陳敬宜,于 淼,張金洋,樊 堃,楊桂君,葛 銘,張瑞莉*
(1.東北農業(yè)大學動物醫(yī)學學院,哈爾濱 150030; 2.黑龍江省實驗動物與比較醫(yī)學重點實驗室,哈爾濱 150030)
鎘(cadmium,Cd)是自然環(huán)境中毒性最大的重金屬污染物之一,主要存在于硫鎘礦、鋅礦中,因其良好的物理性質,在冶金、電鍍、涂料和充電電池等生產中得到廣泛應用。隨著自然環(huán)境變化、工農業(yè)迅速發(fā)展以及人類活動的頻繁,鎘對土壤、水源、空氣的污染越來越明顯,土壤或水域中的鎘不斷被農作物或水生生物吸收蓄積,經過食物鏈層層傳遞,造成鎘在多種生物體內富集[1-2]。鎘是人和動物體非必需的金屬元素,由于其生物半衰期長,從體內排出的速率十分緩慢,容易在體內蓄積,對肝、腎、睪丸、肺、骨、心、脾和腦等多種器官組織產生嚴重損傷,甚至還具有遺傳毒性和致癌性[3-6]。隨著鎘對自然環(huán)境污染和對人和動物健康威脅越來越明顯,探討鎘毒性機制逐漸被重視并成為生物學、醫(yī)學和動物醫(yī)學,特別是環(huán)境毒理學研究的重點和熱點。
肝是鎘蓄積和毒性損傷的主要靶器官,Cd2+可以通過Zn2+等運輸載體、電壓門控式Ca2+通道及Cd-金屬硫蛋白結合態(tài)進入肝[7-8]。鎘暴露的肝表現為肝細胞正常結構喪失、淤血、炎性細胞浸潤、結締組織增生,在功能上表現為肝重要酶類活性異常,導致肝功能紊亂[9-10]。氧化應激被認為是鎘誘導肝毒性的重要機制[11]。本課題組前期研究發(fā)現,鎘暴露雞的肝組織內過氧化物蓄積,并伴有嚴重的炎性損傷[12];同時肝中谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)表達顯著降低。GPX4是鐵死亡的關鍵調控蛋白,提示鐵死亡機制參與到鎘暴露雞肝損傷過程。
鐵死亡(ferroptosis)是一種鐵依賴的脂質過氧化損傷引起的、全新的細胞死亡方式,近年來越來越受到關注[13]。鐵死亡與壞死、凋亡、焦亡、自噬等有著明顯的不同。在形態(tài)學方面,發(fā)生鐵死亡的細胞主要表現為線粒體體積縮小、線粒體嵴減少或消失;在生化方面,谷胱甘肽(glutathione,GSH)耗竭,GPX4表達降低,脂質氧化物不能經GPX4催化的谷胱甘肽還原反應代謝,繼而二價鐵離子以類似芬頓反應的方式氧化脂質,產生大量ROS,促使細胞發(fā)生鐵死亡[14]。越來越多的證據表明,鐵死亡在肝的多種病理過程中起著不可忽視的作用[15-18]。但到目前為止,未見有鐵死亡參與鎘致肝毒性損傷機制的研究報道。
如果鐵死亡參與了鎘致肝損傷過程,那么將會從全新的視角進一步揭示鎘致肝組織乃至整個機體損傷機制。因此,本試驗在建立鎘暴露雞肝損傷模型和雞肝癌細胞染鎘的細胞模型基礎上,設立鐵死亡激活劑和抑制劑對照,通過對鐵死亡相關因子、線粒體動力學相關基因、炎癥因子、氧化應激指標表達的檢測及形態(tài)學觀察,從多水平、多角度闡明鐵死亡參與鎘暴露雞肝組織損傷機制。不但可豐富鎘的毒理學理論內容,更為重要的是為鎘暴露診斷、預后判斷及拮抗藥物的研發(fā)提供新的科學試驗依據,同時也為比較醫(yī)學和生物學研究提供有益的科學借鑒。
1.1.1 試驗動物及設計 選取30只1日齡海蘭白蛋公雞(購自哈爾濱市成高子孵化場),預飼7 d,飼養(yǎng)期間雞日糧根據中國雞飼料標準配制。在7日齡時,將雞隨機均分為正常對照組(C組)和染鎘組(Cd組),每組15只。C組,飼喂基礎日糧,與預飼期一致;Cd組,在基礎日糧中混入140 mg·kg-1氯化鎘,試驗周期60 d。試驗期間觀察雞群精神狀態(tài)、體況、體態(tài)等,并于染鎘后20、40和60 d每組隨機選取5只雞心臟采血并安樂死,取肝組織,一部分置于10%福爾馬林固定液,用于組織病理學檢查;一部分固定于2.5%戊二醛,用于超微病理變化觀察;其余部分置于-80 ℃凍存,用于鎘與鐵含量、肝功能酶活性、相關因子的實時熒光定量PCR法、Western blot法及ELISA法的檢測。
1.1.2 肝組織內鎘、鐵含量檢測 取1 g肝組織作為樣本,采用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)進行檢測。
1.1.3 肝功能酶活性檢測 取血清作為樣本,根據ALT和AST試劑盒(購自南京建成生物工程研究所)說明書的具體操作步驟測定肝功能酶ALT和AST活性。
1.1.4 肝組織病理及超微病理變化觀察 取部分肝組織固定于10%福爾馬林固定液,制作石蠟切片,經HE染色后在光學顯微鏡下觀察并拍照。另取一部分肝組織固定于2.5%戊二醛,經固定、脫水、浸透、包埋、聚合、修塊、切片和染色后置于透射電子顯微鏡下觀察并拍照。
1.1.5 肝組織炎癥因子表達檢測 采用實時熒光定量PCR法檢測LOX、NF-κB、TNF-α、IL-6和IL-1β mRNA表達變化。分別提取各組肝組織總RNA,反轉錄合成cDNA,以cDNA為模板,使用SYBR Real-time PCR染料(購自北京寶日醫(yī)生物技術有限公司)檢測mRNA的表達。反應在Light Cycler 96 real-time PCR儀(Roche公司)上進行檢測,反應體系為10 μL,反應程序為95 ℃預變性30 s;95 ℃變性3 s、60 ℃退火30 s,共40個循環(huán),退火延伸時檢測熒光信號。以β-actin為內參,采用2-ΔΔCT法對檢測結果進行分析。引物序列見表1。
表1 炎癥因子基因引物序列
采用ELISA法檢測肝組織TNF-α、IL-6、IL-1β含量變化。取10%肝組織勻漿,離心,取上清,根據TNF-α、IL-6、IL-1β ELISA試劑盒(購自上海酶聯生物科技有限公司)說明書步驟檢測肝組織TNF-α、IL-6、IL-1β含量。
1.1.6 肝組織氧化應激檢測 取10%肝組織勻漿,離心,取上清,根據GSH-Px、SOD和MDA ELISA試劑盒(購自南京建成生物工程研究所)說明書檢測肝組織內GSH-Px、SOD活性和MDA含量。
1.1.7 鐵死亡相關因子表達檢測 采用實時熒光定量PCR法檢測鐵代謝相關因子(FTH1和TFR)、鐵死亡標志物(GPX4、ACSL4、PTGS2)mRNA表達,方法同“1.1.5”,引物序列見表2。
表2 鐵死亡相關因子基因引物序列
采用Western blot法檢測GPX4、ACSL4和PTGS2蛋白表達變化。分別取各組肝組織0.1 g,按比例加入RIPA組織裂解液,充分裂解,離心后取上清,SDS-PAGE,轉?。环跤豢?,一抗分別為1∶1 000稀釋的兔抗鼠GPX4和ACSL4多克隆抗體(購于Affinity公司)、兔抗鼠PTGS2多克隆抗體和1∶1 000稀釋的兔抗鼠β-actin單克隆抗體(購自萬類生物科技有限公司),4 ℃孵育過夜;孵育二抗,二抗為1∶1 500稀釋的HRP標記山羊抗兔IgG(購自萬類生物科技有限公司),37 ℃作用1 h;使用ECL超敏發(fā)光液(購自上海天能科技有限公司)進行曝光,并用Image J軟件進行灰度值分析。
1.1.8 肝組織線粒體融合相關因子表達檢測 采用實時熒光定量PCR法檢測OPA1、Mfn1和Mfn2 mRNA表達變化,方法同“1.1.5”,引物序列見表3。
表3 線粒體融合相關因子引物序列
1.2.1 LMH細胞培養(yǎng)及分組 將LMH細胞(實驗室保存)培養(yǎng)于含有10%胎牛血清(購自HyClone公司)的DMEM高糖培養(yǎng)液中,于37 ℃、5% CO2條件下培養(yǎng)。細胞分組及處理:Ⅰ組,加入2.5 μmol·L-1CdCl2;Ⅱ 組,加入6.5 μmol·L-1鐵死亡激活劑RSL3,孵育2 h;Ⅲ組,加入2 μmol·L-1鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1,孵育2 h;Ⅳ組,6.5 μmol·L-1RSL3孵育2 h后加入2.5 μmol·L-1CdCl2;Ⅴ 組,2 μmol·L-1Ferrostatin-1孵育2 h后加入2.5 μmol·L-1CdCl2;C組,不作處理。每組3個重復。在CdCl2孵育24 h后,收集細胞,用于后續(xù)檢測。
1.2.2 LMH細胞活力檢測 將細胞接種于96孔培養(yǎng)板中,37 ℃、5% CO2飽和濕度條件下按試驗處理培養(yǎng)細胞相應時間后加入CCK-8溶液,孵育2 h后在酶聯免疫檢測儀上于A450 nm處測定吸光度。
1.2.3 LMH細胞炎癥因子表達檢測 采用實時熒光定量PCR法檢測LOX、NF-κB、TNF-α、IL-6和IL-1β mRNA表達變化,方法參照“1.1.5”。
1.2.4 LMH鐵死亡相關因子表達的檢測 采用實時熒光定量PCR法檢測GPX4、ACSL4、PTGS2、FTH1和TFRmRNA表達;采用Western blot法檢測GPX4、ACSL4和PTGS2蛋白表達變化。方法同“1.1.5”和“1.1.7”。
1.2.5 LMH細胞線粒體融合相關因子表達的檢測 采用實時熒光定量PCR法檢測OPA1、Mfn1和Mfn2 mRNA表達,方法同“1.1.5”和“1.1.8”。
使用SPSS 17.0軟件進行數據分析,使用GraphPad Software Prism 6.01軟件繪圖。兩組間的數據比較采用t檢驗方法,多組間的數據比較采用單因素方差分析(ANOVA)。各組值表示為“平均數±標準差(Mean±SD)”。P<0.05表示差異顯著,P<0.01表示差異極顯著,P<0.05被認為具有統(tǒng)計學意義。
C組雞精神狀態(tài)良好,生長情況正常。Cd組雞被毛散亂、失去光澤,喜臥、無法直立,個體發(fā)育不良。
如圖1所示,鎘暴露后20、40、60 d,與C組相比,Cd組雞肝組織鎘、鐵含量均極顯著增加(P<0.01)。
“*”表示P<0.05,“**”表示P<0.01。下同
如圖2所示,鎘暴露后20、40和60 d,雞血清中ALT和AST的活性與對照組相比均極顯著升高(P<0.01)。
圖2 雞血清ALT(A)、AST(B)活性變化
鎘暴露組雞肝細胞排列紊亂,胞漿內可見大小不等、數量不一的空泡,胞核染色變淡或溶解消失,細胞結構模糊,細胞之間界限不清;竇狀隙及門管區(qū)內紅細胞數量增多,并可見有漿液、纖維素滲出及炎性細胞浸潤。上述組織病理變化隨著鎘暴露時間延長而越來越顯著。透射電鏡下可見Cd組雞肝細胞核核周間隙增大,大部分線粒體體積縮小,嵴減少;內質網明顯擴張。對照組雞肝組織未見明顯病理形態(tài)變化。
如圖4所示,在鎘暴露后20、40、60 d的同一取樣時間點,雞肝組織NF-κB、TNF-α、IL-6的mRNA水平均較C組極顯著升高(P<0.01)。鎘暴露后20 d,與對照組比較,LOXmRNA的表達無顯著差異(P>0.05),IL-1β的mRNA水平顯著升高(P<0.05)。鎘暴露后40、60 d,與對照組比較,LOX和IL-1β的mRNA水平極顯著升高(P<0.01)。雞肝組織中TNF-α和IL-6的含量,與同一取樣時間點的正常組比較,均極顯著升高(P<0.01)。
A~E分別為雞肝組織中LOX、NF-κB、TNF-α、IL-6和IL-1β mRNA表達變化;F~G分別是雞肝組織中TNF-α、IL-6和IL-1β的含量變化
鎘暴露后20 d,與對照組相比IL-1β的含量無顯著差異;40、60 d時,IL-1β的含量均極顯著升高(P<0.01)。
由圖5可知,鎘暴露后20、40和60 d,與同取樣時間點的C組相比較,雞肝組織中GSH-Px和SOD的活性均極顯著降低(P<0.01),MDA的含量極顯著升高(P<0.01)。
A、B和C分別為雞肝GSH-Px活性、SOD活性和MDA含量
圖6顯示,鎘暴露后20 d,FTH1的mRNA 表達顯著升高(P<0.05),TFR的mRNA 表達極顯著升高(P<0.01);鎘暴露后40、60 d,與同一時間點對照組相比,FTH1和TFR的mRNA 表達極顯著升高(P<0.01)。
A和B分別為雞肝組織FTH1、TFR的mRNA 表達變化
鎘暴露后20 d,與C組相比,Cd組GPX4 mRNA水平極顯著下降(P<0.01),ACSL4 mRNA水平顯著升高(P<0.05),PTGS2 mRNA水平極顯著上升(P<0.01)。鎘暴露后40和60 d,Cd組相較于C組,GPX4 mRNA水平極顯著下降(P<0.01),ACSL4、PTGS2 mRNA水平極顯著上升(P<0.01,圖7A)。
鎘暴露后20、40和60 d,Cd組與同一取樣時間點對照組相比,GPX4的蛋白相對含量極顯著下降(P<0.01),ACSL4和PTGS2 的蛋白相對含量極顯著升高(P<0.01,圖7B)。
A.雞肝組織鐵死亡標志物mRNA表達變化;B.雞肝組織鐵死亡標志物蛋白表達變化
如圖8所示,鎘暴露后20 d,與同一取樣時間點C組相比,OPA1和Mfn1 mRNA的表達無顯著差異(P>0.05),Mfn2的mRNA水平極顯著下降(P<0.01);鎘暴露后40 d,對比同一取樣時間點C組,OPA1 mRNA的表達無顯著差異(P>0.05),Mfn1的mRNA表達顯著下降(P<0.05),Mfn2的mRNA表達極顯著下降(P<0.01)。至鎘暴露后60 d,OPA1、Mfn1和Mfn2的mRNA水平,與對照組相比均極顯著下降(P<0.01)。
A、B和C分別為雞肝組織中OPA1、Mfn1和Mfn2的mRNA表達變化
在染鎘細胞模型基礎上,設立鐵死亡激活劑和抑制劑對照,觀察對LMH細胞活力變化。如圖9所示,與C組相比,Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ組細胞活力極顯著降低(P<0.01)。Ⅴ組細胞活力,較Ⅰ組極顯著升高(P<0.01)。
與C組相比,“*”表示P<0.05,“**”表示P<0.01;與Ⅰ組相比,“#”表示P<0.05,“##”表示P<0.01。下同
如圖10所示,與C組相比,Ⅰ和Ⅱ組細胞LOX、NF-κB、TNF-α、IL-6和IL-1β mRNA表達水平均極顯著升高(P<0.01)。Ⅲ組中NF-κB和TNF-αmRNA表達水平較C組顯著上升(P<0.05),LOX、IL-6和IL-1β mRNA表達無顯著差異(P>0.05)。Ⅴ組與經氯化鎘處理的Ⅰ 組相比,LOX、NF-κB、TNF-α、IL-6和IL-1β mRNA表達水平均極顯著降低(P<0.01)。
A、B、C、D和E分別為LOX、NF-κB、TNF-α、IL-6和IL-1β的mRNA表達變化
如圖11所示,與C組相比,Ⅰ、Ⅱ 和Ⅳ 組中FTH1和TFR的mRNA水平,極顯著升高(P<0.01)。與Ⅰ 組相比,Ⅴ組中FTH1和TFR的mRNA水平極顯著下降(P<0.01)。
A和B分別為LMH細胞中FTH1、TFR的mRNA 表達變化
如圖12所示,Ⅰ、Ⅱ 和Ⅳ 組中GPX4的mRNA水平,較C組極顯著降低(P<0.01),ACSL4和PTGS2的mRNA水平極顯著升高(P<0.01)。與 Ⅰ 組相比,Ⅴ 組中GPX4的mRNA水平極顯著升高(P<0.01),ACSL4和PTGS2的mRNA水平極顯著下降(P<0.01)。
A. LMH細胞鐵死亡標志物mRNA表達變化;B. LMH細胞鐵死亡標志物蛋白相對表達變化
與C組相比,Ⅰ、Ⅱ 和Ⅳ組中GPX4的蛋白相對表達極顯著降低(P<0.01),ACSL4和PTGS2的蛋白相對表達極顯著升高(P<0.01)。Ⅴ 組中,GPX4的蛋白相對表達,較 Ⅰ 組極顯著升高(P<0.01),ACSL4和PTGS2蛋白表達水平極顯著下降(P<0.01)。
如圖13所示,與C組相比,Ⅰ 和 Ⅱ 組細胞中OPA1、Mfn1和Mfn2 mRNA表達水平極顯著降低(P<0.01)。與 Ⅰ 組相比, Ⅴ 組OPA1、Mfn1和Mfn2 mRNA表達水平極顯著上升(P<0.01)。
A、B和C分別為OPA1、Mfn1和Mfn2的mRNA表達變化
肝是鎘最主要的靶器官。鎘暴露造成斑馬魚肝組織核苷酸、氨基酸等代謝途徑異常[19];引起大鼠肝細胞發(fā)生顆粒變性、脂肪變性和細胞壞死[20];在亞慢性鎘中毒蛋雞中,可以觀察到肝組織充血,肝細胞嚴重變性、壞死,線粒體、內質網等膜性細胞器嚴重損傷[21]。本試驗中,鎘暴露組雞肝內鎘含量顯著升高,血清中肝功能酶活性明顯升高,肝細胞排列紊亂、空泡變性甚至壞死,肝淤血、漿液-纖維素性滲出及炎性細胞浸潤,超微病理結構呈現肝細胞核周間隙變寬、內質網擴張、線粒體嵴斷裂、減少,炎癥因子LOX、NF-κB、TNF-α,IL-6 和IL-1β表達顯著升高,表明鎘暴露雞肝組織發(fā)生了炎性損傷,該動物模型可用于鎘致肝組織毒性機制的研究。
目前,氧化應激被認為是鎘毒性作用的主要機制。Cd在體內蓄積破壞了氧化還原系統(tǒng)的動態(tài)平衡,誘導脂質過氧化反應,降低抗氧化能力,造成氧化損傷。MDA是脂質過氧化反應中產生的含量最高的單體醛類[22];GSH-Px和SOD是生物體抗氧化酶系統(tǒng)的主要成員。研究發(fā)現,鎘暴露錦鯉腎中的MDA含量顯著升高[23]。鎘暴露也可引起小鼠肝組織SOD及GSH-Px活性降低,MDA含量升高[24]。本試驗結果顯示,鎘暴露雞肝組織GSH-Px和SOD的活性均極顯著降低、MDA的含量極顯著升高,表明鎘暴露雞肝組織損傷與氧化應激密切相關。
研究表明,氧化應激導致大量脂質過氧化物累積,為細胞發(fā)生鐵死亡提供了條件[25]。那么,鎘暴露雞肝組織氧化應激損傷機制是否與鐵死亡相關呢?為此,本試驗對雞肝內鐵含量、鐵代謝相關因子及鐵死亡標志物進行了檢測。結果顯示,Cd組雞肝中鐵含量極顯著升高,且鐵含量的升高趨勢與染鎘時間具有明顯的依賴性,表明鎘暴露可引起雞肝組織鐵過載。生理條件下,鐵含量在機體內維持著吸收與排出的動態(tài)平衡。其中,鐵吸收主要依賴于TFR、鐵的儲存則主要是由FTH1介導的[26]。當機體發(fā)生鐵過載,FTH1和TFR表達上調,來維持機體內鐵含量穩(wěn)定。結果顯示,鎘暴露雞肝組織FTH1和TREmRNA相對轉錄水平顯著升高。作為鐵代謝的關鍵蛋白,FTH1和TRE的表達升高也是鐵死亡發(fā)生的標志之一。試驗同時發(fā)現,鎘暴露雞肝組織鐵死亡標志物GPX4表達明顯下調,GPX4下游的脂質過氧化物合成關鍵蛋白ACSL4和PTGS2的表達顯著上調。上述結果表明鎘暴露誘發(fā)了雞肝細胞鐵死亡。
線粒體體積變小、膜密度增加、嵴變少甚至消失是鐵死亡區(qū)別于其他細胞死亡方式的主要形態(tài)特征[27]。細胞中調節(jié)線粒體形態(tài)與功能的動態(tài)過程是線粒體動力學,其中線粒體的融合關鍵因子為OPA1和Mfn1/2。OPA1蛋白可調節(jié)線粒體內膜的融合,維持線粒體嵴結構完整。Mfn1是線粒體融合蛋白,通過其結構域之間的間歇性相互作用,束縛兩個相對的線粒體;Mfn2參與線粒體和內質網之間的物理相互作用[28]。本試驗中,鎘暴露雞肝組織OPA1、Mfn1和Mfn2 mRNA表達顯著下降,肝細胞內大部分線粒體體積縮小、嵴斷裂且數量減少,提示鎘致肝細胞鐵死亡破壞線粒體動力學動態(tài)平衡,引起肝損傷。
雞肝癌細胞系(LMH)細胞是通過化學試劑誘導的、具有雞肝細胞分化形態(tài)和生化特性的雞肝癌細胞系,在保持雞肝細胞分化大量表型特征的同時,具有連續(xù)傳代的特征,適合作為體外試驗的研究對象,常用于各種毒性物質對雞肝細胞的毒性作用研究[29-30]。因此,本試驗選用LMH細胞作為體外研究對象,建立鐵死亡激活劑和抑制劑染鎘細胞模型,進一步明確鐵死亡在鎘致肝損傷中的作用。鐵死亡激活劑RSL3是含有親電子的氯乙酰胺,可以和GPX4產生共價相互作用,從而導致GPX4不可逆的失活[31];鐵死亡機制及Ferrostatin-1可以較為有效的抑制鐵蛋白的沉積,從而抑制鐵死亡的發(fā)生[32]。本研究發(fā)現,Cd與RSL3作用相同,均能引起GPX4表達下調、脂質過氧化物合成關鍵蛋白(ACSL4、PTGS2)表達上調、線粒體融合相關因子(OPA1、Mfn1和Mfn2)表達下調、炎癥因子(LOX、NF-κB、TNF-α、IL-6、IL-1β)表達上調,表明Cd能夠激活LMH細胞鐵死亡,導致LMH細胞線粒體損傷和炎性損傷;進一步研究結果顯示,Ferrostatin-1可通過抑制鐵死亡緩解Cd引起的LMH細胞線粒體損傷和炎性損傷。有研究發(fā)現,抑制線粒體中ROS的生成,可減輕炎癥小體的生成[33];通過抑制線粒體分裂能夠緩解煙草暴露誘導支氣管上皮細胞的炎癥反應[34]。上述研究結果提示鎘通過誘導雞肝細胞鐵死亡導致線粒體結構損傷、功能障礙,促進肝組織炎性損傷。
總之,鎘暴露造成鎘大量蓄積于肝,導致肝氧化應激水平升高、鐵代謝紊亂、大量脂質過氧化物累積,引發(fā)鐵死亡,破壞線粒體的結構和功能,進而引起肝組織炎性損傷。