变应性鼻炎(allergic rhinitis,AR)又称过敏性鼻炎,是特应性个体接触过敏原后,发生由免疫球蛋白E(immunoglobulin E,IgE)介导的多种细胞因子和多种免疫细胞参与的鼻黏膜非感染性慢性炎性疾病,临床上以阵发性喷嚏、清水样涕、鼻塞、鼻痒为主要症状
[1]。据统计,在过去的几十年中,AR影响了全球高达40%的人口,中国的发病率也在逐年上升
[2]。
外泌体是一类纳米级别的细胞外囊泡,其内的mRNA、miRNA和蛋白以旁分泌或远距离传导的形式介导细胞内分子信号传导。近年来,关于外泌体miRNA和变应性鼻炎的研究越来越多
[3],但针对其他成分还未深入认识,随着LC-MS联用的定量蛋白质组学技术的发展,外泌体内的蛋白成分逐渐引起关注
[4]。有研究通过蛋白质组学分析,鉴定了AR患者鼻上皮细胞来源外泌体中的差异蛋白(如TSLP、IL-33),提示外泌体蛋白可能通过激活Th2免疫反应加剧过敏症状
[5]。此外,相对于核酸,蛋白更加稳定,经外泌体介导进入受体细胞后能瞬时发挥其活性
[6]。
丙酸氟替卡松鼻喷雾剂(辅舒良)为第二代鼻用激素,为AR的一线治疗药物,能显著减少炎性介质和细胞因子的释放,降低鼻腔黏膜高反应性,影响AR患者炎症的发展过程
[7]。本研究运用蛋白组学筛选辅舒良治疗大鼠变应性鼻炎的相关外泌体蛋白,通过生物信息学分析这些蛋白参与调控的信号通路,在分子水平上探索辅舒良治疗大鼠AR的作用机制。
1 材料与方法
1.1 实验动物
SPF级雄性SD大鼠30只,购自北京斯贝福生物技术有限公司[实验动物生产许可证号:SCXK(京)2019-0010],体质量180~220 g,分笼饲养于中国中医科学院西苑医院实验动物中心空调动物房,温度为(21±4)℃,湿度为(55±5)%,自由进食、饮水,定期更换、消毒饲养笼,保持环境清洁,适应性饲养7 d后开始实验。本实验经过中国中医科学院西苑医院伦理委员会批准(伦理号:2022XLC007-3)。
1.2 实验药物
卵清蛋白(OVA)购于美国Sigma公司,氢氧化铝[(Al(OH)3]购于上海麦克林生化科技股份有限公司,丙酸氟替卡松鼻喷雾剂(辅舒良50 μg/喷,120喷/瓶)购于英国葛兰素威康公司。
1.3 分组及模型建立
大鼠随机分为3组:空白组、模型组和鼻喷激素组(治疗组),每组10只。除空白组外,其余两组均进行AR模型建立。模型制备分为3个阶段:全身致敏、鼻腔激发和维持致敏。①全身致敏:将OVA溶于无菌生理盐水(终质量浓度为0.6 mg/mL),然后与等体积氢氧化铝混悬液混合均匀,每只大鼠腹腔注射混合液1 mL[含0.3 mg OVA和30 mg Al(OH)3],隔日致敏1次,连续致敏7次。空白组大鼠在相同的时间予腹腔注射1 mL生理盐水。②鼻腔激发:第15~21天,予大鼠5% OVA每侧鼻腔各0.05 mL滴鼻,每日一次,连续7次。空白组在相同的时间予每侧鼻腔0.05 mL生理盐水滴鼻。③维持致敏:每天激发致敏,直至试验结束,空白组采用等量生理盐水滴鼻。鼻腔激发后记录大鼠的行为学变化,包括挠鼻、打喷嚏和流涕,并评分。挠鼻次数为0计0分,0~3次计1分,4~6次计2分,>6次计3分。打喷嚏评分标准和挠鼻相同。无流涕计0分,流涕见于单侧鼻孔计1分,流涕见于双侧鼻孔计2分,流涕超过鼻部计3分。行为学评分总分5分以上表明AR动物模型造模成功。
1.4 药物干预
第22天开始,治疗组大鼠给予辅舒良滴鼻,每侧50 μg(剂量参考其药品说明书设置),每日1次,连续21 d;空白组和模型组大鼠给予等量生理盐水滴鼻,每日1次,连续21 d。
1.5 标本采集及鼻黏膜组织病理学观察
全部干预措施结束后3 d,将大鼠麻醉后经腹主动脉取血后,处死大鼠,沿鼻中线剪开双侧鼻腔,暴露鼻中隔,取出适量鼻中隔黏膜组织,一半置于4%多聚甲醛溶液中固定48 h,脱水,石蜡包埋后切片(厚度3 μm),经苏木精-伊红(HE)染色并使用显微镜观察其鼻黏膜组织形态及免疫组化检测。
1.6 免疫组化检测鼻黏膜IL-4、IFN-γ水平
石蜡切片脱蜡,抗原修复,双氧水阻断,BSA封闭,加一抗(IFN-γ抗体,稀释度为1∶300),IL-4抗体(稀释度为1∶200))4 ℃孵育过夜,加二抗羊抗兔IgG,HRP(稀释度为1∶1 000)室温孵育30 min, DAB显色,苏木素复染,脱水封片,光镜下观察IL-4、IFN-γ阳性染色(细胞胞浆呈棕黄色)情况,Image Pro-Plus 6.0软件计算每张切片每视野下单位面积内IFN-γ、IL-4阳性染色的平均吸光度值。
1.7 外泌体的收集及表征
本研究采用超速离心法提取,在37 ℃中速融样本。取血浆5 mL于离心管内,先后在2 000g下离心30 min以及10 000g离心45 min,取上清液于0.45 μm滤膜过滤,收集过滤液,以100 000g离心70 min。去除上清,将其沉淀在10 mL预冷的PBS重悬后,以100 000g再次离心70 min。去除上清,重悬于100 μL预冷的 PBS中,并保存在-80 ℃。上述操作均在4 ℃条件下进行。经透射电子显微镜(TEM)、纳米流式检测技术(NanoFCM)获得外泌体形态、粒径大小和浓度信息。
1.8 外泌体蛋白提取及分析
提取后的外泌体(空白组、模型组和治疗组各3份)送往奥维森基因科技有限公司进行蛋白提取及质谱分析。本研究将利用非数据依赖型采集,根据P<0.05且|log2(Fold Change)|>1.5倍为标准,对空白组、模型组和治疗组提取到的外泌体蛋白组进行分析,构建火山图,比较各组的差异表达蛋白(DEPs)。然后采用层次聚类对DEPs进行分组和分类。对这些DEPs进行生物信息学分析,包括基因本体富集分析(Gene Ontology,GO),京都基因与基因组百科全书通路分析(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG)和蛋白质互作网络分析(protein-protein interaction networks,PPI) 。
1.9 统计学分析
本研究采用SPSS 25.0统计软件进行分析,实验数据以均数±标准差(X±S)表示。各组变量之间的比较使用单因素方差分析进行检验,以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 辅舒良对AR大鼠鼻黏膜组织的影响
HE染色结果显示,空白组鼻黏膜组织结构完整清晰,黏膜下未见水肿、炎细胞浸润等病变;模型组鼻黏膜上皮细胞有不同程度的变性脱落、坏死,出现组织间隙水肿,大量炎细胞聚集浸润;治疗组鼻黏膜较模型组有不同程度的改善,轻度黏膜水肿,偶见少量炎细胞浸润(见
图1)。
2.2 辅舒良对AR大鼠鼻黏膜IL-4、IFN-γ表达水平的影响
IL-4免疫组化结果显示,各组大鼠细胞质和细胞间质均有棕黄色颗粒分布,模型组棕黄色颗粒最多,治疗组次之,空白组最少(见
图2)。基于IOD值的半定量分析,相较于空白组,模型组IL-4蛋白表达量水平显著升高(
P<0.05);而与模型组比较,治疗组IL-4蛋白表达量水平相较于模型组出现显著降低(
P<0.05,见
表1)。IFN-γ免疫组化结果显示,各组大鼠细胞质和细胞间质均有棕黄色颗粒分布,空白组棕黄色颗粒最多,治疗组次之,模型组最少(见
图2)。基于IOD值的半定量分析,相较于空白组,模型组IFN-γ蛋白表达量水平显著降低(
P<0.05);而与模型组比较,治疗组IFN-γ蛋白表达量水平出现显著升高(
P<0.05,见
表1)。
2.3 血浆外泌体的鉴定结果
透射电镜结果显示,血浆外泌体粒径大多约为30~150 nm,具有连续的双层膜包被,形态不一,呈圆形、茶托型和类圆形,符合典型的外泌体形态。空白组外泌体粒径为83.56 nm,浓度为2.75×10
9个/mL;模型组外泌体粒径为79.24 nm,浓度为4.42×10
9个/mL;治疗组外泌体粒径为83.78 nm,浓度为1.65×10
9 个/mL(见
图3)。
2.4 差异蛋白分析结果
利用差异倍数(fold change)和
P值(
T-test)两个参数筛选差异蛋白,结果显示在空白组外泌体中筛选出2 369个蛋白,模型组外泌体筛选出2 441个蛋白,治疗组筛选出1 865个蛋白。通过对模型组和空白组、治疗组和模型组进行比较,结果显示,与空白组相比,模型组外泌体中筛选出41个蛋白表达上调,51个蛋白表达下调;与模型组相比,治疗组外泌体中筛选出325个蛋白上调,150个蛋白下调(见
图4);其中选择空白组与模型组的差异蛋白与模型组和治疗组的差异蛋白求交集,共筛选出16个关键差异的蛋白,在模型组下调、治疗组上调的蛋白有Aqp1、Psap、C4b、Kng1、Steap3、C1qc、Napa、Ttyh3和Cd44,在模型组上调、治疗组下调的蛋白有Olfm4、Ybx1、Tpd52l1、Clec2g、Epb41、ENSRNOP00000019107和ENSRNOP00000005997。
2.5 差异蛋白基因本体(GO)功能富集分析结果
根据GO蛋白数量富集分析发现,模型组与治疗组的DEPs在生物过程(biological process,BP)分类中,主要富集在蛋白激活级联反应(protein activation cascade)、创面愈合(wound healing)、止血(hemostasis)和凝血等;在分子功能(molecular function,MF)分类中,主要富集在丝氨酸型内肽酶抑制剂活性(serine⁃type endopeptidase inhibitor activity)、内肽酶抑制剂活性(endopeptidase inhibitor activity)、肽酶抑制剂活性(peptidase inhibitor activity)和肽酶调节因子活性(peptidase regulator activity)等;在细胞组分(cellular component,CC)分类中,主要富集在细胞外间隙(extracellular space)、细胞外区域部分(extracellular region part)、细胞外基质(extracellular matrix)和细胞外区域(extracellular region)等(见
图5)。
2.6 差异蛋白KEGG功能富集分析结果
KEGG富集分析发现,模型组与治疗组差异蛋白涉及主要的信号通路包括补体和凝血级联信号通路(complement and coagulation cascades)、冠状病毒疾病—新型冠状病毒肺炎(coronavirus disease-COVID-19)、吞噬体(phagosome)、黏着(focal adhesion)、金黄色葡萄球菌感染(
Staphylococcus aureus infection)、PI3K⁃Akt信号通路(PI3K⁃Akt signaling pathway)、ECM-受体相互作用(ECM⁃receptor interaction)、Rap1 信号通路(Rap1 signaling pathway)等(见
图6)。
2.7 蛋白质互作网络(PPI)分析
使用STRING软件对模型组与治疗组的DEPs进行蛋白质-蛋白质相互作用网络PPI分析,使用Cytoscape软件进行PPI网络作图。其中,蛋白质连接的程度越高,其变化对相关通路的影响就越大。对差异蛋白相互作用网络的预测分析发现F2、Plg、Alb、Serpinc1、Serping1、Fga这6种差异蛋白位于功能网络中心,且多数蛋白属于补体和凝血级联信号通路,其余蛋白位于网络边缘(未显示)(见
图7)。
3 讨论
现有研究表明,辅舒良作为治疗变应性鼻炎的一线用药,通过抑制多种炎症介质和细胞因子的产生和释放,从而起到干预变应性鼻炎的作用,但其机制尚未研究全面。本研究基于外泌体蛋白组学探究辅舒良治疗AR的作用机制,旨在发现新的潜在关键靶点和生物标志物。
外泌体由于其特殊的脂质双分子层结构,进行远距离运输时不易被破坏,从而在细胞间传递生物信息
[8]。当信息被受体细胞识别后,外泌体与受体细胞膜融合或被受体细胞内吞入细胞内,释放生物学信号(如蛋白质、核酸等),进而引起受体细胞生物学功能变化
[9]。本研究识别出的外泌体三组粒径均位于80 nm左右,而有研究表明40~150 nm的细胞外囊泡(外泌体)能更有效穿透内皮屏障,发挥功能
[10],且过敏炎症状态下(模型组),炎性细胞使外泌体分泌亢进,导致循环外泌体浓度升高,这与哮喘患者肺部外泌体分泌增多的报道一致
[11]。其提取的差异蛋白也拥有不同的分子活性,比如在本研究中,相对于模型组,治疗组外泌体中的差异上调蛋白325个,下调蛋白150个蛋白。这些DEPs在Gene Ontology数据库中进行了功能分类,大部分蛋白均参与了细胞进程、应激反应、免疫反应、生物调控、代谢过程、信号传导的过程,且位于细胞外,充分证明本次分离的外泌体蛋白能够发挥细胞间传递信息的功能,介导细胞与细胞间的相互作用。KEGG信号通路结果显示,模型组与治疗组间差异蛋白在富集到的通路中补体和凝血级联通路参与度最高。在该通路中除vwf蛋白显著下调,而其余相关蛋白显著上调。PPI分析中位于网络中心的蛋白多数也均属于补体和凝血级联通路,且相关性也较高,如C1qc、C1qb、C1s、Masp2、Cfb、C2、C4b等显著上调。有研究显示,外泌体蛋白C4b,C1qa,C1qc和Mbl1可能通过调节补体和凝血级联信号通路在AR发病机制中发挥重要作用
[12]。这提示辅舒良可能通过调节补体和凝血级联通路在AR的免疫代谢通路发挥治疗作用。
补体和凝血级联反应的作用是提供第一道防线,抵御可能进入机体的病原体和其他入侵者。补体激活通过3条主要途径发生,即经典途径、凝集素途径和替代途径,最终汇集到一个共同的途径,一系列蛋白水解裂解和中心酶复合物(C3和C5转化酶)的形成导致活性片段的产生,形成膜攻击复合物,通过受体直接作用于肥大细胞、嗜酸性粒细胞等免疫细胞,促进组胺释放和Th2细胞因子释放,加重鼻黏膜炎症反应
[13]。凝血级联反应,包括内源性和外源性凝血途径并涉及多种凝血因子酶原激活的瀑布级联反应,从而导致纤维蛋白原的激活与血栓的形成。
有研究表明在AR小鼠模型中,凝血级联的特定组分有所增加,纤溶系统降低,并且在变应性鼻炎条件下,凝血和纤溶系统组分同时表达变化时,纤维蛋白积累占主导地位
[14]。在一项哮喘机制研究中,凝血途径的失调和纤维蛋白(止血的最终产物)在肺的远端气道中的沉积都显著导致气道高反应性提高,加重过敏性气道炎症
[15]。当去除纤维蛋白后可以减少炎症性疾病和症状的发展
[16]。本研究PPI中位于网络中心的蛋白多数均属于凝血级联通路,如Plg蛋白被激活后变成纤溶酶(PTL),可以降解纤维蛋白原、纤维蛋白和多种凝血因子;Serpinc1是一种血浆蛋白酶抑制剂,是serpin超家族的成员,这种蛋白质抑制凝血酶以及凝血系统的其他活化丝氨酸蛋白酶,并调节凝血级联反应;Fga特异性构成纤维蛋白原α链,被凝血酶F2裂解并参与纤维蛋白降解。这提示辅舒良可能通过降解纤维蛋白,调节凝血和纤溶系统组分,改善小鼠过敏状态。
本研究通过两两交集筛选出16个具有差异表达的蛋白,其中与补体和凝血途径相关的蛋白为C1qc和C4b,其在模型组下调,并在治疗组上调。C1qc是补体C1q的一条子链,由C1q、C1r和C1s(C1qr2s2)组成的C1复合物是经典补体激活途径的起始蛋白。研究发现激活的C1会从细胞表面裂解主要组织相容性复合体I(MHC I)并水解2个微珠蛋白,从而影响T细胞介导的免疫应答
[17]。C1q蛋白主要在体内由外周组织巨噬细胞和树突状细胞等抗原呈递细胞合成分泌,有研究认为C1q为调节性树突状细胞的标志物,其功能包括抑制树突状细胞活化,减少细胞因子的产生和共刺激分子的表达,抑制T细胞分化,从而防止整体免疫反应的过度激活
[18]。在卵清蛋白诱导的过敏性哮喘小鼠中,C1q直接通过调节树突状细胞抑制辅助性T细胞2(Th2)驱动的肺部炎症小鼠模型的炎症反应,减少支气管肺泡灌洗液中的气道高反应性(AHR)、嗜酸性粒细胞和ILC2浸润
[19]。在过敏原免疫治疗成功的过程中,过敏患者外周血单核细胞中的C1q表达上调
[20]。
C4b是哺乳动物血浆蛋白C4的裂解产物,通过激活补体系统的经典途径和凝集素途径,启动微生物和受损宿主细胞的裂解和清除
[21]。在本研究中,C4b在模型组中表达下调,在治疗组表达上调,表明其可能在改善变态反应性疾病的发病机制中发挥作用,但也有研究显示,AR患者血清中补体C4水平与健康对照组相当
[22]。遗憾的是,由于对C4b参与过敏性疾病的研究有限,C4b在AR中的作用尚不清楚。
本研究利用DIA技术基于外泌体蛋白组学探讨辅舒良治疗AR的机制,但仍存在一些局限性。首先,本研究虽筛选出关键蛋白,但未明确这些差异蛋白在AR的治疗中的具体功能,后续需进行相关的功能验证实验。其次,本研究为动物实验,未来需要在临床中进一步验证这些结果。最后外泌体的细胞来源极其复杂,未来的研究应明确其相应的来源,进行深入的体内外功能实验,阐明外泌体蛋白在治疗AR中的具体作用机制。
综上所述,我们应用蛋白组学方法鉴定了辅舒良治疗大鼠AR的差异表达的外泌体蛋白,并发现了补体和凝血级联通路中的差异蛋白参与度最高。提示辅舒良可能通过调节外泌体C4b和C1qc蛋白,改变凝血和纤溶系统组分来改善疾病的免疫过程、炎症过程,发挥对AR的干预作用,这为外泌体蛋白组学在变应性鼻炎治疗中的应用提供了新的思路。
中国中医科学院科技创新工程重大攻关项目(C12021A02705)
中国中医科学院西苑医院提升中医药临床循证证据级别研究专项(XYZX0201-08)