霍 妍,趙安鵬,宋晶燕,李加忠,王 榮
1蘭州大學(xué)藥學(xué)院,甘肅 蘭州 730000;2中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第940 醫(yī)院全軍高原醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730050
高原在醫(yī)學(xué)上通常指海拔大于2500 m的地區(qū),高原環(huán)境具有低氣壓、低氧分壓、寒冷、干燥、紫外線強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。高原的惡劣氣候會(huì)引發(fā)機(jī)體各臟器出現(xiàn)損傷,進(jìn)而導(dǎo)致高原疾病,其中低氧分壓是高原缺氧損傷的主要誘因[2]。目前,對(duì)于高原病的預(yù)防藥物主要為紅景天膠囊[3]。雖然紅景天膠囊對(duì)于預(yù)防高原缺氧損傷具有一定的療效,但療效甚微,且紅景天生長于高海拔地區(qū),種植難度大,難于獲得[4]。隨著高原旅居人群的日益增多,開發(fā)出高效易得、毒副作用小的抗高原缺氧損傷藥物越來越必要。
近年來,對(duì)于抗高原缺氧損傷藥物的開發(fā)從未停止。有研究發(fā)現(xiàn)芫根總多糖在低壓氧艙模擬缺氧的環(huán)境中,能夠緩解小鼠的腦組織和肺組織的損傷[5]。有研究自擬的中藥合劑益心方,在模擬高原缺氧環(huán)境中,能夠保護(hù)大鼠心肌組織[6]。有文獻(xiàn)報(bào)道麻花秦艽醇提物對(duì)高原缺氧大鼠的肺組織和腦組織具有一定的保護(hù)作用[7]。但現(xiàn)有抗高原缺氧藥物的研究大多基于低壓低氧模擬艙內(nèi)進(jìn)行,缺乏自然條件下高原復(fù)雜氣候的影響,難以反映真實(shí)的高原環(huán)境[8]。
高原缺氧損傷是多因素、多機(jī)制的,高原缺氧環(huán)境會(huì)使機(jī)體產(chǎn)生一系列的生理病理反應(yīng),導(dǎo)致主要臟器出現(xiàn)損傷[9]。高原缺氧條件下,空氣中氧分壓降低,人體氧氣攝入量減少,體內(nèi)血液指標(biāo)發(fā)生變化,通常用血?dú)庵笜?biāo)來判斷機(jī)體酸堿平衡以及缺氧程度[10]。缺氧會(huì)導(dǎo)致自由基代謝平衡失調(diào)等一系列氧化應(yīng)激反應(yīng),影響機(jī)體供能,引起重要臟器缺氧[11]。高原低氧還會(huì)導(dǎo)致炎癥因子的大量釋放,造成機(jī)體的炎癥反應(yīng)[12]。檳榔的主要成分為檳榔多酚,主要是黃酮類物質(zhì)[13]。檳榔的抗氧化活性主要來自多酚類化合物[14]。檳榔多酚具有廣泛的藥理作用,如抗氧化作用、抗疲勞作用、抗菌作用及抗炎作用等[15]。多酚的含量與抗氧化抗缺氧的能力有密切的關(guān)系[16]。本課題組前期優(yōu)化了檳榔多酚的提取純化方法,驗(yàn)證了檳榔無水醇提物中檳榔多酚的含量,并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其對(duì)心肌細(xì)胞缺氧的保護(hù)作用[17]。本實(shí)驗(yàn)使大鼠急進(jìn)海拔4010 m的高原實(shí)地,設(shè)計(jì)驗(yàn)證檳榔多酚是否通過提升機(jī)體抗氧化能力,減輕機(jī)體炎癥反應(yīng)來發(fā)揮其抗高原缺氧活性,對(duì)大鼠各臟器的高原缺氧損傷產(chǎn)生保護(hù)作用。
紅景天膠囊;檳榔飲片(甘肅隴脈藥材);10%水合氯醛;0.9%氯化鈉注射液(石家莊四藥);多聚甲醛固定液(武漢賽維爾生物科技);肝素鈉(南京新百藥業(yè));BCA蛋白濃度測(cè)定試劑盒(北京索萊寶科技);SOD(測(cè)總)試劑盒(南京建成生物工程研究所);丙二醛MDA測(cè)定試劑盒(南京建成生物工程研究所);GSH試劑盒(南京建成生物工程研究所);QAR-CYT 試劑盒(RayBiotech,Inc.,廣州)。
MDF-U2086S超低溫冰箱(SANYO);3K15型4 ℃高速臺(tái)式冷凍離心機(jī)(sigma);Radiometer ABL80全自動(dòng)血?dú)夥治鰞x(Radiometer);Tissuelyser-24多樣品組織研磨機(jī)(上海凈信實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司);SpectraMax i3型全自動(dòng)熒光酶標(biāo)儀(Molecular);渦旋混勻器(海門市其林貝爾儀器制造);倒置顯微鏡(Olympus)。
將檳榔飲片研磨成粉末,使用80%乙醇溶液作為提取溶劑(料液比1∶30),65 ℃提取2 h。提取后的產(chǎn)物經(jīng)過AB-8大孔樹脂純化,以95%乙醇洗脫。采用酒石酸亞鐵法,以沒食子酸為標(biāo)準(zhǔn)品,測(cè)定提取物中檳榔多酚含量為45.03%。
SPF級(jí)Wistar大鼠36只,雄性,體質(zhì)量200±20 g,動(dòng)物許可證號(hào)為SCK(遼)2015-0001。將實(shí)驗(yàn)大鼠隨機(jī)分成6組,6只/組,分別為平原組、高原組、高原+紅景天組,陽性對(duì)照組)、高原+檳榔多酚低劑量組、高原+檳榔多酚中劑量組、高原+檳榔多酚高劑量組。各組大鼠按表1的方案預(yù)防灌胃給藥3 d后急進(jìn)青海玉樹巴塘全軍高原環(huán)境損傷防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(海拔4010 m),運(yùn)送途中果凍補(bǔ)水。抵達(dá)高原后,缺氧暴露5 d,期間繼續(xù)每日按劑量給藥,自由獲取食水,于末次給藥后1 h開始實(shí)驗(yàn)。平原組的大鼠與高原組同時(shí)開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案均通過原蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。
表1 實(shí)驗(yàn)分組和給藥劑量Tab.1 Experimental groups and treatment regimens
末次給藥后1 h,大鼠通過腹腔注射10%水合氯醛麻醉,人道處死動(dòng)物,進(jìn)行中線剖腹術(shù)和門靜脈切開術(shù),然后剪開腹主動(dòng)脈排出血液。切除心肌、肝、腦、肺組織,用冰冷的0.9%NaCl生理鹽水沖洗,稱重并收集。
摘取大鼠的心肌、肝、肺和腦組織,用生理鹽水洗凈血液后,用多聚甲醛固定液固定,使組織充分展開。組織固定好后切成4 μm厚度的切片,洗滌,脫水,透明化處理,石蠟包埋,蘇木精-伊紅染色,脫水,樹脂封片。
末次給藥1 h后,腹腔注射水合氯醛麻醉實(shí)驗(yàn)大鼠,取其腹主動(dòng)脈血,避免接觸空氣,立即使用血?dú)夥治鰞x進(jìn)行檢測(cè)。主要血?dú)庵笜?biāo)有:血液酸堿度(pH),動(dòng)脈血二氧化碳分壓(PaCO2),動(dòng)脈血氧分壓(PaO2),碳酸氫根(HCO3-),標(biāo)準(zhǔn)碳酸氫鹽(SBC),動(dòng)脈血氧飽和度(SatO2),氧合指數(shù)(PO2/FIO2)等。
稱取大鼠心肌、肝、肺和腦組織,加相應(yīng)體積的生理鹽水制備10%組織勻漿。用BCA試劑盒測(cè)定各組織勻漿的蛋白濃度、總SOD活力、MDA含量和GSH含量。
大鼠麻醉后采血,離心后獲得血清。采用蛋白質(zhì)芯片技術(shù)(QAR-CYT試劑盒),分析差異表達(dá)的炎癥因子。
使用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用單因素方差分析進(jìn)行檢驗(yàn),采用LSD-t檢驗(yàn)進(jìn)行組間對(duì)比,P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
2.1.1 心肌組織病理 P組大鼠心肌組織光滑平整,細(xì)胞排列整齊、核仁清晰,肌纖維連續(xù)、無中斷,組織未出現(xiàn)明顯損傷(圖1A);H組大鼠心肌組織發(fā)生裂解現(xiàn)象,細(xì)胞排列中斷不連續(xù)、核深染,組織出現(xiàn)炎性浸潤,提示心肌組織出現(xiàn)損傷(圖1B);與H組相比,預(yù)防給藥檳榔多酚后,心肌細(xì)胞排列整齊、形態(tài)正常、核仁清晰、胞漿無深染,組織炎性減輕(圖1D~F)。
圖1 大鼠心肌組織病理Fig.1 Pathological examination of cardiac muscle tissue of the rats(HE staining,original magnification:×40).A:P group.B:H group.C:R group.D:BLgroup.E:BM group.F:BH group.
2.1.2 腦組織病理 P組大鼠腦組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)正常、形態(tài)完整,細(xì)胞間隙致密無水腫,海馬區(qū)細(xì)胞排列整齊,未觀察到明顯異常的病變(圖2A);而在H組大鼠的腦組織中,能夠明顯觀察到腦組織海馬細(xì)胞排列輕微紊亂、不致密,且出現(xiàn)核固縮,細(xì)胞間隙明顯增大,部分區(qū)域呈現(xiàn)水腫(圖2B);BL組、BM組及BH組大鼠腦部海馬細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整、排列整齊,水腫程度減輕(圖2D~F)。
圖2 大鼠腦組織病理Fig.2 Pathological examination of the brain tissue of the rats(HE staining,×10).A:P group.B:H group.C:R group.D:BLgroup.E:BM group.F:BH group.
2.1.3 肝組織病理 P組大鼠肝細(xì)胞未出現(xiàn)明顯病理樣變化,肝小葉結(jié)構(gòu)清晰,肝細(xì)胞以中央靜脈為中心呈索狀排列、核結(jié)構(gòu)清晰(圖3A);H組的大鼠肝細(xì)胞正常索結(jié)構(gòu)被破壞,中央靜脈腔周圍空泡樣病變,出現(xiàn)少量灶性及點(diǎn)狀壞死,細(xì)胞體積增大,中央靜脈內(nèi)皮下有輕度水腫(圖3B);預(yù)防給藥檳榔多酚低中劑量組大鼠肝組織空泡樣變性得到有效緩解,炎癥反應(yīng)減輕,肝細(xì)胞正常索結(jié)構(gòu)恢復(fù),肝組織未出現(xiàn)明顯壞死,水腫程度減輕(圖3D~F)。
圖3 大鼠肝組織病理Fig.3 Pathological examination of the liver tissue of the rats(HE staining,×40).A:P group.B:H group.C:R group.D:BLgroup.E:BM group.F:BH group.
2.1.4 肺組織病理 P組大鼠肺組織結(jié)構(gòu)完整,肺泡呈空泡狀薄壁結(jié)構(gòu)且未見液體滲出,肺泡壁光滑,無明顯病理改變(圖4A);H組大鼠的肺泡結(jié)構(gòu)嚴(yán)重被破壞,肺泡壁增厚、肺泡腔縮小,肺泡擴(kuò)張及塌陷、間隔增寬,并伴有炎細(xì)胞浸潤,部分區(qū)域出現(xiàn)液體滲出(圖4B);預(yù)防給藥后,大鼠的肺泡結(jié)構(gòu)趨于完整,肺泡壁變薄、肺泡腔結(jié)構(gòu)恢復(fù),肺泡內(nèi)液體滲出減少,炎性反應(yīng)減輕,檳榔多酚低劑量組的效果更加明顯(圖4D~F)。
圖4 大鼠肺組織病理Fig.4 Pathological of lung tissues of the rats (HE staining,×40).A:P group.B:H group.C:R group.D:BL group.E:BM group.F:BH group.
與P組相比,H組大鼠的PO2/FIO2、SatO2、PaO2值降低(P<0.001,表2);同時(shí)TCO2,HCO3-,SBC也顯著降低(P<0.001)。與H 組大鼠相比,R 組大鼠的SatO2、pH、SBC值顯著提高(P=0.01,P=0.05,P=0.03),PaCO2值顯著降低(P<0.01)。相比于H組,BM組大鼠SatO2、pH、SBC均增加(P=0.02,P=0.01,P=0.02),PaCO2值顯著降低(P=0.03),BH 組大鼠的SatO2、pH、SBC 增加(P=0.03,P=0.01,P=0.01),PaCO2值顯著降低(P=0.02),而BL組無顯著性改善(P>0.05)。
表2 各組大鼠血?dú)庵笜?biāo)分析Tab.2 Results of blood gas analysis in different groups(Mean±SD,n=6)
與P組相比,H組大鼠的肝、肺組織中的MDA含量顯著升高(P<0.001,圖5),心肌組織中MDA含量升高了1.44 倍(P=0.03),腦組織中的MDA 含量有升高趨勢(shì),但其差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。與H組比較,R組大鼠心肌和腦組織中MDA含量降低(P=0.05,P=0.02)。BL、BM及BH組大鼠心肌組織MDA含量均降低(P=0.04,P=0.03,P=0.04);BL、BM及BH組大鼠肝組織中的MDA含量降低(P=0.006,P=0.002,P<0.001)。
圖5 各組大鼠組織MDA含量Fig.5 MDA content in rats in different groups(Mean±SD,n=6).A:Liver tissue;B:Lung tissue;C:Cardiac muscle.D:Brain tissue.*P<0.05,**P<0.01 vs P group;#P<0.05,##P<0.01 vs H group.
相比于P組,H組大鼠的肝、肺、心肌及腦組織中的SOD 活力顯著降低(P=0.01,P=0.001,P=0.005,P=0.004,圖6)。與H組相比,R組大鼠腦組織中SOD活力顯著升高(P=0.02)。BL 組大鼠肝、肺和腦組織中的SOD 活力均顯著升高(P=0.003,P=0.006,P=0.001);BM組大鼠肝、肺和腦組織中的SOD活力顯著升高(P=0.004,P=0.005,P<0.001);BH組大鼠肝、肺組織的SOD活力分別顯著增加(P=0.03,P=0.02)。
圖6 各組大鼠組織SOD活力Fig.6 SOD activity in rats at different groups(Mean±SD,n=6).A:Liver tissue;B:Lung tissue;C:Cardiac muscle.D:Brain tissue.*P<0.05,**P<0.01 vs P group,#P<0.05,##P<0.01 vs H group.
與P組相比,H組大鼠肝、肺和心肌組織中的GSH含量均降低(P=0.03,P=0.007,圖7)。與H組比較,R組大鼠的肺組織的GSH 含量顯著升高(P=0.02);BL 和BM 組大鼠肝組織中的GSH 含量增加(P=0.03,P=0.01);BL 組大鼠肺組織中GSH 含量顯著升高(P=0.02);而在腦組織中,GSH含量的變化無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。
圖7 各組大鼠組織GSH含量Fig.7 Results of GSH content in rats in different groups(Mean±SD,n=6).A:Liver tissue;B:Lung issue;C:Cardiac muscle.D:Brain tissue.*P<0.05,**P<0.01 vs P group.#P<0.05,##P<0.01 vs H group.
通過蛋白質(zhì)芯片技術(shù)的篩選,發(fā)現(xiàn)大鼠缺氧后,血清有4種蛋白質(zhì)因子出現(xiàn)差異性表達(dá)。與平原組相比,大鼠缺氧后,血清中MCP-1、TIMP-1、ICAM-1、L-Selectin水平升高(圖8)。與缺氧模型組比較,給予大鼠紅景天膠囊后,血清中的MCP-1、ICAM-1、L-Selectin含量降低(P<0.01);檳榔多酚低劑量組大鼠的MCP-1、ICAM-1、L-Selectin 降低(P<0.05);檳榔多酚中劑量組的大鼠MCP-1、TIMP-1、ICAM-1、L-Selectin 含量降低(P<0.05);檳榔多酚高劑量組的大鼠ICAM-1、L-Selectin含量降低(P=0.02)。
圖8 各組大鼠血清炎癥因子含量Fig.8 Serum levels of cytokines in different groups(Mean±SD,n=6).A:MCP-1.B:TIMP-1.C:ICAM-1.D:L-Selectin.*P<0.05,**P<0.01 vs P group.#P<0.05,##P<0.01 vs H group.
高原環(huán)境主要有低氧分壓、低氣壓、寒冷干燥、紫外線強(qiáng)等特點(diǎn),其中氧分壓低對(duì)于機(jī)體的影響最顯著[18]。人體在短時(shí)間內(nèi)急進(jìn)高原,會(huì)出現(xiàn)呼吸急促、頭痛、厭食、睡眠障礙等癥狀,若不及時(shí)緩解,可能會(huì)發(fā)展為更嚴(yán)重的高原肺水腫和高原腦水腫[19]。本實(shí)驗(yàn)在高原實(shí)地建立了大鼠高原缺氧損傷模型,通過觀察大鼠各臟器病理變化,測(cè)定大鼠動(dòng)脈血?dú)?各組織氧化應(yīng)激指標(biāo),血清炎癥因子變化,驗(yàn)證了檳榔多酚對(duì)預(yù)防大鼠高原損傷具有明顯的效果。
本研究發(fā)現(xiàn)大鼠在高原條件下缺氧暴露后,主要組織出現(xiàn)了明顯損傷:心肌細(xì)胞排列不連續(xù),核深染,心肌組織裂解,出現(xiàn)炎性細(xì)胞浸潤;腦組織細(xì)胞出現(xiàn)核固縮,海馬細(xì)胞排列輕微紊亂;肝細(xì)胞索結(jié)構(gòu)被破壞,中央靜脈腔周圍出現(xiàn)空泡樣病變,細(xì)胞體積增大,可見少量灶性及點(diǎn)狀壞死,中央靜脈內(nèi)皮下有輕度水腫;肺泡壁增厚,肺泡腔縮小,肺泡擴(kuò)張,肺泡塌陷,間隔增寬,并伴有炎細(xì)胞浸潤。預(yù)防給藥檳榔多酚可以緩解這種損傷,表明檳榔多酚對(duì)高原缺氧所致的損傷具有保護(hù)作用。
高原條件具有低氧分壓的特點(diǎn),在高原環(huán)境中機(jī)體氧氣量攝入量減少,血?dú)庵笜?biāo)相應(yīng)發(fā)生變化,全身組織器官的攝氧量也隨之受到不同程度的影響。血?dú)庵笜?biāo)的變化通常可以用來反應(yīng)機(jī)體的酸堿平衡以及缺氧程度[20-21]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,大鼠急進(jìn)高原后,動(dòng)脈血中SatO2、PO2/FIO2、PaO2等指標(biāo)明顯降低,提示急進(jìn)高原后,缺氧會(huì)導(dǎo)致機(jī)體氧合不足,可能出現(xiàn)低氧血癥;而HCO3-含量的降低,指示機(jī)體出現(xiàn)呼吸性堿中毒合并代謝性酸中毒。在預(yù)防給藥檳榔多酚后,高原缺氧大鼠的SatO2明顯上升,表明檳榔多酚能明顯改善高原缺氧大鼠的低氧血癥。
高原缺氧損傷是多因素、多機(jī)制的,缺氧會(huì)導(dǎo)致機(jī)體重要臟器缺氧缺血,影響機(jī)體供能,發(fā)生自由基代謝平衡失調(diào)等一系列氧化應(yīng)激反應(yīng)[22]。機(jī)體內(nèi)自由基的生成與清除之間存在動(dòng)態(tài)平衡,這種平衡主要通過以超氧化物歧化酶(SOD)[23]、谷胱甘肽過氧化氫酶(GSH-Px)[24]為主的酶系統(tǒng)來維持[25]。隨著機(jī)體暴露于缺氧條件下的時(shí)間的延長,自由基會(huì)在體內(nèi)堆積,從而產(chǎn)生細(xì)胞毒性,引起脂質(zhì)過氧化損傷。由于自由基與脂質(zhì)的過氧化反應(yīng)終產(chǎn)物是MDA,通??捎肕DA含量來評(píng)價(jià)組織膜系統(tǒng)的損傷程度[25-26]。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,預(yù)防給藥檳榔多酚后,大鼠主要組織中的SOD活力和GSH含量升高,MDA水平降低(相較于高原缺氧大鼠),有效緩解了機(jī)體缺氧條件下的氧化應(yīng)激損傷,證明檳榔多酚對(duì)高原缺氧環(huán)境下大鼠主要組織有明顯的保護(hù)作用。
炎癥反應(yīng)是一種典型的缺氧損傷特征,一系列炎癥因子參與了高原缺氧損傷的發(fā)病機(jī)制[27]。本實(shí)驗(yàn)篩選出了4種在高原缺氧環(huán)境下差異性表達(dá)的炎癥因子,即TIMP-1、ICAM-1、MCP-1、L-Selectin。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,缺氧大鼠血清內(nèi),炎性因子TIMP-1、ICAM-1、MCP-1、L-Selectin水平明顯增多。血管通透性增加、血管收縮舒張失衡是急性高原病的重要機(jī)制。炎癥介質(zhì)是血管通透性增加、血管收縮舒張失衡的重要調(diào)節(jié)因素,缺氧大鼠血清內(nèi)的細(xì)胞粘附分子ICAM-1、L-Selectin水平升高。而在給予大鼠檳榔多酚后,大鼠血清內(nèi)的炎癥因子含量較缺氧組降低,炎癥反應(yīng)得到有效緩解。
本研究優(yōu)化了檳榔多酚的提取純化方法,使多酚含量達(dá)到45.03%。并在海拔4010 m的高原實(shí)地評(píng)價(jià)了檳榔多酚對(duì)高原缺氧損傷的保護(hù)作用,能夠真實(shí)反映高原復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)致的機(jī)體損傷。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在高原缺氧條件下,血清中的炎癥因子TIMP-1、ICAM-1、MCP-1、LSelectin顯著性升高,有望進(jìn)行進(jìn)一步的研究。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)急進(jìn)高原的大鼠出現(xiàn)低氧血癥,心肌、肝、肺和腦組織出現(xiàn)不同程度氧化應(yīng)激損傷。而預(yù)防給藥檳榔多酚后,血氧飽和度顯著升高,低氧血癥得到有效的緩解;主要組織氧化應(yīng)激損傷減輕,炎癥反應(yīng)緩解,病理損傷得到明顯改善。表明預(yù)防給藥檳榔多酚400 mg/kg和800 mg/kg均具有顯著的抗高原缺氧的作用。
綜上所述,本研究建立了急進(jìn)高原實(shí)地大鼠缺氧損傷模型,通過大鼠動(dòng)脈血?dú)?血清炎癥因子水平,肝、肺、腦和心肌組織的病理變化,各組織氧化應(yīng)激指標(biāo),來探究預(yù)防給藥不同劑量的檳榔多酚對(duì)高原缺氧大鼠保護(hù)作用。研究結(jié)果表明,檳榔多酚能顯著改善高原環(huán)境中大鼠的血?dú)鉅顩r,減輕機(jī)體炎癥反應(yīng),減輕氧化應(yīng)激損傷,對(duì)大鼠各組織器官有明顯的的保護(hù)作用。檳榔多酚具有抗高原缺氧的活性,并對(duì)急進(jìn)高原大鼠的各臟器具有保護(hù)作用,可能是通過提升機(jī)體抗氧化能力,減輕機(jī)體炎癥反應(yīng)來發(fā)揮其抗高原缺氧。
南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)2021年5期