魯文賡,司琳清,田春雨,袁思琦,謝何昕,周繼偉,金吉東,韓英浩
(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,大慶 163319;2.榆樹(shù)市農(nóng)業(yè)綜合行政執(zhí)法大隊(duì),榆樹(shù) 130400;3.科菲特飼料(長(zhǎng)春)有限公司,長(zhǎng)春 130012;4.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,大慶 163319)
奶牛在圍產(chǎn)期特別是產(chǎn)后其抗氧化能力降低,為滿足分娩和泌乳等生理活動(dòng)需求其代謝增加,高代謝水平將導(dǎo)致活性氧(ROS)產(chǎn)生增多,ROS的產(chǎn)生與抗氧化能力之間的不平衡促使氧化應(yīng)激發(fā)生,繼而影響子宮健康并促進(jìn)子宮內(nèi)膜炎的發(fā)生發(fā)展。研究表明,奶牛的急性子宮感染與脂質(zhì)過(guò)氧化水平升高和抗氧化能力下降有關(guān)[1-4]。子宮內(nèi)膜感染后,中性粒細(xì)胞到達(dá)子宮內(nèi)吞噬病原體產(chǎn)生大量的ROS會(huì)通過(guò)激活促炎因子的轉(zhuǎn)錄來(lái)加劇炎癥反應(yīng),并使蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA氧化,進(jìn)而造成子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞死亡,加重組織損傷[5-7]。因此,修復(fù)奶牛子宮內(nèi)膜上皮的氧化損傷對(duì)子宮內(nèi)膜炎的防治十分關(guān)鍵。盡管損傷后的組織修復(fù)和再生機(jī)制尚未明確,但相關(guān)研究表明其涉及細(xì)胞遷移和增殖、細(xì)胞外基質(zhì)重塑等,而細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(Erk)是信號(hào)從表面受體傳導(dǎo)至細(xì)胞核的關(guān)鍵分子,參與調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、增殖、遷移等多種生命活動(dòng)[8]。
間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)是由成體組織基質(zhì)中獲得的具有再生功能的多能干細(xì)胞,在損傷修復(fù)中發(fā)揮著重要的生物學(xué)功能[9]。張延玲[10]研究表明,月經(jīng)血中子宮內(nèi)膜來(lái)源MSCs可以修復(fù)損傷子宮并通過(guò)激活Erk來(lái)促進(jìn)臍內(nèi)皮細(xì)胞的遷移。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對(duì)MSCs的深入研究,其在動(dòng)物臨床中的研究也愈加廣泛,詹小舒等[11]研究發(fā)現(xiàn),犬臍帶MSCs來(lái)源的外泌體可以促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞遷移;在奶牛中的研究發(fā)現(xiàn),骨髓和脂肪MSCs的條件培養(yǎng)基均可在體外抑制金黃色葡萄球菌的活性,為獸醫(yī)臨床中奶牛乳腺炎的治療提供理論基礎(chǔ)[12-13]。Lu等[14]研究發(fā)現(xiàn),使用脂多糖(LPS)誘導(dǎo)體外奶牛子宮內(nèi)膜炎模型后與奶牛脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞(bAD-MSCs)共培養(yǎng)可以顯著抑制炎性反應(yīng)與細(xì)胞凋亡,但bAD-MSCs對(duì)氧化應(yīng)激導(dǎo)致奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞損傷的作用還不清楚。由于H2O2會(huì)使細(xì)胞氧化并產(chǎn)生具有高度活性的自由基,被廣泛用于細(xì)胞氧化應(yīng)激模型的構(gòu)建[15]。本試驗(yàn)使用H2O2構(gòu)建奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞氧化應(yīng)激模型并探討bAD-MSCs是否可以促進(jìn)氧化應(yīng)激狀態(tài)下奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞的遷移,以期為臨床上防治由氧化應(yīng)激導(dǎo)致的奶牛子宮內(nèi)膜上皮損傷提供新的思路。
1.1.1 主要試劑 DMEM/F12購(gòu)自Gibco公司;胎牛血清(FBS)購(gòu)自四季青公司;胰蛋白酶、青-鏈霉素、MTT試劑、活性氧檢測(cè)試劑盒、ECL顯影液均購(gòu)自Solarbio公司;H2O2購(gòu)自Simga公司;Erk抗體、pErk抗體、β-actin抗體均購(gòu)自Santa公司;辣根過(guò)氧化物酶(HRP)標(biāo)記的山羊抗鼠IgG二抗購(gòu)自BioBasic公司。
1.1.2 主要儀器 細(xì)胞培養(yǎng)箱(CB160)購(gòu)自Binder公司;酶標(biāo)儀(Elx800)購(gòu)自BioTek公司;流式細(xì)胞儀(CytoFLEX)購(gòu)自Beckman公司;蛋白成像系統(tǒng)(Amersham Imager 600)購(gòu)自Cytiva公司。
1.2.1 細(xì)胞的復(fù)蘇與傳代培養(yǎng) 將黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動(dòng)物產(chǎn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室分離培養(yǎng)并鑒定的原代bAD-MSCs與奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞復(fù)蘇并接種至培養(yǎng)皿中,待細(xì)胞匯合度達(dá)到80%~90%時(shí),使用0.25%的胰蛋白酶消化細(xì)胞,待大部分細(xì)胞從培養(yǎng)皿底部脫落下來(lái)時(shí),加入含10% FBS的培養(yǎng)基終止消化。隨后將終止消化的細(xì)胞懸液以1 000 r/min離心3 min并重懸,以1∶2進(jìn)行傳代培養(yǎng),使用第4代細(xì)胞進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。
1.2.2 H2O2誘導(dǎo)奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞氧化應(yīng)激最佳濃度篩選 將奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞以每孔1×104個(gè)接種于96孔板中,待細(xì)胞匯合度為80%~90%時(shí),棄去培養(yǎng)液,分別加入含有0(對(duì)照組)、5、25、50、100、200 μmol/L H2O2的培養(yǎng)基(DMEM/F12+1% FBS),分別刺激2、4、6、8、12 h,每組3個(gè)重復(fù)。在每孔中加入5 g/L MTT溶液10 μL,于37 ℃培養(yǎng)箱中避光孵育2 h,每孔加入100 μL細(xì)胞級(jí)二甲基亞砜(DMSO)溶液,于37 ℃培養(yǎng)箱中避光孵育10 min,測(cè)定各組D490 nm值,計(jì)算細(xì)胞存活率。細(xì)胞存活率(%)=(試驗(yàn)組D490 nm/對(duì)照組D490 nm)×100%。
1.2.3 H2O2誘導(dǎo)奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞氧化應(yīng)激最佳時(shí)間篩選 將奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞以每孔2.5×105個(gè)接種于6孔板中,待細(xì)胞匯合度為80%~90%時(shí),棄培養(yǎng)液,對(duì)照組加入不含H2O2的培養(yǎng)基,H2O2刺激組加入含50 μmol/L H2O2培養(yǎng)基,在2、4、6、8、12 h收集細(xì)胞,使用PBS充分洗滌,離心后加入10 μmol/L DCFH-DA熒光探針重懸細(xì)胞,37 ℃避光孵育15 min,用PBS洗掉多余探針,用流式細(xì)胞儀在激發(fā)光488 nm、發(fā)射光525 nm下檢測(cè)熒光強(qiáng)度。
1.2.4 bAD-MSCs對(duì)氧化應(yīng)激狀態(tài)下奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞遷移的影響 將奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞以每孔2×105個(gè)接種于6孔板中,待細(xì)胞匯合度為80%~90%時(shí),棄培養(yǎng)液,對(duì)照組加入無(wú)H2O2的培養(yǎng)基,試驗(yàn)組加入50 μmol/L H2O2的培養(yǎng)基,2 h后使用200 μL槍頭均勻劃線,用PBS洗去死細(xì)胞,拍照記錄,此時(shí)記為劃痕0 h。將培養(yǎng)基全部更換為無(wú)H2O2的培養(yǎng)基,試驗(yàn)組使用孔徑為0.4 μm的transwell,根據(jù)與奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞共培養(yǎng)的細(xì)胞類(lèi)型及小室接種細(xì)胞的密度構(gòu)建不同的間接共培養(yǎng)體系,分為對(duì)照組、H2O2組、H2O2處理奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞與bAD-MSCs按1∶0.5、1∶1共培養(yǎng)組(H2O2+bAD-MSCs(1∶0.5)組、H2O2+bAD-MSCs(1∶1)組)、H2O2處理奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞與奶牛乳腺上皮細(xì)胞(MACT)按1∶0.5、1∶1共培養(yǎng)組(H2O2+MACT(1∶0.5)組、H2O2+MACT(1∶1))組6組,按以上順序記為1、2、3、4、5、6,24 h后拍照記錄,記為劃痕24 h。使用ImageJ v1.51測(cè)量劃痕之間的面積,分別與各組劃痕0 h比較評(píng)估細(xì)胞遷移能力。
1.2.5 bAD-MSCs對(duì)氧化應(yīng)激狀態(tài)下奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞中Erk蛋白表達(dá)水平的影響 收集1.2.4中各組奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞,使用RIPA裂解液提取蛋白,使用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定蛋白濃度,根據(jù)蛋白濃度計(jì)算蛋白上樣量,蛋白樣品與蛋白上樣緩沖液混合,每孔上樣量為15 μL,SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳,濕轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)移至NC膜上,50 g/L脫脂奶粉室溫下封閉1 h,與β-actin(1∶1 000)、Erk(1∶1 000)、pErk(1∶1 000)抗體4 ℃過(guò)夜孵育,室溫下使用HRP標(biāo)記的山羊抗鼠IgG二抗(1∶3 000)孵育1 h,曝光顯影,利用ImageJ v1.51統(tǒng)計(jì)灰度值,計(jì)算pErk與Erk的比值表示pErk蛋白的相對(duì)表達(dá)量。
用SPSS 26.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA),組間差異采用鄧肯氏多重比較,結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,P<0.05表示差異顯著。用GraphPad Prism 8.0.2軟件進(jìn)行繪圖。
由圖1可知,5 μmol/L H2O2刺激奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞2 h時(shí),細(xì)胞存活率顯著高于對(duì)照組(P<0.05),4、6、8、12 h組細(xì)胞存活率均低于對(duì)照組(P<0.05);25、50、100、200 μmol/L H2O2組細(xì)胞存活率均低于對(duì)照組(P<0.05),分別為70%~90%、50%~80%、10%~60%、10%~30%。因此,選取50 μmol/L H2O2構(gòu)建氧化應(yīng)激模型。
與0 μmol/L H2O2組相比,*,差異顯著(P<0.05)
由圖2可知,用50 μmol/L H2O2刺激2 h時(shí),細(xì)胞內(nèi)ROS水平顯著高于對(duì)照組(P<0.05),4、6、8、12 h組ROS水平均顯著低于2 h組(P<0.05)。因此,后續(xù)試驗(yàn)選取50 μmol/L H2O2刺激2 h構(gòu)建奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞氧化應(yīng)激模型。
①A,流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)ROS的生成情況;B,ROS生成定量分析。②肩標(biāo)不同字母表示差異顯著(P<0.05);肩標(biāo)相同字母表示差異不顯著(P>0.05)。下同
由圖3、4可知,與對(duì)照組相比,50 μmol/L H2O2組奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞的遷移能力顯著降低(P<0.05);與H2O2組相比,bAD-MSCs共培養(yǎng)組奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞的遷移能力均顯著增加(P<0.05),MACT共培養(yǎng)組奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞的遷移能力均顯著降低(P<0.05),且1∶0.5 bAD-MSCs和1∶1 MACT共培養(yǎng)組奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞的遷移能力分別顯著低于1∶1 bAD-MSCs和1∶0.5 MACT共培養(yǎng)組(P<0.05)。
1,對(duì)照組;2,H2O2組;3,H2O2+bAD-MSCs(1∶0.5)組;4,H2O2+bAD-MSCs(1∶1)組;5,H2O2+MACT(1∶0.5)組;6,H2O2+MACT(1∶1)組。圖4、5同
圖4 各組奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞劃痕間面積定量分析
由圖5可知,與對(duì)照組相比,50 μmol/L H2O2組奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞中pErk蛋白表達(dá)水平顯著降低(P<0.05);與H2O2組相比,bAD-MSCs共培組奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞中pErk蛋白表達(dá)水平均顯著升高(P<0.05),MACT共培養(yǎng)組奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞中pErk蛋白表達(dá)水平均顯著降低(P<0.05),且1∶0.5 bAD-MSCs和1∶1 MACT共培養(yǎng)組奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞中pErk蛋白表達(dá)水平分別顯著低于1∶1 bAD-MSCs和1∶0.5 MACT共培養(yǎng)組(P<0.05)。
A,pErk、Erk蛋白Western blotting檢測(cè);B,pErk和Erk蛋白比值
氧化應(yīng)激是指機(jī)體內(nèi)ROS生成過(guò)多、抗氧化能力下降造成的細(xì)胞及組織損傷,奶牛在圍產(chǎn)期經(jīng)歷了營(yíng)養(yǎng)、激素等多種變化導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)ROS產(chǎn)生增多,使子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能被破壞,從而易于被病原微生物感染。當(dāng)細(xì)菌侵入子宮內(nèi)膜后,中性粒細(xì)胞首先到達(dá)炎癥部位去吞噬病原微生物,在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量ROS,此時(shí)ROS除了會(huì)造成細(xì)胞組織損傷外,還會(huì)通過(guò)激活細(xì)胞信號(hào)級(jí)聯(lián)促進(jìn)白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、IL-6等促炎細(xì)胞因子,加劇炎癥反應(yīng),所以對(duì)ROS造成細(xì)胞及組織損傷的修復(fù)對(duì)疾病的治療也十分重要,但此過(guò)程在體外模擬較為困難。H2O2作為一種常見(jiàn)的ROS,通常被用于探究自由基介導(dǎo)的氧化損傷機(jī)制及抗氧化劑對(duì)氧化損傷的修復(fù)機(jī)制,因此本研究選擇H2O2作為奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞氧化應(yīng)激模型的應(yīng)激源。細(xì)胞存活率和細(xì)胞內(nèi)ROS水平是評(píng)估造模是否成功的關(guān)鍵指標(biāo),最佳的造模條件既要極大程度減輕細(xì)胞損傷又要使ROS水平顯著升高,目前的試驗(yàn)結(jié)果顯示50%~80%的細(xì)胞存活率均可以造模成功[16-18]。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),5 μmol/L H2O2刺激2 h時(shí),細(xì)胞存活率高于100%,這是因?yàn)镠2O2在低濃度時(shí)可以作為第二信使刺激細(xì)胞增殖[19-22],H2O2濃度為25、50、100、200 μmol/L時(shí)細(xì)胞存活率分別為70%~90%、50%~80%、10%~60%、10%~30%,細(xì)胞存活率低于50%時(shí)細(xì)胞大量死亡且形成不可逆損傷,不適合作為造模條件[21],因此本試驗(yàn)最終選擇用50 μmol/L H2O2作為最佳刺激濃度。為了進(jìn)一步篩選最佳作用時(shí)間,本試驗(yàn)使用流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)ROS水平,結(jié)果表明,在2 h時(shí)細(xì)胞內(nèi)ROS水平較對(duì)照組顯著升高,而4、6、8、12 h組較2 h組呈現(xiàn)出降低的結(jié)果,這是由于ROS僅在活細(xì)胞中可以檢測(cè)出,隨著作用時(shí)間延長(zhǎng),奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞的存活率逐漸降低,ROS含量下降,僅能說(shuō)明活細(xì)胞中的ROS含量下降,這并不能代表由H2O2刺激產(chǎn)生總ROS的含量[22]。本研究使用50 μmol/L H2O2刺激奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞2 h來(lái)構(gòu)建氧化應(yīng)激模型并進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。這與張夢(mèng)龍[23]、趙璧忱[24]得出的400 μmol/L H2O2刺激2 h有所區(qū)別,可能是由于H2O2化學(xué)性質(zhì)活潑、不穩(wěn)定,且不同的儲(chǔ)存方式與其化學(xué)活性也息息相關(guān),因此關(guān)于構(gòu)建氧化應(yīng)激模型的濃度和時(shí)間在不同實(shí)驗(yàn)室之間均存在較大的差異。另外,細(xì)胞的不同培養(yǎng)方法也可能會(huì)影響其對(duì)H2O2的耐受性,如不同的細(xì)胞培養(yǎng)液、凍存液及細(xì)胞在培養(yǎng)皿(瓶)的匯合度等。
MSCs作為一種多能干細(xì)胞,在現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)中已被廣泛應(yīng)用于組織再生和自身免疫性疾病的治療[25],MSCs主要通過(guò)以下2種方式實(shí)現(xiàn)損傷組織的修復(fù),第一種是通過(guò)其歸巢能力遷移到受損部位發(fā)揮其功能[26],但是移植MSCs在臨床上具有一定風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn),移植細(xì)胞存活率低、免疫排斥反應(yīng)、到達(dá)損傷部位時(shí)間長(zhǎng),甚至動(dòng)脈內(nèi)注射MSCs可導(dǎo)致心肌微梗死的發(fā)生[27];第二種是通過(guò)其旁分泌功能促進(jìn)細(xì)胞的增殖遷移進(jìn)而使受損組織或器官得以修復(fù)[28]。所以本研究使用細(xì)胞劃痕試驗(yàn)并通過(guò)transwell構(gòu)建共培養(yǎng)體系來(lái)探究bAD-MSCs是否可以通過(guò)旁分泌作用對(duì)氧化應(yīng)激狀態(tài)下奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞遷移起到積極作用。試驗(yàn)結(jié)果表明,與對(duì)照組相比,H2O2刺激降低了奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞的遷移能力,而與H2O2組相比,bAD-MSCs共培養(yǎng)組奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞的遷移能力顯著增強(qiáng),這可能是因?yàn)镸SCs通過(guò)其旁分泌作用產(chǎn)生了豐富的生物活性分子,包括生長(zhǎng)因子、趨化因子、細(xì)胞因子和小細(xì)胞外囊泡(如外泌體)等介質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)和損傷組織的修復(fù)。而MACT共培養(yǎng)組奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞表現(xiàn)為遷移能力降低,這是因?yàn)樵贛ACT共培養(yǎng)組中劃痕處有大量細(xì)胞壞死,脫離培養(yǎng)板底部,使劃痕之間的面積增加,另外未發(fā)生氧化應(yīng)激的MACT也可能會(huì)競(jìng)爭(zhēng)性地吸收培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)成分,加劇細(xì)胞壞死進(jìn)程。
研究發(fā)現(xiàn),Erk蛋白參與調(diào)控多種生理病理過(guò)程中的細(xì)胞增殖與遷移[29-30],Shabbir等[31]研究證明,MSCs的外泌體可以通過(guò)Erk1/2信號(hào)通路促進(jìn)正常和慢性創(chuàng)傷性成纖維細(xì)胞的遷移。本研究結(jié)果顯示,bAD-MSCs共培養(yǎng)組奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞中pErk蛋白水平較H2O2組顯著升高,但是與對(duì)照組相比,其遷移能力較高,pErk蛋白水平卻較低,這提示MSCs的旁分泌功能對(duì)細(xì)胞遷移的影響不僅是通過(guò)調(diào)控Erk信號(hào)通路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。有研究表明,MSCs可以通過(guò)旁分泌作用激活多種與傷口愈合相關(guān)的信號(hào)通路,如蛋白激酶B(Akt)、Erk、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3(STAT3),并誘導(dǎo)多種營(yíng)養(yǎng)因子的表達(dá)。特別是MSCs外泌體中含有STAT3,STAT3通過(guò)誘導(dǎo)大量基因表達(dá)以調(diào)控細(xì)胞增殖、遷移和血管生成,包括參與細(xì)胞周期控制的骨髓細(xì)胞瘤病毒癌基因同源物(c-myc)、細(xì)胞周期蛋白(cyclin)、IL-6、肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子(HGF)、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)[32-33],但其中所涉及的活性分子較多,機(jī)制復(fù)雜,且不同來(lái)源的MSCs分泌的活性分子在種類(lèi)與含量上均存在一定的差異,所以關(guān)于其具體的活性分子及調(diào)控機(jī)制需要進(jìn)一步深入探究。
本試驗(yàn)結(jié)果表明,用50 μmol/L H2O2刺激2 h可成功構(gòu)建奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞氧化應(yīng)激模型。bAD-MSCs可以促進(jìn)氧化應(yīng)激狀態(tài)下奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞的遷移,且參與調(diào)控Erk蛋白的表達(dá)。結(jié)果為臨床上治療由子宮感染造成的奶牛子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞氧化損傷提供了新的思路。