馬小葉,于洋,張紅濤,謝克亮,2,于泳浩,2△
細胞與分子生物學
Rho激酶在氫氣保護LPS誘導的Caco-2細胞上皮屏障功能障礙中的機制研究
馬小葉1,于洋1,張紅濤1,謝克亮1,2,于泳浩1,2△
摘要:目的探討Rho激酶(ROCK)在氫氣改善離體膿毒癥腸屏障功能中的作用。方法常規(guī)培養(yǎng)人結腸上皮細胞Caco-2,分為6組(n=3):對照組(C組)、富氫培養(yǎng)基組(H組)、脂多糖(LPS)處理組(L組)、富氫培養(yǎng)基+LPS組(HL組)、Rho激酶抑制劑Y-27632組(Y組)、Y-27632+LPS組(YL組)。H組給予0.6 mmol/L富氫培養(yǎng)基;LPS和Y-27632的處理濃度分別為50 mg/L、25 μmol/L。建立Transwell小室模型,定期檢測跨上皮電阻值(TEER值),當TEER值達到800 Ω·cm2后給予處理,于6、12、24 h檢測TEER值,24 h時檢測FITC-右旋糖酐通過率。細胞接種于6孔板,融合達80%~90%后給予處理,實時聚合酶鏈式反應技術檢測閉鎖小帶蛋白1(ZO-1)mRNA和ROCK mRNA表達情況;蛋白免疫印跡技術檢測ZO-1蛋白和ROCK蛋白表達水平。結果與C組比較,H組12、24 h TEER值升高(P<0.05),F(xiàn)ITC-右旋糖酐通過率、ZO-1蛋白和ROCK蛋白表達水平差異無統(tǒng)計學意義;Y組6、12、24 h TEER值升高(P<0.05),F(xiàn)ITC-右旋糖酐通過率差異無統(tǒng)計學意義,ZO-1 mRNA表達增加,ROCK mRNA表達減少(均P<0.05);L組6、12、24 h TEER值降低,F(xiàn)ITC-右旋糖酐通過率增高,ZO-1 mRNA和蛋白表達均下降,ROCK mRNA和蛋白表達均增加(P<0.05)。與L組比較,6、12、24 h YL組TEER值增高,F(xiàn)ITC-右旋糖酐通過率降低,ZO-1 mRNA表達增加,ROCK mRNA表達降低(均P<0.05)。與L組比較,HL組6、12、24 h TEER值增高,F(xiàn)ITC-右旋糖酐通過率降低,各時間點ZO-1蛋白表達上升,ROCK蛋白表達下降(均P<0.05)。結論氫氣可保護膿毒癥腸屏障功能,改善腸上皮屏障完整性和通透性,增加腸細胞間緊密連接蛋白表達,這些保護機制可能與氫氣抑制LPS誘導的ROCK過度表達有關。
關鍵詞:rho相關激酶類;氫;脂多糖類;膿毒癥;Caco-2細胞;腸上皮屏障功能
基金項目:國家自然科學基金資助項目(81071533,81372033);天津市應用基礎及前沿技術研究計劃(13JCQNJC11400)
作者單位:1天津醫(yī)科大學總醫(yī)院麻醉科(郵編300052);2天津市麻醉學研究所
作者簡介:馬小葉(1989),女,碩士在讀,主要從事氫氣對膿毒癥器官功能保護方面的研究
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通訊作者E-mail:yuyonghao@126.com
1.1主要試劑及儀器胎牛血清(BioInd公司,以色列);DMEM高糖培養(yǎng)基(Hyclone公司,美國);GCH300高純氫氣發(fā)生器(天津同普分析儀器科技有限公司);Transwell小室(Corning公司,美國);EVOM細胞電阻儀(WPI公司,美國);FITC-右旋糖酐、大腸桿菌脂多糖(LPS)、Rho激酶抑制劑Y-27632(Sigma公司,美國);熱啟動熒光定量PCR試劑盒(上海生工生物工程有限公司);小鼠單克隆抗閉鎖小帶蛋白1 (zonula occludens-1,ZO-1)抗體、兔單克隆抗ROCK抗體(Abcam,英國);小鼠單克隆抗β-actin抗體、HRP標記山羊抗小鼠抗體、HRP標記山羊抗兔抗體(杭州華安生物技術有限公司)。
1.2Caco-2細胞培養(yǎng)人結腸上皮Caco-2細胞購自上海中科院細胞庫,以含20%胎牛血清的高糖DMEM培養(yǎng)基培養(yǎng),培養(yǎng)基中加入1%青霉素-鏈霉素雙抗。生長狀態(tài)良好的細胞,用0.25%胰蛋白酶-EDTA消化,1∶2傳代,于37℃,5%CO2培養(yǎng)箱中貼壁培養(yǎng),傳代24 h后更換培養(yǎng)基,以后每隔1 d更換1次培養(yǎng)基,5~6 d傳代1次。
1.3富氫培養(yǎng)基制備通過高純氫氣發(fā)生器將高純度氫氣(純度>99.999 9%)加壓充入DMEM高糖培養(yǎng)基中。富氫培養(yǎng)基現(xiàn)用現(xiàn)配,以氫電極檢測氫氣濃度為0.6 mmol/L,過濾消毒后留作細胞處理。
1.4分組及處理
1.4.1實驗分組取狀態(tài)良好,處于生長對數(shù)期的Caco-2細胞進行實驗。實驗分為對照組(C組)、富氫培養(yǎng)基組(H組)、LPS處理組(L組)、富氫培養(yǎng)基+LPS組(HL組)、ROCK抑制劑Y-27632組(Y組)、ROCK抑制劑Y-27632+LPS組(YL組)。C組與H組分別加入等容量DMEM高糖培養(yǎng)基和0.6 mmol/L富氫培養(yǎng)基。LPS處理濃度為50 mg/L,Y-27632處理濃度為25 μmol/L。
1.4.2Caco-2細胞單層模型的建立和模型完整性檢驗取生長狀態(tài)良好的Caco-2細胞以5.5×105個/mL的密度接種于Transwell小室內(500 μL/孔),外室內加培養(yǎng)基600 μL/孔。接種24 h后換培養(yǎng)基,接種后第1周隔1 d換1次培養(yǎng)基,之后每天更換培養(yǎng)基。每天在顯微鏡下觀察小室內細胞生長情況,定期用EVOM細胞電阻儀檢測小室底層細胞跨上皮電阻值(TEER),具體操作方法參照儀器說明書。當TEER值達到800 Ω·cm2后分別給予細胞6組不同處理(n=3),于37℃溫箱中無菌孵育,分別于處理前(0 h),處理后6、12、24 h檢測TEER值。若TEER值降低則表明模型的完整性降低。
1.4.3Caco-2細胞單層模型通透性的檢測同上述建立Caco-2細胞小室模型,TEER值達800 Ω·cm2后分別給予6組不同處理(n=3),于37℃溫箱中孵育至24 h。小心吸出內室及外室的培養(yǎng)基,無菌PBS清洗3次,向內室中加入1 g/L FITC-右旋糖酐,外室中加入無菌PBS。避光置于37℃溫箱中,2 h后在外室取樣100 μL于黑色96孔板中,熒光分光光度計檢測FITC的熒光強度。
1.4.4實時聚合酶鏈式反應(RT-PCR)檢測ZO-1和ROCK mRNA表達將培養(yǎng)的Caco-2細胞制成單細胞懸液,細胞計數(shù)后以1×106/mL密度均勻接種于6孔板,2 mL/孔。細胞融合達80%~90%時,分別給予細胞C組、L組、Y組和YL組4種處理(n=3),培養(yǎng)24 h后用Trizol試劑法提取細胞總RNA。用逆轉錄試劑盒逆轉錄合成cDNA(2步法),SYBR GreenⅠ法進行RT-PCR檢測。引物序列為:GAPDH引物上游 5′-TTGGCATCGTTGAGGGTCT-3′,下游 5′-CAGT?GGGAACACGGAAAGC-3′;ZO-1引物上游5′-AAAGTGCT?GGCTTGGTCTGT-3′,下 游 5′-TAGGTGACGCTGGGT?GATAG-3′;ROCK引物上游5′-TCCTCTGCTAAGTCTC?CATCG-3′,下游5′-GACAGCCTCACTCTCCCATT-3′,擴增片段長度分別為206、105、103 bp。94℃預變性4 min;94℃變性30 s,57℃退火30 s,72℃延伸60 s,30個循環(huán)后72℃延伸7 min,每個循環(huán)在72℃時采集熒光,所得Ct值用2-ΔΔCt法計算目的基因相對表達量。
1.4.5蛋白免疫印跡技術(Western blot)檢測ZO-1及ROCK蛋白表達6孔板培養(yǎng)細胞至細胞融合達80%~90%時,給予C組、H組、L組、HL組4種處理(n=3),分別于6、12、24 h用細胞裂解液提取細胞蛋白,BCA法檢測蛋白濃度。蛋白經6%SDS-PAGE凝膠電泳后轉移至PVDF膜,5%脫脂牛奶封閉2 h后分別孵以小鼠抗ZO-1抗體(1∶200)、兔抗ROCK抗體(1∶500)、小鼠抗β-actin抗體(1∶2 000)4℃過夜。TBST洗膜后,分別孵育辣根過氧化酶(HRP)標記的山羊抗鼠或山羊抗兔抗體,室溫下置于搖床上1 h。TBST清洗后于暗室中滴加顯影液顯影。Bio-Rad圖像分析系統(tǒng)分析條帶灰度值,計算目的蛋白與內參蛋白灰度值比值得到目的蛋白相對表達量。
1.5統(tǒng)計學方法應用SPSS 18.0統(tǒng)計學軟件,計量資料以均數(shù)±標準差(±s)表示,組間比較采用單因素方差分析,多重比較行LSD-t檢驗,P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。
2.1顯微鏡下觀察各組處理后細胞形態(tài)改變倒置顯微鏡下觀察可見C組、H組、Y組細胞生長狀態(tài)良好,細胞連接緊密,呈鵝卵石狀,形態(tài)飽滿,折光性好。L組細胞數(shù)目顯著減少,細胞生長分散稀疏,相鄰細胞間彼此脫離,細胞形態(tài)改變,呈不規(guī)則狀,折光性減弱;隨時間延長,這些改變更加明顯。HL組和YL組與L組相比細胞數(shù)量增多,生長更緊密,折光性增強。
2.2Caco-2細胞小室模型TEER值和小室FITC-右旋糖酐通過率的改變與C組相比,H組12、24 h TEER值升高;Y組6、12、24 h TEER值升高(P<0.05);L組、HL組和YL組細胞6、12、24 h TEER值均降低(P<0.05)。與L組相比,HL組和YL組6、12、24 h TEER值增高(P<0.05)。處理24 h后,與C組相比,L組、HL組和YL組小室模型FITC-右旋糖酐通過率升高(P<0.05),與L組相比,HL組和YL組小室FITC-右旋糖酐通過率降低(P<0.05);H組和Y組小室FITC-右旋糖酐通過率與C組相比差異無統(tǒng)計學意義。見表1。
2.3Caco-2細胞ZO-1 mRNA與ROCK mRNA表達與C組相比,Y組ZO-1 mRNA表達顯著增多,L組和YL組ZO-1 mRNA表達減少;YL組比L組表達量增多,差異均有統(tǒng)計學意義(均P<0.05)。與C組相比,Y組ROCK mRNA表達顯著減少,L組和YL組顯著增加;與L組相比,YL組ROCK mRNA表達減少,差異均有統(tǒng)計學意義(均P<0.05),見表2。
2.4Caco-2細胞ZO-1蛋白和ROCK蛋白表達量與C組比較,3個時間點處L組ZO-1蛋白表達均有下降(均P<0.05);與L組相比,HL組ZO-1蛋白表達均升高(均P<0.05)。與C組相比,3個時間點L組ROCK蛋白表達均增加,與L組相比,HL 組ROCK蛋白表達下降,隨時間延長下降幅度增加,但仍高于C組(均P<0.05)。各個時間點H組與C組ZO-1蛋白和ROCK蛋白表達差異均無統(tǒng)計學意義。見圖1、表3。
Tab.1 Effects of different treatments on TEER value and FITC-dextran permeability of Caco-2 cell chamber model表1 不同處理對Caco-2細胞小室模型TEER值和FITC-右旋糖酐通過率的影響 ?。╪=3,±s)
Tab.1 Effects of different treatments on TEER value and FITC-dextran permeability of Caco-2 cell chamber model表1 不同處理對Caco-2細胞小室模型TEER值和FITC-右旋糖酐通過率的影響 ?。╪=3,±s)
**P<0.01;a與C組比較,b與L組比較,P<0.05
組別C組H組L組HL組Y組YL組F TEER相對值(%)0 h 100.00±2.38 101.00±2.82 100.60±3.41 100.24±2.80 100.84±2.71 101.20±2.50 0.082 6 h 101.61±2.07 103.13±2.41 78.30±3.14a90.61±3.04ab105.72±3.03ab93.70±2.80ab40.642**12 h 103.50±2.02 108.30±2.02a74.72±2.48a91.30±2.32ab107.60±2.12ab88.84±2.64ab100.272**24 h 103.94±2.17 110.74±2.25a71.57±2.44a94.70±2.98ab108.12±2.27ab87.95±2.54ab108.416**FITC-右旋糖酐通過率(24 h)1.00±0.19 0.86±0.18 2.27±0.21a1.47±0.21ab0.89±0.20b1.54±0.19ab22.477**
Tab.2 The effects of Y-27632 on ZO-1 mRNA and ROCK mRNA expressions in LPS-induced Caco-2 cells 表2Y-27632對LPS誘導Caco-2細胞ZO-1 mRNA和ROCK mRNA表達改變的影響?。╪=3,±s)
Tab.2 The effects of Y-27632 on ZO-1 mRNA and ROCK mRNA expressions in LPS-induced Caco-2 cells 表2Y-27632對LPS誘導Caco-2細胞ZO-1 mRNA和ROCK mRNA表達改變的影響 (n=3,±s)
**P<0.01;a與C組比較,b與L組比較,P<0.05
組別C 組L 組Y 組Y L 組F Z O -1 m R N A 1 . 0 0 ± 0 . 0 9 0 . 4 7 ± 0 . 0 9a1 . 3 8 ± 0 . 1 0ab0 . 7 1 ± 0 . 1 7ab3 5 . 2 6 4**R O C K m R N A 1 . 0 0 ± 0 . 1 3 1 . 7 5 ± 0 . 2 1a0 . 4 5 ± 0 . 1 3ab1 . 3 3 ± 0 . 1 5ab3 5 . 0 1 8**
Fig.1 The relative protein expressions of ZO-1 and ROCK in Caco-2 cells圖1 Caco-2細胞ZO-1蛋白和ROCK蛋白相對表達量
Tab.3 The relative protein expression levels of ZO-1 and ROCK at different time points in Caco-2 cells表3不同時間點Caco-2細胞ZO-1蛋白和ROCK蛋白相對表達量 ?。╪=3,±s)
Tab.3 The relative protein expression levels of ZO-1 and ROCK at different time points in Caco-2 cells表3不同時間點Caco-2細胞ZO-1蛋白和ROCK蛋白相對表達量 ?。╪=3,±s)
**P<0.01;a與C組比較,b與L組比較,P<0.05
組別C組H組L組HL組F ZO-1蛋白相對表達量6 h 1.00±0.08 0.99±0.10 0.53±0.07a0.65±0.10ab21.126**12 h 1.00±0.09 1.01±0.10 0.45±0.12a0.70±0.10ab19.684**24 h 1.00±0.05 0.96±0.07 0.41±0.08a0.77±0.08ab45.472**組別C組H組L組HL組F ROCK蛋白相對表達量6 h 1.00±0.08 1.03±0.08 1.33±0.07a1.16±0.09ab10.240**12 h 1.00±0.11 0.91±0.10 1.48±0.08a1.22±0.07ab22.437**24 h 1.00±0.11 1.05±0.11 1.56±0.13a1.24±0.09ab15.812**
TEER和FITC-右旋糖酐通過率是常用的檢測Caco-2細胞單層屏障功能變化的敏感指標,TEER值主要反映了腸屏障模型離子通透性的改變,而FITC-右旋糖酐通過率則反映了大分子物質透過腸屏障模型的能力。不同實驗條件和不同克隆Caco-2細胞測得的TEER值差別較大,可從500~1 500 Ω·cm2不等[6]。本實驗中建立的Caco-2細胞單層模型TEER值均達到800 Ω·cm2,可完全滿足實驗的要求。
相鄰腸上皮細胞間緊密連接蛋白相互連接,在細胞的頂端形成環(huán)狀帶,控制物質從細胞旁途徑跨越腸上皮的移動。ZO-1是第一個被分離出來的緊密連接蛋白,其連接于其他緊密連接蛋白和細胞骨架蛋白之間,調節(jié)細胞間連接和細胞旁通透性[7]。ROCK于20世紀90年代被分離出來,廣泛分布于各組織器官,有2種亞型:ROCK1和ROCK2。ROCK主要通過調節(jié)細胞骨架影響細胞的生命活動[4]。Y-27632是ROCK的特異性抑制劑,對ROCK1和ROCK2均有抑制作用。有文獻報道,ZO-1蛋白與細胞中的肌動蛋白絲相連[7],而ROCK也可通過調節(jié)細胞內肌動蛋白絲的聚集與解離使細胞骨架重組,連接旁肌動球蛋白環(huán)(perijunctional actomyosin ring,PAMR)收縮,增加腸上皮的通透性[8]。Van Itallie等[9]發(fā)現(xiàn)ROCK可通過影響ZO-1蛋白改變腸屏障的功能狀態(tài)。Mirza等[10]認為ROCK通過使致病性酵母菌誘導的Caco-2細胞的肌動蛋白細胞骨架重組和ZO-1蛋白丟失,進而增加腸上皮通透性。本實驗結果表明,LPS可誘導Caco-2細胞ROCK mRNA表達增高,ROCK蛋白表達上調,降低ZO-1 mRNA和蛋白的表達水平。而ROCK抑制劑Y-27632可有效改善Caco-2單層細胞膿毒癥模型的完整性和通透性,緩解LPS引起的Caco-2細胞ZO-1 mRNA表達下調,與本課題組的在體研究結果一致[11]。因此本實驗表明,ROCK參與了LPS誘導的Caco-2細胞膿毒癥模型中ZO-1蛋白的表達改變,抑制ROCK過度表達可改善離體腸屏障模型的功能狀態(tài)。
氫氣是一種選擇性抗氧化劑,對多種疾病具有治療作用[12],但其治療機制尚不清楚;由于其安全溫和、易透過生物膜等優(yōu)點[13],在臨床上有廣闊的應用前景。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn),氫氣能有效改善膿毒癥腸屏障功能障礙[3]。本實驗研究顯示氫氣可改善Caco-2細胞膿毒癥腸屏障模型的完整性和通透性,抑制細胞內ROCK過度表達,增加ZO-1蛋白表達。結合上述實驗結論,可推測氫氣可能通過ROCK改善離體膿毒癥腸屏障的功能狀態(tài)。然而氫氣治療作用廣泛,對多種疾病都有治療作用,也有文獻報道氫氣的治療作用可能通過其他作用靶點實現(xiàn)[6,13]。因此推測,氫氣可通過多種途徑調節(jié)保護膿毒癥腸屏障功能狀態(tài),ROCK可能參與了氫氣的保護機制,而氫氣對膿毒癥腸屏障復雜的保護機制仍有待研究。
綜上所述,氫氣可保護膿毒癥腸屏障功能,改善腸上皮屏障完整性和通透性,增加腸細胞間緊密連接蛋白表達,這些保護機制可能與氫氣抑制LPS誘導的ROCK過度表達有關。
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(2016-01-21收稿2016-03-10修回)
(本文編輯李國琪)
中圖分類號:R364.5
文獻標志碼:A
DOI:10.11958/20160025
The role of Rho kinase in the protective effects of hydrogen on the damage of Caco-2 epithelial barrier induced by LPS
MA Xiaoye1,YU Yang1,ZHANG Hongtao1,XIE Keliang1,2,YU Yonghao1,2△
1 Department of Anesthesiology,Tianjin Medical University General Hospital,Tianjin 300052,China;
2 Tianjin Institute of Anesthesiology
△Corresponding AuthorE-mail:yuyonghao@126.com
Abstract:ObjectiveTo investigate the role of Rho kinase(ROCK)in the protective effects of hydrogen on intestinal epithelial barrier function in sepsis.MethodsCaco-2 cells were cultured routinely,and divided into 6 groups randomly(n= 3):control group(C group),hydrogen-rich medium group(H group),lipopolysaccharide(LPS)-treatment group(L group),hy?drogen+LPS-treatment group(HL group),Rho kinase inhibitor(Y-37632)treatment group(Y group)and Rho kinase inhibi?tor Y-27632+LPS-treatment group(YL group).H group was treated with 0.6 mmol/L hydrogen-rich media.The concentra?tion of LPS and Y-27632 were 50 mg/L and 25 μmol/L separately.After the Caco-2 monolayer model was established,the transepithelial electrical resistance(TEER)values were measured regularly.When the TEER value reached 800 Ω·cm2,the treatment was administered.Then TEER values were measured at 6 h,12 h and 24 h,and FITC-dextran permeability was de?tected at 24 h.Cells were seeded on 6-well plates.After cell density reached 80%-90%,treatments were given randomly. The real time-polymerase chain reaction(RT-PCR)was conducted to assess mRNA levels of ZO-1 and ROCK mRNA.ZO-1 and ROCK protein expression levels were detected by Western blot assay.ResultsCompared with C group,TEER values were elevated in 12 h and 24 h in H group(P<0.05).There were no statistical significances in FITC-dextran permeability,protein expression levels of ZO-1 and ROCK between C group and H group(P>0.05).TEER values were elevated at 6 h,12 h and 24 h in Y group(P<0.05).There was no significant difference in FITC-dextran permeability between C group and Y group(P>0.05).The mRNA expression of ZO-1 increased and mRNA expression of ROCK decreased in Y group(P< 0.05).The TEER values reduced at 6 h,12 h and 24 h in L group.The FITC-dextran permeability increased significantly, mRNA and protein expressions of ZO-1 significantly decreased,mRNA and protein expressions of ROCK significantly in?creased in L group(all P<0.05).Compared with L group,TEER values increased significantly at 6 h,12 h and 24 h in YL group,FITC-dextran permeability decreased,mRNA expressions of ZO-1 increased,mRNA expressions of ROCK de?creased in YL group(P<0.05).Compared with L group,TEER values increased at 6 h,12 h and 24 h in HL group,FITC-dextran permeability reduced markedly,protein expressions of ZO-1 increased at each time point,protein expressions of ROCK decreased at each time point in HL group(P<0.05).ConclusionHydrogen can protect intestinal barrier function against sepsis,ameliorate the integrity and permeability of intestinal epithelium and increase the expressions of intercellular tight junction proteins.The suppression of Rho kinase over-expression induced by LPS may be involved in these protective effects of hydrogen.
Key words:rho-associated kinases;hydrogen;lipopolysaccharides;sepsis;Caco-2 cells;intestinal epithelial barrier function膿毒癥是感染引起的全身炎癥反應綜合征(SIRS)。膿毒癥常繼發(fā)于創(chuàng)傷、大手術等引發(fā)的嚴重感染,可發(fā)生于各年齡段的患者。膿毒癥發(fā)生率、病死率高,在美國,每年因膿毒癥死亡人數(shù)約占總死亡人數(shù)的10%,是重癥監(jiān)護室(ICU)患者的第二大死因,幸存者也常因為并發(fā)癥和后遺癥而導致生活質量嚴重下降[1]。腸屏障一直被認為是膿毒癥的“motor”[2],其構成錯綜復雜,在膿毒癥的發(fā)生發(fā)展中扮演了重要的角色,是膿毒癥治療的研究熱點。腸道細胞間的緊密連接使相鄰腸細胞緊密錨定、相互溝通,與腸細胞共同構成了腸上皮的機械屏障。近年來研究顯示,氫氣對多種疾病具有治療作用,本課題組前期研究顯示,氫氣在膿毒癥模型中對腸屏障具有保護作用[3],然而具體作用機制并不明確。Rho激酶(ROCK)是一種絲/蘇氨酸蛋白激酶,參與多種細胞內生命活動,可對細胞骨架蛋白起到調節(jié)作用[4]。研究發(fā)現(xiàn),ROCK可以通過調節(jié)腸上皮細胞間緊密連接蛋白進而影響腸屏障通透性[5]。本實驗旨在探討ROCK在氫氣對膿毒癥腸屏障保護中的作用機制。