王敬珅,王議鶴,郝志強(qiáng),楊 恒,汪 淵,李永樂,王勤章,錢 彪
泌尿系結(jié)石是泌尿外科最常見的疾病之一[1],該病的成因非常復(fù)雜,納米細(xì)菌(nanobacteria,NB)感染被認(rèn)為是導(dǎo)致結(jié)石形成的主要原因之一[2,3],其在腎結(jié)石患者的血液、尿液和結(jié)石中的陽性檢出率均在 90%以上[4,5]。 NB 是一種具有超微結(jié)構(gòu)的人體病原菌,具有較強(qiáng)的感染能力,能在菌體外周形成羥磷灰石結(jié)晶外殼,黏附并損害集合管上皮細(xì)胞及腎乳頭細(xì)胞,從而形成結(jié)石[6,7]。
隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展,結(jié)石的診斷和治療都有了長足的進(jìn)步,但碎石治療后患者的結(jié)石復(fù)發(fā)率仍然很高[8]。因此,探究泌尿系結(jié)石的形成機(jī)制以尋找新的治療手段是當(dāng)前臨床中亟待解決的難題。四環(huán)素是為數(shù)不多的能在生理濃度下殺滅NB的抗菌藥物之一,Shoskes等研究了四環(huán)素對NB相關(guān)慢性前列腺結(jié)石患者的治療效果,其中80%患者的癥狀在治療3個月后得到了極大改善,10例患者的結(jié)石縮小50%[9]。然而,目前尚不清楚NB是如何在腎結(jié)石形成的過程中發(fā)揮其獨(dú)特作用的,更遑論治療。
該研究旨在通過NB損傷人腎小管上皮細(xì)胞HK-2導(dǎo)致晶體滯留的機(jī)制研究以及四環(huán)素對這一過程的抑制作用,以期為泌尿系結(jié)石的預(yù)防和治療提供新的思路。
1.1 主要試劑及儀器永生化人腎小管上皮細(xì)胞系HK-2細(xì)胞購自武漢大學(xué)保藏中心。DMEM培養(yǎng)基,1640培養(yǎng)基,胎牛血清,PBS緩沖液 (美國Hyclone公司),一水草酸鈣 (Calcium oxalate monohydrate,COM), 納米級羥基磷灰石(Nanograde hydroxuapatite,nHAP),四環(huán)素,F(xiàn)ITC-phalloidin(英國Abcam公司)。二氧化碳細(xì)胞培養(yǎng)箱 (美國Thermo公司),掃描儀(日本Canon公司),激光掃描共聚焦顯微鏡(德國蔡司)。
1.2方法
1.2.1 NB培養(yǎng)與鑒定 于新疆石河子大學(xué)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院泌尿外科收集臨床確診腎結(jié)石且未應(yīng)用藥物或手術(shù)治療患者的尿液,將無菌條件下獲得的尿液2 ml用生理鹽水稀釋5倍,4℃離心45 min(14 000 g);取管底 2 ml混勻,以 0.45 μm 濾紙過濾后,再以生理鹽水稀釋5倍,4℃離心45 min(14 000 g);取管底 1 ml液體充分混勻后,經(jīng) 0.22 μm的濾紙加壓過濾。將濾液1 ml注入含DMEM培養(yǎng)液、10%γ-FBS和1%HEPES緩沖液的細(xì)胞培養(yǎng)瓶中,37℃、5%CO2條件下培養(yǎng),5~7 d換 1次液。倒置相差顯微鏡觀察NB生長,篩選出無污染的標(biāo)本,用吸管吹打均勻后,吸入EP管。12 000 r/min,離心20 min,棄上清液,再加入無菌注射用水1.5 ml吹打混勻。重復(fù)上面步驟共計清洗NB 3次,采用NB鈣染色(Von KOSSA法)和應(yīng)用透射電鏡掃描(負(fù)染法)鑒定。
1.2.2 實(shí)驗(yàn)分組 選取HK-2細(xì)胞,隨機(jī)分為5組,NB組(NB菌液、胎牛血清、1640培養(yǎng)液+HK-2細(xì)胞),陰性對照組(胎牛血清、1640培養(yǎng)液+HK-2細(xì)胞),陽性對照組(5 mmol/L COM懸液、胎牛血清、1640 培養(yǎng)液+HK-2 細(xì)胞),nHAP 組 (nHAP、胎牛血清、1640培養(yǎng)液+HK-2細(xì)胞)和四環(huán)素干擾組(四環(huán)素、NB菌液、胎牛血清、1640培養(yǎng)液+HK-2細(xì)胞)。
1.2.3 各組細(xì)胞透射電子顯微鏡觀察 分別于6 h、12 h、24 h提取各組細(xì)胞制成細(xì)胞懸液,離心后轉(zhuǎn)移至EP管內(nèi),PBS浸泡10 min后棄上清;加入預(yù)冷的3%戊二醛固定2 h,PBS洗2次,3 min/次;再加入1%鋨酸固定2 h,PBS洗2次,3 min/次;梯度乙醇脫水,經(jīng) Epon812∶環(huán)氧丙烷=1∶1浸透,包埋后 80℃聚合過夜。行超薄切片、染色。于40透射電子顯微鏡下觀察細(xì)胞形態(tài)與超微結(jié)構(gòu)變化。
1.2.4 激光共聚焦顯微鏡檢測晶體滯留實(shí)驗(yàn) 將HK-2細(xì)胞接種于鋪有清潔蓋玻片的24孔板內(nèi),共同培養(yǎng)6 h、12 h、24 h后取出各組樣本,加入COM懸液(每孔內(nèi) COM 濃度 200 mg/L),輕搖 5~10 s,使COM晶體與底部細(xì)胞充分接觸。3 min后吸凈蓋玻片上方液體,加入飽和草酸鈉溶液漂洗3次。將蓋玻片從孔板中取出,4%多聚甲醛固定20 min,PBS洗2次,5 min/次,搖床輕晃;加入5 mg/L的phalloidin-FITC 50 μl, 室溫避光孵育 20 min;PBS洗2次,5 min/次;甘油封片。在488 nm和633 nm激發(fā)光下逐一觀察各組玻片并進(jìn)行圖像采集。
1.3統(tǒng)計學(xué)方法運(yùn)用SPSS 24.0統(tǒng)計軟件(SPSS Inc.,Chicago,IL)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析,計量資料以()表示,組間比較采用t檢驗(yàn)。P<0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
2.1各組細(xì)胞透射電子顯微鏡觀察結(jié)果電鏡結(jié)果見圖1。實(shí)驗(yàn)過程中,空白對照組(圖1A,B,C和D)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整正常,膜外微絨毛(黑色箭頭)數(shù)量豐富,排列規(guī)則;雙層核膜(黃色箭頭)結(jié)構(gòu)正常,核間隙正常;線粒體(紅色箭頭)形態(tài)正常,未見腫脹或萎縮;細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)正常。
實(shí)驗(yàn)開始12 h后,NB組細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整,微絨毛結(jié)構(gòu)稍紊亂,局部絨毛消失(黑色箭頭,圖1E);細(xì)胞核畸形,染色質(zhì)輕度分布不均,局部染色質(zhì)凝集(黃色箭頭,圖1E);核外膜局部區(qū)域降解(藍(lán)色箭頭,圖1E);部分線粒體結(jié)構(gòu)輕度腫脹,脊結(jié)構(gòu)模糊不清(紅色箭頭,圖1F);胞質(zhì)中偶見髓樣小體(圖1F)。nHAP組細(xì)胞膜局部區(qū)域結(jié)構(gòu)破損,微絨毛結(jié)構(gòu)消失(黑色箭頭,圖1M),絨毛結(jié)構(gòu)消失;部分線粒體結(jié)構(gòu)輕度腫脹,脊結(jié)構(gòu)模糊不清(紅色箭頭圖1N)。胞質(zhì)中見髓樣小體(綠色箭頭,圖1N)。四環(huán)素組細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整,微絨毛結(jié)構(gòu)稍紊亂,局部絨毛消失(圖1Q,黑色箭頭),絨毛結(jié)構(gòu)消失;細(xì)胞核畸形,染色質(zhì)輕度分布不均,局部染色質(zhì)凝集(圖1Q,黃色箭頭);核外膜局部區(qū)域降解(圖1R,藍(lán)色箭頭);部分線粒體結(jié)構(gòu)輕度腫脹,脊結(jié)構(gòu)模糊不清(圖1R,紅色箭頭)。胞質(zhì)中偶見髓樣小體(圖1R,綠色箭頭)。COM組細(xì)胞膜局部區(qū)域結(jié)構(gòu)紊亂,微絨毛分布不均,局部區(qū)域絨毛消失(圖1I,黑色箭頭);細(xì)胞核染色質(zhì)邊集(圖1I,藍(lán)色箭頭);線粒體結(jié)構(gòu)正常,脊結(jié)構(gòu)清晰。胞質(zhì)中胞質(zhì)中偶見自噬小體。
實(shí)驗(yàn)開始24 h后,NB組細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破損,胞核裸露在外(粉色箭頭,圖1G);微絨毛基本消失(黑色箭頭,圖1G),線粒體數(shù)量較少,結(jié)構(gòu)腫脹,脊模糊不清(紅色箭頭,圖1H);胞質(zhì)中可見較多髓樣小體(綠色箭頭,圖1H),胞質(zhì)中自噬小體數(shù)量較多(棕黃色箭頭,圖1H)。nHAP組細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整,核膜結(jié)構(gòu)正常;微絨毛分布不均,局部區(qū)域絨毛消失(圖1O,黑色箭頭);細(xì)胞核染色質(zhì)邊集(圖1O,藍(lán)色箭頭);線粒體結(jié)構(gòu)腫脹,脊結(jié)構(gòu)模糊不清,局部區(qū)域降解(圖1P,藍(lán)色箭頭)。胞質(zhì)中偶見髓樣小體(圖1P,綠色箭頭);胞質(zhì)中可見自噬小體(圖1P,棕黃色箭頭)。四環(huán)素組細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整,微絨毛基本消失(圖1S,黑色箭頭);線粒體數(shù)量較少,結(jié)構(gòu)腫脹,脊模糊不清(圖1S,紅色箭頭)。胞質(zhì)中可見較多髓樣小體(圖1T,綠色箭頭);胞質(zhì)中自噬小體數(shù)量較多(圖1T,棕黃色箭頭)。COM組細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破損,微絨毛分布紊亂,絨毛消失;細(xì)胞核膜階段性溶解,核膜結(jié)構(gòu)模糊不清(圖1L,藍(lán)色箭頭);線粒體結(jié)構(gòu)腫脹,脊模糊不清(圖1L,紅色箭頭)。胞質(zhì)中見髓樣小體(圖 1L,綠色箭頭)及自噬小體(圖 1L,黃色箭頭)。
圖1見封三。
2.2激光共聚焦顯微鏡觀察結(jié)果如圖2所示,培養(yǎng)6 h時,NB組、COM組可觀察到少量晶體黏附,隨著共培養(yǎng)時間延長,兩組細(xì)胞晶體黏附量進(jìn)一步增加。共培養(yǎng)6 h和12 h時,nHAP組未觀察到明顯的晶體黏附現(xiàn)象,當(dāng)共培養(yǎng)24 h時,可觀察到少量晶體黏附。各時間點(diǎn),干擾組中晶體黏附量均顯著少于NB組。
圖2見封三。
腎結(jié)石的病因非常復(fù)雜,其涉及遺傳、環(huán)境、生活膳食習(xí)慣等多種因素[10]。以往認(rèn)為腎結(jié)石是由于pH升高而引起磷酸鹽沉積所致,而芬蘭科學(xué)家CIFTCIOGLU團(tuán)隊通過檢測患者的結(jié)石成分,發(fā)現(xiàn)97.2%的腎結(jié)石中含有NB,67%~90%的草酸鈣結(jié)石核心含有類似NB礦化生成的羥磷灰石,從而認(rèn)為NB 是腎結(jié)石礦化的核心[4,11]。 研究證實(shí),NB 在生長增殖過程中能分泌羥磷灰石類的鈣化物,形成鈣化生物膜,刺激機(jī)體產(chǎn)生以NB為核心的鈣化病變[12,13]。
3.1實(shí)驗(yàn)研究的分組有文獻(xiàn)報道,含鈣結(jié)石占腎結(jié)石的大多數(shù),且約有23.7%的患者合并尿鈣代謝異常[14]。近年來,大量文獻(xiàn)報道了COM對動物腎小管上皮細(xì)胞的損傷作用。李成文等[15]研究發(fā)現(xiàn),將5 mmol/L COM晶體加入Wistar大鼠腎小管上皮細(xì)胞的培養(yǎng)液中8 h后,可以觀察到大量晶體黏附現(xiàn)象發(fā)生。因此,該研究將COM組(5 mmol/L)設(shè)為陽性對照組。NB廣泛存在于人體血液、尿液及組織器官中,可形成磷酸鈣外殼,該外殼成分與nHAP相似。nHAP是一種與人體硬組織的無機(jī)成分相類似的生物活性材料,在替代骨組織方面應(yīng)用潛力較大,但過高濃度的nHAP(200 mg/L以上)會對細(xì)胞DNA及大分子物質(zhì)造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷,最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[16]。該研究設(shè)置了高濃度nHAP組(300 mg/L)與NB進(jìn)行各項損傷指標(biāo)的比較。同時,筆者設(shè)置干擾組來檢驗(yàn)四環(huán)素的殺菌作用,并將其與NB對HK-2細(xì)胞的損傷進(jìn)行對比。
3.2NB損傷人腎小管上皮細(xì)胞HK-2導(dǎo)致晶體滯留的機(jī)制該研究結(jié)果與既往文獻(xiàn)報道相一致,用透射電子顯微鏡觀察HK-2細(xì)胞的形態(tài)學(xué)變化發(fā)現(xiàn),NB組和nHAP組對HK-2細(xì)胞膜可產(chǎn)生類似的損傷[12]。實(shí)驗(yàn)開始后12 h,兩組細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)均完整,線粒體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病變,但NB組細(xì)胞核已經(jīng)出現(xiàn)畸形;實(shí)驗(yàn)開始后24 h,NB組細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)破損,胞核裸露,且胞質(zhì)中可見較多髓樣小體。結(jié)果提示NB組破壞程度比nHAP組嚴(yán)重。既往研究認(rèn)為高濃度的nHAP(>200 mg/L)可導(dǎo)致細(xì)胞大量凋亡或者壞死,該研究中其對HK-2的破壞程度小于NB,提示可能NB的nHAP外殼并不是損傷HK-2的主要物質(zhì)。隨著COM作用時間的推移,胞質(zhì)中線粒體腫脹加重,胞核逐漸溶解消失。NB和nHAP對細(xì)胞的損傷程度也隨著作用時間而加重,但主要表現(xiàn)為刷狀緣排列紊亂,細(xì)胞膜則較完整。通過透射電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn),nHAP在HK-2細(xì)胞中的分布密度比NB高,但對細(xì)胞的損傷程度卻低于NB。損傷HK-2細(xì)胞后,NB組中細(xì)胞晶體黏附程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于nHAP組。綜合以上結(jié)果表明,NB對HK-2細(xì)胞的損傷程度及晶體滯留的影響遠(yuǎn)大于nHAP,提示在損傷HK-2細(xì)胞及后續(xù)晶體黏附的過程中起主導(dǎo)作用的可能并非NB的磷酸鈣外殼,而是其菌體本身。
3.3四環(huán)素的抑菌作用得益于礦化生物被膜的保護(hù),NB不僅能夠耐高溫,脫水、冰凍、紫外線及γ輻射,青霉素、頭孢菌素及大環(huán)內(nèi)酯等普通抗生素也對其無效[7,17,13]。 殺滅 NB 的藥物有氨芐西林、甲氧芐啶和強(qiáng)力毒素等,但是其對人體產(chǎn)生毒害甚至致死劑量時才發(fā)揮藥效,因此不能應(yīng)用于臨床[18]。四環(huán)素是為數(shù)不多的能在生理濃度下殺滅NB的抗菌藥物之一,它可以穿透NB的鈣質(zhì)外殼,同時抑制其鈣化,從而發(fā)揮抗菌作用。有文獻(xiàn)報道,四環(huán)素在治療 NB 相關(guān)的慢性前列腺炎[9,19]、間質(zhì)性膀胱炎[20]等方面均取得了不錯的效果。Zhou[9]為探討納米桿菌感染與Ⅲ型前列腺炎的關(guān)系,選取48例慢性盆腔疼痛綜合征患者,隨機(jī)分為兩組,一組接受四環(huán)素抗NB治療,另一組接受安慰劑治療。在治療前后,分別從患者的前列腺液和尿液中分離培養(yǎng)NB,記錄其形態(tài)學(xué)特征,檢測16SrRNA基因的表達(dá),用國家衛(wèi)生研究院的NB陽性率和癥狀變化評價療效。經(jīng)抗NB治療后,前列腺液中NB陽性率由62.5%下降到16.7%,前列腺按摩后尿標(biāo)本則從12.5%下降到0%,而安慰劑組無明顯變化。結(jié)果顯示治療前后慢性疼痛綜合征患者的16SrRNA基因序列并無差別,而治療后慢性前列腺炎癥狀指數(shù)評分明顯下降,而安慰劑治療后慢性前列腺炎癥狀指數(shù)評分無明顯變化。可以認(rèn)為,四環(huán)素是抗NB治療的有效方法。該研究在損傷HK-2細(xì)胞后,電鏡顯示NB組中細(xì)胞晶體黏附程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于四環(huán)素干擾組;提示四環(huán)素可以抑制NB對HK-2細(xì)胞的損傷并減少損傷后的晶體滯留,這一結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)了四環(huán)素在腎結(jié)石的預(yù)防和治療方面的有效性,對于該病在臨床上的診治具有積極的意義。
綜上所述,NB可損傷HK-2細(xì)胞,損傷程度和晶體滯留程度與NB作用時間成正比,四環(huán)素可以抑制這一過程。因此,NB可能通過以下途徑導(dǎo)致腎結(jié)石的形成:NB感染損傷腎小管上皮細(xì)胞后,晶體向暴露的基底膜黏附,與NB和壞死細(xì)胞碎片共同形成結(jié)石。因此運(yùn)用四環(huán)素或其他抗菌藥物滅殺NB可能是預(yù)防和治療結(jié)石的一個新的方向。