蔣懷周,王 鍵,許晶晶,董繼揚(yáng)
(1.安徽中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)臨床學(xué)院,安徽 合肥230031;2.廈門大學(xué)電子科學(xué)系,福建省等離子體與磁共振研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門361005)
Wilson ?。╓ilson disease,WD)是一種常染色體隱性遺傳性疾病,由英國神經(jīng)病學(xué)家Samuel Alexander Kinnier 在1912 年首次描述而得名。該病患者由于ATP7B 基因缺陷,導(dǎo)致機(jī)體合成銅藍(lán)蛋白障礙、膽汁排銅減少,銅離子沉積于各組織器官[1]。若銅沉積于腎臟,可致腎小管損傷,重吸收功能發(fā)生障礙,引起相應(yīng)臨床表現(xiàn)。
中醫(yī)藥治療本病具有一定的優(yōu)勢(shì),其中,肝豆靈片以肝豆湯為基本方優(yōu)化組合而成,是安徽省中醫(yī)院院內(nèi)制劑,被應(yīng)用于臨床已有40 年歷史[2-3],臨床實(shí)踐及科研實(shí)驗(yàn)證明本方對(duì)WD 具有一定的排銅和治療作用[4-5]。本實(shí)驗(yàn)以代謝組學(xué)方法對(duì)肝豆靈干預(yù)的銅負(fù)荷大鼠腎組織進(jìn)行研究,期望從小分子代謝角度,探討肝豆靈的腎臟排銅機(jī)制。
硫酸銅(上海國藥集團(tuán));乙醚(上海蘇懿化學(xué)試劑有限公司);TUNEL 試劑盒(美國Roche 公司);甲醇(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);三氯甲烷(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。
SPF 級(jí)雄性Wistar 大鼠,3 月齡,體質(zhì)量(200±20)g,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物許可證號(hào):SCXK(皖)2011-002,由安徽醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供,飼養(yǎng)于安徽中醫(yī)藥大學(xué)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
石蠟切片機(jī)(安徽合肥電子研究所);病理圖像分析儀(武漢清平影像技術(shù)有限責(zé)任公司);Beckman 離心機(jī)(美國Beckman 公司);移液器(德國Eppendorf 公司);顯微鏡(日本Olympus 公司);高通量組織研磨器(寧波新芝生物科技股份有限公司);冷凍干燥機(jī)(北京博醫(yī)康試驗(yàn)儀器有限公司);布魯克600MHz 核磁共振譜儀(德國布魯克公司)。
造模過程中,正常組始終自由飲水?dāng)z食,模型組和肝豆靈組以銅負(fù)荷法[6]復(fù)制模型大鼠:連續(xù)12周喂飼含硫酸銅的飼料(1g/kg)和水(0.185%)。自第7 周開始,每日1 次,以肝豆靈灌胃肝豆靈組大鼠,藥物灌胃劑量為0.486g/kg;模型組和肝豆靈組以等容量生理鹽水灌胃。依據(jù)文獻(xiàn)[7],若偏最小二乘判別分析(PLS-DA)得分圖中,3 組大鼠分別處于不同區(qū)域,且組內(nèi)較為聚集,說明3 組大鼠代謝有差異,造模成功。造模過程中,去除不明原因死亡大鼠,剩余大鼠為正常組8 只,模型組10 只,肝豆靈組17 只。
造模結(jié)束后,將大鼠乙醚吸入麻醉,取新鮮腎組織,一份以液氮速凍后,置于超低溫冰箱-80℃保存,以備NMR 檢測(cè);另一份從每組隨機(jī)取6 個(gè)樣品,以10%中性緩沖福爾馬林固定,石蠟包埋,待測(cè)腎小管上皮細(xì)胞凋亡情況。
結(jié)合文獻(xiàn)[8],參照Roche 公司TUNEL 細(xì)胞凋亡檢測(cè)試劑盒說明書操作實(shí)驗(yàn)。正常腎小管上皮細(xì)胞核呈藍(lán)色,陽性細(xì)胞(凋亡細(xì)胞)核呈棕褐色者。每張片隨機(jī)取3 個(gè)腎小管視野,計(jì)算腎小管上皮細(xì)胞凋亡指數(shù)(Apoptosis Index,AI),計(jì)算方法:AI=凋亡細(xì)胞數(shù)/總細(xì)胞數(shù)×100%. 以SPSS19.0 統(tǒng)計(jì)軟件分析所得數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(x±s)表示,組間比較采用t 檢驗(yàn),以P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
將所取腎組織加入由甲醇和蒸餾水配置的溶液里,低溫勻漿;加氯仿漩渦;加蒸餾水漩渦;低溫高速(4℃,10 000r/min)離心樣品;所得上清液移至離心管;真空干燥箱抽干甲醇;凍干機(jī)中將剩余液體凍干成粉末,保存于超低溫冰箱-80℃。
常溫解凍粉末樣品,加入含TSP 的重水配置的磷酸鹽緩沖液震蕩;低溫離心(4℃,10 000r/min)10min,取上清液轉(zhuǎn)移至核磁管內(nèi)。以Bruker 600MHz譜儀核磁采樣,實(shí)驗(yàn)溫度296K。預(yù)飽和脈沖序列ZGPR(RD-90°-ACQ)采集1H NMR 譜,譜寬12kHz,弛豫延時(shí)2s,采樣點(diǎn)數(shù)32K,累加次數(shù)64 次。
MestreNova 9.0 軟件打開fid 數(shù)據(jù),傅里葉變換為NMR 譜。以TSP 譜峰為零點(diǎn)定標(biāo)NMR 譜,相位校正和基線校正NMR 譜,以自編軟件進(jìn)行譜峰對(duì)齊,截去殘余水信號(hào)和甲醇信號(hào)后,對(duì)剩余區(qū)域進(jìn)行分段積分。對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行概率商歸一化(PQN)[9],將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SIMCA-P 軟件(version 14.0,Umetrics,Sweden)進(jìn)行多變量分析。
腎小管上皮細(xì)胞凋亡檢測(cè)結(jié)果如圖1 所示:正常組腎小管上皮細(xì)胞凋亡較少,呈散在分布;與正常組相比,模型組上皮細(xì)胞凋亡指數(shù)增多(P<0.01);與模型組相比,肝豆靈組上皮細(xì)胞凋亡指數(shù)減少(P<0.01),見表1。
圖1 腎小管上皮細(xì)胞凋亡(TUNEL,×400)
表1 3 組大鼠腎小管上皮細(xì)胞凋亡指數(shù)
大鼠腎組織典型1H NMR 譜見圖2。參照相關(guān)文獻(xiàn)[10-11] 和HMDB 數(shù)據(jù)庫(http://www.hmdb.ca),將代謝物作出如下歸屬:
為了分別分析3 組代謝物之間的差異,我們對(duì)樣品預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行PLS-DA 分析。根據(jù)PLS-DA 得分圖里點(diǎn)的聚集情況可以判斷樣品類別差異,本實(shí)驗(yàn)3 組樣品分別在得分圖(圖3)中處于不同區(qū)域,說明樣品間存在代謝差異。R2X、R2Y 和Q2是所建立模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),交叉核實(shí)參數(shù)Q2是模型的累積預(yù)測(cè)程度,可反映預(yù)測(cè)結(jié)果的真實(shí)性,Q2>0.4 時(shí)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果可通過[12],而本實(shí)驗(yàn)正常組-模型組-肝豆靈組、正常組-模型組、模型組-肝豆靈組的Q2分別為0.939,0.977,0.942。對(duì)本實(shí)驗(yàn)樣品的PLS-DA 模型進(jìn)行200次的排列實(shí)驗(yàn),如圖4 所示,正常組-模型組、模型組-肝豆靈組模型的解釋能力R2和預(yù)測(cè)能力Q2擬合線斜率大于0,提示它們?cè)赑LS-DA 模型得分圖的區(qū)分并非偶然,模型有效,驗(yàn)證通過,結(jié)合本實(shí)驗(yàn)細(xì)胞凋亡結(jié)果,說明造模成功[7],藥物干預(yù)有效。
圖2 3 組大鼠腎組織的典型1H NMR 譜
圖3 腎組織樣品的PLS-DA 得分圖
圖4 腎組織樣品的PLS-DA 模型驗(yàn)證圖
根據(jù)代謝物譜峰在PLS-DA 模型的VIP 值、回歸系數(shù)值以及t 檢驗(yàn)結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)了一些對(duì)3 組組間差異貢獻(xiàn)較大的代謝物,并將這些差異代謝物列入表2。
腎臟是機(jī)體代謝最重要的器官之一,通過尿液的生成和排泄,它可以排出人體大部分的代謝最終產(chǎn)物,調(diào)節(jié)人體水、電解質(zhì)和酸堿平衡,維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。WD 患者腎組織銅含量約比正常人高10 倍左右,由于腎小管上皮細(xì)胞的特殊結(jié)構(gòu)和功能,銅主要沉積在WD 患者腎臟近端小管、遠(yuǎn)端小管,腎小球囊亦有銅粒沉著。光鏡下可見患者近端腎小管上皮細(xì)胞扁平化、基底膜增厚、刷狀緣消失,部分遠(yuǎn)端小管上皮輕度脂肪變性,腎小球毛細(xì)血管管腔狹窄或者閉塞。隨著病情加重,患者可出現(xiàn)腎小管重吸收功能障礙,臨床表現(xiàn)為腎性糖尿、蛋白尿和氨基酸尿等,少數(shù)患者可發(fā)生腎小管性酸中毒、腎病綜合征等[13]。本實(shí)驗(yàn)?zāi)P徒M大鼠腎組織細(xì)胞凋亡指數(shù)增高,肝豆靈組大鼠腎組織細(xì)胞凋亡指數(shù)降低,說明銅負(fù)荷造模對(duì)大鼠腎臟造成了一定的損傷,而肝豆靈可有效抑制銅負(fù)荷所導(dǎo)致的腎損傷。
表2 大鼠腎組織特征代謝物
肝豆靈主要由大黃、黃連、黃芩、半枝蓮、穿心蓮、萆薢、澤瀉、金錢草等組成。其中,大黃清熱通腑,蕩滌熱結(jié),黃連、黃芩、半枝蓮、穿心蓮苦寒清熱,瀉火解毒,萆薢、澤瀉、金錢草瀉熱通淋、利濕祛濁。以上諸藥合用,可起到清熱解毒,通腑利尿的作用,不僅能夠促進(jìn)尿銅的排泄,還可以促進(jìn)銅從其正常渠道膽汁排出。以肝豆靈治療WD 腎損傷患者,發(fā)現(xiàn)本方可降低患者的尿微量蛋白含量,提示肝豆靈對(duì)WD 腎損傷具有一定的干預(yù)作用[14]。本方的君藥是大黃,現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn),以大黃水煎劑干預(yù)慢性腎功能衰竭大鼠,可降低模型大鼠血清肌酐和尿素氮水平,改善腎性貧血癥狀,糾正鈣、磷、鎂等電解質(zhì)代謝紊亂和酸中毒,改善蛋白質(zhì)代謝紊亂,對(duì)腎小管損傷有一定的保護(hù)作用[15]。在同樣是金屬中毒所致的腎損傷研究中發(fā)現(xiàn),大黃的有效成分大黃酸可降低鎘中毒所引起的氧化應(yīng)激反應(yīng),減輕亞慢性鎘中毒小鼠的腎損傷[16]。本方其他成分如半枝蓮具有抗氧化活性,能夠減輕小鼠腎臟氧化應(yīng)激所致細(xì)胞凋亡[17],黃連[18]、黃芩[19]、萆薢[20]、金錢草[21]、澤瀉[22]對(duì)多種腎臟損傷具有不同角度的干預(yù)作用。
本實(shí)驗(yàn)以肝豆靈干預(yù)銅負(fù)荷模型大鼠,結(jié)果顯示模型大鼠苯丙氨酸、丙氨酸、酪氨酸、谷氨酸、賴氨酸、纈氨酸、亮氨酸、肌苷、天冬氨酸含量降低,給予肝豆靈干預(yù)后,這些小分子含量有所恢復(fù)。
苯丙氨酸和酪氨酸屬于芳香族氨基酸,苯丙氨酸羥化酶可催化苯丙氨酸生成酪氨酸。腎臟與芳香族氨基酸的合成、分解和排泄密切相關(guān),是體內(nèi)芳香族氨基酸代謝的主要器官之一[23],也是苯丙氨酸轉(zhuǎn)化為酪氨酸的一個(gè)重要場(chǎng)所[24]。文獻(xiàn)報(bào)道通過測(cè)芳香族氨基酸含量,可以幫助探知腎損傷情況[25-26]。在代謝組學(xué)研究中亦發(fā)現(xiàn),腎損傷時(shí)芳香族氨基酸含量具有一定的改變[16,27],本實(shí)驗(yàn)?zāi)P徒M大鼠腎組織苯丙氨酸和酪氨酸含量發(fā)生了變化,與以上研究結(jié)果相符。經(jīng)肝豆靈干預(yù)后,大鼠這兩種氨基酸含量有所恢復(fù),說明肝豆靈對(duì)銅負(fù)荷腎損傷的干預(yù)可能涉及芳香族氨基酸的代謝。
亮氨酸和纈氨酸屬于支鏈氨基酸,是人體必需氨基酸,它們作為氮的載體,在維持機(jī)體氮平衡和蛋白質(zhì)代謝中發(fā)揮著重要的作用。臨床上對(duì)于腎損傷的患者,可補(bǔ)充支鏈氨基酸,增加體內(nèi)蛋白合成,降低血尿素氮水平,有助于恢復(fù)病人的體能,是腎損傷病人重要的支持治療手段[28-29]。以基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究納米銅對(duì)腎臟的影響,發(fā)現(xiàn)銅染毒大鼠腎損傷涉及支鏈氨基酸的異常降解[30]。對(duì)模型小鼠狼瘡性腎炎研究發(fā)現(xiàn),中成藥昆仙膠囊可升高模型小鼠異常降低的支鏈氨基酸水平,可能是該藥的治療作用途徑之一[31]。以上研究結(jié)果提示,腎損傷可能與支鏈氨基酸代謝具有一定的聯(lián)系。本實(shí)驗(yàn)?zāi)P徒M亮氨酸和纈氨酸含量降低,經(jīng)肝豆靈干預(yù)后其含量回升,提示肝豆靈可能通過調(diào)節(jié)支鏈氨基酸的代謝,幫助維持機(jī)體氮的平衡,干預(yù)銅過量對(duì)腎臟的損傷。
谷氨酸、丙氨酸、天冬氨酸是參與氨代謝的重要氨基酸,氨在腎臟的代謝主要由腎小管上皮細(xì)胞完成。肝豆靈干預(yù)后,大鼠腎組織谷氨酸、丙氨酸和天冬氨酸含量向正常范圍恢復(fù),且腎小管上皮細(xì)胞凋亡指數(shù)較模型組有所降低,可能提示肝豆靈對(duì)氨的代謝具有調(diào)節(jié)作用,或許與抑制腎小管上皮細(xì)胞凋亡具有一定聯(lián)系。
本實(shí)驗(yàn)中,我們以核磁共振代謝組學(xué)方法分析肝豆靈干預(yù)銅負(fù)荷大鼠后,大鼠腎組織小分子代謝物的變化,發(fā)現(xiàn)肝豆靈對(duì)銅負(fù)荷大鼠腎損傷具有一定的干預(yù)作用,其機(jī)制可能涉及對(duì)芳香族氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸)、支鏈氨基酸(亮氨酸、纈氨酸)的調(diào)節(jié);抑制腎小管上皮細(xì)胞凋亡、調(diào)節(jié)腎臟氨的代謝。本結(jié)果可為臨床對(duì)WD 患者的腎損傷治療提供一定的機(jī)制參考。
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