俞巧麗,莫澤君,宋必衛(wèi)
(1.浙江醫(yī)院藥劑科,浙江 杭州 310007;2.浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院藥劑科,浙江 杭州 310009;3.浙江工業(yè)大學(xué)藥學(xué)院藥理學(xué)科,浙江 杭州 310014)
急性肺損傷(acute lung injury,ALI)是由嚴(yán)重感染、創(chuàng)傷、酸中毒、腸缺血和輸血等引起的肺部炎癥性疾病[1],臨床表現(xiàn)為呼吸窘迫和難治性低血氧[2],具有極高的死亡率[3]。肺泡上皮緊密排列著肺泡Ⅰ型和Ⅱ型上皮細(xì)胞,肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞能分泌表面活性物質(zhì)降低表面張力,使肺泡保持開放,促進(jìn)氣體交換[4]。ALI早期表現(xiàn)為肺泡毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞與肺泡上皮細(xì)胞損傷,肺泡屏障通透性增高,中性粒細(xì)胞大量積累并釋放炎癥介質(zhì),誘導(dǎo)炎癥和氧化損傷[4-6]。目前ALI的臨床治療主要有機(jī)械通氣、液體通氣和體外膜氧合技術(shù)等[7-9],尚無(wú)有效的藥物治療方案。大量研究表明,抑制炎癥[10]和氧化損傷[11]可改善ALI,因此具有抗炎和抗氧化損傷作用的化合物具有良好的治療ALI前景。
1,2-雙(2-氨基苯氧基)-乙烷-N,N,N’,N’-四乙酸〔1,2-bis(2-aminophenoxy)ethane-N,N,N’,N’-tetraacetic acid,BAPTA-AM〕是一種Ca2+螯合劑,能在細(xì)胞內(nèi)被酶解生成BAPTA,已被證明可以保護(hù)神經(jīng)元,抑制細(xì)胞氧化應(yīng)激和凋亡[12-14],目前國(guó)內(nèi)外尚未見BAPTA-AM抗肺損傷方面的報(bào)道。BAPTA-AM在水中溶解度低,本研究使用納米顆粒作為脂質(zhì)體載體,通過(guò)乙醚注射法制備BAPTAAM納米脂質(zhì)體(BAPTA-AM nano-liposome,BAPTA-AML)。納米脂質(zhì)體可保護(hù)BAPTA-AM的穩(wěn)定性,并能選擇性地在靶組織積累,提高藥物療效,減輕藥物的不良作用[14]。鑒于減輕炎癥和氧化損傷的ALI治療有重要意義,本研究使用脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)和缺糖缺氧復(fù)糖復(fù)氧(oxygen-glucose deprivation/recovery,OGD/R)建立小鼠和A549細(xì)胞ALI模型,探索BAPTA-AM的抗ALI作用及作用機(jī)制。
A549細(xì)胞購(gòu)自美國(guó)ATCC細(xì)胞庫(kù),接種RPMI-1640(含10%胎牛血清)培養(yǎng)液,置于37℃,5%CO2飽和濕度培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。
清潔級(jí)健康雄性ICR小鼠,體質(zhì)量20~22 g,購(gòu)自浙江省醫(yī)學(xué)科學(xué)院動(dòng)物中心,許可證號(hào):SCXK(浙)-2014-0001。實(shí)驗(yàn)小鼠于實(shí)驗(yàn)室條件飼養(yǎng):恒溫20~24℃,自由飲水,標(biāo)準(zhǔn)飼料喂食,光照周期12 h照明與12 h黑暗交替進(jìn)行。待小鼠適應(yīng)環(huán)境(約7 d)后,禁食12 h,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
BAPTA-AM和BAPTA-AML購(gòu)自合肥恒星科技開發(fā)有限公司,噻唑藍(lán)(thiazolyl blue tetrazolium bromide,MTT)購(gòu)自美國(guó)Sigma公司;RPMI-1640培養(yǎng)液和胎牛血清(fetal bovine serum,F(xiàn)BS)購(gòu)自上海吉諾醫(yī)藥生物技術(shù)有限公司;LPS購(gòu)自西亞試劑;羅丹明123(rhodamine 123,Rh 123)購(gòu)自南京凱基生物技術(shù)有限公司;乳酸脫氫酶(lactic dehydrogenase,LDH)、一氧化氮(nitric oxide,NO)、丙二醛(malondialdehyde,MDA)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)和髓過(guò)氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)測(cè)定試劑盒購(gòu)自南京建成生物工程研究所;地塞米松(dexamethasone,Dex)磷酸鈉注射液購(gòu)自天津金耀藥業(yè)有限公司;小鼠腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)和白細(xì)胞介素6(interleukin-6,IL-6)ELISA檢測(cè)試劑盒購(gòu)自武漢博士德生物工程有限公司。
NU-5510E CO2培養(yǎng)箱(Thermo,美國(guó)),熒光顯微鏡(尼康,日本),Synergy HI多功能酶標(biāo)儀(BioTek,美國(guó)),LDZ5-2高速冷凍離心機(jī)(Heraeus,德國(guó)),HM325輪轉(zhuǎn)式石蠟切片機(jī)(MICROM,德國(guó))。
取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期A549細(xì)胞,以每孔1×104細(xì)胞接種于96孔板,分為正常對(duì)照組(含10%FBS的RPMI-1640)、OGD/R模型組(先用無(wú)糖RPMI-1640培養(yǎng)液,于持續(xù)通入氮?dú)? h的37℃培養(yǎng)箱中缺氧培養(yǎng)12 h;之后使用含2 g·L-1葡萄糖的RPMI-1640培養(yǎng)液并在正常含氧量培養(yǎng)箱內(nèi)繼續(xù)培養(yǎng)6 h);BAPTA-AM 0.005,0.05,0.5和5 nmol·L-1組加相應(yīng)濃度BAPTA-AM培養(yǎng)30 min后同模型組方法進(jìn)行培養(yǎng)。
MTT法檢測(cè)96孔板中A549細(xì)胞存活,收集細(xì)胞培養(yǎng)液按試劑盒說(shuō)明書檢測(cè)LDH活性,裂解細(xì)胞按試劑盒說(shuō)明書檢測(cè)NO和MDA含量及SOD活性。
收集細(xì)胞后以每孔5×104細(xì)胞接種于24孔板,分組處理同1.2,培養(yǎng)結(jié)束后棄培養(yǎng)液,磷酸鹽緩沖液(phosphate buffered saline,PBS)清洗3次,加含Rh123 10 mg·L-1的無(wú)酚紅RPMI-1640培養(yǎng)液,37℃孵育30 min,PBS清洗后加適量無(wú)酚紅RPMI-1640培養(yǎng)液,熒光顯微鏡下觀察、拍照,多功能酶標(biāo)儀檢測(cè)96孔板中熒光值(激發(fā)波長(zhǎng):507 nm,發(fā)射波長(zhǎng):527 nm)。Rh123為膜電位敏感的親脂性陽(yáng)離子熒光染料,能選擇性地在活細(xì)胞線粒體內(nèi)聚集,發(fā)出黃綠色熒光,其強(qiáng)度可間接反映線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential,Δψ)的高低。
健康ICR小鼠隨機(jī)分成6組,每組8只:正常對(duì)照組、ALI模型組(尾靜脈注射LPS 10 mg·kg-1)、Dex組(尾靜脈先后注射LPS 10 mg·kg-1和Dex 5 mg·kg-1)和BAPTA-AML 25,50和100 μg·kg-1治療組(尾靜脈先后注射LPS 10 mg·kg-1和BAPTAAML 25,50或100 μg·kg-1)。正常對(duì)照組和ALI模型組注射同等容積的生理鹽水,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各組小鼠均自由飲水,小鼠最后一次尾靜脈注射6 h后,摘眼球取血,室溫靜置30 min,于1000×g離心10 min制備血清。
取血后,小鼠快速處死取整肺,預(yù)冷PBS漂洗3次,吸干表面水分,稱取整肺質(zhì)量。新鮮左肺下葉稱重后于60°C烘箱烘烤48 h至恒重,稱量干重,計(jì)算肺組織濕干(lung wet/dry,W/D)比。肺系數(shù)=肺質(zhì)量/體質(zhì)量×100%。肺組織濕干比=肺濕重/肺干重。
按說(shuō)明書測(cè)定小鼠血清LDH活性,使用ELISA檢測(cè)小鼠血清TNF-α和IL-6含量。
右肺稱重后按質(zhì)量體積比1∶9加所需體積的預(yù)冷PBS,充分勻漿,4℃,1000×g離心20 min,取上清液,考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定蛋白質(zhì)濃度,按說(shuō)明書檢測(cè)MPO和SOD的活性及MDA的含量。MPO是中性粒細(xì)胞功能和激活的標(biāo)志,本研究使用MPO活性反映小鼠肺組織中中性粒細(xì)胞的積累變化。
左肺上葉經(jīng)4%多聚甲醛固定后,石蠟包埋,切片,進(jìn)行HE染色,顯微鏡下觀察肺組織的病理變化,隨機(jī)選取10個(gè)視野,采用Smith等[15]方法進(jìn)行病理評(píng)分(表1)。重點(diǎn)評(píng)價(jià):①肺充血及肺出血;②肺泡水腫;③肺泡及炎癥細(xì)胞浸潤(rùn);④肺泡間隔增厚及透明膜形成等。
Tab.1 Score of lung pathology in mice with acute lung injury(ALl)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)用±s表示,采用GraphPad Prism 7.0處理及分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用單因素方差分析法檢測(cè)均數(shù)差異顯著性,以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
MTT結(jié)果(圖1A)顯示,與正常對(duì)照組相比,細(xì)胞經(jīng)缺糖缺氧培養(yǎng)12 h,復(fù)氧復(fù)糖培養(yǎng)6 h后,OGD/R模型組細(xì)胞存活率下降(P<0.05),細(xì)胞培養(yǎng)液中LDH活性升高(P<0.05)(圖1B),細(xì)胞中MDA和NO含量升高(P<0.05),SOD活性降低(P<0.05)(圖1C-D);與OGD/R模型組相比,BAPTAAM 0.05,0.5和5 nmol·L-1組細(xì)胞存活率升高(P<0.05),培養(yǎng)液中LDH活性降低(P<0.05),SOD活性升高(P<0.05),而BAPTA-AM 0.005 nmol·L-1組與模型組相比無(wú)顯著性差異;而不同濃度的BAPTAAM組都能降低細(xì)胞內(nèi)MDA和NO含量(P<0.05),圖1C和D顯示,BAPTA-AM具有良好的抗氧化損傷能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,BAPTA-AM改善細(xì)胞損傷、抗氧化應(yīng)激作用,在0.5 nmol·L-1時(shí)效果最佳,濃度增大反而作用有所減弱。
Fig.1 Effect of BAPTA-AM pretreatment on A549 cells injured by oxygen-glucose deprivation/recovery(OGD/R).A549 cells were cultured in the absence of serum and glucose in RPMI-1640,exposed to 95%N2and 5%CO2for 12 h.Then,the culture medium was replaced with RPMI-1640 containing normal glucose and 10%(V/V)fetal bovine serum under 5%CO2and normoxic condition for 6 h as OGD/R.BAPTA-AM 0.005,0.05,0.5 and 5 nmol·L-1was added to the cell cultures 30 min prior to ODG/R.A:survival rate of A549 cells detected by MTT assay;B:activity of lactic dehydrogenase(LDH)in culture medium of A549 cells;C:malondialdehyde(MDA),nitric oxide(NO)level;D:activity of superoxide dismutase(SOD)in A549 cells.±s,n=6,*P<0.05,compared with cell control group;#P<0.05,compared with model group.
線粒體膜電位結(jié)果(圖2)顯示,OGD/R模型組細(xì)胞線粒體膜完整性被破壞,黃綠色熒光強(qiáng)度降低(P<0.05)。BAPTA-AM 0.05,0.5和5 nmol·L-1組細(xì)胞線粒體黃綠色熒光強(qiáng)度升高(P<0.05),提示BAPTA-AM處理顯著改善線粒體對(duì)Rh123的攝取能力,穩(wěn)定Δψ,維持膜功能,有效保護(hù)線粒體;而BAPTA-AM 0.005 nmol·L-1組與模型組相比無(wú)顯著性差異。
Fig.2 Effect of BAPTA-AM on mitochondrial membrane potential of A549 cells injured by OGD/R and detected by fluorescence microscope.See Fig.1 for the cell treatment.A:fluorescence images of rhodamine123 staining detected by fluorescence microscope;B:quantitative analysis of fluorescence intensity in A.RFU:relative fluorescence unit.±s,n=6,*P<0.05,compared with cell control group;#P<0.05 compared with model group.
Fig.3 Effect of BAPTA-AM nanoliposome(BAPTAAML)on lung coefficient(A)and lung wet/dry(W/D)ratio(B)in ALl model mice induced by lipopolysaccharide(LPS).BAPTA-AML 25,50,100 μg·kg-1or dexamethasone(Dex)5 mg·kg-1was given through tail intravenous injection(iv)after LPS(10 mg·kg-1,iv)administration.After 6 h,the mice in each group were euthanized,and lung tissues and blood were harvested immediately.±s,n=8.*P<0.05,compared with normal control group;#P<0.05 compared with model group.
與正常對(duì)照組比,模型組小鼠肺系數(shù)及肺W/D比升高(P<0.05),不同濃度BAPTA-AML組以上指標(biāo)顯著降低(圖3A,B);Dex 5 mg·kg-1組肺W/D比和肺系數(shù)降低(P<0.05),給藥組與陽(yáng)性對(duì)照組比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
結(jié)果(圖4)顯示,與正常對(duì)照組比,模型組小鼠血清LDH活性升高(P<0.05),肺組織MDA含量上升(P<0.05)和SOD活性降低(P<0.05),Dex 5 mg·kg-1和BAPTA-AML 25,50,100 μg·kg-1可逆轉(zhuǎn)上述作用(P<0.05);其中BAPTA-AML 25和50 μg·kg-1降低血清LDH水平和肺組織MDA含量的作用優(yōu)于Dex 5 mg·kg-1組(P<0.05),且BAPTA-AM各劑量升高SOD活性的作用優(yōu)于Dex 5 mg·kg-1(P<0.05)。
Fig.4 Effect of BAPTA-AML on oxidative stress factors MDA(A)and SOD(B)in lung tissue,and LDH activity(C)in serum of ALl model mice.See Fig.3 for the mouse treatment.x±s,n=8.*P<0.05,compared with normal control group;#P<0.05 compared with model group;△P<0.05,compared with Dex 5 mg·kg-1group.
結(jié)果(圖5)顯示,與正常對(duì)照組相比,模型組小鼠MPO活性、TNF-α和IL-6含量升高(P<0.05);與模型組比,Dex和不同濃度BAPTA-AML組以上指標(biāo)降低(P<0.05);且BAPTA-AML 50 μg·kg-1組降低MPO活性和TNF-α含量的效果優(yōu)于陽(yáng)性對(duì)照Dex5mg·kg-1(P<0.05),BAPTA-AML25和50μg·kg-1降低IL-6含量的作用高于陽(yáng)性對(duì)照Dex 5 mg·kg-1(P<0.05)。
Fig.5 Effect of BAPTA-AML on myeloperoxidase(MPO)activity(A)in lung tissue and TNF- α(B),lL-6(C)levels in serum of ALl model mice.See Fig.3 for the mouse treatment.x ± s,n=8. *P<0.05,compared with normal control group;#P<0.05,compared with model group;△P<0.05,compared with Dex 5 mg·kg-1group.
HE染色(圖6A)及肺損傷評(píng)分(圖6B)結(jié)果顯示,正常對(duì)照組肺組織結(jié)構(gòu)完整,肺泡腔清晰,肺泡壁??;而模型組肺泡結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破環(huán),肺泡腔明顯縮小,部分肺泡腔融合,肺組織內(nèi)有大量散在的淋巴細(xì)胞和紅細(xì)胞,肺間隔增厚,炎癥細(xì)胞浸潤(rùn),肺損傷評(píng)分明顯高于正常對(duì)照組(P<0.05);BAPTA-AML 50 μg·kg-1治療組肺組織損傷明顯減輕,結(jié)構(gòu)趨于正常,肺間隔較模型組變薄,肺泡腔融合消失,僅少量淋巴細(xì)胞和紅細(xì)胞滲出,少見炎癥浸潤(rùn),肺損傷評(píng)分較模型組降低(P<0.05)。
Fig.6 Effect of BAPTA-AML on histopathology in lung tissues in ALl model mice by HE staining.See Fig.3 for the mouse treatment.A:HE staining.B:score of lung injury pathology in A.±s,n=8.*P<0.05,compared with normal control group;#P<0.05,compared with model group.The lung structure manifested pathological changes induced by LPS,which included structure despite a few lymphocytes or a little red blood cell exudation.Arrows show alveolar cavity shrinking,thickening alveolar septum,inflammatory cell infiltration and the formation of hyaline membranes.
A549細(xì)胞為亞三倍體肺泡基底上皮細(xì)胞,被廣泛用作肺腺癌的模型以及肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞的體外模型。本研究通過(guò)OGD/R處理A549細(xì)胞,結(jié)果顯示模型組細(xì)胞活力下降,LDH活性升高,產(chǎn)生氧化應(yīng)激,促進(jìn)NO釋放,提示細(xì)胞損傷模型建立成功。
生理狀態(tài)下,氧自由基不斷產(chǎn)生也不斷被清除,對(duì)細(xì)胞無(wú)損傷,而在一定外源因素的誘導(dǎo)下,細(xì)胞代謝過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)多氧自由基,誘導(dǎo)細(xì)胞損傷。MDA是典型的脂質(zhì)過(guò)氧化物,其含量的多少指示組織脂質(zhì)過(guò)氧化的程度,SOD活性高低間接反映組織清除氧自由基的能力,同時(shí)測(cè)定MDA含量和SOD活性可反映肺組織氧化損傷程度。NO性質(zhì)活潑,高劑量NO能降低肺表面活性物質(zhì)功能,激活巨噬細(xì)胞,對(duì)肺上皮細(xì)胞產(chǎn)生氧化損傷[16],并能損傷線粒體[17-18],促使線粒體膜通透性改變,Δψ下降,釋放細(xì)胞色素c并激活胱天蛋白酶3(cysteinyl aspartate specific proteinase 3,caspase 3),導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[19-21]。Ca2+超載亦能引起氧化應(yīng)激,并能通過(guò)線粒體細(xì)胞死亡通路調(diào)控細(xì)胞凋亡[22]。BAPTA是良好的Ca2+螯合劑,其乙酰氧甲基化物BAPTA-AM易進(jìn)入細(xì)胞[23],并在細(xì)胞內(nèi)水解生成BAPTA,有效絡(luò)合細(xì)胞內(nèi)Ca2+,且對(duì)細(xì)胞無(wú)毒性[24]。有研究報(bào)道BAPTA-AM能保護(hù)Ca2+超載介導(dǎo)的Δψ崩潰,減少胱天蛋白酶3和胱天蛋白酶9的釋放,抑制細(xì)胞凋亡[14,25]。本研究體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,BAPTA-AM能提高OGD/R處理的A549細(xì)胞活力,抑制LDH活性,改善細(xì)胞氧化損傷,減少NO的合成,且BAPTA-AM能改善OGD/R誘導(dǎo)A549細(xì)胞的Δψ崩潰,維持線粒體膜功能,進(jìn)而減少細(xì)胞凋亡,由此可見本文研究結(jié)果與研究報(bào)道一致。
本研究通過(guò)尾靜脈注射LPS建立小鼠ALI模型,從血清中可發(fā)現(xiàn)小鼠炎癥因子較正常對(duì)照組顯著上升,且病理切片顯示模型組小鼠肺泡結(jié)構(gòu)被破壞,呈現(xiàn)肺水腫和炎癥細(xì)胞浸潤(rùn),提示造模成功。
ALI發(fā)生時(shí),肺泡毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞和肺泡上皮細(xì)胞通透性增加,造成肺泡及間充質(zhì)滲透性水腫,肺水腫發(fā)生。采用肺系數(shù)和肺W/D比測(cè)定可間接反映肺組織含水量,衡量肺水腫程度。本研究體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,BAPTA-AML能顯著降低LPS誘導(dǎo)的ALI模型小鼠肺W/D比和肺系數(shù),改善ALI小鼠肺水腫。進(jìn)一步研究顯示,BAPTA-AML能降低LDH的活性,抑制ALI小鼠氧化損傷。
ALI患者肺泡與肺間充質(zhì)內(nèi)積聚大量富含蛋白質(zhì)及多種炎癥細(xì)胞的水腫液,促進(jìn)中性粒細(xì)胞向肺間充質(zhì)和肺泡腔移行[4]。激活的中性粒細(xì)胞介導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生,刺激NF-κB表達(dá)[11,26],釋放大量促炎因子如TNF-α和IL-6等,促進(jìn)細(xì)胞凋亡[27],進(jìn)一步損傷肺泡上皮細(xì)胞屏障[4,9]。XU 等[28]和 SAKURADA等[29]報(bào)道,BAPTA-AM能減少NF-κB的激活,消除還原型輔酶Ⅱ介導(dǎo)的氧化應(yīng)激。在肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞中,Ca2+作為信使參與肺泡表面活性物質(zhì)的分泌,BAPTA-AM與Ca2+絡(luò)合后,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合型的Ca2+被釋放,通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),維持胞內(nèi)Ca2+濃度平衡,促進(jìn)肺泡表面活性物質(zhì)大量分泌,改善肺損傷。肺組織MPO活性,可反映組織中中性粒細(xì)胞的含量,間接反映肺組織炎癥浸潤(rùn)程度,且MPO催化反應(yīng)還會(huì)生成過(guò)量的氧化物,導(dǎo)致氧化應(yīng)激和氧化性組織損傷。本文研究結(jié)果顯示BAPTA-AML能降低LPS誘導(dǎo)的ALI模型小鼠MPO活性、血清TNF-α和IL-6含量,提示BAPTA-AML能減少中性粒細(xì)胞的積累,減輕肺部炎癥;且從病理切片可見BAPTAAML能減少ALI小鼠淋巴細(xì)胞和紅細(xì)胞滲出,改善肺部炎癥,減輕肺組織病理?yè)p傷,保護(hù)肺組織。
細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,BAPTA-AM改善ALI具有濃度或劑量依賴性,細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中0.5 nmol·L-1時(shí)效果最佳,體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中50 μg·kg-1時(shí)擁有最佳效果,作用效果與給藥劑量不是成正比。
綜上所述,BAPTA-AM具有抗炎和抗氧化損傷作用,能抑制損傷細(xì)胞NO的合成,提高細(xì)胞活性,減輕ALI小鼠肺水腫,改善肺組織病理變化,具有良好的治療ALI效果,有望為ALI的臨床治療帶來(lái)新的方案。
中國(guó)藥理學(xué)與毒理學(xué)雜志2019年12期