白亞楠,萬(wàn)美玉,狄曉可,張志斐,李小娜,李 洋
(華北理工大學(xué)藥學(xué)院,河北 唐山 063210)
近年來(lái)國(guó)內(nèi)外航天事業(yè)發(fā)展較快,但太空微重力環(huán)境卻給航天人員的身體健康帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。已有較多研究證明微重力可以引起嚴(yán)重的骨丟失現(xiàn)象[1-2]。骨丟失是骨質(zhì)疏松的病理特點(diǎn)之一,在微重力環(huán)境下,破骨細(xì)胞功能增強(qiáng),成骨細(xì)胞活性降低[3],打破了骨重建動(dòng)態(tài)平衡,隨之還可能會(huì)帶來(lái)骨微觀結(jié)構(gòu)的劣變,由此增加骨折的風(fēng)險(xiǎn)。因此,研究微重力環(huán)境下誘發(fā)骨質(zhì)丟失的機(jī)制并找到相應(yīng)的對(duì)抗策略,對(duì)于載人航天具有重要意義。
淫羊藿苷是小檗科淫羊藿屬植物中的一種主要活性成分,對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)都有著良好的藥理作用。目前已有研究證實(shí),淫羊藿苷具有骨保護(hù)作用,能夠明顯改善骨質(zhì)疏松癥狀[4]。同時(shí),在骨代謝過(guò)程中淫羊藿苷可發(fā)揮雙重作用,不僅可以增加骨形成細(xì)胞蛋白的表達(dá),促進(jìn)骨保護(hù)素形成,還可以促進(jìn)與成骨細(xì)胞分化相關(guān)因子的表達(dá),從而起到抗骨質(zhì)疏松的作用[5]。目前探究淫羊藿苷與失重性骨丟失之間關(guān)系的研究較少,淫羊藿苷對(duì)失重性骨丟失的作用尚不清楚。本研究擬采用尾懸吊模擬失重誘導(dǎo)大鼠骨丟失,測(cè)定淫羊藿苷對(duì)骨吸收與骨形成相關(guān)標(biāo)志物指標(biāo)水平及蛋白相對(duì)表達(dá)量、生物力學(xué)參數(shù)、骨密度及股骨空間結(jié)構(gòu)的作用,以期為深入研究淫羊藿苷防治失重性骨丟失提供依據(jù)。
1.1 動(dòng)物 SPF 級(jí)成年雄性SD 大鼠,體質(zhì)量(200±20) g,購(gòu)自北京華阜康生物科技股份有限公司[實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生產(chǎn)許可證號(hào)SCXK (京) 2020-0004],飼養(yǎng)環(huán)境溫度 (22±2)℃,相對(duì)濕度50%~70%,光照周期12 h/12 h,自由飲食。所有實(shí)驗(yàn)步驟均按照華北理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心實(shí)驗(yàn)動(dòng)物護(hù)理和使用指南進(jìn)行 (倫理號(hào)LAEC-NCST-2020050)。
1.2 試劑與藥物 淫羊藿苷(西安圣青生物科技有限公司,純度≥98%,批號(hào)YYH2020-5-25);阿侖膦酸鈉 (杭州默沙東制藥有限公司,純度≥98%,批號(hào) 20200522)。骨特異堿性磷酸酶(BALP)、抗酒石酸酸性磷酸酶(Trap)、骨鈣素(OC)、尿鈣(U-Ca)、尿磷(U-P)、肌酐(Cr)、脫氧吡啶啉(DPD)、Ⅰ型膠原的C-末端交聯(lián)肽(CTX-Ⅰ)、Ⅰ型膠原的N-末端交聯(lián)肽(NTX-Ⅰ)試劑盒 (南京建成生物工程研究所,批號(hào)20201008、20201007、20201008、20201010、20201007、20201008、20201008、20201010、20201009);β-actin、BMP-2、OPG、RANK、RANKL 抗體 (美國(guó)R&D 公司,批號(hào)20201201、20201211、20201203、20201205、20201210)。
1.3 儀器 ST16R 型高速冷凍離心機(jī) (美國(guó)Thermo Fisher Scientific 公司);雙能X 線骨密度儀、explore Locus SP 型Micro-CT 掃描儀(美國(guó)GE公司);858 Mini Bionix 型材料測(cè)試系統(tǒng) (美國(guó)MTS 公司);7100 型全自動(dòng)生化儀[日立高新技術(shù)(上海) 國(guó)際貿(mào)易有限公司];164-5050 型電泳儀、165-8001 型電泳槽、GelDoc XR 型凝膠成像儀(美國(guó)Bio-Rad 公司);DYCZ-40D 型轉(zhuǎn)移槽(北京六一生物科技有限公司)。
2.1 分組、造模及給藥 大鼠隨機(jī)分為空白組、模型組、阿侖膦酸鈉組(2.0 mg/kg)、淫羊藿苷組(30 mg/kg),各組灌胃給予相應(yīng)藥物6 周,第3 周開(kāi)始除空白組外,其余各組參照Morey-Holton提出的尾懸吊法[6]建立尾懸吊模型,在距大鼠尾根部4 cm 處用克式針平行于冠狀面穿刺于尾骨,克式針兩端彎成環(huán)后用回形針將尾部懸于籠頂,使鼠前肢踏于籠底,后肢懸空,身體縱軸與水平面成30°,身體可360°自由旋轉(zhuǎn)。每個(gè)吊籠內(nèi)懸吊1 只大鼠,空白組大鼠也置于同樣鼠籠中,尾部不懸吊,可自由活動(dòng)。尾懸吊4 周后全部處死。
2.2 樣品制備 大鼠處死前2 d,禁食12 h,放至代謝籠中收集24 h 尿液,期間禁食,自由飲水。尿液4 ℃、1 200 r/min 離心10 min,吸取上清,于-20 ℃保存?zhèn)溆谩?shí)驗(yàn)結(jié)束后,乙醚麻醉大鼠,腹主動(dòng)脈取全血,4 ℃靜置30 min,4 ℃、2 000 r/min離心20 min,吸取血清[7],于-80 ℃保存?zhèn)溆谩H⊙?,剝離大鼠股骨,將附著于股骨上的肌肉及組織處理干凈,用浸泡過(guò)生理鹽水的紗布將大鼠右側(cè)股骨包裹后裝入塑料袋中,置于-20 ℃保存,用以測(cè)定大鼠股骨的生物力學(xué)性能[8];左側(cè)股骨浸泡于4 ℃的10%福爾馬林中固定,2 d 后保存至4 ℃的70% 乙醇中,用以Micro-CT 掃描分析股骨微結(jié)構(gòu)。
2.3 骨代謝指標(biāo)檢測(cè) 血清和尿液進(jìn)行解凍,按照ELISA 試劑盒說(shuō)明書檢測(cè)血清BALP、Trap、OC以及尿液U-Ca、U-P、Cr、DPD、CTX-Ⅰ、NTX-Ⅰ水平[9]。
2.4 股骨骨密度檢測(cè) 大鼠處死前3 d,用3%戊巴比妥鈉(0.1 mL/100 g) 腹腔注射麻醉大鼠,四肢展開(kāi)平置于骨密度儀平臺(tái)上,掃描完畢后采用配套軟件對(duì)股骨骨密度(BMD) 進(jìn)行分析[10]。
2.5 股骨生物力學(xué)性能檢測(cè) 取保存于-20 ℃冰箱中的大鼠右側(cè)股骨,放置至室溫,進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。以跨距20 mm,2 mm/min 速率下壓股骨中段,直至股骨發(fā)生斷裂,記錄載荷-變形曲線[11]。計(jì)算相關(guān)生物力學(xué)指標(biāo),即骨應(yīng)力、彈性模量、最大載荷、結(jié)構(gòu)硬度及能量吸收。
2.6 股骨形態(tài)結(jié)構(gòu)特征檢測(cè) 采用Micro-CT 掃描儀沿長(zhǎng)軸方向?qū)晒沁h(yuǎn)端進(jìn)行掃描,獲取連續(xù)Micro-CT 圖像,圖像分辨率為1 024×1 024,像素點(diǎn)尺寸為20 μm×20 μm,層間距20 μm。掃描完成后,選取生長(zhǎng)板下端1.5 mm 處并向下延伸100 個(gè)連續(xù)片段區(qū)域的骨小梁部分為感興趣區(qū)域。對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行三維重建,獲取骨小梁三維結(jié)構(gòu)圖像并分析骨小梁如下空間結(jié)構(gòu)參數(shù)[12],即骨組織比例(BV/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)、骨小梁數(shù)量(Tb.N)、結(jié)構(gòu)模型指數(shù)(SMI) 及骨小梁連接密度(conn.D)。
2.7 分子對(duì)接 從PDB 和PubChem 平臺(tái)分別獲取靶點(diǎn)(BMP-2、OPG、RANK) 3D 結(jié)構(gòu)和藥物活性成分(阿侖膦酸鈉、淫羊藿苷) 分子結(jié)構(gòu),通過(guò)Schr?dinger Maestro 12.8、Pymol 軟件進(jìn)行分子對(duì)接,分析對(duì)接結(jié)果與結(jié)合能,評(píng)估受體與配體的對(duì)接情況[13]。
2.8 骨代謝相關(guān)蛋白表達(dá)檢測(cè) 取適量股骨組織勻漿,采用BSA 法進(jìn)行蛋白定量,蛋白樣品進(jìn)行SDS-PAGE 電泳,再經(jīng)轉(zhuǎn)膜、封閉、一抗和二抗孵育、顯影等步驟,根據(jù)目的蛋白的分子量選擇內(nèi)參β-actin,采用Image J 軟件分析各個(gè)條帶的灰度值,計(jì)算目的蛋白相對(duì)表達(dá)量[14]。
2.9 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 通過(guò)SPSS 22.0 軟件進(jìn)行處理,數(shù)據(jù)以(±s) 表示,組間比較采用單因素方差分析。P<0.05 表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
3.1 淫羊藿苷對(duì)失重大鼠體質(zhì)量的影響 如圖1所示,在尾懸吊處理前,各組大鼠體質(zhì)量均呈增加趨勢(shì)。從第3 周開(kāi)始,與空白組比較,模型組和各給藥組大鼠體質(zhì)量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),與空白組比較,模型組大鼠體質(zhì)量均降低 (P<0.01);與模型組比較,阿侖膦酸鈉組和淫羊藿苷組大鼠體質(zhì)量無(wú)明顯變化(P>0.05)。
圖1 6 周內(nèi)各組大鼠體質(zhì)量變化(±s,n=10)Fig.1 Changes of rat body mass in each groupwithin 6 weeks (±s,n=10)
3.2 淫羊藿苷對(duì)失重大鼠骨代謝指標(biāo)的影響 如表1 所示,與空白組比較,模型組大鼠U-Ca/Cr、U-P/Cr、Trap、DPD、CTX-Ⅰ、NTX-Ⅰ水平均升高(P<0.01);BALP、OC 水平均降低 (P<0.01)。與模型組比較,阿侖膦酸鈉組大鼠U-Ca/Cr、U-P/Cr、Trap、DPD、CTX-Ⅰ、NTX-Ⅰ水平降低(P<0.05,P<0.01),BALP、OC 水平無(wú)明顯變化(P>0.05);淫羊藿苷組U-Ca/Cr、U-P/Cr、Trap、DPD、CTX-Ⅰ、NTX-Ⅰ水平降低(P<0.05,P<0.01),BALP、OC 水平升高(P<0.05,P<0.01)。
表1 淫羊藿苷對(duì)失重大鼠骨代謝指標(biāo)的影響(±s,n=10)Tab.1 Effects of icariin on bone metabolism indices in weightless rats (±s,n=10)
表1 淫羊藿苷對(duì)失重大鼠骨代謝指標(biāo)的影響(±s,n=10)Tab.1 Effects of icariin on bone metabolism indices in weightless rats (±s,n=10)
注:與空白組比較,**P<0.01;與模型組比較,#P<0.05,##P<0.01。
組別U-Ca/CrU-P/CrBALP/(μg·L-1)Trap/(ng·L-1)OC/(ng·L-1)DPD/(μg·L-1)CTX-Ⅰ/(nmol·L-1)NTX-Ⅰ/(nmol·L-1)空白組0.83±0.12 5.56±0.30 272.92±31.891.88±0.060.24±0.01 234.93±17.354.99±0.2411.87±1.57模型組2.55±0.41** 7.10±0.41** 215.86±23.74** 2.35±0.24** 0.18±0.02** 391.23±15.61** 6.05±0.15** 16.83±1.64**阿侖膦酸鈉組 1.57±0.44## 6.49±0.54# 219.61±25.581.94±0.19## 0.18±0.02 366.55±16.69#5.80±0.08#14.71±1.41#淫羊藿苷組1.87±0.30## 6.50±0.50# 247.08±21.26# 2.08±0.27# 0.21±0.02## 328.66±19.53## 5.85±0.09#13.21±1.05##
3.3 淫羊藿苷對(duì)失重大鼠骨密度的影響 如圖2所示,與空白組比較,模型組大鼠骨密度降低(P<0.01);與模型組比較,阿侖膦酸鈉組和淫羊藿苷組大鼠骨密度均升高(P<0.01)。
圖2 淫羊藿苷對(duì)大鼠股骨骨密度的影響(±s,n=10)Fig.2 Effects of icariin on femoral bone mineral density in weightless rats (±s,n=10)
3.4 淫羊藿苷對(duì)失重大鼠股骨生物力學(xué)性能的影響 如表2 所示,與空白組比較,模型組大鼠股骨生物力學(xué)參數(shù)骨應(yīng)力、彈性模量、最大載荷、結(jié)構(gòu)硬度、能量吸收值均降低(P<0.01)。與模型組比較,阿侖膦酸鈉組大鼠彈性模量及結(jié)構(gòu)硬度水平升高(P<0.05,P<0.01);淫羊藿苷組大鼠骨應(yīng)力、彈性模量及最大載荷水平升高 (P<0.05,P<0.01)。
表2 淫羊藿苷對(duì)失重大鼠股骨生物力學(xué)參數(shù)的影響(±s,n=10)Tab.2 Effects of icariin on biomechanical parameters of femur in weightless rats (±s,n=10)
表2 淫羊藿苷對(duì)失重大鼠股骨生物力學(xué)參數(shù)的影響(±s,n=10)Tab.2 Effects of icariin on biomechanical parameters of femur in weightless rats (±s,n=10)
注:與空白組比較,**P<0.01;與模型組比較,#P<0.05,##P<0.01。
組別骨應(yīng)力/MPa彈性模量/MPa最大載荷/N結(jié)構(gòu)硬度/(N·mm)能量吸收/J空白組89.72±12.223 453.93±222.03112.06±9.62164.54±18.5184.66±5.84模型組64.43±6.32**2 353.06±154.08**74.62±7.65**98.01±15.39**77.65±4.00**阿侖膦酸鈉組63.54±4.672 887.06±174.03##80.47±7.87125.45±17.45#74.52±3.96淫羊藿苷組75.42±9.30#3 152.89±206.10##94.36±7.74##97.38±16.5576.42±1.88
3.5 淫羊藿苷對(duì)失重大鼠股骨形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的影響 如圖3 所示,空白組大鼠股骨骨小梁數(shù)量較多,排列緊密,質(zhì)地均勻,股骨皮質(zhì)骨較厚;模型組大鼠股骨骨小梁數(shù)量明顯減少,且出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞,排列無(wú)規(guī)則,空洞較大,股骨皮質(zhì)骨明顯變??;與模型組比較,阿侖膦酸鈉組和淫羊藿苷組大鼠股骨骨小梁數(shù)量增加,股骨皮質(zhì)骨厚度增加,骨小梁連續(xù)性好。
圖3 各組大鼠感興趣區(qū)域內(nèi)骨小梁代表圖Fig.3 Representative images of trabecular bone in the region of interest of rats in each group
如表3 所示,與空白組比較,模型組大鼠股骨遠(yuǎn)端骨小梁conn.D、BV/TV、Tb.N 和Tb.Th 值均降低(P<0.05,P<0.01),SMI 值升高(P<0.01)。與模型組比較,阿侖膦酸鈉組大鼠conn.D、BV/TV、Tb.N 和Tb.Th 值升高(P<0.01),SMI 值降低(P<0.01);淫羊藿苷組大鼠Conn.D、BV/TV、Tb.N 值升高(P<0.01),SMI 值降低(P<0.01)。
表3 淫羊藿苷對(duì)失重大鼠股骨遠(yuǎn)端微結(jié)構(gòu)影響(±s,n=10)Tab.3 Effects of icariin on the microstructure of the distal femur in weightless rats (±s,n=10)
表3 淫羊藿苷對(duì)失重大鼠股骨遠(yuǎn)端微結(jié)構(gòu)影響(±s,n=10)Tab.3 Effects of icariin on the microstructure of the distal femur in weightless rats (±s,n=10)
注:與空白組比較,*P<0.05,**P<0.01;與模型組比較,##P<0.01。
組別SMIConn.D/(1·mm-3)BV/TVTb.Th/mmTb.N/(1·mm-1)空白組2.25±0.2239.95±1.880.17±0.030.06±0.022.62±0.25模型組2.84±0.21**0.28±0.08**0.04±0.02**0.04±0.02*0.74±0.10**阿侖膦酸鈉組1.33±0.25##20.59±9.79##0.17±0.05##0.07±0.01##2.17±0.55##淫羊藿苷組2.24±0.43##34.20±8.07##0.20±0.03##0.06±0.022.24±0.15##
3.6 分子對(duì)接結(jié)果 將藥物作為配體,靶點(diǎn)蛋白作為受體,進(jìn)行分子對(duì)接,結(jié)果見(jiàn)圖4,結(jié)合評(píng)分見(jiàn)表4。結(jié)果表明,淫羊藿苷與相關(guān)蛋白結(jié)合評(píng)分較阿侖膦酸鈉更低,與靶點(diǎn)蛋白的匹配度更高,更易發(fā)生作用。
表4 阿侖膦酸鈉、淫羊藿苷與相關(guān)蛋白分子對(duì)接結(jié)合評(píng)分(kcal/mol)Tab.4 Docking and binding score of alendronate,icariin and related protein molecules (kcal/mol)
圖4 阿侖膦酸鈉、淫羊藿苷與相關(guān)蛋白分子對(duì)接結(jié)果Fig.4 Molecular docking results of alendronate sodium and icariin with related protein molecules
3.7 淫羊藿苷對(duì)失重大鼠骨代謝蛋白表達(dá)的影響 如圖5 所示,與空白組比較,模型組大鼠股骨組織BMP-2、OPG 蛋白表達(dá)降低 (P<0.01),RANK、RANKL 蛋白表達(dá)升高(P<0.01);與模型組比較,阿侖膦酸鈉組和淫羊藿苷組大鼠股骨組織BMP-2、OPG 蛋白表達(dá)升高(P<0.01),RANK、RANKL 蛋白表達(dá)降低(P<0.01)。
圖5 淫羊藿苷對(duì)失重大鼠骨代謝蛋白表達(dá)的影響(±s,n=3)Fig.5 Effects of icariin on the expressions of bone metabolic proteins in weightless rats (±s,n=3)
在微重力環(huán)境下,機(jī)體骨鈣代謝紊亂,承重骨發(fā)生明顯的骨丟失現(xiàn)象并且難以恢復(fù)。本研究發(fā)現(xiàn),尾懸吊致失重模型可能會(huì)影響大鼠的進(jìn)食量與代謝,引起大鼠體質(zhì)量的下降,這一結(jié)果也與之前研究結(jié)果相似[15]。淫羊藿苷組與阿侖膦酸鈉組大鼠體質(zhì)量雖高于模型組,但無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,可見(jiàn)藥物干預(yù)不能改善尾懸吊帶來(lái)的體質(zhì)量下降現(xiàn)象。
人體骨骼在正常環(huán)境下,成骨細(xì)胞承擔(dān)的骨形成和破骨細(xì)胞承擔(dān)的骨吸收處于動(dòng)態(tài)平衡,而在太空微重力環(huán)境中,骨骼幾乎完全失去重力作用,會(huì)引起骨吸收的增加和骨形成的減少等情況[16]。微重力環(huán)境下,身體負(fù)重降低,骨吸收增加,使得體內(nèi)大量鈣、磷流失;成骨細(xì)胞分化能力減弱,骨轉(zhuǎn)換降低,使得BMD 降低。本研究結(jié)果顯示,與模型組比較,淫羊藿苷組大鼠骨吸收標(biāo)志物U-Ca/Cr、U-P/Cr、Trap、DPD、CTX-Ⅰ及NTX-Ⅰ水平降低,骨形成標(biāo)志物BALP、OC 水平升高,骨代謝指標(biāo)與BMD 結(jié)果均表明,淫羊藿苷可有效改善尾懸吊致失重導(dǎo)致的大鼠骨吸收大于骨形成現(xiàn)象,進(jìn)而降低骨折發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。
骨力學(xué)性能是研究骨組織在外界作用力下的力學(xué)特征和受力后的生物學(xué)效應(yīng),它與骨折風(fēng)險(xiǎn)有直接聯(lián)系,是評(píng)定骨強(qiáng)度質(zhì)量的一種可靠方法,也是體現(xiàn)藥物對(duì)骨質(zhì)疏松治療效果最直接、最重要的指標(biāo)之一[17]。本研究結(jié)果顯示,淫羊藿苷不僅可以降低骨轉(zhuǎn)換率還可以改善骨的力學(xué)性能。大鼠生物力學(xué)參數(shù)的變化表明淫羊藿苷的干預(yù)可以使大鼠股骨骨硬度、彈性增加,從而降低骨折的發(fā)生機(jī)率。
BMP-2 為骨形態(tài)發(fā)生蛋白2,可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化,而成骨細(xì)胞分泌的骨保護(hù)素OPG 可與RANKL 競(jìng)爭(zhēng)性抑制破骨細(xì)胞的分化成熟,RANK與RANKL 結(jié)合可有效促進(jìn)破骨細(xì)胞分化[18]。研究表明,RANKL/OPG 比值決定了破骨細(xì)胞的分化程度[19],比值降低表明破骨細(xì)胞分化受到抑制,骨吸收能力降低。分子對(duì)接可直觀表現(xiàn)出藥物與靶點(diǎn)蛋白的結(jié)合情況,評(píng)分越低代表著藥物與靶點(diǎn)蛋白對(duì)接的結(jié)合能越低,發(fā)生作用的可能性越大。對(duì)接結(jié)果顯示,相比于阿侖膦酸鈉,淫羊藿苷與骨代謝相關(guān)蛋白結(jié)合更穩(wěn)定,匹配程度更高。尾懸吊致大鼠失重打破了骨代謝平衡,導(dǎo)致成骨標(biāo)志物OPG、BMP-2 表達(dá)降低,骨吸收因子RANK 與RANKL 表達(dá)升高,RANKL/OPG 比值上調(diào),破骨細(xì)胞分化程度加大,從而使得大鼠股骨骨小梁數(shù)量減少,連接密度降低,厚度變薄。且對(duì)SMI 分析表明,模型組大鼠股骨已形成骨質(zhì)疏松型結(jié)構(gòu)[20]。
綜上所述,本研究表明淫羊藿苷可在尾懸吊模擬失重條件下抑制破骨細(xì)胞活化,促進(jìn)成骨細(xì)胞分化,提高骨轉(zhuǎn)換率,增加股骨強(qiáng)度,緩解骨吸收大于骨形成現(xiàn)象,從而改善尾懸吊大鼠的骨丟失;淫羊藿苷可有效緩解骨吸收與骨形成的失衡,改善尾懸吊引起的骨丟失現(xiàn)象,該作用機(jī)制可能與調(diào)控OPG/RANK/RANKL 通路有關(guān)。