牙周炎是一种由于口腔内微生物生态失调引起的慢性破坏性疾病,它会引起牙周支持组织的进行性破坏
[1]。研究
[2]表明,重度牙周炎一直是全球重大的公共卫生问题,预计至2050年,重度牙周炎的患病人数仍将持续增长。牙周炎不仅危害口腔健康,还可能通过牙周微生物的血行性传播及局部活化的淋巴细胞经过淋巴循环扩散至全身,引起其他全身性炎症,如慢性肾病等
[3]。一项分析研究报告
[4]表明,牙周炎可直接导致慢性肾病的发病率增加。另一项临床研究
[5]发现,牙周非手术治疗可通过减轻全身炎症,改善慢性肾病伴牙周炎患者的肾功能指标。
在对于牙周病和慢性肾病发病机制的诸多研究中,氧化应激一直是研究热点。在正常生理状态下,活性氧(reactive oxygen species,ROS)与抗氧化剂之间处于平衡状态,但是一旦出现某种刺激导致ROS产生过多,这种平衡状态被打破,从而引起组织氧化损伤。而肾脏作为一种高代谢器官,需要消耗大量的能量完成过滤工作,因此其更易受到氧化应激的影响
[6]。Klotho已被证实具有抗氧化能力,它实际上是一种抑制衰老因子,Klotho过度表达时可延长寿命
[7]。大量研究
[8-10]显示,Klotho可以通过抑制磷脂酰肌醇3-激酶(pho-sphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/苏氨酸蛋白激酶(threonine protein kinase,AKT)通路抑制氧化应激作用。同时,它主要存在于肾脏中,又常被视为肾脏的保护因子
[11]。体内外研究
[12]已证实,Klo-tho基因的表达受过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma,PPAR-γ)的直接调控。而主要用于治疗2型糖尿病的噻唑烷二酮类药物如吡格列酮,是PPAR-γ的激动剂
[13]。在一项关于吡格列酮改善衰老相关肾损伤的研究
[14]中发现,吡格列酮可使Klotho蛋白的表达增加。然而,目前对于吡格列酮治疗牙周炎相关肾损伤的研究尚少。本研究旨在观察吡格列酮对小鼠牙周炎相关肾损伤的保护作用,并初步探索该作用与Klotho的关系。
1 材料和方法
1.1 实验动物、主要试剂和仪器
选取SPF级8周龄C57雄性小鼠24只,体重21~23 g,饲养于吉林大学实验动物研究中心。动物实验经吉林大学基础医学院伦理委员会批准(批准编号:2025年研审第359号)。
吡格列酮、羧甲基纤维素钠(上海阿拉丁生化科技股份有限公司),过碘酸雪夫(periodic acid-schiff,PAS)染色试剂盒(北京酷来搏科技有限公司),马松(Masson)染色试剂盒(福州迈新生物技术开发有限公司),MitoSOX red试剂盒(Thermo公司,美国),超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)试剂盒(上海碧云天生物技术有限公司),丙二醛(malondialdehyde,MDA)、谷胱甘肽(glutathione,GSH)、白蛋白(albumin,Alb)、肌酐(creatinine,Cre)、尿素氮(blood urea nitrogen,BUN)、尿蛋白试剂盒(南京建成生物工程研究所),Klotho抗体(Proteintech公司,美国),PI3K抗体(Affinity Bioscience公司,美国),PPAR-γ抗体、AKT抗体(沈阳万类生物科技有限公司)。
Micro-CT系统(SCANCO公司,瑞士),聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)扩增仪MX3005P(AgILent公司,美国),酶标检测仪(Bio-TEK公司,美国),光学显微镜(Olympus公司,日本)。
1.2 方法
1.2.1 实验性牙周炎模型的构建
为预防意外损耗,每组初始样本量设为8只,随机分成3组,分别为对照组(C组)、牙周炎组(P组)和吡格列酮给药组(P+Pio组)。适应性喂养1周后,用7-0丝线结扎P组及P+Pio组小鼠的上颌双侧第二磨牙建立实验性牙周炎模型,C组小鼠不结扎。同时每天灌胃给予P+Pio组小鼠吡格列酮(20 mg/kg/d,悬浮于0.5%羧甲基纤维素钠中),其余2组小鼠每天给予等量的0.5%羧甲基纤维素钠。每隔2 d检查结扎丝是否松动脱落。8周后未出现小鼠死亡。前1 d禁食不禁水,收集尿液,之后对小鼠实施安乐死,并收集其上颌骨、肾脏、血液。同时对肾脏进行大体观察并采集图像,随后取肾下级组织在2.5%戊二醛中4 ℃保存固定,以备后续透射电镜(transmission electron microsco-pe,TEM)样本制备与观察。之后使用随机生成器每组抽取6只小鼠纳入后续实验(n=6)。其余小鼠样本均被妥善保存以作备用。
将收集的上颌骨进行修剪处理后用Micro-CT扫描并进行三维重建,扫描参数为70 kV、200 mA、300 ms。之后记录骨体积分数(bone volume fraction,BV/TV)、骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th)、骨小梁骨分离度(trabecular bone separating degree,Tb.Sp)等参数。确定是否成功构建牙周炎模型。
1.2.2 苏木精-伊红(hematoxylin-eosin,HE)染色
将经4%多聚甲醛固定的上颌骨进行1个月的脱钙处理后,制成石蜡切片;肾组织经4%多聚甲醛固定后脱水包埋制成石蜡切片。按照HE常规染色步骤染色后,于光学显微镜下观察组织学变化。
1.2.3 PAS染色
将肾组织石蜡切片按照PAS试剂盒说明书进行染色,光学显微镜下观察肾组织中肾小球和肾小管组织学变化。
1.2.4 Masson染色
按照Masson染色试剂盒说明书对牙组织和肾组织石蜡切片进行染色后树胶封片,光学显微镜下观察病理变化。
1.2.5 氧化应激指标检测
称取-80 ℃冷冻的肾组织50 mg,加入500 μL生理盐水冰浴下机械匀浆,低温离心机离心后取上清,BCA试剂盒测定蛋白浓度,按照SOD、MDA、GSH试剂盒说明书进行检测。
1.2.6 生化指标检测
根据肾脏功能试剂盒说明书检测血清中Cre、BUN、Alb和尿液中尿蛋白。
1.2.7 MitoSOX red检测
肾组织冰冻切片滴加稀释过的MitoSOX red试剂,37 ℃下避光孵育10 min,PBS冲洗后滴加稀释过的Hochest试剂,常温下避光孵育5 min,之后在荧光显微镜下观察,ROS呈红色荧光,细胞核呈蓝色荧光。imageJ分析红色荧光的平均光密度值(average optical density value,AOD)。
1.2.8 实时荧光定量聚合酶链反应(quantitative reverse transcription polymerase chain reaction,qRT-PCR)检测
将冰冻的肾组织用Trizol试剂提取RNA,之后逆转录成cDNA。以β-actin作为内参,测定PPAR-γ、Klotho、PI3K、AKT的mRNA表达水平。PCR引物序列见
表1。
1.2.9 免疫组织化学(immunohistochemistry,IHC)染色
将肾组织石蜡切片梯度脱蜡,先经抗原修复后,滴加稀释后的PPAR-γ、Klotho、PI3K、AKT一抗液,置于4 ℃过夜,回收一抗,滴加二抗,避光条件下DAB显色液显色,苏木精复染细胞核,脱水、透明后,中性树胶封片。光学显微镜下观察并分析阳性表达区域AOD值。
1.3 统计学分析
采用SPSS软件29.0.2.0进行统计学分析,组间比较采用t检验,P<0.05为差异具有统计学意义。对Klotho和MDA水平进行Spearman相关性分析,P<0.05提示具有相关性。
2 结果
2.1 成功构建小鼠牙周炎模型
2.1.1 Micro-CT结果
Micro-CT结果显示,C组牙槽骨完整,P组上颌第二磨牙周围牙槽骨吸收较C组多,P+Pio组牙槽骨吸收程度较P组减轻(
图1a)。骨生物学参数分析显示,P组较C组BV/TV、Tb.Th降低(
P<0.01),Tb.Sp升高(
P<0.05);P+Pio组较P组BV/TV(
P<0.01)、Tb.Th升高(
P<0.05),Tb.Sp降低(
P<0.05)(
图1b)。
2.1.2 牙周组织病理学变化
牙周组织HE及Masson染色结果显示,C组牙周组织结构完整;P组牙周袋形成,牙槽嵴高度降低,牙槽骨部分吸收破坏;P+Pio组与P组相比牙周袋变浅,牙槽嵴高度增加(
图2)。
以上结果表明,已成功构建牙周炎模型。
2.2 肾脏大体照、超微结构及组织学变化
2.2.1 肾脏大体照及超微结构
肉眼观察,C组、P组、P+Pio组肾脏外形未见明显差异(
图3a)。TEM下显示,C组足突规则清晰;P组足突部分消失、融合,排列不规则;P+Pio组足突较P组融合程度减轻(
图3b)。
2.2.2 肾组织学变化
肾组织HE染色显示,C组肾组织结构完整、形状规则,肾小球和肾小管呈现正常状态;P组肾小球代偿性肥大,肾小管上皮细胞脱落,近曲小管因细胞水肿而管腔狭窄,间质充血(
图4a)。PAS染色见C组肾小球基底膜薄而清晰,肾小管刷状缘完整;P组肾小球基底膜增生,刷状缘破坏(
图4b)。Masson染色及相对纤维化占比分析显示,P组相比C组蓝染的区域占比较多,说明P组纤维化较重(
图4c、d),而P+Pio组在HE、PAS、Mas-son染色中表现的病变程度都较P组减轻(
图4)。
2.3 肾组织氧化应激相关指标检测
通过氧化应激试剂盒检测发现,与C组相比,P组小鼠肾组织GSH、SOD水平降低,MDA水平升高;P+Pio组与P组相比GSH、SOD水平升高,MDA水平降低,差异均具有统计学意义(
图5)。
2.4 肾组织MitoSOX red结果
在MitoSOX染料作用下,ROS呈现出红色荧光;Hoechest染料标记细胞核,呈现蓝色荧光;Merge是将肾细胞的细胞核和ROS进行共定位。肾组织MitoSOX red结果显示,P组与C组相比,红色荧光区域明显增多,提示ROS增多;P+Pio组较P组红色荧光区域明显减少,提示ROS减少。imageJ分析显示,3组间AOD差异具有统计学意义(
P<0.05)(
图6)。
2.5 肾脏功能指标检测
肾脏功能指标检测结果表明,3组间所有指标的差异均无统计学意义(
表2)。
2.6 qRT-PCR结果
qRT-PCR结果显示,与C组相比,P组PPAR-γ、Klotho的mRNA表达水平降低,AKT、PI3K的mRNA表达水平升高;与P组相比,P+Pio组PPAR-γ、Klotho的mRNA表达水平升高,AKT、PI3K的mRNA表达水平降低,差异均具有统计学意义(
图7)。
2.7 IHC染色结果
IHC结果显示,与C组相比,P组PPAR-γ、Klotho棕褐色阳性区域减少,PI3K、AKT棕褐色阳性区域增加,这表明P组PPAR-γ、Klotho蛋白表达减少,PI3K、AKT蛋白表达增加;与P组相比,P+Pio组PPAR-γ、Klotho棕褐色阳性区域增加,PI3K、AKT棕褐色阳性区域减少,这表明P+Pio组PPAR-γ、Klotho蛋白表达增加,PI3K、AKT蛋白表达减少。imageJ分析显示,3组间AOD的差异均具有统计学意义(
图8)。
2.8 Klotho与MDA的相关性分析
对所有组别肾组织中Klotho的mRNA表达水平和氧化应激指标之一MDA的相关性分析发现,两者之间存在显著的负相关(
ρ=-0.863,
P<0.001)(
图9)。
3 讨论
牙周炎和慢性肾病都是慢性炎症性疾病,氧化应激作为联系两者之间的“桥梁”,当牙周炎发生时,龈下菌斑中的细菌激活中性粒细胞,过度活化的中性粒细胞释放大量的ROS,不仅造成牙周支持组织的破坏,而且还会加剧慢性肾病的发展
[15]。通过对牙周炎患者多种生物样本的分析
[16]发现,患者体液中氧化应激标志物增多,同时,患者唾液DNA损伤增加且抗氧化能力减弱,这表明氧化应激可能在牙周炎中起重要作用。此前已有研究
[17]显示,实验性牙周炎可通过氧化应激引起肾组织形态学改变。吡格列酮作为一种噻唑烷二酮类胰岛素增敏剂,已被大量研究
[18-20]证实具有抗氧化作用,但在牙周炎诱导肾损伤疾病中的相关研究少之又少。
有研究
[21]表明,吡格列酮可以抑制牙周炎相关致病菌释放的脂多糖刺激脂肪细胞产生白细胞介素(interleukin,IL)-6,从而发挥抗炎作用。Lan等
[22]在对异种移植物促进牙根再生的研究中发现,另一种PPAR-γ激动剂罗格列酮可以通过激活PPAR-γ通路抑制氧化应激,减少破骨细胞形成和胶原纤维破坏。本研究采用丝线结扎小鼠第二磨牙成功构建了小鼠牙周炎模型,这是目前广泛应用于小鼠牙周炎模型的方法之一。同时,通过Micro-CT扫描分析及牙周组织HE、Masson染色结果发现,P+Pio组相比P组的牙周袋变浅,牙槽骨吸收程度有所缓解,这表明吡格列酮在一定程度上可以缓解牙周炎症。
有研究
[23]已证明,因结扎诱导的牙周炎引起的肾损伤是不可逆的。本实验通过对小鼠肾脏组织学检查,发现P组肾组织肾小球出现代偿性增大、基底膜增生,肾小管上皮细胞脱落、刷状缘损伤,间质充血、纤维化增加,P+Pio组肾组织这些病理变化缓解,TEM下观察进一步显示P组肾脏结构中足突部分消失,提示实验性牙周炎可引起肾脏结构的早期病理损害,吡格列酮对此有一定的保护作用。检测相关肾功能指标时发现,3组间所有指标的差异均无统计学意义,提示在本研究周期内,牙周炎未引起肾脏显著功能性病变,这可能与小鼠建模时间较短有关。另外对肾组织氧化应激指标检测及通过MitoSOX red分析ROS水平的结果表明,实验性牙周炎可引起肾组织氧化应激水平升高,吡格列酮可在一定程度上有效缓解牙周炎引起的相关肾脏氧化应激损伤。
综上表明,牙周炎所致肾病是一个慢性的过程,很难在为期8周的动物实验中完全复现,但本研究结果明确显示,实验性牙周炎能够引起肾脏早期病理变化,具有向慢性肾病发展的基础。
Klotho是一种多功能蛋白,主要表达于肾脏远端小管,也存在于血液、尿液中,这些循环中Klotho稳态的维持也主要依靠肾脏
[6,24]。研究
[24]发现,当双侧肾切除后,血清中Klotho水平明显下降。另有研究
[25]指出,对于经皮冠状动脉介入治疗的冠状动脉疾病患者,补充Klotho蛋白可以通过抑制氧化应激减轻造影剂引起的急性肾损伤。除此之外,Klotho蛋白对多种疾病都具有保护效应。对Klotho与口腔健康状况关系进行研究,结果表明,血清中Klotho水平与口腔健康状况密切相关,牙周炎程度越重,血清中Klotho水平越低
[26]。Lim等
[8]研究发现,Klotho可以通过负调控PI3K/AKT通路缓解免疫抑制药物他克莫司引起的氧化应激。Wang等
[27]研究表明,Klotho通过抑制PI3K/AKT通路保护心脏,改善心肌梗死。此外,有研究
[28]发现,Klotho缺陷小鼠的心脏中脂肪相关的PI3K/AKT通路活性显著上调。因此笔者做出假设,Klotho可能通过抑制PI3K、AKT缓解牙周炎引起的肾损伤。
PPAR-γ是过氧化物酶体增殖激活受体家族的一种,主要用于调控脂质和葡萄糖代谢,噻唑烷二酮类药物是其合成配体
[13]。目前已有研究
[29-30]指出,噻唑烷二酮类药物可以通过激活PPAR-γ增加Klotho的表达水平。因此做出假设,吡格列酮可能通过激活PPAR-γ后上调Klotho,进而抑制其下游的PI3K、AKT信号分子表达,这或许是其缓解氧化应激的潜在机制。
本实验通过qRT-PCR、免疫组化实验,发现与C组相比,P组PPAR-γ、Klotho基因及蛋白表达降低,PI3K、AKT表达升高;P+Pio组较P组PPAR-γ、Klotho基因及蛋白表达升高,PI3K、AKT表达降低,且差异都具有统计学意义。此外,由于MDA是脂质过氧化的终产物,可以用来评估组织氧化损伤的程度,本实验在对肾脏Klotho表达水平和MDA的相关性分析发现,Klotho表达水平与肾脏氧化应激损伤程度呈显著负相关。
综上所述,Klotho及其下游信号分子可能参与了吡格列酮对小鼠牙周炎诱导的早期肾损伤的保护作用。然而,本研究对PPAR-γ、Klotho、PI-3K、AKT之间调控机制的研究尚浅,未来将使用体外抑制剂处理和体内基因敲除等方式进一步完善机制研究,同时推进其在临床应用方面的验证,为治疗牙周炎相关肾损伤提供新思路。
吉林大学白求恩计划资助项目(419161925017)
吉林省财政厅项目(jcsz2023481-16)