鄭鐵軍,黃釗,凌赫,蘇偉*
(1.廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科手外科,廣西 南寧 530021;2.廣西醫(yī)科大學(xué)廣西生物醫(yī)藥協(xié)同創(chuàng)新中心,廣西 南寧 530021)
急性骨筋膜室綜合征( acute compartment syndrome,ACS)是臨床上常見的急癥之一[1]。ACS是創(chuàng)傷或其他導(dǎo)致出血、水腫或影響肢體的灌注疾病的并發(fā)癥。四肢骨折或擠壓傷是ACS最常見的原因[2]。骨折、擠壓傷或肢體缺血后由于血液和液體的積聚,肢體發(fā)生進(jìn)行性腫脹。ACS 是由于閉合的筋膜室內(nèi)壓(intracompartmental,ICP)升高,引起微循環(huán)障礙繼而引起肌肉、神經(jīng)損傷[3]。由于肌肉筋膜和其他結(jié)締組織是非彈性的,這種增加的腫脹會(huì)導(dǎo)致ICP的增加,并傳遞到薄壁靜脈,導(dǎo)致靜脈高壓和進(jìn)行性組織缺血。隨著細(xì)胞死亡的開始,細(xì)胞膜溶解釋放出滲透活性的細(xì)胞內(nèi)容物進(jìn)入間質(zhì),導(dǎo)致液體進(jìn)一步堆積,室內(nèi)壓力進(jìn)一步增加。微動(dòng)脈灌注也可能受損,導(dǎo)致微血管塌陷。組織血流阻斷,最后會(huì)發(fā)生惡性循環(huán)的結(jié)局[缺血-水腫-缺血][4]。組織的新陳代謝需求得不到滿足,導(dǎo)致活性氧(Reactiveoxygen species,ROS)和其他炎癥介質(zhì)的增加,不僅會(huì)使組織的損傷得以加重[5,6],而且還會(huì)干擾肌肉組織的再生和修復(fù)。ACS的唯一有效治療方法是立即手術(shù)筋膜切開術(shù),松解皮膚和肌肉筋膜,降低筋膜間壓力。
到目前為止,血紅素加氧酶(heme oxygenase,HO)已有兩種亞型HO-1和HO-2在哺乳動(dòng)物中被報(bào)道,第三種HO-3是由Hayashi和他的同事提出的,而在植物中發(fā)現(xiàn)了四種亞型(HO-1,HO-2,HO-3和HO-4)[7]。在不同的HO亞型中,HO-1因其表達(dá)水平在不同的病理生理?xiàng)l件下被誘導(dǎo)而被認(rèn)為是最受關(guān)注的研究對(duì)象。HO-1催化血紅素降解為一氧化碳(CO)、亞鐵和膽綠素,然后被膽綠素還原酶迅速還原為膽紅素。研究表明,HO-l是能有保護(hù)作用,抵抗氧化性損傷的內(nèi)源性物質(zhì)[8]。HO-l的轉(zhuǎn)錄受多種應(yīng)激源的觸發(fā),包括血紅素、缺氧、氧化應(yīng)激和紫外線照射[9]。HO-l在觸發(fā)后產(chǎn)生,會(huì)發(fā)揮抑制炎癥反應(yīng)、減少氧化反應(yīng)、以及抗細(xì)胞凋亡等效能使得機(jī)體受到保護(hù)作用[10,11]。在反應(yīng)后的生成物中,其中膽紅素可以起到使過氧化反應(yīng)變?nèi)醯淖饔?而在CO存在的情況下,可以激活鳥苷酸環(huán)化酶,有環(huán)磷酸鳥苷生成[12]。如果組織器官發(fā)生缺血性損傷,例如肢體發(fā)生缺血-再灌注損傷(ischemia reperfusion injury,IRI)后,HO-1 會(huì)生成增多[13],這樣就會(huì)相繼引起CO生成增多,最終肢體的缺血性損傷會(huì)得以減弱[14],CO在幾種體外和體內(nèi)炎癥模型中被認(rèn)為是一種有效的抗炎劑[15]。一般認(rèn)為,外源性的CO的可發(fā)揮保護(hù)作用,可以使后肢肌肉的缺血性損傷得以減弱,這在大鼠[16]和小鼠[17]上得以體現(xiàn)。更有表明,這種理論可能適用于在缺血性肌肉中HO-1產(chǎn)生的內(nèi)源性CO[9]。
Ewing和他的同事通過觀察心臟對(duì)高溫的反應(yīng)增加了HO-1的表達(dá),首次證明了HO-1在維持心臟內(nèi)穩(wěn)態(tài)方面的主要作用[15]。此外,許多HO-1轉(zhuǎn)基因小鼠模型的研究表明,由于HO-1的表達(dá),IRI后心肌梗死面積減少[18]。此外,在心力衰竭模型中,表達(dá)的HO-1促進(jìn)新生血管并改善細(xì)胞凋亡[19]。腎臟會(huì)遇到不同的毒素,既有外源性的,也有內(nèi)源性的。游離血紅素是誘導(dǎo)氧化應(yīng)激并最終導(dǎo)致HO-1表達(dá)的主要分子。已經(jīng)觀察到HO-1的表達(dá)發(fā)生在腎間質(zhì)、近端小管、腎單核巨噬細(xì)胞和腎小球等不同的亞結(jié)構(gòu)中,作為對(duì)損傷的反應(yīng)[20]。HO-1的表達(dá)與動(dòng)物IRI后腎功能的恢復(fù)有關(guān)[21]。
然而迄今為止,HO-1在骨骼肌損傷,尤其是急性骨筋膜室綜合征中的相關(guān)研究較少。本研究通過二代高通量測(cè)序比較發(fā)生骨筋膜室綜合征和未發(fā)生骨筋膜室綜合征的基因表達(dá)差異,運(yùn)用生物信息學(xué)方法分析HO-1mRNA 在骨筋膜室綜合征中的表達(dá)及臨床意義。然后通過RT-qPCR技術(shù)驗(yàn)證HO-1mRNA的差異表達(dá),利用GO富集分析和蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用(PPI)網(wǎng)絡(luò)分析探索急性骨筋膜室綜合征發(fā)生后,HO-1具體相關(guān)作用方向,初步探討 HO-1參與急性骨筋膜室綜合征的潛在分子機(jī)制。
提RNA試劑盒、cDNA 逆轉(zhuǎn)錄試劑盒和實(shí)時(shí)熒光定量PCR(RT-qPCR)來自生工生物工程(上海)有限公司;美國(guó)Thermo Fisher公司的NanoDrop微量核酸蛋白分析儀;美國(guó)Thermo Fisher公司的7500實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀。
1.2.1 急性骨筋膜室綜合征動(dòng)物模型
包括:結(jié)扎部分和監(jiān)測(cè)部分。結(jié)扎部分包括:棉線和血管鉗。棉線用于扎住大鼠的大腿根部,血管鉗有助于結(jié)扎打結(jié)時(shí)固定;監(jiān)測(cè)部分包括:頭皮針(8#),一次性輸液器,生理鹽水(100 mL/瓶),一次性壓力傳感器(PX2600YZB/USA 3717-2015),心電監(jiān)護(hù)儀(如:邁瑞 115-021306-00/PHILIPS)。頭皮針與生理鹽水通過一次性輸液器連接在一起,然后與壓力換能器通過三通管相連,壓力換能器與心電監(jiān)護(hù)儀相連,通過心電監(jiān)護(hù)儀讀取ICP和舒張壓(diastolic blood pressure,DBP),即可計(jì)算△ p(△ p=DBP-ICP)。
1.2.2 急性骨筋膜室綜合征模型建立過程
a.400-500gSD大鼠,實(shí)驗(yàn)前12h動(dòng)物禁食,不禁水;
b.實(shí)驗(yàn)時(shí),大鼠稱重,腹腔內(nèi)注射水合氯醛麻醉,水合氯醛濃度10%,用量30-50mg/kg實(shí)驗(yàn)期間水合氯醛維持麻醉狀態(tài);
c.在大腿根部用軟尺測(cè)量膝關(guān)節(jié)周長(zhǎng)C1,用棉線靠近根部扎住大腿來阻斷下肢血流,用血管鉗協(xié)助固定打結(jié),使結(jié)扎后的大腿根部周長(zhǎng)為C2=C1×1/2;
d.△p具體測(cè)量步驟如下。
給大鼠下肢剃毛,常規(guī)消毒后,取大鼠踝關(guān)節(jié)上方1cm部位作為穿刺點(diǎn),行斜45°穿刺、按照垂直測(cè)壓方法測(cè)壓,直至水柱平衡并通過三通管暫時(shí)關(guān)閉水柱;
用垂直水柱測(cè)壓裝置與壓力換能器通過三通管相連,壓力換能器通過心電監(jiān)護(hù)儀電纜線與心電監(jiān)護(hù)儀相連,將壓力換能器放置于被測(cè)肢體同一水平并調(diào)零;
打開三通管將垂直水柱與壓力換能器相通,通過心電監(jiān)護(hù)儀讀取ICP;
使用留置針行頸動(dòng)脈穿刺,留置輸液軟管在頸動(dòng)脈內(nèi),用同樣的方法監(jiān)測(cè)DBP;
計(jì)算△p 。
先觀察12h,若其間△P<30mmhg,持續(xù)時(shí)間>2h,則視為模型建立成功,可確診ACS的發(fā)生,若12h后仍達(dá)不到△P <30mmhg,則在第一次結(jié)扎的相同位置進(jìn)行第二次結(jié)扎,使結(jié)扎后的大腿根部周長(zhǎng)為C3=C1×1/2;然后繼續(xù)監(jiān)測(cè)直至△P <30mmhg,持續(xù)時(shí)間>2h。
圖1 動(dòng)物模型的結(jié)構(gòu)示意圖
實(shí)驗(yàn)分為2組:實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組,實(shí)驗(yàn)組給予造模處理,對(duì)照組不做任何處理。
實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組各2只大鼠,當(dāng)實(shí)驗(yàn)組大鼠△P <30mmhg,持續(xù)時(shí)間>2h,診斷ACS的發(fā)生,造模成功。取大鼠小腿的趾長(zhǎng)屈肌,做二代高通量測(cè)序??俁NA是使用miRNeasy Mini Kit (德國(guó))提取的。cDNA文庫(kù)構(gòu)建和測(cè)序是使用Illumina HiSeq2000測(cè)序儀在上海生物技術(shù)公司(中國(guó)上海)進(jìn)行。由此產(chǎn)生原始測(cè)序片段被映射到Sscrofa11.1的參考基因組上。轉(zhuǎn)錄本的表達(dá)以FPKM(Fragments Per Kilobase of exon model per Million mapped reads)來量化。使用EdgeR鑒定了基因的差異表達(dá)水平[22]。使用q-Value BioConductor軟件包,通過控制FDR(False Discovery Rate),對(duì)基因的差異表達(dá)的P值進(jìn)行調(diào)整。p值為≤0.05且倍數(shù)變化≥2的基因被定義為差異表達(dá)基因(differentially expressed genes,DEGs)。使用ClusterProfilerR軟件包對(duì)DEGs進(jìn)行GO功能富集分析和KEGG途徑富集分析。如果p值≤為0.05時(shí),這些條目被認(rèn)為是顯著豐富的。
使用STRING在線工具(https://string-db.org/cgi/input.pl))構(gòu)建置信分?jǐn)?shù)>0.4的DEGsPPI網(wǎng)絡(luò)[23,24]。然后,我們將HO-1基因和其相關(guān)基因的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cytoscape(版本3.6.0,http://chianti.ucsd.edu/cytoscape-3.6.0/)來分析它們及其編碼蛋白的相互作用關(guān)系,并進(jìn)行可視化處理。
實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組各5只大鼠,當(dāng)實(shí)驗(yàn)組大鼠△P<30mmhg,持續(xù)時(shí)間>2h,診斷ACS的發(fā)生,造模成功。檢測(cè)HO-1的基因表達(dá)水平,根據(jù)生工生物工程試劑盒說明書提取大鼠小腿的趾長(zhǎng)屈肌總RNA并測(cè)定濃度,通過使用cDNA轉(zhuǎn)錄試劑盒反轉(zhuǎn)獲得cDNA。參照qPCR試劑盒的操作說明進(jìn)行qPCR產(chǎn)物擴(kuò)增,使用2-??Ct法實(shí)現(xiàn)相對(duì)基因表達(dá)水平的分析,并將基因表達(dá)水平標(biāo)準(zhǔn)化為β-actin,計(jì)算HO-1mRNA表達(dá)量。qPCR反應(yīng)程序(三步法):預(yù)熱期:95℃ (30s);循環(huán)期:95℃ (5s),60℃ (34s),共循環(huán) 40次;溶解期:95℃ (15 s),60℃ (60 s),95℃(15s)。引物購(gòu)自生工生物工程股份有限公司,具體如下:β-actin 上 游 : 5’-CGTAAAGACCTCTATGCCAACA-3’,下 游:5’-AGCCACCAATCCACACAGAG-3’;HO-1上 游:5’-TTTCACCTTCCCGAGCATC-3’, 下 游 :5’-TCTTAGCCTCTTCTGTCACCCT-3’
使用SPSS 26.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,使用秩和檢驗(yàn)比較RT-qPCR中實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的HO-1mRNA表達(dá)差異從而得出P值,如果P<0.05,則認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
基于實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的測(cè)序數(shù)據(jù),我們獲得了1915個(gè)DEGs。和對(duì)照組相比,實(shí)驗(yàn)組中780個(gè)上調(diào)基因,1135個(gè)下調(diào)基因(詳見附件1)。在圖2中,熱圖和火山圖顯示這些基因是有明顯差異表達(dá)的(圖2A,2B)。圖2C和2D中顯示了GO富集和KEGG富集分析結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)組中,差異基因HO-1表達(dá)上調(diào)(圖2E),表2(詳見附件2)顯示HO-1富集的GO條目:過氧化氫的反應(yīng)、缺氧的反應(yīng)、活性氧的反應(yīng)、細(xì)胞金屬離子的反應(yīng)、細(xì)胞氧化應(yīng)激的反應(yīng)、防御反應(yīng)、細(xì)胞脂質(zhì)代謝過程。其中顯示201個(gè)DEGs富集在防御反應(yīng),51個(gè)DEGs富集在氧化應(yīng)激反應(yīng)。這些結(jié)果提示急性骨筋膜室綜合征中HO-1表達(dá)升高可能與防御反應(yīng)和氧化應(yīng)激生物過程有關(guān)。
圖2
表1 HO-1相關(guān)的GO條目
為了進(jìn)一步研究在急性骨筋膜室綜合征中HO-1參與的機(jī)制,根據(jù)STRING數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù),建立了一個(gè)PPI網(wǎng)絡(luò)。我們從中篩選出HO-1與其相關(guān)基因進(jìn)行分析,使用Cytoscape進(jìn)行可視化處理,總共有59個(gè)節(jié)點(diǎn)和58個(gè)關(guān)系對(duì)(圖3)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些基因大多在防御反應(yīng)和氧化應(yīng)激GO條目中富集。這又一次說明,在急性骨筋膜室綜合征中HO-1參與的機(jī)制可能與防御反應(yīng)和氧化應(yīng)激方面有關(guān)。
圖3 HO-1(Hmox1)與相關(guān)基因的PPI網(wǎng)絡(luò)
從測(cè)序結(jié)果中,我們發(fā)現(xiàn)HO-1是DEGs之一,我們利用RT-qPCR技術(shù)驗(yàn)證HO-1mRNA 在實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組中的表達(dá)差異。與對(duì)照組相比,HO-1mRNA在實(shí)驗(yàn)組中的表達(dá)確實(shí)顯著上調(diào)(P<0.01,圖4)。根據(jù)測(cè)序和RT-qPCR數(shù)據(jù)得到的轉(zhuǎn)錄水平是一致的,從而證實(shí)了測(cè)序信息是可靠的,以上結(jié)果初步表明 HO-1可作為診斷急性骨筋膜室綜合征的潛在分子標(biāo)志物。
圖4 HO-1mRNA的相對(duì)表達(dá)倍數(shù)
ACS被認(rèn)為是一種骨科急癥,參與搶救的外科醫(yī)生應(yīng)提高警惕,嚴(yán)格掌握筋膜切開術(shù)的適應(yīng)證。面對(duì)患者的病史,應(yīng)特別注意損傷機(jī)制,創(chuàng)傷病因分類是治療的關(guān)鍵。如果延誤診斷和治療,可能會(huì)導(dǎo)致肢體和生命危險(xiǎn)的結(jié)局。因此,有必要進(jìn)一步探索ACS的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制及尋找可靠的診斷分子標(biāo)志物。由于高通量測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn),生物信息學(xué)領(lǐng)域得以快速發(fā)展。多年來,它一直是生物醫(yī)學(xué)研究中不可或缺的一部分,大量的基因組學(xué)信息正在豐富積累,生物醫(yī)學(xué)研究的“大數(shù)據(jù)”時(shí)代已經(jīng)到來[25,26]。然而,HO-1在ACS的發(fā)病機(jī)制中尚不完全清楚。為了深入了解HO-1在肌肉組織發(fā)病過程中相關(guān)作用方向,我們進(jìn)行了測(cè)序分析。我們知道ACS的發(fā)生、發(fā)展與筋膜室內(nèi)壓升高、缺血缺氧密切相關(guān)。本研究通過測(cè)序發(fā)現(xiàn),ACS的肌肉組織中HO-1mRNA顯著上調(diào),PCR證實(shí)了HO-1在轉(zhuǎn)錄水平高表達(dá)作為潛在診斷標(biāo)志物這一結(jié)果,這使我們的研究更具說服力。
根據(jù)測(cè)序結(jié)果中GO富集條目可知,ACS中HO-1表達(dá)升高可能與防御反應(yīng)和氧化應(yīng)激等生物過程有關(guān)。在防御反應(yīng)方面,具有保護(hù)作用的酶HO-1會(huì)廣泛參加機(jī)體組織的抗炎癥反應(yīng),并在早期發(fā)生效應(yīng)[27]。在缺血缺氧條件下,它可以調(diào)控下級(jí)通路,使受損傷的臟器得以被保護(hù)。另外,發(fā)現(xiàn)了骨骼肌HO-1的新作用,是它穩(wěn)定了缺氧誘導(dǎo)因子 -1α(Hypoxia-Inducible Factor-1α,HIF-1α)并促進(jìn)了有效的葡萄糖利用,從而限制了缺血引起的組織壞死[9]。研究表明,HO-1可以保護(hù)骨骼肌免受損傷,而缺乏HO-1則會(huì)增加骨骼肌缺血時(shí)的細(xì)胞凋亡。HO-1可能被認(rèn)為是限制肌肉損傷強(qiáng)度的一個(gè)因素[28]。外源性HO-1表達(dá)促進(jìn)大鼠和小鼠后肢缺血模型中血流的恢復(fù)。肌肉生長(zhǎng)可以通過HO-1介導(dǎo)的機(jī)制促進(jìn)后肢缺血的血管生成。絲氨酸/蘇氨酸激酶(Akt1)介導(dǎo)的肌肉生長(zhǎng)通過增強(qiáng)鄰近內(nèi)皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中HO-1的表達(dá)來促進(jìn)缺血性病變中的血流恢復(fù)[8]。骨骼肌的特點(diǎn)是耗氧量高,因此具有抗氧化特性的酶在這種組織中被證明是有保護(hù)作用的[29]。在氧化應(yīng)激方面,在HO-1活性強(qiáng)烈增強(qiáng)和血紅素大量供應(yīng)的條件下,釋放大量的活性鐵,鐵離子通過與過氧化氫發(fā)生Fenton反應(yīng)促進(jìn)了氧自由基的產(chǎn)生,其中羥自由基最具有破壞性,其不僅能夠在體內(nèi)與其鄰近的分子發(fā)生急速反應(yīng),同時(shí)還能夠促進(jìn)與細(xì)胞的脂質(zhì)成分發(fā)生過氧化生成大量脂質(zhì)自由基,同時(shí)有大量ROS產(chǎn)生,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)紊亂[30],這就是鐵依賴性的脂質(zhì)過氧化死亡即鐵死亡。一方面,Adedoyin等[31]認(rèn)為:Erastin可以引起腎小管上皮細(xì)胞發(fā)生鐵離子依賴的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)造成的組織細(xì)胞死亡,在這個(gè)過程中,HO-1可以抑制鐵死亡反應(yīng)。Sun等證實(shí),在Erastin處理的肝癌細(xì)胞中誘導(dǎo)HO-1對(duì)鐵死亡有保護(hù)作用[32];而另一方面,Kwon等[33]認(rèn)為在Erastin引起的成纖維肉瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡過程中,HO-1抑制劑卻能夠減輕這種死亡程度,這側(cè)面說明了HO-1促進(jìn)了鐵死亡反應(yīng),原因是HO-1產(chǎn)生的鐵會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鐵過載。在鐵死亡過程中HO-1表達(dá)的這些不同的結(jié)果可能表明:HO-1在鐵死亡中的作用與所處環(huán)境和細(xì)胞類型相關(guān)。重要的是,不加控制的HO-1過度表達(dá)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的細(xì)胞毒性作用。因此,HO-1對(duì)骨骼肌細(xì)胞的效應(yīng)可能與HO-1的表達(dá)量有關(guān):輕中度表達(dá)表現(xiàn)為保護(hù)作用,高度表達(dá)導(dǎo)致壞死。通過控制該蛋白的表達(dá)來創(chuàng)造一個(gè)有益的閾值似乎是獲得治療效果的關(guān)鍵。另外,ROS是機(jī)體缺血性損傷中重要的引起因素[34]。ROS堆積過量,與不飽和脂肪酸作用從而引起過氧化反應(yīng)。因此,降低ROS的量可以成為治療缺血性損傷的手段。這為后續(xù)的深入研究奠定了基礎(chǔ)。
綜上所述,HO-1mRNA在ACS中高表達(dá),且與ACS 發(fā)生有一定相關(guān)性。因此,臨床上通過檢測(cè)肌肉組織中HO-1mRNA的表達(dá),或許能夠作為一種早期輔助診斷ACS患者的新型分子標(biāo)志物。本研究亦有不足之處,盡管通過測(cè)序發(fā)現(xiàn)了HO-1在ACS中潛在作用及價(jià)值,但PCR僅能提供基因在轉(zhuǎn)錄水平的驗(yàn)證,這可能與蛋白水平的表達(dá)不完全一致。此外,HO-1在鐵死亡中的作用與所處環(huán)境和細(xì)胞類型相關(guān),HO-1對(duì)骨骼肌細(xì)胞的效應(yīng)可能與HO-1的表達(dá)程度有關(guān),HO-1在ACS中導(dǎo)致骨骼肌壞死具體作用機(jī)制仍不明確,可能與鐵依賴性的脂質(zhì)過氧化死亡,即鐵死亡有關(guān),這一發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步探討HO-1介導(dǎo)鐵死亡的分子機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)。需要扎實(shí)的基礎(chǔ)研究來探索其參與ACS發(fā)生、發(fā)展的分子機(jī)制及相關(guān)信號(hào)通路。