趙冠宇,辛蕊華,仇正英,石 磊,王瑞瓊,2,邵 晶,2,吳國泰,2*,杜麗東,2*
1. 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院,甘肅 蘭州 730000
2. 隴藥產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院,甘肅 蘭州 730000
3. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所,甘肅 蘭州 730050
潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis,UC)是一種由過度炎癥反應(yīng)引起的非特異性腸病,已被世界衛(wèi)生組織定義為難治性疾病。主要表現(xiàn)為從直腸開始出現(xiàn)潰爛并最終延伸至結(jié)腸近端,且伴有腹痛的血性腹瀉。近年來,UC 的發(fā)病率在全球范圍內(nèi)逐年遞增,在亞洲地區(qū)尤為明顯[1-2]。UC 患者的正常生活受到嚴(yán)重影響,更令人擔(dān)憂的是UC 病程長且易反復(fù)發(fā)作,患者腸道癌變的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于正常人[3-4]。目前,UC 發(fā)病機(jī)制尚未完全揭示,臨床治療藥物中5-氨基水楊酸類藥物(5-amino salicylic acid,5-ASA)應(yīng)用最廣、治療效果較好,但長期應(yīng)用存在一定的不良反應(yīng)。因此對新型治療藥物的需求與日俱增。
傳統(tǒng)中醫(yī)藥理論將UC 定義為濕熱蘊(yùn)腸、肝脾虛弱、外邪入體導(dǎo)致出血性腹瀉,中藥的多靶點(diǎn)、低毒性的特點(diǎn)為破解UC 反復(fù)發(fā)作的治療困境提供可能。烏梅丸是出自東漢張仲景《傷寒論》的經(jīng)典方劑,由烏梅、花椒、細(xì)辛、干姜、黃連等10 味藥物組成,有緩肝調(diào)中、清上溫下之效,用于治療蛔厥久痢,距今已有近2000 年的用藥歷史[5]?,F(xiàn)今,烏梅丸用于治療多種胃腸疾病[6]。課題組前期研究發(fā)現(xiàn)烏梅丸對UC 有一定治療作用,但其對結(jié)腸上皮細(xì)胞焦亡的影響尚不清楚。核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3,NLRP3)是NOD 樣受體家族(NOD-like receptors,NLRs)的重要成員,是先天免疫的核心之一?;罨腘LRP3 炎癥小體通過激活半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1(cysteinasparate protease-1,Caspase-1),促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、IL-1β 前體的活化,激活消皮素D(gasdermin D,GSDMD)觸發(fā)細(xì)胞焦亡[7]。研究發(fā)現(xiàn),NLRP3 在UC 患者及不同方式誘導(dǎo)的UC 動(dòng)物模型中均異常表達(dá)。王康等[8]通過體外研究發(fā)現(xiàn)葡聚糖硫酸鈉(dextran sulfate sodium salt,DSS)誘導(dǎo)24 h 后,人結(jié)直腸腺癌Caco-2 細(xì)胞和人正常結(jié)腸上皮NCM460 細(xì)胞的細(xì)胞膜完整性被破壞,細(xì)胞損傷明顯,細(xì)胞焦亡誘導(dǎo)蛋白GSDMD-N 的表達(dá)顯著升高,提示DSS 能夠誘導(dǎo)上皮細(xì)胞過量焦亡,破壞腸黏膜屏障誘發(fā)UC。本研究使用2% DSS 誘導(dǎo)建立UC 小鼠模型,ig 烏梅丸水煎液進(jìn)行干預(yù),通過藥效指標(biāo)和NLRP3/Caspase-1/GSDMD 通路相關(guān)蛋白檢測,研究烏梅丸上皮細(xì)胞焦亡的影響,為烏梅丸治療UC 的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。
SPF 級雄性C57BL/6J 小鼠,6~7 周齡,購自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州獸醫(yī)研究所實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心,許可證號SYXK(甘)2019-0002。動(dòng)物于室溫(25.0±0.5)℃、相對濕度(55±5)%、自然光照/黑暗循環(huán)的環(huán)境下飼養(yǎng)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(2022-009)并在其指南下進(jìn)行。
烏梅丸(烏梅30 g、當(dāng)歸6 g、桂枝6 g、人參6 g、干姜9 g、制附子6 g、花椒5 g、細(xì)辛3 g、黃連9 g、黃柏6 g)按照《方劑學(xué)》組方,中藥飲片均購自甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院,經(jīng)甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院楊錫倉主任中藥師分別鑒定為薔薇科植物梅Prunusmume(Sieb.) Sieb. et Zucc.的干燥近成熟果實(shí)、傘形科植物當(dāng)歸Angelicasinensis(Oliv.)Diels 的干燥根、樟科植物肉桂CinnamomumcassiaPresl 的干燥嫩枝、五加科植物人參PanaxginsengC.A. Mey.的干燥根和根莖、姜科植物姜ZingiberofficinaleRosc.的干燥根莖、毛茛科植物烏頭AconitumcarmichaeliiDebx.的子根的加工品、蕓香科植物花椒ZanthoxylumbungeanumMaxim.的干燥成熟果實(shí)、 馬兜鈴科植物北細(xì)辛Asarum heterotropoidesFr. Schmidt var.mandshuricum(Maxim.) Kitag.的干燥根和根莖、毛茛科植物黃連CoptischinensisFranch.的干燥根莖、蕓香科植物黃皮樹PhellodendronchinenseSchneid.的干燥樹皮。
美沙拉嗪(批號GC16607)購自美國GLP BIO公司;DSS(批號S2839,相對分子質(zhì)量36 000~50 000)購自美國MP 公司;Occludin-1 兔多克隆抗體(批號66378-1-ig)購自美國Proteintech 公司;NLRP3 抗體(批號13158S)、Caspase-1 抗體(批號89332S)、GSDMD-N 抗體(批號10137S)、β-actin抗體(批號4970S)均購自美國CST 公司;山羊抗兔IgG 二抗(批號BF03008)、山羊抗鼠IgG 二抗(批號BF03001)均購自北京博奧龍免疫技術(shù)有限公司;小鼠IL-18 ELISA 試劑盒(批號JL20253)、IL-1β ELISA 試劑盒(批號JL18442)、二胺氧化酶(diamine oxidase,DAO)、ELISA 試劑盒(批號JL11855)均購自上海江萊生物公司;TUNEL 染色試劑盒(批號11684795910)購自瑞士羅氏公司。
CX-23 型光學(xué)顯微鏡(日本Olympus 公司);ASP300S 型組織脫水機(jī)、RM2016 型石蠟切片機(jī)(德國Leica 公司);Bead Ruptor 12 型組織研磨機(jī)(美國Omni International 公司);5418R 型低溫離心機(jī)、BioPhotometer plu/D30 型核酸蛋白測定儀(德國Eppendorf 公司);Gen5 型多功能酶標(biāo)儀(美國Bio-Tek 公司);ProFlex 3×32 型熒光定量PCR 儀(購自美國Thermo Fisher Scientific 公司);Quant Studio 5 型qRT-PCR 儀(美國ABI 公司);PowerPac HC型電泳儀(美國Bio-Rad 公司);DYCZ-40S 型轉(zhuǎn)膜槽(北京六一生物技術(shù)有限公司)。
2.1.1 烏梅丸給藥溶液的制備 烏梅丸全方用10倍量水浸泡30 min(制附子先煎30 min,人參隔水蒸30 min)后煎煮,武火煮沸后轉(zhuǎn)文火煎煮45 min,趁熱濾過。剩余藥渣再加入8 倍量水重復(fù)煎煮45 min,合并2 次藥液。濃縮后得到含生藥量1.3 g/mL藥液。經(jīng)HPLC 檢測烏梅丸水煎液中鹽酸黃柏堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.18 mg/g、鹽酸黃連堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.72 mg/g、鹽酸小檗堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.84 mg/g,均符合《中國藥典》2020 年版一部中烏梅丸含量檢測標(biāo)準(zhǔn)。
2.1.2 美沙拉嗪給藥溶液的制備 稱取0.625 g 美沙拉嗪溶于25 mL 5%羧甲基纖維素鈉中,配制成25 mg/mL 的美沙拉嗪溶液。
2.1.3 2% DSS 溶液的制備 稱取2 g DSS 溶于水,并加水至100 mL 配制成2% DSS 溶液,于4 ℃冰箱保存待用。
小鼠適應(yīng)性飼養(yǎng)7 d 后,按照隨機(jī)數(shù)字表法將30 只小鼠分為對照組、模型組、美沙拉嗪(0.5 g/kg)組和烏梅丸低、高劑量(13.04、26.09 g/kg,分別相當(dāng)于臨床劑量的1、2 倍)組,每組6 只。對照組小鼠自由飲水,其余各組自由飲用2% DSS 溶液復(fù)制UC 小鼠模型,同時(shí)各給藥組ig 相應(yīng)藥物,1 次/d,連續(xù)7 d。末次給藥后,所有動(dòng)物禁食不禁水24 h,異氟烷吸入麻醉,摘眼球取血,脫頸椎處死小鼠,取完整結(jié)腸測量長度并拍照,同時(shí)取結(jié)腸后段2~3 cm 處剖開拍照,剩余結(jié)腸分段保存于4%多聚甲醛和?80 ℃冰箱待用。
每天稱定小鼠體質(zhì)量,觀察糞便和便血情況。參照Zhou 等[9]方法進(jìn)行DAI 評分。
取各組小鼠完整結(jié)腸,測量并記錄結(jié)腸長度。取2~3 cm 結(jié)腸段沿腸系膜縱向剖開,生理鹽水沖去結(jié)腸內(nèi)糞便,觀察結(jié)腸表面損傷情況。參考Cheng等[10]方法進(jìn)行CMDI 評分。
取4%多聚甲醛固定的結(jié)腸組織,脫水后石蠟包埋,切成5 μm 薄片,進(jìn)行蘇木素-伊紅(HE)染色。于光學(xué)顯微鏡下觀察組織形態(tài)并參照Almarzooqi 等[11]評分方法進(jìn)行組織病理學(xué)評分。
取“2.5”項(xiàng)下組織石蠟塊,按5 μm 連續(xù)切片,按TUNEL 染色試劑盒說明書染色后,于熒光顯微鏡下觀察并拍照。
取?80 ℃冰箱保存的結(jié)腸組織,用TRIZOL 提取組織中總RNA。按照試劑盒說明書合成cDNA,進(jìn)行qRT-PCR 分析。反應(yīng)程序:95 ℃預(yù)變性5 min,95 ℃變性10 s,60 ℃退火20 s,72 ℃延伸20 s,40 個(gè)循環(huán)。使用2???Ct計(jì)算目的基因相對表達(dá)量,引物序列見表1。
表1 引物序列Table 1 Primer sequences
取?80 ℃保存的結(jié)腸組織,加入800 μL 預(yù)冷的蛋白提取混合液(RIRP 緩沖液-蛋白酶抑制劑-磷酸酶抑制劑100∶1∶1)及研磨珠4~5 粒,組織研磨機(jī)研磨20 s,制備組織勻漿。4 ℃、12 000 r/min 離心5 min,取上清液。采用BCA 蛋白濃度測定試劑盒測定蛋白濃度后,加入PBS 及Loading Buffer 于100 ℃金屬浴中進(jìn)行蛋白變性10 min。蛋白樣品經(jīng)十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳,轉(zhuǎn)至PVDF膜,5%脫脂牛奶封閉后,加入一抗孵育過夜,隔天加入二抗孵育1 h,滴加ECL 發(fā)光液,暗室內(nèi)曝光,掃描顯影條帶,采用Image J 軟件分析目的蛋白的灰度值并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
取各組小鼠血液,4 ℃、3500 r/min 離心15 min,吸取上層血清,按照ELISA 試劑盒說明書檢測血清DAO 活性和IL-18、IL-1β 含量。
用GraphPad Prism 9軟件作圖,用Image J及Imagepro plus 6.0 軟件對HE 染色、TUNEL 染色、Western blotting 圖片進(jìn)行處理。用IBM SPSS 27 軟件通過獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性統(tǒng)計(jì),數(shù)據(jù)表示為±s。
與對照組比較,模型組小鼠造模第3 天起出現(xiàn)倦怠、扎堆、肛門附近毛發(fā)雜亂等變化,4~7 d 出現(xiàn)逐漸加重的便血現(xiàn)象,2 d 后體質(zhì)量下降逐漸加劇,并于第5 天起具有顯著性差異(P<0.05、0.01,圖1);同時(shí)DAI 評分升高,并于第3 天起具有顯著性差異(P<0.01)。與模型組比較,美沙拉嗪和烏梅丸能顯著減輕小鼠體質(zhì)量下降(P<0.05、0.01),延緩DSS 導(dǎo)致的小鼠便血,減輕便血癥狀,顯著降低小鼠DAI 評分(P<0.05、0.01)。
圖1 烏梅丸對UC 小鼠體質(zhì)量和DAI 評分的影響 (±s, n = 6)Fig. 1 Effect of Wumei Wan on body weight and DAI score of UC mice (±s, n = 6)
如圖2 所示,與對照組比較,模型組小鼠結(jié)腸長度顯著縮短(P<0.01),CMDI 評分顯著升高(P<0.01);與模型組比較,美沙拉嗪組和烏梅丸高劑量組小鼠結(jié)腸長度顯著增加(P<0.01),各給藥組CMDI 評分顯著降低(P<0.05、0.01)。
圖2 烏梅丸對UC 小鼠結(jié)腸長度和CMDI 評分的影響 (±s, n = 6)Fig. 2 Effect of Wumei Wan on colonic length and CMDI scores of UC mice (±s, n = 6)
如圖3 所示,對照組小鼠結(jié)腸中未見明顯炎癥細(xì)胞浸潤,絨毛和隱窩結(jié)構(gòu)良好,上皮細(xì)胞層完整,黏膜下層未見明顯水腫。與對照組比較,模型組小鼠結(jié)腸黏膜下層出現(xiàn)明顯的炎癥細(xì)胞浸潤,黏膜下層間隙增大,隱窩結(jié)構(gòu)損傷,腸上皮細(xì)胞損傷,病理組織學(xué)評分顯著升高(P<0.01)。與模型組比較,烏梅丸高劑量組炎癥細(xì)胞浸潤面積降低,黏膜下層水腫緩解,絨毛和隱窩結(jié)構(gòu)完整,上皮細(xì)胞層損傷修復(fù),病理組織學(xué)評分顯著降低(P<0.01),作用優(yōu)于低劑量組。
圖3 烏梅丸對UC 小鼠結(jié)腸組織病理變化的影響 (±s, n = 3)Fig. 3 Effect of Wumei Wan on pathological changes of colon tissue in UC mice (±s, n = 3)
如圖4 所示,與對照組比較,模型組小鼠外周血DAO 活性顯著升高(P<0.01),結(jié)腸組織Occludin-1 蛋白和mRNA 表達(dá)水平顯著降低(P<0.01);與模型組比較,各給藥組小鼠外周血DAO活性均顯著下降(P<0.01),結(jié)腸組織Occludin-1mRNA 表達(dá)水平均顯著升高(P<0.01),美沙拉嗪組和烏梅丸高劑量組結(jié)腸組織Occludin-1 蛋白表達(dá)水平顯著升高(P<0.05、0.01),提示烏梅丸能修復(fù)腸黏膜屏障,降低腸黏膜通透性。
圖4 烏梅丸對UC 小鼠外周血DAO 活性 (A)、結(jié)腸組織Occludin-1 mRNA (B) 和蛋白 (C) 表達(dá)的影響 (±s, n = 3)Fig. 4 Effect of Wumei Wan on DAO activity (A) in peripheral blood, Occludin-1 mRNA (B) and protein (C) expressions in colon tissue of UC mice (±s, n = 3)
如圖5 所示,與對照組比較,模型組小鼠結(jié)腸組織中受損死亡的細(xì)胞數(shù)量增加,死亡細(xì)胞比例顯著升高(P<0.01);與模型組比較,各給藥組結(jié)腸組織中細(xì)胞死亡數(shù)量減少,死亡細(xì)胞比例顯著降低(P<0.05、0.01),且烏梅丸高劑量組作用優(yōu)于低劑量組。
圖5 烏梅丸對UC 小鼠腸上皮細(xì)胞的保護(hù)作用 (±s, n = 3)Fig. 5 Protective effect of Wumei Wan on intestinal epithelial cells in UC mice (±s, n = 3)
如圖6 所示,與對照組比較,模型組小鼠外周血IL-18、IL-1β 含量顯著升高(P<0.01),結(jié)腸組織IL-18、IL-1βmRNA 表達(dá)水平均顯著升高(P<0.01);與模型組比較,各給藥組外周血IL-18、IL-1β 含量和結(jié)腸組織IL-18、IL-1βmRNA 表達(dá)水平均顯著降低(P<0.05、0.01)。
圖6 烏梅丸對UC 小鼠外周血IL-1β、IL-18 含量 (A) 和結(jié)腸組織IL-1β、IL-18 mRNA 表達(dá) (B) 的影響 (±s, n = 3)Fig. 6 Effect of Wumei Wan on IL-1β, IL-18 levels in peripheral blood (A) and IL-1β, IL-18 mRNA expressions in colon tissue(B) of UC mice (±s, n = 3)
如圖7 所示,與對照組比較,模型組小鼠結(jié)腸組織NLRP3、Caspase-1、GSDMD的mRNA 和蛋白表達(dá)水平均顯著升高(P<0.01);與模型組比較,各給藥組小鼠結(jié)腸組織NLRP3、Caspase-1、GSDMDmRNA 表達(dá)水平顯著下降(P<0.01),Caspase-1 蛋白表達(dá)水平顯著降低(P<0.01),美沙拉嗪組和烏梅丸高劑量組NLRP3 和GSDMD-N 蛋白表達(dá)水平均顯著降低(P<0.01),提示烏梅丸能夠抑制DSS誘導(dǎo)NLRP3/Caspase-1/GSDMD 通路的過度活化進(jìn)而抑制細(xì)胞焦亡的發(fā)生。
圖7 烏梅丸對UC 小鼠結(jié)腸組織NLRP3/Caspase-1/GSDMD 焦亡通路的影響 (, n = 3)Fig. 7 Effect of Wumei Wan on NLRP3/Caspase-1/GSDMD pyroptosis pathway in colon tissue of UC mice (±s, n = 3)
UC 發(fā)病率的全球性升高帶來的醫(yī)療壓力已經(jīng)引起廣泛關(guān)注,尚未明確的復(fù)雜發(fā)病機(jī)制為UC 的治療帶來了重大阻礙。美沙拉嗪作為臨床最常用治療藥物,使用頻率逐年增加,同時(shí)暴露出一定的使用限制[12-13]。傳統(tǒng)中草藥成為UC 治療的新選擇,其中烏梅丸等中藥方劑在治療UC 上被寄予厚望[14-15]。烏梅丸出自張仲景所著的《傷寒論》,有溫上清下、安蛔止痛之效[16],對治療腸道疾病,尤其對炎癥性腸病有顯著療效[17]。核因子-κB、Notch 等通路已被研究證實(shí)是烏梅丸治療UC 的作用靶點(diǎn),充分展現(xiàn)了中藥多靶點(diǎn)治療的優(yōu)勢[18-19]。本研究在已有研究的基礎(chǔ)上,構(gòu)建UC 小鼠模型并ig 烏梅丸水煎液,發(fā)現(xiàn)烏梅丸能緩解DSS 誘導(dǎo)的小鼠體質(zhì)量下降、便血、結(jié)腸縮短等癥狀,修復(fù)腸道黏膜屏障的病理損傷,對UC 有治療作用。
腸黏膜屏障具有維護(hù)腸道穩(wěn)態(tài),控制腸內(nèi)外物質(zhì)交換的功能。腸上皮細(xì)胞和細(xì)胞間連接構(gòu)成的完整結(jié)構(gòu)是維持屏障功能的重要保證[20]。黏膜通透性的增加是UC 發(fā)病的關(guān)鍵機(jī)制之一,促進(jìn)腸道修復(fù)、恢復(fù)腸黏膜通透性被認(rèn)為是UC 治愈中的關(guān)鍵[21-22]。本研究發(fā)現(xiàn)烏梅丸組小鼠血清DAO 活性顯著減少,結(jié)腸組織中Occludin-1 蛋白和mRNA 表達(dá)水平顯著回升,提示烏梅丸通過促進(jìn)緊密連接表達(dá),促進(jìn)腸黏膜屏障修復(fù)。HE 和TUNEL 染色發(fā)現(xiàn),模型組小鼠腸道中腫脹破裂的上皮細(xì)胞比例增加,死亡的細(xì)胞出現(xiàn)脫離現(xiàn)象,而烏梅丸能減少結(jié)腸上皮細(xì)胞死亡,維持上皮屏障結(jié)構(gòu)完整性,這一發(fā)現(xiàn)證明了上皮細(xì)胞在腸黏膜屏障的重要作用,為UC 的相關(guān)研究提供了新的切入點(diǎn)。
上皮細(xì)胞的增殖分化、衰老以及損傷細(xì)胞的脫落共同維持腸道上皮屏障的穩(wěn)定,保證腸道功能的同時(shí)維持腸道細(xì)胞活力[23]。Yan 等[24-25]研究發(fā)現(xiàn),烏梅丸能夠通過調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化、維持上皮細(xì)胞增殖和凋亡間的平衡等機(jī)制緩解UC。細(xì)胞焦亡是一種較為獨(dú)特的細(xì)胞程序性死亡的方式,表現(xiàn)為細(xì)胞不斷脹大直至細(xì)胞膜破裂,并伴隨細(xì)胞內(nèi)炎癥因子的釋放,能夠進(jìn)一步加劇炎癥反應(yīng)。上皮細(xì)胞過度焦亡造成上皮細(xì)胞層損傷,同時(shí)加劇腸道內(nèi)的炎癥反應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致UC 的加劇[26]。本研究通過檢測血清和組織中參與細(xì)胞焦亡的炎癥因子IL-1β、IL-18 的表達(dá),以及結(jié)腸中關(guān)鍵因子NLRP3、Caspase-1、GSDMD 蛋白和mRNA 表達(dá),減少上皮細(xì)胞焦亡比例。
本研究結(jié)果表明,烏梅丸能夠減輕由DSS 誘導(dǎo)的小鼠腸道黏膜病理損傷、逆轉(zhuǎn)便血及體質(zhì)量降低等病理現(xiàn)象,其作用機(jī)制可能是通過抑制NLRP3/Caspase-1/GSDMD 信號通路發(fā)揮修復(fù)腸道上皮屏障、緩解腸道炎癥損傷的作用。本研究結(jié)果為烏梅丸作為UC 的臨床有效治療藥物提供理論基礎(chǔ)。
利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突