黃麗,張?chǎng)?,黎廣智,王永飛,李小波,金小寶,黃博,3*
(1.廣東藥科大學(xué)廣東省生物活性藥物研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510006;2.暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510632;3.廣東藥科大學(xué)生命科學(xué)與生物制藥學(xué)院,廣東 廣州 510006)
瘧疾是全球三大傳染病之一,廣泛流行于熱帶、亞熱帶及溫帶邊緣等地區(qū),其嚴(yán)重影響流行區(qū)人口的健康和生命,并長期制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。據(jù)WHO《World Malaria Report 2021》,2020 年全球瘧疾發(fā)病人數(shù)估計(jì)2.41 億,死亡人數(shù)估計(jì)62.7萬[1]。瘧疾的臨床癥狀復(fù)雜多變,輕者出現(xiàn)發(fā)燒、出汗和寒冷等,重者出現(xiàn)急性腎損傷、肺水腫、黃疸、貧血、甚至死亡[2]。肝臟參與瘧疾感染進(jìn)程,一方面作為紅外期肝細(xì)胞內(nèi)裂體增殖所必需的器官,另一方面作為紅內(nèi)期肝臟中的紅細(xì)胞內(nèi)裂體增殖所致宿主致病和死亡的主要參與器官[3]。瘧疾感染導(dǎo)致的肝損傷是一種發(fā)生率較高、但尚未受到足夠重視的并發(fā)癥[4]。臨床研究發(fā)現(xiàn),瘧疾患者的肝臟出現(xiàn)不同程度的損傷(包括肝腫大、黃疸、轉(zhuǎn)氨酶升高和門脈內(nèi)炎性細(xì)胞浸潤等)、甚至肝功能衰竭和肝細(xì)胞壞死等[4-5]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),感染鼠源性瘧原蟲(P. bergheiANKA)的小鼠肝臟出現(xiàn)充血、瘧色素沉積、肝細(xì)胞空泡樣變性和萎縮以及微血管堵塞等[6]。盡管已有研究提示瘧疾肝損傷與高蟲荷、氧化應(yīng)激、瘧色素沉積、炎癥細(xì)胞浸潤和免疫細(xì)胞功能異常相關(guān)[5],然而其損傷機(jī)制尚未完全闡明。瘧原蟲具有復(fù)雜的生活史和多種免疫逃避策略等獨(dú)特的生物學(xué)特征,深入研究瘧原蟲-宿主間的相互作用將有助于闡明瘧疾肝損傷的致病機(jī)理,為探索新的治療方案或研發(fā)有效的瘧疾疫苗提供新方向。
外泌體(exosome)是一種細(xì)胞分泌到胞外的、直徑為30~100 nm 的多囊泡體,其攜帶lncRNAs、microRNAs、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等多種成分,介導(dǎo)細(xì)胞間短/長距離的通訊并調(diào)控細(xì)胞功能[7]。越來越多的研究發(fā)現(xiàn),包括瘧原蟲、陰道毛滴蟲、弓形蟲和錐蟲等多種寄生蟲均可分泌外泌體[8]。寄生蟲源性外泌體具有傳遞毒力因子、抗藥基因和分化因子功能,在寄生蟲的繁殖和致病,調(diào)控宿主免疫應(yīng)答等方面發(fā)揮重要作用,從而實(shí)現(xiàn)寄生蟲-寄生蟲間和寄生蟲-宿主之間的相互作用等[8]。已有研究表明,惡性瘧原蟲(P.falciparum)感染人體后,感染瘧原蟲紅細(xì)胞(infectedred blood cells,iRBC)分泌的外泌體數(shù)量明顯增加,且與患者的病理損傷程度呈正相關(guān)[9],提示瘧原蟲源性外泌體可能參與瘧原蟲侵襲和瘧疾發(fā)病過程。然而,Martin-Jaular 等[10]發(fā)現(xiàn)感染約氏瘧原蟲(P. yoelii17X)小鼠血漿外泌體可以誘導(dǎo)小鼠機(jī)體產(chǎn)生高水平的IgG2a和IgG2b,進(jìn)而增強(qiáng)小鼠抵抗P.yoelli17X感染能力。可見,瘧原蟲源性外泌體在瘧原蟲-宿主間的相互作用中的生物學(xué)功能復(fù)雜,其在紅內(nèi)期肝損傷中作用的報(bào)道較少。因此,本文利用P.bergheiANKA 感染昆明小鼠模型,研究感染P. bergheiANKA 小鼠血清外泌體對(duì)紅內(nèi)期肝組織病理損傷的調(diào)節(jié)作用,并探討分析其潛在的致病機(jī)制。
雌性昆明小鼠,6 周齡,體質(zhì)量約20 g,由廣東省實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供,生產(chǎn)許可證號(hào)SCXK(粵)2021-0093。小鼠飼養(yǎng)于廣東藥科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心,采用SPF 級(jí)小鼠標(biāo)準(zhǔn)飼料和高壓滅菌水喂養(yǎng)。P. bergheiANKA 株由廣州中醫(yī)藥大學(xué)科技產(chǎn)業(yè)園有限公司惠贈(zèng),并于液氮中冷凍長期保存。
共計(jì)12 只雌性昆明小鼠經(jīng)腹腔注射1.0×106個(gè)P.bergheiANKA 寄生紅細(xì)胞(iRBC)/只。當(dāng)紅細(xì)胞原蟲感染率達(dá)約40%時(shí),乙醚麻醉小鼠,眼球取全血,1000 r/min離心3 min收集血清。按照血清型總外泌體分離試劑盒說明書(No. 4478360#, Invitro‐gen)富集感染小鼠的血清外泌體。具體步驟如下:血清經(jīng)3000 r/min 離心30 min,棄沉淀。將5 mL 外泌體分離試劑加入10 mL 上清液,12000 r/min 離心30 min,收集外泌體沉淀,并加入PBS(50 μL)重懸沉淀。TEM 負(fù)染色觀察外泌體的形態(tài):將5 μL分離后的感染小鼠血清外泌體重懸于PBS(40 μL)中,渦旋均勻。取10 μL 重懸液滴加銅網(wǎng)上室溫沉淀5 min,接著滴加10 μL 乙酸雙氧鈾溶液銅網(wǎng)上染色2 min,F(xiàn)EI Tecnai G2 Sprit Twin TEM(FEI, USA)觀察。Western blot 檢測(cè)感染期血清外泌體表面的CD9 和CD63 表達(dá):BCA 法測(cè)定外泌體或感染紅細(xì)胞裂解物的蛋白濃度,50 μg 蛋白(外泌體或感染紅細(xì)胞裂解物)依次進(jìn)行SDS-PAGE電泳、轉(zhuǎn)膜、5%脫脂奶粉封閉、一抗(anti-mouse CD9,稀釋倍數(shù)1∶1000;antimouse CD63,稀釋倍數(shù)1∶1000;BD Biosciences,USA)4 ℃孵育過夜、二抗(anti-mouse antibodies conjugated with horseradish peroxidase,稀釋倍數(shù)1∶5000;Jackson Immunoresearch Labs Inc., USA)室溫孵育1 h、ECL A/B 混合液顯色、曝光、凝膠圖像保存,應(yīng)用Alpha 軟件分析目標(biāo)蛋白的灰度值。以β-actin蛋白為內(nèi)參照。
將48 只雌性昆明小鼠隨機(jī)分為4 組:正常對(duì)照組(即Control 組,8 只)、外泌體組(即Exos 組,8 只,每天每只鼠經(jīng)尾靜脈注射50 μg 外泌體)、感染組(即Pb組,16 只,每只鼠經(jīng)腹腔注射106個(gè)iRBC)和感染+外泌體組(即Pb+Exos 組,16 只,每只鼠腹腔感染106個(gè)iRBC,且感染后每天每只鼠經(jīng)尾靜脈注射50 μg 外泌體)。當(dāng)小鼠呈現(xiàn)共濟(jì)失調(diào)、癱瘓、抽搐、昏迷等神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙的癥狀時(shí),且在24 h內(nèi)死亡,即可判斷為腦型瘧模型小鼠。記錄各組小鼠的腦型瘧發(fā)生率和生存時(shí)間。薄血膜吉姆薩染色法計(jì)數(shù)紅細(xì)胞原蟲感染率:取尾靜脈血制備薄血膜片,經(jīng)甲醇固定,吉姆薩染色,流水沖洗和自然晾干,在光學(xué)顯微鏡(×1000)下血球計(jì)數(shù)儀檢測(cè)紅細(xì)胞原蟲感染率。紅細(xì)胞原蟲感染率=100%×iRBC數(shù)/紅細(xì)胞總數(shù)。
于感染后第9 天,取各組小鼠肝組織,10%(φ)中性多聚甲醛溶液中固定48 h,經(jīng)梯度乙醇脫水、常規(guī)石蠟包埋后,切成5 μm 厚度的切片。經(jīng)蘇木素-伊紅(H&E)染色后光學(xué)顯微鏡下(Leica, Germany)觀察肝組織病理學(xué)變化情況(×100),并計(jì)算肝組織的炎癥點(diǎn)密度(即炎癥點(diǎn)/視野)。
感染后第9 天的肝組織切片依次經(jīng)二甲苯脫蠟,梯度乙醇復(fù)水,檸檬酸鹽緩沖溶液微波爐加熱修復(fù)抗原,3.0%H2O2阻斷內(nèi)源性過氧化物酶,山羊血清室溫封閉,一抗[兔源iNOS 抗體(Affinity,稀釋比1∶200)]4°C孵育過夜,二抗[山羊抗兔IgG(H+L)HRP(Affinity,稀釋比1∶200)]室溫孵育50 min,DAB 顯色,蘇木素復(fù)染,中性樹膠封片,置于普通光學(xué)顯微鏡下(×400)觀察拍照,計(jì)算iNOS 染色陽性細(xì)胞數(shù)目。
取各組感染后第9天的肝組織約100 mg置于1 mL Trizol 液中,按照試劑盒說明書提取組織總RNA(No. 9109#, TaKaRa)。按 照PrimeScriptTM1st Strand cDNA Synthesis Kit 說明書(No.6210B#,TaKaRa)將1 μg RNA 逆轉(zhuǎn)錄為cDNA,使用SYBR?Premix Ex Taq TM(2×)試劑盒方法在CFX96 Touch實(shí)時(shí)熒光定量PCR系統(tǒng)(BIO-RAD,USA)中測(cè)定肝組織促炎癥/抑炎癥細(xì)胞因子的mRNA表達(dá)量。qPCR反應(yīng)體系:1.0 μL的模板cDNA,5.0 μL2×SYBR PremixExTaq,0.5μL上引物,0.5 μL下引物,并加滅菌蒸餾水至10 μL。qPCR 反應(yīng)條件:95 ℃預(yù)變性30 s;95 ℃變性5 s,60 ℃退火20 s,70 ℃延伸5 s,43 個(gè)循環(huán);70 ℃延伸10 min。促炎癥/抑炎癥細(xì)胞因子和內(nèi)參β-actin 的引物序列見表1。采用2-ΔΔCt法計(jì)算細(xì)胞因子的mRNA相對(duì)表達(dá)量。
表1 qPCR反應(yīng)的基因及其引物序列Table 1 Primer sequences of target genes used for qPCR assays
應(yīng)用GraphPad Prism 5 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以表示。兩組間比較采用獨(dú)立樣本的t檢驗(yàn),多組間比較應(yīng)用one-way ANOVA 檢驗(yàn)。采用Log-Rank test 和a time-series analysis test法分別分析兩組間生存時(shí)間(即半數(shù)生存期)和每天紅細(xì)胞原蟲感染率。P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
TEM 結(jié)果顯示(圖1A):感染期血清外泌體呈典型的“杯盤”形態(tài)特征,其顆粒直徑為30~150 nm,與經(jīng)典外泌體結(jié)構(gòu)高度一致;Western blot檢測(cè)到感染期血清外泌體的CD9和CD63表達(dá)呈陽性,而感染紅細(xì)胞裂解物罕見或未見CD9和CD63表達(dá)(圖1B)。上述結(jié)果表明:利用血清型總外泌體分離試劑法成功富集感染期血清外泌體。
圖1 感染期血清外泌體的鑒定Figure 1 Characterization of serum-derived exosomes from infected mice
Control組和Exos組小鼠正常存活,且未見任何異常癥狀和原蟲血癥。然而,Pb組小鼠在感染后第7 天出現(xiàn)死亡,第22 天全部死亡。感染+外泌體組(Pb+Exos)小鼠在第7 天出現(xiàn)死亡,第18 天小鼠全部死亡(圖2A)。Pb組和Pb+Exos 組均發(fā)生腦型瘧模型小鼠,且小鼠出現(xiàn)腦型瘧癥狀時(shí)間均為感染后第7~9 天。與Pb組相比,Pb+Exos 組小鼠的腦型瘧發(fā)生率顯著上調(diào)(27%vs48%,P=0.002,圖2B),而半數(shù)生存期顯著下調(diào)(17.5 dvs11.5 d,P=0.005,圖2A)。薄血膜吉姆薩染色顯示:與Pb組相比,Pb+Exos 組小鼠紅細(xì)胞原蟲感染率在感染后第3~18 天差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(圖2C)。
圖2 感染期血清外泌體對(duì)感染小鼠的生存時(shí)間(A)、腦型瘧發(fā)生率(B)和紅細(xì)胞原蟲感染率(C)的影響Figure 2 Effect of serum-derived exosomes from infected mice on the survival time (A), cerebral malaria incidence (B), and para‐sitemia(C)in P.berghei ANKA-infected mice
H&E 染色顯示(圖3):Control組和Exos組小鼠肝組織結(jié)構(gòu)清晰、正常,肝細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)完整,肝索以中央靜脈為中心呈放射狀分布,罕見或未見炎性細(xì)胞浸潤。然而,Pb組小鼠肝臟結(jié)構(gòu)紊亂,可見大量炎癥細(xì)胞浸潤和未被降解的瘧色素。與Pb組相比,Pb+Exos組小鼠的肝臟壞死區(qū)域顯著增加,伴隨顯著增多的炎性細(xì)胞聚集和浸潤(~12 個(gè)炎癥點(diǎn)/視野vs~30 個(gè)炎癥點(diǎn)/視野,P=0.002),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
圖3 感染期血清外泌體對(duì)感染小鼠肝組織病理損傷的影響Figure 3 Effect of serum-derived exosomes from infected mice on histopathological change of liver tissues in P. berghei ANKAinfected mice(HE,100×)
免疫組化結(jié)果顯示(圖4):Control 組或Exos 組的小鼠肝組織罕見或未見M1 型巨噬細(xì)胞標(biāo)記物iNOS 表達(dá)。Pb組小鼠肝組織的iNOS 表達(dá)呈現(xiàn)陽性,且與Control 組相比顯著增加,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01);此外,Pb+Exos 組肝組織M1 型巨噬細(xì)胞極化標(biāo)記物iNOS的表達(dá)水平與Pb組相比顯著增加,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。上述結(jié)果表明感染期血清外泌體可促進(jìn)感染小鼠肝組織的巨噬細(xì)胞增殖和M1極化。
圖4 感染期血清外泌體對(duì)感染小鼠肝組織M1型巨噬細(xì)胞標(biāo)識(shí)物iNOS表達(dá)的影響(免疫組化,400×)Figure 4 Effect of serum-derived exosomes from infected mice on the expression of iNOS in liver tissues of P. berghei ANKAinfected mice
qPCR 檢測(cè)顯示(圖5):Exos組小鼠肝組織的促炎癥細(xì)胞因子(TNF-α、IL-1β和IL-6)和抑炎癥細(xì)胞因子(IL-4 和IL-10)的mRNA 表達(dá)水平與Control組相比差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。與Control 組相比,Pb組小鼠肝組織TNF-α(P<0.001)、IL-1β(P<0.001)、IL-6(P=0.003)、IL-4(P<0.001)和IL-10(P<0.001)等基因mRNA 表達(dá)水平均顯著上調(diào)。此外,與Pb組相比,Pb+Exos 組小鼠肝組織TNF-α(P=0.003)、IL-1β(P=0.035)和IL-6(P=0.006)的mNRA表達(dá)水平顯著上調(diào),而IL-4(P=0.010)和IL-10(P=0.007)表達(dá)水平顯著下調(diào)。
圖5 感染期血清外泌體對(duì)感染小鼠肝組織促炎癥/抑炎癥細(xì)胞因子mRNA表達(dá)水平的影響Figure 5 Effect of serum-derived exosomes from infected mice on the expression of pro-inflammatory/anti-inflammatory cytokine mRNA in liver tissues of P.berghei ANKA-infected mice
瘧疾肝損傷是一種發(fā)生率較高、但尚未受到足夠重視的并發(fā)癥,且其損傷機(jī)制尚未完全闡明。作為固有免疫細(xì)胞的重要組成部分,肝組織中的巨噬細(xì)胞嚴(yán)格調(diào)控瘧原蟲的感染進(jìn)程,一方面非特異性吞噬、清除感染瘧原蟲的紅細(xì)胞和抑制瘧原蟲釋放到血液,另一方面因其異常激活誘導(dǎo)過度的炎癥反應(yīng)加重紅內(nèi)期肝組織的病理損傷[11]。已有研究表明肝組織中的CD68+陽性巨噬細(xì)胞可作為子孢子突破竇周屏障實(shí)現(xiàn)侵襲肝臟的主要載體之一[12]。越來越多的研究證實(shí)巨噬細(xì)胞分化為M1 型(促炎癥作用)和M2 型(抑炎癥及促修復(fù)作用),而一旦巨噬細(xì)胞M1/M2 型極化失衡,將導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)歸[13-14]。感染P.bergheiANKA的小鼠小腸組織的CD68+陽性巨噬細(xì)胞的數(shù)量明顯升高,而巨噬細(xì)胞M1 型極化則加重感染小鼠的小腸組織病理損傷[15]。然而,關(guān)于巨噬細(xì)胞M1 型極化在瘧原蟲紅內(nèi)期肝組織病理損害作用及其調(diào)控因素的相關(guān)報(bào)道較少見。
盡管Martin-Jaular 等[10]發(fā)現(xiàn)感染P. yoelii17X小鼠血漿外泌體誘導(dǎo)BALB/c 小鼠機(jī)體產(chǎn)生較高水平的IgG2a 和IgG2b,發(fā)揮增強(qiáng)BALB/c 小鼠抵抗P.yoelli17XL 感染的作用。然而,本研究結(jié)果顯示尾靜脈注射感染期血清外泌體后,感染P. bergheiANKA 昆明小鼠的存活時(shí)間顯著縮短、腦型瘧發(fā)生率顯著升高,以及肝組織的病理損傷明顯加重。可見,瘧原蟲源性外泌體的生物學(xué)功能復(fù)雜,其損傷或保護(hù)宿主作用可能與瘧原蟲蟲種、宿主遺傳背景和外泌體來源有關(guān)。已有研究證實(shí)激活的M1 型巨噬細(xì)胞產(chǎn)生大量TNF-α、IL-1β和IL-6 等促炎癥因子,而激活M2 型巨噬細(xì)胞后可釋放大量的IL-4 和IL-10 等抑炎癥因子[16]。進(jìn)一步的研究表明TNF-α、IL-1β和IL-6等促炎癥因子,盡管在瘧疾感染早期扮演促進(jìn)殺死瘧原蟲的關(guān)鍵作用,但其過度活化則導(dǎo)致瘧疾的病理損傷[17-18]。此外,IL4 和IL-10 被認(rèn)為是一類可抵抗由Th1細(xì)胞因子驅(qū)動(dòng)的致命瘧疾損傷反應(yīng)的抗炎癥因子[19]。本研究結(jié)果顯示,感染期血清外泌體可上調(diào)肝組織M1 型巨噬細(xì)胞數(shù)量和促炎癥因子(TNF-α、IL-1β和IL-6)的mRNA 表達(dá)水平,下調(diào)抑炎癥因子(IL-4 和IL-10)mRNA 表達(dá)水平。同時(shí),既往研究表明受腦型瘧模型小鼠血漿外泌體刺激后,巨噬細(xì)胞分泌更多的TNF-α 及促進(jìn)其受體超家族蛋白CD40 的表達(dá)[20]。此外,人源性瘧原蟲蟲株(包括P.falciparum、P.vivax和P.malariae等)感染紅細(xì)胞釋放的外泌體或類似物與未感染紅細(xì)胞相比提高10倍多,且其刺激外周血單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞釋放促炎癥因子,呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的促炎癥反應(yīng)[21]。Barker 等[22]發(fā)現(xiàn)腦型瘧模型小鼠(即C57BL/6 小鼠感染P.bergheiANKA)血漿外泌體的miR-155表達(dá)量較非腦型瘧模型小鼠(即BALB/c小鼠感染P.bergheiANKA)顯著升高。此外,Cohen 等[23]和Opadokun等[24]發(fā)現(xiàn)腦型瘧模型小鼠(即CBA 小鼠感染P.bergheiANKA)血漿外泌體的miR-146a表達(dá)量較非腦型瘧模型小鼠(即CBA 小鼠感染P. yoelii)顯著上調(diào)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)miR-155 或miR-146a可分別誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞M1 極化和M2 極化[25]。本研究結(jié)果提示,感染期血清外泌體誘導(dǎo)P. bergheiANKA 感染小鼠肝組織出現(xiàn)強(qiáng)烈的促炎癥反應(yīng)和加重紅內(nèi)期肝組織病理損傷,其原因可能與外泌體經(jīng)miR-155 或miR-146a 分別促進(jìn)巨噬細(xì)胞M1 極化或抑制巨噬細(xì)胞M2 極化有關(guān)。然而,感染期血清外泌體靶向調(diào)控M1 極化的作用機(jī)制有待深入研究。本研究存在一些不足之處:(1)本文缺乏正常小鼠血清外泌體對(duì)照組,以及未分離iRBC 源性外泌體;(2)本文未深入研究感染血清外泌體靶向調(diào)控巨噬細(xì)胞M1 極化的作用機(jī)制。因此,本課題組將在后期研究中檢測(cè)正常小鼠血清外泌體與感染期血清外泌體的microRNAs 和蛋白表達(dá)的差異,探討外泌體靶向調(diào)控巨噬細(xì)胞M1極化的作用機(jī)制。
綜上所述,本文利用感染期血清外泌體初步探討了瘧原蟲-宿主間的相互作用,研究結(jié)果提示感染期血清外泌體加重紅內(nèi)期肝臟病理損傷,其原因可能與促進(jìn)肝臟組織巨噬細(xì)胞增殖和M1 極化有關(guān),但其詳細(xì)機(jī)制有待闡明。本研究結(jié)果可能為后續(xù)以感染期血清外泌體為靶點(diǎn)的瘧疾肝損傷治療提供了新思路。