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        肝纖維化形成與消退過程中氧化應(yīng)激與ERK信號通路變化特點

        2020-12-19 10:04:58平大冰崔紅艷孫鑫黃愷彭淵陶艷艷劉成海
        肝臟 2020年11期
        關(guān)鍵詞:染毒活化氧化應(yīng)激

        平大冰 崔紅艷 孫鑫 黃愷 彭淵 陶艷艷 劉成海

        肝星狀細胞(hepatic stellate cells,HSC)是肝纖維化發(fā)生發(fā)展的重要細胞學(xué)基礎(chǔ),其活化與許多途徑和介質(zhì)密切相關(guān),包括自噬、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、氧化應(yīng)激反應(yīng)等[1]。有研究證實,過量的活性氧(reactive oxygen,ROS)激活HSC誘發(fā)纖維化形成,氧化應(yīng)激同時可以激活ERK通路,參與MAPK信號通路的傳導(dǎo),促進HSC的增殖和活化[2-4]。本研究采用二甲基亞硝胺(dimethylnitrosamine,DMN)誘導(dǎo)肝纖維化大鼠模型,觀察肝纖維化發(fā)展與消退過程中過氧化損傷、ERK及HSC活化關(guān)系,探討氧化損傷通過ERK信號通路誘導(dǎo)肝纖維化的可能病理機制。

        資料與方法

        一、實驗動物

        Wistar清潔級雄性大鼠74只,體質(zhì)量為(150±10)g,由中國科學(xué)院上海實驗動物中心提供。模型制備參照文獻[5],以10 μL/kg劑量予大鼠腹腔注射DMN,每天1次,每周3 d,持續(xù)造模4周,分別在染毒后1 d、3 d、1周、2周、3周、4周末,與染毒停止后1周、2周、4周,共9個時間觀察點處死模型大鼠。另設(shè)正常對照組大鼠10只,按相同劑量腹腔注射0.9% NaCl溶液。

        二、試劑與抗體

        DMN,羥脯氨酸(hydroxyproline,Hyp)標(biāo)準品購自日本東京化成工業(yè)株式會社;超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽(GSH)、谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶(GST)試劑盒均購自中國南京建成生物有限公司;明膠購自美國Amresco公司;Trizol購自美國Invitrogen公司;反轉(zhuǎn)錄及PCR擴增試劑盒為日本Takara公司產(chǎn)品。小鼠抗人α-平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA)單克隆抗體購自美國Sigma公司;小鼠抗大鼠單克隆磷酸化ERK抗體、多克隆兔抗大鼠ERK1抗體購自美國Santa Cruz Biotechnology公司;小鼠抗人基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)-2單克隆抗體購自美國Antibody Diagnostica公司;小鼠抗人MMP-9單克隆抗體、小鼠抗人組織金屬蛋白酶抑制劑(TIMP)-1單克隆抗體、小鼠抗人TIMP-2單克隆抗體均為美國NeoMarker公司產(chǎn)品。辣根過氧化物酶標(biāo)記驢抗兔抗體和辣根過氧化物酶標(biāo)記驢抗鼠抗體購自美國Amersham Pharmacia Biotech公司。

        三、實驗方法

        (一)肝組織總RNA提取與mRNA表達 Trizol抽提肝組織RNA,然后將總RNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA,熒光定量PCR儀進行cDNA擴增,以β-actin作為內(nèi)參照基因。每個樣本設(shè)置3個副管。引物由上海生工公司合成、純化與鑒定,引物序列見表1。

        (二)免疫組化染色觀察α-SMA表達變化 大鼠肝組織切片脫蠟,0.3%H2O2孵育滅活內(nèi)源性過氧化氫酶,檸檬酸鹽緩沖液煮沸法抗原熱修復(fù),5%BSA封閉,一抗4 ℃過夜,二抗37 ℃孵育,DAB顯色,Image Pro Plus軟件進行半定量分析。

        (三)明膠酶圖法觀察肝組織MMP-2、MMP-9活性 參考文獻[6]的檢測方法,肝組織100 mg勻漿裂解蛋白后定量,8%SDS-PAGE(含0.1%明膠)還原但非變性電泳,洗脫漂洗后,將凝膠置于孵育液中37 ℃孵育18~20 h,經(jīng)考馬斯亮藍染色,可顯示出MMP-2和MMP-9及活化的MMP-2位于藍色背景下的透亮帶。

        表1 Collagen I mRNA擴增引物序列

        (四)蛋白免疫印跡法檢測肝組織α-SMA、MMP2/9、TIMP1/2、ERK/p-ERK蛋白表達 肝組織100 mg裂解蛋白后定量,10%SDS-PAGE凝膠上電泳分離,并轉(zhuǎn)移到硝酸纖維素膜中,5%BSA封閉,4℃一抗(濃度均為1:200)孵育過夜,PBS緩沖液洗膜后將膜與相應(yīng)熒光標(biāo)記二抗室溫孵育1 h后用Li-Cor奧德賽成像儀進行掃描拍照,每個實驗重復(fù)3批不同樣本。

        (五)肝組織脂質(zhì)過氧化測定 SOD、GST活性;GSH含量,按照試劑盒說明書步驟測定。

        四、統(tǒng)計方法

        結(jié) 果

        一、模型大鼠肝組織膠原沉積變化

        天狼猩紅染色結(jié)果顯示,染毒2周膠原纖維沉積,出現(xiàn)菲薄的纖維間隔,4周末時膠原纖維沉積明顯,纖維間隔與假小葉形成,肝組織出現(xiàn)纖維化。停止染毒后肝臟膠原沉積減輕,肝纖維化有所消退,但直至8周末時仍可見輕微纖維間隔。染毒開始后,模型大鼠肝組織Hyp含量持續(xù)升高,染毒4周時含量為正常組的1.5倍,停止染毒后,Hyp含量開始下降,8周時仍高于正常水平(見圖1,表2)。

        二、模型大鼠肝組織α-SMA蛋白表達變化

        免疫組化染色觀察到正常大鼠肝組織α-SMA蛋白少量表達,散見于匯管區(qū)血管壁,肝小葉內(nèi)未見陽性灶。隨DMN染毒開始,α-SMA表達增加,主要見于肝竇壁和纖維間隔處。停止染毒后,α-SMA表達下降,但仍高于正常肝組織(見圖2,表2)。

        三、模型大鼠肝組織MMP-2和MMP-9活性變化

        正常組大鼠MMP-2活性較弱。肝纖維化形成過程中MMP-2活性逐漸升高;停止染毒后,MMP-2活性逐漸減弱,8周時基本恢復(fù)至正常水平。正常組MMP-9活性極低,在DMN造模過程中MMP-9變化趨勢與MMP-2相似(見圖3,表2)。

        注:A 正常組;B 模型組1周;C 模型組2周;D 模型組4周;E模型組6周;F模型組8周

        注:A 正常組;B 模型組1周;C 模型組2周;D 模型組4周;E模型組6周;F模型組8周

        圖3 大鼠肝組織MMP-2和MMP-9活性動態(tài)變化

        四、模型大鼠肝組織Collagen I mRNA的表達變化

        實時PCR結(jié)果顯示,正常組大鼠肝組織僅少量表達collagen I,染毒3 d時表達明顯升高,其后持續(xù)高表達,4周升高最明顯,DMN染毒停止后,collagen I mRNA水平有所下降,但仍維持在較高水平(見表2)。

        五、肝組織α-SMA、MMP-2/9、TIMP-1/2、ERK/p-ERK蛋白表達變化

        正常組大鼠肝組織α-SMA、MMP-2/9、TIMP-1/2蛋白均少量表達。在肝纖維化形成過程中,各蛋白表達量逐漸增加,并隨DMN染毒時間持續(xù)高表達。停止染毒后,各蛋白表達均逐漸減少,8周時MMP-2蛋白表達已接近正常水平,α-SMA、MMP-9、TIMP-1/2蛋白仍較正常組大鼠表達增多。ERK蛋白水平于正常組及模型組大鼠肝組織中無明顯變化,然而ERK磷酸化(p-ERK)水平在染毒1 d時即有輕度增加,2周時表達升高至正常組的2倍。其后在整個造模過程中p-ERK持續(xù)高表達,4周達到最高峰。停止染毒后,p-ERK水平逐漸下降,但8周時仍高于正常水平(見圖4,表3)。

        圖4 大鼠肝組織α-SMA、MMP-2/9、TIMP-1/ 2、ERK/p-ERK蛋白表達變化

        表2 大鼠肝組織膠原、α-SMA及MMP-2/9表達變化(±s)

        表3 肝組織蛋白表達變化定量(±s)

        六、模型大鼠肝組織脂質(zhì)過氧化損傷動態(tài)變化

        肝纖維化形成過程中,大鼠肝組織SOD、GST活性逐漸降低(P<0.05),停止染毒后,二者活性有所增高但仍低于正常水平。肝組織GSH含量在DMN染毒早期出現(xiàn)一過性增高,而后明顯降低(P<0.05),在肝纖維化消退過程中,含量逐漸增加并接近正常水平(見表4)。

        七、肝組織SOD活性與p-ERK蛋白表達及Hyp含量的相關(guān)性分析

        直線相關(guān)分析表明,在肝纖維化形成和消退過程中,SOD活性與Hyp含量及SOD活性與p-ERK蛋白表達均呈明顯負相關(guān)(P<0.05);p-ERK蛋白表達與Hyp含量呈明顯正相關(guān)(P<0.01)。見圖5。

        討 論

        DMN是一種常見的具有肝毒性、基因毒性和免疫毒性的化學(xué)物質(zhì),其主要靶器官為肝臟,高劑量使用可引起肝組織壞死和肝纖維化[7,8]。肝纖維化的形成與HSC的活化關(guān)系密切,活化HSC轉(zhuǎn)換為肌成纖維細胞,分泌大量的α-SMA和膠原沉積于肝臟,HSC還可以分泌MMP和TIMP,通過調(diào)節(jié)ECM的沉積和降解,影響肝纖維化的進展[9]。目前發(fā)現(xiàn)至少有4種TIMP存在,但僅有TIMP-1和TIMP-2在肝組織中表達[10],TIMP-1和TIMP-2可以分別與IV型膠原酶MMP-9和MMP-2前體結(jié)合,破壞正常肝臟基質(zhì),抑制間質(zhì)膠原酶降解膠原纖維,促使HSC進一步增殖活化。本研究發(fā)現(xiàn),DMN染毒開始,大鼠肝組織細胞出現(xiàn)損傷壞死,膠原纖維大量沉積,在肝纖維化形成過程中肝組織內(nèi)α-SMA以及MMP-2/9和TIMP-1/2的表達量明顯增加,MMP-2/9活性明顯增高,停止染毒,肝纖維化逐漸消退,相關(guān)蛋白表達減少。

        有研究發(fā)現(xiàn),在DMN造模初期,會引起過多游離脂肪酸沉積于肝細胞,產(chǎn)生氧自由基激發(fā)脂質(zhì)過氧化,激活HSC,加快肝纖維化的進程[11]。ROS是氧化還原過程中產(chǎn)生的化學(xué)活性分子,是細胞代謝,尤其是線粒體代謝的副產(chǎn)物,當(dāng)細胞ROS量超過機體抗氧化能力時可引發(fā)脂質(zhì)過氧化反應(yīng)導(dǎo)致細胞受損。生理狀態(tài)下,細胞會產(chǎn)生如SOD等抗氧化酶系維持正常的氧化平衡狀態(tài),以保護細胞和組織免受過量ROS攻擊[12]。GST是GSH結(jié)合反應(yīng)的關(guān)鍵酶,催化谷胱甘肽結(jié)合多種化合物和環(huán)氧化物,與肝細胞內(nèi)存在的SOD和過氧化氫酶等酶類抗氧化劑和還原型GSH等非酶類抗氧化物質(zhì)共同抵御ROS所致的細胞損傷。因此,酶類抗氧化劑與非酶類抗氧化物質(zhì)常用作評估氧化應(yīng)激水平的指標(biāo)[13]。本研究發(fā)現(xiàn),肝纖維化形成過程中,肝組織SOD活性、GST活性明顯降低,GSH含量在早期出現(xiàn)一過性增高,染毒1周時開始明顯降低,而停止染毒后,二者活性有所增高但仍低于正常水平。提示DMN誘導(dǎo)肝纖維化形成過程中,模型組大鼠體內(nèi)出現(xiàn)氧化應(yīng)激反應(yīng),機體抗氧化能力降低,在停止染毒以后,脂質(zhì)過氧化損傷明顯恢復(fù),大鼠肝組織纖維化明顯減輕,且氧化應(yīng)激反應(yīng)可能與DMN大鼠肝纖維化的形成和消退有關(guān)。

        表4 肝組織SOD活性、GST活性及GSH含量的動態(tài)變化(±s)

        圖5 SOD活性與Hyp含量及p-ERK的相關(guān)性分析

        既往研究發(fā)現(xiàn),肝組織內(nèi)ROS的過量累積,會通過脂質(zhì)過氧化作用引起肝細胞、巨噬細胞等炎癥細胞產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化物,從而介導(dǎo)HSC分化、增殖和膠原的形成[14]。還有研究認為,除上述旁分泌機制外,ROS還可以直接刺激HSC的活化和增殖[15]。為了探討氧化應(yīng)激反應(yīng)如何刺激HSC增殖活化,本研究觀察了近年來倍受關(guān)注的ERK信號通路。ERK通路是各種細胞因子影響HSC增殖和活化的重要通路之一,其有ERK1和ERK2兩種異構(gòu)體,磷酸化的ERK1/2(p-ERK1/2)可以轉(zhuǎn)位至細胞核內(nèi),調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子,刺激HSC增殖和活化[16-18]。本研究結(jié)果顯示,肝纖維化形成過程中,ERK蛋白水平表達在正常組及模型組大鼠肝組織沒有明顯差異,而p-ERK1/2水平在肝纖維化形成過程中明顯增加,整個染毒過程中持續(xù)高表達。停止染毒后,p-ERK1/2水平隨肝纖維化消退有所下降,但仍高于正常水平。

        綜上所述,在DMN染毒過程中,模型組大鼠肝組織肝細胞損傷,抗氧化物質(zhì)SOD、GST、GSH表達量明顯下降,機體氧化應(yīng)激反應(yīng)明顯,HSC活化,肝纖維化形成,同時伴有MAPK/ERK信號通路p-ERK1/2的高表達;在停止染毒后,肝纖維化明顯消退,抗氧化物質(zhì)及p-ERK表達均不同程度恢復(fù)。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),抗氧化物質(zhì)SOD活性與Hyp含量呈負相關(guān),p-ERK蛋白表達與Hyp含量呈正相關(guān),同時肝組織SOD活性與p-ERK蛋白表達也呈負相關(guān)。表明氧化應(yīng)激反應(yīng)與DMN誘導(dǎo)大鼠肝纖維化的形成和消退有關(guān),且其可能是通過ERK信號通路傳導(dǎo)影響HSC活性和肝纖維化的進程。

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