吳昆鵬,陳瑩,游曉星,黃治家,言彩紅
(1.南華大學(xué)附屬第二醫(yī)院 重癥醫(yī)學(xué)科,湖南 衡陽(yáng)421001;2.南華大學(xué)附屬第二醫(yī)院麻醉科,湖南 衡陽(yáng)421001;3.南華大學(xué) 微生物研究所,湖南 衡陽(yáng) 421001)
腸功能損傷是膿毒血癥的一個(gè)關(guān)鍵特征。目前研究表明,小腸在膿毒血癥的病理生理過(guò)程中起中心作用,并且稱(chēng)為全身性炎癥反應(yīng)的始動(dòng)因素[1]。重癥患者常見(jiàn)腸道屏障功能紊亂及其引起的細(xì)菌易位,其在膿毒血癥的發(fā)病機(jī)制中起重要作用[2-3]。此外,研究表明,危重疾病進(jìn)展為多器官功能障礙綜合征與腸道通透性增加有關(guān)[4]。如何預(yù)防或改善炎癥性腸道屏障功能障礙是膿毒血癥基礎(chǔ)和臨床研究的重要方向。燕麥β-葡聚糖(oat β-glucan, Oglu)對(duì)腸道功能的保護(hù)作用已得到廣泛認(rèn)可,本研究將其引入膿毒血癥動(dòng)物模型,觀察Oglu是否可以減輕膿毒血癥大鼠的小腸損傷,并探索其潛在的作用機(jī)制
50只SD雄性大鼠,8周齡,體重250~300 g,實(shí)驗(yàn)前禁食24 h,飲水不限。由南華大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物部提供[許可證號(hào):SYXK(湘)2015~0001]。按隨機(jī)數(shù)字表法分為對(duì)照組(10只),膿毒血癥組(20只),Oglu組(20只)。實(shí)驗(yàn)前均適應(yīng)性喂養(yǎng)3 d。膿毒血癥組和Oglu組以改良盲腸結(jié)扎穿孔法(cecal ligation and puncture, CLP)復(fù)制膿毒血癥模型[5]。
Oglu(南通振華生物工程有限公司),細(xì)胞總蛋白提取試劑盒(美國(guó)Thermo Scientific公司),β-連環(huán)蛋白(β-catenin)多克隆抗體(ab6302)、基質(zhì)金屬蛋白酶-13(matrix metalloproteinase-13, MMP-13)多克隆抗體(ab39012)、T細(xì)胞因子(T cell factor-4, TCF-4)多克隆抗體(ab130014)、低氧誘導(dǎo)因子 -1(hypoxia-inducible factor-1, HIF-1α)單克隆抗體(ab463)購(gòu)自美國(guó)Abcam公司,RevertAidTMFirst strand cDNA Synthesis Kit(立陶宛Fermentas公司),Trizol(美國(guó) Invitrogen公司),SYBGreen PCR Mix(瑞士Roche Applied Science公司),酶聯(lián)免疫吸附法(enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)試劑盒(上海Dakewe Biotech公司)。
對(duì)照組未做任何處理,膿毒血癥組和Oglu組復(fù)制膿毒血癥模型。將大鼠用40 mg/kg水合氯醛麻醉,在腹壁切開(kāi)2 cm腹中線(xiàn)切口以暴露盲腸,用18號(hào)針刺穿2次。通過(guò)穿刺傷口擠出少量的盲腸內(nèi)容物后,封閉手術(shù)切口。給予0.9%無(wú)菌鹽水溶液,按24 ml/kg體重進(jìn)行液體復(fù)蘇。參照文獻(xiàn)[6],Oglu組采用中劑量高分子量Oglu(3%,1 000 mg/kg)。Oglu組大鼠經(jīng)口灌胃Oglu溶液,膿毒血癥組和對(duì)照組大鼠喂養(yǎng)等量糖鹽水。
在Oglu或糖鹽水灌胃后12和24 h收集全血。按照ELISA試劑盒說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作,測(cè)量血清白細(xì)胞介素 -6(Interleukin-6, IL-6)、腫瘤壞死因子 -α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)和降鈣素原(Procalcitonin,PCT)的濃度。
分別于實(shí)驗(yàn)12和24 h各處死大鼠5只,手術(shù)切除空腸組織標(biāo)本,固定、石蠟包埋,用蘇木精-伊紅染色法(hematoxylin-eosin staining, HE)染色。在光學(xué)顯微鏡下觀察切片,空洞黏膜損傷的病理評(píng)分參照文獻(xiàn)[7]。盲法測(cè)定:0級(jí),正常黏膜和絨毛;1級(jí),上皮間隙增大,血管堵塞;2級(jí),上皮間隙明顯擴(kuò)大,上皮和固有層分離;3級(jí),黏膜上皮和部分絨毛尖端剝落;4級(jí),絨毛脫落,固有層和擴(kuò)張血管暴露;5級(jí),固有層顯示分解,出血和潰瘍。
采用Trizol提取小腸黏膜組織RNA,紫外分光光度計(jì)檢測(cè)RNA完整性及純度,以1μg總RNA為模板進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄,生成cDNA,具體步驟參照Fermentas RNA逆轉(zhuǎn)錄試劑盒說(shuō)明書(shū)。獲得的RNA置于-70℃冰箱備用。同時(shí)采用RIPA裂解液提取小腸組織總蛋白。用PCR、Western blot檢測(cè)各組小腸組織中HIF-1α、β-catenin、TCF-4、MMP-13表達(dá)的變化。HIF-1α引物序列:5′-CTGGATGCTGGTGATTTAG AGTTCAAACTGAGTCAATCCCA-3′;β-catenin引物序列:5′-ATGGGTAGGGCAAATCAGTAAGAGGTA AGCATCGTATCACAGCAGGTTAC-3′;TCF-4引物序列:5′ -CGAGTGCACGTTGAAAGAAAATGTGAAGCT GTCGCTCCTT-3′;MMP-13引物序列:5′-GCCTTC CTCTTCTTGAGCTGTTGGACCACTTGAGAGTTCG-3′;β-actin引物序列:5′-GATATCGCCGCGCTCGTCG TCGGCTGGGGTGTTGAAGGTCTC-3′。取蛋白樣品與上樣緩沖液混合煮沸變性,電泳分離,轉(zhuǎn)至聚偏氟乙烯膜,室溫下加入脫脂奶粉封閉,分別加入HIF-1α單克隆抗體、β-catenin多克隆抗體、TCF4多克隆抗體、MMP-13多克隆抗體,室溫下孵育過(guò)夜,在ECL化學(xué)發(fā)光檢測(cè)系統(tǒng)上顯影。所有實(shí)驗(yàn)程序經(jīng)南華大學(xué)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。
數(shù)據(jù)分析采用SSPS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件,計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,比較用單因素方差分析,兩兩比較用LSD-t檢驗(yàn),P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
不同時(shí)間的病理學(xué)檢查結(jié)果顯示,對(duì)照組均無(wú)腸黏膜損傷(見(jiàn)圖1A、B)。然而,膿毒血癥組上皮細(xì)胞間隙增大,絨毛上皮細(xì)胞和隱窩細(xì)胞數(shù)量減少,絨毛上皮排列紊亂,部分絨毛尖端溢出(見(jiàn)圖1C、D)。相比之下,Oglu組上皮細(xì)胞間隙僅在少數(shù)區(qū)域擴(kuò)大,隱窩上皮細(xì)胞豐富(見(jiàn)圖1E、F)。
圖1 各組大鼠不同時(shí)間的空腸組織病理學(xué)變化 (HE×100)
對(duì)照組12h與24 h的血清PCT、IL-6及TNF-α水平比較,經(jīng)t檢驗(yàn),差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。對(duì)照組、膿毒血癥組、Oglu組12和24 h血清PCT水平比較,經(jīng)單因素方差分析,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=143.967和 101.891, 均P=0.000)。3組 12和24 h血清IL-6水平比較,經(jīng)單因素方差分析,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=176.123和164.105,均P=0.000)。3組12和24 h血清TNF-α水平比較,經(jīng)單因素方差分析,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=499.941和217.978,均P=0.000)。進(jìn)一步兩兩比較經(jīng)LSD-t檢驗(yàn),膿毒血癥組12和24 h血清PCT、IL-6及TNF-α水平高于其他組(P<0.05)。見(jiàn)表1和圖2。
對(duì)照組、膿毒血癥組、Oglu組大鼠12和24 h腸損傷評(píng)分比較,經(jīng)單因素方差分析,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。進(jìn)一步兩兩比較經(jīng)LSD-t檢驗(yàn),12 h時(shí),膿毒血癥組和Oglu組腸損傷評(píng)分高于對(duì)照組(P<0.05);24 h時(shí),膿毒血癥組腸損傷評(píng)分高于Oglu組和對(duì)照組(P<0.05)。見(jiàn)表2和圖3。
對(duì)照組、膿毒血癥組、Oglu組大鼠腸黏膜組織中HIF-1α mRNA和蛋白表達(dá)水平比較,經(jīng)單因素方差分析,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。進(jìn)一步兩兩比較經(jīng)LSD-t檢驗(yàn),Oglu組HIF-1α mRNA和蛋白表達(dá)水平高于對(duì)照組和膿毒血癥組(P<0.05)。見(jiàn)表3和圖4。
表1 各組大鼠不同時(shí)間血清PCT、IL-6及TNF-α水平比較(n =5,±s)
表1 各組大鼠不同時(shí)間血清PCT、IL-6及TNF-α水平比較(n =5,±s)
組別 PCT/(ng/ml) IL-6/(ng/L) TNF-α/(μg/L)對(duì)照組12 h 8.28±0.47 23.74±1.25 17.98±1.13 24 h 8.28±0.47 23.74±1.25 17.98±1.13 t值 0.000 0.000 0.000 P值 1.000 1.000 1.000膿毒癥組12 h 31.50±3.46 63.98±5.98 79.58±5.46 24 h 29.54±3.83 77.50±7.75 85.58±9.06 t值 0.526 0.837 3.174 P值 0.489 0.387 0.113組別 PCT/(ng/ml) IL-6/(ng/L) TNF-α/(μg/L)Oglu組12 h 20.50±1.37 56.60±1.34 70.42±1.45 24 h 19.16±1.33 64.52±3.21 75.26±2.82 t值 0.035 7.190 2.707 P值 0.857 0.028 0.139
圖2 各組大鼠不同時(shí)間的血清炎癥指標(biāo)比較 (n =5,±s)
表2 各組大鼠不同時(shí)間腸損傷評(píng)分比較(n =5,分,±s)
表2 各組大鼠不同時(shí)間腸損傷評(píng)分比較(n =5,分,±s)
組別 12 h腸損傷評(píng)分 24 h腸損傷評(píng)分 t值 P值對(duì)照組 0.20±0.01 0.30±0.02 0.030 0.868膿毒血癥組 1.74±0.39 2.88±0.57 0.503 0.498 Oglu組 1.24±0.38 1.50±0.48 0.122 0.736 F值 30.826 45.412 P值 0.000 0.000
圖3 各組大鼠不同時(shí)間的腸損傷評(píng)分比較 (n =5,±s)
表3 各組大鼠腸黏膜組織中HIF-1α mRNA和蛋白表達(dá)水平比較 (±s)
表3 各組大鼠腸黏膜組織中HIF-1α mRNA和蛋白表達(dá)水平比較 (±s)
注:?與Oglu組比較,P <0.05
組別 HIF-1α mRNA HIF-1α蛋白對(duì)照組(n =10) 0.900±0.100? 0.112±0.013?膿毒血癥組(n =20) 1.240±0.305? 0.232±0.024?Oglu組(n =20) 2.940±0.568 0.436±0.059 F值 42.061 94.258 P值 0.000 0.000
圖4 各組大鼠腸黏膜組織中HIF-1α蛋白的表達(dá)
2.5.1 β-catenin 對(duì)照組、膿毒血癥組、Oglu組大鼠腸黏膜組織中β-catenin mRNA和蛋白表達(dá)水平比較,經(jīng)單因素方差分析,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。進(jìn)一步兩兩比較經(jīng)LSD-t檢驗(yàn),膿毒血癥組β-catenin mRNA和蛋白表達(dá)水平高于對(duì)照組和Oglu組(P<0.05)。見(jiàn)表 4和圖 5。
表4 各組大鼠腸黏膜組織中β-catenin mRNA和蛋白表達(dá)水平比較 (±s)
表4 各組大鼠腸黏膜組織中β-catenin mRNA和蛋白表達(dá)水平比較 (±s)
注:?與Oglu組比較,P <0.05
組別 β-catenin mRNA β-catenin蛋白對(duì)照組(n =10) 0.060±0.012? 1.080±0.130?膿毒血癥組(n =20) 0.291±0.052 3.140±0.643 Oglu組(n =20) 0.124±0.018? 1.960±0.114?F值 67.659 36.176 P值 0.000 0.000
圖5 各組大鼠腸黏膜組織中β-catenin蛋白的表達(dá)
2.5.2 TCF-4 Wnt/β-catenin信號(hào)通路激活后,可進(jìn)一步活化核轉(zhuǎn)錄因子TCF-4。對(duì)照組、膿毒血癥組、Oglu組大鼠腸黏膜組織中TCF-4 mRNA和蛋白表達(dá)水平比較,經(jīng)單因素方差分析,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。進(jìn)一步兩兩比較經(jīng)LSD-t檢驗(yàn),膿毒血癥組TCF-4 mRNA和蛋白表達(dá)水平高于對(duì)照組和Oglu組(P<0.05)。見(jiàn)表 5和圖 6。
表5 各組大鼠腸黏膜組織中TCF-4 mRNA和蛋白表達(dá)水平比較 (±s)
表5 各組大鼠腸黏膜組織中TCF-4 mRNA和蛋白表達(dá)水平比較 (±s)
注:?與膿毒血癥組比較,P <0.05
組別 TCF-4 mRNA TCF-4蛋白對(duì)照組(n =10) 0.001±0.001? 1.068±0.094?膿毒血癥組(n =20) 0.105±0.082 2.880±0.630 Oglu組(n =20) 0.010±0.003? 1.980±0.259?F值 7.371 26.036 P值 0.008 0.000
圖6 各組大鼠腸黏膜組織中TCF-4蛋白的表達(dá)
2.5.3 MMP-13 對(duì)照組、膿毒血癥組、Oglu組大鼠腸黏膜組織中MMP-13 mRNA和蛋白表達(dá)水平比較,經(jīng)單因素方差分析,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。進(jìn)一步兩兩比較經(jīng)LSD-t檢驗(yàn),膿毒血癥組MMP-13 mRNA和蛋白表達(dá)水平高于對(duì)照組和Oglu組(P<0.05)。見(jiàn)表 6和圖 7。
表6 各組大鼠腸黏膜組織中MMP-13 mRNA和蛋白表達(dá)水平比較 (±s)
表6 各組大鼠腸黏膜組織中MMP-13 mRNA和蛋白表達(dá)水平比較 (±s)
注:?與膿毒血癥組比較,P <0.05
組別 MMP-13 mRNA MMP-13蛋白對(duì)照組(n =10) 0.100±0.016? 1.020±0.084?膿毒血癥組(n =20) 0.530±0.050 2.720±0.349 Oglu組(n =20) 0.318±0.019? 1.820±0.084?F值 222.25 79.779 P值 0.000 0.000
圖7 各組大鼠腸黏膜組織中MMP-13蛋白的表達(dá)
日常生活中,燕麥對(duì)人體有很好的保健作用,對(duì)胃腸道有調(diào)節(jié)保護(hù)作用,但具體作用機(jī)制并不清楚。本研究采用燕麥中的主要有效成分β-葡聚糖進(jìn)行實(shí)驗(yàn),探索其保護(hù)腸道的作用機(jī)制。首先,本研究觀察到Oglu能減輕膿毒血癥誘導(dǎo)的空腸病理改變,抑制炎癥反應(yīng),如膿毒血癥模型大鼠中血清PCT、IL-6及TNF-α水平降低。進(jìn)一步探索Oglu保護(hù)空腸的分子機(jī)制,結(jié)果表明Oglu對(duì)炎癥細(xì)胞因子的抑制作用可能與上調(diào)HIF-1α表達(dá),并調(diào)控Wnt/β-catenin信號(hào)通路有關(guān)。
HIF-1α是人體組織中廣泛表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子,常氧環(huán)境下在胞漿內(nèi)表達(dá),但極不穩(wěn)定,很快降解(約5 min)。而在低氧環(huán)境下可抑制HIF-1α降解,從而引起其在胞內(nèi)積聚并轉(zhuǎn)位至胞核,在胞核內(nèi)與HIF-1β形成二聚體,發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活性,最終激活下游各種與細(xì)胞增殖分化相關(guān)的基因的轉(zhuǎn)錄[8]?;A(chǔ)研究證實(shí),HIF-1α是低氧環(huán)境中起細(xì)胞調(diào)控作用的關(guān)鍵基因,HIF-1α在細(xì)胞中表達(dá)增加可能對(duì)低氧誘導(dǎo)的病理生理過(guò)程產(chǎn)生積極影響,對(duì)缺血性疾病是有利的[9-11]。低氧能調(diào)節(jié)多信號(hào)途徑,增加自我更新,同時(shí)減少基質(zhì)MIAMI細(xì)胞的分化,減少細(xì)胞衰老和凋亡,這是人體在缺氧條件下自我修復(fù)的能力,HIF-1α表達(dá)上調(diào)就是這其中極為重要的一環(huán)[12]。膿毒血癥早期血流動(dòng)力學(xué)改變,導(dǎo)致血流重新分布,同時(shí)動(dòng)靜脈分流,胃腸黏膜血流減少,腸道缺血再灌注,腸黏膜屏障受損,是啟動(dòng)MODS的重要因素[13-15]。低氧刺激,膿毒血癥腸黏膜中HIF-1α表達(dá)上調(diào),繼而引起有效的抗炎作用,在降低氧利用度的條件下限制組織損傷[16]。本研究結(jié)果表明,膿毒血癥組小腸組織中HIF-1α水平較對(duì)照組表達(dá)升高,使用Oglu后,膿毒血癥大鼠小腸組織中HIF-1α水平進(jìn)一步升高,與對(duì)照組和膿毒血癥組有差異。結(jié)果表明,Oglu能促進(jìn)低氧時(shí)腸黏膜細(xì)胞合成HIF-1α,其對(duì)HIF-1α的調(diào)控作用,可能是其發(fā)揮腸道抗缺血缺氧作用的關(guān)鍵機(jī)制之一。
Wnt通路是決定胚胎發(fā)育過(guò)程和成體組織細(xì)胞命運(yùn)的基本信號(hào)機(jī)制之一。在腸上皮中,該途徑調(diào)節(jié)腸干細(xì)胞的增殖。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),Wnt通路在成體腸細(xì)胞的自我更新和分化中起關(guān)鍵作用[17-18]。Wnt/β-catenin信號(hào)通路主要包括Wnt蛋白家族、β-連環(huán)蛋白及相關(guān)抑制因子,所謂經(jīng)典Wnt信號(hào)傳導(dǎo)的關(guān)鍵分子是β-連環(huán)蛋白[19]。許多研究顯示,Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)傳導(dǎo)參與腸發(fā)育和組織代謝,包括β-連環(huán)蛋白或Tcf4基因的遺傳消融或擴(kuò)散性細(xì)胞外Wnt信號(hào)傳導(dǎo)抑制劑的產(chǎn)生[20]。Wnt拮抗劑Dickkopf-1(Dkk1)在腸上皮中的轉(zhuǎn)基因表達(dá)影響小腸中的增殖和隱窩-絨毛組織,由腺病毒遞送介導(dǎo)的Dkk1系統(tǒng)表達(dá)誘導(dǎo)小腸和結(jié)腸的快速變性[21-22]。Wnt/β-catenin是機(jī)體內(nèi)一條非常保守的信號(hào)通路,啟動(dòng)因子是Wnt蛋白,在無(wú)Wnt蛋白啟動(dòng)因子刺激時(shí),β-catenin與APC、GSK-3β、Axin等組成復(fù)合體,β-catenin被磷酸化降解,因此無(wú)法啟動(dòng)所調(diào)控的靶基因轉(zhuǎn)錄。當(dāng)胞外信號(hào)激活Wnt時(shí),Wnt蛋白和與跨膜受體卷曲蛋白的胞外區(qū)結(jié)合,導(dǎo)致Axin-GSK3β-APC-β-catenin復(fù)合體瓦解,β-catenin在細(xì)胞質(zhì)中增多,依靠濃度梯度改變,進(jìn)入核內(nèi)與T細(xì)胞因子/淋巴增強(qiáng)因子結(jié)合,導(dǎo)致Wnt靶基因的表達(dá),啟動(dòng)下游靶基因的轉(zhuǎn)錄,影響細(xì)胞的增值、分化、代謝及凋亡[23]。因此,β-catenin和TCF-4是Wnt/β-catenin信號(hào)通路中的關(guān)鍵分子。Wnt/β-catenin通路過(guò)度激活可使小腸上皮細(xì)胞過(guò)度分化、成熟加速,同時(shí)也導(dǎo)致蛋白酶表達(dá)異常,而加速細(xì)胞外基質(zhì)降解,最終引起腸道功能紊亂甚至癌變[24]。本研究也發(fā)現(xiàn),對(duì)照組和Oglu組大鼠小腸組織中β-catenin、TCF-4 mRNA和蛋白表達(dá)水平較低,而膿毒血癥組β-catenin、TCF-4 mRNA和蛋白表達(dá)水平較高,表明Oglu可能通過(guò)下調(diào)Wnt/β-catenin/TCF-4通路,發(fā)揮對(duì)膿毒血癥小腸損傷的保護(hù)作用。MMP-13是Wnt/β-catenin信號(hào)通路下游參與細(xì)胞外基質(zhì)代謝的重要分子[25]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),膿毒血癥組MMP-13 mRNA和蛋白表達(dá)水平較高,對(duì)照組和Oglu組大鼠小腸組織中MMP-13表達(dá)水平較低,這與β-catenin和TCF-4的表達(dá)趨勢(shì)一致,提示Oglu通過(guò)調(diào)控Wnt/β-catenin信號(hào)通路,發(fā)揮腸道保護(hù)作用。
綜上所述,本研究結(jié)果初步表明,膿毒血癥大鼠小腸損傷有HIF-1α和Wnt/β-catenin/TCF信號(hào)通路參與,低氧狀態(tài)下Oglu對(duì)HIF-1α的合成有促進(jìn)作用,對(duì)Wnt/β-catenin信號(hào)通路有一定的抑制作用,從而發(fā)揮對(duì)小腸保護(hù)作用。但依然存在許多問(wèn)題需要進(jìn)一步闡明,如Oglu對(duì)HIF-1α的調(diào)節(jié)是否僅限于促進(jìn)合成,是否對(duì)HIF-1α的氧依賴(lài)蛋白降解過(guò)程也有影響,Oglu對(duì)Wnt/β-catenin信號(hào)通路的其他靶基因的調(diào)節(jié)情況如何?這些還有待進(jìn)一步研究。