李游山 張婷婷 朱瑞 馮自立 白瑜
1. 陜西理工大學(xué)維生素D生理與應(yīng)用研究所,陜西 漢中 723001 2. 陜西理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 漢中 723001 3. 陜西理工大學(xué)心理健康教育中心,陜西 漢中 723001
雌激素缺乏通常被認(rèn)為是導(dǎo)致絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(postmenopausal osteoporosis,PMOP)的主要原因。在小鼠模型中,腹腔注射雌激素-RGD肽偶聯(lián)物,可降低血清鈣和堿性磷酸酶的濃度,提高小鼠股骨中鈣、磷和礦物質(zhì)的水平[1]。筆者近期的研究結(jié)果表明,對大鼠預(yù)防性注射適量的β-雌二醇(β-estradiol,E2)后能夠較好的防治去卵巢導(dǎo)致的骨質(zhì)疏松癥,而且不會引起子宮等組織的病變[2]。已有研究[3-5]表明,甲狀旁腺素(parathyroid hormone,PTH)在機(jī)體骨轉(zhuǎn)換中發(fā)揮著重要作用,可以顯著改善PMOP婦女腰椎、全髖關(guān)節(jié)、股骨頸的骨密度。PTH的表達(dá)和分泌可能受Ca2+濃度、鈣敏感受體CaSR(calcium-sensing receptor)、成纖維細(xì)胞生長因子FGF-23(fibroblast growth factor-23)、FGF-23受體FGFR1(fibroblast growth factor receptor 1)及其輔助受體Klotho等因素的影響[6-9]。
雌激素和PTH在PMOP發(fā)生和發(fā)展中可能存在著某種聯(lián)系,但人們對雌激素和PTH在PMOP發(fā)生、發(fā)展過程中的作用及調(diào)控關(guān)系的認(rèn)識還十分有限,迄今為止尚缺乏雌激素直接調(diào)控PTH表達(dá)的證據(jù)。正常狀態(tài)下的甲狀旁腺細(xì)胞中是否存在雌激素受體、雌激素與影響PTH表達(dá)的潛在調(diào)控因素之間存在怎樣的聯(lián)系,這些問題都亟待解答。
鑒于此,本研究利用去卵巢大鼠骨質(zhì)疏松模型,分析去卵巢和雌二醇預(yù)防性治療對大鼠PTH表達(dá)的影響,初步探索甲狀旁腺中的ER-α、Ca2+/CaSR以及FGF-23/Klotho受體調(diào)控系統(tǒng)中關(guān)鍵基因的表達(dá)變化,為女性絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的預(yù)防和治療提供一定的理論參考。
7周齡SD雌性大鼠(SPF級)購自第四軍醫(yī)大學(xué)實(shí)驗(yàn)動物中心,實(shí)驗(yàn)動物質(zhì)量合格證號為0032811,許可證號為SCXK-(軍)2012-0007。大鼠由人工飼料喂養(yǎng),飼養(yǎng)條件為:動物房通風(fēng)良好,12 h光照/12 h黑暗,相對濕度45%~55%,自由進(jìn)食和飲水。β-雌二醇購自北京索萊寶科技有限公司;TRI Reagent購自Sigma-Aldrich(St Louis,MO,USA)公司;反轉(zhuǎn)錄試劑盒購自Invitrogen(Carlsbad, CA, USA)公司;SYBR? Select Master Mix購自Applied Biosystems(Foster City,CA,USA)公司;引物由華大科技(中國深圳)公司合成。
1.2.1造模、給藥及組織樣品采集:參照筆者先前報(bào)道[2]的方法構(gòu)建絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松大鼠模型和實(shí)施雌二醇預(yù)防性治療。將18只飼育至3月齡的SD雌性大鼠隨機(jī)分為以下3組:去卵巢組(ovariectomized,OVX)、β-雌二醇預(yù)防性給藥組(β-estradiol treated OVX,OVX/E2)、假手術(shù)組(sham-operated,Sham)。經(jīng)背側(cè)部雙切口入路切除OVX組和OVX/E2組大鼠的雙側(cè)卵巢,摘除Sham組大鼠卵巢周圍少許脂肪。術(shù)后前3天,每日給大鼠肌肉注射0.2 mL青霉素 G 鈉(50 mg/mL),同時(shí)用頭孢曲松鈉溶液(50 mg/mL)沖洗創(chuàng)面。自術(shù)后第10 天開始,按照10 μg(kg·bw)劑量對OVX/E2組大鼠皮下注射β-雌二醇,每日1次。對于OVX和Sham組中的大鼠,則皮下注射等量的溶劑[含有0.01%(v/v)DMSO的生理鹽水]。連續(xù)給藥51 d后,處死大鼠,采集血液、甲狀旁腺、股骨和脛骨。將血液樣品于室溫下斜面靜置1 h,然后4 ℃靜置過夜,使血清自然析出,于4 ℃、 4 000 r/min, 離心10 min,收集上方血清,置于-80 ℃冰箱保存?zhèn)溆?。將甲狀旁腺組織用液氮冷凍處理后,置于-80 ℃冰箱保存?zhèn)溆?。首先將不同處理組大鼠的骨組織置于4%的多聚甲醛中,4 ℃固定24 h, 接著依次用25%、50%、75%的乙醇進(jìn)行梯度脫水,最后置于75%的乙醇中保存。
1.2.2股骨、脛骨的組織形態(tài)學(xué)觀察:首先將固定后的股骨和脛骨轉(zhuǎn)移至10%的EDTA溶液(pH 8.0)中,4 ℃脫鈣20 d。接著依次用75%、80%、95%、100%的乙醇進(jìn)行組織脫水,然后開展二甲苯透明、石蠟包埋、組織切片和H&E染色,最后于光學(xué)顯微鏡下觀察股骨和脛骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)。
1.2.3血清雌激素的測定:參照大鼠雌激素酶聯(lián)免疫分析(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)試劑盒(廈門慧嘉生物科技有限公司)的使用說明書,準(zhǔn)備不同濃度(0、2、4、8、16、32、48 ng/L)的標(biāo)準(zhǔn)樣品和5倍稀釋后的待測血清樣品。取50 μL樣品至包被有抗體的96孔板中,37 ℃孵育30 min??瞻讓φ湛字袆t加入50 μL樣品稀釋液。然后依次進(jìn)行洗滌,酶標(biāo)試劑孵育、洗滌、顯色和終止顯色反應(yīng),最后利用BioTek Epoch全波長酶標(biāo)儀在450 nm處進(jìn)行檢測,以空白對照調(diào)零,計(jì)算不同處理組的大鼠血清中的雌激素含量。
1.2.4血清鈣含量測定:參照微孔板法鈣試劑盒(南京建成生物工程研宄所)的使用說明書,以梯度稀釋法配制不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品。分別取10 μL不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品和2.5倍稀釋后的待測血清樣品至96孔板中,以等體積的ddH2O作為空白對照。接著加入250 μL工作液,靜置5 min后測定610 nm處各孔的吸光值,進(jìn)而計(jì)算血清鈣的含量。
1.2.5實(shí)時(shí)定量PCR:參照廠家提供的使用說明書,利用TRIzol試劑提取不同處理組的大鼠甲狀旁腺的總RNA。對RNA溶液進(jìn)行吸光度檢測和RNA凝膠電泳,以保證總RNA的質(zhì)量。利用M-MLV反轉(zhuǎn)錄酶將0.6 μg RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA?;贜CBI數(shù)據(jù)庫(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/),利用Primer Premier 5.0軟件設(shè)計(jì)大鼠GAPDH(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, 3-磷酸甘油醛脫氫酶)、PTH、ER-α、CaSR、FGF-23、FGFR1、Klotho和Egr1(early growth response gene 1,早期生長反應(yīng)基因1)的定量引物(表1)。以大鼠GAPDH基因作為內(nèi)參基因。以不同處理組的大鼠甲狀旁腺cDNA為模板,利用Step One PlusTMPCR儀(Applied Biosystems)進(jìn)行實(shí)時(shí)定量PCR(real-time quantitative PCR,qPCR)檢測。反應(yīng)體系為:SYBR Green預(yù)混液10 μL,正向引物(4 μmol/L)1 μL,反向引物(4 μmol/L)1 μL,cDNA模板1 μL,滅菌水7 μL。擴(kuò)增程序?yàn)椋?0 ℃ 2 min;95 ℃ 2 min;95 ℃ 15 s,60 ℃ 1 min,40個循環(huán)。用2-△△Ct法計(jì)算靶基因mRNA的相對表達(dá)量[10]。
表1 qPCR反應(yīng)引物Table 1 Primers for qPCR
利用SPSS 20.0軟件的對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素組間方差分析,評估各組間的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。*P<0.05,**P<0.01,nsP>0.05。其中血清雌激素和血清鈣測定實(shí)驗(yàn)中n=6,qPCR實(shí)驗(yàn)中n=3。
圖1 不同處理組大鼠股骨和脛骨的組織形態(tài)Fig.1 The histological morphology of femur and tibia in different treated rats注:BM:骨髓腔;TB:骨小梁
探討雌激素和PTH在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥發(fā)生和發(fā)展中的內(nèi)在聯(lián)系,首先需對供試大鼠進(jìn)行雙側(cè)卵巢摘除手術(shù),并于術(shù)后適時(shí)進(jìn)行一定劑量的β-雌二醇預(yù)防性治療。為了分析去卵巢和雌二醇預(yù)防性治療對大鼠股骨和脛骨組織形態(tài)的影響,筆者利用石蠟切片HE染色法對各處理組大鼠的股骨和脛骨進(jìn)行組織形態(tài)學(xué)觀察。結(jié)果顯示(圖1),相比較于Sham組,OVX組大鼠的股骨和脛骨均出現(xiàn)骨小梁斷裂、間距變大、結(jié)構(gòu)紊亂等骨質(zhì)疏松癥狀,而OVX/E2組大鼠并未出現(xiàn)明顯的病理癥狀。這表明摘除卵巢后引起的卵巢功能缺失可導(dǎo)致大鼠絕經(jīng)后早期骨質(zhì)疏松形成,而一定劑量的雌二醇預(yù)防性治療能夠較好的預(yù)防骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生。
為了探討去卵巢和雌二醇預(yù)防性治療對大鼠PTH基因表達(dá)的影響,筆者利用qPCR對不同處理組的大鼠甲狀旁腺中PTH的mRNA表達(dá)量進(jìn)行分析。如圖2所示,摘除卵巢后大鼠PTH的mRNA表達(dá)量顯著降低,而預(yù)防性注射一定劑量的β-雌二醇能夠顯著提高PTH的mRNA表達(dá)量,提示PTH含量不足與絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生存在著一定的聯(lián)系。
圖2 不同處理組大鼠甲狀旁腺中PTH基因的表達(dá)變化(n=3;*P<0.05;**P<0.01)Fig.2 Changes of PTH gene expression in parathyroid gland of rats in different treatment groups(n=3;*P<0.05;**P<0.01)
為了探討不同處理組間大鼠PTH基因的表達(dá)變化是否與血清雌激素含量變化有關(guān),筆者利用ELISA技術(shù)分析去卵巢和雌二醇預(yù)防性治療對大鼠血清中雌激素含量的影響。如圖3A所示,血清雌激素含量在各處理大鼠之間均無顯著性差異,在供試時(shí)間范圍內(nèi)摘除卵巢并未引起血清雌激素含量的明顯降低,雌二醇給藥也沒有引起血清雌激素水平的顯著升高。
為了進(jìn)一步分析大鼠甲狀旁腺中有無雌激素受體ER-α,去卵巢和雌二醇預(yù)防性給藥能否影響ER-α的表達(dá),筆者利用qPCR技術(shù)對ER-α在不同處理大鼠甲狀旁腺中表達(dá)情況進(jìn)行分析(圖3B)。與Sham組相比,摘除卵巢可在一定程度上提高大鼠甲狀旁腺中的ER-α mRNA的表達(dá)量,而β-雌二醇預(yù)防性給藥能夠顯著降低大鼠甲狀旁腺中的ER-α mRNA表達(dá)量,提示甲狀旁腺中的ER-α可能介導(dǎo)雌激素對PTH基因的表達(dá)調(diào)控。
圖3 不同處理組中大鼠血清雌激素和甲狀旁腺中ER-α的表達(dá)變化 A:去卵巢和雌二醇預(yù)防性治療大鼠血清雌激素水平的影響(n=6);B:不同處理組大鼠的甲狀旁腺中ER-α mRNA表達(dá)分析(n=3);*P< 0.05;**P< 0.01;“ns”表示無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Fig.3 Changes of serum estrogen and ER- α expression in parathyroid glands of rats in different treatment groupsA: Effects of ovariectomy and prophylactic estrogen therapy on serum estradiol levels of rats (n=6);B: ER- α mRNA expression in parathyroid gland of rat in different treatment groups (n=3);*P< 0.05;**P< 0.01; “ns” means no significant difference.
已有研究[11-13]表明,甲狀旁腺細(xì)胞能夠通過細(xì)胞膜上的CaSR感知胞外Ca2+的微小變化,及時(shí)調(diào)節(jié)PTH的表達(dá)和分泌。為了研究去卵巢和雌二醇預(yù)防性治療對甲狀旁腺中Ca2+/CaSR調(diào)控系統(tǒng)的影響,筆者分析了不同處理組中大鼠的血鈣濃度和甲狀旁腺中CaSR的mRNA水平。如圖4A所示,發(fā)現(xiàn)OVX/E2組大鼠的血鈣水平顯著高于Sham組,但是Sham組與OVX組、OVX組與OVX/E2組之間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。qPCR結(jié)果顯示,大鼠甲狀旁腺中CaSR mRNA的表達(dá)量在摘除卵巢后顯著降低,而在雌二醇預(yù)防性給藥后顯著上調(diào)(圖4B)。
圖4 不同處理組間大鼠血清鈣(A)和甲狀旁腺中CaSR表達(dá)(B)的變化(n=3;*P<0.05;**P< 0.01;“ns”表示差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義)Fig.4 Changes of serum Ca(A) and CaSR expression in parathyroid glands(B) of rats in different treatment groups(n=3;*P< 0.05;**P< 0.01; “ns” means no significant difference)
前人研究[9]表明,Klotho是FGF-23的輔助受體,甲狀旁腺中的FGFR1/Klotho受體系統(tǒng)及MAPK途徑能夠介導(dǎo)FGF-23對PTH基因表達(dá)的抑制作用。為了研究去卵巢和雌二醇預(yù)防性治療對大鼠甲狀旁腺中FGF-23-Klotho受體調(diào)控系統(tǒng)的影響,筆者利用qPCR技術(shù)分析該調(diào)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵因子FGF-23、FGFR1、Klotho和Egr1表達(dá)量。結(jié)果顯示,摘除卵巢能夠顯著降低甲狀旁腺中FGF-23、FGFR1和Klotho的mRNA表達(dá)量,而雌二醇預(yù)防性治療可以顯著提高FGFR1 的mRNA表達(dá)量,卻進(jìn)一步下調(diào)FGF-23和Klotho的mRNA表達(dá)(圖5A~C)。對MAPK途徑的標(biāo)記基因Egr1的進(jìn)一步分析顯示,甲狀旁腺中Egr1 mRNA的表達(dá)量在不同處理組間存在顯著性差異。OVX組Egr1的mRNA表達(dá)量顯著低于Sham組,卻顯著高于OVX/E2組(圖5D)。上述結(jié)果表明,摘除大鼠雙側(cè)卵巢可能會降低甲狀旁腺中FGF-23-Klotho系統(tǒng)對PTH表達(dá)的抑制作用,而雌二醇預(yù)防性治療可進(jìn)一步降低該受體調(diào)控系統(tǒng)的對PTH的調(diào)控作用。
圖5 不同處理組大鼠的甲狀旁腺中FGF-23(A)、FGFR1(B)、Klotho(C)和Egr1(D)的表達(dá)分析(n=3;*P<0.05;**P< 0.01;“ns”表示差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義)Fig.5 Expression of FGF-23(A), FGFR1(B), Klotho(C) and Egr1(D) in parathyroid glands of rats in different treatment groups(n=3;*P< 0.05;**P< 0.01; “ns” means no significant difference)
前期研究認(rèn)為,卵巢功能衰退造成的雌激素分泌不足是引發(fā)女性絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的重要原因。因此,通過切除大鼠雙側(cè)卵巢來降低血清雌激素水平被視為建立絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松動物模型的有效途徑之一。然而,筆者的研究發(fā)現(xiàn)Sham、OVX、OVX/E2組大鼠的血清雌激素含量之間沒有顯著性差異,摘除卵巢并未引起大鼠血清雌激素水平顯著降低,雌二醇預(yù)防性治療也未能顯著提高血清雌激素水平,這可能與術(shù)后時(shí)間較短,腎上腺皮質(zhì)應(yīng)激性的合成雌激素有關(guān)。沈耿楊等[14]對去卵巢后不同時(shí)期的大鼠骨量、骨轉(zhuǎn)換指標(biāo)、雌激素水平的變化規(guī)律進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在術(shù)后12周內(nèi)大鼠血清中雌激素呈先升高后降低的變化趨勢,去卵巢4周后,OVX組股骨骨礦含量和骨密度均較Sham顯著降低,但其血清雌激素含量與Sham組之間并無顯著性差異,這與此次研究結(jié)果基本一致。另有研究[15]表明,低劑量的β-雌二醇給藥能夠部分抵償雌激素的應(yīng)激性合成,且較小劑量的雌激素給藥既能產(chǎn)生較強(qiáng)的抵償效應(yīng)。此次研究結(jié)果表明,雌激素預(yù)防性治療并為引起血清雌激素水平的顯著升高,這可能與雌二醇給藥的引起的雌激素抵償效應(yīng)有關(guān)。在供試時(shí)間內(nèi),相較于Sham組大鼠而言,OVX大鼠的雌激素水平并未顯著降低,但其股骨和脛骨組織中均出現(xiàn)典型的骨質(zhì)疏松癥狀,提示女性絕經(jīng)早期出現(xiàn)的骨質(zhì)疏松癥可能并非由雌激素水平分泌不足導(dǎo)致,卵巢摘除引起的卵巢整體功能減退可能是OVX大鼠早期骨質(zhì)疏松癥發(fā)生的主要原因,其具體機(jī)制仍需進(jìn)一步探討。
組織和細(xì)胞中是否存在ER決定著其能否響應(yīng)雌激素作用,雌激素受體ERβ1和ERβ2廣泛分布于卵巢、子宮、空腸、甲狀腺、腎皮質(zhì)、骨髓間質(zhì)和梁小骨等組織器官中[16]。研究[17-18]表明,雌激素能夠通過骨中的雌激素受體(ER)來阻斷 PKA途徑,進(jìn)而抑制 PTH誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞的形成。有研究[19]證實(shí)雌激素受體ERβ1和ERβ2廣泛表達(dá)于甲狀旁腺腫瘤中,ERβ1激活可引發(fā)甲狀旁腺相關(guān)基因CaSR、VDR、JUN、CALR和ORAI2等基因的轉(zhuǎn)錄水平變化,提示甲狀旁腺功能的實(shí)現(xiàn)與雌激素信號傳導(dǎo)密切相關(guān)。迄今為止,正常大鼠甲狀旁腺中是否存在雌激素受體尚不完全清楚。筆者的研究發(fā)現(xiàn),大鼠甲狀旁腺中存在ER-α,去卵巢和雌二醇預(yù)防性治療可改變大鼠甲狀旁腺中ER-α基因的表達(dá)量,調(diào)節(jié)局部雌激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo),進(jìn)而影響PTH的表達(dá)和分泌。
CaSR屬于G蛋白偶聯(lián)受體第三超家族,其在機(jī)體Ca2+穩(wěn)態(tài)中起重要的作用。研究[11-12]發(fā)現(xiàn),甲狀旁腺細(xì)胞能夠通過細(xì)胞膜上的CaSR能夠使感知胞外Ca2+的信號變化,及時(shí)調(diào)節(jié)PTH的表達(dá)和分泌。細(xì)胞外Ca2+水平降低會導(dǎo)致甲狀旁腺中CaSR的活化減少和PTH的釋放增加,反之則會增加CaSR的活化,抑制PTH的表達(dá)[6]。筆者的研究發(fā)現(xiàn),盡管OVX組大鼠股骨和脛骨發(fā)生了骨質(zhì)疏松,但OVX組大鼠血清Ca2+水平相較于Sham組略有升高,兩組之間差異并無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,這與謝肇等[20]的研究結(jié)果是一致的。有研究[14, 20-21]顯示,摘除卵巢后大鼠骨量先快速降低,然后緩慢回升,而血清鈣濃度表現(xiàn)為先升后降的變化趨勢。卵巢摘除導(dǎo)致甲狀旁腺中PTH和CaSR的表達(dá)量降低,預(yù)防性注射β-雌二醇則引起PTH和CaSR表達(dá)量升高,提示CaSR受體可能參與調(diào)節(jié)PTH的表達(dá),但具體機(jī)制尚不明確。
在正常機(jī)體中,F(xiàn)GF-23是通過其受體FGFR1/Klotho降低PTH的表達(dá),增加CaSR和VDR的表達(dá)量[22]。有研究[23]報(bào)道,慢性腎病患者血液中FGF-23水平的增加,并不能降低PTH的表達(dá)量,原因是FGFR1/Klotho受體復(fù)合物下調(diào),引起甲狀旁腺細(xì)胞對FGF-23的抵抗。本次研究發(fā)現(xiàn)去卵巢后 FGF-23、FGFR1、Klotho及MAPK途徑的標(biāo)志物Egr1表達(dá)量顯著下調(diào),雌二醇預(yù)防性治療后FGF-23、Klotho和Egr1的表達(dá)量進(jìn)一步降低,說明去卵巢后的FGF-23/Klotho受體調(diào)控系統(tǒng)抑制PTH表達(dá)的能力降低,并且短期內(nèi)預(yù)防性注射β-雌二醇后其抑制PTH表達(dá)的能力繼續(xù)降低。
本次研究發(fā)現(xiàn)去卵巢和雌二醇預(yù)防性治療會影響PTH基因的表達(dá),雌激素受體ER-α、Ca2+/CaSR調(diào)控系統(tǒng)以及FGF-23-Klotho受體調(diào)控系統(tǒng)均可能參與PTH的基因表達(dá)調(diào)控。需要指出的是,機(jī)體PTH的表達(dá)調(diào)控是一個復(fù)雜的過程,不排除去卵巢和雌二醇預(yù)防性治療通過改變其他調(diào)節(jié)因子的水平而影響PTH的表達(dá)分泌。該研究不僅有助于闡明雌激素和PTH在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥發(fā)生和發(fā)展中的調(diào)控關(guān)系,而且對女性絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的預(yù)防和治療也具有一定的指導(dǎo)意義。