李晴晴,黃菊,孫洋,徐赟輝,王煉,張小鳳,王月月,耿志軍,宋雪,左蘆根,5,李靜,胡建國
蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院1檢驗科,3中心實驗室,4胃腸外科,安徽 蚌埠 233004;2蚌埠醫(yī)學(xué)院檢驗醫(yī)學(xué)院,安徽 蚌埠 233030;5炎癥相關(guān)性疾病基礎(chǔ)與轉(zhuǎn)化研究安徽省重點實驗室,安徽 蚌埠233004
克羅恩?。–D)是一種以腸道慢性復(fù)發(fā)性炎癥為主要表現(xiàn)的炎癥性腸?。↖BD),具有致殘性和不可治愈性等特點[1,2]。臨床上多使用生物抗炎制劑緩解CD患者的癥狀,但是并不能理想地控制疾病的手術(shù)率和復(fù)發(fā)率[3]。CD的發(fā)病率在我國呈現(xiàn)逐年升高的趨勢,而發(fā)病機制不明嚴(yán)重阻礙了疾病診療水平的提高[4]。正常情況下,腸上皮細(xì)胞、細(xì)胞間緊密連接以及菌膜三者構(gòu)成腸道的機械屏障,可阻止腸道內(nèi)細(xì)菌及其產(chǎn)生的脂多糖(LPS)等有害物質(zhì)損傷腸粘膜并進入血液循環(huán)[5]。然而,CD患者存在腸上皮細(xì)胞過度凋亡的病理特征,使得腸屏障結(jié)構(gòu)和功能破壞而參與加重腸炎進展[6-8]。因此,尋找以抑制腸上皮細(xì)胞凋亡并保護腸屏障的新型藥物將為CD診療提供新的參考。乙酰紫堇靈(Ace)是從中藥紫堇中提取的生物堿活性成分,具有抗炎作用,被證實可以抑制神經(jīng)元細(xì)胞凋亡進而緩解帕金森模型小鼠的癥狀[9],提示其可能具有潛在的抗腸炎和腸上皮細(xì)胞凋亡的作用,然而目前Ace在CD中的作用尚未見報道。本研究擬采用TNBS誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎模型,觀察Ace對CD樣腸炎的作用,以腸上皮細(xì)胞凋亡和腸屏障損傷為研究重點,分析Ace的作用途徑,并進一步使用脂多糖誘導(dǎo)的結(jié)腸類器官凋亡模型及網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析等技術(shù),探究Ace調(diào)控上皮細(xì)胞凋亡保護腸屏障的作用機制,以期為CD臨床治療提供依據(jù)。
6~8周齡,體質(zhì)量19~25 g的C57BL/6品系雄性野生型小鼠(WT)40只,購自江蘇集萃藥康生物科技股份有限公司。飼養(yǎng)環(huán)境為無特定病原菌(SPF),溫度22~25 ℃,相對濕度50%~70%,晝夜周期12 h/12 h,自由飲食。本研究通過蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院動物倫理委員會審查(倫理批準(zhǔn)號:[2021]第226號)。
Acetylcorynoline(上海源葉科技有限公司);2,4,6-三硝基苯磺酸(TNBS,Sigma)、脂多糖(LPS,Sigma)及牛血清白蛋白(BSA,Sigma);HE染色試劑盒(索萊寶科技有限公司);ZO-1、Claudin-1、C-caspase3、Bax、Bcl-2、AKT、PI3K、p-AKT、p-PI3K和β-actin(Abcam);740Y-P(MCE);細(xì)胞膜蛋白與細(xì)胞漿蛋白提取試劑盒(碧云天);Tunel細(xì)胞凋亡檢測試劑盒(武漢賽維爾生物科技有限公司);DMEM-F12(gibco);D-PBS(STEMCELL);溫和細(xì)胞解離試劑(GCDR,STEMCELL)、小鼠類器官培養(yǎng)基(STEMCELL)、鼠類器官生長因子(STEMCELL)、基質(zhì)膠(康寧)。
1.2.1 動物分組及處理 將WT小鼠隨機分為對照組(WT組)、模型組(TNBS組)和Ace干預(yù)組[Ace-10組(10 mg/kg Ace)、Ace-20組(20 mg/kg Ace)和Ace-40組(40 mg/kg Ace)],8只/組。TNBS組和Ace干預(yù)組小鼠進行TNBS造模,過程簡述如下:小鼠麻醉后(1%戊巴比妥鈉,腹腔注射,40 mg/kg),將聚乙烯軟管(3.5 F)連接1 mL注射器,經(jīng)肛門緩慢置入直腸(約4 cm),推注100 μL 的2.5%TNBS酒精溶液(5%TNBS與無水乙醇溶液1∶1混合),并倒立4 min。造模后,Ace干預(yù)組小鼠每日給予Ace灌胃(10、20、40 mg/kg,0.2 mL,1次/d,連續(xù)6 d),其余兩組每日均予等量生理鹽水灌胃。造模后第7天取檢結(jié)腸組織:一部分用10%福爾馬林中固定用于組織學(xué)分析;另一部分直接凍存于液氮中,用于分子生物學(xué)檢測。
1.2.2 結(jié)腸類器官提取、培養(yǎng)及干預(yù) 選取4只WT鼠進行結(jié)腸類器官的提取。簡述如下[10]:處死小鼠,取出結(jié)腸,剔除腸管附著的筋膜、脂肪和糞便。將組織轉(zhuǎn)移至EP管中,剪碎,進入預(yù)冷的D-PBS,吹打混勻后,待自然沉降后棄上清,重復(fù)沖洗數(shù)十次。加入GCDR,在4 ℃、70 r/min的搖床上孵育30 min,經(jīng)4 ℃、2500 r/min離心5 min后棄上清。使用基質(zhì)膠混合液在24孔板內(nèi)進行點膠。將24孔板移至37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱,孵育0.5~1 h。待膠凝固,加入小鼠腸類器官培養(yǎng)基。實驗隨機分為4組:Control組、脂多糖組、脂多糖+Ace組(Ace組)及脂多糖+Ace+740Y-P組(Ace+740Y-P組),Control組為正常培養(yǎng)的類器官;脂多糖組為類器官經(jīng)脂多糖(100 μg/mL)干預(yù)24 h;Ace組為類器官經(jīng)脂多糖(100 μg/mL)和Ace(20 μmol)同時干預(yù)24 h[11,12];Ace+740Y-P 組為類器官經(jīng)脂多糖(100 μg/mL)、Ace(20 μmol)和740Y-P(30 μg/mL)同時干預(yù)24 h[13]。收集各組類器官用于后續(xù)檢測。
1.2.3 疾病癥狀、結(jié)腸長度及腸炎組織學(xué)評估 每日記錄各組小鼠體質(zhì)量;取檢當(dāng)天采用腸炎疾病活動度(DAI)評估小鼠疾病癥狀,DAI=(體質(zhì)量指數(shù)+大便形狀+出血情況)/3,分值范圍為0~4分,評分越高提示腸炎臨床癥狀越重[14];取檢時測量各組小鼠結(jié)腸長度;對小鼠結(jié)腸組織切片進行常規(guī)HE染色及結(jié)腸組織病理學(xué)評分,該量表評分范圍為0~4分,0分為無炎癥;1分為少量炎性細(xì)胞浸潤固有層;2分為單核細(xì)胞浸潤導(dǎo)致隱窩分離和輕度粘膜增生;3分為大量炎性細(xì)胞浸潤導(dǎo)致粘膜結(jié)構(gòu)紊亂,杯狀細(xì)胞丟失和明顯的粘膜增生;4分為隱窩膿腫和潰瘍,分值越高代表腸炎越重[15]。
1.2.4 評估Ace對腸屏障功能的影響(1)石蠟切片免疫熒光染色:將固定后的結(jié)腸組織進行石蠟包埋,制作4 μm厚度切片,切片經(jīng)烤片、脫蠟水化、抗原修復(fù)、5%BSA封閉后,孵育一抗(Claudin-1,1∶400)和熒光二抗,滴加DAPI染核,70%甘油封片;(2)結(jié)腸類器官免疫熒光染色:結(jié)腸類器官經(jīng)4%多聚甲醛固定、30%蔗糖溶液孵育、1%Triton破膜、5%BSA封閉、孵育Claudin-1抗體和熒光二抗,滴加DAPI染核,使用明膠溶液重懸類器官,置于共聚焦中采集照片;(3)Western blot檢測:依據(jù)細(xì)胞膜蛋白與細(xì)胞漿蛋白提取試劑盒操作說明書,提取小鼠結(jié)腸組織及結(jié)腸類器官中總蛋白和細(xì)胞膜蛋白,經(jīng)SDS-PAGE電泳、轉(zhuǎn)膜、封閉、孵育一抗(ZO-1、Claudin-1和β-actin,1∶1000)和HRP標(biāo)記的二抗,再經(jīng)ECL超敏發(fā)光液顯色和采集圖片。最后,通過ImageJ軟件分析目的條帶的灰度值,并計算蛋白相對表達(dá)量。
1.2.5 評估Ace對腸上皮細(xì)胞凋亡的影響(1)Tunel染色:根據(jù)Tunel檢測試劑盒操作步驟對脫蠟水化后的結(jié)腸組織切片染色。隨機挑選5個不重復(fù)視野,計算細(xì)胞凋亡率:細(xì)胞凋亡率(%)=(凋亡細(xì)胞數(shù)/總細(xì)胞數(shù))×100%;(2)凋亡相關(guān)蛋白的Western blot 檢測:Ccaspase3、Bax和Bcl-2(1∶1000),步驟同上。
1.2.6 網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析 篩選Ace潛在作用靶點及CD相關(guān)靶點:首先從PubChem 數(shù)據(jù)庫獲得Ace 的SMILES結(jié)構(gòu)式,將其導(dǎo)入Swiss Target Prediction數(shù)據(jù)庫[16],以可能性(probability>0)為限制條件篩選Ace潛在作用靶點。利用GeneCards數(shù)據(jù)庫檢索CD相關(guān)靶點并剔除得分較低的靶點。將篩選得到的Ace潛在作用靶點及CD相關(guān)靶點導(dǎo)入Venny 2.1 在線工具繪制韋恩圖,得到二者共同靶點基因。將交集靶點導(dǎo)入String數(shù)據(jù)庫,得到蛋白互作網(wǎng)絡(luò)圖(PPI)。最后采用DAVID數(shù)據(jù)庫對交集基因進行京都基因與基因組百科全書(KEGG)通路富集分析,限定物種為“Homo Sapiens”,并將KEGG富集的通路選擇前15條進行可視化處理。
1.2.7 評估Ace體內(nèi)外干預(yù)對PI3K-AKT信號通路的影響 Western blot檢測AKT、PI3K、p-AKT和p-PI3K(1∶1000)的蛋白表達(dá)量,方法同實驗方法1.2.4 中Western blot檢測。
1.2.8 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 26.0軟件進行數(shù)據(jù)分析,每組試驗至少重復(fù)3次,且所有數(shù)據(jù)均以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。兩組之間的比較采用t檢驗(參數(shù))或Mann-Whitney test(非參數(shù))。當(dāng)P<0.05時認(rèn)為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
與TNBS組相比,Ace干預(yù)后小鼠的平均體質(zhì)量逐漸增加(圖1A)和DAI評分顯著降低(P<0.05,圖1B)。根據(jù)體質(zhì)量變化和DAI評分的結(jié)果發(fā)現(xiàn),20 mg/kg的Ace給藥劑量治療結(jié)腸炎的效果最佳(圖1)。
圖1 Ace干預(yù)對TNBS模型小鼠疾病癥狀的影響Fig. 1 Effect of acetylcorynoline (Ace) on disease symptoms of TNBS-induced mice.A: Changes of body weight.B:Changes of DAI scores.*P<0.05 vs WT group.#P<0.05 vs TNBS.
相比于TNBS組,Ace-20組小鼠結(jié)腸長度明顯增加(P<0.05,圖2A、B)。HE 染色和組織學(xué)評分顯示,Ace-20組小鼠腸炎組織學(xué)評分減低(P<0.05,圖2C、D)。
圖2 Ace干預(yù)對TNBS模型小鼠腸道炎癥的影響Fig. 2 Effect of acetylcorynoline(Ace)on intestinal inflammation in TNBS mice.A,B:Comparison of colon length among different groups.C:HE staining of the colon tissue.D:Histopathological score of the colon.*P<0.05 vs WT group.#P<0.05 vs TNBS group.
TNBS組小鼠結(jié)腸組織中Claudin-1存在缺失及移位,而經(jīng)Ace 治療后得到明顯改善(圖3A)。Western blot檢測結(jié)果表明,與TNBS組相比,Ace-20組小鼠結(jié)腸組織及細(xì)胞膜中Claudin-1和ZO-1的蛋白表達(dá)水平均顯著升高(P<0.05,圖3B~E)。
圖3 Ace干預(yù)對TNBS模型小鼠腸屏障結(jié)構(gòu)的影響Fig. 3 Effect of acetylcorynoline(Ace)on intestinal barrier structure of TNBS mice.A:Immunofluorescence assay of claudin-1 expression in the colon of the mice. B, C: Western blotting of claudin-1 and ZO-1 expressions in the colon tissues.D,E:Western blotting of cell membrane proteins of claudin-1 and ZO-1.*P<0.05 vs WT group.#P<0.05 vs TNBS group.
Tunel檢測發(fā)現(xiàn),與TNBS組相比,Ace-20組結(jié)腸組織中腸上皮細(xì)胞凋亡的數(shù)量減少(P<0.05,圖4A、B)。Western blot結(jié)果表明,Ace-20組結(jié)腸組織中抗凋亡蛋白Bcl-2 的表達(dá)上調(diào),而凋亡蛋白C-caspase3 及Bax的水平降低(P<0.05,圖4C、D)。
圖4 Ace干預(yù)對TNBS模型小鼠腸上皮細(xì)胞凋亡的影響Fig. 4 Effect of acetylcorynoline(Ace)on intestinal epithelial cell apoptosis in TNBS mice.A:TUNEL staining of the colon tissue.B:Apoptosis rate of intestinal epithelial cells.C,D:Western blotting of C-caspase3,Bax and Bcl-2.*P<0.05 vs WT.#P<0.05 vs TNBS.
免疫熒光結(jié)果顯示,脂多糖組結(jié)腸類器官中Claudin-1存在缺失,而經(jīng)Ace干預(yù)后明顯改善(圖5A)。與脂多糖組相比,Ace組結(jié)腸類器官組織和細(xì)胞膜中Claudin-1 和ZO-1 的蛋白表達(dá)明顯升高(P<0.05,圖5B~E)。
圖5 Ace干預(yù)對脂多糖誘導(dǎo)的腸類器官屏障結(jié)構(gòu)的影響Fig. 5 Effect of Ace on barrier structure of LPS-induced colonic organoid. A: Immunofluorescence assay of claudin-1 in colonic organoid. B, C: Western blotting of claudin-1 and ZO-1 in colonic organoid tissues. D, E: Western blotting of membrane proteins of claudin-1 and ZO-1.*P<0.05 vs Control group.#P<0.05 vs LPS group.
與脂多糖組相比,Ace組抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá)顯著上調(diào),而凋亡蛋白C-caspase3及Bax的表達(dá)則顯著降低(P<0.05,圖6A、B)。
Venny圖顯示,Ace和CD潛在交集作用靶點共有45個(圖7A),并導(dǎo)入String數(shù)據(jù)庫得出PPI網(wǎng)絡(luò)圖(圖7B)。此外,KEGG通路富集預(yù)測分析表明,PI3K-AKT信號通路與Ace治療CD具有相關(guān)性(圖7C)。
圖7 網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析結(jié)果Fig. 7 Results of network pharmacological analysis.A:Venn diagram of CD gene-Ace target genes.B:PPI network diagram.C:KEGG enrichment pathways of the intersection targets ofAce and CD.
相對于TNBS組小鼠(圖8A、B)和脂多糖誘導(dǎo)的結(jié)腸類器官(圖8C、D),經(jīng)Ace干預(yù)后Ace組中p-PI3K及p-AKT蛋白表達(dá)水平均顯著降低(P<0.05)。
圖8 Ace干預(yù)對體內(nèi)和體外PI3K/AKT通路的影響Fig. 8 Effect of Ace on the PI3K/AKT pathway in both the in vivo and in vitro models.A,B:Western blotting of PI3K,p-PI3K,AKT and p-AKT expressions in the in vivo model.C, D: Western blotting of PI3K,p-PI3K,AKT and p-AKT expressions in the in vitro model.*P<0.05 vs WT and Control groups.#P<0.05 vs TNBS and LPS groups.
與Ace組相比,經(jīng)PI3K-AKT激活劑740Y-P干預(yù)后,p-PI3K 及p-AKT 的蛋白表達(dá)水平增加(P<0.05,圖9A、B),Ace+740Y-P組結(jié)腸類器官中Bcl-2的表達(dá)降低,而C-caspase3 和Bax 的表達(dá)水平上調(diào)(P<0.05,圖9C、D)。
圖9 PI3K-AKT信號通路激活劑對Ace治療腸上皮細(xì)胞凋亡的影響Fig. 9 Effect of PI3K-AKT signaling pathway activator on Ace-treated intestinal epithelial cell apoptosis. A, B: Western blotting of PI3K,p-PI3K,AKT and p-AKT expressions in vitro. C, D:Western blotting of C-caspase3,Bax and Bcl-2 expressions in vitro.*P<0.05 vsAce.
目前CD仍無法治愈,臨床上還是以藥物治療為主,但是存在大量副作用[17]。因此,尋找新的且安全有效的藥物仍是當(dāng)前探索CD治療的主要策略[18-20]。本文通過體內(nèi)與體外研究,證實Ace可能是通過抑制PI3K/AKT信號的激活減少腸上皮細(xì)胞凋亡,進而保護腸屏障和發(fā)揮抗腸炎的作用。
中藥因其整體性治療及安全性等優(yōu)勢,有望在CD治療中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[21]。近年來,有研究報道中藥成分對于治療TNBS模型小鼠CD樣腸炎有較好的緩解作用。例如,綠茶多酚(GTP)是綠茶中的天然藥效成分之一,可發(fā)揮抗炎及腸粘膜屏障結(jié)構(gòu)保護作用[22];黨參總皂苷(TSC)是黨參中重要的活性成分之一,對TNBS誘導(dǎo)的大鼠腸粘膜損傷具有顯著的保護作用[23]。Ace是中藥紫堇中的生物堿成分,具有抗炎作用,可顯著抑制LPS刺激樹突狀細(xì)胞(DC)分泌TNF-α和IL-6等炎性因子[24];在小鼠實驗性肝損傷時,紫堇靈及乙酰紫堇靈可減輕肝臟損害程度,尤以乙酰紫堇靈作用最為顯著[25]。Ace的抗炎作用表明其可能在CD中具有潛在的治療價值?;诖?,本文首次應(yīng)用Ace探究其在TNBS模型小鼠腸炎中的作用效果。本文發(fā)現(xiàn),Ace干預(yù)后結(jié)腸炎小鼠的體質(zhì)量、結(jié)腸長度、DAI和腸炎評分得到了改善,以及結(jié)腸組織幾乎未見紅腫和炎癥細(xì)胞的浸潤,這些數(shù)據(jù)表明Ace可緩解CD樣結(jié)腸炎。CD患者常伴有腸屏障損傷,且越來越多的研究證明腸屏障結(jié)構(gòu)損傷和功能障礙影響腸炎進展[26]。于是,我們使用TNBS小鼠和脂多糖誘導(dǎo)的結(jié)腸類器官模型,證實Ace改善了結(jié)腸組織和類器官中Claudin-1缺失和移位,且促進Claudin-1和ZO-1的表達(dá)水平。以上結(jié)果均表明Ace具有抗腸炎及保護腸屏障的作用,但是調(diào)控機制不明。
細(xì)胞凋亡是維持腸上皮細(xì)胞正常功能的重要環(huán)節(jié),但在病理狀態(tài)下腸上皮細(xì)胞的異常凋亡會破壞腸粘膜的完整性和屏障功能[27,28]。研究顯示,CD患者腸上皮細(xì)胞凋亡率顯著增加[29]。因此,抗上皮細(xì)胞凋亡可作為改善CD腸屏障功能受損的一種干預(yù)模式。有文獻報道乙酰紫堇靈可能通過降低egl-1的表達(dá)抑制細(xì)胞凋亡途徑,進而減少神經(jīng)元細(xì)胞的凋亡[9]。在本研究中,我們探討了Ace是否通過減少腸上皮細(xì)胞凋亡,進而發(fā)揮保護TNBS模型小鼠腸屏障的作用。體內(nèi)外實驗數(shù)據(jù)顯示,Ace干預(yù)顯著抑制腸上皮細(xì)胞凋亡,促進Bcl-2的表達(dá)量,且抑制C-caspase3及Bax的表達(dá)。以上結(jié)果均提示Ace干預(yù)可減少腸上皮細(xì)胞凋亡,這可能是Ace發(fā)揮對腸屏障保護作用的途徑之一,但是Ace抑制腸上皮細(xì)胞凋亡的機制有待進一步探索。
基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析技術(shù)探究Ace抗腸上皮細(xì)胞凋亡進而改善腸屏障可能的作用機制。通過數(shù)據(jù)庫分析最終得到45個Ace和CD的交集靶點,KEGG信號通路富集分析發(fā)現(xiàn)PI3K/AKT信號通路與Ace治療CD具有一定的相關(guān)性。PI3K/AKT信號通路能夠參與細(xì)胞凋亡、自噬和增殖等細(xì)胞生物學(xué)過程[30,31],且越來越多的證據(jù)表明PI3K/AKT參與CD疾病進展。有研究發(fā)現(xiàn)原花青素B2(PCB2)可能通過抑制腸道PI3K/AKT信號途徑對TNBS結(jié)腸炎模型小鼠發(fā)揮抗炎及腸粘膜功能和結(jié)構(gòu)的保護作用[32];黃芪苷(Baicalin)可通過抑制PI3K/AKT信號通路減少腸上皮細(xì)胞凋亡,增加緊密連接蛋白的表達(dá)進而減輕TNBS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎[33]。因此,我們推測Ace可能通過調(diào)控PI3K/AKT信號通路減少腸上皮細(xì)胞凋亡,進而改善腸屏障功能。通過Western blot驗證發(fā)現(xiàn),經(jīng)Ace干預(yù)后結(jié)腸組織和結(jié)腸類器官中的p-PI3K和p-AKT蛋白的表達(dá)顯著降低。體外上調(diào)PI3KAKT信號通路后,p-PI3K和p-AKT蛋白的表達(dá)升高,抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá)降低,而凋亡蛋白C-caspase3及Bax的表達(dá)則顯著升高。以上結(jié)果均提示,Ace可通過抑制PI3K-AKT信號通路發(fā)揮對TNBS模型小鼠腸炎和腸屏障功能的保護作用。
本研究具有一定的潛在臨床應(yīng)用價值,不僅擴充了Ace抗腸上皮細(xì)胞凋亡的生物學(xué)功能及機制,也擴大了Ace治療疾病的范圍,為CD的臨床藥物治療提供了重要參考。
本研究還存在一些不足:我們使用的是TNBS誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎模型,但目前還沒有更準(zhǔn)確的有關(guān)CD的動物模型;在該研究中發(fā)現(xiàn)Ace可通過減少腸上皮細(xì)胞凋亡保護腸屏障,但不排除Ace也可能通過其他作用途徑發(fā)揮抗腸炎的作用;Ace抑制腸上皮細(xì)胞凋亡可能與抑制PI3K/AKT信號激活有關(guān),但其也可能涉及其他的調(diào)控機制。
綜上所述,Ace可能通過抑制PI3K/AKT信號的激活,抑制腸上皮細(xì)胞凋亡,進而保護腸屏障受損和改善TNBS誘導(dǎo)的小鼠實驗性結(jié)腸炎。