溃疡性结肠炎(ulcerative colitis,UC)是一种发病机制尚不完全明确的慢性复发性炎症性肠病,UC继发于结肠炎症导致慢性腹泻和直肠出血,会损害生活质量,病变主要累及结肠黏膜及黏膜下层,病情迁延难愈、复发率高,为终身性疾病
[1,2]。同时,UC患者的预期寿命较低,患结肠癌的风险也显著增加
[3]。近年来,UC在亚洲等发展中国家的发病率呈快速增长趋势,由于其发病年龄的年轻化及治疗药物缺乏导致其在全球的流行率也在急剧上升
[4]。据调查,2020年欧洲的UC总患病人数超过200万
[5,6]。2019年我国的UC患病人数高达40万,预计到2030年患病人数可能突破50万
[7,8]。介导这种黏膜炎症发展的潜在因素被多次提及,动物模型的建立可为溃疡性结肠炎发病机制的探究及治疗措施的研究提供有力支持。
理想的动物模型是新药研究和发病机制研究的重要工具,建立贴近临床病因及临床表现的UC动物模型至关重要。目前,UC动物模型建立的方法主要包括诱导法、基因敲除法和联合法,其中诱导法主要采用化学诱导
[9]。化学诱导法中化学试剂以葡聚糖硫酸钠(dextran sulfate sodium salt,DSS)和2,4,6-三硝基苯磺酸(2,4,6-trinitrobenzenesulfonic acid,TNBS)为主
[10],其中DSS通过自由饮用进入体内后可出现与人类UC相似的病理特征,TNBS作为半抗原类物质,与乙醇混合后通过肠道给药可快速破坏肠道屏障诱发宿主免疫反应,出现黏液脓血便、结肠水肿和炎性细胞浸润等病理表现
[11]。DSS和TNBS诱发UC的机制不同,模型持续时间及自愈速度均有差别,因此均被广泛用于UC的研究。
TNBS诱导的UC模型存在症状轻、病程短和自愈性强等特点,因此TNBS常与乙醇以不同比例混合,利用乙醇破坏肠黏膜屏障,加速TNBS渗入结肠组织中由半抗原形式结合组织蛋白等形成完全抗原触发免疫反应,造成肠道黏膜的持续损伤
[12]。研究发现,TNBS与乙醇的混合比例、灌肠用量及灌肠次数均是其诱导UC的关键因素,直接影响到UC模型的成模率、病变严重程度、疾病持续时间以及动物死亡率
[13]。因此,本研究分别以50 mg/kg和100 mg/kg TNBS对大鼠单次灌肠,探究其成模率、死亡率及模型持续时间,为TNBS造模剂量选择与药物治疗周期提供依据。
1 材料与方法
1.1 实验动物
SPF级SD大鼠54只,雌性各半,体质量180~220 g,购于空军军医大学实验动物中心,实验动物生产许可证号:SCXK(陕)2014-002,适应性饲养1周后用于实验,饲养环境控制12 h/12 h明暗交替,通风良好,室内温度23~25 ℃,相对湿度60%~70%。本研究方案经陕西中医药大学动物实验伦理委员会批准,伦理批准号:SUCMDL20250616001。
1.2 主要试剂与仪器
5%TNBS(批号:0000361077)购于美国Sigma公司;D-乳酸(LA)比色法测试盒(批号:E-BC-K002-M)和小鼠白蛋白(ALB)酶联免疫吸附测定试剂盒(批号:E-EL-M3032)购于武汉伊莱瑞特生物科技股份有限公司;便隐血(OB)试剂(匹拉米洞半定量检测法,批号:B250101)购于珠海贝索生物技术有限公司;多聚甲醛组织细胞固定液(批号:GP2306301)购于北京雷根生物技术有限公司;卡诺氏固定液(批号:CR2401103)购于武汉塞维尔生物科技有限公司;HE染色试剂盒(批号:Z986241031)购于上海碧云天生物技术股份有限公司;AB‐PAS染色液(批号:CR2502094-1)购于武汉塞维尔生物科技有限公司;无水乙醇购于天津富宇精细化工有限公司;戊巴比妥钠(批号:57-33-0)购于北京耦合科技有限公司;灌肠针为本实验室自制;全波长酶标仪购于美国BioTek Instruments公司;KDC-160HR高速冷冻离心机购于科大创新股份有限公司。
1.3 动物分组与模型制备
54只SD大鼠随机分为正常组、TNBS-50 mg/kg组、TNBS-100 mg/kg组,每组各18只。大鼠禁食12 h,戊巴比妥钠腹腔注射麻醉,用灌肠针缓慢插入直肠约8 cm,TNBS-50 mg/kg组和TNBS-100 mg/kg组大鼠分别灌肠注入5% TNBS-乙醇溶液(5% TNBS与50%乙醇1∶1比例混合)0.4 mL和0.8 mL,灌肠结束后将大鼠尾部提起倒置1 min,并保持头低尾高,待其自然清醒后自由饮食。正常组大鼠灌肠0.8 mL生理盐水。灌肠当天记为第0天,每天称量大鼠体质量,测量大鼠粪便隐血情况,进行疾病活动指数(disease activity index,DAI)评分。于造模第1,7,14天每组随机抽取6只大鼠,麻醉后腹主动脉采血,3 500 r/min离心15 min分离血清,用于D-乳酸检测。分离结肠,测量结肠长度,留取结肠内粪便,用于粪便白蛋白检测,并将结肠固定于多聚甲醛及卡诺氏固定液中用于HE和AB-PAS染色。
1.4 体质量变化及死亡率测定
造模开始后,每日上午9点测定各组大鼠体质量,按公式计算体质量下降率。同时,观察并记录各组大鼠存活状态,统计死亡个体数量,按公式计算死亡率,并用GraphPad Prism软件绘制体质量下降率及生存率数据图。
体质量下降率(%)=(初始体质量-测定时体质量)/初始体质量×100%;死亡率(%)=死亡数量/初始总数量×100%。
1.5 粪便隐血测定
采集10~50 mg粪便样本涂抹在测试卡方格内,在方格左右侧各滴一滴显色剂A(主要成分为匹拉米洞),待显色剂A渗透后再滴一滴显色剂B(主要成分为双氧水和乙醇),加入显色剂B后开始计时并观察颜色及显色时间,在2 min内判读完毕并评分。评分标准为:当加入显色剂B后,立即产生紫蓝色,报告为4分;10 s内产生紫蓝色,报告为3分;1 min内产生紫红色,报告为2分;1~2 min内逐渐产生紫红色,报告为1分;于判读时间内无任何紫蓝或紫红的颜色反应,报告为阴性。
1.6 疾病活动指数评分
造模第1,4,7,10,14天分别观察大鼠粪便性状、测定大鼠粪便隐血并进行评分,按照
表1评分标准,DAI=(体质量下降率评分+粪便性状评分+便血评分)/3。
1.7 脾脏及胸腺系数的测定
分离大鼠脾脏和胸腺,吸水纸吸干后称重,按照如下公式计算脏器系数:
脏器系数=脏器质量(g)/大鼠体质量(g)×100%。
1.8 血清D-乳酸含量测定
取出血清室温避光解冻,按照D-乳酸比色法测试盒说明书操作,即在标准孔中各加入5 μL不同浓度的标准品,测定孔中各加入5 μL待测样本,标准品和待测样本加完后各孔中加入100 μL酶工作液,随即加入显色剂20 μL并在37 ℃孵育10 min,孵育结束后各孔中加入终止液终止反应,酶标仪于530 nm波长处测吸光度值,绘制标准曲线并计算血清中D-乳酸含量。
1.9 粪便中白蛋白含量测定
将大鼠结肠粪便与PBS缓冲液以1∶9稀释后,在高速冷冻离心机中3 500 r/min,4 ℃,离心15 min,取上清液备用。采用白蛋白酶联免疫吸附测定试剂盒,按照试剂盒说明书中步骤操作,待反应结束后用酶标仪于450 nm处测OD值,绘制标准曲线并计算样品中白蛋白浓度。
1.10 HE或AB-PAS染色观察结肠组织病理学变化
将固定于多聚甲醛或卡诺氏固定液中的结肠段取出,脱水包埋后切制3~5 μm石蜡切片,切片依次放入脱蜡液Ⅱ、无水乙醇Ⅱ、75%酒精中脱蜡,随后分别用HE或AB-PAS染液进行染色,水洗,中性树胶封片,置于光学显微镜下采集图像,观察大鼠结肠组织病变及黏膜屏障损伤情况。
1.11 统计学分析
采用SPSS 24.0进行数据分析。实验数据以均数±标准差(X±S)表示。多组间数据采用单因素方差分析,方差齐性的数据采用LSD法进行多重比较,方差不齐的数据进行Kruskal-Wallis检验。所有检验均采用双侧检验,P<0.05被认为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 不同剂量TNBS对大鼠体质量下降率及生存率的影响
正常组大鼠毛发光亮,反应灵敏,精神活跃,进食无异常。造模后第1~2天,TNBS-50 mg/kg组和TNBS-100 mg/kg组大鼠均出现倦怠懒动、拖尾、拱背,体质量呈现降低趋势,第2天时体质量下降率分别为7.2%和11%。造模第4天后TNBS-50 mg/kg组大鼠体质量有轻微回升,TNBS-100 mg/kg组在造模第2天后持续降低,第14天时TNBS-50 mg/kg组和TNBS-100 mg/kg组体质量下降率分别为15.5%和23.6%(
P<0.01,见
图1)。造模期间,TNBS-50 mg/kg组大鼠仅于造模第2天死亡1只,死亡率为5.6%,而TNBS-100 mg/kg组大鼠分别于造模第2,9,13天死亡2只、1只和2只,死亡率为27.8%(见
图1)。
2.2 不同剂量TNBS对大鼠DAI评分的影响
正常组大鼠粪便有形,无腹泻,无便血。造模第1~4天,TNBS-50 mg/kg组和TNBS-100 mg/kg组大鼠均出现腹泻和黏液脓血便,隐血测试强阳性,DAI评分较正常组显著升高(
P<0.01);造模第4天后TNBS-50 mg/kg组和TNBS-100 mg/kg组大鼠黏液脓血便逐渐减轻,造模第7天大鼠粪便隐血阳性明显减弱,其中TNBS-100 mg/kg组减弱更为显著,造模第14天大鼠仍表现为腹泻,但无肉眼可见血便,且粪便隐血测试呈弱阳性(见
图2)。造模第4~14天,TNBS-50 mg/kg组和TNBS-100 mg/kg组大鼠DAI评分逐渐降低,但第14天仍高于正常组,差异具有统计学意义(
P<0.01,见
图2)。
2.3 不同剂量TNBS对大鼠脏器的影响
造模第1天,TNBS-50 mg/kg和TNBS-100 mg/kg组大鼠均出现结肠萎缩,结肠长度较正常组缩短,且TNBS-100 mg/kg组结肠萎缩更显著;第7天造模大鼠结肠长度与正常组比较仍显著缩短(
P<0.05);第14天TNBS-50 mg/kg组和TNBS-100 mg/kg组大鼠结肠长度逐渐恢复,TNBS-50 mg/kg组与正常组比较差异有统计学意义(
P<0.05),而TNBS-100 mg/kg组与正常组比较差异无统计学意义(见
图3)。
脾脏和胸腺作为重要免疫器官,TNBS诱导UC可触发机体的免疫反应。检测大鼠脾脏系数和胸腺系数发现,造模第1天,TNBS-50 mg/kg和TNBS-100 mg/kg组大鼠脾脏系数较正常组降低(
P<0.01),而胸腺系数与正常组比较差异无统计学意义(见
图3);造模第7天,TNBS-50 mg/kg和TNBS-100 mg/kg组大鼠与正常组比较脾脏系数差异无统计学意义,而胸腺系数显著降低(
P<0.05,
图3);造模第14天,TNBS-50 mg/kg组大鼠与正常组比较脾脏系数升高且胸腺系数降低(
P<0.01),而TNBS-100 mg/kg组与正常组比较脾脏系数和胸腺系数差异无统计学意义(见
图3)。
2.4 不同剂量TNBS对大鼠肠道通透性的影响
造模第1天,TNBS-50 mg/kg组和TNBS-100 mg/kg组血清D-乳酸和粪便白蛋白均较正常组明显升高(
P<0.05)。第7天和第14天,TNBS-50 mg/kg组血清D-乳酸和粪便白蛋白均显著高于正常组(
P<0.01);TNBS-100 mg/kg组仅血清D-乳酸维持显著升高(
P<0.01),粪便白蛋白自第7天起与正常组无统计学差异(见
图4)。
2.5 不同剂量TNBS对大鼠结肠组织病理学影响
HE染色结果显示,正常组大鼠结肠上皮结构完整,隐窝大小形态规则,黏膜层表面平整,黏膜及黏膜下层无水肿和充血现象,未见炎性浸润。造模第1天,TNBS-50 mg/kg组和TNBS-100 mg/kg组大鼠结肠黏膜层充血,出现较多炎性细胞浸润区域,结肠黏膜层结构破坏,多个炎症细胞聚集在隐窝腔内形成隐窝脓肿,黏膜下层严重水肿;造模第7天,TNBS-50 mg/kg组和TNBS-100 mg/kg组大鼠结肠黏膜层炎症反应加重,黏膜层基本结构完全破坏被炎性细胞取代,且炎性细胞浸润至肌层,黏膜下层水肿仍然存在;造模第14天,TNBS-50 mg/kg组和TNBS-100 mg/kg组大鼠结肠黏膜层损伤有恢复趋势,部分区域出现黏膜层组织结构,而炎性细胞仍较多浸润至肌层,且TNBS-100 mg/kg组较TNBS-50 mg/kg组恢复显著(见
图5)。
2.6 不同剂量TNBS对大鼠结肠黏液屏障的影响
结肠杯状细胞分泌黏蛋白形成酸性黏液层,可保护肠道免受病原微生物侵袭。AB-PAS染色检测结肠杯状细胞及酸性黏液层发现,正常组大鼠结肠大量蓝染杯状细胞排列整齐,均匀分布于结肠黏膜层,肠腔内有酸性黏液层分布。造模第1天,TNBS-50 mg/kg组和TNBS-100 mg/kg组大鼠结肠杯状细胞显著减少,炎症反应区域杯状细胞消失,肠腔中酸性黏液层破坏;造模第7天,TNBS-50 mg/kg组和TNBS-100 mg/kg组大鼠结肠黏膜层变薄,杯状细胞基本消失,无蓝染的酸性黏液;造模第14天,随着结肠黏膜层的恢复,TNBS-50 mg/kg组和TNBS-100 mg/kg组大鼠结肠黏膜层出现蓝染杯状细胞,且TNBS-100 mg/kg组大鼠结肠杯状细胞恢复显著(见
图6)。
3 讨论
UC是由多因素引发的异常免疫介导的一类肠道疾病,建立与临床病症相似的动物模型有助于其机制研究及新药开发
[14]。TNBS是诱导UC模型的一种经典化学诱导剂,作为半抗原致敏剂,机体的蛋白质可与TNBS的三硝基苯基团结合,形成半抗原化合物
[15,16]。经过灌肠给予乙醇-TNBS溶液,乙醇帮助破坏肠黏膜后,TNBS渗入肠道组织中与蛋白质等高分子物质形成完全抗原被免疫细胞识别,诱导T细胞介导的结肠黏膜免疫反应,从而导致大量炎细胞浸润至黏膜层
[17]。胸腺和脾脏作为人体主要免疫器官,在调节免疫细胞分化、迁移和炎症因子分泌方面发挥关键作用。大量研究表明,脾脏是Th1/Th17细胞分化的主要场所,TNBS的诱导可使脾脏来源的CD4
+ T细胞向Th1和Th17分化,同时TNBS又能通过破坏胸腺基质细胞引起胸腺功能紊乱导致自身反应性T细胞逃逸
[18-20]。本研究发现,50 mg/kg和100 mg/kg TNBS单次灌肠后UC大鼠出现黏液脓血便、体质量降低及结肠短缩等病理症状,而且UC大鼠于造模后14 d内均表现出典型的免疫反应包括脾脏系数升高和胸腺系数降低,且50 mg/kg TNBS单次诱导较100 mg/kg更能引起大鼠出现更持久的免疫反应,提示该剂量在诱发持续性免疫紊乱方面具有更显著的效应。
肠道屏障是肠道维持内环境稳态、选择吸收营养物质并有效阻止病原微生物及毒素进入机体的天然屏障,由化学屏障、机械屏障、免疫屏障和微生物屏障组成,其中机械屏障由上皮细胞及细胞间连接等形成,选择性透过小分子及小分子水溶性物质,抑制细菌移位
[21]。肠道通透性增加是UC的重要病理特征,通过检测血清中D-乳酸和粪便中白蛋白浓度评价大鼠肠道通透性,通透性升高导致细菌移位加重UC的病理进程。肠道细菌发酵产生的代谢产物D-乳酸在肠道通透性增加时可进入血液循环,当外周血中检测到D-乳酸时标志着肠道通透性的增加,血浆中白蛋白在肠道泄露时也可从血液进入肠腔,因此通过检测粪便白蛋白也可评估肠道通透性
[22-24]。本研究发现,50 mg/kg TNBS单次灌肠后第1~14天内大鼠血清D-乳酸和粪便白蛋白含量均高于正常组,说明50 mg/kg TNBS灌肠可造成持续性的肠道通透性升高,100 mg/kg TNBS单次灌肠后第1~14天内大鼠血清D-乳酸高于正常组,而粪便白蛋白仅在灌肠第1天与正常组有显著差异,100 mg/kg TNBS-乙醇溶液所引发的严重肠道屏障破坏虽起病急骤,但其后续的自我修复能力也更强,50 mg/kg TNBS-乙醇溶液则诱导了一种相对更持续的病理状态。这一结果说明100 mg/kg TNBS引起的肠道通透性增加较50 mg/kg持续时间短,同时需注意血清D-乳酸和粪便白蛋白对肠道通透性的评估有差异,应两者结合用于肠道通透性的评估。
黏液屏障作为组成肠道屏障的化学屏障,其主要由杯状细胞分泌的黏蛋白组成,肠道中的共生菌以黏液屏障中的黏液层为营养来源,从而维持肠道菌群稳态,同时黏液层又能保护肠上皮细胞免受肠道致病菌的侵害。保护性黏液层的成分变化、损伤或丧失均可导致肠上皮暴露于肠道微生物中引发肠道炎症或其他特定疾病。分布于黏膜柱状上皮细胞间的杯状细胞又称为黏液分泌细胞,主要分泌黏蛋白-2(Mucin2,MUC2),以MUC2为骨架成分在肠道内与无机盐、水和抗菌肽等其他成分协同作用致密有弹性的黏液层
[25,26]。本研究发现,50 mg/kg和100 mg/kg TNBS单次灌肠后第1天大鼠结肠随着炎症反应的出现,大量杯状细胞受损或消失,从而影响黏液生成,随着炎症程度的进展,至第7天时大鼠结肠中的杯状细胞几乎全部消失,肠道黏液层破坏;第14天时,100 mg/kg组大鼠恢复较为显著,可见较多杯状细胞生成黏液,而50 mg/kg组大鼠恢复较慢,少量杯状细胞恢复。
综上所述,5% TNBS-乙醇溶液单次灌肠给予大鼠50 mg/kg或100 mg/kg均能成功诱导UC病理症状,但二者在死亡率、病变恢复趋势及病程特征上存在显著差异。因此,推荐采用5% TNBS-乙醇溶液单次灌肠50 mg/kg建立UC大鼠模型。但本研究结果主要揭示了模型在宏观表型(如病理形态、脏器系数)和功能指标(如肠道通透性)上的差异,而对驱动这些表型的深层免疫学机制等阐释不足。未来可深入阐明不同剂量TNBS引起免疫差异的机制,通过流式细胞术、ELISA等技术分析T细胞亚群和炎症因子变化,从分子层面解释50 mg/kg剂量所致免疫紊乱的持久性,并结合16S rRNA测序与代谢组学,系统评估肠道菌群与宿主互作在模型中的作用,为治疗靶点探索提供依据。
国家自然科学基金资助项目(82304865)
秦创原中医药产业聚集区项目(L2024-QCY-ZYYJJQ-X221)
陕西省中医药科技创新提质扩能计划项目(TZKN-CXPT-03)
陕西中医药大学校级高水平中医药重点学科建设项目(2024XKZD12)