惠超 劉馨
(錦州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院檢驗(yàn)科,遼寧錦州 121000)
支氣管哮喘是兒科常見(jiàn)的呼吸系統(tǒng)疾病,是一類以可逆性氣流受限為特征的慢性氣道炎癥性疾病,中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞等多種炎性細(xì)胞在氣道內(nèi)大量浸潤(rùn)所介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)、細(xì)胞焦亡與該病的發(fā)病密切相關(guān)[1-2]。目前,哮喘發(fā)病的具體分子機(jī)制及發(fā)病過(guò)程中炎癥反應(yīng)、細(xì)胞焦亡的調(diào)控機(jī)制尚不十分清楚。NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(nod-like receptor,pyrin domain containing3,NLRP3)是在呼吸系統(tǒng)內(nèi)發(fā)揮重要作用的模式識(shí)別受體,與凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-1(cysteinyl aspartate specific proteinase-1,caspase-1)組成炎癥小體,激活后的生物學(xué)效應(yīng)是生成裂解型caspase-1(cleaved caspase-1),促進(jìn)白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-1β及IL-18的釋放,并介導(dǎo)炎癥反應(yīng),同時(shí)促進(jìn)Gasdermin D(GSDMD)剪切為GSDMD-N并介導(dǎo)細(xì)胞焦亡[3-4]。已有哮喘相關(guān)的研究證實(shí)哮喘患者血清中IL-1β、IL-18的含量增加[5-6],哮喘小鼠肺組織中NLRP3表達(dá)增加[7],但NLRP3在哮喘發(fā)病中的直接生物學(xué)作用尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究將通過(guò)NLRP3基因敲除(knockout,KO)的方式觀察NLRP3在支氣管哮喘發(fā)病中的作用,具體探究NLRP3對(duì)哮喘小鼠氣道炎癥反應(yīng)及細(xì)胞焦亡的調(diào)控作用,以期為今后深入認(rèn)識(shí)哮喘的發(fā)病機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
NLRP3野生型(wild type,WT)C57BL/6J小鼠、NLRP3KOC57BL/6J小鼠均購(gòu)自上海南方模式生物研究中心。
卵白蛋白(ovalbumin,OVA)、氫氧化鋁凝膠(Sigma公司,美國(guó)),蘇木精-伊紅染色試劑盒(上海碧云天生物技術(shù)有限公司),IL-1β、IL-18的酶聯(lián)免疫吸附法檢測(cè)試劑盒(上海酶聯(lián)生物科技有限公司),NLRP3、cleaved caspase-1、GSDMD-N及β-actin一抗(Abcam公司,美國(guó))。
全身體積描記檢測(cè)系統(tǒng)(巴克西科公司,美國(guó)),顯微鏡(尼康公司,日本),酶標(biāo)儀(南京德鐵實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司),凝膠電泳系統(tǒng)(Bio-Rad公司,美國(guó)),凝膠成像系統(tǒng)(上海勤翔科學(xué)儀器有限公司)。
NLRP3WT小鼠分為NLRP3-WT對(duì)照組、NLRP3-WT哮喘組,NLRP3KO小鼠分為NLRP3-KO對(duì)照組、NLRP3-KO哮喘組,每組各10只。參照文獻(xiàn)[7-8]進(jìn)行哮喘模型制備,方法如下:第1、7、14天時(shí)給予OVA與氫氧化鋁凝膠混懸液0.2 mL(100μg OVA、1 mg氫氧化鋁凝膠溶于0.2 mL 0.9%氯化鈉溶液)腹腔注射致敏;第21天起每天給予5%OVA霧化吸入,每次持續(xù)30 min,連續(xù)7 d進(jìn)行激發(fā)。對(duì)照組用等體積0.9%氯化鈉溶液代替OVA與氫氧化鋁凝膠混懸液進(jìn)行腹腔注射、代替OVA進(jìn)行霧化吸入。末次霧化吸入激發(fā)24 h后進(jìn)行標(biāo)本收集。
末次霧化吸入激發(fā)24 h后,將小鼠放入全身體積描記檢測(cè)系統(tǒng),記錄3 min的基線讀數(shù)后給予乙酰甲膽堿25.0 g/L霧化吸入3 min并記錄讀數(shù),根據(jù)配套的Cough analyzer系統(tǒng)計(jì)算增強(qiáng)呼氣間歇(enhanced pause,Penh)。
完成氣道反應(yīng)性檢測(cè)后對(duì)小鼠進(jìn)行麻醉,采用1 mL預(yù)冷的磷酸鹽緩沖液進(jìn)行肺泡灌洗,得到支氣管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid,BALF)后在離心機(jī)中以4℃、15 000 r/min的條件離心5 min,收集上清并采用酶聯(lián)免疫吸附法試劑盒檢測(cè)IL-1β、IL-18的含量;收集沉淀并加入雙蒸水0.2 mL定容,Diff-quick染色后在顯微鏡下對(duì)中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞進(jìn)行計(jì)數(shù)。
完成BALF收集后處死小鼠,收集適量肺組織,0.9%氯化鈉溶液清洗后4%多聚甲醛固定,制作4μm厚度的病理切片后采用蘇木精-伊紅染色試劑盒進(jìn)行染色實(shí)驗(yàn),在顯微鏡下觀察肺組織形態(tài)學(xué)表現(xiàn),按照下列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行炎癥評(píng)分[8]:無(wú)炎性細(xì)胞浸潤(rùn)為0分,偶見(jiàn)炎性細(xì)胞浸潤(rùn)為1分,多數(shù)支氣管或血管表層見(jiàn)1~2個(gè)炎性細(xì)胞為2分,中層見(jiàn)3~5個(gè)炎性細(xì)胞為3分,厚層見(jiàn)5個(gè)以上炎性細(xì)胞為4分。
取適量肺組織,采用組織裂解液進(jìn)行勻漿,勻漿液在離心機(jī)中以4℃、12 000 r/min的條件離心10 min,收集上清并檢測(cè)蛋白濃度。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果將30μg蛋白樣本用于Western blot實(shí)驗(yàn),在SDS-聚丙烯酰胺凝膠中進(jìn)行電泳,分離不同分子量的蛋白,電轉(zhuǎn)移至硝酸纖維素膜,用5%脫脂牛奶室溫封閉硝酸纖維素膜1 h;用1∶1 000稀釋的NLRP3、cleaved caspase-1、GSDMD-N一 抗 或1∶2 500稀釋的β-actin一抗4℃孵育硝酸纖維素膜16~24 h;而后用1∶2 000稀釋的二抗室溫孵育硝酸纖維素膜1 h,最后在凝膠成像系統(tǒng)中進(jìn)行蛋白顯影及表達(dá)水平的半定量分析。結(jié)果以目的蛋白NLRP3、cleaved caspase-1、GSDMD-N與內(nèi)參蛋白β-actin的比值表示。
采用SPSS22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,采用Prism 6.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的制圖。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,多組間比較采用單因素方差分析,組間兩兩比較采用LSD-t法,P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
NLRP3-WT對(duì)照組、NLRP3-WT哮喘組小鼠肺組織中均表達(dá)NLRP3,且NLRP3-WT哮喘組小鼠肺組織中NLRP3的表達(dá)水平(0.91±0.16)高于NLRP3-WT對(duì)照組(0.38±0.08,t=15.575,P<0.05)。NLRP3-KO對(duì)照組、NLRP3-KO哮喘組小鼠肺組織中均不表達(dá)NLRP3。見(jiàn)圖1。
圖1 Western blot法檢測(cè)各組小鼠肺組織中NLRP3表達(dá)水平電泳圖
NLRP3-WT對(duì)照組、NLRP3-WT哮喘組、NLRP3-KO對(duì)照組、NLRP3-KO哮喘組小鼠的Penh分別為117±14、375±63、108±15、189±25,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=20.398,P<0.001)。與NLRP3-WT對(duì)照組比較,NLRP3-WT哮喘組小鼠的Penh明顯升高(P<0.05),NLRP3-KO對(duì)照組小鼠的Penh水平無(wú)明顯變化(P>0.05);與NLRP3-WT哮喘組比較,NLRP3-KO哮喘組小鼠的Penh水平明顯降低(P<0.05)。
與NLRP3-WT對(duì)照組比較,NLRP3-WT哮喘組小鼠BALF中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)明顯升高(P<0.05),NLRP3-KO對(duì)照組小鼠BALF中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)無(wú)明顯變化(P>0.05);與NLRP3-WT哮喘組比較,NLRP3-KO哮喘組小鼠BALF中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)明顯降低(P<0.05)。見(jiàn)表1。
表1 各組小鼠BALF中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)比較 (±s,×105/mL)
表1 各組小鼠BALF中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)比較 (±s,×105/mL)
注:a示與NLRP3-WT對(duì)照組比較,P<0.05;b示與NLRP3-WT哮喘組比較,P<0.05。
n 組別NLRP3-WT對(duì)照組NLRP3-WT哮喘組NLRP3-KO對(duì)照組10 10 10淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)2.9±0.5 5.7±0.8a 2.8±0.4中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)2.2±0.4 5.1±0.8a 2.2±0.5嗜酸性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)5.1±0.8 18.4±3.6a 5.0±0.7 NLRP3-KO哮喘組F值P值10 3.2±0.4b 11.092<0.001 8.9±1.3b 9.829<0.001 3.4±0.6b 13.575<0.001
NLRP3-WT對(duì)照組、NLRP3-KO對(duì)照組小鼠肺組織內(nèi)氣道平滑肌形態(tài)正常,未見(jiàn)明顯炎性細(xì)胞浸潤(rùn);NLRP3-WT哮喘組小鼠肺組織出現(xiàn)氣道平滑肌增厚、炎性細(xì)胞浸潤(rùn)的形態(tài)學(xué)表現(xiàn);NLRP3-KO哮喘組小鼠肺組織內(nèi)氣道平滑肌增厚、炎性細(xì)胞浸潤(rùn)的形態(tài)學(xué)表現(xiàn)較NLRP3-WT哮喘組明顯改善。見(jiàn)圖2。
圖2 各組小鼠肺組織形態(tài)學(xué)表現(xiàn)(蘇木精-伊紅染色,×200) NLRP3-WT對(duì)照組(A)、NLRP3-KO對(duì)照組(C)小鼠肺組織內(nèi)氣道平滑肌形態(tài)正常,未見(jiàn)明顯炎性細(xì)胞浸潤(rùn);NLRP3-WT哮喘組(B)小鼠肺組織出現(xiàn)氣道平滑肌增厚、炎性細(xì)胞浸潤(rùn)的形態(tài)學(xué)表現(xiàn);NLRP3-KO哮喘組(D)小鼠肺組織內(nèi)氣道平滑肌增厚、炎性細(xì)胞浸潤(rùn)的形態(tài)學(xué)表現(xiàn)較NLRP3-WT哮喘組明顯改善。
NLRP3-WT對(duì)照組、NLRP3-WT哮喘組、NLRP3-KO對(duì)照組、NLRP3-KO哮喘組小鼠的肺組織炎癥評(píng)分分別為(0.61±0.09)分、(3.94±0.67)分、(0.55±0.08)分、(1.62±0.22)分,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=19.383,P<0.001)。與NLRP3-WT對(duì)照組比較,NLRP3-WT哮喘組小鼠肺組織炎癥評(píng)分明顯升高(P<0.05),NLRP3-KO對(duì)照組小鼠肺組織炎癥評(píng)分無(wú)明顯變化(P>0.05);與NLRP3-WT哮喘組比較,NLRP3-KO哮喘組小鼠肺組織炎癥評(píng)分明顯降低(P<0.05)。
NLRP3-WT對(duì)照組、NLRP3-WT哮喘組、NLRP3-KO對(duì)照組、NLRP3-KO哮喘組小鼠的肺組織cleaved caspase-1表達(dá)水平分別為0.76±0.08、1.32±0.20、0.45±0.06、0.64±0.08,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=12.575,P<0.001)。與NLRP3-WT對(duì)照組比較,NLRP3-WT哮喘組小鼠肺組織中cleaved caspase-1的表達(dá)水平明顯升高,NLRP3-KO對(duì)照組小鼠肺組織中cleaved caspase-1的表達(dá)水平明顯降低(P<0.05);與NLRP3-WT哮喘組比較,NLRP3-KO哮喘組小鼠肺組織中cleaved caspase-1的表達(dá)水平明顯降低(P<0.05)。見(jiàn)圖3。
圖3 Western blot法檢測(cè)各組小鼠肺組織中cleaved caspase-1表達(dá)水平電泳圖
與NLRP3-WT對(duì)照組比較,NLRP3-WT哮喘組小鼠BALF中IL-1β、IL-18的含量明顯升高(P<0.05),NLRP3-KO對(duì)照組小鼠BALF中IL-1β、IL-18的含量無(wú)明顯變化(P>0.05);與NLRP3-WT哮喘組比較,NLRP3-KO哮喘組小鼠BALF中IL-1β、IL-18的含量明顯降低(P<0.05)。見(jiàn)表2。
表2 各組小鼠BALF中IL-1β、IL-18含量的比較(±s,ng/mL)
表2 各組小鼠BALF中IL-1β、IL-18含量的比較(±s,ng/mL)
注:[IL]白細(xì)胞介素。a示與NLRP3-WT對(duì)照組比較,P<0.05;b示與NLRP3-WT哮喘組比較,P<0.05。
NLRP3-KO哮喘組F值P值10 5.71±0.82b 11.315<0.001 3.56±0.51b 15.474<0.001 n IL-18 1.84±0.32 6.09±0.77a 1.77±0.29組別NLRP3-WT對(duì)照組NLRP3-WT哮喘組NLRP3-KO對(duì)照組10 10 10 IL-1β 3.12±0.62 11.46±2.05a 2.96±0.56
NLRP3-WT對(duì)照組、NLRP3-WT哮喘組、NLRP3-KO對(duì)照組、NLRP3-KO哮喘組小鼠的肺組織GSDMD-N表達(dá)水平分別為0.54±0.07、1.08±0.16、0.31±0.06、0.46±0.06,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=9.387,P<0.001)。與NLRP3-WT對(duì)照組比較,NLRP3-WT哮喘組小鼠肺組織中GSDMD-N的表達(dá)水平明顯升高,NLRP3-KO對(duì)照組小鼠肺組織中GSDMD-N的表達(dá)水平明顯降低(P<0.05);與NLRP3-WT哮喘組比較,NLRP3-KO哮喘組小鼠肺組織中GSDMD-N的表達(dá)水平明顯降低(P<0.05)。見(jiàn)圖4。
圖4 Western blot法檢測(cè)各組小鼠肺組織中GSDMDN表達(dá)水平電泳圖
支氣管哮喘的發(fā)病過(guò)程涉及多種炎性細(xì)胞及細(xì)胞組分,但具體的機(jī)制尚未完全闡明。在氣流受限反復(fù)發(fā)作的過(guò)程中,氣道炎癥反應(yīng)持續(xù)激活是特征性的病理改變,同時(shí)也會(huì)誘發(fā)細(xì)胞焦亡、引起氣道上皮細(xì)胞損傷并加重氣道高反應(yīng)性。NLRP3炎癥小體在炎癥反應(yīng)及細(xì)胞焦亡的調(diào)控中起關(guān)鍵作用,在病原相關(guān)分子、活性氧簇、組織蛋白酶等刺激下NLRP3表達(dá)增加,進(jìn)而通過(guò)凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白使下游caspase-1前體活化為cleaved caspase-1,后者能夠介導(dǎo)炎癥反應(yīng)及細(xì)胞焦亡的激活。近些年,多項(xiàng)基礎(chǔ)研究報(bào)道了地塞米松[9]、雌激素[10]、miR-223過(guò)表達(dá)[11]、蒼術(shù)內(nèi)酯Ⅲ[12]等不同哮喘治療手段不僅顯著改善哮喘動(dòng)物模型肺功能,同時(shí)也對(duì)NLRP3的表達(dá)具有抑制作用,提示NLRP3的高表達(dá)可能在哮喘的發(fā)病中起重要作用。
Wood等[13]的臨床研究證實(shí)哮喘患者外周血中NLRP3的表達(dá)水平明顯增加;Xu等[7]及Zhang等[14]的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)哮喘小鼠肺組織中NLRP3炎癥小體的表達(dá)均顯著增加。本研究通過(guò)OVA聯(lián)合氫氧化鋁致敏、OVA激發(fā)的方式建立支氣管哮喘小鼠模型,在WT哮喘小鼠肺組織中檢測(cè)到NLRP3、cleaved caspase-1的表達(dá)增加,與既往其他學(xué)者報(bào)道支氣管哮喘發(fā)病過(guò)程中NLRP3炎癥小體表達(dá)增加的結(jié)果[7,13]一致。為了進(jìn)一步探究NLRP3在哮喘發(fā)病過(guò)程中的作用,本研究對(duì)小鼠進(jìn)行了NLRP3KO,NLRP3KO后進(jìn)行支氣管哮喘模型制備,NLRP3KO哮喘小鼠較WT哮喘小鼠的氣道反應(yīng)性指標(biāo)Penh水平明顯降低,肺組織中氣道平滑肌增厚、炎性細(xì)胞浸潤(rùn)的形態(tài)學(xué)改變明顯改善,表明NLPR3KO顯著改善哮喘小鼠的氣道高反應(yīng)性及氣道病理改變,由此也提供了NLPR3高表達(dá)參與哮喘發(fā)病的直接證據(jù)。
NLRP3表達(dá)增加后使下游有活性的cleaved caspase-1生成增加,后者能夠使IL-1β和IL-18的前體裂解為有活性的成熟的IL-1β和IL-18并釋放進(jìn)入局部組織、血液循環(huán),進(jìn)而發(fā)揮促炎生物學(xué)效應(yīng),在局部招募多種炎性細(xì)胞浸潤(rùn)并介導(dǎo)炎癥反應(yīng)激活[15-16]。炎癥反應(yīng)激活是造成哮喘發(fā)病過(guò)程中氣道高反應(yīng)性、氣流受限的關(guān)鍵因素,既往多項(xiàng)研究[8]及本研究均證實(shí)哮喘小鼠肺組織的炎癥評(píng)分增加、BALF中多種炎性細(xì)胞數(shù)目增多。同時(shí),本研究還檢測(cè)到WT哮喘小鼠BALF中IL-1β和IL-18的含量增加,與NLRP3及cleaved caspase-1表達(dá)增加的結(jié)果吻合,進(jìn)一步確認(rèn)哮喘發(fā)病過(guò)程中NLRP3炎癥小體過(guò)度激活。為了闡明NLRP3在哮喘發(fā)病過(guò)程中的炎癥調(diào)控作用,本研究在NLRP3KO后觀察到哮喘小鼠肺組織的炎癥評(píng)分降低、BALF中多種炎性細(xì)胞數(shù)目減少且IL-1β和IL-18的含量降低,表明NLRP3在哮喘發(fā)病過(guò)程中直接參與氣道炎癥反應(yīng)的調(diào)控,高表達(dá)的NLRP3能夠增加IL-1β和IL-18的釋放、招募多種炎性細(xì)胞浸潤(rùn)并介導(dǎo)炎癥反應(yīng)的激活。
近些年關(guān)于哮喘、慢性阻塞性肺疾病等的研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞焦亡是與上述呼吸道疾病發(fā)生密切相關(guān)的生物學(xué)環(huán)節(jié),在焦亡過(guò)程中細(xì)胞膜迅速破裂,細(xì)胞內(nèi)大量炎癥介質(zhì)釋放進(jìn)入細(xì)胞間液,進(jìn)而介導(dǎo)炎癥反應(yīng)的級(jí)聯(lián)放大。目前認(rèn)為焦亡的經(jīng)典途徑由NLRP3介導(dǎo),使細(xì)胞內(nèi)GSDMD裂解為GSDMD-N并使細(xì)胞發(fā)生焦亡,這一過(guò)程主要發(fā)生在單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、氣道上皮細(xì)胞等,GSDMD-N是目前公認(rèn)的焦亡標(biāo)志物。有研究報(bào)道,激活焦亡使哮喘小鼠的氣道功能減退、炎癥反應(yīng)加?。?7]。本研究在WT哮喘小鼠中檢測(cè)到肺組織GSDMD-N的表達(dá)水平增加,表明哮喘發(fā)病過(guò)程中存在焦亡的過(guò)度激活,既與既往關(guān)于焦亡與哮喘的其他研究結(jié)果一致,也與本研究觀察到哮喘發(fā)病過(guò)程中NLRP3表達(dá)增加的結(jié)果吻合。進(jìn)一步在NLRP3KO后檢測(cè)焦亡程度可知:在NLRP3KO哮喘小鼠肺組織內(nèi)GSDMD-N的表達(dá)水平降低,表明NLRP3KO對(duì)GSDMD-N的表達(dá)及細(xì)胞焦亡具有抑制作用,進(jìn)而證實(shí)哮喘發(fā)病過(guò)程中高表達(dá)的NLRP3不僅參與炎癥反應(yīng)的調(diào)控,還對(duì)細(xì)胞焦亡產(chǎn)生調(diào)控。
綜上所述,本研究中WT小鼠的實(shí)驗(yàn)表明哮喘發(fā)病過(guò)程中存在NLRP3炎癥小體的過(guò)度表達(dá),NLRP3KO小鼠的實(shí)驗(yàn)表明NLRP3在哮喘發(fā)病過(guò)程中參與炎癥反應(yīng)及細(xì)胞焦亡的調(diào)控。這為今后深入認(rèn)識(shí)NLRP3在哮喘發(fā)病中的作用及哮喘的發(fā)病機(jī)制提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù),也為發(fā)現(xiàn)哮喘新的治療靶點(diǎn)提供了思路。