周慶彪,劉 穎,孔德欽,張佳欣,于衛(wèi)華,柏 樺* , 海春旭*
(空軍軍醫(yī)大學(xué)預(yù)防醫(yī)學(xué)院毒理學(xué)教研室,陜西省自由基生物學(xué)與醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西 安 710032)
鎘(cadmium,Cd)作為重金屬毒性元素,進(jìn)入機(jī)體主要蓄積在腎臟,引起腎臟氧化應(yīng)激損傷[1],破壞細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài),從而誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、自噬、凋亡和壞死[2-4],最終發(fā)展為腎功能障礙甚至是腎衰竭。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[5-7]試圖找到能有效拮抗鎘腎毒性的藥物和干預(yù)措施,但效果一直不理想,如何有效預(yù)防和解決鎘暴露導(dǎo)致的腎損傷仍是十分棘手的科學(xué)難題。維持細(xì)胞氧化還原(redox)穩(wěn)態(tài)是生命活動(dòng)中最基本的反應(yīng)體系,許多因素影響該平衡體系。因此,為了探究硒在鎘暴露導(dǎo)致的腎臟組織損傷中是否發(fā)揮保護(hù)作用及其可能機(jī)制,本研究以氯化鎘誘導(dǎo)大鼠腎臟慢性損傷,并給予人體必需微量元素硒干預(yù),通過觀察腎臟結(jié)構(gòu)改變,測(cè)定腎功能、氧化應(yīng)激和分子生物學(xué)等指標(biāo),評(píng)估硒是否發(fā)揮保護(hù)作用。同時(shí),對(duì)SETD6、DJ-1和Nrf2等氧化和抗氧化系統(tǒng)調(diào)控分子進(jìn)行了檢測(cè),探討了硒拮抗鎘腎毒性的可能機(jī)制。
氯化鎘(CdCl2·2.5H2O),分析純,購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(批號(hào)F20100208);亞硒酸鈉(Na2S eO3· 5H2O),分析純,購(gòu)自美國(guó)Sigma公司(批號(hào)S5261);DHE和Hoechst 33528熒光探針購(gòu)自美國(guó)Sigma公司;尿素氮(urea nitrogen,UN)、肌酐(creatinine,CREA)苦味酸法測(cè)定試劑盒購(gòu)于北京利德曼生化股份有限公司;丙二醛(malondialdehyde,MDA)(TBA法)、總超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)(羥胺法)及 N-乙 酰 -β-D-葡 萄 糖 苷 酶 (N-acetyl-beta-dglucosidase,NAG)檢測(cè)試劑盒購(gòu)于南京建成生物技術(shù)研究所;鼠抗β-actin抗體(1∶5 000稀釋)購(gòu)自Sigma公司;鼠抗Nrf2抗體(1∶500稀釋)購(gòu)自Novus公司;兔抗SETD6和DJ-1抗體(均1∶500稀釋)購(gòu)自Bioworld公司。主要儀器有:日立7020全自動(dòng)生化檢測(cè)儀(日立公司,日本);全波段酶標(biāo)儀(Infinite M200 PRO,Austria);正置熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡為Olympus公司產(chǎn)品;高通量組織研磨器(Scientz-48,寧波新芝生物科技股份有限公司);Mini-Protein電泳系統(tǒng)、蛋白半干轉(zhuǎn)裝置及凝膠成像系統(tǒng)均為Bio-Rad公司產(chǎn)品。
1.2.1 動(dòng)物與飼養(yǎng) 48只SPF級(jí)雄性SD大鼠,體質(zhì)量100~150 g,由空軍軍醫(yī)大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。飼養(yǎng)于SPF級(jí)動(dòng)物房,食物與飲水自由攝取,相對(duì)濕度50%±10%,溫度(24±2) ℃,12 h/12 h交替照明和避光,每日觀察動(dòng)物情況。
1.2.2 實(shí)驗(yàn)分組與處理 將48只SD大鼠根據(jù)體質(zhì)量隨機(jī)分為空白對(duì)照組、鎘暴露組、硒對(duì)照組、硒干預(yù)組,每組12只??瞻讓?duì)照組每天按10 mL/kg灌胃去離子水,鎘暴露組按3 mg/kg灌胃CdCl2,硒對(duì)照組按0.01 mg/kg灌胃Na2S eO3, 硒干預(yù)組按3 mg/kg灌胃CdCl2同時(shí)按0.01 mg/kg灌胃Na2S eO3,每天1次,每周連續(xù)灌胃 6 d,共計(jì)12周。造模成功后,禁食12 h,處死動(dòng)物取血、尿和腎臟組織,進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。
1.2.3 生化指標(biāo)檢測(cè) 未經(jīng)抗凝的全血經(jīng)3 500 r/min離心10 min后,取上部血清,用日立7020全自動(dòng)生化儀測(cè)定血清中尿素氮和肌酐含量。各組大鼠置于代謝籠中,自由飲水,禁食,收集夜間12 h(晚20時(shí)至次日早8時(shí))尿液,2 000 r/min離心10 min后,取上清液,用日立7020全自動(dòng)生化儀測(cè)定尿液中尿素氮、肌酐和NAG,用BCA蛋白定量法測(cè)定尿液中總蛋白含量。
1.2.4 腎臟HE染色 腎組織用4%多聚甲醛固定,常規(guī)脫水、包埋、切片、脫蠟、HE染色、脫水、封片后于正置熒光顯微鏡下觀察腎小球和腎小管病理改變。
1.2.5 腎皮質(zhì)ROS水平檢測(cè) 采用DHE熒光探針檢測(cè)腎皮質(zhì)ROS水平,具體步驟如下:制備厚度為10 μm的腎組織冰凍切片,置于濕盒中,將10 μmol/L 的DHE和Hoechst 33528均按1∶1 000的比例用1×PBS稀釋,并將兩種染料混勻,向每張切片上的腎組織滴加混合液150 μL,37 ℃避光孵育15 min,1×PBS洗3次,每次2 min,封片劑封片,于激光共聚焦顯微鏡下觀察結(jié)果并拍照。
1.2.6 腎組織MDA、總SOD及NAG水平的測(cè)定用眼科剪將50 mg腎皮質(zhì)部分剪碎,置于1.5 mL EP管中,加入450 μL預(yù)冷的生理鹽水,低溫機(jī)器勻漿(30 Hz頻率,運(yùn)行10 s,停止30 s,重復(fù)5次),制備成10%腎組織勻漿。勻漿液于4 ℃、3 000 r/min離心15 min,取上清,留取30 μL用作BCA蛋白定量,余分裝保存于-80 ℃,用于MDA、總SOD及NAG水平的測(cè)定。
1.2.7 腎組織SETD6、DJ-1和Nrf2蛋白表達(dá)的測(cè)定稱取100 mg腎皮質(zhì)部分剪碎,置于2 mL EP管中,加入1 mL裂解緩沖液(1 mL RIPA裂解液+20 μL 礬酸鈉+5 μL Cocktail),低溫機(jī)器勻漿(50 Hz頻率,運(yùn)行10 s,停止30 s,重復(fù)5次),冰上裂解30 min,勻漿液于4 ℃、12 000 r/min離心15 min,取上清,留取30 μL用作BCA蛋白定量,余下部分加入等體積2×Loading Buffer和35 μ L 二 硫蘇糖醇(dithiothreitol,DTT),100 ℃ 煮沸5 min,置于冰中使其降到室溫后,12 000 r/min離心5 min,分裝保存于-80 ℃ ,用于Western b lotting測(cè)定。
采用GraphPad Prism 5.01軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,數(shù)據(jù)
實(shí)驗(yàn)大鼠體質(zhì)量的變化如圖1A所示,可見隨動(dòng)物飼養(yǎng)與染毒時(shí)間增加,各組大鼠體質(zhì)量均逐漸增加,與對(duì)照組比較,鎘暴露組、硒對(duì)照組和硒干預(yù)組的大鼠體質(zhì)量均略有升高,但各組大鼠腎臟的臟器系數(shù)無明顯差異(圖1B)。
圖1 大鼠體質(zhì)量和腎臟的臟器系數(shù)(n=12)
血清中尿素氮和肌酐水平是臨床上常用的判斷腎功能的指標(biāo)。如圖2A和2B所示,鎘染毒12周后,與對(duì)照組相比,鎘暴露組大鼠血清尿素氮水平顯著升高(P<0.05);硒干預(yù)組大鼠與鎘暴露組比較,血清中尿素氮和肌酐水平顯著降低(P<0.05)。尿液中尿素氮與肌酐比值和總蛋白含量均能夠反映腎損傷程度,如圖2C和2D所示,與對(duì)照組相比,鎘暴露組大鼠尿液中尿素氮與肌酐比值和總蛋白含量均顯著升高(P<0.05);而硒對(duì)照組和硒干預(yù)組大鼠與鎘暴露組比較,尿素氮與肌酐比值和總蛋白含量均顯著降低,差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
He染色見圖3??梢妼?duì)照組大鼠腎臟組織結(jié)構(gòu)完整,腎小球形狀規(guī)則,毛細(xì)血管網(wǎng)輪廓清晰。腎小管輪廓清楚,游離面刷狀緣清晰,上皮細(xì)胞排列整齊,管腔干凈。鎘暴露組大鼠腎臟病理?yè)p傷較對(duì)照組加重,可見腎小球腫脹,細(xì)胞數(shù)目增多,毛細(xì)血管網(wǎng)出現(xiàn)裂隙;腎小管廣泛性病變,排列紊亂、腫脹、管腔狹窄幾乎不見,上皮細(xì)胞壞死、結(jié)構(gòu)消失,脫落細(xì)胞堆積于管腔,伊紅染色陽(yáng)性;腎間質(zhì)充血嚴(yán)重,炎性細(xì)胞浸潤(rùn)程度明顯增加。硒對(duì)照組大鼠與對(duì)照組相比,腎臟組織未見明顯改變。而硒干預(yù)組腎臟病理?yè)p傷較鎘暴露組減輕,腎小球腫脹程度減小,細(xì)胞數(shù)目減少,毛細(xì)血管網(wǎng)裂隙減少;腎小管雖有病變,但排列紊亂、腫脹、管腔狹窄程度均減輕,壞死、脫落的上皮細(xì)胞也減少;腎間質(zhì)充血、炎細(xì)胞浸潤(rùn)程度明顯減少。
圖2 大鼠腎功能變化(n=12)
圖3 腎臟病理變化(×400)
DHE染色結(jié)果如圖4A所示,與對(duì)照組相比,鎘暴露組腎組織紅色熒光強(qiáng)度顯著升高,硒對(duì)照組紅色熒光強(qiáng)度略高;而硒干預(yù)組紅色熒光強(qiáng)度比鎘暴露組顯著降低。使用Image-Pro Plus 6.0 軟件進(jìn)行灰度分析,結(jié)果如圖4B所示:與對(duì)照組相比,鎘暴露組ROS水平顯著上升(P<0.05);而硒對(duì)照組和硒干預(yù)組與鎘暴露組相比ROS水平均明顯下降(P<0.05)。
如圖5A和C所示,與對(duì)照組相比,鎘暴露組MDA和NAG水平顯著升高(P<0.05),硒對(duì)照組無明顯變化;而硒干預(yù)組與鎘暴露組相比,MDA水平明顯降低(P<0.05)。圖5B中所示,與對(duì)照相比,鎘暴露組總SOD活性較對(duì)照組顯著降低(P<0.05),硒對(duì)照組無明顯變化;而硒干預(yù)組與鎘暴露組相比總SOD活性升高(P<0.05)。
如圖6所示,鎘暴露組與對(duì)照組相比,DJ-1和Nrf2蛋白表達(dá)水平均顯著降低(P<0.05);硒對(duì)照組與對(duì)照組相比,SETD6和DJ-1蛋白表達(dá)水平均較低(P<0.05);而與鎘暴露組相比,硒對(duì)照組和硒干預(yù)組SETD6蛋白表達(dá)水平均顯著降低(P<0.05),硒對(duì)照組DJ-1蛋白表達(dá)水平顯著降低(P<0.05),而硒干預(yù)組DJ-1蛋白表達(dá)水平顯著升高(P<0.05),硒干預(yù)組Nrf2蛋白表達(dá)水平顯著升高(P<0.05)。
圖5 腎組織損傷監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化(n=6)
盡管鎘進(jìn)入機(jī)體后,能夠通過氧化應(yīng)激、自噬、凋亡、壞死等多種途徑引起急性或慢性損傷,但越來越多的研究[8-10]認(rèn)為其毒性作用主要是破壞細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài),誘導(dǎo)氧化損傷,具體機(jī)制尚不清楚。研究表明,游離的鎘離子一方面具有高度的巰基親和性,主要通過攻擊細(xì)胞內(nèi)的巰基,導(dǎo)致局部氧化還原失衡,引起氧化應(yīng)激[11];另一方面鎘離子能夠替代各種蛋白質(zhì)中的氧化還原活性元素[12],通過Fenton反應(yīng)直接促進(jìn)羥基自由基(·OH)的產(chǎn)生,加劇機(jī)體的氧化損傷[13]。但是,尚缺乏有效的藥物和手段來應(yīng)對(duì)鎘毒性。因此,本研究通過CdCl2連續(xù)給予大鼠灌胃12周,建立慢性鎘暴露動(dòng)物模型,并給予硒干預(yù),探討硒對(duì)鎘暴露致腎功能損傷的保護(hù)作用及其機(jī)制。
正常情況下,腎小球和腎小管發(fā)揮濾過和重吸收作用。鎘暴露后大鼠血液和尿液中尿素氮、肌酐及總蛋白含量升高,腎組織NAG活性升高,均提示腎小球和腎小管功能障礙。而腎臟組織病理結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了腎小球和腎小管的結(jié)構(gòu)損傷。腎臟組織冰凍切片DHE染色結(jié)果(圖4A)提示,鎘暴露后ROS水平顯著升高,且MDA水平顯著升高(圖6A)與總SOD活性被抑制(圖6B)提示腎臟組織遭受氧化應(yīng)激,自身清除ROS的能力受到影響,不能及時(shí)清除過量的ROS,使機(jī)體對(duì)鎘更為敏感[14],如此惡性循環(huán),最終導(dǎo)致腎臟組織脂質(zhì)過氧化損傷程度加重。而給予硒干預(yù)(0.01 mg/kg)后,腎臟損傷指標(biāo)如尿素氮、肌酐、尿液總蛋白、早期腎臟損傷標(biāo)志物NAG[15]及脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物MDA等均得到了一定程度的改善,且硒干預(yù)組大鼠腎臟組織病理改變較鎘暴露組明顯減輕,表明硒對(duì)鎘暴露致腎功能損傷具有保護(hù)作用。為了研究硒發(fā)揮保護(hù)作用的具體機(jī)制,本研究通過Western blotting實(shí)驗(yàn)對(duì)相關(guān)蛋白在各組中的表達(dá)進(jìn)行了檢測(cè),以期發(fā)現(xiàn)其中的差異。
圖6 腎組織蛋白表達(dá)水平(n=3)
Nrf2作為調(diào)控抗氧化系統(tǒng)的重要轉(zhuǎn)錄因子,被國(guó)內(nèi)外許多研究[6,16-17]認(rèn)為在維持機(jī)體氧化還原穩(wěn)態(tài)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。本研究發(fā)現(xiàn),鎘暴露能顯著抑制腎組織中Nrf2蛋白表達(dá),減弱機(jī)體抗氧化系統(tǒng)功能;而硒干預(yù)后,減弱了鎘對(duì)Nrf2的抑制作用,Nrf2蛋白表達(dá)量顯著升高,機(jī)體抗氧化系統(tǒng)功能得到恢復(fù),氧化應(yīng)激損傷減輕。但是,我們前期的研究[18]發(fā)現(xiàn)單一使用或聯(lián)合使用抗氧化劑,仍不能有效應(yīng)對(duì)氧化應(yīng)激和自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng),這提示想要有效解決鎘毒性,僅僅考慮抗氧化系統(tǒng)可能是不夠的。因此本研究對(duì)氧化應(yīng)激傳感器DJ-1進(jìn)行了檢測(cè)。DJ-1是DJ-1/PARK7基因的產(chǎn)物,廣泛地表達(dá)并參與多種細(xì)胞過程的調(diào)控,能夠調(diào)節(jié)NF-κB[19]、 Nrf2[20]等轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)和活性。DJ-1可以減弱Keap1對(duì)Nrf2的封閉作用,抑制Nrf2的泛素化,進(jìn)而促進(jìn)Nrf2穩(wěn)定發(fā)揮抗氧化作用[20]。鎘暴露后DJ-1蛋白表達(dá)被顯著抑制,硒干預(yù)后DJ-1蛋白表達(dá)量升高。這些變化提示硒可能通過增強(qiáng)DJ-1的表達(dá)進(jìn)而增強(qiáng)了其正向調(diào)控Nrf2的作用。硒對(duì)照組與對(duì)照組比較,DJ-1表達(dá)量低,提示DJ-1可能在氧化應(yīng)激條件下才能發(fā)揮其作用,硒可能通過某未知途徑抑制了DJ-1的 表 達(dá) 量 。 而Chen等[21-24]在HEL-K562細(xì) 胞 、HEK-293T細(xì)胞和MDA-MB-231細(xì)胞等腫瘤細(xì)胞中發(fā)現(xiàn),在細(xì)胞增殖和炎癥進(jìn)程中發(fā)揮重要作用的蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶SETD6(SET domain containing protein 6,SETD6),在正常生理?xiàng)l件下與DJ-1以物理形式結(jié)合在染色質(zhì)上,抑制其功能,從而負(fù)調(diào)控抗氧化關(guān)鍵分子Nrf2的作用,可能是氧化還原平衡失調(diào)的關(guān)鍵因子。因此,我們又檢測(cè)了SETD6的變化。圖6B中,硒對(duì)照組與對(duì)照組和鎘暴露組相比,SETD6蛋白表達(dá)量較低,表明硒抑制了SETD6表達(dá);而硒干預(yù)組與鎘暴露組相比,SETD6蛋白表達(dá)水平顯著降低(P<0.05),DJ-1和Nrf2蛋白表達(dá)水平均顯著升高,表明硒干預(yù)通過抑制SETD6表達(dá)促進(jìn)了DJ-1和Nrf2的表達(dá),但具體機(jī)制,仍有待繼續(xù)研究挖掘。
綜上所述,硒能有效拮抗慢性鎘暴露導(dǎo)致的大鼠腎臟毒性,其作用機(jī)制可能是氧化應(yīng)激條件下,硒通過抑制SETD6,促進(jìn)DJ-1表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)抗氧化轉(zhuǎn)錄因子Nrf2表達(dá),增強(qiáng)機(jī)體抗氧化能力,減輕鎘暴露誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷。這一發(fā)現(xiàn)為尋找有效防治鎘中毒的藥物和干預(yù)措施及其相關(guān)機(jī)制提供了新的研究思路,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
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