于芃,馬思聰,代新春,蔣敏,曹瑞華,張繼彬,韓東,李蘇雷,曹豐*
(1空軍軍醫(yī)大學西京醫(yī)院心血管內(nèi)科,西安 710032;2解放軍總醫(yī)院第二醫(yī)學中心,解放軍總醫(yī)院國家老年疾病臨床醫(yī)學研究中心,北京 100853)
近年來,高血壓、冠心病等心血管疾病發(fā)病率不斷升高,這些疾病最后可進展為心力衰竭(heart failure,HF),嚴重威脅人類的生命健康[1,2]。心肌纖維化(cardiac fibrosis)是心血管疾病中的主要過程,可引起心臟的收縮及(或)舒張功能下降,最終導致HF[3]。研究顯示,腎素-血管緊張素系統(tǒng)(renin-angiotensin system,RAS)的激活是HF進展的關鍵因素[4],其中血管緊張素Ⅱ(angiotension Ⅱ,AngⅡ)作為RAS的主要生物肽,通過增強結締組織生長因子(connective tissue growth factor, CTGF)-趨化因子FKN信號的激活,在心肌間質(zhì)纖維化過程中起重要作用,導致心肌肥大、心臟功能障礙及心臟損傷的加重[5]。Sirtuin 6(SIRT6)是一種保守的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性去乙?;?,已被證實在調(diào)節(jié)心臟功能、能量代謝以及衰老中起重要作用[6]。研究發(fā)現(xiàn),HF患者心臟中SIRT6表達水平顯著降低[7]。目前以SIRT6為靶點的藥物研發(fā)受到廣泛關注。煙酰胺單核苷酸(nicotinamide mononucleotide,NMN)是哺乳動物體內(nèi)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotina-mide adenine dinucleotide,NAD+)補救合成途徑的中間體[8],NMN具有修復腦功能、改善胰島素抵抗及促進心臟損傷修復的重要作用[9]。本研究通過使用微量泵泵入AngⅡ構建小鼠心肌纖維化模型,并通過腹腔注射NMN,觀察NMN抑制小鼠心肌纖維化的作用及其相關機制。
本研究所用實驗動物為SPF級雄性C57/BL6J小鼠,40只,體質(zhì)量25~30 g,8周齡;煙酰胺單核苷酸(NMN)購自中國湯普森有限公司;異氟烷購自河北一品公司;Trizol試劑(Invitrogen,CA)和Prime Script RT試劑盒(TAKARA,Japan)均購自武漢谷歌生物科技有限公司;SIRT6抗體、CollagenⅠ抗體、Collagen Ⅲ抗體、α平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA)抗體及內(nèi)參Tublin抗體均購自英國Abcam公司;微量泵Osmotic Pump,Model 1004購自美國Alzet 公司。所用設備包括:小鼠心臟超聲系統(tǒng)(Vevo?2100 VisualSonics,Canada);血壓測定儀(MOUSE CUFF Bp-98A,Softron Co Japan);酶標儀(Thermo,US)和Bio-Rad成像系統(tǒng)(BioRad,US)等。
使用異氟烷麻醉小鼠,取俯臥位固定小鼠,背部剃毛消毒,用剪刀剪開約2 cm皮下組織,心肌纖維化模型小鼠組埋入已預裝 Ang Ⅱ 1.6 mg/(kg·d)[10]的微量泵,對照組埋入預裝等量蒸餾水的微量泵,均皮下持續(xù)泵入給藥4周。各取10只給予NMN腹腔注射[300 mg/(kg·d)],注射時間為手術后即刻至術后4周。實驗動物共分為4組,分別為心肌纖維化模型小鼠組(模型組),生理鹽水正常對照組(對照組),心肌纖維化模型小鼠 + NMN(模型 + NMN組),生理鹽水正常對照 + NMN(對照 + NMN組),每組各10只小鼠。
異氟烷吸入麻醉小鼠,心前區(qū)脫毛后取仰臥位,經(jīng)胸行超聲檢查,探頭頻率為2~4 MHz,測量左室收縮末期內(nèi)徑(left ventricular end-systolic diameter,LVESD),左室舒張末期內(nèi)徑(left ventricular end diastolic diameter,LVEDD)和左室后壁厚度(left ventricular posterior wall thickness,LVPWT)。左室收縮功能通過左室射血分數(shù)(left ventricular ejection fraction,LVEF)和左室短軸縮短率(left ventricular fraction shortening,LVFS)進行評估,具體為LVEF(%)=(LVEDV-LDESV)/LVEDV×100%和LVFS(%)=(LVEDD-LVESD)/LVEDD ×100%。
采用尾套測壓法測量小鼠血壓(blood pressure,BP),具體操作為:使用血壓測定儀在術前1周及術后4周在小鼠清醒狀態(tài)下對小鼠尾動脈進行血壓測量,共測量3次,取平均值[11]。
藥物處理4周,小鼠血壓及心功能測定完成后,4組小鼠各取3只處死,切取心臟速凍備用。使用Trizol試劑從速凍小鼠心臟中提取總核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)。使用Prime Script RT試劑盒合成cDNA。在ABI 7900T實時系統(tǒng)(Applied,Biosystems,CA)中,使用SYBR Premix ExTaq Ⅱ(TAKARA,Japan)進行定量實時PCR(real-time quantitative polymerase chain reaction,RT-qPCR)檢測。引物序列如表1。GAPDH作為內(nèi)參。
表1 實時定量PCR引物序列
RT-qPCR: real-time quantitative polymerase chain reaction; GAPDH: glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase; SIRT6: Sirtuin 6; α-SMA: α-smooth muscle actin.
使用二喹啉甲酸(bicinchonininc acid,BCA)法(BioRad,US)測定整個心臟裂解物的蛋白質(zhì)濃度。將整個組織裂解物進行十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)電泳,隨后轉膜至聚偏氟乙烯(polyvinylidene uoride,PVDF)膜。5%蛋白封閉液封閉2 h,孵一抗過夜,孵二抗,通過化學發(fā)光法檢測目標蛋白質(zhì)。
小鼠麻醉后處死,分離心臟組織,4%多聚甲醛固定后脫水,石蠟包埋,切片厚度5 μm,分別對切片進行HE染色及Masson染色。使用Image-Pro Plus 6.0軟件對Masson染色圖像進行心肌膠原容積分數(shù)(collagen volume fraction,CVF)分析[12]。
4組小鼠在手術前均進行超聲心動圖檢測及血壓測定,結果顯示4組小鼠的基線情況一致,心功能指標及血壓未見統(tǒng)計學差異(P>0.05;表2)。
表2 4組小鼠基線情況
GroupLVESD(mm)LVEDD(mm)LVPWT(mm)BP(mmHg)Control0.313±0.0420.128±0.0150.064±0.006104.27±13.31Model0.327±0.0450.124±0.0170.068±0.009103.39±12.47Control+NMN0.318±0.0390.126±0.0180.065±0.007104.78±14.29Model+NMN0.323±0.0440.129±0.0210.062±0.005105.02±15.35
NMN: nicotinamide mononucleotide; LVESD: left ventricular end-systolic diameter; LVEDD: left ventricular end diastolic diameter; LVPWT: left ventricular posterior wall thickness.BP: blood pressure.1 mmHg=0.133 kPa.
通過心臟超聲對小鼠心功能進行評估,發(fā)現(xiàn)模型 + NMN組及模型組小鼠均表現(xiàn)出顯著的心臟肥大和心肌纖維化,但模型 + NMN組小鼠的心臟肥大和心肌纖維化程度顯著低于模型組,而對照組和對照 + NMN組小鼠較術前無顯著差異,均優(yōu)于模型 + NMN組及模型組小鼠(圖1A)。對照組和對照 + NMN組的LVEF以及LVFS較術前均無顯著變化,而模型 + NMN組及模型組小鼠的LVEF以及LVFS較術前和同期對照組和對照 + NMN組顯著下降,但模型 + NMN組的LVEF、LVFS下降程度顯著低于模型組(P<0.05;圖1B,C)。對小鼠血壓進行測量發(fā)現(xiàn),對照組和對照 + NMN組小鼠較術前無顯著差異,但模型 + NMN組及模型組小鼠的血壓顯著上升,而模型組小鼠上升程度高于模型 + NMN組(P<0.05;圖1D)。
通過HE染色觀察4組小鼠心肌變化發(fā)現(xiàn),對照組及對照 + NMN組小鼠心肌細胞排列規(guī)則,無心肌細胞肥大;而模型組可見明顯肥大的心肌細胞,且心肌細胞排列紊亂,細胞間質(zhì)明顯增多;模型 + NMN組則未見明顯的肥大心肌細胞,且心肌細胞排列與模型組相比更規(guī)則,細胞間質(zhì)變化較對照組及對照 + NMN組也未見明顯改變(圖2A)。通過Masson染色法觀察4組小鼠心肌間膠原含量發(fā)現(xiàn),對照組及對照給藥組的CVF無明顯變化,而實驗組CVF出現(xiàn)明顯上升,而實驗給藥組上升程度較低(P<0.05;圖2A,B)。
通過實時定量PCR及Western blot分析NMN對小鼠心肌纖維化相關基因及蛋白表達的影響發(fā)現(xiàn),模型組小鼠的SIRT6表達明顯降低,模型 + NMN組及對照 + NMN組小鼠的SIRT6表達均增加,但對照 + NMN組的SIRT6表達要明顯高于模型 + NMN組;同時,Collagen Ⅰ、CollagenⅢ以及α-SMA在4組中的表達趨勢與SIRT6相反(P<0.05;圖3A,B)。
研究發(fā)現(xiàn),心肌纖維化是各種心血管疾病導致HF的重要過程,而NMN可有效改善心血管功能[13]。在本研究中,我們通過微量泵入AngⅡ,構建小鼠心肌纖維化模型,隨后通過給予NMN腹腔注射進行干預。結果發(fā)現(xiàn),NMN可有效改善由AngⅡ引起的心肌纖維化,其機制可能是通過上調(diào)心肌細胞中的SIRT6抑制了與心肌纖維化相關的Collagen Ⅰ、Collagen Ⅲ以及α-SMA的表達。
心肌纖維化的致病因素主要包括炎癥、應激或容量負荷、糖尿病以及年齡[14],其中炎癥細胞可分泌AngⅡ、轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)、白細胞介素(interleukine-6,IL-6)等激活心臟成纖維細胞,導致炎癥區(qū)域發(fā)生不同程度的纖維化[15]。有文獻表明,RAS與心肌纖維化的發(fā)生發(fā)展密切相關,而AngⅡ是RAS中的重要因子,參與了心臟重塑的過程[16]。本研究通過微量泵輸注AngⅡ成功制備了心肌纖維化模型,并發(fā)現(xiàn)模型組和模型 + NMN組小鼠心臟中SIRT6表達較對照組和對照 + NMN組小鼠相比顯著降低。SIRT6是心血管疾病中的重要保護因子,大量研究表明,SIRT6與RAS系統(tǒng)之間存在相互作用[17],SIRT6可以通過激活AMPK-ACE2信號和抑制CTGF-FKN途徑來抑制心臟的病理性重塑、纖維化和心肌損傷過程,從而起到保護心臟的作用[18]。SIRT6已越來越多地被用作藥物靶點,通過藥物刺激心臟SIRT6表達上調(diào),從而達到治療目的。有學者通過慢病毒載體介導的SIRT6過表達,發(fā)現(xiàn)心肌細胞中端粒酶逆轉錄酶(telomerase reverse transcriptase,TERT)和端粒重復結合因子(telomere repeat binding factor,TRF)-1的表達升高,并通過組織學分析證實了SIRT6對于心肌具有保護作用[6]。Muraoka等[19]發(fā)現(xiàn),小鼠近端腎小管特異性敲除Nampt使得SIRT6表達下調(diào),因此,他們認為Nampt-Sirt6軸是糖尿病腎病中纖維化發(fā)生的細胞外基質(zhì)重塑的關鍵因素。而Nampt經(jīng)過體內(nèi)代謝,可以轉化為NMN[20],因此我們推測NMN可能也具備上調(diào)SIRT6表達的能力。本研究通過腹腔注射NMN,發(fā)現(xiàn)給藥后小鼠心臟SIRT6表達明顯上調(diào),且心肌纖維化程度得到明顯逆轉。當前,NMN在帕金森病、腦卒中和糖尿病腎病的治療中已取得一定的進展[21]。本研究通過腹腔注射NMN,發(fā)現(xiàn)給藥組小鼠心臟SIRT6表達明顯上調(diào),心肌纖維化程度顯著逆轉,為心肌纖維化的治療提供了新的思路和方向。
圖1 4組小鼠術后心功能改變
圖2 4組小鼠術后病理改變
圖3 NMN對于小鼠心肌纖維化相關基因及蛋白表達的影響
綜上所述,煙酰胺單核苷酸可顯著抑制Ang Ⅱ 所致的小鼠心肌纖維化,且該作用是通過激活SIRT6,抑制Collagen Ⅰ、Collagen Ⅲ 以及α-SMA的表達來實現(xiàn)的。本研究雖然為治療心肌纖維化提供了新的思路和方向,但仍有一定局限性,機制探索不夠深入,并且需要進一步使用SIRT6抑制劑來對NMN抑制AngⅡ致小鼠心肌纖維化的SIRT6途徑進行驗證。