于永慧,張 佩,劉劍剛,李 澎,張大武,王承龍
(中國中醫(yī)科學(xué)院西苑醫(yī)院心血管病中心 北京 100091)
越來越多的研究表明,心肌能量代謝障礙是急性心肌梗死(Acute myocardial infarction,AMI)后心力衰竭形成的重要原因之一[1],優(yōu)化心肌能量代謝已成為治療缺血性心臟病的一個(gè)新靶點(diǎn)[2,3]。高能磷酸化合物尤其三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate,ATP)是心肌能量的直接提供者,可直接進(jìn)入細(xì)胞通過磷酸化反應(yīng)參與能量傳遞。正常心肌每天大約需要消耗30 kg的ATP[4],從而維持膜電位水平和心肌細(xì)胞的舒縮功能。ATP儲(chǔ)備水平的高低不僅直接關(guān)系著細(xì)胞正常生理功能的維持,還與細(xì)胞生長及凋亡密切相關(guān)[5]。因此,增加高能磷酸化合物含量可以促進(jìn)心肌膜電位和舒縮功能的維持,防止細(xì)胞凋亡,對(duì)心肌具有保護(hù)作用。
氣血并治方是由傳統(tǒng)活血化瘀名方--血府逐瘀湯化裁而來,是中國中醫(yī)科學(xué)院西苑醫(yī)院治療治療心血管疾病的一種有效制劑。課題組前期實(shí)驗(yàn)研究表明,氣血并治方全方提取物具有降低血脂、改善血液流變、保護(hù)內(nèi)皮功能以及減輕炎癥反應(yīng)等心血管保護(hù)作用[6-7]。但對(duì)于心肌能量代謝,尤其是缺氧/復(fù)氧(Hypoxia/Reoxygenation,H/R)后心肌細(xì)胞高能磷酸化合物代謝的影響尚不明確。本實(shí)驗(yàn)采用高效液相色譜分 析 法(High Performance Liquid Chromatograph,HPLC)觀察氣血并治方對(duì)H/R心肌細(xì)胞高能磷酸化合物代謝的影響,酶聯(lián)免疫吸附法(Enzyme-linked immuno sorbent assay,Elisa)檢測(cè)心肌細(xì)胞損傷標(biāo)志物水平,流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)心肌細(xì)胞早期凋亡率,探索性觀察氣血并治方改善H/R心肌細(xì)胞能量代謝,從而防止細(xì)胞損傷和凋亡的藥理作用。
1.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物
出生1-2天的SD乳鼠,雄性,清潔級(jí),體質(zhì)量16-18 g,北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司提供,合格證號(hào):SCXK-(京)2012-0001。飼養(yǎng)環(huán)境為環(huán)境溫度0-25℃,濕度40-70%,動(dòng)物自由飲水和飲食。
1.1.2 實(shí)驗(yàn)藥物
氣血并治方(CWQB)由川芎、赤芍、桃仁、紅花、柴胡、枳殼按照3∶3∶3∶2∶2組成,全方水提取物組分由浙江大學(xué)藥學(xué)院提供,主要成分為芍藥苷、總黃酮、總酸類物質(zhì),每克CWQB相當(dāng)于含生藥33.16 g[8];鹽酸曲美他嗪,中國食品藥品檢定研究所提供,批號(hào)100889-201302。
1.1.3 實(shí)驗(yàn)試劑
0.25%胰蛋白酶(美國Gibco公司,批號(hào):25200056),脫氧核糖核酸酶(德國Roche,批號(hào):104159),II型膠原酶(美國Sigma,批號(hào):17101015),青霉素-鏈霉素雙抗(美國Gibco公司,批號(hào)15140-122),胎牛血清(美國Gibco公司,批號(hào)10099-144),高糖DMEM培養(yǎng)基(美國Gibco公司,批號(hào)C11995500BT),無糖DMEM培養(yǎng)基(美國Gibco公司,批號(hào)11966025)。5′-ATP鈉鹽(美國Sigma公司,批號(hào)A2383)、5′-ADP鈉鹽(美國Sigma公司,批號(hào)01897)、5′-AMP鈉鹽(美國Sigma公司,批號(hào) A1752),5′-IMP鈉鹽(美國 Sigma公司,批號(hào)I4625);cTnT試劑盒(批號(hào)10053),CK-MB試劑盒(批號(hào)50057),由北京華英生物技術(shù)研究所提供;AnnexinV-FITC/PI Kit凋亡試劑盒(美國Becton Dickinson公司,批號(hào)556547)。
1.1.4 實(shí)驗(yàn)儀器
AC2-4S1型超凈臺(tái)(新加坡Esco公司),KDC-140HR型高速冷凍離心機(jī)(安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司),Ultimate3000-API 3200Q TRAP型HPLCMS/MS(美國Thermo Fisher公司),STAT FAX 2100型全自動(dòng)酶免儀(美國AWARENESS公司),EPICSELITE型流式細(xì)胞儀(美國Bekman-Coulter公司)。
出生1-2天的SD大鼠乳鼠12只,雄性,脫臼處死,75%酒精浸泡,消毒皮膚,在無菌條件下剪開皮膚,開胸,切取心臟,放入含有普通肝素的冷(4℃)磷酸鹽緩沖液(Phosphate Buffer Solution,PBS)中,擠除血液,去掉心房及主動(dòng)脈組織,用眼科剪將心臟組織剪碎成約1 mm3大小的組織粒,移入15 mL離心管中。PBS清洗數(shù)遍后棄去上清液,分別加入0.125%胰蛋白酶及0.5%(II型膠原酶+DNA酶)的混合液在37℃條件下分次消化(每次25 min),收集除首次消化的細(xì)胞懸液,經(jīng)離心、洗滌后加入等體積含10%胎牛血清、1%青鏈霉素雙抗的DMEM培養(yǎng)基終止消化,吹打均勻后經(jīng)200目篩網(wǎng)過濾,置于37℃的5%CO2孵箱中差速貼壁去除成纖維細(xì)胞,每次30 min,共2次。
將去除成纖維細(xì)胞、未貼壁的原代心肌細(xì)胞再次接種于含10%胎牛血清、10%馬血清、1%雙抗的DMEM培養(yǎng)基中,以5×105/mL的細(xì)胞密度接種于培養(yǎng)皿,置于37℃的5%CO2孵箱培養(yǎng),24 h后換液,此后每隔2天及實(shí)驗(yàn)干預(yù)前換液,取培養(yǎng)第3-4天的細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
用無糖DMEM培養(yǎng)液洗凈舊培養(yǎng)液,同時(shí)向盛有無糖DMEM培養(yǎng)液的離心管充入缺氧混合氣體(95%N2+5%CO2)15 min,關(guān)閉缺氧混合氣罐,棄去第3遍清洗的無糖DMEM培養(yǎng)液,將無氧無糖DMEM培養(yǎng)液置于培養(yǎng)皿中,混勻,置于自制密閉盒中持續(xù)充入95%N2+5%CO2混合氣15 min,充分排盡自制密閉盒中的殘余氧氣,置于37℃的5%CO2孵箱中培養(yǎng)3 h后,取出換為復(fù)氧培養(yǎng)液(1∶4(完全DMEM培養(yǎng)液∶高糖無血清DMEM培養(yǎng)液))繼續(xù)培養(yǎng)2 h。
取培養(yǎng)第3-4天的原代心肌細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn),細(xì)胞所用缺氧培養(yǎng)液為無糖無血清DMEM培養(yǎng)液,復(fù)氧培養(yǎng)液為1份完全DMEM培養(yǎng)液:4份高糖無血清DMEM培養(yǎng)液。實(shí)驗(yàn)分組如下:①正常氧組(Control):原代心肌細(xì)胞于37℃的5%CO2孵箱中培養(yǎng)3 h后取出,換成復(fù)氧培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)2 h,不加藥物干預(yù);②模型組(H/R):原代心肌細(xì)胞進(jìn)行缺氧3 h復(fù)氧2 h處理,不加藥物干預(yù);③曲美他嗪+H/R組(TMZ):原代心肌細(xì)胞進(jìn)行缺氧3 h和復(fù)氧2 h處理,缺氧培養(yǎng)液及復(fù)氧培養(yǎng)液中均加入濃度為100 μmol/L的TMZ;④氣血并治方有效組分+H/R組(CWQB):原代心肌細(xì)胞進(jìn)行缺氧3 h和復(fù)氧2 h處理,缺氧培養(yǎng)液及復(fù)氧培養(yǎng)液中均加入1 mmol/L的CWQB。
采用標(biāo)準(zhǔn)加入法將ATP、二磷酸腺苷(Adenosine diphosphate,ADP) 、一 磷 酸 腺 苷 (Adenosine monophosphate, AMP) 、 肌 苷 酸 (Inosine 5′-monophosphate,IMP)的標(biāo)準(zhǔn)鈉鹽各稱取10 mg,加入1 mL反應(yīng)液中(含1 mmol/L的乙二胺四乙酸(EthyleneDiamineTetraaceticAcid,EDTA)和 0.5 mmol/的 HClO4),3 500 rpm 離心 10 min。吸取 0.5 mL上清液放入另一試管中,加入0.175 mL濃度為2.1 mmol/L的KHCO3。充分反應(yīng)后,3 500 rpm離心10分鐘,從樣本中吸取20μL進(jìn)行色譜分析。HPLC參數(shù)如下,反相色譜柱:5 μm,15 mm×4.6 mm,柱溫:30℃,流動(dòng)相:30 mmol/L磷酸鹽緩沖溶液(pH=5.85,K2HPO4-KH2PO4,含5%甲醇)。根據(jù)加入標(biāo)準(zhǔn)鈉鹽前后的色譜峰高變化,從而計(jì)算樣品中ATP、ADP和AMP含量,并計(jì)算出總腺苷酸量(Total Adenylic Ncid,TAN=(ATP+ADP+AMP))和心肌細(xì)胞的能量狀態(tài)用能荷(Energy Charge,EC=(ATP+1/2ADP)/TAN)。
取各組心肌細(xì)胞培養(yǎng)液,采用酶聯(lián)免疫法測(cè)定心肌損傷標(biāo)志物肌酸激酶同工酶B(Creatinine kinase MB,CK-MB)和心肌肌鈣蛋白T(Cardiac troponin T,cTnT)含量。另外,將各組心肌細(xì)胞洗滌、消化后,加入AnnexinV-FITC/PI Kit凋亡試劑,4℃避光孵育30 min,同時(shí)用等量PBS做陰性對(duì)照,離心后加入100 μL PBS重懸,上Bekman流式細(xì)胞儀檢測(cè),F(xiàn)ITC(+)/PI(-)的細(xì)胞為早期凋亡細(xì)胞。
HPLC檢測(cè)細(xì)胞裂解液中高能磷酸化合物含量,結(jié)果顯示,與Control組比較,H/R組、TMZ組、CWQB組AMP的含量顯著上升(p<0.05),H/R組、CWQB組ADP含量顯著下降(p<0.05),H/R組、TMZ組、CWQB組ATP的含量和TAN、EC水平顯著下降(p<0.05)。與H/R組比較,TMZ組、CWQB組的AMP含量下降,ATP、ADP的含量和TAN、EC水平均有所升高(p<0.05),其中TMZ組ADP、ATP、TAN升高程度和CWQB組比較,具有顯著性差異(p<0.05)。見表1。
采用ELISA法檢測(cè)心肌損傷標(biāo)志物CK-MB、cTnT的結(jié)果顯示,與Control組比較,H/R組CK-MB、cTnT的含量明顯上升(p<0.05),說明H/R使心肌細(xì)胞受到損傷;與H/R組比較,TMZ組、CWQB組CK-MB、cTnT含量顯著下降,其中CWQB組cTnT含量下降更為顯著(p<0.05),說明TMZ、CWQB能夠減少H/R條件下心肌細(xì)胞的損傷,起到一定的保護(hù)作用。見表2。
表1 CWQB對(duì)H/R損傷心肌細(xì)胞高能磷酸化合物含量的影響(±s)
表1 CWQB對(duì)H/R損傷心肌細(xì)胞高能磷酸化合物含量的影響(±s)
注:與Control組比較,*p<0.05;與H/R組比較,#p<0.05;與TMZ組比較,▲P<0.05。
表2 CWQB對(duì)H/R心肌細(xì)胞損傷標(biāo)志物和早期凋亡的影響(±s)
表2 CWQB對(duì)H/R心肌細(xì)胞損傷標(biāo)志物和早期凋亡的影響(±s)
注:與Control組比較,*p<0.05;與 H/R 組比較,#p<0.05;與 TMZ組比較,▲p<0.05。
采用流式細(xì)胞法測(cè)定各組細(xì)胞早期凋亡率的結(jié)果顯示,與Control組比較,各組心肌細(xì)胞早期凋亡率顯著上升(p<0.01),說明H/R損傷條件下心肌細(xì)胞早期凋亡增多;與H/R組比較,TMZ組、CWQB組早期凋亡率有所下降,TMZ組下降更為顯著(p<0.05),說明TMZ和CWQB均能降低H/R心肌細(xì)胞早期凋亡的發(fā)生。見表2。各組代表性早期凋亡率檢測(cè)結(jié)果見圖1。
4.3高能磷酸化合物含量與心肌損傷標(biāo)志物、早期凋亡率的相關(guān)性分析
各組心肌細(xì)胞高能磷酸化合物含量與心肌損傷標(biāo)志物進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析顯示,AMP、ADP、ATP濃度與CK-MB存在直線相關(guān)關(guān)系(r1=0.613,P=0.034<0.05;r2=-0.738,P=0.006<0.05;r3=-0.620,P=0.038<0.05),ADP濃度與cTnT存在直線相關(guān)關(guān)系(r4=-0.613,P=0.034<0.05)。其中CK-MB(y)ADP(x)與的直線關(guān)系的回歸系數(shù)R2=0.544,P<0.01,回歸方程y=2.058-0.146x。見圖2。說明CK-MB水平與ADP濃度呈良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即ADP水平降低時(shí),心肌損傷標(biāo)志物CK-MB增多。
各組心肌細(xì)胞高能磷酸化合物含量與心肌早期凋亡率進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析顯示,AMP、ADP、ATP濃度與心肌細(xì)胞早期凋亡率存在直線相關(guān)關(guān)系(r1=0.938,P<0.01;r2=-0.769,P=0.003<0.01;r3=-0.976,P<0.01)與直線回歸關(guān)系(見圖2)。說明早期凋亡率與AMP濃度呈顯著正相關(guān),與ADP、ATP濃度呈顯著負(fù)相關(guān),即AMP濃度升高、ADP與ATP濃度下降時(shí),心肌細(xì)胞早期凋亡率增加。
氣血并治方是由傳統(tǒng)化瘀名方--血府逐瘀湯化裁而來,由川芎、赤芍、桃仁、紅花、柴胡、枳殼組成,具有活血理氣、化瘀通脈的功效?,F(xiàn)代藥理學(xué)研究表明,血府逐瘀湯組方可以從抗氧化應(yīng)激[9]、保護(hù)血管內(nèi)皮[10]等方面減輕H/R對(duì)心肌細(xì)胞的損傷。課題組前期研究也發(fā)現(xiàn),氣血并治方有效組分配伍可以通過拮抗蛋白激酶C(Protein Kinase C,PKC)途徑、絲裂素活化蛋白激酶(Mitogen activated protein kinase,MAPK)途徑[11],抑制內(nèi)皮細(xì)胞損傷條件培養(yǎng)基誘導(dǎo)的平滑肌細(xì)胞增殖[12]和內(nèi)皮素的釋放[13],通過多途徑、多靶點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞的保護(hù)作用。但氣血并治方對(duì)缺氧/復(fù)氧條件下心肌細(xì)胞能量代謝的調(diào)節(jié)作用尚未見報(bào)道,因此本實(shí)驗(yàn)在前期研究基礎(chǔ)上觀察其對(duì)H/R損傷心肌細(xì)胞能量代謝的影響,為通過改善心肌能量代謝來保護(hù)H/R損傷心肌提供科學(xué)依據(jù)。
圖1 流式細(xì)胞法測(cè)定各組心肌細(xì)胞早期凋亡率的免疫熒光二維點(diǎn)圖
圖2 心肌細(xì)胞高能磷酸化合物含量與心肌損傷標(biāo)志物、早期凋亡率的回歸分析
本實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),心肌細(xì)胞在缺氧/復(fù)氧條件下AMP含量明顯升高,而ATP、ADP含量及TAN、EC水平顯著下降(P<0.05),說明H/R造成了細(xì)胞利用ATP等直接供能物質(zhì)的能力下降,能量代謝發(fā)生障礙。加入TMZ或CWQB進(jìn)行干預(yù)后,ATP、ADP含量及TAN、EC水平有一定程度的升高,表明直接供給心肌細(xì)胞的能量相對(duì)增多,能量代謝障礙得到改善。心肌損傷標(biāo)志物及早期凋亡率檢測(cè)結(jié)果支持TMZ或CWQB對(duì)缺氧/復(fù)氧后的心肌細(xì)胞具有保護(hù)作用。進(jìn)一步的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),高能磷酸化合物水平與心肌細(xì)胞早期凋亡率存在良好的相關(guān)性,AMP濃度與早期凋亡率呈顯著正相關(guān),ADP、ATP濃度與早期凋亡率呈負(fù)相關(guān)(P<0.01)。提示氣血并治方可以通過提高ATP、ADP等高能磷酸化合物的含量改善H/R心肌細(xì)胞能量代謝障礙,從而防止細(xì)胞早期凋亡的發(fā)生。
缺氧/復(fù)氧造成的心肌細(xì)胞損傷與多種病理環(huán)節(jié)密切相關(guān)[14],如大量炎性反應(yīng)、細(xì)胞內(nèi)鈣超載、氧自由基釋放等,同時(shí)也伴隨著心肌高能磷酸化合物儲(chǔ)備能力下降[15]、ATP的生成和利用障礙[16],這些病理因素的持續(xù)存在將導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的發(fā)生[5]。細(xì)胞自身存在一些保護(hù)性的內(nèi)在機(jī)制,如降低的ATP濃度可以激活一磷酸腺苷酸活化蛋白激酶(AdenosineMono Phosphate activated Protein Kinase,AMPK)信號(hào)通路[17],增加底物的攝取和利用以促進(jìn)ATP的生成[18]。課題組下一步將從AMPK相關(guān)葡萄糖、脂肪酸代謝通路研究氣血并治方改善H/R心肌細(xì)胞能量代謝的機(jī)制。
氣血并治方作為由經(jīng)典方劑化裁而來的中藥小復(fù)方,可以通過抑制平滑肌細(xì)胞增殖、保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞、促進(jìn)心肌細(xì)胞能量代謝、防止細(xì)胞損傷和凋亡的發(fā)生干預(yù)心血管疾病的多個(gè)治療靶點(diǎn),在防治缺血性心臟病中具有顯著的臨床應(yīng)用價(jià)值。隨著現(xiàn)代中藥制劑分析和藥理學(xué)研究的不斷深入,以氣血并治方為代表的中藥小復(fù)方多組分在心血管疾病防治中的作用將被更加凸顯。
致謝:心肌細(xì)胞培養(yǎng)由中國中醫(yī)科學(xué)院西苑醫(yī)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究室李澎副研究員指導(dǎo)完成,謹(jǐn)致謝忱。
1 Ussher J R,Elmariah S,Gerszten R E,et al.The Emerging Role of Metabolomics in the Diagnosis and Prognosis of Cardiovascular Disease. Journalofthe American College of Cardiology,2016,68(25):2850.
2 Jaswal J S,Cadete V J J,Lopaschuk G D.Optimizing cardiac energy substrate metabolism:A noveltherapeuticintervention for ischemic heart disease.Heart&Metabolism,2008,38(1):5-14.
3 SergienkoIV,BugriyM E,BalahonovaT V,et al.The possibility ofusage ofmetabolic correction therapyin patients with ischemic heart disease and heart failure. Rational Pharmacotherapy in Cardiology,2015,3(4):25-31.
4 Azevedo PS, Minicucci MF, Santos PP, etal. Energy metabolism in cardiac remodeling and heart failure.Cardiology in Review,2013,21(3):135-40.
5 Kolwicz SC Jr1,Purohit S,Tian R.Cardiac metabolism and its interactions with contraction, growth,and survival of cardiomyocytes.Circulation Research,2013,113(5):603-616.
6 董國菊,劉劍剛,史大卓,等.氣血并治方膠囊治療頸動(dòng)脈粥樣硬化的臨床研究.世界中西醫(yī)結(jié)合雜志,2008,3(1):29-31.
7 劉劍剛,徐浩,董國菊,等.血府逐瘀口服液對(duì)冠心病心絞痛血瘀證病人血管內(nèi)皮功能及血液流變學(xué)的影響.中西醫(yī)結(jié)合心腦血管病雜志,2006,4(8):659-661.
8 劉劍剛,馬魯波,張大武,等.均勻設(shè)計(jì)篩選理氣活血中藥提取物優(yōu)化配伍的實(shí)驗(yàn)研究.世界科學(xué)技術(shù):中醫(yī)藥現(xiàn)代化,2013(9):1882-1889.
9 侯澤,康文英,沃興德,等.血府逐瘀湯對(duì)乳鼠心肌細(xì)胞缺血再灌注損傷的影響.中國藥物與臨床,2006,6(8):590-593.
10 唐漢慶,趙善民,黃俊杰,等.血府逐瘀湯對(duì)冠心病血瘀模型家兔心功能、心肌及血管的影響.中國實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志,2015,21(2):165-169.
11 嵇波,史大卓,劉劍剛,等.ox-LDL誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞損傷條件培養(yǎng)基及氣血并治方有效組分配伍對(duì)平滑肌細(xì)胞MAPK、PKC活性和胞內(nèi)Ca~(2+)熒光強(qiáng)度的影響.北京中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào),2005,28(2):29-32.
12 嵇波,劉劍剛,史大卓,等.氣血并治方有效組分不同配伍對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷條件培養(yǎng)基誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞增殖的影響.北京中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào),2005,28(1):30-33.
13 劉劍剛,馬遷,史大卓,等.氣血并治方有效組分配伍對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞損傷相關(guān)基因調(diào)控表達(dá)的影響.世界中西醫(yī)結(jié)合大會(huì),2007:56.
14 Jennings RB. Historical perspective on the pathology of myocardial ischemia/reperfusion injury.Circulation Research,2013,113(4):428-438.
15 Lygate C A,Schneider J E,Neubauer S.Investigating cardiac energetics in heart failure.Experimental Physiology,2013,98(3):601-605.
16 Dashty M. A quick look at biochemistry: Carbohydrate metabolism.Clinical Biochemistry,2013,46(15):1339-1352.
17 SaltIP, Hardie DG.AMP-Activated Protein Kinase:An Ubiquitous Signaling Pathway.With Key Roles in the Cardiovascular System..Circulation Research,2017,120(11):1825-1841.
18 BaskinK K,TaegtmeyerH.AnExpandedRoleforAMP-activated Protein Kinase Regulator of Myocardial Protein Degradation.Trends in Cardio-vascular Medicine,2011,21(4):124-127.