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        內(nèi)質(zhì)網(wǎng)過度應激在肺缺血/再灌注小鼠心肌損傷中的作用*

        2018-05-15 03:51:32項冰倩郝卯林戴雍月王萬鐵
        中國應用生理學雜志 2018年1期
        關鍵詞:內(nèi)質(zhì)網(wǎng)試劑盒心肌

        項冰倩,高 慧,郝卯林,戴雍月,王萬鐵

        (溫州醫(yī)科大學缺血/再灌注損傷研究所,浙江溫州325035)

        肺缺血 /再灌注損傷(ischemia/reperfusion injury,I/RI)是肺溶栓治療、肺移植、肺切除等手術常見的病理過程。肺缺血/再灌注引發(fā)急性肺損傷的同時還可誘發(fā)遠隔器官損傷,如腦、心臟、肝及腎臟等。心臟血流量和耗氧量大,對缺血缺氧較為敏感,是較易受累的器官。肺缺血再灌注引起的缺血、缺氧可誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激(endoplasmic reticulum stress,ERS),內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激是指當機體發(fā)生缺血、缺氧,氧化應激,葡萄糖/營養(yǎng)物質(zhì)匱乏,異常糖基化反應和鈣離子穩(wěn)態(tài)失衡等時,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)未折疊蛋白明顯增多,當超出內(nèi)質(zhì)網(wǎng)處理能力時,細胞會激活未折疊蛋白反應、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)超負荷反應和Caspase 12介導的凋亡通路等信號途徑,來應對條件的變化和恢復內(nèi)質(zhì)網(wǎng)良好的蛋白質(zhì)折疊環(huán)境。適度的ERS可恢復細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和維持細胞存活,但持續(xù)過強的ERS則會導致細胞凋亡甚至死亡,在缺血/再灌注損傷中起重要作用[1-3]。前期的研究結果表明,過度內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激參與了肺缺血/再灌注損傷,且抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激能減輕肺I/R損傷[1,4],但其是否參與了肺 I/R誘發(fā)的心肌損傷目前尚未見有關報道。因此本研究在肺缺血/再灌注模型上通過使用ERS激動劑衣霉素及抑制劑4-苯丁酸來探討內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激在肺缺血再灌注小鼠心肌損傷中的作用,為臨床防治肺I/R引起的遠隔器官損傷提供科學依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試劑與儀器

        1.1.1 主要試劑 二甲基亞砜(dimathy sulfoxide,DMSO)(上海申工生物技術有限公司);衣霉素(tunicamycin,TM)和 4-苯丁酸(4-phenylbutyric acid,PBA)(Sigma公司);氯胺酮和塞拉嗪(中國福建古田藥業(yè)有限公司);Caspase 3酶活性檢測試劑盒和BCA蛋白定量試劑盒(碧云天生物技術研究所);TUNEL試劑盒(瑞士 Roche公司);肌酸激酶同工酶(creatine kinase-MB,CK-MB)及乳酸脫氫酶(lactic dehydrogenase,LDH)試劑盒(南京建成生物工程研究所);逆轉錄試劑盒(Thermo公司);葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(glucose regulated protein 78,GRP78),c-Jun氨基末端激酶(c-JunN-terminalkinase,JNK),p-Jun氨基末端激酶(p-JunN-terminalkinase,p-JNK),天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶-12(cysteinylaspartate specific proteinase 12,Caspase 12)和 CCAAT增強子結合蛋白同源蛋白(CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein,CHOP)一抗(Cell Signaling Technology公司,美國);辣根酶標記山羊抗兔二抗(中國博蘊);一抗稀釋液(碧云天生物技術研究所);PVDF膜(德國 Millipore公司);胎牛血清(美國 Gibco公司);脫脂奶粉(美國BD公司)。

        1.1.2 主要儀器 UV-800全自動凝膠成像分析系統(tǒng)(溫州奧利生物醫(yī)學儀器廠);光學顯微鏡(Nikon,日本尼康);高速冷凍離心機(Thermo,美國);全自動生化分析儀(7600-020,日本日立公司產(chǎn)品);紫外分光光度計(Ultrospec 2100pro Amersham BioSciences,美國);PCR熱循環(huán)儀(LifePro,杭州博日科技有限公司);多功能酶標儀(Thermo,美國);蛋白電泳/轉膜儀(BIO-RAD,美國);電熱恒溫水溫箱(上海賀德試驗設備廠);DYY-5型穩(wěn)壓穩(wěn)流電泳儀(北京市六一儀器廠)。

        1.2 動物模型與干預

        1.2.1 實驗動物與模型建立 雄性健康 SPF級C57BL/6J小鼠40只,體質(zhì)量 20~24 g,8~10周齡,由溫州醫(yī)科大學實驗動物中心提供【SYXK(浙)2012-075】。依據(jù)文獻采用C57BL/6J小鼠在體左側肺門夾閉制備缺血/再灌注(I/R)模型[5]。腹腔注射 100 mg/kg氯胺酮和塞拉嗪 10 mg/kg麻醉,維持體溫36.5℃~37.5℃。消毒胸頸部皮膚后切開并分離皮下組織和肌肉,暴露氣管T型切開,氣管插管后接呼吸機行機械通氣,呼吸機參數(shù)為:吸呼比2∶3,呼吸頻率 120 counts/min,100%氧濃度,潮氣量 0.6~0.8 ml/min。于左胸部3~5肋間處開胸并游離左側肺門,用動脈夾阻斷左肺門,30 min后松開動脈夾再灌注180 min制備肺缺血再灌注模型。Sham組僅行開胸處理,不夾閉肺門,機械通氣210 min;TM組、4-PBA組分別于造模前30 min腹腔注射衣霉素1 mg/kg和 4-苯基丁酸 400 mg/kg,再制備肺缺血/再灌注模型。

        1.2.2 動物分組與干預 采用隨機數(shù)字表法,將其分為 4組(n=10):假手術組(Sham組)、缺血/再灌注組(I/R組)、ERS通路激動劑衣霉素(Tunicamycin,TM)組,ERS通路抑制劑4-PBA組。TM組、4-PBA組分別于造模前30 min腹腔注射衣霉素1 mg/kg和4-PBA 400 mg/kg,再制備肺缺血/再灌注模型。

        1.3 檢測方法

        1.3.1 光鏡下心肌組織形態(tài)學觀察 開胸取出心肌組織后,取約0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm大小心肌組織,經(jīng)4%甲醛固定,常規(guī)進行石蠟包埋切片,HE染色后光鏡下觀察各組標本組織學改變。

        1.3.2 心肌酶檢測 再灌注180 min時,眼眶取血,于-80℃冰箱保存。按照CK-MB及 LDH試劑盒操作說明書用全自動生化分析儀檢測血清CK-MB及LDH的濃度。

        1.3.3 TUNEL法檢測心肌細胞凋亡指數(shù) 石蠟包埋心肌組織并切片,依次經(jīng)染色、二甲苯、無水乙醇、95%和75%乙醇、PBS漂洗后加入蛋白酶K溶液去除組織蛋白,蒸餾水漂洗后按照TUNEL試劑盒操作說明書進行操作,光學顯微鏡(×400)下觀察心肌細胞凋亡情況。細胞核呈現(xiàn)棕黃色者為陽性細胞,即凋亡細胞。每張切片400倍光鏡下隨機選擇10個視野并記錄總細胞數(shù)和陽性凋亡細胞數(shù),計算凋亡指數(shù)(apoptosis index,AI),AI=(凋亡細胞數(shù)/總細胞數(shù))×100%。

        1.3.4 Caspase 3酶活性檢測 按每3~10 mg心肌組織加入100μl裂解液的比例加入裂解液,冰上研磨成勻漿,轉移到1.5 ml離心管中冰中裂解5 min。4℃,20 000 r/min離心 10~15 min后轉移上清液,按照Caspase 3活性檢測試劑盒操作說明書進行操作,采用分光光度計法檢測心肌組織中Caspase 3酶活性。

        1.3.4 Western blot分析 取心肌組織,低溫下充分研磨,400μl RIPA(含 4μl PMSF)裂解組織,混勻后取勻漿液4℃離心取上清,BCA蛋白定量試劑盒測定蛋白濃度并繪制標準曲線。將蛋白樣品制成2 μg/μl,煮沸 10 min變性。凝膠電泳,上樣量 20μl,濕轉至PVDF膜,5%脫脂奶粉室溫封閉2 h,TBST漂洗,JNK、GRP78、CHOP一抗(1∶1 000)、GAPDH、Caspase12一抗(1∶800),4℃孵育過夜。TBST洗滌 3次,每次7 min,加入二抗室溫孵育1 h。TBST洗滌3次,每次5 min,加ECL工作液反應2 min,暗室曝光,顯影、定影后,凝膠分析軟件分析蛋白吸光度值。p-JNK條帶灰度值和JNK條帶灰度值之比表示p-JNK蛋白相對含量,Caspase 12、CHOP、GRP78條帶灰度值和內(nèi)參GAPDH灰度值之比表示Caspase 12、CHOP、GRP78蛋白相對含量。

        1.3.4 RT-PCR分析 取心肌組織加液氮研磨,Trizol法提取總RNA,測定RNA濃度,按照RT-PCR試劑盒說明書進行cDNA合成及擴增。PCR參數(shù),預變性:94℃,3 min;變性:94℃,30 s;退火:JNK(56℃),Caspase 12(58℃),CHOP(54℃),GRP78(49℃),GAPDH(58℃),30 s;延伸:72℃,1 min;終止延伸:72℃,5 min;循環(huán)33次。RT-PCR以GAPDH為內(nèi)參。引物序列見表1。結果用Quantity One分析。JNK、Caspase 12、CHOP、GRP78 mRNA條帶灰度值和內(nèi)參GAPDH條帶灰度值的比值表示 JNK、Caspase 12、CHOP、GRP78 mRNA相對含量。

        1.4 統(tǒng)計學方法

        采用SPSS19.0軟件進行分析,正態(tài)分布的計量資料以均數(shù)±標準差(±s)表示,組間比較采用單因素方差分析。

        Tab.1Sequences of the primers

        2 結果

        2.1 小鼠肺缺血/再灌注損傷后光鏡下心肌組織形態(tài)學觀察

        光學顯微鏡結果顯示:Sham組心肌組織結構和細胞層次清晰可見,細胞排列整齊緊密,形態(tài)正常。I/R組心肌細胞間隙和細胞體積稍增大,胞質(zhì)疏松、淡染,水腫較明顯。TM組細胞明顯水腫,伴有部分細胞壞死。4-PBA組細胞排列尚規(guī)則,體積稍大,呈輕度水腫改變(圖1)。

        Fig.1 Morphologic changes of heart tissue in each group(HE×200)

        2.2 小鼠肺缺血/再灌注損傷后血清 CK-MB和LDH活性觀察

        與Sham組相比,其余3組CK-MB和LDH活性均明顯升高(P<0.01);與 I/R組相比,TM組 CKMB和LDH活性明顯升高(P<0.01),4-PBA組則明顯下降(P<0.01);與 TM組相比,4-PBA組明顯下降(P<0.01,表 2)。

        Tab.2 The change of CK-MB and LDH(U/L,±s,n=10)

        Tab.2 The change of CK-MB and LDH(U/L,±s,n=10)

        Sham:Sham group;I/R:Ischemia/reperfusion injury group;TM:Tunicamycin group;4-PBA:4-phenylbutyric acid group;CKMB:Creatine kinase-MB;LDH:Lactic dehydrogenase**P<0.01 vs sham group;##P<0.01 vs I/R group;△△P<0.01 vs TM group

        group CK-MB LDH Sham 526.16±30.70 1540.91±51.07 I/R 1511.02±57.44** 6252.77±63.72**TM 2254.69±66.18**##6953.00±79.87**##4-PBA 925.15±69.83**##△△ 5335.47±71.40**##△△

        2.3 小鼠肺缺血/再灌注損傷后心肌細胞凋亡指數(shù)觀察

        TUNEL染色結果顯示:與Sham組相比,其余3組細胞凋亡指數(shù)均明顯升高(P<0.01);與 I/R組相比,TM組細胞凋亡指數(shù)明顯升高(P<0.01),4-PBA組則明顯下降(P<0.01);與 TM組相比,4-PBA組細胞凋亡指數(shù)明顯下降(P<0.01,表 3,圖 2)。

        Fig.2 Cell apoptosis index of heart tissue in each group(TUNEL×200)

        2.4 小鼠肺缺血/再灌注損傷后心臟組織中Caspase 3酶活性觀察

        Caspase 3酶活性結果顯示,與Sham組相比,其余3組Caspase 3酶活性均明顯升高(P<0.01);與I/R組相比,TM組Caspase 3酶活性明顯升高(P<0.01),4-PBA組則明顯下降(P<0.01);與 TM組相比,4-PBA組明顯下降(P<0.01,表 3)。

        Tab.3 Change of cell apoptosis index and Caspase 3 enzymatic activity(±s,n=10)

        Tab.3 Change of cell apoptosis index and Caspase 3 enzymatic activity(±s,n=10)

        Sham:Sham group;I/R:Ischemia/reperfusion injury group;TM:Tunicamycin group;4-PBA:4-phenylbutyric acid group**P<0.01 vs sham group;##P<0.01 vs I/R group;△△P<0.01 vs TM group

        Caspase 3 Sham 13.05±3.40 37.74±7.16 I/R 75.85±4.49** 127.74±8.72**TM 86.63±4.24**## 220.61±14.69**##4-PBA 60.18±4.14**##△△ 83.58±8.10**##Group Apoptosis index(%)△△

        2.5 小鼠肺缺血/再灌注損傷后心肌組織 JNK、Caspase 12、CHOP、GRP78 mRNA表達水平的變化

        與Sham組相比,其余 3組 JNK、Caspase 12、CHOP和GRP78 mRNA表達水平均明顯升高(P<0.01);與 I/R組相比,TM組 JNK、Caspase 12、CHOP和GRP78 mRNA表達水平明顯升高(P<0.01),4-PBA組則明顯下降(P<0.01);與 TM組相比,4-PBA組mRNA表達水平明顯下降(P<0.01,表4)。

        2.6 小鼠肺缺血/再灌注損傷后心肌組織p-JNK、Caspase 12、CHOP、GRP78蛋白表達水平的變化

        與Sham組相比,其余 3組 p-JNK、Caspase 12、CHOP和GRP78蛋白表達水平均明顯升高(P<0.01);與 I/R組相比,TM組 p-JNK、Caspase12、CHOP和GRP78蛋白表達水平明顯升高(P<0.01),4-PBA組則明顯下降(P<0.01);與 TM組相比,4-PBA組蛋白表達水平明顯下降(P<0.01,表5)。

        3 討論

        I/R是臨床常見的病理過程,器官 I/R時細胞內(nèi)信號轉導涉及多條途徑,其中ERS和JNK信號轉導通路在臟器I/R中起重要作用[1]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激發(fā)生時,ERS既能誘導GRP78、GRP94等內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶表達而產(chǎn)生保護效應,亦能獨立地誘導細胞凋亡。

        Tab.4 Expression levels of JNK,Caspase 12,CHOP and GRP78 mRNA in each group(±s,n=10)

        Tab.4 Expression levels of JNK,Caspase 12,CHOP and GRP78 mRNA in each group(±s,n=10)

        Sham:Sham group;I/R:Ischemia/reperfusion injury group;TM:Tunicamycin group;4-PBA:4-phenylbutyric acid group;JNK:c-JunN-terminalkinase;Caspase 12:Cysteinylaspartate specific proteinase-12;CHOP:CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein;GRP78:Glucose regulated protein 78**P<0.01 vs Sham group;##P<0.01 vs I/R group;△△P<0.01 vs TM group

        Group JNK Caspase 12 CHOP GRP78 Sham 0.14±0.04 0.15±0.05 0.16±0.05 0.14±0.05 I/R 0.48±0.06** 0.55±0.03** 0.57±0.06** 0.45±0.06**TM 0.59±0.07**## 0.69±0.06**## 0.69±0.02**## 0.58±0.06**##4-PBA 0.39±0.02**##△△ 0.44±0.07**##△△ 0.45±0.07**##△△ 0.34±0.03**##△△

        Tab.5 Expression levels of p-JNK,Caspase 12,CHOP and GRP78 protein in each group(±s,n=10)

        Tab.5 Expression levels of p-JNK,Caspase 12,CHOP and GRP78 protein in each group(±s,n=10)

        Sham:Sham group;I/R:Ischemia/reperfusion injury group;TM:Tunicamycin group;4-PBA:4-phenylbutyric acid group;JNK:c-JunN-terminalkinase;Caspase 12:Cysteinylaspartate specific proteinase 12;CHOP:CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein;GRP78:Glucose-regulated protein 78**P<0.01 vs Sham group;##P<0.01 vs I/R group;△△P<0.01 vs TM group

        Group p-JNK Caspase 12 CHOP GRP78 Sham 0.18±0.03 0.26±0.07 0.23±0.05 0.27±0.06 I/R 0.77±0.06** 0.74±0.04** 0.77±0.03** 0.61±0.02**TM 0.89±0.08**## 0.83±0.03**## 0.86±0.07**## 0.72±0.05**##4-PBA 0.64±0.05**##△△ 0.60±0.08**##△△ 0.67±0.04**##△△ 0.48±0.08**##△△

        ERS通路激動劑衣霉素是N-乙酰葡糖胺磷酸轉移酶的抑制劑,可抑制N-蛋白質(zhì)糖基化作用的第一步催化反應,引起蛋白質(zhì)糖基化障礙,誘導未折疊蛋白積聚,導致體內(nèi)外發(fā)生廣泛的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激反應[6-8]。是目前體外用于誘導內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激較經(jīng)典的藥物[9,10]。ERS抑制劑 PBA是一種化學性分子伴侶,可通過抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激減輕非折疊蛋白反應并進一步減輕組織損傷。

        本實驗中GRP78的急速上調(diào)被認為是ERS最敏感的標志物[11,12]。JNK信號通路是 ERS的凋亡途徑之一。有研究表明,在臟器I/R損傷過程中,JNK發(fā)生過度激活,而在缺血或再灌注前抑制JNK激活可明顯減少細胞凋亡,減輕臟器 I/R損傷[13-15]。Caspase 12廣泛存在于小鼠的各組織中,是ERS的主要凋亡信號分子之一,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)鈣離子平衡的失調(diào)或者內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白積累過多都會導致Caspase 12的表達。過度的ERS可引起其他Caspase家族如Caspase 9和Caspase 3的活化,引起一系列的級聯(lián)反應,最終導致細胞凋亡的發(fā)生[16,17]。CHOP是促凋亡的重要信號分子,是ERS特異的轉錄因子,在正常情況下表達水平很低,而在ERS時,其表達量大大增加,被認為是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的標志物[18]。細胞凋亡是程序性細胞死亡(programmed cell death,PCD),可被多種細胞信號激活,主要信號通路有線粒體途徑與死亡受體途徑。細胞內(nèi)的凋亡信號通常激活線粒體途徑,釋放線粒體促凋亡蛋白及凋亡誘導因子(apoptosis inducing factor,AIF)等,激活 Caspase級聯(lián)反應,誘發(fā)細胞凋亡。

        本實驗光鏡結果說明肺缺血/再灌注引發(fā)了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激并造成心肌損傷,而ERS通路抑制劑4-PBA能明顯降低心肌組織損傷性因子的表達,減輕心肌組織學損傷性結構的改變,對心肌組織起到了有效的保護作用,其機制可能與抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激通路有關。鄒麓等[19]研究表明大鼠離體心肌細胞的損傷與ERS相關的凋亡密切相關,缺血后處理能減輕大鼠離體心臟缺血/再灌注損傷,可能與抑制PERK通路介導的ERS相關凋亡相關。除此之外,梁向艷等人的研究[20]亦表明血管鈉肽可減輕糖尿病大鼠缺血/再灌注心臟損傷,可能是通過cGMPPKG信號通路抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激及細胞凋亡促進心臟功能恢復。

        綜上所述,過度內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激參與肺缺血/再灌注心肌損傷,抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激能減輕心肌組織損傷。

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