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      ICOS轉(zhuǎn)基因小鼠感染日本血吸蟲后HSCs活化效應及對肝纖維化的影響

      2014-04-02 02:47:14董蘭蘭王言言夏超明
      中國人獸共患病學報 2014年11期
      關鍵詞:血吸蟲原代活化

      梁 松,王 波,許 靜,董蘭蘭,王言言,趙 波,夏超明

      血吸蟲病是以蟲卵誘發(fā)宿主肉芽腫反應及繼發(fā)纖維化為特征的免疫病理性疾病。血吸蟲病肝纖維化是一個機體纖維合成和基質(zhì)降解失衡的動態(tài)變化過程,可導致門靜脈高壓、肝硬化、腹水等并發(fā)癥[1-2]。HSCs的活化已被認為是肝纖維化發(fā)展過程中的重要環(huán)節(jié),其活化、增殖以致發(fā)生表型和功能的改變,轉(zhuǎn)化為肌成纖維細胞,并大量合成以Ⅰ型、Ⅲ型膠原為主的細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM),超過了機體的降解能力,使ECM在肝內(nèi)過量沉積導致纖維化形成[3-4]。課題組前期研究已表明,ICOSL/ICOS信號介導的Th2極化與感染日本血吸蟲導致的肝纖維化有關[5-6]。在此基礎上,本實驗通過觀察ICOS-Tg小鼠原代HSCs活化及其對肝纖維化形成的影響,進一步探討ICOSL/ICOS信號在血吸蟲病肝纖維化中的作用機制。

      1 材料與方法

      1.1材料

      1.1.1實驗動物 由揚州大學比較醫(yī)學中心提供遺產(chǎn)背景品系為FVB/NJ的ICOS-Tg小鼠,所有實驗小鼠均置于蘇州大學實驗動物中心SPF實驗動物大樓中飼養(yǎng),采用自動溫度控制(22±1)℃,自動光控(12 h明/12 h暗),自由進食及飲用潔凈水。日本血吸蟲尾蚴陽性釘螺購自江蘇省血吸蟲病防治研究所。

      1.1.2試劑 Collagenase Type Ⅰ(Gibco)、Pronase E(Roche)、DNase Ⅰ(Sigma)、Optiprep細胞分離液(Axis-shield)、RPMI-1640培養(yǎng)基和低糖DMEM培養(yǎng)基(Hyclone)、胎牛血清(Gibco)、Triton X-100(Amresco)、Hepes和EGTA(Solarbio)、GFAP抗體和SABC-CY3(武漢博士德)、Trizol(Invitrogen)、DEPC水(上海生工生物)、PrimeScriptTMRT reagent Kit和SYBR Premix Ex TaqTM(TaKaRa)、TGF-β1,Ⅰ、Ⅲ型膠原、α-SMA mRNA和內(nèi)參基因β-actin mRNA(華大基因)等。

      1.1.3主要儀器 津騰容劑過濾器和津騰隔膜真空泵GM-0.33A(天津津騰實驗設備有限公司);BT-100型蠕動(恒流)泵YZ9901(上海青浦滬西儀器廠);恒溫混勻儀TZL-200(蘇州帕西瓦爾實驗設備有限公司);Olympus CX31顯微鏡(日本Olympus);Olympus C-7070照相機(日本Olympus);Eppendorf PCR擴增儀(德國Eppendorf公司);Step One Plus Real-Time PCR Systerm (美國ABI);活細胞工作站(德國Leica);倒置相差顯微鏡(日本Olympus);Nanodrop 2000超微量分光光度計(美國Thermo)。

      1.1.4主要試劑 灌注液Ⅰ:氯化鈉8.0 g,氯化鉀0.402 g,二水磷酸二氫鈉0.093 6 g,十二水磷酸氫二鈉0.286 5 g,HEPES 2.383 g, EGTA 0.190 g,碳酸氫鈉0.352 8 g,葡萄糖0.901 g,pH7.2~7.4。灌注液Ⅱ:0.04% CollagenaseⅠ,加 RPMI-1640至100 mL,pH7.2~7.4。振蕩消化液: 0.08% CollagenaseⅠ,0.08% Pronase E, 5U/mL DNaseⅠ,加RPMI-1640至100 mL,pH7.2~7.4。所有溶液均需0.22 μm過濾除菌,并且在37℃培養(yǎng)箱中預熱后使用。

      1.2方法

      1.2.1實驗動物模型的建立 將釘螺置于潔凈的去氯水中,25 ℃,光照下逸出日本血吸蟲尾蚴,每只小鼠經(jīng)腹部皮膚感染15±1條尾蚴,實驗小鼠均在SPF級動物房飼養(yǎng)。

      1.2.2HSCs的分離 腹腔注射水合氯醛麻醉小鼠,待小鼠麻醉后,將其浸泡于75%酒精15 s,將其固定于解剖臺上,打開腹腔,暴露肝門靜脈,從門靜脈插管,灌注灌注液Ⅰ,同時剪短下腔靜脈,待肝臟變成土黃色后,更換灌注液Ⅱ進行灌注5~7 min,將肝臟游離至事先加入5 mL RPMI-1640培養(yǎng)基的平皿中;繼續(xù)灌注,直至肝臟呈糜爛狀后停止灌注,撕除肝包膜,盡量撕碎肝組織,去除結締組織,將肝組織倒入裝有20 mL振蕩消化液的50 mL離心管中,37 ℃振蕩消化20~30 min;終止消化,200目尼龍篩網(wǎng)過濾,收集細胞懸液,400 r/min×6 min,取上清;2 000 r/min×6 min,棄上清,5 mL RPMI-1640洗滌兩次,之后加入1.5 mL RPMI-1640重新懸浮細胞,待用;于50 mL離心管中分別緩慢加入4 mL 16%梯度分離液、4mL 12%梯度分離液,最后小心加入上述細胞懸液;離心,4 000 r/min×20 min;吸取目的層細胞,加入RPMI-1640離心洗滌2次后重懸計數(shù)。

      1.2.3HSCs的培養(yǎng) RPMI-1640重懸細胞后,然后以1×106個細胞接種于25 cm2透氣培養(yǎng)瓶中,含15%低糖DMEM完全培養(yǎng)基,37 ℃,5%CO2培養(yǎng)箱培養(yǎng)。24 h后第1次換液,以后每48 h換培養(yǎng)液1次。

      1.2.4分離細胞的鑒定

      1.2.4.1臺盼藍計數(shù) 將適量洗滌好的細胞懸液用臺盼藍染色后,置于顯微鏡下觀察計數(shù),計算細胞的成活率。

      1.2.4.2小鼠原代HSCs自發(fā)熒光檢測 將分離出的新鮮小鼠HSCs置于培養(yǎng)皿中,應用倒置熒光顯微鏡相差模式觀察其細胞形態(tài),并在波長為328nm的紫外激發(fā)光下觀察細胞藍綠色自發(fā)熒光。

      1.2.4.3神經(jīng)膠質(zhì)原纖維酸性蛋白(GFAP)免疫細胞化學實驗 將培養(yǎng)5 d的HSCs用兔抗小鼠GFAP(Glial fibrillary acidic protein )一抗、生物素化羊抗兔IgG二抗和SABC-Cy3進行免疫熒光染色,檢測GFAP表達,計算細胞的純度。

      1.2.4.4原代HSCs總RNA抽提及cDNA的合成 將小鼠不同病期原代HSCs以1×106個/mL的密度接種于6孔細胞培養(yǎng)板中,15%低糖DMEM完全培養(yǎng)基,37 ℃,5%CO2培養(yǎng)箱培養(yǎng)7 d后收集細胞。細胞總RNA的抽提:參照MIQE法則確保實時熒光定量PCR檢測結果的準確[7]。將原代培養(yǎng)7 d HSCs培養(yǎng)瓶中的培養(yǎng)基倒凈,用預冷的PBS 5 mL洗滌3 min,2次,加入1 mL預冷的TRIzol試劑,室溫靜置10 min,充分吹打至無明顯細胞團塊,使細胞充分裂解;將細胞裂解液轉(zhuǎn)入滅菌的無Rnase的帶蓋1.5 mL Ep管中,室溫靜置15 min;加入200 μL的氯仿,劇烈振蕩30 s后,室溫靜置5~10 min。4 ℃、12 000 r/min離心15 min,使Ep管中液體分為3層,上層為含RNA水相,中間為DNA,下層為含蛋白質(zhì)的有機相,轉(zhuǎn)移上層水相至另一個新的滅菌無Rnase的帶蓋1.5 mL Ep管中,加入等體積的異丙醇,上下顛倒充分混勻,室溫靜置10 min。4 ℃、12 000 r/min離心15 min。棄上清,沉淀中加入1mL -20 ℃預冷的75%酒精(DEPC水配制)洗滌除鹽,振蕩30 s,4℃、7 000 r/min離心5 min,2次。小心棄上清,再離心數(shù)秒,用滅菌無Rnase的槍頭吸去多余液體,空氣干燥10 min,用20 μL DEPC水溶解RNA沉淀。所有RNA樣品在Nanodrop 2000超微量分光光度計下測定其OD260/OD280的比值,范圍在1.8~2.0,以保證待測RNA濃度、純度及完整性。

      每組取RNA 1μL進行逆轉(zhuǎn)錄反應合成cDNA,按PrimeScriptTMRT reagent Kit試劑盒說明書操作步驟進行,制備足夠的cDNA用作熒光定量PCR的模板。反應體系20:5×PrimeScript Buffer(for Real Time) 4 μL;PrimeScript RT Enzyme Mix Ⅰ1 μL;Oligo dT Primer(50 μm) 1μL;Random 6 mers(100 μm) 1 μL;RNA模板2 μL;RNase Free dH2O 11 μL;總體積20 μL。反轉(zhuǎn)錄后cDNA在Nanodrop 2000超微量分光光度計下測定其OD260/OD280的比值,然后每個樣本濃度稀釋成300 ng/μL作為定量模板,-80 ℃儲存。

      1.2.4.5實時熒光定量PCR(Real-time Quantitative PCR, qRT-PCR) qRT-PCR法采用SYBR染料在ABI Step One Plus Real-Time PCR Systerm上進行。PCR反應體系20 μL;體系內(nèi)含cDNA模板2 μL,SYBR Premis Ex Taq(Tli RNaseH Plus)(2×)10 μL,上、下游引物各0.4 μL,ROX Reference Dye(50×)0.4 μL,dH2O 6.8 μL, 95 ℃,10 min;40個循環(huán)(95 ℃,15 s;60℃,1 min)。為了建立PCR產(chǎn)物的溶解曲線,擴增反應結束后,95 ℃,15 s;60 ℃,1 min;95 ℃,15 s 。每個樣本重復測定3次。實驗所用的引物序列見表1。

      表1 實時熒光定量PCR檢測基因和內(nèi)參基因的引物

      1.2.6標準曲線制作 將任意一感染周期原代HSCs的cDNA,進行5倍梯度稀釋,設定cDNA濃度300 ng/μL時為1,分別稀釋為1×5-1,1×5-2,1×5-3,1×5-4,1×5-5,1×5-6這幾個梯度濃度的cDNA樣本,每個濃度梯度設置三個復孔,qRT-PCR測定各基因的Ct值,繪制得到標準曲線。各基因的標準曲線方程見表2。

      表2 基因標準曲線方程

      2 結 果

      2.1ICOS-Tg小鼠HSCs分離、鑒定及培養(yǎng)

      2.1.1ICOS-Tg小鼠HSCs分離與鑒定 見1-A,為活細胞工作站下觀察HSCs形態(tài)(×400)。根據(jù)HSCs具有自發(fā)熒光的特性,倒置熒光顯微鏡在波長為328 nm的紫外激發(fā)光下觀察HSCs并拍照(圖1-B),臺盼藍拒染法鑒定HSCs成活率在95%以上。小鼠原代HSCs培養(yǎng)至第5 d,進行HSCs特異性表達蛋白GFAP免疫熒光細胞化學染色,結果表明:HSCs細胞漿中呈現(xiàn)紅色熒光(圖1-D),鑒定其分離純度為90%以上(顯微鏡下隨機取10個視野,計算所有GFAP陽性的細胞占所有細胞的比例,然后取平均值)。

      2.1.2ICOS-Tg小鼠HSCs培養(yǎng) 如圖2,為倒置顯微鏡下分別于培養(yǎng)1 d、3 d、7 d后觀察新鮮分離的HSCs形態(tài)(光鏡×400)。剛分離的HSCs呈圓形,1 d后大多數(shù)細胞貼壁,呈圓形或橢圓形(圖2-A);3 d后細胞體積增大,細胞開始伸展伸出偽足呈星形,并且細胞開始增殖(圖2-B);7 d后細胞繼續(xù)伸展并增殖,絕大部分細胞呈星形,并且達到50%聚集(圖2-C)。

      2.2ICOS-Tg小鼠感染日本血吸蟲不同病期與HSCs活化相關基因α-SMA的表達 感染日本血吸蟲后,小鼠原代HSCs中α-SMA基因的表達水平自感染后4 w開始上升(0.706±0.012,gene/β-actin),感染后6 w(0.954±0.010,gene/β-actin)、9 w(1.078±0.009,gene/β-actin)仍處于逐漸升高趨勢。ICOS-Tg小鼠HSCs中α-SMA基因的表達水平在感染后6 w(0.954±0.010vs0.843±0.011, gene/β-actin,▼P<0.01)、9 w(1.078±0.009vs0.947±0.011, gene/β-actin,▼P<0.01)顯著高于同時期野生型小鼠HSCs中的水平, 見圖3。

      圖1肝星狀細胞(HSCs)的純度和活率鑒定

      Fig.1Identificationoffreshlyisolatedhepaticstellatecells(HSCs)

      A: Virtually all cells examined under light microscopy;

      B: Immediately after cell isolation, exhibited characteristic autofluorescence under ultraviolet excitation at 328-nm wavelength;

      C: Merge A and B;

      D: Immunocytochemical staining demonstrates expression of GFAP, which was a specific marker of HSC not expressed in other liver cell types

      Original magnification×400

      圖2培養(yǎng)的原代肝星狀細胞(HSCs)于倒置顯微鏡下觀察(×400)

      Fig.2PrimaryHSCsculturedonplasticfor1day(A),3days(B)or7days(C)

      At each time point, cells were examined under phase contrast photomicrograph (Original magnification, ×400).

      圖3ICOS-Tg小鼠感染不同病期HSCs中α-SMA基因的表達水平

      (注:ICOS-Tg vs FVB/NJ,▼P<0.01。)

      Fig.3Expressionofα-SMAgeneonHSCsofICOS-Tgmiceindifferentinfectionstages

      ICOS-Tg vs FVB/NJ,▼P<0.01.

      2.3ICOS-Tg小鼠感染日本血吸蟲不同病期HSCs中與肝纖維化相關基因的表達

      2.3.1ICOS-Tg小鼠感染不同病期HSCs中TGF-β1基因的表達 日本血吸蟲感染后,隨著病程的遷移,小鼠原代HSCs中TGF-β1基因的表達自感染后4 w、6 w、9 w呈逐漸升高趨勢(0.760±0.067~1.138±0.101,gene/β-actin)。ICOS-Tg小鼠原代HSCs中TGF-β1基因表達水平(0.724±0.009~1.138±0.101vs0.709±0.019~0.919±0.019, gene/β-actin)均高于同時期野生型小鼠的水平,且在感染后6 w(0.940±0.011vs0.795±0.008, gene/β-actin,▼P<0.01)、9 w(1.138±0.101vs0.919±0.019, gene/β-actin,●P<0.05)顯著升高,見圖4。

      圖4ICOS-Tg小鼠感染不同病期HSCs中TGF-β1基因的表達水平

      (注:ICOS-Tg vs FVB/NJ,●P<0.05,▼P<0.01。)

      Fig.4ExpressionofTGF-β1geneonHSCsofICOS-Tgmiceindifferentinfectionstages

      ICOS-Tg vs FVB/NJ,●P<0.05,▼P<0.01.

      2.3.2ICOS-Tg小鼠感染不同病期HSCs中Collagen-Ⅰ基因的表達 日本血吸蟲感染后,隨著病程的遷移,小鼠原代HSCs中Collagen-Ⅰ基因的表達自感染后4 w、6 w、9 w呈逐漸升高趨勢(0.621±0.106~1.093±0.027,gene/β-actin)。ICOS-Tg小鼠原代HSCs中Collagen-Ⅰ基因表達水平(0.593±0.005~1.093±0.027 vs 0.551±0.007~0.832±0.013, gene/β-actin)均高于同時期野生型小鼠的水平,且在感染后6 w(0.931±0.018vs0.731±0.003, gene/β-actin,▼P<0.01)、9 w(1.093±0.027vs0.832±0.013, gene/β-actin,▼P<0.01)顯著升高, 見圖5。

      2.3.3ICOS-Tg小鼠感染不同病期HSCs中Collagen-Ⅲ基因的表達 日本血吸蟲感染后,隨著病程的遷移,小鼠原代HSCs中Collagen-Ⅲ基因的表達自感染后4 w、6 w、9 w呈逐漸升高趨勢(0.312±0.004~0.576±0.002,gene/β-actin)。ICOS-Tg小鼠原代HSCs中Collagen-Ⅲ基因表達水平自感染后6 w(0.444±0.008vs0.347±0.003, gene/β-actin,▼P<0.01)、9 w(0.576±0.002vs0.446±0.013, gene/β-actin,▼P<0.01)顯著高于同時期野生型小鼠的水平, 見圖6。

      3 討 論

      血吸蟲導致的主要免疫病理病變是肝臟蟲卵肉ICOS-Tg vs FVB/NJ,▼P<0.01.

      芽腫和肝纖維化[3,8]。急性期患者伴有發(fā)熱,腹瀉,血液中嗜酸性粒細胞增多等癥狀;慢性期患者以肝、脾腫大為主;晚期則以肝纖維化為主,可發(fā)展成為門靜脈高壓癥,巨脾和肝硬化。血吸蟲感染宿主后,所引發(fā)的免疫應答反應既有Th1型應答又有Th2型應答,但在感染的不同階段會引起宿主Th1/Th2亞群的免疫偏移,即由Th1型應答向Th2型應答轉(zhuǎn)變[9]。在血吸蟲感染早期,此時宿主體內(nèi)的免疫應答以Th1型應答為主,Th1型應答有利于殺傷侵入宿主體內(nèi)的血吸蟲童蟲,并對組織內(nèi)蟲卵肉芽腫的形成和發(fā)展具有抑制作用;而在血吸蟲產(chǎn)卵后,蟲卵抗原引起Th1型細胞凋亡,因此,Th2型免疫應答逐漸占據(jù)了優(yōu)勢,宿主的免疫應答逐漸由Th1型向Th2型極化偏移[10]。已有研究表明在血吸蟲感染小鼠慢性病變過程中共刺激分子ICOS高表達與宿主Th2極化密切相關[11-12,5]。目前研究認為,HSCs不僅是肝臟炎癥反應的靶細胞,同時也是關鍵的效應細胞,并且HSCs在肝臟的免疫調(diào)節(jié)和免疫抑制中起到重要作用,HSCs可由特異性的T淋巴細胞亞群激活,同時HSCs還表現(xiàn)出抗原遞呈細胞刺激淋巴細胞增生與激活T細胞反應[13]。CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細胞(Treg)促進HSCs活化增殖并促進其分泌HA[14]。提示Th亞群的極化可介導HSCs活化效應,影響纖維化的形成。

      圖5ICOS-Tg小鼠感染不同病期HSCs中Collagen-Ⅰ基因的表達水平

      (注:ICOS-Tg vs FVB/NJ,▼P<0.01。)

      Fig.5Expressionofcollagen-ⅠgeneonHSCsofICOS-Tgmiceindifferentinfectionstages

      ICOS-Tg vs FVB/NJ,▼P<0.01.

      圖6ICOS-Tg小鼠感染不同病期HSCs中Collagen-Ⅲ基因的表達水平

      (注:ICOS-Tg vs FVB/NJ,▼P<0.01。)

      Fig.6Expressionofcollagen-ⅢgeneonHSCsofICOS-Tgmiceindifferentinfectionstages

      本研究結果發(fā)現(xiàn),日本血吸蟲感染小鼠HSCs中α-SMA基因表達水平自感染后4 w開始上升,感染后6 w、9 w仍處于上升趨勢且表達維持在較高水平。 有研究表明,運用基因芯片技術檢測日本血吸蟲感染小鼠HSCs的活化標記α-SMA在感染后3 w時就顯著升高,且持續(xù)高表達,說明HSCs在蟲卵沉積前即已開始活化[15]。類似研究證明,肝HSCs中α-SMA在感染后4周即表達開始上調(diào)[16]。HSCs的活化、增殖是肝纖維化的關鍵環(huán)節(jié)。α-SMA為HSCs活化的特征性標志其表達水平可一定程度反映HSCs的活化程度。本研究結果顯示,ICOS-Tg小鼠原代肝HSCs中與其活化相關的α-SMA基因的表達水平在感染后6w、9w顯著高于同時期野生型小鼠原代HSCs中水平(P<0.01),提示上調(diào)共刺激信號ICOSL/ICOS促進肝HSCs的活化。

      轉(zhuǎn)化生長因子β在脊椎動物體內(nèi)存在3種亞型:TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3。其中TGF-β1是最強的致纖維化因子,在纖維化的起始和持續(xù)發(fā)展階段均發(fā)揮關鍵作用[17]。體內(nèi)和體外實驗研究發(fā)現(xiàn),TGF-β1對肝纖維化發(fā)展的中心環(huán)節(jié)—肝星狀細胞(HSCs)的活化起著關鍵的調(diào)節(jié)作用[18]。在HSCs活化過程中,TGF-β1觸發(fā)多個信號通路,包括:Smad通路[18],ERK1/2通路[19]和p38 MAPK通路[20],也有研究表明,TGF-β1通過β-catenin途徑下調(diào)PPAR-γ的表達,從而增加膠原和TIMPS的表達,最終促進肝纖維化發(fā)生[21]。本研究運用qRT-PCR法檢測感染日本血吸蟲小鼠原代肝HSCs中Th2型細胞因子TGF-β1表達水平表明,隨著病程的遷移,ICOS-Tg小鼠原代HSCs中TGF-β1表達水平在感染后6 w、9 w顯著高于同時期野生型小鼠原代HSCs中水平(P<0.01~0.05),同時,檢測ICOS-Tg小鼠原代HSCs中Collagen-Ⅰ、Collagen-Ⅲ基因表達水平在感染后6 w、9 w也顯著高于同時期野生型小鼠原代HSCs的水平(P<0.01)。提示上調(diào)ICOSL/ICOS信號可增強HSCs中TGF-β1基因的表達,促進HSCs的活化及纖維化相關因子的上調(diào)表達,導致纖維化形成。

      本研究應用ICOS-Tg小鼠血吸蟲病模型,初步證明,ICOSL/ICOS信號可上調(diào)HSCs活化效應介導肝纖維化的形成,為深入闡明日本血吸蟲感染宿主纖維化形成的機制,尋找下調(diào)或抑制血吸蟲病肝纖維化發(fā)生、發(fā)展的有效途徑提供科學依據(jù)。

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