脊髓损伤(spinal cord injury, SCI)是一种高致残率与病死率的神经系统疾病
[1],其病理生理学进程分为原发性损伤与继发性损伤
[2]。继发性损伤涉及氧化应激、炎症反应及多种程序性细胞死亡,显著加重神经功能损害
[3-4]。目前SCI干预手段包括手术、药物及康复治疗
[5],但现有药物疗效有限,如甲泼尼龙治疗时间窗窄且不良反应显著
[6-7]。因此,寻找更为安全有效的治疗药物具有重要意义。
铁死亡是一种铁依赖性的程序性细胞死亡形式,其核心特征为铁过载与脂质过氧化
[8]。SCI后铁代谢紊乱,蓄积的铁离子通过芬顿反应产生大量活性氧,引发脂质过氧化链式反应导致细胞铁死亡
[9-10],并与炎症相互促进
[11]。因此,开发靶向铁死亡与炎症的多靶点药物,可能为SCI治疗提供更有效的策略。
α-硫辛酸是临床应用的天然抗氧化剂,具有清除自由基、螯合金属离子及抗炎等作用
[12-13],可抑制铁死亡但效果有限
[14]。因此,保留其抗炎活性的同时增强抗铁死亡效能是研究的关键。
本课题组前期发现吩噻嗪衍生物具有较强的抗铁死亡活性
[15]。基于此,本研究采用多靶点策略,将α-硫辛酸与吩噻嗪片段杂合,构建新型衍生物N-(10H-吩噻嗪-2-基甲基)-5-((R)-1,2-二硫戊环-3-基)戊酰胺(
A2),通过体外模型评估其对铁死亡和炎症的抑制作用,并在大鼠SCI模型中验证其神经保护效果,以期为SCI的治疗开发新的候选药物。
1 材料与方法
1.1 材料与设备
2-氰基吩噻嗪(C184209)、氢化铝锂(L112997)、四氢呋喃(THF,T120775)、α-硫辛酸(T106640)、N,N'-二环己基碳酰亚胺(DCC,D432856)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS,H109330)、1,1-二苯基-2-苦基肼(DPPH,D1501121)、二甲亚砜(DMSO,D103271)、氯化亚铁(FeCl2,I433954)及甲泼尼龙(M420133)均购自上海阿拉丁公司;薄层色谱板及柱色谱硅胶购自青岛邦凯公司;二氯甲烷、石油醚、乙酸乙酯购自成都科隆公司。Erastin(HY-15763)、Ferrostatin-1(Fer-1,HY-100579)、菲洛嗪(HY-137805)、去铁胺(DFO,HY-B1625)、乙二胺四乙酸(EDTA,HY-Y0682)购自MedChemExpress;脂多糖(LPS,L6529)购自Sigma-Aldrich;过氧化氢(H2O2,10011218)购自国药集团。大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤PC12(SNL-124)、小鼠胶质细胞BV2(SNL-155)、人肝癌细胞HepG2(SNL-083)及人肾近曲小管上皮细胞HK2细胞(SNL-165)购自武汉尚恩生物公司;DMEM高糖培养基、胎牛血清、青霉素-链霉素双抗溶液购自上海逍鹏生物公司(C3113,C04001,C3421)。一氧化氮(NO,S0021)、丙二醛(malondialdehyde, MDA,S0131)、亚铁离子(Fe2+,S1068)检测试剂盒,白细胞介素-6(interleukin-6, IL-6,PI328,PI326)与肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α,PT516,PT513)的酶联免疫吸附试验(ELISA)试剂盒、苏木精-伊红染色试剂盒(hematoxylin-eosinstaing, HE,C0105)、尿素氮(BUN,S0574)、肌酐(SCR,S0291)、丙氨酸氨基转移酶(ALT,P2715)、天冬氨酸氨基转移酶(AST,P2711)活性检测试剂盒及吐温-80(ST2789)均购自上海碧云天生物公司。紫外分析仪(齐威ZF-1)、旋转蒸发仪(DLAB RE100)、核磁共振波谱仪(Bruker AV-400,400/101 MHz)、高分辨质谱仪(Bruker TOF-Q)、显微熔点测定仪(浙江捷宸)及多功能酶标仪(MD SpectraMax 190)。
1.2 化合物A2的合成
将2-氰基吩噻嗪(224.28 mg,1 mmol,1 eq)溶于THF,缓慢滴加至含氢化铝锂(265.65 mg,7 mmol,7 eq)的THF溶液中,室温搅拌反应4 h。通过薄层色谱(TLC)监测确认反应完全后,缓慢滴加蒸馏水淬灭反应;反应液用二氯甲烷与饱和食盐水萃取,过滤,40℃水浴减压浓缩,得粗产物。粗产物经硅胶柱色谱(干法上样,石油醚-乙酸乙酯梯度洗脱)纯化,制得中间体A1。
另取α-硫辛酸(220.35 mg,1 mmol,1 eq)、DCC(206.33 mg,1 mmol,1 eq)与NHS(115.09 mg,1 mmol,1 eq)溶于适量THF中,室温反应24 h后,滴加含A1(182.65 mg,0.8 mmol,0.8 eq)的THF溶液,继续反应12 h。反应液经萃取、浓缩及硅胶柱色谱分离纯化后,得终产物A2。
1.3 DPPH自由基清除能力测定
将Fer-1(经典铁死亡抑制剂)、α-硫辛酸及A2分别溶于DMSO配成0.05 mmol/L溶液。取上述样品50 μL加入96孔板后,再加入等量DPPH溶液(甲醇配制,0.05 mmol/L),混匀后于室温避光孵育10 min后,使用酶标仪在517 nm波长处测定吸光度。
1.4 铁螯合能力检测
将H2O2(氧化剂)、EDTA(金属离子螯合剂)、DFO(铁螯合剂)、Fer-1(铁死亡抑制剂)、α-硫辛酸及A2分别以DMSO配成10 mmol/L母液。菲洛嗪(铁离子螯合剂)及FeCl2用纯水配制。取1 μL待测物、5 μL FeCl2溶液(1 mmol/L)、20 μL菲洛嗪溶液(5 mmol/L),加纯水至总体积100 μL,混匀后转移至96孔板,室温反应后于562 nm处测定吸光度。
1.5 细胞实验
1.5.1 Erastin诱导PC12铁死亡模型制备
PC12细胞培养于含10%胎牛血清、100 U/mL青链双抗的DMEM中,37℃、5% CO2条件下传代。
取对数生长期细胞以5×103/孔接种96孔板,培养12 h后加入不同浓度的Erastin(0、2、4、6、8、10 μmol/L)处理24 h,CCK-8法检测细胞活力。后续实验分组:正常组、Erastin(5 μmol/L)组、Erastin+溶剂对照(DMSO)组、Erastin+α-硫辛酸(1 μmol/L)、Erastin+A2(1 μmol/L)组及Erastin+Fer-1(1 μmol/L)组。
1.5.2 LPS诱导PC12炎症模型建立
同上方法接种PC12细胞,培养12 h后加入不同浓度的LPS(0、25、50、100、200、300、400、500、1 000、2 000、4 000 ng/mL)处理24 h,取培养上清按NO试剂盒说明书操作,于540 nm测定吸光度。实验分组:正常组、LPS(1000 ng/mL)组、LPS+溶剂对照(DMSO)组、LPS+α-硫辛酸(10 μmol/L)组、LPS+A2(10 μmol/L)及LPS+甲泼尼龙组。
1.5.3 细胞MDA与Fe2+含量测定
收集各组细胞(约5×106个),按相应试剂盒说明书操作,分别测定532/600 nm(MDA)和562 nm(Fe2+)处吸光度。
1.5.4 细胞IL-6与TNF-α含量检测
收集LPS炎症模型各组细胞的培养上清,按相应ELISA试剂盒说明书操作,于450 nm处测定吸光度。
1.6 动物实验
1.6.1 大鼠SCI模型构建
SPF级雌性SD大鼠(200~230 g)及雄性BALB/c小鼠(18~22 g)购自西安交通大学[许可证号:SA2XK(陕)2018-001、SA2XK(陕)2021-004]。实验经延安大学附属医院伦理委员会批准。
适应饲养1周后,将大鼠随机分为5组:假手术组(仅椎板切除)、模型组(SCI)、SCI+溶剂对照组、SCI+α-硫辛酸组及SCI+A2组。除假手术组外,其余均采用HI-0400打击器建立脊髓损伤模型。给药组于术后每24 h尾静脉注射相应药物(5 mg/kg),溶剂对照组注射等体积溶剂(2.5%吐温-80、2.5%无水乙醇及95%生理盐水),模型组不作处理。
1.6.2 运动功能评价
连续给药28 d,于术后1、3、7、14、21、28 d采用双盲法进行Basso-Beattie-Bresnahan(BBB)评分
[17](0分=无运动,21分=正常)。
1.6.3 HE染色
给药28 d后取脊髓组织,4%多聚甲醛固定24~48 h,梯度脱水、石蜡包埋、切片(纵切)。切片脱蜡、水化后,按照HE试剂盒说明书染色,经梯度乙醇脱水、二甲苯透明、中性树胶封片后,于显微镜下观察。
1.6.4 组织MDA与Fe2+含量测定
连续给药3 d后收集血液及脊髓组织。血清按照MDA试剂盒操作说明测定532 nm/600 nm处吸光度;取0.1 g脊髓组织加入1 mL Fe2+提取液,冰浴匀浆,离心后取上清液,按照Fe2+试剂盒说明书进行操作,于562 nm处测定吸光度。
1.6.5 组织IL-6与TNF-α含量检测
连续给药3 d后,提取脊髓组织蛋白,按照IL-6和TNF-α ELISA试剂盒说明书操作,于450 nm处测定吸光度。
1.7 毒性评价
1.7.1 细胞毒性检测
取对数期PC12、BV2、HepG2及HK2细胞,以5×103/孔接种96孔板,培养12 h后加入不同浓度的A2(0、5、10、20、40、80 μmol/L,DMSO终浓度<0.5%),继续培养24 h,CCK-8法测定细胞活力。
1.7.2 体内毒性评价
BALB/c小鼠随机分为对照组(生理盐水)、100 mg/kg A2组及250 mg/kg A2组,尾静脉注射给药(每12 h 1次,连续16 d),每2 d记录1次体重。末次给药后取心、肝、脾、肺、肾组织,4%多聚甲醛固定,蔗糖梯度脱水、OCT包埋、冰冻切片,HE染色后镜检。同时采集眼球血,离心分离血清,按相应试剂盒检测BUN、SCR、ALT及AST水平。
1.8 统计学方法
采用GraphPad Prism软件进行统计分析,所有数据均以(±s)表示。两组间比较采用t检验,多组间比较采用单因素方差分析(ANOVA)。与对照组比较,###表示P<0.001;与模型组比较,*表示P<0.05,**表示P<0.01,***表示P<0.001,****表示P<0.000 1,ns表示无显著性差异。
2 结果
2.1 化合物A2的合成与结构表征
2-氰基吩噻嗪与氢化铝锂反应生成中间体A1,A1进一步与α-硫辛酸缩合得目标化合物A2(路线1)。A2为棕黄色固体,产率为52%。其核磁共振氢谱(1H NMR) (400 MHz, DMSO) δ 8.60 (s, 1H), 8.27 (s, 1H), 7.06~6.61 (m, 6H), 4.10 (d, J=4.4 Hz, 2H), 3.59 (s, 1H), 3.13 (d, J=18.6 Hz, 2H), 2.37 (s, 1H), 2.13 (s, 2H), 1.91~1.20 (m, 8H);碳谱(13C NMR) (101 MHz, DMSO-d6 ) δ 172.38, 142.54, 142.52, 139.87, 127.93, 126.65, 126.46, 122.17, 121.25, 116.92, 115.06, 114.90, 113.91, 56.60, 42.13, 40.36, 38.59, 35.69, 34.61, 28.82, 25.55;高分辨质谱(HRMS) m/z (ESI) calcd for C21H24N2OS3 [M+H]+ 417.1124, found: 417.1116;熔点(m.p.) 210.4~210.6 ℃。
a:氢化铝锂,THF,4 h,室温;b:DCC,NHS,THF,36 h,室温。
路线1 化合物A2的合成路线
2.2 A2的体外自由基清除能力与Fe2+螯合活性评价
采用DPPH自由基清除实验评估各化合物的抗氧化活性,结果显示,Fer-1、α-硫辛酸及
A2均能显著降低DPPH水平(
图1A),表明
A2具备良好的自由基清除能力。铁螯合实验结果显示,仅EDTA与DFO可有效地螯合Fe
2+,H
2O
2、Fer-1、α-硫辛酸及
A2均未表现出Fe
2+螯合作用(
图1B)。因此,
A2与Fer-1类似,同属于自由基捕获类铁死亡抑制剂
[20],而非铁螯合类抑制剂。
2.3 A2的抗铁死亡活性评价
采用Erastin(5 μmol/L)诱导PC12细胞构建铁死亡模型(半数抑制浓度IC
50=5 μmol/L,
图2A),以评价
A2的抗铁死亡作用。如
图2B所示,1 μmol/L α-硫辛酸、
A2及Fer-1处理组均能挽救Erastin所致的铁死亡,且
A2的挽救作用强于Fer-1及α-硫辛酸,其半数有效浓度EC
50=94.3 nmol/L(
表1)。由于铁死亡的核心特征为铁过载与脂质过氧化,本实验进一步检测了细胞内Fe
2+含量(反映铁过载程度)和MDA水平(反映脂质过氧化程度)。结果显示
A2组可显著降低Fe
2+与MDA水平,效果同样优于α-硫辛酸与Fer-1组(
图2C)。上述结果表明,
A2对Erastin诱导的PC12细胞铁死亡具有显著的保护作用。
2.4 A2的抗炎活性评价
为评价
A2的抗炎作用,本研究采用LPS(1 000 ng/mL)构建PC12细胞炎症模型(
图3A)。如
图3B所示,10 μmol/L
A2对LPS诱导的NO释放的抑制效果优于α-硫辛酸及甲泼尼龙。同时,IL-6和TNF-α的ELISA检测结果显示,与LPS组相比,
A2组的IL-6和TNF-α水平均显著降低,其效果同样优于α-硫辛酸组及甲泼尼龙组(
图3C)。上述结果共同表明,
A2能有效抑制LPS诱发的PC12细胞炎症反应。
2.5 A2在SD大鼠SCI模型中的治疗效果
采用SD大鼠SCI模型评价
A2的体内疗效。术后连续给药28 d,BBB评分结果显示,自第7 d起,α-硫辛酸组与
A2组的评分均显著高于SCI组,至第28 d时
A2组评分优于α-硫辛酸组(
图4A)。HE染色显示,假手术组脊髓结构完整,SCI组可见大量空洞及组织破坏,溶剂对照组表现与其一致;α-硫辛酸组与
A2组空洞减少、结构相对完整,其中
A2组恢复效果更佳(
图4B)。
术后3 d检测脊髓组织中MDA及Fe
2+含量,结果显示SCI组两者均显著升高,α-硫辛酸或
A2处理后可显著降低其水平,且
A2组效果优于α-硫辛酸组(
图4C)。IL-6与TNF-α水平呈类似趋势:SCI组显著升高,给药组均有所降低,其中
A2组效果最优(
图4C)。综上表明,
A2可能通过抑制铁死亡与炎症反应促进SCI后的神经功能恢复。
2.6 A2的体内外毒性评价
细胞毒性结果显示,当
A2浓度≤40 μmol/L时对PC12、BV2、HepG2及HK2细胞无明显毒性(
图5A)。体内毒性实验表明,
A2(100、250 mg/kg)给药后各组小鼠体重变化无显著差异(
图5B);心、肝、脾、肺、肾组织HE染色未见明显病理学改变(
图5C);血清肝肾功能指标(BUN、SCR、ALT、AST)的组间差异亦无统计学意义(
图5D),提示
A2在250 mg/kg的剂量下仍具有良好的体内耐受性。综上,
A2在体内外均呈现低毒特性。
3 讨论
SCI的治疗始终面临挑战,甲泼尼龙、手术减压等现有手段因其继发性损伤机制复杂而疗效有限
[5-6]。铁死亡作为近年来被证实与SCI相关的细胞死亡方式,其特征为铁离子蓄积和脂质过氧化
[10];而炎症反应贯穿SCI全程,与铁死亡相互促进,形成恶性循环
[11]。因此,同时干预这两个病理学过程,有望打破该循环。
α-硫辛酸虽具备抗氧化与抗炎活性,但其铁死亡抑制能力较弱,限制了其在SCI中的应用
[14]。本课题组前期发现吩噻嗪核心片段具有良好的铁死亡抑制效果,但抗炎作用不足
[15-16]。基于此,本研究将二者结合得到了新型α-硫辛酸衍生物
A2。体外结果显示,
A2的抗铁死亡活性较α-硫辛酸提升约300倍(EC
50=0.094 μmol/L),抑制LPS诱导的IL-6与TNF-α释放能力亦强于α-硫辛酸,体内实验进一步验证了这一双重优势,提示吩噻嗪片段的引入可能通过电子供体效应的累加,增强了其自由基捕获能力,进而协同抑制脂质过氧化
[18]。
与文献
[14]报道的α-硫辛酸相比,
A2活性的提升印证了结构修饰的有效性;而与经典铁死亡抑制剂Fer-1
[19]相比,
A2的优势在于其兼具抗炎活性,更契合SCI复杂的病理学微环境。值得注意的是,与部分吩噻嗪衍生物毒性较高的报道
[18]不同,本研究中
A2在有效浓度范围内未见明显毒性,推测可能与吩噻嗪片段的引入改善了其药代动力学特性有关。
本研究尚存不足:A2的具体分子靶点有待明确,后续需通过表面等离子体共振等技术验证;抗炎活性评价中仅检测了TNF-α和IL-6这两种代表性促炎因子,未能全面涵盖IL-1β等其他关键炎症介质,且抗炎机制目前仅停留于表型检测,通路层面的深入探究尚未开展。上述问题将在后续研究中完善。
国家自然科学基金(82560280)
陕西省科学技术厅一般项目(2024SF-YBXM-037)