鄧 宇,李麗娜,王鵬帆,張營帥,曹福源,張 偉
(1.華北理工大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院,河北 唐山 063210;2.華北理工大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院,河北 唐山 063210;3.華北理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心,河北 唐山 063210;4.華北理工大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,河北省慢性疾病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山 063210)
在腎移植和腎腫瘤切除術(shù)等一些復(fù)雜的腎手術(shù)中,需要暫時(shí)阻斷腎血流。術(shù)后再灌注過程會(huì)加重缺血性腎組織損傷,該過程稱為腎缺血再灌注損傷(renal ischemia reperfusion,RIR)[1]。RIR除了對(duì)腎本身造成損傷外,還可以對(duì)心、肺、腦等遠(yuǎn)隔器官造成損害[2]。RIR過程中所產(chǎn)生的毒性代謝產(chǎn)物和炎性介質(zhì),易進(jìn)入血液循環(huán),從而影響作為遠(yuǎn)隔器官心臟的代謝與功能。心臟血流量大,易受循環(huán)中有害物質(zhì)影響而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能損傷,其中免疫損傷在腎缺血再灌注后的心肌損傷中起重要作用。研究表明,免疫系統(tǒng)干預(yù)可能對(duì)RIR后心臟有保護(hù)作用。雷帕霉素是一種免疫抑制劑(RAPA),可以通過受體FK50結(jié)合蛋白12結(jié)合靶標(biāo)(mTOR)[3],以抑制其信號(hào)傳導(dǎo),從而減少G1期晚期免疫細(xì)胞的停滯并抑制免疫反應(yīng)。RAPA對(duì)RIR后心臟的保護(hù)機(jī)制仍不清楚。盡管國內(nèi)外諸多學(xué)者在雷帕霉素對(duì)腎臟缺血再灌注損傷方面做了大量的研究工作,但RAPA對(duì)RIR后心臟的保護(hù)機(jī)制仍不清楚。因此,我們對(duì)RAPA對(duì)RIR后心臟的保護(hù)作用進(jìn)行了探討,以期從免疫反應(yīng)角度尋找減輕RIR后心臟損傷的方法。
SPF級(jí)SD健康雄性大鼠40只,體重20~25 g(誤差不大于10%),周齡:8~9周,購自北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心技術(shù)有限公司[SCXK(京)2017-0001],在唐山市慢性病臨床基礎(chǔ)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[SYXK(冀)2015-0038]完成實(shí)驗(yàn)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)經(jīng)華北理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)審核批準(zhǔn)(2017080),并按實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用的3R原則給予人道關(guān)懷。
全自動(dòng)生化分析儀及流式細(xì)胞儀均購自美國加利福尼亞州Beckman Coulter公司;生化檢測試劑盒由南京建成生物制品公司提供,實(shí)驗(yàn)方法參見試劑盒說明;高倍率顯微鏡購自日本東京奧林巴斯公司;TUNEL試劑盒購自武漢博斯特生物科技有限公司;二抗購自北京中山生物技術(shù)公司;RT-qPCR所用試劑盒購自中國大連TaKaRa生物技術(shù)有限公司。
1.3.1 動(dòng)物的處理
大鼠分為4組:(1)空白組:10只,常規(guī)飼養(yǎng)3 d。(2)假手術(shù)組:10只,常規(guī)飼養(yǎng)3 d。(3)RIR組:10只,常規(guī)飼養(yǎng)3 d。(4)雷帕霉素處理組:10只,每日灌胃給予雷帕霉素(4.5 mg/(kg/d)),持續(xù)3 d。
1.3.2 動(dòng)物模型復(fù)制
大鼠稱重后用3%戊巴比妥鈉溶液(100 mg/kg)腹腔注射麻醉,然后開腹,找出左右兩側(cè)腎動(dòng)、靜脈后夾閉,45 min后恢復(fù)血流供應(yīng),復(fù)制大鼠腎缺血再灌注模型。操作中腎由紅變白再由白變紅,認(rèn)為經(jīng)歷了缺血再灌注過程,術(shù)后逐層縫合。假手術(shù)組除不夾閉雙側(cè)腎動(dòng)、靜脈外,其余操作同RIR組。雷帕霉素處理組經(jīng)灌胃給藥飼養(yǎng)3 d后再經(jīng)歷手術(shù),雷帕霉素處理組的劑量為每天4.5 mg/kg,其余操作處理同RIR組。
1.3.3 樣品采集與檢測
腹主動(dòng)脈取血并留取心臟和脾組織標(biāo)本。取心尖組織經(jīng)HE染色,鏡檢,觀察心肌細(xì)胞的形態(tài)學(xué)變化。
1.3.4 指標(biāo)測定及試劑來源
(1)血漿生化指標(biāo)測定
采集腹主動(dòng)脈血3 mL,加肝素,離心,采用全自動(dòng)生化分析儀進(jìn)行測定,連續(xù)監(jiān)測1~3 min觀察吸光度的變化,計(jì)算肌酸激酶和肌酸激酶同工酶的活力值,結(jié)果以103U/L表示。
(2)腎功能
腎灌注后24 h,經(jīng)腹主動(dòng)脈取血分成兩部分,一部分血液檢測尿素氮,另一部分檢測肌酐。肌氨酸氧化酶法測定肌酐,脲酶法測定尿素氮。
(3)心臟病理損傷的半定量分析
剖開胸腔,取出心臟,洗凈,甲醛固定,脫水浸蠟,石蠟包埋,PAS染色,觀察病理切片并進(jìn)行心臟病理損傷的半定量分析。在高倍率顯微鏡(200×)隨機(jī)地選擇10個(gè)視野,觀察損傷程度。運(yùn)用半定量病理評(píng)估法評(píng)分,標(biāo)準(zhǔn)為:正常為0,損傷<25% 1分,損傷25%~50% 2分,損傷51%~75% 3分,損傷>75% 4分。
(4)細(xì)胞凋亡測試
心臟經(jīng)固定過夜,石蠟包埋,依據(jù)熒光及顯色法,在DNA斷裂時(shí)3’-OH暴露被抗熒光素抗體標(biāo)記,經(jīng)過PBS漂洗,水沖洗,用濾紙吸干水分,加樣,在DAB的催化下室溫孵育5~30 min呈棕色,觀察凋亡細(xì)胞狀況并在顯微鏡下拍照保存。根據(jù)TUNEL試劑盒指示說明操作。顯微鏡下的紅色熒光為TUNEL陽性細(xì)胞。隨機(jī)選擇六個(gè)非重復(fù)視野(200×),凋亡指數(shù)(AI):AI(凋亡計(jì)數(shù)/總細(xì)胞計(jì)數(shù))×100%。
(5)流式細(xì)胞儀
將大鼠的血液,脾和心臟制成單細(xì)胞懸液,在免疫染色之前裂解紅細(xì)胞,用無菌PBS和BSA緩沖液洗滌,加入一抗的重懸細(xì)胞,避光保存,PBS離心洗滌,加入二抗,洗滌,進(jìn)入Cellquest調(diào)整優(yōu)化細(xì)胞流速和濃度,使目標(biāo)細(xì)胞通過進(jìn)樣室的速度為2000/s左右,進(jìn)行細(xì)胞分選,用流式方法檢測分析NKT細(xì)胞。NKT細(xì)胞判定標(biāo)準(zhǔn)為CD3和NK1.1雙陽性。心臟總RNA用TRIzol提取。純化后,將RNA樣品用于反轉(zhuǎn)錄以合成cDNA。
(6)RT-qPCR檢測VEGF,HIF-1α和CXCL10 mRNA水平。
PCR反應(yīng)中使用的引物為:β-肌動(dòng)蛋白正向,5’-AGGCATCCTGACCCTGAAGTA-3’和反向,5’-GA GGCATACAGGGACAACACACAG-3’;CXCL10正向5’-ACTGCATCCATATCGATGAC-3’和反向5’-TTC ATCCTGCAATGATCTC-3’;HIF-1α正向,5’-AAG TCTAGGGATGCAGCAC-3’,反向,5’-CAAGATCACC AGCATCTAG-3’;VEGF正向?yàn)?’-ATTGAGACCC TGGTGGACATC-3’,反向?yàn)?’-TCCTTTCCTCGA ACTGATT-3’。使用2-ΔΔCq方法將每個(gè)基因的表達(dá)水平標(biāo)準(zhǔn)化為內(nèi)源性對(duì)照β-肌動(dòng)蛋白。
采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析,各組數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)的形式表示,單因素方差分析q檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)處理各組之間的差異,以P<0.05代表差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
在實(shí)驗(yàn)過程中,由于損傷缺口小,研究人員能夠迅速找到腎動(dòng)靜脈,進(jìn)行分離夾閉。夾閉時(shí)間45 min較短,因此在恢復(fù)再灌注過程中大鼠一直是存活的。動(dòng)物在麻醉的狀態(tài)下進(jìn)行取材,先抽取腹主動(dòng)脈血液,迅速摘取脾和心臟。
與RIR組相比,雷帕霉素處理組血漿中CK、CK-MB水平降低(P<0.01)。與假手術(shù)組相比,RIR組CK、CK-MB水平升高(P<0.01)。血漿BUN和Scr水平經(jīng)過再灌注后升高,尤以RIR組與假手術(shù)組相比升高的更明顯(P<0.01),見表1。
RIR組HIF-1α和VEGF mRNA的表達(dá)水平高于假手術(shù)組(P<0.05),雷帕霉素處理組HIF-1α和VEGF mRNA的表達(dá)水平低于RIR組(P<0.05)。RIR組中CXCL10 mRNA的表達(dá)水平低于假手術(shù)組(P<0.05),雷帕霉素處理組高于RIR組(P<0.05),見表2。
RIR組脾中NKT細(xì)胞的百分比低于假手術(shù)組(P<0.05),雷帕霉素處理組脾中NKT細(xì)胞的百分比顯著低于RIR組(P<0.01)。心臟和外周血中NKT細(xì)胞的百分比RIR組高于假手術(shù)組(P<0.05),并且雷帕霉素處理組顯著高于RIR組(P<0.01),見圖1。
空白組和假手術(shù)組大鼠的心肌細(xì)胞大小、形態(tài)均正常。RIR組:心肌纖維紊亂,間質(zhì)腫脹,炎性細(xì)胞浸潤。雷帕霉素處理組:心肌纖維排列尚整齊,間質(zhì)腫脹和炎性細(xì)胞浸潤程度較RIR組有所減輕,見圖2。
腎缺血再灌注損傷是腎血液不足,恢復(fù)血液循環(huán)灌注后其功能損傷反而加重,組織結(jié)構(gòu)無法恢復(fù)正常的一種病理生理狀態(tài)。炎性細(xì)胞因子和氧自由基除對(duì)腎本身造成損傷外[4-6],還對(duì)心臟、肺、肝等遠(yuǎn)隔器官造成損傷,尤其是需氧、需血量極大的心臟。在腎缺血再灌注到心肌損害過程,免疫反應(yīng)是重要反應(yīng)之一。缺血再灌注損傷作為一個(gè)非免疫性因素能通過免疫機(jī)制影響心臟的損傷程度[7]。
雷帕霉素是一種新型免疫抑制劑,可通過受體FK50結(jié)合蛋白-12與靶蛋白(mTOR)結(jié)合,抑制其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),從而減少晚期G1期免疫細(xì)胞的停滯,抑制免疫應(yīng)答。免疫抑制劑可以通過抑制炎癥反應(yīng)從而減輕缺血再灌注后對(duì)組織器官的損害[8]。據(jù)報(bào)道雷帕霉素經(jīng)過非直接通路方式使激活的T細(xì)胞凋亡,通過阻礙抗原呈遞過,抑制DC細(xì)胞成熟,使細(xì)胞因子的分泌減少,阻止DC在心肌組織遷移集聚,可以明顯改善大鼠RIR后心臟的結(jié)構(gòu)和生理功能[9]。
表1 各組血漿中CK,CK-MB,BUN和Scr含量變化(±s,n=10)Table 1 Values of CK,CK-MB,BUN and Scr in different groups
表1 各組血漿中CK,CK-MB,BUN和Scr含量變化(±s,n=10)Table 1 Values of CK,CK-MB,BUN and Scr in different groups
注:與假手術(shù)組比,△△P<0.01;與RIR組比,*P<0.05,**P<0.01。Note.Compared with the Sham group,△△P<0.01.Compared with the RIR group,*P<0.05,**P<0.01.
分組Groups CK 103 U/L CK-MB 103 U/L BUN mg/dL Scr mg/dL空白組Control group 0.49±0.04 0.75±0.07 157.80±10.62 7.90±0.60假手術(shù)組Sham group 0.61±0.05 0.88±0.13 163.60±12.26 8.10±0.70 RIR組RIR group 11.05±1.46△△ 14.31±2.09△△ 701.40±60.45△△ 21.50±2.10△△RAPA+RIR組RAPA+RIR group 9.32±1.33** 11.22±1.95** 340.30±31.02* 14.20±1.30*
表2 CXCL10、HIF-1α和VEGF mRNA在不同組中的表達(dá)水平(±s,n=10)Table 2 Expression levels of CXCL10,HIF-1αand VEGF mRNA in the different groups
表2 CXCL10、HIF-1α和VEGF mRNA在不同組中的表達(dá)水平(±s,n=10)Table 2 Expression levels of CXCL10,HIF-1αand VEGF mRNA in the different groups
注:與假手術(shù)組對(duì)比,△P<0.05;與RIR組對(duì)比,*P<0.05。Note.Compared with the Sham group,△P<0.05.Compared with the RIR group,*P<0.05.
組別Groups HIF-1α VEGF CXCL10空白組Control group 0.0115±0.005 0.0159±0.0013 0.4839±0.041 RIR組RIR group 0.0167±0.008△ 0.0201±0.0016△ 0.2753±0.028△RAPA+RIR組RAPA+RIR group 0.0139±0.007* 0.0187±0.0015* 0.3349±0.037*
注:與假手術(shù)組相比,△P<0.05;與RIR組相比,**P<0.01。圖1 各組小鼠脾、心臟及外周血中NKT細(xì)胞百分比Note.Compared with the Sham group,△P<0.05.Compared with the RIR group,**P<0.01.Figure 1 Percentage of NKT cells in spleen,heart and peripheral blood of mice in each group
注:a:空白組;b:假手術(shù)組;c:RIR組;d:RAPA+RIR組。圖2 四組心肌細(xì)胞形態(tài)學(xué)研究Note.a,Control group.b,Sham group.c,RIR group.d,RAPA+RIR group.Figure 2 Myocardia morphology among four groups
心臟運(yùn)轉(zhuǎn)過程需氧量大,容易被RIR過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)所損傷。心肌受損傷時(shí)會(huì)促進(jìn)CK、CK-MB等因子釋放,其釋放量入血越多,心肌病變程度越高。因此,血清心肌酶活性的測定可用來體現(xiàn)心肌細(xì)胞損傷程度[10]。氧化應(yīng)激使細(xì)胞膜通透性增強(qiáng),CK、CK-MB滲出增加,其在血清中的含量大幅度提高[11]。在本研究中,與假手術(shù)組比較,RIR組損傷水平顯著加劇。與RIR組相比,雷帕霉素處理組損傷程度減輕。該結(jié)果與Feng等[12]人在2018年內(nèi)的研究結(jié)果相符,表明雷帕霉素能夠減少氧化應(yīng)激對(duì)心肌的損傷、降低心肌細(xì)胞膜的通透性,從而起到對(duì)RIR致心肌損傷的保護(hù)作用。
腎缺血再灌注損傷產(chǎn)生的炎癥因子以及低氧誘導(dǎo)因子可導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡。因此推斷心肌細(xì)胞凋亡可能是導(dǎo)致心肌損傷的原因之一。RIR時(shí)心肌細(xì)胞凋亡數(shù)量顯著增高。相較RIR組,雷帕霉素處理組細(xì)胞凋亡數(shù)量顯著減少。該結(jié)果顯示RIR后心肌組織受損明顯,而處理雷帕霉素對(duì)RIR后的心肌損傷起保護(hù)作用[13]。
趨化因子CXC亞家族,如CXCL10,其特殊作用于NK細(xì)胞表面受體。可趨化單核細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞、和自然殺傷(NK)細(xì)胞等進(jìn)入炎癥部位,介導(dǎo)缺血后再灌注產(chǎn)生的遠(yuǎn)隔器官損害[14]。RIR迅速激活機(jī)體的免疫系統(tǒng)[15]。在趨化因子的作用下,心肌中集聚的CD4+T細(xì)胞逐漸增多。這些趨化因子可能通過正反饋促進(jìn)自身的分泌,形成有效的濃度梯度,誘導(dǎo)CD4+T細(xì)胞的浸潤,從而放大這一免疫反應(yīng)過程。使得心肌組織受損程度增加。結(jié)果表明,相比于RIR組,假手術(shù)組心肌組織中的CXCL10含量顯著增加,雷帕霉素處理組含量升高且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,該結(jié)果與Zhang等[3]人在2018年的研究結(jié)果一致。這說明正常機(jī)體CXCL10也有表達(dá),RIR時(shí),機(jī)體消耗大量趨化因子來介導(dǎo)CD4+T細(xì)胞的活化,導(dǎo)致自身含量的減少。雷帕霉素處理組其含量有所增加,表明機(jī)體的免疫反應(yīng)受到了雷帕霉素的抑制,使得對(duì)心肌細(xì)胞有損害的CD4+T細(xì)胞數(shù)量的減少,所需要的趨化因子數(shù)量也減少,因此,CXCL10的數(shù)量有所上升。這說明在RIR后心肌損傷加重,而雷帕霉素可緩解大鼠心肌受損,發(fā)揮對(duì)心肌顯著的保護(hù)作用。
NKT細(xì)胞包括CD3和NK1.1雙陽性細(xì)胞,它是一種免疫細(xì)胞,其在TCR受到刺激后1~2 h內(nèi)被激活,迅速產(chǎn)生多種類型的細(xì)胞因子[16-18]。研究表明,NKT細(xì)胞在缺血后再灌注導(dǎo)致的損傷過程中扮演重要角色。其中NKT細(xì)胞可以通過外周血從脾中募集到靶器官。為保護(hù)機(jī)體,免疫系統(tǒng)中的NKT細(xì)胞可以通過分泌Th2型細(xì)胞因子IL-10發(fā)揮抑制免疫細(xì)胞的作用,降低T細(xì)胞在RIR時(shí)對(duì)心肌細(xì)胞的損害作用。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,脾中NKT細(xì)胞百分比呈逐漸下降趨勢(shì),心臟和外周血NKT細(xì)胞百分比呈逐漸上升趨勢(shì),差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,結(jié)果與Pan等[19]人在2019年的研究結(jié)果一致。這說明,機(jī)體在受到炎癥反應(yīng)時(shí),可本能地刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)進(jìn)行自我保護(hù)。RIR對(duì)機(jī)體造成損害,激發(fā)了機(jī)體自身的保護(hù)機(jī)制。RIR后心肌組織損害程度加重,在給予雷帕霉素后,心肌損傷有所好轉(zhuǎn)??赡軝C(jī)制是雷帕霉素上調(diào)CXCL表達(dá)水平,促進(jìn)NKT細(xì)胞聚集增多,使得外周血和心臟組織NKT細(xì)胞的正反饋集聚增加,因此使再灌注后的心肌受損減輕[11]。
缺氧誘導(dǎo)因子-1(HIF-1),是一種調(diào)控靶基因、缺氧適應(yīng)和炎癥的轉(zhuǎn)錄活性核蛋白。它主要由在細(xì)胞中參與生長發(fā)育調(diào)節(jié)的兩個(gè)亞基構(gòu)成,HIF-1α主要參與缺氧反應(yīng)應(yīng)答;而HIF-1β的功能是穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)的基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)。HIF-1a對(duì)氧濃度敏感,在RIR的條件下,由于機(jī)體缺血缺氧,HIF-1α的降解途徑阻斷(VHL蛋白能識(shí)別并與其形成復(fù)合物,阻止HIF-1α的降解作用),導(dǎo)致HIF-1α的mRNA含量上調(diào)。HIF-1α在中間區(qū)域與HIF-1β發(fā)生結(jié)合,產(chǎn)生異二聚體,正反饋調(diào)節(jié)VEGF mRNA表達(dá),改善血管通透性[20]。本實(shí)驗(yàn)研究顯示,VEGF和HIF-1α的表達(dá)水平在RIR組和雷帕霉素處理組高于假手術(shù)組(P<0.05),雷帕霉素處理組和RIR組相比VEGF和HIF-1αmRNA水平明顯降低(P<0.05)。該結(jié)果與伊利亞爾等[21]的研究結(jié)果一致。說明在RIR后心臟受到損傷,機(jī)體啟動(dòng)免疫反應(yīng),激活血管新生信號(hào)通路,上調(diào)HIF-1α的表達(dá),這一過程導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖,促進(jìn)心肌供血供氧以對(duì)抗RIR后心肌損傷[20-22]。而雷帕霉素給藥干預(yù)后,其藥物可以使乳酸含量增高,促進(jìn)無氧代謝活動(dòng),短時(shí)間弱化心肌需氧量,導(dǎo)致HIF-1αmRNA表達(dá)下調(diào)。
VEGF mRNA可誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞活性氧自由基生成,在氧化應(yīng)激中促進(jìn)細(xì)胞凋亡,引起炎癥發(fā)生[23-24]。白細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞在炎癥因子作用下粘附聚集而發(fā)生炎癥反應(yīng),從而導(dǎo)致微循環(huán)障礙。本實(shí)驗(yàn)研究顯示,相比于假手術(shù)組,RIR組的心肌細(xì)胞中VEGF mRNA水平顯著上調(diào),結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;與RIR組相比,雷帕霉素處理組VEGF mRNA水平下調(diào),結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,該結(jié)果與Zhang等[3]人在2018年的研究結(jié)果一致。雷帕霉素給藥后,能夠通過抑制mTOR通路,進(jìn)而抑制HIF-1α表達(dá),最終導(dǎo)致VEGF表達(dá)量下降[25]。雷帕霉素對(duì)心肌的保護(hù)作用,可能與減少VEGFmRNA的表達(dá),從而減少活性氧自由基的生成有關(guān)。
綜上所述,雷帕霉素可減輕RIR大鼠心肌損傷。作用機(jī)制可能與增加NKT細(xì)胞數(shù)量,抑制HIF-1α和VEGF的表達(dá),上調(diào)CXCL10的表達(dá),從而增強(qiáng)RIR后心臟的抗炎、抗凋亡作用有關(guān)。