类风湿关节炎(RA)是一种以滑膜炎症、软骨破坏和关节畸形为特征的慢性进行性、炎症性、对称性自身免疫性疾病,其发病机制尚不完全清楚
[1],可导致不可逆残疾,致残率高达61.3%
[2]。RA全球患病率达0.4%~1.3%,女性发病率约为男性3倍,绝经后女性发病率达到高峰,提示雌激素水平波动与疾病进程存在密切关联
[3-5]。新近流行病学研究进一步揭示,月经初潮年龄延迟(>14岁)、多产(子女≥4)、卵巢切除史及激素替代治疗等雌激素相关因素均可增加RA风险
[6],这为深入探究雌激素信号调控机制提供了重要线索。
在RA病理进程中,转化生长因子β激活激酶1(TAK1)作为促分裂原活化蛋白激酶激酶激酶(MAPKKK)家族核心成员,通过调控核因子κB抑制蛋白激酶/蛋白激酶B/丝裂原活化蛋白激酶(IKK/Akt/MAPK)信号网络驱动炎症反应
[7, 8]。值得注意的是,李锡团队
[9]首次发现雌激素可通过下调滑膜细胞TAK1表达抑制CIA进展,这一发现将雌激素保护效应与TAK1调控机制直接关联。而TAK1的功能实现依赖于与TGF-β激活激酶1结合蛋白(TAB)蛋白复合物组装,其可被肿瘤坏死因子-α(TNFα)、白细胞介素-1β(IL-1β)等炎性介质激活,进而调控下游核因子κB(NF-κB)和MAPK通路
[10]。这提示TAK1可能构成雌激素调控RA的关键分子节点。进一步研究发现,Toll样受体4(TLR4)/NF-κB信号轴在RA发病机制中发挥重要作用,TLR4在RA患者滑膜组织中的表达显著升高,通过识别损伤相关分子模式,经TAK1介导激活IKK复合物,促使核因子κB抑制蛋白(IκB)降解并释放NF-κB入核,启动IL-1β、白细胞介素-6(IL-6)、TNF-α等炎性因子转录,不仅加剧滑膜炎症,更通过促进破骨分化导致骨侵蚀
[11-13]。鉴于TAK1处于TLR4/NF-κB通路的上游枢纽位置,靶向TAK1可能成为调控该信号轴的关键策略
[14]。
目前针对RA的临床治疗主要为非甾体抗炎药、糖皮质激素和改善疾病的抗风湿药物等,但现有治疗策略只能缓解疾病症状和进展
[15],且存在起效慢、毒副作用大、价格昂贵及个体疗效差异显著等局限性,因此,亟待开发基于新靶点或新作用机制的药物以满足临床治疗需求
[16, 17]。近年来,中药制剂在RA的临床治疗中展现出显著优势,其通过多靶点调控、多通路干预及多层次调节的综合作用机制,可有效改善RA临床症状,弥补西药治疗的局限性
[18, 19]。葛根素(Pur)作为一种从豆科葛属植物中提取的天然异黄酮类小分子成分,具有副作用小、安全性高等优点
[20]。在抗炎领域,葛根素表现出卓越的潜力,具有多靶点、多途径作用,能够同时作用于NF-κB和MAPK通路,减少下游炎症因子的产生和释放
[21]。此外,葛根素兼具雌激素样活性与骨保护效应,其可通过激活雌激素受体(ERα/ERβ)调节雌激素信号通路,在骨代谢调控中展现独特价值
[22-24]。高月等
[25]研究发现,葛根素可能通过抑制Wnt /β-catenin信号通路,缓解CIA大鼠滑膜增生,减轻关节软骨侵蚀及骨破坏情况。新近研究表明,许多天然产物通过调节TLR4/NF-κB信号通路发挥显著的抗炎作用,其相关信号转导机制与药理作用正被逐步揭示并得到实验验证
[26]。Wang等
[27]证实葛根素抗RA的机制涉及TLR4/NF-κB通路抑制及氧化应激缓解。此外,Zhang等
[28]发现葛根素可阻断Akt活化,下调TNF-α、IL-1β表达,抑制破骨分化;同时通过调节B细胞淋巴瘤-2/基质金属蛋白酶-13/基质金属蛋白酶组织抑制因子-1(Bcl-2/MMP-13/TIMP-1)平衡减少软骨细胞凋亡
[29],凸显其多维度抗RA的潜力。宋锡国等
[30]研究亦表明,葛根素对于RA的治疗效果确切,可缓解疼痛和降低炎症,改善病患生活质量。
现有文献已明确TLR4/NF-κB通路在RA中的重要作用
[31],证实葛根素可通过拮抗该通路抑制炎症反应
[32],且TAK1作为该通路的关键调控节点已被验证为潜在的治疗靶点
[8, 33]。然而,目前研究多聚焦于葛根素对TLR4/NF-κB通路下游效应分子的调控,对其上游调控节点(如TAK1)的作用机制研究仍较为匮乏
[34]。此外,现有关于TAK1的研究主要聚焦于合成抑制剂的开发
[7, 9, 33, 35],而天然药物成分(如葛根素)如何靶向调控TAK1及其分子互作网络的探索有限,这在一定程度上限制了其临床转化潜力,更为重要的是,葛根素是否通过直接干预TAK1介导的TLR4/NF-κB通路活化以改善RA炎症反应,目前尚未在疾病模型中获得直接实验证据,相关分子机制仍有待进一步解析。
本研究通过构建CIA大鼠模型,整合中药成分与现代分子机制探索,创新性地以TAK1这一上游调控节点为核心,在葛根素的干预下,测定滑膜细胞中TLR4/NF-κB信号通路的表达情况,探究葛根素缓解RA炎症与TAK1/TLR4/NF-κB信号通路的相关性,旨在拓展葛根素在RA治疗中的科学依据,为进一步探索和研发基于天然产物的TAK1靶向疗法提供新策略。
1 材料和方法
1.1 实验材料
1.1.1 实验动物
60只8周龄、体质量为180~220 g的健康SPF级SD雄性大鼠,贵州医科大学实验动物中心提供[合格证号:XYSK(贵)2023-0002]。本研究已获得学校实验动物伦理委员会审查批准(伦理批号:2400320),且严格遵守伦理委员会规定。
1.1.2 主要试剂与仪器
雷公藤多苷片(黄石飞云制药公司),葛根素(西安东峰生物科技有限公司),不完全弗氏佐剂(Sigma),牛Ⅱ型胶原(Chondrex),放射免疫沉淀裂解液、二喹啉甲酸蛋白定量试剂盒、Trizol Reagent试剂盒(上海碧云天生物技术有限公司),一抗TAK1、NFκB-p65、TLR4、β-Actin及二抗Goat Anti-Rabbit IgG H&L(HRP)(Bioworld),一抗p-TAK1抗体(佰嘉生物科技有限公司),引物(武汉天一辉生物科技有限公司),PCR逆转录试剂盒(南京诺唯赞生物科技有限公司),其余试剂均为进口或国产分析纯产品。水平电泳槽DYY-Ⅲ31D及DYY-5型稳压稳流电泳仪(北京六一仪器厂),酶标仪(BIO-TEK),Quanity One凝胶成像分析系统(BIO-RAD)。
1.2 研究方法
1.2.1 分组及造模
SD大鼠随机均分为空白组(Nor)、模型组(Mod)、雷公藤多苷片阳性对照组(GTW 10 mg/kg)和葛根素低、中、高剂量组(Pur 10、30、100 mg/kg),10只/组。于无特定病原体(SPF)级实验室适应性喂养1周后造模,取适量2 mg/mL牛Ⅱ型胶原与等量不完全弗氏佐剂于冰上混合,并完全乳化至其滴于水中不扩散。Mod组、GTW组及Pur低、中、高剂量组大鼠于尾根部皮下注射乳化后的混合物0.2 mL进行初次免疫,1周后于足跖皮下再次注射乳化剂0.1 mL加强免疫1次;Nor组大鼠于尾根部皮下注射同量生理盐水。造模期间每日观察并拍照记录大鼠关节红肿及畸形等情况,通过关节炎指数(AI)评分判定造模情况,AI评分≥4分即可视为造模成功。
1.2.2 给药方案
第2次造模结束后1周开始给药,各组大鼠均灌胃给药。给药方案:Pur低、中、高剂量组分别按照体质量10 mg/kg、30 mg/kg、100 mg/kg
[36]给予Pur,GTW组给药浓度为10 mg/kg,Nor及Mod组给予等量生理盐水灌胃,每天同一时间灌胃,1次/d,持续给药3周。
1.2.3 各组大鼠一般情况的观察、关节炎指数(AI)评分法、关节肿胀率测算
每日定期观察各组大鼠的饮食量、精神状态,拍照记录关节红肿、关节畸形情况等。初次注射乳化剂当天起,采用AI评分法分别于造模前1周(适应性喂养阶段),灌胃给药前1周(造模结束后1周),灌胃给药后1周、2周、3周观察大鼠后足关节病变情况。AI评分标准如下:0分(无红肿);1分(关节有红色斑点或轻度肿胀);2分(关节病变中度红肿);3分(关节除中度红肿外,伴有轻度功能障碍);4分(关节重度红肿,僵直甚至畸形,严重功能障碍);将2只后踝关节的病变程度累计积分,计算关节炎指数,每只大鼠AI评分最高为8分,AI评分越高表示关节病变越严重。初次免疫起,每隔1周,采用大鼠足部容积测量仪测量大鼠双后足肿胀度,足肿胀度计算公式如下:ER(%)=(V1-V2)/V2×100%(其中V2为造模前的容积,V1造模后的容积)。
1.2.4 标本采集
末次给药次日,麻醉处死各组大鼠,取仰位固定,取肝脏组织并称质量,计算肝脏指数,肝脏指数=肝脏质量(g)/体质量(g)×100%;并取各组大鼠炎性后腿,沿膝关节正中将皮肤纵行切开、暴露3 cm×3 cm以膝关节为中心的区域,齿镊提起髌骨,从上缘0.5 cm处沿两侧向下分离,可见膝关节腔内附着有淡黄色半透明的薄层滑膜组织,小心将其剥离,一部分使用4%多聚甲醛固定,用于HE染色,另一部分使用生理盐水冲洗后置于-80 ℃冰箱保存,用于Western blotting及Real-time PCR检测相关蛋白表达水平。
1.2.5 滑膜组织病理学观察
将固定于4%多聚甲醛中的膝关节滑膜组织常规梯度脱水后依次进行浸蜡、包埋、切片与贴片、脱蜡水化、HE染色,脱蜡水化、脱苯、复水、常规梯度染色、梯度脱水、二甲苯透明、中性树胶封片,在光学显微镜下观察滑膜组织形态学变化。
1.2.6 实时荧光定量PCR(Real-time PCR)法检测滑膜组织TAK1、TLR4、NF-κB p65 mRNA的含量
取大鼠关节滑膜组织匀浆,利用Trizol Reagent试剂盒提取总RNA,依次测定RNA样品浓度、纯度,逆转录合成互补脱氧核糖核酸(cDNA)并进行Real-time PCR扩增(扩增程序:预变性95 ℃ 30 s,变性95 ℃ 10 s,退火60 ℃ 30 s,循环40次),采用2
-ΔΔCt法计算mRNA的相对表达量,3次平行实验后,对目的基因扩增产物与甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)光密度值进行统计学分析。引物由武汉天一辉生物科技有限公司合成(
表1)。
1.2.7 Western boltting检测滑膜组织TAK1、p-TAK1、TLR4、NF-κB p65蛋白的表达
取各组大鼠关节滑膜组织,置于已加RIPA裂解液2 mL的研磨管,充分研磨,4 ℃静置裂解30 min,4 ℃下12 000 r/min离心15 min,取上清液,BCA法测定蛋白浓度;依次制备10%聚丙烯酰胺凝胶,上样10 μL,80~120 V电泳2 h,200 mA恒流转膜1 h,5%脱脂奶粉封闭3 h,加入对应的一抗NF-κB p65(1∶1000)、TLR4(1∶1000)、TAK1(1∶1000)、pTAK1(1∶1000)、β-actin(1∶5000),于4 ℃孵育过夜,TBST洗涤5 min/次,共6次,加入HRP辣根过氧化物酶偶联二抗(1∶5000),室温摇床缓慢摇动1.5 h,TBST洗涤5 min/次,共6次,经增强型化学发光试剂(ECL)工作液显色,凝胶成像仪上进行蛋白条带检测,采用条带分析软件处理条带,并计算灰度值,蛋白的表达量为条带与各组内参β-actin灰度值的比值。
1.3 统计学分析
采用SPSS 23.0软件进行数据分析,数据采用均数±标准差表示,各组间数据比较采用单因素方差分析,P<0.05表示差异有统计学意义。所有实验均独立重复3次。
2 结果
2.1 足趾外观及双后肢足肿胀度
CIA大鼠足趾外观结果显示,第2次造模结束后,与Nor组相比,Mod组、GTW组及Pur各剂量组大鼠双后肢均出现明显红肿,毛发干枯现象,行动迟缓甚至无法直立行走。连续灌胃给药3周后,与Mod组相比,各给药组足肿胀度均降低,其中GTW组及Pur 30 mg/kg、100 mg/kg组足肿胀度降低最为显著(
P<0.05,
P<0.01,
P<0.001,
表2、
图1)。
2.2 大鼠关节AI评分
AI评分可以客观反映出大鼠发病的情况,第2次造模结束后,除Nor组外,各组大鼠AI评分均≥4分,造模成功率为100%。连续给药3周后,与Nor组相比,Mod组大鼠AI评分明显增高(
P<0.001),而与Mod组相比,GTW组和Pur 10 mg/kg组的AI评分明显下降(
P<0.001、
P<0.01),而其余给药组差异无统计学意义(
表3)。
2.3 大鼠肝脏质量分数
CIA大鼠肝脏指数结果显示,给药3周后,相较于Nor组,Mod组大鼠肝脏指数增加(
P<0.05);相较于Mod组,GTW组和Pur 100 mg/kg组大鼠肝脏指数下降(
P<0.05、
P<0.01),Pur 10 mg/kg、30 mg/kg组有所下降,但差异无统计学意义(
图2)。
2.4 组织学特征
光镜下观察可见,Nor组大鼠滑膜组织内层可见较薄的滑膜细胞,可见血管、脂肪细胞及结缔组织,结构清晰,未见明显的坏死及炎性细胞浸润;Mod组大鼠滑膜组织呈现明显病理改变,表现为滑膜细胞增生、脱落、水肿,结缔组织增生且排列紊乱,胶原纤维间隙增宽,伴有少量以淋巴细胞、巨噬细胞为主的炎性细胞浸润;GTW组滑膜组织内层可见较薄的滑膜细胞,结构清晰,未见明显异常;Pur 30 mg/kg、100 mg/kg组大鼠滑膜组织病理改变明显减轻,未见明显的坏死及炎性细胞浸润;Pur 10 mg/kg组滑膜水肿,结缔组织排列紊乱,仍伴有少量炎性细胞浸润(
图3)。
2.5 TAK1、TLR4、NF-κB p65 mRNA的表达
Real-time PCR检测结果表明(图4),给药3周后,相较于Nor组,Mod组大鼠膝关节滑膜组织中TAK1、TLR4、NF-κB p65 mRNA明显上调(P<0.001);相较于Mod组,Pur 100 mg/kg组大鼠膝关节滑膜组织中TAK1、TLR4、NF-κB p65 mRNA显著下调(P<0.01、P<0.001),Pur 30 mg/kg组大鼠膝关节滑膜组织TAK1、TLR4、NF-κB p65 mRNA下调(P<0.01、P<0.05),Pur 10 mg/kg组TAK1、TLR4、NF-κB p65 mRNA轻微下调(P<0.05)。
2.6 TAK1、p-TAK1、TLR4、NF-κB p65蛋白的表达
Western blotting结果显示(
图5),给药3周后,相较于Nor组,Mod组大鼠膝关节滑膜组织中TAK1、p-TAK1、TLR4、NF-κB p65蛋白表达上调(
P<0.01、
P<0.001);相较于Mod组,Pur 30 mg/kg、100 mg/kg组大鼠膝关节滑膜组织中TAK1、p-TAK1、TLR4、NF-κB p65蛋白表达均明显下调,其中,Pur 100 mg/kg组降低更显著(
P<0.001),Pur 10 mg/kg组大鼠膝关节滑膜组织中TAK1、p-TAK1、TLR4、NF-κB p65蛋白表达下调(
P<0.05)。
3 讨论
类风湿关节炎是一种以关节滑膜炎为主要病理特征的慢性、全身性自身免疫疾病,尽管相关研究最近取得了一些进展,但RA患者仍然难以治疗
[37]。研究表明,以雷公藤为代表的中药可发挥良好的抗RA效果
[38-40],并有效降低药物不良反应的发生率。葛根素作为我国最常见的中药材之一,功效广泛
[41],具有类雌激素作用,被证明对骨骼有合成代谢作用
[42]。相关研究报道,葛根素可通过调节炎症因子的合成与释放,影响免疫细胞的表达发挥抗炎作用
[20]。本研究表明,葛根素能明显改善CIA大鼠AI指数评分,并可缓解免疫器官的过度反应,减轻关节滑膜组织病变,证实葛根素抗炎、消肿、抗风湿的功效,且疗效呈剂量依赖性。
TAK1已被证明与多种细胞内信号通路的激活有关
[43],其可通过调控NF-κB和MAPK通路从而在炎症中发挥重要作用,抑制TAK1可显著降低促炎介质及趋化因子在肿瘤坏死因子(TNF)或脂多糖(LPS)刺激的免疫细胞中的表达水平,从而有效抑制炎症级联反应,这一调控机制使其成为开发抗炎及免疫调节药物的重要靶点
[44]。研究发现,RA-FLS中信号分子转导及激活依赖于TAK1,且与RA病变进展有关
[7]。体外实验表明,TAKl在IL-1诱导的RA滑膜细胞中高表达,抑制其表达则显著下调金属蛋白酶3(MMP-3)、IL-6 mRNA转录水平,进而缓解RA炎症
[45]。莫选荣等
[46]研究发现,通过沉默RA滑膜细胞TAK1基因能显著抑制TNF-α诱导的IL-6、IL-8等炎症因子表达。此外,Freeze等
[47]研发的一种高效、选择性、口服生物可利用的TAK1抑制剂HS-276,亦可减轻CIA临床前小鼠血清中的疾病活动评分和炎症细胞因子,显著缓解RA的进展,同时减少不良事件的发生。在本实验研究中,通过观察镜下组织HE病理切片,RT-PCR和Western blotting检测TAK1 mRNA和蛋白表达,表明TAK1在正常滑膜组织中,生理性表达较低,但在RA病理条件下显著增加,并可引起滑膜组织增生水肿、结缔组织结构紊乱、炎性细胞浸润等病理变化,而葛根素可降低TAK1水平,减轻大鼠滑膜炎症,改善RA症状。
RA以免疫及非免疫细胞迁移至滑膜和关节液,引发促炎细胞因子升高为特征。NF-κB是由两种Rel家族蛋白构成的二聚体蛋白质,广泛存在于各种细胞的细胞质中,是人体内一种重要的核转录因子
[48]。大量研究表明,在RA患者病变滑膜组织中,NF-κB的表达水平显著升高,高度活化的NF-κB可诱发多种促炎细胞因子的生成,促炎细胞因子的上调又可通过正反馈作用调节NF‑κB的活化,形成恶性循环,加重RA病情的发展
[49, 50]。TLR4作为一种在天然免疫和炎症反应中起重要作用的模式识别受体
[51],表达于多种组织细胞中,可通过NF-κB途径启动细胞内的信号转导
[13]。研究认为,TLR4与RA滑膜炎症联系密切,在RA患者关节血管翳形成及破骨性骨侵蚀中扮演着重要角色
[12],TLR4/NF-κB信号通路已被证明是RA治疗的靶向途径
[13]。当TLR4受到配体刺激时,下游的接头蛋白肿瘤坏死因子受体相关因子6(TRAF6)与白细胞介素-1受体相关激酶1/4(IRAK1/4)一起被募集到髓样分化因子88(MyD88)上形成复合物,使TRAF6发生泛素化激活TAK1,激活IKK,促使IκB磷酸化降解,促使NF-κB进入核内与靶基因的κB位点结合,发挥转录活性,启动相关靶基因表达,导致细胞的异常增殖与活化,最终加重RA炎症
[52]。本研究RT-PCR和Western blotting实验结果显示,Mod组TLR4、NF-κB p65 mRNA和蛋白表达上调,给予葛根素治疗后,大鼠滑膜组织中TLR4、NF-κB p65表达水平明显降低,提示葛根素通过抑制TLR4的表达,使TAK1的激活效应减弱,进而抑制下游NF-κB对相关靶基因表达的启动作用,下调相关炎性因子水平,减轻了大鼠膝关节滑膜炎症反应。
综上所述,本研究揭示,葛根素可以改善CIA大鼠滑膜关节炎症,其机制可能与葛根素通过抑制TAK1/TLR4/NF-κB信号通路,下调相关炎性因子的表达有关。提示葛根素在RA治疗中的潜在价值,为其临床转化应用提供了实验依据,并为优化RA治疗策略提供了新思路。
本研究针对分子靶点的选择及信号通路的探索进行了创新,但局限于单一路径的聚焦,且实验方法的选择仍延续了前人经验,仍有一定滞后性。在后续研究中,我们将结合前沿技术和跨学科方法,通过多维度优化,重视多通路协同机制的解析,系统揭示葛根素的抗RA机制, 对TAK1靶向机制进行深度验证,以提升研究的完整性和临床价值,为丰富葛根素的研究提供理论基础和科学依据,为中医药现代化提供更坚实的科学支撑。