李建波, 張潔, 何旭, 劉明, 閆可, 趙偉鵬△
蘆根水提取物對放射性肺損傷小鼠的保護作用*
李建波1, 張潔1, 何旭2, 劉明3, 閆可3, 趙偉鵬1△
(1河北醫(yī)科大學第四醫(yī)院中醫(yī)科,河北 石家莊 050000;2河北醫(yī)科大學第四醫(yī)院胸外二科,河北 石家莊 050000;3河北醫(yī)科大學第四醫(yī)院放療科,河北 石家莊 050000)
探討蘆根水提取物(PRE)對放射性肺損傷(RILI)小鼠的保護作用及機制。C57BL/6小鼠通過全胸單劑量15 Gy輻射構(gòu)建小鼠RILI模型,然后通過灌胃方式給予PRE,持續(xù)4周。通過觀察小鼠一般生存情況、肺功能檢測及HE染色評估PRE對RILI小鼠的保護效應;Masson染色及羥脯氨酸含量檢測評估肺組織纖維化;RT-qPCR檢測纖維化相關(guān)因子I型膠原(Col-I)、III型膠原(Col-III)、α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)和纖連蛋白(fibronectin)的mRNA表達;TUNEL染色及cleaved caspase-3免疫組化用于評估肺組織細胞的凋亡;ELISA分析血清中促炎因子腫瘤壞死因子α(TNF-α)、白細胞介素6(IL-6)和IL-1β的表達水平;Western blot檢測小鼠肺組織中核因子κB(NF-κB)信號通路相關(guān)蛋白的表達。PRE可減輕輻射誘發(fā)的小鼠肺組織損傷,抑制肺組織中纖維化相關(guān)因子Col-I、Col-III、α-SMA和fibronectin的表達,降低促炎因子(TNF-α、IL-6和IL-1β)水平,抑制肺組織細胞凋亡,降低肺組織p-IκBα和p-P65蛋白水平(<0.05或<0.01)。PRE能減輕輻射所致的小鼠肺組織炎癥及纖維化損傷,其作用機制可能與抑制NF-κB信號通路有關(guān)。
蘆根水提取物;放射性肺損傷;肺纖維化;炎癥;NF-κB信號通路
放射治療是肺癌、食管癌和胃癌等胸腹部惡性腫瘤的常見治療手段之一,而放射性肺損傷(radiation-induced lung injury, RILI)卻是其常見的并發(fā)癥,影響患者的生活質(zhì)量,甚至限制治療進程,降低治療效果[1]。雖然隨著精準放療手段的應用,使得暴露于輻射的正常組織相對減少,但仍有很多患者會出現(xiàn)RILI[2]。目前,臨床上尚缺少確切有效的治療RILI的方法,其原因可能是由于RILI的發(fā)生機制尚未完全明確。目前較多的研究認為RILI與輻射所致炎性細胞因子釋放、細胞氧化損傷以及免疫失衡等相關(guān)[1, 3-4]。治療方面,對于早期RILI,西醫(yī)多采用糖皮質(zhì)激素、阿米福汀以及其他對癥治療,但存在治療效果的滿意度低、相關(guān)副作用多以及停藥后反復等問題[5-6]。
中藥具有低毒、多靶點和全身免疫調(diào)節(jié)優(yōu)勢,因此從中藥中篩選治療RILI的藥材和單體符合臨床客觀需求。蘆根水提取物(aqueous extract, PRE)是用水提取法從中藥蘆根中提取的活性物質(zhì),其中包含蘆丁、蘆薈素、多酚類化合物等,具有抗炎、抗氧化、抗腫瘤及降血糖等多種藥理學作用[7]。曹利華等[8]的研究表明,鮮蘆根可通過抑制TGF-β信號減輕氣道炎癥反應,進而改善慢性支氣管炎。研究還報道,PRE可抑制糖尿病小鼠肝臟出現(xiàn)的線粒體氧化應激反應[9]。然而關(guān)于PRE對RILI中所起的作用尚不清楚。因此,本研究通過構(gòu)建小鼠RILI模型,探究蘆根提取物在輻射所致小鼠肺損傷及肺纖維化中作用及潛在作用機制,為臨床治療RILI提供一定的實驗依據(jù)和理論基礎。
40只雄性6周齡SPF級C57BL/6小鼠,體重17~19 g,購自瑪斯生物技術(shù)(固安)有限公司[SCXK(冀)2021-004]。小鼠飼養(yǎng)在條件可控制的屏障環(huán)境[(23±3) ℃、濕度40%~70%、模擬自然光照]的動物房。相關(guān)實驗研究獲得河北醫(yī)科大學第四醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會批準。
干燥蘆根購自北京同仁堂健康藥業(yè)股份有限公司。按照文獻[10-11]的方法,將500 g干燥蘆根用粉碎機磨碎,然后在回流萃取系統(tǒng)裝置用沸水回流(提取條件:100 ℃ 2 h,10 L × 2次),將提取液過濾后,置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器系統(tǒng)中濃縮,干燥后最終得到50 g水提取物(PRE,收率10.0%)。
小鼠腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細胞介素6(interleukin-6, IL-6)和IL-1β ELISA檢測試劑盒購自南京恩晶生物科技有限公司;cleaved caspase-3抗體購自R&D Systems;核因子κB抑制蛋白α[inhibitor of nuclear factor-κB (NF-κB) α, IκBα]、p-IκBα、P65和p-P65抗體購自Santa Cruz;辣根過氧化物酶(horseradish peroxidase, HRP)標記的羊抗兔或抗小鼠Ⅱ抗和β-actin抗體購自武漢伊萊瑞特生物科技股份有限公司;Trizol試劑購自Invitrogen;羥脯氨酸含量檢測試劑盒和SYBR Green RT-qPCR試劑盒購自北京索萊寶科技有限公司。
2.1動物模型和分組處理小鼠經(jīng)適應性喂養(yǎng)1周后,隨機分為對照(control, Ctrl)組、RILI組、低劑量PRE(low-dose PRE, PRE-L)組和高劑量PRE(high-dose PRE, PRE-H)組,每組10只。RILI小鼠模型構(gòu)建方案:小鼠經(jīng)腹腔注射麻醉后,固定于照射臺上,利用動物直線加速器(6 MV X射線,劑量率400 MU/min,源靶距100 cm)進行單劑量15 Gy全胸部照射,身體其他部分用多葉準直器遮擋屏蔽。除Ctrl組外,其余3組小鼠均通過輻射構(gòu)建RILI模型。輻照后1 d,分別采用灌胃的方式給予PRE-L和PRE-H組小鼠100和300 mg·kg-1·d-1的PRE(相當于生藥1和3 g·kg-1·d-1),持續(xù)4周;Ctrl組和RILI組小鼠同步灌胃等體積的生理鹽水。每天檢查小鼠的健康狀況及精神狀態(tài),并每周測量體重。
2.2肺功能檢測取材前1 d,用BUXCO小動物肺功能-全身體積描記檢測系統(tǒng)分析小鼠的肺功能。將清醒狀態(tài)的小鼠直接放入容積儀器室中,待其呼吸平穩(wěn)后記錄小鼠的通氣參數(shù),連續(xù)記錄20 min并進行統(tǒng)計學分析。
2.3實驗取材方法取材前12 h禁食不禁水,70 mg/kg戊巴比妥腔注射麻醉后,采用眼球取血法收集小鼠外周血用于ELISA檢測。取血完成后,用CO2氣體處死小鼠,打開胸腔,PBS灌流后,用彎鑷取出肺組織,將其分成幾個部分,一部分固定后包埋于石蠟中用于HE染色、Masson染色、TUNEL染色和免疫組化染色;另一部分立即速凍在含有液氮的凍存管中用于RT-qPCR、羥脯氨酸含量檢測和Western blot。
2.4羥脯氨酸含量檢測每樣本取0.1 g肺組織并在剪碎后置于玻璃管中,加1 mL 6 mol/L的鹽酸,擰上蓋子,置于110 ℃烘箱消化4 h,加10 mol/L的NaOH(約0.6 mL)調(diào)pH 6~8范圍內(nèi),雙蒸餾水定容至2 mL,室溫下16 000×離心20 min取上清。按照試劑盒步驟,每樣品取50 μL上清液,并與檢測試劑混勻,60 ℃烘箱孵育20 min,冷卻后,用酶標儀測定波長560 nm處吸光度。同時按梯度標準品制作標準曲線。按照標準曲線和樣品稀釋度來計算出肺組織中羥脯氨酸含量。
2.5組織學染色分析收集各組小鼠經(jīng)石蠟包埋的肺組織塊,切片機制備厚度約為5 μm的肺組織切片,脫蠟復水后,行常規(guī)HE染色、Masson染色或TUNEL染色,并依據(jù)染色的密度和程度對肺組織結(jié)構(gòu)、細胞凋亡以及肺組織纖維化的嚴重程度進行統(tǒng)計學評估分析。倒置顯微鏡下,每個切片隨機取5個視野區(qū)進行分析。HE染色結(jié)果依據(jù)Szapiel評分法評估肺泡炎癥程度:0分:無肺泡炎;1分:肺泡炎比例<20%;2分:肺泡炎比例20%~50%;3分:肺泡炎比例>50%。Masson染色結(jié)果用ImageJ軟件統(tǒng)計膠原容積分數(shù)(collagen volume fraction);TUNEL染色結(jié)果依據(jù)凋亡細胞數(shù)評估凋亡指數(shù)(apoptotic index),以細胞核染成棕褐色且具備凋亡形態(tài)特征標記為凋亡細胞。
2.6免疫組織化學分析各組小鼠的肺組織切片經(jīng)脫蠟復水后,加3%過氧化氫溶液阻斷內(nèi)源性過氧化物酶,沖洗后經(jīng)檸檬酸修復液進行抗原修復,PBS沖洗并封閉以阻斷非特異性結(jié)合,依次分別經(jīng)cleaved caspase-3 Ⅰ抗(1∶400)、生物素標記的羊抗兔Ⅱ抗以及HRP標記的鏈霉卵白素孵育后,DAB顯色,蘇木精復染,于倒置顯微鏡下觀察并隨機取5個視野區(qū)進行拍照分析,所得結(jié)果采用ImageJ軟件統(tǒng)計陽性染色的平均吸光度。
2.7ELISA各組小鼠的外周血靜置后離心收集血清,依據(jù)ELISA檢測試劑盒的操作說明,對血清中促炎因子TNF-α、IL-6和IL-1β的水平進行檢測。
2.8RT-qPCR收集各組小鼠的肺組織,勻漿后,用Trizol試劑提取總RNA。RNA經(jīng)純化定量后反轉(zhuǎn)錄為cDNA,之后使用SYBR Green RT-qPCR試劑盒,按照操作說明進行RT-qPCR。反應程序:95 ℃預變性30 s;95 ℃ 15 s, 60 ℃ 30 s, 65 ℃ 2 min,40個循環(huán)。以β-actin為內(nèi)參照,mRNA的相對表達量用2-ΔΔCt表示。I型膠原(collagen type I, Col-I)上游引物序列為5'-CTGGCGGTTCAGGTCCAAT-3',下游引物序列為5'-TTCCAGGCAATCCACGAGC-3';III型膠原(collagen type III, Col-III)上游引物序列為5'-CTGTAACATGGAAACTGGGGAAA-3',下游引物序列為5'-CCATAGCTGAACTGAAAACCACC-3';α-平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscle actin, α-SMA)上游引物序列為5'-GGCACCACTGAACCCTAAGG-3',下游引物序列為5'-ACAATACCAGTTGTACGTCCAGA-3';纖連蛋白(fibronectin)上游引物序列為5'-ATGTGGACCCCTCCTGATAGT-3',下游引物序列為5'-GCC-CAGTGATTTCAGCAAAGG-3';β-actin上游引物序列為5′-CTGAGAGGGAAATCGTGCGT-3′,下游引物序列為5′-AGGGAGGA-AGAGGATGCGG-3′。
2.9Western blot收集各組小鼠的肺組織,勻漿后,用RIPA裂解提取總蛋白, 按照實驗常規(guī)步驟,用Western blot快速轉(zhuǎn)印系統(tǒng)將各組等量的蛋白分離后并轉(zhuǎn)印至PVDF膜,封閉,依次分別孵育Ⅰ抗[p-IκBα(1∶1 000)、IκBα(1∶3 000)、p-P65(1∶2 000)、P65(1∶5 000)和β-actin(1∶10 000),室溫2 h]和HRP標記羊抗兔Ⅱ抗(1∶2 000),TBST洗后,ECL法使蛋白條帶顯像,以β-actin為內(nèi)參,所得結(jié)果采用ImageJ軟件進行灰度半定量分析。
用GraphPad Prism 8.3軟件對實驗所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析。計量資料均采用均數(shù)±標準差(mean±SD)表示。組間均數(shù)比較采用單因素方差分析,兩兩比較采用Bonferroni校正的檢驗。以<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。
小鼠一般生存狀況觀察結(jié)果顯示,實驗期間,Ctrl組小鼠精神狀態(tài)良好、動作敏捷、毛發(fā)光澤度良好;其余各組在接受輻照3~7 d后開始出現(xiàn)不同程度的精神萎靡、動作遲緩、飲食減少、毛發(fā)光澤度變差、甚至胸背部明顯脫毛,其中RILI組表現(xiàn)最為明顯,且有1只大鼠于輻射暴露第21天死亡;灌胃給予PRE減弱了放射導致的這種現(xiàn)象。體重監(jiān)測結(jié)果同樣顯示,Ctrl組小鼠體重持續(xù)增長;其余各組在接受輻照7 d后均出現(xiàn)體重的顯著下降(0.01),之后開始呈現(xiàn)不同程度的回升;至28 d時,PRE-L和PRE-H組小鼠平均體重顯著高于RILI組(0.05或0.01),見圖1A。小鼠肺功能檢測結(jié)果顯示,相較于Ctrl組,輻照可顯著增加小鼠的呼吸間歇收縮指數(shù)(enhanced pause,Penh;0.01),灌胃給予PRE可降低輻照所致的Penh增加(0.05或0.01),其中PRE-H組表現(xiàn)更為顯著,見圖1B。Penh可反映小鼠呼吸時所受氣道阻力,故而該結(jié)果表明PRE可減輕輻照所致肺損傷。
HE染色進一步評估PRE對RILI的保護效應(圖1C),RILI組小鼠肺組織出現(xiàn)充血水腫,大量炎癥細胞浸潤及纖維組織增生,肺泡結(jié)構(gòu)不清晰;PRE-L和PRE-H組肺組織中的相關(guān)病理改變明顯減輕,Szapiel分數(shù)較RILI組顯著降低(0.05或0.01)。這些結(jié)果表明PRE可減輕小鼠RILI。
Figure 1. Phragmitis rhizoma aqueous extract (PRE) attenuated radiation-induced lung injury (RILI) in mice. A: body weight of mice; B: pulmonary function index (enhanced pause, Penh); C: histological features of lung tissues were detected by HE staining. Mean±SD. n=9 or 10. ##P<0.01 vs Ctrl group; *P<0.05, **P<0.01 vs RILI group.
TUNEL染色評估肺部細胞凋亡情況(圖2A):RILI組肺組織凋亡指數(shù)顯著高于Ctrl組(0.01),而PRE-L和PRE-H組凋亡指數(shù)顯著低于RILI組(0.05或0.01)。用cleaved caspase-3的免疫組織化學染色(圖2B)進一步鑒定了細胞凋亡水平:相較于Ctrl組,RILI組可見大量cleaved caspase-3陽性細胞(0.01);PRE-L和PRE-H組cleaved caspase-3陽性細胞的數(shù)量顯著降低(0.05或0.01)。外周血清中促炎因子的ELISA檢測結(jié)果(圖2C~E)顯示,相較于Ctrl組,RILI組小鼠血清中TNF-α、IL-6和IL-1β的表達水平均顯著升高(0.01);相較于RILI組,灌胃給予PRE可顯著降低小鼠血清中TNF-α、IL-6和IL-1β的水平(0.05或0.01)。
Figure 2. Phragmitis rhizoma aqueous extract (PRE) attenuated radiation-induced lung cell apoptosis and inflammation. A: the apoptotic index of lung sections was detected by TUNEL assay; B: the cleaved caspase-3 expression in lung tissues was detected by immunohistochemistry; C, D and E: the serum levels of inflammation cytokines TNF-α (C), IL-6 (D) and IL-1β (E) were analyzed by ELISA. Mean±SD. n=9 or 10. ##P<0.01 vs Ctrl group; *P<0.05, **P<0.01 vs RILI group.
肺組織纖維化改變是RILI進展過程中的關(guān)鍵事件,通過Masson染色和羥脯氨酸含量檢測評估各組小鼠肺組織中膠原生成情況。如圖2A~C所示,輻照暴露可顯著促進小鼠肺組織中膠原的生成和沉積,并上調(diào)羥脯氨酸的含量(0.01);PRE可顯著抑制輻照所致的膠原沉積(0.05或0.01),顯著降低RILI小鼠肺組織中羥脯氨酸的含量(0.05或0.01)。進一步利用RT-qPCR檢測肺組織中纖維化相關(guān)基因的表達情況。如圖3D~G所示,相較于Ctrl組,RILI組肺組織中Col-I、Col-III、α-SMA和fibronectin的mRNA表達水平均顯著升高(0.01);相較于RILI組,PRE灌胃處理可顯著降低肺組織中Col-I、Col-III、α-SMA和fibronectin的mRNA表達水平(0.05或0.01)。
Figure 3. Phragmitis rhizoma aqueous extract (PRE) attenuated radiation-induced lung fibrosis. A and B: representative Masson staining images of collagen deposition in lung tissues (A) and the statistical results (B); C: hydroxyproline levels in lung tissues; D to G: the mRNA expression levels of fibrosis-related factors Col-I (D), Col-III (E), α-SMA (F) and fibronectin (G) in lung tissues. Mean±SD. n=9 or 10. ##P<0.01 vs Ctrl group; *P<0.05, **P<0.01 vs RILI group.
Western blot檢測小鼠肺組織中NF-κB信號通路相關(guān)蛋白的表達情況。如圖4所示,相較于Ctrl組,RILI組p-IκBα和p-P65蛋白水平均顯著升高(0.01);灌胃法給予PRE可顯著抑制輻照誘導的IκBα和P65的磷酸化(0.05或0.01)。
Figure 4. Phragmitis rhizoma aqueous extract (PRE) inhibited radiation-induced expression of NF-κB signaling pathway-related proteins in lung tissues. Mean±SD. n=9 or 10. ##P<0.01 vs Ctrl group; *P<0.05, **P<0.01 vs RILI group.
現(xiàn)代藥理學研究表明,PRE具有抗炎和抗氧化的活性[10-11],然而其在RILI中的具體應用仍未見報道。因此,本研究首先探討了PRE在防治RILI中的潛在作用,結(jié)果顯示PRE可改善輻照后小鼠的生存狀態(tài),提升肺功能,同時減輕輻照所致的小鼠肺組織損傷。輻射所致的肺損傷在病理生理進展過程中包含了早期的炎癥反應和晚期的纖維化,從分子水平觀察,RILI是一個持續(xù)進展的過程[12]。輻照作用于肺組織可致組織細胞DNA雙鏈斷裂,并產(chǎn)生大量的活性氧,進而引起肺泡上皮細胞以及血管內(nèi)皮細胞等的損傷和凋亡;同時伴隨著炎癥細胞的浸潤及大量促炎因子的分泌[12-13]。本研究顯示PRE可降低輻照所致的小鼠血清中促炎因子TNF-α、IL-6和IL-1β的過度生成,并抑制輻照所致的肺部細胞凋亡。機體的炎癥反應具有雙重作用,早期炎癥反應的發(fā)生是機體必要的防御機制,而過度的炎癥則會誘發(fā)機體損傷以及病理性的纖維化[14]。為進一步評估PRE對RILI的保護作用,本研究通過Masson染色、羥脯氨酸含量檢測以及RT-qPCR檢測了肺組織中膠原的沉積以及纖維化相關(guān)基因的mRNA表達水平,結(jié)果顯示,PRE降低輻照所致的羥脯氨酸的生成以及膠原沉積,并降低纖維化相關(guān)因子Col-I、Col-III、α-SMA和fibronectin的表達,提示PRE能改善輻照誘導的肺組織纖維化。
此外,作為調(diào)控炎癥反應的關(guān)鍵通路,NF-κB信號通路在RILI中被激活[15-16]。一般研究認為,輻照可激活NF-κB信號通路,介導促炎因子的釋放;而促炎因子又反過來作為刺激信號,進一步活化NF-κB信號,最終導致炎癥的持續(xù)性進展[16-17]。因此,本研究通過Western blot分析了PRE治療對輻照后肺組織中NF-κB信號通路關(guān)鍵蛋白表達的影響,結(jié)果顯示,PRE降低輻照所致的p-IκBα和p-P65蛋白水平升高。這一結(jié)果提示了PRE能通過抑制輻照所引起的NF-κB信號通路過度激活來減輕RILI。而PRE的這種保護作用是否還涉及其他信號分子,尚需進一步的研究。
綜上所述,本研究表明PRE能通過抑制肺組織NF-κB信號通路的活化、抑制肺部細胞凋亡和炎癥反應,從而減輕輻照所致肺組織纖維化及損傷。
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Protective effect ofaqueous extract on mice with radiation-induced lung injury
LI Jianbo1, ZHANG Jie1, HE Xu2, LIU Ming3, YAN Ke3, ZHAO Weipeng1△
(1,,050000,;2,,050000,;3,,050000,)
To investigate the effect ofaqueous extract (PRE) on radiation-induced lung injury (RILI) in mice, and to explore the underlying mechanism.A RILI model was established in C57BL/6 mice using a single dose of 15 Gy X-ray thoracic radiation, and PRE was then administered by gavage for 4 weeks. The protective effect of PRE on RILI was assessed based on the general survival status of mice and the results of pulmonary tests and HE staining. Pulmonary fibrosis was evaluated by Masson staining and hydroxyproline content detection. The mRNA expression of fibrosis-related factors collagen type I (Col-I), collagen type III (Col-III), α-smooth muscle actin (α-SMA) and fibronectin was detected by RT-qPCR. Cell apoptosis was detected by TUNEL staining and cleaved caspase-3 immunohistochemistry. The serum levels of inflammatory cytokines tumor necrosis factor-α (TNF-α), interleukin-6 (IL-6) and IL-1β were analyzed by ELISA. The levels of proteins related to NF-κB signaling pathway in lung tissues of the mice were examined by Western blot.Treatment with PRE attenuated RILI in mice. It also down-regulated the expression of Col-I, Col-III, α-SMA and fibronectin in lung tissues, decreased the serum levels of inflammatory cytokines (TNF-α, IL-6 and IL-1β), inhibited the apoptosis in lung tissues, and reduced the protein levels of p-IκBα and p-P65 in lung tissues (<0.05 or<0.01).Treatment with PRE alleviated radiation-induced lung inflammation and fibrosis in mice, and the mechanism may be related to the suppression of NF-κB signaling pathway.
aqueous extract; radiation-induced lung injury; lung fibrosis; inflammation; NF-κB signaling pathway
1000-4718(2023)07-1282-07
2023-05-15
2023-06-26
0311-86095562; E-mail: lidongyuanzhihou@126.com
R965.1; R363
A
10.3969/j.issn.1000-4718.2023.07.015
[基金項目]河北省中醫(yī)藥管理局科研計劃項目(No. 2022395);國家中醫(yī)藥管理局第七批全國老中醫(yī)藥專家學術(shù)經(jīng)驗繼承工作項目(國中醫(yī)藥辦人教函[2022]76號)
(責任編輯:宋延君,李淑媛)