肝豆状核变性(WD)是常染色体隐性遗传病,由ATPase copper-transporting β (
ATP7B)基因突变所致的铜代谢障碍性疾病
[1]。
ATP7B主要在肝脏中表达,负责肝细胞内的铜转运,因此肝脏是最先损伤的脏器
[2]。对于WD患者,肝硬化晚期合并各种并发症是死亡的主要原因。WD患者肝脏异常最早期的表现为肝脏的脂肪变性,脂肪变性发生的同时促进肝纤维化的形成,逐步发展形成肝硬化
[3]。因此早期干预,可以延缓肝损伤的进程。在临床治疗WD中,重金属螯合剂,例如青霉胺,占据了重要地位。然而,由于这类药物存在较多的副作用,其临床应用受到了限制。
铁死亡是一种新型的,依赖于铁沉积和脂质过氧化调节的细胞死亡形式,主要是由于细胞内铁离子水平异常升高及脂质过氧化产生过量活性氧,致使氧化应激反应,最终细胞膜破裂导致细胞死亡
[3]。过量的铁的累积,可能引发细胞的铁死亡
[4],从而引起肝脏损伤。有研究表明,抑制铁死亡可以改善肝脏的脂肪变性
[5]。肝豆扶木汤(GDFMD)是根据新安医学“固本培元”理论,针对WD创制的专方,全方由白芍 、枸杞 、土 茯苓 、三七 、柴胡、郁金 组成,行滋补肝肾、豁痰化瘀之功
[6, 7]。课题组前期研究发现,抑制WD铁死亡可以降低其肝脏组织的脂质过氧化水平,从而改善WD肝损伤
[8]。研究表明GDFMD能通过抑制铁死亡改善WD肝脏损伤
[9,10],GPX4/ACSL4/ALOX15信号通路是调控铁死亡的有效途径
[11],但是对于其在WD的脂肪变性中的作用尚未明确。因此,本实验基于GPX4/ACSL4/ALOX15信号通路,探讨GDFMD抑制铁死亡改善WD肝脏脂质代谢的机制。
1 材料和方法
1.1 实验动物
所有小鼠饲养在安徽农业大学生命科学院SPF级动物房,选取6只4~5月龄SPF级WT雄鼠、30只4~5月龄SPF级tx-J雄鼠(0001576)。动物房通风良好,温度适宜,相对湿度为45%~55%,各小鼠自由取食饮水。本试验方案经安徽中医药大学伦理委员会审查批准(伦理批号:AZYFY-2024-1012)。
1.2 药物
GDFMD(含白芍15 g、枸杞12 g、土茯苓15 g、三七3 g、柴胡10 g、郁金10 g)购自安徽中医药大学第一附属医院,并通过水煎工艺提取制备成中药煎剂。
1.3 主要试剂与仪器
Fer-1(MCE);RNA提取试剂盒(信天翁生物科技(广州)有限公司);逆转录试剂盒(新贝(上海)生物科技有限公司);亚铁离子检测试剂盒(上海酶联生物技术有公司);兔抗ALOX15(Immunoway);兔抗FTH1(Wanleibio);鼠抗GPX4、兔抗ACSL4、兔抗FLT、兔抗TFR1(Proteintech);兔抗FAS、兔抗SCD1、兔抗ACOX1、兔抗β‑actin(Affinity);铜测定试剂盒、丙氨酸氨基转移酶(ALT)、和天冬氨酸氨基转移酶(AST)、碱性磷酸酶(AKP)、白蛋白(ALB)、丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、还原型谷胱甘肽过氧化物酶(GSH)和活性氧(ROS)(中国南京建成生物工程学院)、4-羟基壬烯醛(4-HNE)(Elabscience)。
CX53型倒置显微镜(Olympus);LightCycler480II型实时荧光定量PCR仪(Roche);5430R型高速冷冻离心机(Eppendorf);VE180型免疫蛋白印迹系统(Tanon)。
1.4 动物分组与处理
30只tx-J小鼠,随机分为模型组、GDFMD低、中、高剂量组及Fer-1组。GDFMD低、中、高剂量组分别予以3.48 g/kg、6.96 g/kg、13.92 g/kg灌胃,参考施新猷主编《现代医学实验动物学换算》计算药物浓度,Fer-1组的剂量、时间和给药途径基于先前的研究(1 mg·kg-1·d-1,腹腔注射,1次/d,持续14 d)。予以相等容量的生理盐水灌胃分别处理对照组及模型组。1次/d,持续4周。
1.5 标本的采集与处理
经过连续4周的给药处理后,各组小鼠被实施12 h的禁食禁水处理。随后,通过腹腔注射给予戊巴比妥钠(剂量为50 mg/kg)进行麻醉。在麻醉状态下,通过眼球采血法收集全血,3500 r/min离心15 min后分离出血清,于-80 ℃条件下保存。同时,剪取部分肝脏组织,并使用4%多聚甲醛进行固定处理;剩余的肝脏组织则在-80 ℃条件下保存。
1.6 肝功能及Fe2+、Cu2+氧化应激水平的测定
利用试剂盒分别测定血清ALT、AST、AKP、ALB的浓度;同时,利用试剂盒测定肝脏组织中的MDA、SOD、GSH,ROS以及Fe2+、Cu2+的含量。
1.7 肝脂肪变性组织病理学观察
取各组同叶肝脏组织,4%多聚甲醛固定后进行石蜡包埋;处理后的肝组织切片,分别进行HE、油红染色,镜下观察肝脏组织病理情况。
1.8 Western blotting检测脂质代谢及铁死亡相关基因表达水平
首先,取出各组小鼠肝脏组织样本,加入裂解液,于冰上充分裂解后,4 ℃离心15 min,于上清中加入SDA-PAGE loading buffer,水浴加热15 min,BCA试剂盒定量后,进行上样。配制SDA-PAGE电泳凝胶、快速电泳30 min、快速转膜45 min后将蛋白质转移至PVDF膜上,使用快速封闭液在室温下封闭15 min。TBST 10 min漂洗3次后,加入特异性ALOX15(1∶1000)、GPX4(1∶1000)、ACSL4(1∶1000)、FLT(1∶1000)、TFR1 (1∶5000)、FTH1(1∶1000)、FAS(1∶1000)、SCD1(1∶1000)、ACOX1(1∶1000)、β-actin(1∶5000)一抗,4 ℃摇床过夜。在室温下加入二抗(1∶10000),孵育1.5 h,TBST充分清洗后进行曝光显影,β-actin作为内参。
1.9 实时荧光定量检测脂质代谢及铁死亡相关基因表达水平
使用RNA提取试剂盒从肝组织中提取总RNA。使用逆转录试剂盒根据提供的说明合成cDNA,并将所得产物储存在-20 ℃。根据制造商的规定,使用SYBR试剂盒进行定量PCR扩增准则。使用2
-ΔΔCt方法进行基因表达分析,GAPDH用作内部对照。引物序列合成于通用生物,列于
表1中。
1.10 统计学分析
SPSS 26.0 软件,采用 GraphPad Prism 10.0 制作统计图表。多组间数据采用单因素方差分析,计量资料以均数±标准差表示,P<0.05认为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 GDFMD对tx-J小鼠肝脏脂肪变性的影响
2.1.1 GDFMD对tx-J小鼠血清ALT、AST、AKP、ALB的影响
HE染色显示,与正常组小鼠相比,模型组小鼠肝细胞排列混乱,存在不同程度的肿胀。而GDFMD高剂量组小鼠以及Fer-1组的肝细胞则细胞排列逐渐整齐,边缘较清晰,细胞核的肿胀程度也有所降低(
图1a)。血清肝功能结果显示,与正常组相比,模型组tx-J小鼠血清ALT、AST、AKP含量升高(
P<0.05),ALB含量下降(
P<0.01);与模型组相比,GDFMD低剂量组ALT、AST、AKP含量下降(
P<0.05),ALB含量升高(
P<0.05);与模型组相比GDFMD中、高剂量组和Fer-1组ALT、AST、AKP含量下降(
P<0.05),ALB含量升高(
P<0.01,
图1b-e-E)。
2.1.2 油红染色显示GDFMD对tx-J小鼠肝组织形态学的影响
油红染色技术被用于观测小鼠肝脏的脂质积累状况。在正常组小鼠中,肝组织细胞展现出正常的分布与排列,细胞形态饱满,胞质充盈,且细胞核未见显著异常。相比之下,模型组小鼠的肝组织细胞排列显得杂乱无章,细胞发生肿胀,边缘变得模糊不清,细胞核增大,肝细胞胞浆中出现空泡化现象,且胞浆内可见大量被油红染色的、大小不一的脂质小泡脂滴面积显著上升。
在GDFMD组小鼠中,低中剂量处理组的小鼠肝脏细胞排列仍稍显紊乱,细胞边缘模糊;然而,高剂量处理组及Fer-1组的小鼠则表现出肝窦的扩张,同时肝细胞排列相较于模型组更为整齐,细胞肿胀程度有所减轻,边缘较为清晰,细胞结构保持完整,肝细胞胞浆的空泡化现象得到改善,胞浆内的脂质小泡明显减少脂滴面积显著降低(
图2)。
2.1.3 GDFMD对tx-J小鼠肝组织脂代谢相关蛋白表达的影响
Western blotting结果显示,与正常组相比,模型组ACOX1蛋白降低(
P<0.05),GDFMD低剂量组效果不明显,中高剂量组及Fer-1组呈剂量依赖性升高(
P<0.05)。SCD1、FAS趋势与之相同,且结果具有统计学意义(
P<0.05,
图3)。
2.1.4 GDFMD对tx-J小鼠肝组织脂代谢相关基因mRNA表达的影响
PCR结果显示,与正常组相比模型组ACOX1 mRNA降低(
P<0.01),GDFMD中高剂量组其表达呈剂量依赖性升高,且差异具有统计学意义(
P<0.05);SCD1 mRNA表达降低(
P<0.01),GDFMD低剂量组效果不明显,中高剂量组表达升高(
P<0.05);FAS mRNA表达降低(
P<0.01),中高剂量组呈剂量依赖性升高,且差异具有统计学意义(
P<0.05,
图4)。
2.2 铁死亡在tx-J小鼠肝脏脂肪变性中的作用
2.2.1 GDFMD对tx-J小鼠肝组织Fe2+、Cu2+及氧化应激MDA、ROS、4-HNE、SOD、GSH的影响
肝脏中Fe
2+、Cu
2+含量测定表示,模型组小鼠Fe
2+、Cu
2+明显升高(
P<0.05),GDFMD中高剂量组明显下降,Fe
2+在Fer-1组下降最明显(
P<0.01)。与正常组小鼠相比,在模型组小鼠中MDA、ROS和4-HNE的含量增加(
P<0.05),SOD和GSH的含量下降(
P<0.05);与模型组相比,GDFMD低中高剂量组MDA、ROS和4-HNE含量均有不同程度抑制,同时SOD和GSH的含量增加,GDFMD的效果略差于Fer-1(
P<0.05,
图5)。
2.2.2 GDFMD对tx-J小鼠肝组织铁死亡及通路相关蛋白的影响
Western blotting结果显示,与正常组相比FTH1、FLT模型组铁死亡相关基因表达下降(
P<0.05),GDFMD剂量组及Fer-1组显著升高
P<0.05;模型组铁转运蛋白TFR1表达升高(
P<0.05),GDFMD剂量组降低。与正常组相比,模型组GPX4下降(
P<0.05),ACSL4、ALOX15升高(
P<0.05);与模型组相比GDFMD剂量组,GPX4表达升高,ACSL4、ALOX15下降(
P<0.05,
图6)。
2.2.3 GDFMD对tx-J小鼠肝组织铁死亡及通路相关基因mRNA的影响
PCR结果显示,铁死亡相关基因与正常组相比FTH1、FLT模型组下降(
P<0.05),GDFMD剂量组升高(
P<0.05);铁转运蛋白TFR1模型组升高(
P<0.01),GDFMD剂量组降低。信号通路相关基因与正常组相比,模型组GPX4下降,ACSL4、ALOX15升高,GDFMD剂量组,与模型组相比,GPX4升高,ACSL4、ALOX15下降,差异具有统计学意义(
P<0.05,
图7)。
3 讨论
中医并无“肝豆状核变性”之病名,但据其临床表现,可归于“积聚”、“痉证”等病证。WD患者肝脏的脂肪变性是肝损伤的早期症状,如不及早干预治疗易引发肝纤维化,进一步发展为肝衰竭,最终导致死亡
[12]。临床中常使用铜螯合剂治疗,但其不良反应限制了应用。近年来中药复方因其多靶点、多途径以及毒副作用小等优点逐渐成为临床上WD的常用药物
[13]。前期研究显示,GDFMD中的多种成分例如槲皮素能调节肝组织MDA、GSH减少肝细胞的氧化损伤
[14]。
血清肝功能显示,在tx-J小鼠中ALT、AST、AKP含量显著升高,ALB含量下降,GDFMD不同剂量组及Fer-1组显示出不同程度的改善。通过油红及HE染色的结果显示,GDFMD组在不同程度上减轻了脂滴的形成,改善了肝脏中细胞肿胀坏死的程度。类固醇调节元件结合蛋白1C(SREBP-1C),对脂肪酸合成酶(FAS)及硬脂酰辅酶A去饱和酶1(SCD1)的基因表达起着重要调节作用的关键转录因子,此点已在相关研究中得到证实
[15]。细胞内部,丙二酰辅酶A与NADPH作为关键前体物质,在FAS酶的催化作用下,进一步转化为棕榈酸
[16]。随后,棕榈酸经由SCD1酶的催化,最终转化为甘油三酯
[17]。当SREBP-1C信号通路被激活或发生过度表达时,会导致肝细胞内脂肪生成与积累显著增加
[18]。过氧化物酶体中的脂肪酸β-氧化途径是脂质降解的重要机制之一,其中,酰基辅酶A氧化酶1(ACOX1)作为过程中的核心限速酶,能够催化脂肪酸的初步氧化分解
[19]。本实验结果显示,与正常组相比,模型组tx-J小鼠中,FAS、SCD、ACOX1处于低表达状态,表示在tx-J小鼠中存在脂质代谢紊乱,提示GDFMD组改善tx-J小鼠肝脏脂肪变性可能与铁死亡有关。
铁死亡是一种新的程序性细胞死亡方式,主要与铁积累、过量活性氧产生和过度脂质过氧化有关
[20]。多不饱和脂肪酸(PUFAS)脂化过程中发生脂质过氧化连锁反应,产生大量活性氧(ROS)及其次级产物MDA、4-HNE,致使铁死亡
[21]。GSH和SOD是消除过量MDA和ROS的关键抗氧化酶
[22]。tx-J小鼠的肝脏内的肝细胞发生脂质过氧化反应,导致MDA、ROS及4-HNE的积累的同时引起GSH和SOD抗氧化能力的减弱,引起铁死亡。本研究显示GDFMD及Fer-1不同剂量灌胃4周后小鼠肝脏脂质沉积及病理表现得到不同程度的改善,MDA、ROS及4-HNE的含量下降,GSH和SOD的含量上升,肝细胞损伤程度减轻。铁蛋白由铁蛋白轻链(FLT)和铁蛋白重链1(FTH1)组成,它可通过发挥储存铁功能而减少细胞内游离铁
[23]。TFR1是细胞表面的主要铁摄取蛋白,以高亲和力结合血液中的铁载转铁蛋白,以促进铁进入细胞内,维持细胞内铁稳态
[24]。WB及PCR的结果显示铁死亡相关蛋白FTH1、FLT在tx-J小鼠的肝脏中低表达,TFR1高表达,Fer-1组升高了FTH1、FLT,降低了TFR1的表达量,用GDFMD后表现出与Fer-1相同的趋势,提示GDFMD可能通过抑制细胞的铁死亡改善tx-J小鼠的肝脏脂肪变性。
ATP7B是一种多功能的细胞内P1型转运酶,将铜转运到高尔基体网络中,用以掺入铜蓝蛋白(具有亚铁氧化酶的活性);同时,也是是负责铜从肝脏流出到胆汁中的转运蛋白
[25]。在WD中,ATP7B基因发生突变,导致CP合成障碍,从而导致不稳定的Fe
2+在体内蓄积,引发芬顿反应导致铁死亡
[26]。同时,ATP7B的突变导致铜在胞质内蓄积
[27]。过量的铜导致GPX4的自噬降解
[28],引起将过氧化物还原为无毒的醇的能力减弱从而导致铁死亡。在本实验中,tx-J小鼠中肝铜含量升高,而GDFMD组及Fer-1组肝铜含量出现不同程度的减低,表明GDFMD能够通过促进铜的排除,进而改善铁死亡。ACSL4将PUFAs与辅酶A结合,形成PUFA-COA,溶血磷脂胆碱酰基转移酶3(LPCAT3)将PUFA-COA插入溶血磷脂中形成PUFA-P
L[29]。脂氧合酶家族(ALOXs)是一组非血红素含铁双加氧酶,脂质过氧化过程受到脂氧合酶(LOX)的精密调控
[30]。LOX作为一种关键的酶类,能够催化多不饱和脂肪酸(PUFA)发生氧化反应,进而生成一系列脂质过氧化物,其中包括丙二醛(MDA)及4-羟基壬醛(4-HNE)等标志性产物促进铁死亡的发生,ALOX15是其家族成员之一,可以将PUFA-PL氧化成相应的磷脂氢过氧化
[31]。WB及PCR的结果显示在tx-J小鼠的肝脏中,GPX4处于低表达状态,ACSL4、ALOX15处于高表达,Fer-1组表现出与模型组相反的趋势,而肝豆扶木汤的趋势与Fer-1组一致,提示肝豆扶木汤抑制铁死亡可能与GPX4/ACSL4/ALOX15信号通路有关。
综上所述,本研究证实了GDFMD能够抑制铁死亡减轻tx-J小鼠肝脏的脂肪变性,且其机制可能与GPX4/ACSL4/ALOX15信号通路有关。本研究所得结论为GDFMD的深入应用奠定了坚实的科学理论基础,然而,本研究也存在一些局限性,如未进行临床样本检验,以及未明确GDFMD中何种成分调控GPX4/ACSL4/ALOX15信号通路,在今后的研究中会进一步分离GDFMD中的活性成分,明确单体作用机制。