趙晨茜,徐安琦,2,艾 多,2,孔德欽,張曉迪,李文麗,海春旭,劉江正,*
(1.空軍軍醫(yī)大學軍事預防醫(yī)學系軍事毒理學與防化醫(yī)學教研室,陜西省自由基生物學與醫(yī)學重點實驗室,教育部特殊作業(yè)環(huán)境危害評估與防治重點實驗室,陜西 西安 710032;2.空軍軍醫(yī)大學基礎醫(yī)學院學員二大隊,陜西 西安 710032)
糜爛性毒劑是一類重要的化學戰(zhàn)劑,在歷史上曾被大量使用,造成了大量人員傷亡[1]。糜爛性毒劑作為日遺化武的主要成分和重要的化學恐怖劑,對我國人民的安全構(gòu)成了嚴重而持久的威脅[2]。肺是糜爛性毒劑中毒的主要靶器官之一,戰(zhàn)場條件下大劑量吸入這類毒劑蒸氣能夠?qū)е录毙苑螕p傷,嚴重時可導致死亡,目前還缺乏有效的治療藥物[3]。氧化應激、炎癥、凋亡和線粒體功能障礙被認為是糜爛性毒劑導致呼吸系統(tǒng)損傷的關(guān)鍵毒作用機制[4]。氮芥(nitrogen mustard,HN2)是經(jīng)典的糜爛性毒劑之一,也是芥子氣的重要模擬劑,主要通過呼吸道和皮膚暴露,吸收后可以導致全身中毒[5]。HN2 常用來構(gòu)建糜爛性毒劑中毒動物模型,以研究其中毒機制和防治策略[6]。
Mito-TEMPO 是一種具有線粒體靶向功能的超氧化物歧化酶模擬物,在線粒體局部具有較強的清除超氧化物和超氧陰離子自由基的能力,其化學結(jié)構(gòu)式如圖1 所示[7]。大量研究表明,Mito-TEMPO 被證實在多種損傷模型中能夠減輕氧化應激損傷和細胞死亡[8-9],同時還具有一定抗腫瘤作用[7]。Mito-TEMPO在糜爛性毒劑誘導的急性肺損傷中是否具有保護作用尚不清楚。本研究通過HN2染毒構(gòu)建糜爛性毒劑誘導肺損傷體外模型,旨在明確Mito-TEMPO 干預對HN2 誘導肺上皮細胞毒性的作用,并初步探討其作用機制,為糜爛性毒劑中毒導致的急性肺損傷的救治提供實驗基礎。
圖1 Mito-TEMPO的化學結(jié)構(gòu)式
BEAS-2B細胞系由中國科學院上海細胞生物學研究所細胞庫提供,使用含10%胎牛血清的RPMI-1640培養(yǎng)基。
1.2.1 主要試劑Mito-TEMPO 購自中國MedChem Express(MCE)生物試劑有限公司;鹽酸HN2(純度99%)購自美國Sigma 公司;RPMI-1640 培養(yǎng)基和胎牛血清(FBS)購自美國Gibco公司;PBS、0.25%胰蛋白酶購自上海吉諾醫(yī)藥生物技術(shù)有限公司;CCK-8細胞活性檢測試劑盒、Annexin V/PI 雙染凋亡試劑盒購自南京凱基生物公司;MitoSOX、DCFH-DA、DHE探針購自賽默飛世爾科技(中國)有限公司;ATP 含量檢測試劑盒、BCA蛋白定量試劑盒購自中國索萊寶生物科技有限公司;RNA 提取試劑盒、RNA 反轉(zhuǎn)錄試劑盒、SYBR Green 一步法RT-PCR 試劑盒購自中國AG 生物科技有限公司。其他所用化學品均為分析純以上級別。
1.2.2 主要儀器流式細胞儀為美國BD 公司產(chǎn)品;SCIENTZ-48 高通量組織研磨器為寧波新芝公司產(chǎn)品;全自動高速冷凍離心機購于美國Sigma 公司;Infinite M200 Pro 全波段酶標儀購于瑞士Tecan 公司;NanoDrop 2000分光光度計購于美國Thermo公司。
1.3.1 細胞處理和實驗分組BEAS-2B 細胞在37 ℃、CO2體積分數(shù)為5%及飽和濕度的孵箱中進行培養(yǎng)。當細胞生長至鋪滿70%~80%瓶底面積時,使用含0.25%的胰蛋白酶消化細胞進行傳代或接種。Mito-TEMPO溶于DMSO中,配制為100 mmol/L儲備液。鹽酸氮芥直接溶解于RPMI-1640 培養(yǎng)基中,現(xiàn)用現(xiàn)配。Mito-TEMPO 干預HN2 導致細胞損傷實驗中,分為正常對照組、Mito-TEMPO 對照組、HN2染毒組和Mito-TEMPO干預組(見圖2),其中正常對照組給予含DMSO(體積分數(shù)為0.1%)的無血清RPMI-1640 培養(yǎng)基處理26 h;Mito-TEMPO 對照組給予Mito-TEMPO(100 μmol/L)處理26 h;HN2染毒組首先給予含DMSO(體積分數(shù)為0.1%)的無血清RPMI-1640 培養(yǎng)基預處理2 h,然后給予HN2(8 μmol/L)染毒24 h;Mito-TEMPO干預組細胞給予Mito-TEMPO(100 μmol/L)預處理2 h,然后HN2(8 μmol/L)和Mito-TEMPO(100 μmol/L)進行共處理24 h。
圖2 實驗分組及方案示意圖
1.3.2 CCK-8 法測定細胞活性將BEAS-2B 細胞接種于96孔板,當細胞生長至80%密度后,進行相應的實驗處理。處理結(jié)束后,使用無血清RPMI-1640培養(yǎng)基將CCK-8 原液稀釋10 倍,每孔加入CCK-8 使用液100 μL,37 ℃孵箱避光孵育0.5 h,然后用全波段酶標儀在450 nm處檢測吸光度值D(450),該吸光度值可間接反映細胞活性變化。
1.3.3 速率法檢測細胞培養(yǎng)基上清LDH 活性使用商品化乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)活性檢測試劑盒檢測上清LDH活性:處理結(jié)束后,小心分離細胞培養(yǎng)基,1 000 g離心5 min,取上清,立即按照說明書步驟檢測LDH活性。
1.3.4 Annexin V/PI 探針法流式細胞術(shù)檢測細胞凋亡將BEAS-2B 細胞接種于6 孔板,當細胞生長至80%后進行實驗。實驗處理結(jié)束后,胰酶消化細胞,按照Annexin V/PI 細胞凋亡檢測試劑盒說明書操作,流式細胞儀檢測FL-1 通道和FL-3 通道熒光強度。使用儀器自帶CFlowPlus軟件分析和處理數(shù)據(jù)。
1.3.5 熒光探針法檢測細胞內(nèi)ROS 水平和線粒體膜電位將BEAS-2B 細胞接種于6 孔板,處理結(jié)束后,吸棄細胞培養(yǎng)基,各孔加入終濃度為10 μg/mL 的MitoSOX、10 μmol/L 的DCFH-DA、10 μmol/L 的DHE、10 μmol/L的JC-1探針染料,37 ℃孵箱中避光孵育20 min,然后胰酶消化后離心,棄去上清后PBS重懸,流式細胞儀檢測相關(guān)通道熒光強度,每樣分別計數(shù)1×104個細胞。MitoSOX檢測線粒體ROS,DHE檢測細胞內(nèi)總ROS,二者均計算紅色熒光強度曲線下面積;DCFH-DA 檢測細胞內(nèi)H2O2,計算綠色熒光強度曲線下面積;JC-1探針檢測線粒體膜電位時,計算紅色熒光強度曲線下面積與綠色熒光強度曲線下面積之比。使用儀器自帶CFlowPlus 軟件分析和處理數(shù)據(jù),每組實驗獨立重復3次。
1.3.6 紫外分光光度法檢測細胞勻漿ATP 含量將BEAS-2B細胞接種于15 cm培養(yǎng)皿,按1.3.1的實驗方案處理結(jié)束后,胰酶消化細胞,反復凍融5 次后,玻璃勻漿器制備細胞勻漿。BAC蛋白濃度檢測試劑盒檢測細胞勻漿蛋白濃度,使用商品化ATP含量檢測試劑盒測定細胞勻漿ATP水平,實驗步驟嚴格按照說明書進行,紫外分光光度法檢測終末產(chǎn)物吸光值,ATP 單位為nmol/mg。
1.3.7 實時熒光定量PCR 檢測mRNA 表達水平使用商品化通用型RNA 提取試劑盒提取細胞內(nèi)總RNA,并使用NanoDrop 2000 分光光度計分析RNA 的濃度和純度。鑒定純度及濃度合格后,使用cDNA 合成超級混合試劑盒對提取的總RNA(2 μg)進行逆轉(zhuǎn)錄。反應條件如下:42 ℃、60 min,然后70 ℃、5 min。使用QuantStudio 7 Flex 實時PCR 系統(tǒng)和SYBR Green PCR master Mix 快速擴增試劑盒進行目的基因擴增,循環(huán)條件為95 ℃、15 s,60 ℃、20 s,72 ℃、20 s。mRNA 的相對定量值使用比較-Ct 法(ΔΔCt 法)。β-肌動蛋白(β-actin)基因作為內(nèi)參基因。實驗中所使用引物的序列信息見表1。
表1 基因引物序列
1.3.8 統(tǒng)計學方法實驗數(shù)據(jù)采用xˉ±s表示,使用GraphPad Prism 8.0軟件統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù),Tukey多重比較檢驗用于比較正常對照組和HN2 染毒組之間、HN2 染毒組和Mito-TEMPO 干預組之間的統(tǒng)計學差異,P<0.05被認為具有顯著的統(tǒng)計學差異。
首先,我們觀察了Mito-TEMPO 單獨干預對BEAS-2B 細胞活性的影響。CCK-8 檢測結(jié)果見圖3A,與未染毒細胞相比,25~400 μmol/L 的Mito-TEMPO 單獨處理24 h 的細胞活性無明顯改變(P>0.05),而800 μmol/L的Mito-TEMPO處理24 h的細胞活性降低了約16.4%(P<0.05)。結(jié)合以往的文獻,我們選擇了100 μmol/L 作為Mito-TEMPO 的藥物干預濃度。結(jié)合預實驗結(jié)果,我們選擇了8 μmol/L的HN2暴露24 h 構(gòu)建體外損傷模型。如圖3B 所示,與正常對照組相比,HN2染毒組的細胞活性降低了約19.2%(P<0.05)。與HN2 染毒組相比,Mito-TEMPO 干預組細胞活性下降了約42.6%(P<0.05,圖3B)。培養(yǎng)液上清LDH活性結(jié)果見圖3C,單獨Mito-TEMPO 處理對細胞培養(yǎng)基上清LDH 活性無顯著影響(P>0.05),與HN2 染毒組相比,Mito-TEMPO 干預組細胞培養(yǎng)基上清LDH活性顯著增加(P<0.05),進一步證實100 μmol/L 的Mito-TEMPO干預對HN2誘導細胞毒性具有促進作用。
圖3 Mito-TEMPO干預對HN2誘導細胞損傷的影響(n=8)
倒置顯微鏡觀察細胞形態(tài)結(jié)果見圖4,Mito-TEMPO 單獨干預細胞形態(tài)基本正常,但HN2 暴露后細胞數(shù)量顯著減少,且部分細胞呈現(xiàn)梭狀,Mito-TEMPO 干預后呈現(xiàn)皺縮狀態(tài)的死細胞數(shù)量明顯增多。以上結(jié)果表明,100 μmol/L 的Mito-TEMPO 干預對HN2導致細胞損傷具有一定程度的促進作用。
圖4 倒置顯微鏡下觀察Mito-TEMPO干預對HN2誘導細胞形態(tài)改變的影響(×40)
Annexin V/PI 探針法檢測細胞凋亡的結(jié)果見圖5,與正常對照組相比,Mito-TEMPO單獨處理對細胞凋亡無顯著影響(P>0.05),HN2 染毒組的細胞凋亡率約為43.2%,與正常對照組相比顯著升高(P<0.05),Mito-TEMPO干預組的細胞凋亡率約為51.4%,與HN2染毒組相比差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。
圖5 AnnexinV/PI雙熒光探針法檢測Mito-TEMPO干預對HN2誘導細胞凋亡的影響(n=3)
JC-1 探針法檢測線粒體膜電位結(jié)果見圖6A 和B,與正常對照組相比,Mito-TEMPO 單獨處理對線粒體膜電位水平無顯著影響(P>0.05),8 μmol/L HN2 暴露24 h 后細胞線粒體膜電位水平顯著降低(P<0.05),100 μmol/L Mito-TEMPO 干預既未改善,也未惡化HN2 導致的細胞膜電位下降(P>0.05)。細胞勻漿ATP含量檢測結(jié)果如圖6C所示,100 μmol/L Mito-TEMPO單獨處理對細胞內(nèi)ATP含量無顯著影響(P>0.05),HN2染毒后細胞內(nèi)ATP 含量顯著降低(P<0.05)。與HN2 染毒組相比,Mito-TEMPO 干預組細胞內(nèi)ATP 含量無顯著改變(P>0.05,圖6C)。
圖6 Mito-TEMPO干預對HN2誘導線粒體功能障礙的影響
RT-PCR 檢測細胞內(nèi)炎癥因子TNF-α 和IL-6 mRNA 表達水平的結(jié)果見圖7,與正常對照組相比,Mito-TEMPO 對照組TNF-α和IL-6 的mRNA 表達水平無顯著改變(P>0.05),HN2 暴露組上述分子的mRNA表達水平顯著上調(diào)(P<0.05)。與HN2 染毒組相比,Mito-TEMPO 干預組細胞的TNF-α和IL-6 的mRNA 表達水平無顯著影響(P>0.05)。
圖7 實時熒光定量PCR檢測細胞內(nèi)TNF-α和IL-6的mRNA表達水平
MitoSOX 熒光探針檢測線粒體ROS 水平的結(jié)果見圖8A,與正常對照組相比,Mito-TEMPO 單獨處理顯著降低了線粒體ROS 水平(P<0.05),而HN2 染毒導致線粒體ROS 水平顯著升高(P<0.05),與HN2 染毒組相比,Mito-TEMPO 干預組細胞線粒體ROS 水平降低了53.6%(P<0.05)。DCFH-DA 熒光探針檢測細胞內(nèi)H2O2水平的結(jié)果見圖8B,與正常對照組相比,Mito-TEMPO 單獨處理和HN2 染毒均顯著升高了細胞內(nèi)H2O2水平(P<0.05),與HN2 染毒組相比,Mito-TEMPO干預組細胞內(nèi)H2O2水平增加了171%(P<0.05)。DHE熒光探針檢測細胞內(nèi)總ROS水平的結(jié)果見圖8C,與正常對照組相比,HN2 染毒組細胞總ROS 水平升高了約47.2%(P<0.05),與HN2 染毒組相比,Mito-TEMPO 干預組細胞內(nèi)總ROS水平升高了約43.4%(P<0.05)。上述結(jié)果表明,雖然Mito-TEMPO 能夠顯著抑制HN2 導致的線粒體ROS水平的升高,但反而促進了HN2誘導的細胞內(nèi)H2O2和總ROS水平的升高。
圖8 Mito-TEMPO干預對HN2誘導線粒體ROS、H2O2及總ROS改變的影響(n=3)
在戰(zhàn)場條件下或化學恐怖襲擊過程中,通過呼吸道大量暴露糜爛性毒劑可引起嚴重的急性肺損傷,目前其機制尚不明確,且缺乏有效的干預手段[3]。Mito-TEMPO作為一種新型線粒體超氧陰離子清除劑,已被證明在多種氧化應激損傷模型中具有較好的保護作用[10-11]。然而,Mito-TEMPO在糜爛性毒劑誘導肺上皮細胞損傷中的作用尚不清楚。在本研究中,我們通過細胞染毒HN2 構(gòu)建了體外模型,以明確Mito-TEMPO是否可以減輕糜爛性毒劑誘導上皮細胞損傷并探討其相關(guān)機制。這是首次在體外細胞水平上較為系統(tǒng)的評價線粒體靶向的超氧化物歧化酶模擬劑Mito-TEMPO對糜爛性毒劑誘導細胞毒性的實驗研究。實驗結(jié)果表明,安全劑量的Mito-TEMPO 干預并未有效減輕HN2誘導的細胞毒性,反而一定程度上促進了細胞損傷。
我們首先篩選了有效的Mito-TEMPO 干預濃度。通過CCK-8實驗,我們發(fā)現(xiàn)除了800 μmol/L濃度造成細胞活性輕微損傷外,400 μmol/L 以下濃度的Mito-TEMPO均是安全的,未造成明顯的細胞毒性。結(jié)合文獻[12]報道,后續(xù)研究我們選擇了100 μmol/L 濃度的Mito-TEMPO 進行體外干預研究,該濃度在多種模型中被證實具有良好的抗氧化保護效應[13-14]。通過CCK-8實驗檢測細胞活性,我們意外發(fā)現(xiàn)Mito-TEMPO干預后并未發(fā)揮保護作用,反而顯著加重了HN2 誘導的BEAS-2B細胞活性損傷。細胞損傷后會釋放LDH,培養(yǎng)基上清LDH 活性是評價細胞毒性的敏感指標[15]。LDH 檢測結(jié)果與CCK-8 結(jié)果類似,進一步證實Mito-TEMPO 干預在HN2 誘導細胞毒性模型中發(fā)揮了促損傷作用。顯微鏡下觀察細胞大體形態(tài),也證實了上述結(jié)果。通過上述多種途徑的交叉驗證,我們證實100 μmol/L的Mito-TEMPO 與8 μmol/L的HN2共處理能夠通過某種途徑增強HN2的細胞毒性。
凋亡被認為是糜爛性毒劑導致肺損傷的重要中毒機制之一[16]。以往的研究表明,HN2 氣管內(nèi)暴露后能夠?qū)е路闻萆掀ぜ毎l(fā)生顯著凋亡[17]。有學者研究報道稱,Mito-TEMPO 在對乙酰氨基酚誘導的急性肝損傷模型中,會引起一定的繼發(fā)性肝細胞凋亡[18]。為了闡明凋亡是否參與了Mito-TEMPO 的促HN2 損傷效應,我們通過流式細胞術(shù)檢測了凋亡細胞比例的改變,結(jié)果證實HN2 暴露能夠顯著誘導細胞發(fā)生凋亡,而Mito-TEMPO 處理既未促進凋亡,也未抑制凋亡,提示100 μmol/L 的Mito-TEMPO 促HN2誘導細胞毒性效應可能獨立于凋亡作用。大量的研究證實,線粒體功能障礙在糜爛性毒劑誘導細胞損傷中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用,其原因可能是通過烷化線粒體的DNA 和脂質(zhì),導致線粒體結(jié)構(gòu)破壞,同時導致電子傳遞鏈功能異常,“電子漏”增加,同時也參與了氧化應激的發(fā)生和發(fā)展[19]。線粒體內(nèi)主要的ROS 類型是超氧陰離子自由基,也是Mito-TEMPO作用的主要底物[9]。本研究證實HN2 暴露后導致BEAS-2B 細胞發(fā)生顯著的線粒體功能障礙,表現(xiàn)為線粒體膜電位降低和ATP合成能力下降,但100 μmol/L 的Mito-TEMPO 干預對HN2誘導線粒體功能異常既無改善,也無促進作用。糜爛性毒劑呼吸道中毒往往會導致肺部不可控的炎癥反應[20]。HN2暴露不僅會導致肺泡灌洗液中的蛋白和炎癥細胞顯著增加[8],還能引起細支氣管周圍區(qū)域、肺泡腔、血管和肺血管周圍間質(zhì)中性粒細胞明顯聚集[9]。我們在體外模型中發(fā)現(xiàn),HN2暴露后顯著上調(diào)了上皮細胞中TNF-α和IL-6的mRNA水平,與以往報道的結(jié)論相一致[20]。以往的體內(nèi)研究表明,Mito-TEMPO可以通過減輕炎癥和線粒體功能障礙,緩解腎纖維化[21],但在HN2 體外模型中,Mito-TEMPO 干預對炎癥和線粒體功能反應均無顯著影響,其機制還有待進一步闡明。
值得注意的是,我們的研究發(fā)現(xiàn)100 μmol/L 的Mito-TEMPO 雖然顯著抑制了由HN2 染毒引起的線粒體ROS生成增加,但同時也明顯促進了HN2導致的細胞內(nèi)H2O2和總ROS的過量生成。這種現(xiàn)象可能是因為Mito-TEMPO 可以選擇性地在線粒體中積累,主要發(fā)揮線粒體局部調(diào)控作用,通過高效的催化線粒體超氧陰離子生成大量H2O2[7]。大量文獻表明,過量的超氧陰離子雖然能夠?qū)е卵趸瘧p傷,但適度水平可能在調(diào)節(jié)細胞功能方面發(fā)揮了信號轉(zhuǎn)導等重要功 能[22]。大量的消耗線粒體ROS雖然可以減少線粒體局部氧化應激,但在細胞整體水平上可能會導致線粒體ROS信號傳導功能的喪失。此外,由于Mito-TEMPO 干預組細胞內(nèi)H2O2水平和總ROS水平顯著升高,我們推測其原因可能是Mito-TEMPO 催化生成了大量H2O2,超出了細胞內(nèi)過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶等抗氧化酶清除H2O2的能力,進而導致了大量H2O2蓄積,進而通過芬頓式反應等生成大量羥自由基等,導致細胞內(nèi)ROS不可控的累積,最終導致HN2染毒細胞處于高水平的氧化應激狀態(tài)并發(fā)生細胞損傷。大量研究已經(jīng)證實,糜爛性毒劑暴露會通過線粒體氧化應激導致明顯的線粒體結(jié)構(gòu)異常和功能障礙[19,23]。雖然通過細胞毒性測試,我們證實100 μmol/L 的Mito-TEMPO 干預增加了HN2 導致的細胞毒性,但后續(xù)的實驗也說明Mito-TEMPO 并未促進HN2 相關(guān)的細胞凋亡發(fā)生和線粒體功能障礙。我們推測,雖然HN2 和Mito-TEMPO共處理通過提高總ROS水平誘導細胞整體水平的氧化應激損傷,但Mito-TEMPO 干預可能通過線粒體局部的高效抗氧化作用,有效拮抗HN2誘導過量ROS生成對線粒體的攻擊,從而導致線粒體功能障礙和凋亡未出現(xiàn)明顯改變。Mito-TEMPO 的促HN2 損傷效應可能是通過獨立于凋亡和線粒體損傷作用發(fā)生的,主要通過損傷其他細胞器和誘導其他類型的細胞死亡。
綜上所述,在HN2 染毒BEAS-2B 細胞的體外模型中,100 μmol/L 的Mito-TEMPO 干預表現(xiàn)出明顯的促損傷效應,在這一過程中,Mito-TEMPO 干預顯著抑制了HN2誘導的線粒體ROS的過量產(chǎn)生,卻進一步提高了細胞內(nèi)H2O2及總ROS水平,促進了細胞內(nèi)氧化應激,進而增加了細胞毒性。Mito-TEMPO 的促HN2損傷作用可能獨立于凋亡、線粒體功能障礙和炎癥效應(圖9)。本研究提示在糜爛性毒劑中毒救治中,不恰當?shù)氖褂肕ito-TEMPO 可能具有一定的風險和危害,也揭示了高劑量Mito-TEMPO 在臨床使用可能出現(xiàn)的副作用及相關(guān)機制。生物體作為一個由多細胞、多組織和多器官構(gòu)成的復雜功能體和生命體,毒物和藥物的生物學效應和相互作用往往十分復雜,本研究目前僅在單一類型的細胞(BEAS-2B 細胞)上驗證了單一濃度Mito-TEMPO(100 μmol/L)干預對單一濃度HN2(8 μmol/L)誘導細胞損傷的影響,還缺乏劑量-效應關(guān)系的深入探討和多類型細胞的確切驗證,需要進一步的補充和完善相關(guān)實驗。為了深入闡明Mito-TEMPO對糜爛性毒劑誘導急性肺損傷中的藥理學作用,我們將在HN2和硫芥染毒的體內(nèi)模型中進一步客觀評價其抗氧化功能和藥理學作用。
圖9 100 μmol/L的Mito-TEMPO干預對HN2誘導細胞損傷的影響