Propofol auf das synaptische Protein, SYP, und stellten fest, dass es keinen nennenswerten Einfluss auf die Proteinexpression gab. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Propofol-Behandlung das depressiv-ähnliche Verhalten bei Mäusen über die Beeinflussung der Mikrogliazellenfunktion fördern könnte. Außerdem fanden wir heraus, dass der Spiegel des Zytokins IL-6 im Hirngewebe signifikant erhöht war, was in der Folge die Aktivierung des Transkriptionsfaktors STAT3 verursachen könnte. Unsere Ergebnisse können eine neue Perspektive für das weitere Verständnis des Mechanismus von Narkosemedikamenten und die Entschlüsselung des zugrunde liegenden Mechanismus der postoperativen Depression bieten.
1. Einleitung
Viele Patienten, die sich einer Vollnarkose oder einer Operation unterziehen, erleben eine Form der postoperativen Depression, insbesondere in den sechs Monaten nach einem invasiven Eingriff . Als eine der häufigen Komplikationen nach einer Operation kann eine Depression zu weiterer Morbidität und Mortalität führen, insbesondere bei älteren Patienten . Inzwischen haben Forscher herausgefunden, dass depressive Patienten eher andere Komplikationen nach der Operation haben. Sie sind weniger in der Lage, bei der Nachsorge nach der Operation, wie z. B. der rehabilitativen Therapie, gut mit den Pflegern zusammenzuarbeiten. Bei Patienten, die bereits eine vorbestehende Depression oder Angstzustände haben, ist die Erholungszeit von einer postoperativen Depression viel länger. Eine Studie deutet auch darauf hin, dass die Operation den Schweregrad der vorbestehenden Depression verschlimmern kann. Bislang ist wenig darüber bekannt, warum es einen so starken Zusammenhang zwischen einer Operation und Depressionen gibt. Einige Forscher vermuten, dass der psychologische Grund per se darin liegt, dass viele Menschen eine postoperative Depression erleben, weil die chirurgischen Eingriffe sie zwingen, sich mit ihrer eigenen Sterblichkeit zu konfrontieren. Einige Studien betonten auch die spezifischen Arten von Operationen per se auf die Induktion von postoperativen Depressionen, da Depressionen bei einigen größeren Operationen, einschließlich Gehirnoperationen, Hüftoperationen und Krebsresektionen, häufiger beobachtet zu werden scheinen. Neuere Studien deuten jedoch darauf hin, dass die Dauer der Narkose mit der Wahrscheinlichkeit und dem Schweregrad einer Depression in Zusammenhang zu stehen scheint. Propofol ist eines der am häufigsten verwendeten Narkosemittel in der Intensivpflege nach Operationen . Es wurde festgestellt, dass die Behandlung mit Propofol signifikant mit kognitiven Störungen in der postoperativen Phase assoziiert ist . Bisher wurde nicht untersucht, ob und wie Propofol den Stimmungsstatus bei Patienten und Tieren beeinflussen könnte. Daher haben wir ein Mausmodell mit einer Einzeldosis Propofol-Behandlung verwendet und die depressionsähnlichen Verhaltensweisen im Mausmodell getestet. Wir fanden heraus, dass Mäuse, die einer einmaligen Dosis Propofol-Behandlung ausgesetzt waren, angstähnliche Verhaltensweisen in einem Test im offenen Feld zeigten, indem sie weniger Zeit im zentralen Bereich aufhielten, und depressiv-ähnliche Verhaltensweisen in Schwanz-Suspension und forcierten Schwimmtests, indem sie eine längere Immobilitätszeit zeigten als Kontrollmäuse ohne Injektion von Propofol. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Propofol für die Stimmungsschwankungen nach der Operation verantwortlich sein könnte und dass dieser Effekt mit dem Einfluss von Propofol auf die Mikrogliazellen im zentralen Nervensystem (ZNS) zusammenhängen könnte.
2. Materialien und Methoden
2.1. Tiere und medikamentöse Behandlung
In der vorliegenden Studie verwendeten wir 8-10 Wochen alte männliche C57BL/6-Mäuse. Alle Mäuse hatten freien Zugang zu Wasser und Futter. Für alle Tierstudien hier wurden die Mäuse streng nach den Richtlinien des Chinese Council on Animal Care behandelt. Alle Verfahren wurden vom Animal Care Committee des Qingdao Municipal Hospital, Shandong, China, genehmigt. Es gab zwei Gruppen von Mäusen in der Studie: normale Kochsalzlösung (Kontrollen; ) und Propofol (75 mg/kg; ). Eine Einzeldosis Propofol wurde den Mäusen intraperitoneal verabreicht. Dabei wurde eine kommerzielle Propofol-Injektionslösung (Xi’an Libang Pharmaceuticals, China) verwendet. Die hier verwendete Propofol-Dosis wurde aus einer früheren Studie adaptiert. Während der Narkosezeit wurden alle Mäuse auf ein Heizkissen gelegt, um ihre Körpertemperatur zu halten. Verhaltenstests wurden 1 Woche später durchgeführt.
2.2. Offenes Feld
Für den Test im offenen Feld wurde hier eine quadratische Holzkiste verwendet, wie zuvor beschrieben. Zu Beginn des Tests wurde jede Maus in einer Ecke des Kastens mit Blick zur Wand platziert. Die gesamte zurückgelegte Strecke und die Gesamtzeit, die alle Mäuse in den inneren Quadraten verbrachten, wurden aufgezeichnet und in einer 5-minütigen Sitzung gemessen.
2.3. Tail Suspension Test
Für den Tail Suspension Test wurden die Prozeduren wie zuvor beschrieben durchgeführt. Die Mäuse wurden mit einem Band an einem kleinen Metallhaken am Schwanz aufgehängt und konnten in dieser Position nicht entkommen oder sich an nahe gelegenen Oberflächen festhalten. Die Gesamtzeit, die die Mäuse während der 6-minütigen Testdauer unbeweglich waren, wurde aufgezeichnet. Unbeweglichkeit ist definiert als ein Mangel an Versuchen der Mäuse, ihren Körper zu bewegen.
2.4. Forcierter Schwimmtest
Wir führten den forcierten Schwimmtest wie zuvor beschrieben durch. Die Mäuse wurden in einen mit Wasser gefüllten Glasbecher bei Raumtemperatur gesetzt. Wir testeten die gesamte Immobilitätszeit der Mäuse in einer 15-minütigen Testsitzung, und die letzten 6 Minuten wurden für die Immobilitätsdauer bewertet. Am Ende eines jeden Tests wurden die nassen Mäuse sofort in einen Käfig mit normaler Einstreu gesetzt, nachdem sie in einem trockenen Handtuch aufgewärmt worden waren.
2.5. Elevated-Plus-Labyrinth-Test
Das Elevated-Plus-Labyrinth ist eine einfache Methode zur Bewertung der Angstreaktionen von Tieren. Wir testeten das Angstniveau von Mäusen mit dem Elevated-Plus-Labyrinth-Assay, wie bereits berichtet. Grundsätzlich ist die Elevated-Plus-Labyrinth-Apparatur mit zwei offenen und zwei geschlossenen Armen ausgestattet und wird auf eine Höhe von ca. 50 cm über dem Boden angebracht. Zu Beginn jedes Tests wurde die Maus in das zentrale Quadrat gesetzt, indem sie dem offenen Arm zugewandt war, und dann durfte sie die Arme 5 Minuten lang erkunden. Die Zeit, die in den offenen Armen verbracht wurde, wurde aufgezeichnet und von einer Person analysiert, die nicht an der Versuchsplanung beteiligt war.
2.6. Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA)
Wir maßen den IL-6-Spiegel im Hirngewebe mit einem kommerziellen ELISA-Kit (eBioscience, Thermo Fisher Scientific). Jede Probe wurde in doppelter Ausführung mit entsprechenden Verdünnungen untersucht, damit die relativen Lumineszenzeinheiten in den linearen Bereich der Standardkurven fallen. Der Wert von IL-6 aus jeder Probe wurde normalisiert und als Verhältnis im Vergleich zum Gesamtladeprotein als relatives Verhältnis ausgedrückt. Die Absorption jeder Probe wurde mit einem Mikroplatten-Lesegerät (Synergy Mx, BioTek, Winooski, VT) gemessen.
2.7. Western Blot
Aufgelöste Gehirnproben wurden aufbereitet und auf SDS-PAGE-Gelen laufen gelassen. Sie wurden dann auf PVDF-Membranen übertragen, die anschließend mit 5% Magermilch in TBST-Puffer blockiert wurden. Die blockierten Membranen wurden mit Antikörpern gegen CD11b (1 : 4000; Abcam, UK), Synaptophysin (SYP), p-Stat-3 (1 : 1000; Cell Signaling, Danvers, MA) und Gesamt-Stat-3 (1 : 1000; Cell Signaling, Danvers, MA) in TBST-Milch über Nacht bei 4°C weiter untersucht. Nach Inkubation mit den sekundären Antikörpern für jeweils 2 Stunden bei Raumtemperatur wurden die Proteinbanden auf der Membran mittels Chemilumineszenzreaktion sichtbar gemacht. β-Actin wurde als interne Kontrolle verwendet (1 : 5000; Santa Cruz Biotechnology, CA, USA). Die quantitativen Ergebnisse wurden als Verhältnis des jeweiligen Zielproteins zu β-Actin ausgedrückt.
2.8. Statistische Analyse
Die in der Studie dargestellten Werte wurden als . Die Signifikanz des Unterschieds zwischen zwei Gruppen wurde durch die Analyse des Student’s -Tests bestimmt. Ein Wert von weniger als 0,05 wurde als statistisch signifikant angesehen.
3. Ergebnisse
3.1. Einzelne Dosis von Propofol-Exposition verursachte depressionsähnliche Verhaltensweisen bei Mäusen mit Tail Suspension und Forced Swimming Tests
Zunächst testeten wir die Hypothese, ob eine einzelne Dosis von Propofol-Behandlung langfristige Auswirkungen auf die Verhaltensleistung bei Mäusen verursachen könnte, indem wir uns auf die Depressionsweise konzentrierten. Wir verwendeten den Schwanzsuspensions- und den forcierten Schwimmtest bei diesen Mäusen, um die Langzeiteffekte von Propofol zu untersuchen. Im Schwanzaufhängungstest fanden wir, dass Propofol die Immobilitätszeit im Vergleich zu den Kontrollmäusen ohne Propofol-Behandlung signifikant erhöhte, wenn die Mäuse am Schwanz aufgehängt wurden (Abbildung 1). Um die depressiv-ähnlichen Verhaltensweisen bei den mit Propofol exponierten Mäusen weiter zu bestätigen, verwendeten wir die Kraft-Schwimm-Methode, um die immobile Zeit dieser Mäuse zu messen. Unsere Ergebnisse zeigten, dass Propofol die Gesamtzeit der immobilen Zeit im Vergleich zu den Mäusen der Kontrollgruppe erhöhte (Abbildung 2). Diese obigen Ergebnisse zeigten, dass eine einmalige Dosis von Propofol-Behandlung die langfristige depressive Verhaltensleistung bei Mäusen verursachen und aufrechterhalten kann.
3.2. Eine einzelne Dosis Propofol-Exposition verursachte angstähnliche Verhaltensweisen bei Mäusen im Open Field und Elevated Plus Maze Test
Angst ist die am häufigsten auftretende Komplikation bei Depressionen. Daher postulierten wir, ob Propofol angstähnliche Verhaltensweisen bei diesen Mäusen induzieren könnte, basierend auf den oben genannten Verhaltensergebnissen bei diesen Mäusen. Wir verwendeten den Open Field Assay, um das Angstniveau dieser Mäuse zu testen. Wie in Abbildung 3(a) gezeigt, reduzierte die Propofol-Behandlung effektiv die Gesamtzeit, die die Mäuse im offenen Feld auf dem mittleren Bereich verbrachten. Außerdem haben wir einen weiteren wichtigen Parameter des Tests gemessen, nämlich die Gesamtbewegungsstrecke der Mäuse. Wie erwartet, verringerte die Propofol-Injektion signifikant die Wegstrecke der Mäuse in der 5-minütigen Testsitzung im Vergleich zu den Kontrollmäusen (Abbildung 3(b)). Als nächstes untersuchten wir die angstähnlichen Verhaltensweisen dieser Mäuse im Elevated-Plus-Labyrinth-Assay. Wir fanden heraus, dass Mäuse, die mit Propofol exponiert wurden, signifikant weniger Zeit in offenen Armen verbrachten (Abbildung 4), was mit den Ergebnissen des offenen Feldtests übereinstimmte.
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3.3. Eine einzelne Propofol-Dosis verursachte einen erhöhten IL-6-Spiegel im Hirngewebe von Mäusen
Eine kürzlich durchgeführte Studie deutete auf eine Beteiligung der Neuroinflammation an postoperativen deliriumartigen kognitiven Defiziten hin. Wir testeten, ob Propofol das Expressionsniveau von IL-6 in den Hirngeweben dieser Mäuse beeinflussen könnte. Dazu führten wir einen ELISA-Assay in den Hirngeweben (Hippocampus und Kortex) durch, um das Niveau von IL-6 in Mäusen mit oder ohne Propofol-Behandlung zu bestimmen. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Propofol-Behandlung unter diesen Bedingungen in der Lage sein könnte, das Expressionsniveau dieses Zytokins in den Gehirnen der Mäuse, die Propofol ausgesetzt waren, hochzuregulieren (Abbildung 5). Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass Propofol die angst- und depressionsähnlichen Verhaltensweisen bei Mäusen durch die Beeinflussung der Entzündungsreaktion in ihren Gehirnen verursachen könnte.
3.4. Eine einzelne Dosis Propofol-Exposition verursachte die reduzierte Expression von CD11b und die erhöhte Expression von p-STAT-3 in den Hirngeweben der Mäuse
Zuletzt untersuchten wir die möglichen zellulären und molekularen Mechanismen, die für die Verhaltensänderungen in den mit Propofol exponierten Mäusen verantwortlich sein könnten. Wir testeten, ob Gliazellen durch die Propofol-Behandlung beeinflusst wurden, indem wir das Mikroglia-Maker-Protein, CD11b, untersuchten. Mit einer Western-Blot-Studie fanden wir heraus, dass das Expressionsniveau von CD11b in den Gehirnen von Mäusen mit Propofol-Behandlung reduziert war (Abbildung 6(a)), was darauf hindeutet, dass die Mikroglia-Funktion durch die Propofol-Behandlung reguliert werden könnte. Unterdessen wurde die Expression des präsynaptischen Proteins SYP durch die Propofol-Behandlung nicht beeinflusst (Abbildung 6(c)). Wir untersuchten auch die Funktion des Transkriptionsfaktors STAT-3, indem wir den Phosphorylierungsstatus von STAT-3 (p-STAT-3) untersuchten. Unsere Western Blot-Ergebnisse zeigten, dass die Propofol-Behandlung eine erhöhte Expression von p-STAT-3 verursachte, ohne die Expression von STAT-3 insgesamt zu beeinflussen (Abbildung 6(b)). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Propofol die Funktion der Mikrogliazellen beeinflussen und die Phosphorylierung von STAT-3 verstärken könnte, während es die angst- und depressionsähnlichen Verhaltensweisen bei Mäusen induziert.
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4. Diskussion
Kognitive und Gedächtnisstörungen sind ziemlich gut untersucht worden, aber die postoperative Stimmungsschwankung hat bisher nicht genug Aufmerksamkeit erregt. Einige Beweise unterstützten die Idee, dass es signifikante Stimmungsschwankungen gibt, die bei Patienten auftreten, die einer Operation und einer Anästhesiebehandlung ausgesetzt sind. Hier testeten wir eine neue Hypothese, dass die Anästhesie-Behandlung per se ausreichen könnte, um den Stimmungszustand bei Tieren, die sich einer einmaligen Anästhesie-Behandlung ohne begleitenden chirurgischen Eingriff unterzogen, signifikant zu beeinflussen. Wir verwendeten Propofol als repräsentatives Narkosemittel und injizierten es den Mäusen intraperitoneal. In den folgenden Tagen wurden eine Reihe von depressiven und ängstlichen Verhaltensweisen durchgeführt, um die Stimmungsänderungen bei den Mäusen zu beobachten. Wir fanden heraus, dass es signifikante Unterschiede in den Verhaltensleistungen zwischen diesen Mäusen mit und ohne Propofol-Exposition gab. Da diese Propofol-induzierten Effekte auch nach dem Absetzen des Medikaments über einen längeren Zeitraum anhielten, postulierten wir, dass diese Effekte nicht auf den akuten Einfluss des Narkosemittels zurückzuführen sind, sondern durch andere Systeme im ZNS vermittelt werden.
Neuroinflammation gilt als einer der Hauptfaktoren, die zur Depression und anderen Stimmungsänderungen im ZNS beitragen. Hier untersuchten wir, ob im Gehirn von Mäusen nach Propofol-Exposition eine Aktivierung von Mikrogliazellen stattfindet. Der Mikroglia-Zellproteinmarker, CD11b, der eines der üblichen Markerproteine ist, um die Aktivierung von Mikroglia zu demonstrieren, wurde mit Western Blot untersucht. Überraschenderweise zeigten unsere Ergebnisse, dass Propofol den Proteingehalt von CD11b hemmen konnte. Die plausible Erklärung hierfür ist, dass Propofol die CD11b-Proteinexpression unabhängig davon hemmen konnte, ob die Mikrogliazellen aktiviert waren oder nicht. Die herausragende Förderung von Propofol könnte für die potenzielle Behandlung zur Linderung der mikroglialen Überaktivierung bei einigen pathologischen Zuständen des ZNS, wie Trauma, Schlaganfall und Multiple Sklerose, von Bedeutung sein. Wir untersuchten auch die Wirkung von Propofol auf die synaptischen Proteine, die sehr wichtige fundamentale Faktoren hinter den Verhaltensleistungen der Tiere sind. Interessanterweise schien Propofol, obwohl es die Funktion der Mikrogliazellen beeinflussen konnte, keinen Einfluss auf die Expression synaptischer Proteine zu haben. Diese Ergebnisse stehen nicht im Einklang mit einigen früheren Berichten. Der mögliche Grund dafür könnte das unterschiedliche Zeitfenster sein, in dem die Proteine nach der Propofol-Gabe gesammelt wurden. Aber unsere Ergebnisse deuten dennoch darauf hin, dass Propofol einen unterschiedlichen Einfluss auf Neuronen und andere Gliazellen haben könnte. In der zukünftigen Studie sollten die Auswirkungen von Propofol auf gliale und neuronale Zellen individuell ausgearbeitet werden.
Die neuroinflammatorische Reaktion im ZNS, das der einmaligen Dosis von Propofol ausgesetzt war, wurde durch den ELISA-Test von IL-6 in diesen beiden Gruppen von Mäusen weiter validiert. Wir fanden heraus, dass die Propofol-Behandlung eine Hochregulierung von IL-6 im Gehirn der Mäuse induzieren konnte. Diese Befunde standen im Einklang mit den Ergebnissen von Propofol auf die Funktion der Mikrogliazellen. Während die CD11b-Komponente gehemmt wird, kann Propofol die relevanten Signalwege aktivieren, die für die Aktivierung der Mikrogliazellen wichtig sind.
Zusammenfassend deutet unsere Studie darauf hin, dass Propofol in der Lage ist, die Funktion der Mikrogliazellen zu beeinflussen und die Entzündungsreaktion im ZNS zu verschlimmern. Diese zelluläre und molekulare Reaktion könnte für die Verhaltensänderungen in den Mäusen verantwortlich sein, die mit einer Einzeldosis Propofol verabreicht wurden. Unsere Studie unterstreicht die wichtige Rolle der Anästhesie bei der Beeinflussung von Stimmungsänderungen nach einer Operation, aber die Stimmung könnte durch viele Faktoren signifikant beeinflusst werden, einschließlich der Entzündung, die bei den Patienten während und nach der Operation recht häufig zu beobachten ist. Daher sind für die Zukunft eine Reihe gut gestalteter, systemischer Studien an einem Tiermodell gerechtfertigt, die nicht nur die Anästhetika, sondern auch das Operationsverfahren mit einbeziehen.
Datenverfügbarkeit
Die Daten, die zur Untermauerung der Ergebnisse dieser Studie verwendet wurden, sind auf Anfrage vom entsprechenden Autor erhältlich.
Interessenkonflikte
Alle Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte haben.
Danksagungen
Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung durch die Abteilung für Orthopädie, Qingdao Municipal Hospital, Qingdao, Shandong, China, und die technische Unterstützung durch die Weifang Medical University, Weifang, China.