姜明霞, 王 宇, 呂桂蘭, 周軼南,董杏媛, 許 琦, 鄭錦鋒
(中國(guó)人民解放軍東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院, 1. 營(yíng)養(yǎng)科,2. 國(guó)家腎臟疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心, 江蘇 南京, 210002)
糖尿病腎病(DKD)的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,至今尚未完全闡明,可能與遺傳易感性、糖代謝紊亂、細(xì)胞因子、炎癥機(jī)制等多種因素有關(guān)。單核細(xì)胞趨化蛋白-1(MCP-1)是DKD重要的生物學(xué)標(biāo)志物,其引起的炎癥反應(yīng)可引起腎血管損傷、腎基質(zhì)纖維化以及腎組織結(jié)構(gòu)重建[1]。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1(TGF-β1)是一種調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和分化的蛋白,可在多種細(xì)胞中表達(dá),參與細(xì)胞外基質(zhì)沉淀及纖維化的發(fā)生,包括Ⅰ型膠原蛋白(COL-Ⅰ)和纖維連接蛋白。MCP-1能夠活化糖尿病高糖狀態(tài)下的腎臟巨噬細(xì)胞,增加TGF-β1分泌,并組成MCP-1/TGF-β1通路參與DKD的發(fā)生[2-3]。除了腎小球的結(jié)構(gòu)和功能變化之外,腎小管和腎小管間質(zhì)的損傷和炎癥也參與DKD的發(fā)展[4-5]。腎小管上皮細(xì)胞被認(rèn)為是促進(jìn)炎癥、腎小管變性和纖維化的介質(zhì)[6]。因此,本研究選用HK-2細(xì)胞作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,通過(guò)高糖作用建立糖損傷腎小管的體外模型,觀察必需脂肪酸α-亞麻酸(ALA)/亞油酸(LA)對(duì)腎小管損傷的作用和效果。
ALA和LA是人體必需脂肪酸,具有多種多樣的生理功能。本課題組前期研究[7-8]結(jié)果證明, ALA/LA可改善HK-2細(xì)胞的糖毒性和氧化應(yīng)激作用,但對(duì)于MCP-1/TGF-β1介導(dǎo)的腎纖維化損傷尚無(wú)研究。本研究旨在觀察ALA/LA對(duì)高糖損傷HK-2細(xì)胞MCP-1、TGF-β1和COL-Ⅰ表達(dá)的影響,探討ALA/LA通過(guò)該信號(hào)通路保護(hù)DKD患者腎臟的功能和結(jié)構(gòu),減緩腎臟炎癥狀態(tài)及纖維化的發(fā)生發(fā)展的相關(guān)作用機(jī)制。
ALA、LA和二十碳五烯酸(EPA)購(gòu)自美國(guó)Nuchek公司; 成人腎臟近曲小管上皮細(xì)胞(HK-2)購(gòu)自美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)菌種收藏中心 (ATCC); 胎牛血清、DMEM/F12液體培養(yǎng)基、胰蛋白酶購(gòu)自Gibco公司; 二甲基亞楓(DMSO)、四甲基偶氮唑鹽(MTT)購(gòu)自Sigma公司; 牛血清白蛋白(BSA)購(gòu)自Amersco公司; 葡萄糖和NaOH均為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭?。Trizol試劑盒購(gòu)自Invitrogen公司,逆轉(zhuǎn)錄試劑盒購(gòu)自Thermo公司, RNA酶抑制劑購(gòu)自Fermentas公司,聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)引物由上海生工生物有限公司合成,人MCP-1、TGF-β1和COL-Ⅰ酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)檢測(cè)試劑盒均購(gòu)自凱基生物科技發(fā)展有限公司。儀器: CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱(美國(guó)Thermo公司), 酶標(biāo)儀(美國(guó)Bio-Rad公司), THZ-C恒溫震蕩器(北京佳源興業(yè)科技有限公司),倒置熒光顯微鏡(日本OLYMPUS公司), 溫控水浴箱(金壇科興儀器廠), 722型分光光度計(jì)(上海第三分析儀器廠),低溫高速離心機(jī)、臺(tái)式高速離心機(jī)(Eppendorf), 制冰機(jī)(AF-100, Scotsman); -80 ℃冰箱(美國(guó)Revco)。
1.2.1 ALA/LA/BSA溶液制備: 參照COUSIN S P等[9]方法,將ALA、LA制成5 mmol/L ALA/LA/BSA 儲(chǔ)存液,冷卻至室溫,無(wú)菌過(guò)濾(0.45 mm), 分裝儲(chǔ)存, -20 ℃保存。每次實(shí)驗(yàn)前取出ALA/LA/BSA儲(chǔ)存液,于55 ℃水浴中加熱 15 min 后,冷卻至室溫備用。
1.2.2 HK-2細(xì)胞培養(yǎng): HK-2細(xì)胞接種于含100 U/mL 青霉素、100 μg/mL 鏈霉素、10%胎牛血清的DMEM/F12(1∶1)完全培養(yǎng)基中,置于37 ℃、5% CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。
1.2.3 葡萄糖毒性測(cè)定: 取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞接種于96孔培養(yǎng)板,每孔100 μL(含5×103個(gè)細(xì)胞)。待細(xì)胞貼壁后,吸去原培養(yǎng)液,加入不同濃度葡萄糖溶液(17.5、30.1、35.1、40.2、48.7、56.5、64.3 mmol/L), 培養(yǎng)48 h后,吸去培養(yǎng)液,加入MTT 溶液, 37 ℃孵育4 h, 棄上清,加入DMSO, 室溫避光置搖床低速震蕩10 min, 用酶標(biāo)儀測(cè)定490 nm處光密度(OD)值,計(jì)算細(xì)胞存活率[5]。存活率=(實(shí)驗(yàn)組OD-對(duì)照組OD)×100%。
1.2.4 實(shí)驗(yàn)分組: 本實(shí)驗(yàn)中將細(xì)胞分為6組。① 正常對(duì)照組(N組): HK-2細(xì)胞正常生長(zhǎng)于DMEM/F12培養(yǎng)液; ② 高糖模型組(G組): HK-2細(xì)胞在DMEM/F12培養(yǎng)液基礎(chǔ)上加入高濃度葡萄糖共同培養(yǎng); ③ 陽(yáng)性對(duì)照組(E組): EPA作為陽(yáng)性對(duì)照物,該組HK-2細(xì)胞在高糖環(huán)境下,給予10、50、100、200 μmol/L共4種濃度EPA分別進(jìn)行干預(yù); ④ ALA組(A組): 該組HK-2細(xì)胞在高糖環(huán)境下,給予10、50、100、200 μmol/L共4種濃度ALA分別進(jìn)行干預(yù); ⑤ LA組(L組): 該組HK-2細(xì)胞在高糖環(huán)境下,給予10、50、100、200 μmol/L共4種濃度LA分別進(jìn)行干預(yù); ⑥ ALA/LA組(M組): 該組HK-2細(xì)胞在高糖環(huán)境下,給予ALA/LA混合液分別干預(yù), ALA/LA濃度為50、100 μmol/L, 比例分別是1∶1、1∶4、1∶8。
1.2.5 ELISA測(cè)定HK-2細(xì)胞上清中TGF-β1、MCP-1和COL-Ⅰ含量: HK-2細(xì)胞經(jīng)高糖培養(yǎng)以及ALA/LA干預(yù)后,分離獲得細(xì)胞上清液,按照相應(yīng)指標(biāo)ELISA試劑盒的說(shuō)明書進(jìn)行操作,采用酶標(biāo)儀測(cè)定OD值,計(jì)算TGF-β1、MCP-1和COL-Ⅰ表達(dá)量。
1.2.6 逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)(RT-PCR)測(cè)定HK-2細(xì)胞TGF-β1、MCP-1和COL-ⅠmRNA的表達(dá): 收集各組細(xì)胞,采用Trizol 試劑盒提取細(xì)胞TGF-β1、MCP-1和COL-Ⅰ總RNA, 方法按照試劑盒說(shuō)明書進(jìn)行。PCR擴(kuò)增引物根據(jù)GenBank 中相應(yīng)基因序列設(shè)計(jì),引物序列:MCP-1-F為5′-TATTGTCCACTGACCCC-3′,MCP-1-R為5′-CTTCACCCAACTCCTAACCT-3;TGF-β1-F為5′-AGCTGTACATTGACTTCCGCAAGG-3,TGF-β1-R為5′-CAGGCAGAAGTTGGCGTGGTAG-3′;COL-Ⅰ-F為5′-TAGGTAGGCCATTGTGTATGCAGC-3′,COL-Ⅰ-R為5′-ACATGTTCAGCTTTGTGGCC-3′;β-actin-F為CCTAAAAGCCACCCCACTTC,β-actin-R為AGGGAGACCAAAAGCCTTCA。
根據(jù)MTT實(shí)驗(yàn)結(jié)果,與17.5 mmol/L濃度相比,葡萄糖濃度從40.2 mmol/L開(kāi)始,細(xì)胞的存活率受到抑制,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05); 在40.2~60.4 mmol/L范圍內(nèi),葡萄糖濃度與HK-2 細(xì)胞存活率呈負(fù)相關(guān)(r=-0.91,P<0.05)。60.4 mmol/L濃度時(shí), HK-2 細(xì)胞的存活率最低(圖1)。結(jié)合文獻(xiàn)和課題組前期實(shí)驗(yàn)[5, 7]結(jié)果, 本研究采用葡萄糖濃度40.2 mmol/L、培養(yǎng)48 h作為HK-2細(xì)胞的高糖損傷條件。
與17.5 mmol/L濃度相比, *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001。圖1 不同濃度葡萄糖對(duì)HK-2細(xì)胞活力的影響(48 h)
經(jīng)高糖培養(yǎng)后,與正常對(duì)照組相比, HK-2細(xì)胞上清液MCP-1水平升高,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。給予糖損傷HK-2細(xì)胞100 μmol/L ALA 和 LA(A3組、L3組),50、100 μmol/L EPA(E2組、E3組)干預(yù)48 h后,細(xì)胞上清液MCP-1含量較高糖模型組降低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05); 給予HK-2細(xì)胞終濃度為50 μmol/L 和100 μmol/L, 且比例為1∶4的ALA/LA混合液(M2組、M5組)作用48 h后,干預(yù)組HK-2細(xì)胞上清液MCP-1含量低于高糖模型組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。其中,干預(yù)濃度為100 μmol/L, 比例為1∶4的ALA/LA混合液(M5組)的干預(yù)效果最佳。見(jiàn)圖2。
N: 正常對(duì)照組; G: 高糖模型組; A1~A4: ALA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為10、50、100、200 μmol/L; L1~L4: LA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為10、50、100、200 μmol/L; E1~E4: EPA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為10、50、100、200 μmol/L; M1~M3: ALA/LA混合干預(yù)組,干預(yù)物濃度為50 μmol/L, 混合比例分別為 1∶1、1∶4、1∶8; M4~M6: ALA/LA混合干預(yù)組,干預(yù)物濃度為100 μmol/L, 混合比例分別為 1∶1、1∶4、1∶8。與正常對(duì)照組相比, *P<0.05; 與高糖模型組相比, #P<0.05。圖2 ALA/LA對(duì)糖損傷HK-2細(xì)胞MCP-1表達(dá)的影響
高糖培養(yǎng)后,與正常對(duì)照組細(xì)胞相比, HK-2細(xì)胞上清液TGF-β1水平升高,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。給予HK-2細(xì)胞100、200 μmol/L ALA(A3組、A4組), 100 μmol/L LA(L3組), 10、50、100、200 μmol/L EPA(E1組、E2組、E3組、E4組)干預(yù)48 h后,與高糖模型組相比,細(xì)胞上清液TGF-β1含量降低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05); 另外給予HK-2細(xì)胞終濃度分別為50 μmol/L和100 μmol/L, 比例為1∶4的ALA/LA混合液(M2組、M5組)干預(yù)48 h后,細(xì)胞上清液TGF-β1含量均低于高糖模型組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。其中, 100 μmol/L ALA(A3組)和100 μmol/L、比例為1∶4的ALA/LA混合液(M5組)對(duì)高糖損傷HK-2細(xì)胞的作用效果較好。見(jiàn)圖3。
N: 正常對(duì)照組; G: 高糖模型組; A1~A4: ALA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為10、50、100、200 μmol/L; L1~L4: LA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為10、50、100、200 μmol/L; E1~E4: EPA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為10、50、100、200 μmol/L; M1~M3: ALA/LA混合干預(yù)組,干預(yù)物濃度為50 μmol/L, 混合比例分別為 1∶1, 1∶4、1∶8; M4~M6: ALA/LA混合干預(yù)組,干預(yù)物濃度為100 μmol/L, 混合比例分別為 1∶1、1∶4、1∶8。與正常對(duì)照組相比, *P<0.05; 與高糖模型組相比, #P<0.05。圖3 ALA/LA對(duì)糖損傷HK-2細(xì)胞TGF-β1表達(dá)的影響
高糖培養(yǎng)后,與正常對(duì)照組相比,高糖模型組HK-2細(xì)胞上清液COL-Ⅰ水平升高,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。給予HK-2細(xì)胞100、200 μmol/L ALA(A3組、A4組), 10、50、100 μmol/L LA(L1組、L2組、L3組),10、50、100 μmol/L EPA(E1組、E2組、E3組)以及終濃度為50 μmol/L、比例為1∶4的ALA/LA混合液(M2組)干預(yù)48 h后,細(xì)胞上清液COL-Ⅰ含量均低于高糖模型組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)圖4。
N: 正常對(duì)照組; G: 高糖模型組; A1~A4: ALA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為10、50、100、200 μmol/L; L1~L4: LA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為10、50、100、200 μmol/L; E1~E4: EPA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為10、50、100、200 μmol/L; M1~M3: ALA/LA混合干預(yù)組,干預(yù)物濃度為50 μmol/L, 混合比例分別為 1∶1, 1∶4、1∶8; M4~M6: ALA/LA混合干預(yù)組,干預(yù)物濃度為100 μmol/L, 混合比例分別為 1∶1、1∶4、1∶8。與正常對(duì)照組相比, *P<0.05; 與高糖模型組相比, #P<0.05。圖4 ALA/LA對(duì)糖損傷HK-2細(xì)胞COL-Ⅰ表達(dá)的影響
與正常對(duì)照組相比,高糖模型組HK-2細(xì)胞MCP-1mRNA水平升高,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。給予HK-2細(xì)胞50 μmol/L ALA(A2組), 50、100 μmol/L LA(L2組、L3組)和100 μmol/L EPA(E3組),以及50、100 μmol/L比例為1∶4的ALA/LA(M2組、M5組)干預(yù)48 h后,與高糖模型組相比,細(xì)胞MCP-1mRNA水平下降,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)圖5。
A: MCP-1電泳圖: B: MCP-1 mRNA相對(duì)表達(dá)量。N: 正常對(duì)照組; G: 高糖模型組; A2、A3: ALA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為50、100 μmol/L; L2、L3: LA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為50、100 μmol/L; E2、E3: EPA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為50、100 μmol/L; M2、M5: ALA/LA混合干預(yù)組,干預(yù)物濃度為50、100 μmol/L, 混合比例為1∶4。與正常對(duì)照組相比, *P<0.05; 與高糖模型組相比, #P﹤0.05。圖5 ALA/LA對(duì)糖損傷HK-2細(xì)胞MCP-1 mRNA表達(dá)的影響
與正常對(duì)照組相比,高糖模型組HK-2細(xì)胞TGF-β1mRNA 水平升高,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,給予50、100 μmol/L的 ALA、LA和EPA(A2組、A3組、L2組、L3組、E2組、E3組)干預(yù)48 h后, HK-2細(xì)胞TGF-β1mRNA水平均低于高糖模型組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)圖6。
A: TGF-β1電泳圖: B: TGF-β1 mRNA相對(duì)表達(dá)量。N: 正常對(duì)照組; G: 高糖模型組; A2、A3: ALA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為50、100 μmol/L; L2、L3: LA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為50、100 μmol/L; E2、E3: EPA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為50、100 μmol/L; M2、M5: ALA/LA,混合干預(yù)組干預(yù)物濃度為50、100 μmol/L, 混合比例為1∶4。與正常對(duì)照組相比, *P<0.05; 與高糖模型組相比, #P<0.05。圖6 ALA/LA對(duì)糖損傷HK-2細(xì)胞TGF-β1 mRNA表達(dá)的影響
高糖培養(yǎng)后, HK-2細(xì)胞COL-ⅠmRNA水平高于正常對(duì)照組,但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,給予糖損傷HK-2細(xì)胞100 μmol/L ALA(A3組)、50 μmol/L LA(L2組),以及終濃度為50 μmol/L、比例為1∶4的ALA/LA(M2組)混合液干預(yù)48 h后, HK-2細(xì)胞COL-ⅠmRNA水平低于高糖模型組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)圖7。
A: COL-Ⅰ電泳圖: B: COL-Ⅰ mRNA相對(duì)表達(dá)量。N: 正常對(duì)照組; G: 高糖模型組; A2、A3: ALA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為50、100 μmol/L; L2、L3: LA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為50、100 μmol/L; E2、E3: EPA干預(yù)組,干預(yù)物濃度分別為50、100 μmol/L; M2、M5: ALA/LA混合干預(yù)組,干預(yù)物濃度為50、100 μmol/L, 混合比例為1∶4。與高糖模型組相比, #P<0.05。圖7 ALA/LA對(duì)糖損傷HK-2細(xì)胞COL-Ⅰ mRNA表達(dá)的影響
COL-Ⅰ可在DKD進(jìn)展過(guò)程中沉積于腎小球基底膜、系膜基質(zhì)和腎小管間質(zhì)。腎小管上皮細(xì)胞可通過(guò)分泌豐富的細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞因子和黏附分子填充腎小管間質(zhì)空間,并通過(guò)信號(hào)通路相互影響,損害腎實(shí)質(zhì)細(xì)胞和重塑腎臟結(jié)構(gòu)[10-12]。TGF-β信號(hào)系統(tǒng)可損害腎小管細(xì)胞完整性,導(dǎo)致腎小管萎縮,并通過(guò)誘導(dǎo)上皮細(xì)胞凋亡或自噬導(dǎo)致腎小管間質(zhì)纖維化。本研究結(jié)果顯示,高糖模型組HK-2細(xì)胞外液TGF-β1和COL-Ⅰ水平顯著高于正常對(duì)照組(P<0.05), 提示高糖可刺激HK-2細(xì)胞分泌TGF-β1, 進(jìn)而促進(jìn)COL-Ⅰ生成。這與陳繼業(yè)等[13]提出的觀點(diǎn)一致,高糖可刺激HK-2細(xì)胞增強(qiáng)膠原和TGF-β1基因轉(zhuǎn)錄,導(dǎo)致腎小管基底膜增厚和腎小管間質(zhì)組織學(xué)異常。
本研究結(jié)果進(jìn)一步顯示,經(jīng)ALA、ALA/LA干預(yù)48 h后,高糖損傷HK-2細(xì)胞TGF-β1和COL-Ⅰ含量,以及細(xì)胞TGF-β1和COL-ⅠmRNA水平都較高糖模型組顯著降低(P<0.05), 表明ALA/LA可延緩HK-2細(xì)胞的纖維化進(jìn)程。ALA和LA為人體必需脂肪酸,具有抗氧化、抗炎、抗腫瘤等多種生理功能。本課題組前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, ALA/LA可提高糖損傷HK-2細(xì)胞的抗氧化酶活力,降低活性氧簇(ROS)的生成,提高HK-2細(xì)胞的抗氧化能力。ROS可激活TGF-β1信號(hào)通路,觸發(fā)多種細(xì)胞分泌TGF-β1, 產(chǎn)生纖維化的作用。但ALA/LA通過(guò)抑制ROS的生成,下調(diào)TGF-β1的表達(dá),延緩纖維化的作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。
腎臟的炎癥因子和炎癥狀態(tài)對(duì)于促進(jìn)DKD的發(fā)展和進(jìn)展至關(guān)重要,是DKD的主要病理生理學(xué)參與者[14]。MCP-1是單核細(xì)胞的有效趨化因子,可影響DKD進(jìn)程中單核細(xì)胞相關(guān)炎癥的整個(gè)級(jí)聯(lián)反應(yīng),包括從骨髓釋放單核細(xì)胞,建立黏附和浸潤(rùn)的趨化因子梯度[8]。MCP-1和TGF-β1是相互作用的細(xì)胞因子, TGF-β1能刺激MCP-1在腎近端小管中的表達(dá),引起巨噬細(xì)胞的浸潤(rùn)[15]。本研究結(jié)果顯示, HK-2細(xì)胞在高糖環(huán)境下,MCP-1基因和MCP-1蛋白的表達(dá)量均顯著增加(P<0.05)。且經(jīng)ALA、ALA/LA干預(yù)48 h后,與高糖模型組相比, HK-2細(xì)胞MCP-1含量以及MCP-1mRNA水平顯著降低(P<0.05), 證明一定劑量ALA、ALA/LA可從基因和蛋白水平抑制MCP-1的產(chǎn)生。因此,通過(guò)ALA/LA抑制MCP-1/TGF-β1的表達(dá),下調(diào)COL-Ⅰ的生成,減緩HK-2細(xì)胞纖維化的進(jìn)程,有望成為治療DKD的新策略、新方法。