心血管疾病(cardiovascular disease,CVD)是全球近十年来引起高死亡率的4 种慢性病之一,目前我国CVD患病人数约3.30亿,随着未来人口年龄结构趋于严重老龄化,CVD患病率将呈逐渐上升趋势,严重危害着人类健康,也给公共卫生工作带来严峻挑战
[1]。既往研究
[2]表明,炎症是CVD的危险因素,白细胞介素(interleukin,IL)-1、IL-6和肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor TNF)-α等炎症因子水平在CVD患者血清中明显升高。当机体受到长期的慢性炎症侵袭时,血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell,VSMCs)代谢功能受损,导致血管舒缩不畅,随时可能阻塞或破裂,因此炎性反应导致VSMCs非正常代谢是CVD发生的关键因素之一
[3-4]。氧化三甲胺(trimethylamine oxide,TMAO)是由人体摄入家禽、鱼和蛋类等富含胆碱、磷脂酰胆碱食物,被肠道菌群代谢为三甲胺(trimethylamine,TMA),然后被黄素单加氧酶3(flavin-containing mono-oxygenase 3,FMO3)氧化后生成的。TMAO水平可预测机体早期心血管疾病发生,且高水平的TMAO与动脉粥样硬化、冠心病、心力衰竭等心血管疾病的严重程度和不良预后有关
[5-7]。作为一个新型的血清标志物,深入了解TMAO致病机制并进行干预,有望为CVD的临床靶向治疗提供新思路。然而,目前已被报道的TMAO干预VSMCs作用的研究多集中于表型转化和代谢变化方面,其介导VSMCs炎症损伤的机制研究目前还不够完善
[8-9]。髓系细胞触发受体-1(triggering receptors expressed on myeloid cells-1,TREM-1)是先天免疫中的炎症放大器,在血管炎症引发的CVD中发挥关键作用,可作为动脉粥样硬化的重要治疗靶点,提示TREM-1可能在TMAO诱导VSMCs炎症损伤中起调节作用
[10]。本研究采用TMAO诱导建立VSMCs炎性损伤体外细胞模型,探讨TREM-1在该过程中的作用及其可能的作用机制,以期为CVD的靶向治疗药物筛选提供依据。
1 材料与方法
1.1 细胞、主要试剂和仪器
大鼠原代主动脉平滑肌细胞、原代平滑肌细胞培养体系(货号:RAT-iCell-c004、PriMed-iCell-004,上海赛百慷生物技术股份有限公司);TREM-1基因siRNA干扰质粒(si-TREM-1)及其阴性对照干扰质粒(si-NC)由广州派真生物技术有限公司合成;氧化三甲胺(货号:YS157233,北京索莱宝科技有限公司);佛波酯(phorbol myristate acetate,PMA)(货号:HY-18739,美国MedChemExpress公司);Lipofectamine 3000转染试剂(货号L3000015,美国Thermo Fisher公司);TREM-1抗体、环氧化酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)抗体、细胞间黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)抗体以及核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)p65、p-NF-κB p65(Ser536)抗体(货号:ab214202、ab179800、ab282575、ab16502、ab239882,英国Abcam公司);CCK-8检测试剂盒(货号:C0038,上海碧云天生物技术股份有限公司);IL-1β、IL-6、TNF-α ELISA试剂盒(货号:ml037361、ml102828、ml002859,上海酶联生物科技有限公司);Hifair® Ⅲ One Step RT-qPCR Probe试剂盒(货号:11145ES70,上海翌圣生物科技股份有限公司)。D180二氧化碳培养箱(深圳市瑞沃德生命科技股份有限公司);Varioskan LUX多功能酶标仪、QuantStudio™ 5实时荧光定量PCR 系统(美国Thermo Fisher公司);Gel Doc EZ凝胶成像仪系统(美国Bio-Rad公司)。
1.2 方法
1.2.1 细胞培养
使用含10% FBS和1%双抗的大鼠原代平滑肌细胞专用培养体系培养细胞,培养箱环境内温度为37 ℃,二氧化碳浓度5%,按1∶2进行细胞传代,传至第3代用于实验。
1.2.2 细胞转染及分组处理
将VSMCs接种于6孔培养板中,每孔1×10
5个细胞,待细胞生长至密度为70%时,将细胞分为Blank组、si-NC组和si-TREM-1组,使用Lipofectamine 3000转染试剂将si-TREM-1和si-NC质粒转染至VSMCs中,培养48 h后,采用qRT-PCR和Western blot检测各组细胞中TREM-1 mRNA和蛋白表达水平,验证转染效率。随后根据细胞需求对VSMCs进行以下分组及处理:①不同浓度TMAO组:采用不同浓度(0、100、300、600、900、1 200、1 500 μmol/L)TMAO处理VSMCs 24 h;不同时间TMAO处理组:采用600 μmol/L TMAO处理VSMCs不同时间(0、8、12、24、36、48 h)。②Blank组:VSMCs正常培养24 h不做任何处理;si-NC组:将si-NC质粒转染至VSMCs中;si-
TREM-1组:将si-TREM-1质粒转染至VSMCs中。③Control组:VSMCs正常培养24 h不做任何处理;TMAO组:VSMCs经600 μmol/L TMAO处理24 h;TMAO+si-NC组:转染si-NC后的VSMCs经600 μmol/L TMAO处理24 h;TMAO+si-TREM-1组:转染si-TREM-1后的VSMCs经600 μmol/L TMAO处理24 h;TMAO+PMA组:VSMCs经600 μmol/L TMAO和10 μmol/L
[11] PMA共同处理24 h;TMAO+PMA+si-TREM-1组:转染si-TREM-1后的VSMCs经600 μmol/L TMAO和10 μmol/L PMA共同处理24 h。
1.2.3 CCK-8检测
将细胞接种于每孔100 μL培养基的96孔板中,细胞密度为2×104个/孔,在培养箱中预培养24 h,按分组要求采用不同浓度(0、100、300、600、900、1 200、1 500 μmol/L)TMAO处理VSMCs 24 h或采用600 μmol/L TMAO处理VSMCs不同时间(0、8、12、24、36、48 h),干预结束后每孔加入10 μL CCK-8溶液,于培养箱中继续培养4 h,调整酶标仪滤光片为450 nm,检测各孔吸光度(absorbance,A)值。细胞增殖活性(%)=(A加药孔-A调零孔)/(A空白孔-A调零孔)×100%。
1.2.4 ELISA检测
按分组处理细胞后,使用无菌管收集细胞,3 000 r/min离心10 min收集上清待测,设置标准孔、空白孔和样本孔,标准孔加入不同浓度的标准品50 μL,空白孔仅加入等量培养基,按照试剂盒说明书操作,终止反应后调整酶标仪滤光片为450 nm,检测各孔A值。使用标准物浓度与A值生成标准曲线,将样品A值代入标准曲线计算各组细胞上清中IL-1β、IL-6、TNF-α水平。
1.2.5 定量聚合酶链反应(quantitative polymerase chain reaction,qRT-PCR)检测
按分组处理细胞后离心,每组收集1×10
6个细胞沉淀,加入1 mL RNA提取液吹打破碎细胞,加入异丙醇混匀离心沉淀RNA,按照试剂盒说明书操作,20 μL体系逆转录合成cDNA。在PCR反应板中配置反应体系(预混液7.5 μL、上下游引物1.5 μL、cDNA 2.0 μL、无酶水4.0 μL),使用荧光定量PCR仪进行PCR扩增,95 ℃预变性30 s,95 ℃变性15 s,60 ℃退火延伸30 s,循环40次。以GAPDH为内参,2
- ΔΔCt 法计算目的基因TREM-1、COX-2、ICAM-1以及IL-1β、IL-6、TNF-α mRNA相对表达水平。引物信息见
表1。
1.2.6 Western blot检测
按分组处理细胞后,收集细胞沉淀,加入RIPA裂解液于冰上反复吹打完全裂解细胞,12 000 r/min离心10 min,收集上清测定总蛋白浓度。蛋白溶液经沸水浴变性15 min后-20 ℃保存待测,清洗玻璃板,配置5%浓缩胶,在电泳槽中加入足够电泳液后上样进行SDS-PAGE电泳(恒压200 V),30 min后终止电泳,在300 mA恒流条件下将分离胶转至PVDF膜上,加脱脂牛奶室温封闭10 min。加入1∶1 000稀释后一抗(TREM-1、COX-2、ICAM-1、NF-κB p65、p-NF-κB p65、GAPDH)摇床慢摇过夜,洗膜3次,加入1∶5 000稀释的二抗,摇床慢摇室温孵育30 min,洗膜3次,加入混合好的ECL发光液反应1 min,曝光后分析条带灰度值,目的蛋白相对表达水平=目的蛋白条带灰度值/内参蛋白条带灰度值。
1.3 统计学方法
使用SPSS 25.0软件分析数据,计量资料用均数±标准差(x±s)表示。多组间比较采用单因素方差分析,组间两两比较采用LSD-t法。检验水准α=0.05,以P<0.05表示差异有统计学意义。
2 结 果
2.1 TMAO诱导VSMCs炎症反应和对TREM-1表达的影响
不同浓度的TMAO处理对VSMCs增殖活性无明显影响(
P=0.375,
图1A);采用600 μmol/L TMAO处理VSMCs不同时间(0、8、12、24、36、48 h),各时间点细胞增殖活性无明显变化(
P=0.416,
图1B)。与0 μmol/L TMAO处理VSMCs比较,100、300、600 μmol/L TMAO处理24 h后,VSMCs细胞上清中IL-1β、IL-6、TNF-α水平(
P=0.000、0.000、0.000)以及细胞中TREM-1、COX-2、ICAM-1 mRNA(
P=0.000、0.000、0.000)和蛋白(
P=0.000、0.000、0.000)表达水平明显升高,且呈浓度依赖性(
图2)。
2.2 沉默TREM-1对TMAO介导的VSMCs炎性反应的影响
将si-TREM-1和si-NC转染至VSMCs后,与Blank组比较,si-TREM-1组细胞中TREM-1 mRNA和蛋白表达水平明显降低(
P=0.000、0.000),si-NC组无明显变化(
P=0.966、0.309)(
图3A和B)。TMAO干预后,与Control组比较,TMAO组细胞上清中IL-1β、IL-6、TNF-α水平(
P=0.000、0.000、0.000)以及细胞中COX-2、ICAM-1蛋白表达水平(
P=0.000、0.000)明显升高;与TMAO组比较,TMAO+si-
TREM-1组细胞上清中IL-1β、IL-6、TNF-α水平(
P=0.000、0.000、0.000)以及细胞中COX-2、ICAM-1蛋白表达水平(
P=0.000、0.000)明显降低,TMAO+si-NC组以上指标均无明显变化(
P=0.308、0.349、0.757、0.369、0.282)(
图3C和D)。
2.3 沉默TREM-1对TMAO诱导的VSMCs中NF-κB通路活化的影响
与Control组比较,TMAO组细胞中p-NF-κB p65/NF-κB p65蛋白比值水平明显升高(
P=0.000);与TMAO组比较,TMAO+si-TREM-1组细胞中p-NF-κB p65/NF-κB p65蛋白比值水平明显降低(
P=0.000),而TMAO+si-NC组无明显变化(
P=0.201)(
图4)。
2.4 激活NF-κB通路对TREM-1基因沉默抑制TMAO诱导VSMCs炎症反应的影响
与TMAO组比较,TMAO+PMA组细胞上清中IL-1β、IL-6、TNF-α水平明显升高(
P=0.000、0.001、0.001),细胞中p-NF-κB p65/NF-κB p65蛋白比值水平以及COX-2、ICAM-1、IL-1β、IL-6、TNF-α mRNA表达水平明显升高(
P=0.000、0.000、0.000、0.000、0.000、0.000);而TMAO+si-TREM-1组细胞上清中IL-1β、IL-6、TNF-α水平明显降低(
P=0.000、0.000、0.000),细胞中p-NF-κB p65/NF-κB p65蛋白比值水平以及COX-2、ICAM-1、IL-1β、IL-6、TNF-α mRNA表达水平明显降低(
P=0.000、0.002、0.000、0.000、0.001、0.007)。与TMAO+si-TREM-1组比较,TMAO+PMA+si-TREM-1组细胞上清中IL-1β、IL-6、TNF-α水平明显升高(
P=0.000、0.000、0.000),细胞中p-NF-κB p65/NF-κB p65蛋白比值水平以及COX-2、ICAM-1、IL-1β、IL-6、TNF-α mRNA表达水平明显升高(
P=0.000、0.000、0.000、0.000、0.000、0.000)(
图5)。
3 讨 论
一直以来,人们对于危害心血管健康的讨论主要集中在吸烟、肥胖、糖尿病等特定因素上,但相关研究表明,局部或全身炎症已是CVD的独立危险因素,炎症标志物被证明可用来预测心血管相关疾病,并作为CVD的潜在治疗靶点
[12]。既往研究
[13-14]表明,肠道菌群代谢产物TMAO于体内可促进动脉粥样硬化斑块的形成,于体外可通过促进NLRP3炎症小体活化诱导人脐静脉内皮细胞炎症损伤。Shi GX等
[15]研究发现,TMAO可通过激活PI3K/AKT/mTOR通路促进ox-LDL诱导的VSMCs自噬和表型转化。但其介导VSMCs炎症损伤的作用和机制尚不完善。本研究采用不同浓度TMAO干预VSMCs,并对细胞上清中炎症因子水平进行检测,结果显示,不同浓度TMAO对VSMCs增殖活性均无明显影响,而经TMAO诱导后的VSMCs细胞上清液中IL-1β、IL-6、TNF-α水平均明显升高,呈浓度依赖趋势,说明TMAO可介导VSMCs炎症损伤发生,是CVD发生的危险因素。TREM-1是一种新型炎症激发受体,可促进IL-1β、IL-6、TNF-α等炎症因子分泌,参与机体炎性反应的激发和放大过程。相关研究
[16]表明,TREM-1在多种心血管疾病中驱动炎症反应,比如,TREM-1通过放大主动脉炎症反应,诱导炎症细胞因子破坏动脉壁,促使单核细胞分化为巨噬细胞并活化形成动脉瘤。Wang F等
[17]研究发现,TREM-1在小鼠颈动脉结扎模型诱导的狭窄病变血管内膜分离的VSMCs中高表达,阻断TREM-1可明显抑制细胞炎症。而本研究中TMAO干预VSMCs后,细胞中TREM-1 mRNA表达水平明显升高,于是将
TREM-1基因siRNA干扰质粒转染至VSMCs中,然后再进行TMAO干预继续观察,结果显示,沉默
TREM-1基因后,细胞中炎症因子IL-1β、IL-6、TNF-α水平均明显降低,说明TREM-1在TMAO诱导VSMCs过程中起放大炎症反应作用,其机制可能与激活NF-κB通路有关。
TLR4介导的NF-κB信号通路在多种炎性疾病中发挥作用,受到刺激后的NF-κB p50亚基释放移位信号,与p65亚基上的DNA位点结合,发生核转移,从而诱导IL-1β、IL-6、TNF-α等炎症因子表达加重体积炎症损伤,抑制NF-κB通路可减轻血管炎症
[18]。在本研究中,观察到TMAO诱导VSMCs后,细胞中p-NF-κB p65/NF-κB p65蛋白表达水平明显升高,标志着NF-κB通路的活化。TREM-1作为下游正调节因子,可应答内源和外源性危险信号,诱导TLR介导的NF-κB信号通路激活,而NF-κB通过与黏附分子ICAM-1和诱导酶COX-2结合位点相互结合进一步促进炎症因子释放,同时使炎症细胞与内皮细胞间的黏附作用增强,加重血管炎症损伤
[19-20]。这与本研究中沉默
TREM-1基因后,细胞中p-NF-κB p65/NF-κB p65蛋白比值下降,COX-2、ICAM-1等促炎因子和IL-1β、IL-6、TNF-α等炎症因子水平下降结果相似。为了进一步证明TREM-1与NF-κB信号通路间的关系,本研究采用NF-κB信号通路激活剂PMA联合干预,结果显示NF-κB信号通路的激活明显逆转
TREM-1基因沉默对TMAO诱导VSMCs炎症反应的抑制作用。说明沉默
TREM-1基因减轻TMAO诱导的VSMCs炎症反应作用可能是通过阻断NF-κB信号通路实现的。
综上所述,本研究从体外水平证明了TREM-1可能通过激活NF-κB信号通路加重TMAO诱导的VSMCs炎性损伤,说明TREM-1是CVD治疗的潜在有效靶点。但在该过程中是否还涉及其他途径暂不清楚,后续本课题组将继续完善TREM-1在TMAO介导VSMCs炎性损伤过程中的机制研究,为靶向TREM-1治疗CVD提供更完整的数据支持。