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        大鼠慢性肝損傷的線粒體功能障礙及其影響

        2020-08-11 11:48:48張靚睿王詩琪王紅昀董若瑤孟勝男
        關(guān)鍵詞:四氯化碳膜電位造模

        張靚睿,王詩琪,王紅昀,董若瑤,孟勝男

        (中國醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院藥劑學(xué)教研室,沈陽 110122)

        近年來,肝病的發(fā)病率逐年增高,肝損傷已經(jīng)成為臨床上威脅人類健康的常見殺手之一。造成肝損傷的原因主要有藥物性肝損傷、酒精性肝損傷和化學(xué)性肝損傷[1]。慢性肝損傷病程長,過程反復(fù),可發(fā)展為肝纖維化、肝硬化,甚至肝癌[2],因此,慢性肝損傷的病因機(jī)制亟待研究。肝臟受損實(shí)質(zhì)是肝細(xì)胞損傷,肝細(xì)胞內(nèi)有多種細(xì)胞器,其中線粒體是肝臟中物質(zhì)代謝和能量代謝的中心[3],與肝臟的代謝功能相輔相成。研究[4]發(fā)現(xiàn),大鼠肝纖維化模型中觀察到肝細(xì)胞線粒體腫脹變形,結(jié)構(gòu)模糊,嵴減少、扭曲。肝細(xì)胞壞死在很大程度上還涉及細(xì)胞信號傳導(dǎo)途徑的激活。然而,在壞死細(xì)胞裂解期間細(xì)胞內(nèi)組分的釋放導(dǎo)致離子失衡,線粒體功能障礙,三磷酸腺苷 (adenosine triphosphate,ATP) 消耗并引發(fā)炎癥反應(yīng)[5]。本研究通過成功建立四氯化碳誘導(dǎo)大鼠慢性肝損傷模型,從線粒體功能、形態(tài)、電子傳遞等方面闡述了線粒體與肝損傷疾病的緊密聯(lián)系,為臨床探究慢性肝損傷疾病提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

        清潔級雄性SD大鼠,體質(zhì)量180~200 g,中國醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供,許可證號SCXK[京]2011-0011。

        1.2 藥品與試劑

        50%四氯化碳大豆油溶液:四氯化碳 (分析純)購自北京化學(xué)試劑有限公司,大豆油購自山東魯花集團(tuán)有限公司。線粒體提取試劑盒 (批號SM0020),線粒體膜電位檢測試劑盒 (JC-10) (批號CA1310) 均購自北京索萊寶科技有限公司,ATP檢測試劑盒 (批號S0026) 購自碧云天生物技術(shù)研究所,輔酶ⅠNAD(H) 試劑盒 (批號A114-1-1) 購自南京建成生物工程研究所。

        1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

        DY89-9電動(dòng)玻璃勻漿器 (寧波新芝生物科技有限公司),3k15高速冷凍離心機(jī) (德國Sigma公司),BioSpectrometer紫外分光光度計(jì) (德國艾本德Eppendorf公司),imark酶標(biāo)儀 (美國Bio-Rad公司),SynergyTMHT多功能酶標(biāo)儀 (LB-940,美國Bio-tek公司),C2激光共聚焦顯微鏡 (日本尼康公司),超低溫冰箱 (美國Thermo Fisher公司)。

        1.4 實(shí)驗(yàn)方法

        1.4.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物造模、分組:選取雄性SD大鼠40只,體質(zhì)量180~200 g,按照體質(zhì)量隨機(jī)分為空白對照組和四氯化碳慢性肝損傷模型組2組,每組20只。四氯化碳慢性肝損傷模型組大鼠皮下注射50%四氯化碳大豆油溶液,每次給予0.2 mL/100 g,每周2次,連續(xù)10周。于造模第4周,第6周,第8周,第10周末次給藥后,各組隨機(jī)選取5只大鼠,禁食不禁水20 h,給予10%水合氯醛,按0.3 mL/kg腹腔注射麻醉,分離大鼠肝臟組織,選取肝臟大葉組織用于線粒體提取,其余置于-80 ℃ 保存待用。

        1.4.2 大鼠肝臟組織線粒體提取與分離:應(yīng)用線粒體提取試劑盒分離大鼠肝臟組織胞質(zhì)與線粒體,按照試劑盒說明書操作。分離后得到的線粒體用于線粒體膜電位檢測與線粒體膜腫脹度檢測,具體提取分離方法為取200 mg肝組織,PBS沖洗后剪碎,放入玻璃勻漿器,加入1 mL Lysis Buffer,于冰浴研磨,將組織勻漿物4 ℃,1 000g,離心5 min,取上清,4 ℃,1 000g再次離心5 min。取上清,4 ℃,12 000g離心10 min,取上清,該上清含胞漿成分,置-80 ℃ 備用。向沉淀中加入0.5 mL Wash Buffer重懸線粒體,4 ℃,1 000g離心5 min。取上清,4 ℃,12 000g離心10 min,棄上清,加入50~100 μL Store Buffer重懸線粒體沉淀,-80 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.4.3 肝組織線粒體膜電位檢測:按照線粒體膜電位檢測試劑盒 (JC-10) 說明書操作。取適量JC-10(200×) 染色液,按照每50 μL JC-10 (200×) 加入8 mL超純水的比例稀釋JC-10,充分溶解并混勻,再加入2 mL JC-10染色緩沖液 (5×),混勻,即為JC-10染色工作液。將工作液稀釋5倍,再加入0.1 mL總蛋白量為100 μg線粒體,應(yīng)用激光共聚焦顯微鏡觀測熒光。

        1.4.4 肝組織線粒體膜腫脹度檢測[6]:配制反應(yīng)緩沖液 (蔗糖250 mmol/L,磷酸二氫鉀5 mmol/L,氯化鈣0.3 mmol/L,琥珀酸鈉3 mmol/L,pH7.4),調(diào)節(jié)線粒體濃度至0.5 mg/mL,應(yīng)用參比杯調(diào)零,于25 ℃ 在10 min內(nèi)連續(xù)測定520 nm處的吸光度值,以吸光度的下降值反應(yīng)線粒體的腫脹程度。

        1.4.5 ATP含量檢測:采用ATP檢測試劑盒測定對照組與模型組肝臟ATP含量,按照說明書操作。每20 mg組織加入約200 μL裂解液,充分勻漿確保組織被完全裂解。裂解后4 ℃,12 000g離心5 min,取上清。配制ATP檢測工作液,采用ATP檢測工作液于多功能酶標(biāo)儀測定相對光單位(relative light unit,RLU)值,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算肝臟組織中線粒體ATP濃度。

        1.4.6 輔酶ⅠNAD (H) 含量檢測:按照輔酶ⅠNAD(H) 含量檢測試劑盒說明書操作。每100 mg組織加入1 mL酸/堿性提取液,冰浴研磨,煮沸5 min,冷卻后4 ℃,10 000g離心10 min,取上清液,加入等體積酸/堿性提取液使之中和,混勻,4 ℃,10 000g離心10 min,取上清。加入檢測試劑,混勻,應(yīng)用蒸餾水調(diào)零,于紫外分光光度計(jì)測定570 nm處吸光度值。

        1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

        數(shù)據(jù)采用GraphPad Prism 5統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行分析,結(jié)果以表示,組間均數(shù)比較采用Student’st檢驗(yàn),P< 0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

        2 結(jié)果

        2.1 四氯化碳致大鼠慢性肝損傷對肝臟線粒體膜電位的影響

        使用激光共聚焦顯微鏡分別觀察對照組與模型組線粒體膜電位水平,紅色熒光表示線粒體膜電位較高,提示線粒體膜電位正常,綠色熒光表示線粒體膜電位較低,提示線粒體膜電位受損,與對照組相比,模型組大鼠肝臟線粒體膜電位紅綠熒光比值顯著降低,且隨造模時(shí)間延長,紅色熒光強(qiáng)度呈下降趨勢,綠色熒光強(qiáng)度呈上升趨勢,紅綠熒光強(qiáng)度比值亦有所下降。可見紅綠色熒光比值具有時(shí)間依賴性。結(jié)果提示,模型組大鼠肝臟線粒體受損,且隨造模時(shí)間延長,肝臟線粒體受損程度增加。見圖1。

        2.2 四氯化碳致大鼠慢性肝損傷對肝臟線粒體膜腫脹度的影響

        如圖2所示,加入線粒體膜腫脹度檢測液后,在520 nm處各組吸光度值均下降,模型組吸光度值的下降幅度顯著低于對照組 (P< 0.01)。且隨造模時(shí)間的延長,模型組吸光度值下降幅度逐漸減弱。造模4周、6周后,模型組吸光度值有下降趨勢,但與對照組相比,無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。造模8周、10周后,模型組吸光度值與對照組相比,下降幅度減弱,有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異 (P< 0.05),結(jié)果提示,模型組大鼠肝臟線粒體膜敏感性降低,造成線粒體損傷。

        圖1 線粒體膜電位熒光圖Fig.1 Mitochondrial membrane potential fluorescence

        圖2 線粒體腫脹程度Fig.2 Degree of mitochondrial swelling

        2.3 四氯化碳致大鼠慢性肝損傷對肝臟線粒體ATP合成的影響

        在四氯化碳致大鼠慢性肝損傷制備4周、6周、8周、10周后,模型組ATP含量分別為 (6.08±0.53)nmol/L,(3.97±1.04) nmol/L,(3.71±0.59) nmol/L,(4.39±0.75) nmol/L,對照組ATP含量分別為 (23.58±3.41) nmol/L,(26.78±3.06) nmol/L,(30.17±1.41)nmol/L,(26.75±3.45) nmol/L,比較2組ATP含量差異發(fā)現(xiàn)模型組ATP水平顯著低于對照組 (P< 0.001),且差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P< 0.001)。結(jié)果提示,四氯化碳致大鼠慢性肝損傷導(dǎo)致線粒體ATP合成受損,表示線粒體功能損傷。

        2.4 四氯化碳致大鼠慢性肝損傷對肝臟線粒體NADH/NAD+比值的影響

        NADH/NAD+比值代表肝細(xì)胞線粒體內(nèi)三羧酸循環(huán)的功能,比值升高,提示三羧酸循環(huán)受損,表明肝細(xì)胞線粒體損傷。造模4周后,模型組與對照組NADH/NAD+比值分別為0.58±0.06與0.41±0.06,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。造模6周、8周、10周后,模型組與對照組NADH/NAD+比值分別為1.86±0.22,3.86±0.17,5.27±0.27與0.38±0.09,0.78±0.06,0.49±0.06,相比于對照組,模型組線粒體NADH/NAD+比值均顯著升高,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.001)。結(jié)果提示,四氯化碳致大鼠慢性肝損傷模型組肝細(xì)胞線粒體三羧酸循環(huán)受損,肝細(xì)胞線粒體功能障礙。

        3 討論

        肝臟是人體中的重要器官,在物質(zhì)代謝,解毒和排泄中起決定性作用[7]。四氯化碳誘導(dǎo)慢性肝損傷作為經(jīng)典模型,已被廣泛應(yīng)用[8],該模型涉及四氯化碳可經(jīng)肝臟細(xì)胞色素酶代謝產(chǎn)生自由基[9],共價(jià)結(jié)合細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞膜的大分子,使細(xì)胞內(nèi)酶功能喪失,線粒體損傷及細(xì)胞凋亡[10]。在本研究中,應(yīng)用此經(jīng)典模型探討肝臟疾病與線粒體功能障礙的關(guān)聯(lián)及其所致影響。

        線粒體是生物體能量中心,是細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的重要場所[11]。其參與真核生物的氧化代謝,能量轉(zhuǎn)化,三羧酸循壞,氧化磷酸化,主導(dǎo)合成ATP。主要功能包括調(diào)節(jié)細(xì)胞膜電位,控制細(xì)胞程序性死亡,調(diào)控細(xì)胞增殖與代謝[12]。大量研究[13-15]表明,線粒體膜電位水平是評判線粒體生物功能的標(biāo)志物,線粒體膜電位水平下降,提示線粒體生物功能障礙[15]。本研究應(yīng)用激光共聚焦顯微鏡觀察線粒體膜電位水平,發(fā)現(xiàn)模型組線粒體膜電位水平顯著低于對照組,表明模型組線粒體膜電位受損,提示四氯化碳誘導(dǎo)慢性肝損傷時(shí),線粒體功能下降及活性降低,與研究[16]結(jié)果一致。本研究通過高鈣濃度引發(fā)線粒體腫脹,當(dāng)線粒體膜受損時(shí),它對高鈣敏感度降低,表現(xiàn)為吸光度下降幅度減?。?]。本研究結(jié)果表明,模型組吸光度下降幅度較對照組有所減小,且隨造模時(shí)間延長,吸光度下降幅度差異增加,提示隨肝損傷程度增加,線粒體膜受損程度增加。有研究[17]表明當(dāng)線粒體膜電位紊亂時(shí),細(xì)胞內(nèi)ATP合成受損,氧化磷酸化水平降低。本研究發(fā)現(xiàn),肝損傷模型組ATP水平顯著低于對照組,表明模型組肝臟線粒體產(chǎn)生ATP減少,提示慢性肝損傷模型下,ATP合成受損,能量代謝受損,可致線粒體氧化應(yīng)激發(fā)生,促進(jìn)炎性細(xì)胞因子的釋放與激活[18]。輔酶ⅠNAD (H) 廣泛存在于生物體內(nèi),主要參與生物體內(nèi)線粒體呼吸鏈電子傳遞[19]。NAD (H) 含量及NADH/NAD+比值的高低可用于評價(jià)線粒體內(nèi)三羧酸循環(huán)功能的強(qiáng)弱,較高的NAD (H) 及NADH/NAD+比值表明細(xì)胞呼吸鏈電子傳遞被抑制,損害線粒體功能[16]。本研究結(jié)果顯示,慢性肝損傷模型組NADH/NAD+比值顯著高于對照組,且隨造模時(shí)間延長,NADH/NAD+比值顯著提高,提示線粒體呼吸鏈功能受損,延長造模時(shí)間,則線粒體呼吸鏈損傷程度加重。

        綜上所述,四氯化碳誘導(dǎo)大鼠慢性肝損傷模型中,線粒體生物功能受損,膜穩(wěn)定性降低,能量代謝及氧化磷酸化被抑制,表明線粒體損傷是四氯化碳引起慢性肝損傷的必要環(huán)節(jié)。線粒體損傷致肝臟能量代謝異常,表明肝損傷疾病與能量代謝密切相關(guān),因此,研究線粒體生物功能及能量代謝情況在研究肝臟疾病的發(fā)生發(fā)展中具有重要作用。

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