鐘昊然,侯 玲,,桂 祥,呂榮雪,劉金明,古少鵬,金亞美*
(1.中國農業(yè)科學院上海獸醫(yī)研究所,國家動物血吸蟲病參考實驗室,上海 200241;2.山西農業(yè)大學動物科技學院,太谷 030801)
血吸蟲病是僅次于瘧疾的全球第二大寄生蟲病,廣泛分布于亞熱帶與熱帶的76個國家和地區(qū),對人畜健康造成嚴重危害。血吸蟲蟲體呈線形,雌雄異體,在感染過程中,蟲體不會對宿主造成明顯的病理損害,而成熟雌蟲所產蟲卵不僅造成宿主嚴重病理損害,還引起疾病的再傳播。在全球廣泛流行的三種感染人類的血吸蟲中(日本血吸蟲、曼氏血吸蟲、埃及血吸蟲),日本血吸蟲()產卵量最大。日本血吸蟲所產蟲卵主要沉積于肝與腸道,沉積于肝的蟲卵分泌的可溶性蟲卵抗原(soluble egg antigens,SEA)刺激宿主免疫系統(tǒng),導致細胞外基質(extracellular matrix,ECM)過度沉積,進而引發(fā)肉芽腫和繼發(fā)性肝纖維化等病理變化。日本血吸蟲病肝纖維化若治療不當或不及時可發(fā)展為慢性血吸蟲病。日本血吸蟲病晚期患者即使進行了徹底的殺蟲治療,宿主體內未成熟蟲卵仍可繼續(xù)發(fā)育,導致蟲卵肉芽腫反應持續(xù)進行。盡管已去除誘因,但當肝纖維化發(fā)展到一定程度時,病癥往往不可逆轉,而當發(fā)展為肝硬化、肝細胞癌時,患者將出現(xiàn)肝脾腫大、門脈高壓等癥狀,最終可因上消化道出血等嚴重并發(fā)癥致死。
高遷移率族蛋白B1(high mobility group box 1,HMGB1)是高遷移率族蛋白家族成員,廣泛分布于哺乳動物組織中,參與眾多生物學功能,例如DNA復制、轉錄、修復以及細胞增殖、分化、運動等。當肝細胞受損時,HMGB1可作為一種炎性因子,由損傷壞死的肝細胞被動釋放,通過與糖基化晚期終末產物受體(receptor for advanced glycation end products,RAGE)和Toll樣受體結合,進一步誘導機體炎癥反應。近年來研究表明,HMGB1與各類纖維化疾病也密切相關,如肝纖維化、腎纖維化、肺纖維化以及心肌纖維化等。此外,在曼氏血吸蟲()病肝纖維化患者的血清和肝中均可檢測到高水平HMGB1表達,證實HMGB1參與血吸蟲致肝疾病。然而,HMGB1在日本血吸蟲病肝纖維化的致病過程中扮演何種角色卻鮮有研究。
日本血吸蟲蟲卵分泌物引起的免疫反應是導致宿主肝病變的主要原因。本研究構建了日本血吸蟲肝病模型,并在蟲卵發(fā)育早期給予小鼠甘草甜素(glycyrrhizin,GL,HMGB1抑制劑),觀察GL能否通過抑制HMGB1對血吸蟲蟲卵導致的宿主肝病變起保護作用,初步探究了HMGB1與宿主肝炎癥和纖維化的相關性,為進一步闡明日本血吸蟲病肝纖維化的致病機理奠定基礎,同時也為慢性日本血吸蟲病治療藥物靶點的選擇提供重要參考。
SPF級雄性BALB/c小鼠25只,6周齡,購自上海杰思捷實驗動物有限責任公司[SCXK(滬)2018-0004]。每天12 h光照,12 h黑暗循環(huán),飼養(yǎng)過程中給予全價飼料,自由飲水。中國大陸株日本血吸蟲尾蚴由中國農業(yè)科學院上海獸醫(yī)研究所血吸蟲課題組釘螺室提供。本試驗通過了中國農業(yè)科學院上海獸醫(yī)研究所實驗動物福利與倫理管理委員會審查(SV-20210709-02)。
HMGB1抑制劑甘草甜素(glycyrrhizin,GL),羧甲基纖維素鈉(中國 Abmole);Hieff qPCR SYBR Green Master Mix,Hifair II 1 st Strand cDNA Synthesis Kit,Masson染色試劑盒(上海翊圣生物科技);TRIzol(北京天根生化科技);血細胞分析儀(深圳邁瑞B(yǎng)C5300);全自動生化分析儀(深圳雷杜生命科技);NanoDrop 2000核酸測定儀(美國 Thermo);Abi 7500實時熒光定量PCR儀(美國ABi);光學顯微鏡(日本尼康Eclipse80)。
將25只BALB/c小鼠隨機分為空白對照組(=10),感染后4周組、6周組和HMGB1抑制劑組(=5)。小鼠腹部去毛,在解剖鏡下計數日本血吸蟲尾蚴,除空白對照組外,其余各組小鼠通過腹部貼片法感染日本血吸蟲尾蚴,每只小鼠感染(20±2)條尾蚴。將GL溶于0.5%羧甲基纖維素鈉溶液中,配制成6.25 mg·mL的溶液,HMGB1抑制劑組每只小鼠自感染后24 d起連續(xù)4 d灌胃0.2 mL GL溶液(即每只小鼠50 mg·kg),4周空白對照組與感染組則連續(xù)4 d灌胃等體積生理鹽水。尾蚴感染4、6周后,分別對各組小鼠進行眼眶靜脈采血,采集肝右葉置于4%多聚甲醛固定,用于病理切片制作,采集肝左葉置于液氮速凍后-80 ℃保存,用于提取肝組織總RNA。
用含180 μL稀釋液的1.5 mL離心管收集100 μL血液,吹打混勻,室溫放置2 min后用血細胞分析儀檢測白細胞(white blood cell,WBC)、嗜中性粒細胞(neutrophils,Neu)、單核細胞(monocytes,Mon)和嗜酸性粒細胞(eosinophil,Eos)。剩余全血于4 ℃靜置30 min,400×離心15 min,收集上層血清用全自動生化分析儀檢測AST和ALT。
將采集的肝樣品,置于4%多聚甲醛中溶液中,固定48 h后取出,流水沖洗12 h;進行乙醇梯度脫水、二甲苯透明及浸蠟后包埋于石蠟中;常規(guī)切片,采用蘇木精-伊紅(HE)染色,中性樹膠封片后鏡檢。用Image J軟件測量每張切片中由單個蟲卵形成的蟲卵肉芽腫面積,并計算每張切片中的所有蟲卵肉芽腫的總面積與每張肝切片面積的比值。此外,每張切片任選5個視野,根據肝纖維化病理Ishak評分標準進行評分,評分標準見表1。
表1 肝纖維化病理Ishak評分標準Table 1 Ishak index score of liver fibrosis
將小鼠肝切片按Masson染色試劑盒說明書進行染色,中性樹膠封片后鏡檢。每張切片任選5個視野,用Image J軟件計算藍色膠原纖維面積,膠原面積的百分比越高,肝纖維化程度越高。
用TRIzol法提取肝組織總RNA。隨后采用NanoDrop 2000核酸測定儀測定總RNA濃度,總RNA經Hifair II 1st Strand cDNA Synthesis Kit試劑盒反轉錄得到cDNA。自NCBI GenBank(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/)獲得高遷移率族蛋白 B1(1,No. NM_010439.4),白細胞介素-1β(-1,No. NM_008361.4),腫瘤壞死因子α(-,No. NM_013693.3),白細胞介素-6(-6,No. NM_031168.2),干擾素γ(-,No. NM_008337.4),α平滑肌肌動蛋白(-,No. NM_007392.3),Ⅰ型膠原α1(11,No. NM_007742.4),轉化生長因子β1(-1,No. NM_011577.2),Smad蛋白2(2,No. NM_010754.5),Smad蛋白3(3,No. NM_016769.4)及內參基因甘油醛-3-磷酸脫氫酶(, No. NM_008084.3)的序列,設計引物,由上海桑尼生物科技有限公司合成,引物序列見表2。使用Hieff qPCR SYBR Green Master Mix進行熒光定量RT-PCR。反應體系為5 μL Hieff qPCR SYBR Green Master Mix,正反向引物各0.5 μL,2 μL cDNA模板,補去離子水至10 μL。反應程序為95 ℃預變性2 min;95 ℃ 10 s,58 ℃ 30 s,40個循環(huán);95 ℃ 15 s,60 ℃ 5 s;95 ℃ 50 s。各基因mRNA轉錄水平采用相對定量方法(2-ΔΔ)。
表2 熒光定量PCR引物序列Table 2 Primers used for RT-PCR
數據處理采用SPSS 17.0軟件,使用單因素方差分析(One-way ANOVA), *表示差異顯著(<0.05), **表示差異極顯著(<0.01)。
感染4周后,對小鼠各項指標進行檢測,結果表明,4周空白對照組、感染組的血常規(guī)檢測未見異常指標(結果未展示);血清生化檢測可見4周感染組小鼠ALT數值極顯著高于4周空白對照組(圖1A)(<0.01);各組小鼠肝形態(tài)學和組織病理學檢查未見明顯異常(結果未展示);各組小鼠肝切片Masson染色未見明顯膠原纖維沉積(結果未展示);RT-PCR檢測感染4周后小鼠肝內炎性因子及纖維化因子表達顯示,肝組織中-1的mRNA相對表達量顯著高于4周空白對照組(圖1B)(<0.05),1、-、-6及-α的mRNA相對表達量則極顯著高于4周空白對照組(圖1B)(<0.01)。以上結果表明,在感染日本血吸蟲尾蚴4周后,肝功能部分指標異常,提示小鼠肝功能已受到一定程度的損傷。
A. 小鼠血清谷丙轉氨酶檢測;B. 小鼠肝炎癥和纖維化基因mRNA相對表達量。*或**表示4周空白對照組與4周感染組相比差異顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01);虛線表示正常范圍A. Serum ALT content of mice; B. The mRNA expression of inflammatory and fibrotic cytokines. * or ** indicates that the difference between week-4 control and week-4 infected group are significant (P<0.05) or extremely significant (P<0.01); the dotted lines indicate the normal range圖1 感染4周后小鼠各項指標檢測Fig.1 Indexes detection of mice after 4 weeks infection
血常規(guī)檢測結果顯示,6周感染組小鼠WBC、Eos和Mon數值顯著高于6周空白對照組小鼠(圖2A~D)(<0.05),Neu數值極顯著高于6周空白對照組(圖2B)(<0.01);6周空白對照組小鼠各項血常規(guī)指標均在正常范圍內。血清生化檢測結果顯示,6周感染組小鼠ALT和AST數值極顯著高于6周空白對照組小鼠(圖2E、F)(<0.01);6周空白組小鼠各項血液生化指標均在正常范圍內。血常規(guī)及血清生化檢測結果表明,在感染日本血吸蟲尾蚴6周后,小鼠機體產生炎癥反應,且肝功能受到嚴重損傷。
A~D. 小鼠血常規(guī)WBC、Neu、Mon、Eos檢測;E~F. 小鼠血清生化ALT、AST檢測。*或**表示6周空白對照組與6周感染組相比差異顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01);虛線表示正常范圍A-D. Blood routine test of WBC, Neu, Mon and Eos in mice; E-F. Blood biochemical tests of ALT and AST in mice. * or ** indicates that the difference between week-6 control and week-6 infected group are significant (P<0.05) or extremely significant (P<0.01); the dotted lines indicate the normal range圖2 感染6周后小鼠血常規(guī)及血液生化檢測Fig.2 Blood routine test and blood biochemical test of mice after 6 weeks infection
小鼠肝形態(tài)學觀察可見6周空白對照組小鼠肝呈紅褐色,表面光滑,質軟而脆,肝葉邊緣銳利;6周感染組小鼠肝呈深棕色,表面可見大小不一的白色蟲卵肉芽腫,質地較硬,肝葉邊緣粗糙(圖3A)。HE染色結果顯示,6周空白對照組小鼠肝肝竇清晰,肝細胞未見變性、壞死、炎性細胞浸潤等異常病理學變化;6周感染組小鼠肝內有蟲卵聚積,蟲卵周圍存在大量炎性細胞浸潤,肝細胞結構被破壞(圖3B)。根據肝纖維化病理 Ishak評分標準對 HE染色切片進行評分,結果顯示,6周感染組Ishak評分極顯著高于6周空白對照組(圖3C)(<0.01)。用Image J軟件計算肉芽腫面積,結果顯示,6周感染組小鼠肝肉芽腫面積以及每張切片肉芽腫面積占比均極顯著高于6周空白對照組(圖3D、3E)(<0.01)。通過對肝進行形態(tài)學和組織病理學檢查可知,在感染日本血吸蟲尾蚴6周后,小鼠肝呈現(xiàn)肝纖維化癥狀。
A. 小鼠肝形態(tài)學觀察;B. 小鼠肝組織HE染色(200×);C. 小鼠肝纖維化病理 Ishak評分;D. 肝肉芽腫面積占比;E. 單個蟲卵肉芽腫面積。掃文章首頁OSID碼可查看彩圖。黑色箭頭表示蟲卵肉芽腫;**表示6周空白對照組與6周感染組相比差異顯著極顯著(P<0.01)A. Morphology observation of livers; B. HE staining of livers (200×); C. Ishak index score of hepatic fibrosis; D. Percent of egg granulomas; E. Area of a single granuloma. The color pictures can be found by scanning the OSID code on the front page. Black arrows indicate granuloma; ** indicates that the difference between week-6 control and week-6 infected group is extremely significant (P<0.01)圖3 感染6周后小鼠肝形態(tài)學和組織病理學檢查Fig.3 Morphological and histopathological examination of liver in mice after 6 weeks of infection
鏡檢可見6周感染組小鼠肝匯管區(qū)蟲卵結節(jié)周圍有藍色纖維增生,有部分向肝小葉間延伸;6周空白對照組未見明顯著色(圖4A)。用Image J軟件對各組Masson染色切片進行分析,結果顯示,6周感染組膠原纖維表達面積顯著高于6周空白對照組(圖4B)(<0.01)。Masson染色結果表明,6周感染組小鼠肝嚴重纖維化。
A. 小鼠肝Masson染色(200×);B. 小鼠肝Masson染色著色面積。掃文章首頁OSID碼可查看彩圖。黑色箭頭表示Masson染色陽性區(qū)域;**表示6周空白對照組與6周感染組相比差異顯著極顯著(P<0.01)A. Masson staining of livers (200×); B. Masson staining area. The color pictures can be found by scanning the OSID code on the front page. Black arrows indicate positive areas of Masson staining; ** indicates that the difference between week-6 control and week-6 infected group is extremely significant (P<0.01)圖4 感染6周后小鼠肝Masson染色Fig.4 Masson staining of liver in mice after 6 weeks infection
RT-PCR結果顯示,6周感染組小鼠肝組織中1、-1、-、-6及-mRNA相對表達量均極顯著高于6周空白對照組(圖5)(<0.01)。結果表明,小鼠肝產生嚴重炎癥反應。
**表示6周空白對照組與6周感染組相比差異顯著極顯著(P<0.01)**. indicates that the difference between week-6 control and week-6 infected group is extremely significant (P<0.01)圖5 感染6周后小鼠肝組織HMGB1等炎性因子的mRNA表達Fig.5 The mRNA expression of HMGB1 and other inflammatory cytokines in mice liver after 6 weeks infection
RT-PCR結果顯示,6周感染組小鼠肝組織中-、11、-1及3的mRNA相對表達量均極顯著高于6周空白對照組(圖6)(<0.01),2的mRNA相對表達量則顯著高于6周空白對照組(圖6)(<0.05)。結果表明,小鼠肝產生纖維化反應。
*或**表示6周空白對照組與6周感染組相比差異顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)* or ** indicates that the difference between week-6 control and week-6 infected group are significant (P<0.05) or extremely significant (P<0.01)圖6 感染6周后小鼠肝纖維化因子的mRNA表達Fig.6 The mRNA expression of fibrotic cytokines in mice liver after 6 weeks infection
在感染日本血吸蟲尾蚴24 d后,連續(xù)4 d灌胃HMGB1抑制劑GL 50 mg·kg,檢測小鼠各項指標。結果顯示,GL給藥組小鼠ALT數值相比4周感染組小鼠顯著下降(圖7A)(<0.05);肝組織中1、-、-β1、-6及-α mRNA相對表達量相比4周感染組小鼠均呈下降趨勢,其中,1與-α mRNA相對表達量顯著下降(圖7B)(<0.05),-、-1與-6 mRNA相對表達量極顯著下降(圖7B)(<0.01)。以上結果表明,在日本血吸蟲蟲卵發(fā)育早期給予GL可抑制HMGB1表達,進而引起肝炎癥及纖維化相關指標下調。
A. 小鼠血清谷丙轉氨酶檢測;B. 小鼠肝炎癥及纖維化相關基因mRNA相對表達量。*或**表示4周空白對照組與4周感染組相比差異顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01);#或##表示4周感染組與4周GL給藥組相比差異顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01);虛線表示正常范圍A. Serum ALT content of mice; B. The mRNA expression of inflammatory and fibrotic related cytokines. * or ** indicates that the difference between week-4 control and week-4 infected group are significant (P<0.05) or extremely significant (P<0.01); #or ## indicates that the difference between week-4 infected group and GL treated group are significant (P<0.05) or extremely significant (P<0.01); the dotted lines indicate the normal range圖7 HMGB1抑制劑對感染4周小鼠各項指標的影響Fig.7 Effects of HMGB1 inhibitor on indexes of mice after 4 weeks infection
慢性血吸蟲病對宿主的損害主要以肝纖維化為特征,血吸蟲蟲卵聚積于宿主肝門脈系統(tǒng)并分泌SEA,形成肉芽腫繼而引起ECM大量沉積。肝星狀細胞(hepatic stellate cells,HSCs)活化并向肌成纖維細胞轉變是肝纖維化發(fā)病機制的中心環(huán)節(jié)。HSCs活化的過程伴隨著多種促纖維化細胞因子的分泌增加,如α-SMA、Col1α1和TGF-β1等。其中,α-SMA和Col1α1已被公認為是肝纖維化的標志物,在寄生蟲、病毒、異常代謝、大量飲酒和過度免疫反應等各種病因引起的肝纖維化中均異常表達。TGF-β1則是纖維化疾病的重要調控因子,可調控成纖維細胞向肌成纖維細胞轉化并與下游轉錄因子Smad2、Smad3相互作用,通過TGF-β/Smad信號通路誘導膠原合成。
嚴自助等研究表明,小鼠感染日本血吸蟲尾蚴第25天時,可首先在肝組織內發(fā)現(xiàn)初產期蟲卵,從初產期至蟲卵發(fā)育成熟需10 d左右。本研究在小鼠感染日本血吸蟲尾蚴28 d時,用熒光定量PCR檢測感染小鼠肝組織中炎性及纖維化相關因子的mRNA相對表達量,結果發(fā)現(xiàn),1、-、-6、-及-1 mRNA相對表達量顯著升高,且血清ALT水平顯著上升,提示肝中的初產期蟲卵已使肝組織發(fā)生一定損傷。感染6周后蟲卵已發(fā)育成熟,再次使用熒光定量PCR檢測感染小鼠肝組織中纖維化標志物-、11、-1、2及3 mRNA相對表達量,結果顯示,6周感染組小鼠肝組織中各基因的mRNA相對表達量均顯著高于6周空白對照組小鼠。同時,結合肝病理學檢查可證實,在感染日本血吸蟲尾蚴6周后,蟲卵肉芽腫周圍已出現(xiàn)肝纖維化癥狀。
HMGB1作為一種多功能細胞因子,可由損傷的肝細胞被動釋放。Ge等發(fā)現(xiàn),在四氯化碳誘導的大鼠肝纖維化模型中,HMGB1在肝組織中的表達與α-SMA、Col1α1的表達成正相關。此外,利用siRNA沉默體外HSC-T6細胞系中的HMGB1表達后,細胞中α-SMA、Col1α1的表達也得到抑制,證明HMGB1與HSC的活化密切相關。此外,Albayrak等研究表明,在乙型肝炎病毒致肝纖維化患者的血清中可檢測到高水平HMGB1。Vicentino等則在致肝纖維化患者的血清檢測中得到相似結果,說明HMGB1應該與肝纖維化有關,且有望成為肝纖維化的重要診斷指標。本研究中,4周與6周感染組小鼠肝組織內1 mRNA相對表達量均顯著高于相應空白對照組小鼠,證實了HMGB1與日本血吸蟲病肝纖維化的相關性,驗證了前人的研究結果,但HMGB1如何調控肝纖維化仍需進一步研究。
在肝纖維化發(fā)展時,肝組織同時會分泌大量炎性因子,使HSCs在炎性因子的刺激下持續(xù)活化,進一步促進纖維化進程。本研究中,4周感染組小鼠血常規(guī)檢測無異常指標,6周感染組小鼠的血液WBC、Mon、Neu和Eos顯著高于6周空白對照組,肝組織內炎性因子1、-1、-6、-及-mRNA相對表達量顯著升高,提示感染日本血吸蟲尾蚴6周后小鼠體內產生嚴重炎癥反應。HMGB1作為炎性因子被動釋放時,可與細胞膜表面受體RAGE/TLR結合,活化核轉錄因子κB(nuclear factor kappaB,NF-κB)信號通路,使NF-κB磷酸化并向核內轉移,誘導下游炎性因子轉錄。He等發(fā)現(xiàn),在感染日本血吸蟲的小鼠肝星狀細胞中,NF-κB信號通路被激活。邢媛等研究則表明,在四氯化碳肝纖維化小鼠模型中,除肝組織中HMGB1表達升高外,血清中TLR4/NF-κB信號通路下游的炎性因子IL-6、TNF-α的表達也隨四氯化碳損傷的加劇而升高,也表明 HMGB1與肝炎癥的發(fā)展有關。
慢性血吸蟲病繼發(fā)的肝疾病涉及多條信號通路的參與,通過藥物抑制關鍵信號通路的激活是目前主要的治療原則,但臨床上單一藥物的治療效果不足以完全逆轉肝纖維化,故篩選潛在高效的藥物作用位點至關重要。GL是甘草中的重要生理活性物質,已被證實具有抗病毒、抗炎和保肝等功能。同時,GL可與HMGB1的功能結構域A box和B box結合,從而抑制HMGB1的生物學功能,是HMGB1的一種天然抑制劑。Vicentino等通過口服GL抑制HMGB1表達來治療致肝纖維化小鼠,結果顯示,小鼠存活率升高、肝肉芽腫面積減小、肝炎癥及纖維化因子表達下調,證實HMGB1有成為慢性血吸蟲病治療藥物靶點的潛力。最新研究表明,通過口服丁酸鈉抑制HMGB1表達,也可有效緩解日本血吸蟲致小鼠肝纖維化。本研究在日本血吸蟲蟲卵發(fā)育早期,自感染尾蚴后24 d起,連續(xù)4 d灌胃給予小鼠GL 50 mg·kg,結果顯示,小鼠血清ALT水平和肝組織中1、-、-6、-及-1 mRNA相對表達量較4周未給藥組顯著下降,提示GL可抑制HMGB1表達,進而引起肝炎癥及纖維化相關因子的表達下調,說明GL 對宿主肝能起一定保護作用。然而,HMGB1調控肝炎癥和纖維化的分子機制還有待深入研究。
綜上所述,本研究通過構建日本血吸蟲病肝纖維化模型,初步探索了HMGB1與宿主肝炎癥和纖維化的潛在關系,為闡明日本血吸蟲病肝纖維化的致病機理提供重要參考,同時也討論了HMGB1作為慢性日本血吸蟲病治療藥物靶點的可能性。
本試驗證實HMGB1與日本血吸蟲病肝炎癥及纖維化具有一定相關性。此外,在病因形成早期給予HMGB1抑制劑GL能對宿主肝產生一定保護作用。