糖尿病肾病(DN)作为糖尿病(DM)最为常见且严重的慢性微血管并发症之一,是终末期肾衰(ESRD)的主要诱因
[1]。肾小球内皮细胞(GECs)对维持肾小球滤过屏障(GFB)功能至关重要
[2]。DN病理状态下,GECs受到损伤,导致其开窗结构发生改变,进而影响肾小球滤过屏障的功能
[3]。自噬在维持细胞稳态中起关键作用
[4],高血糖状态下,存在肾固有细胞的自噬障碍,加速DN疾病进展。磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号通路在细胞生长、代谢及自噬调控中发挥着重要的作用
[5]。
DN病理特征为肾小球硬化,符合中医“肾络瘀阻”病机。瘀血存在于DN的始终,既是DN发生的致病因素,又是DN发生发展过程中的一个重要病理产物,影响整个病程的转归
[6]。抵当汤出自《伤寒论》,由桃仁、大黄、水蛭、虻虫组成,具有化瘀通络的功效。既往研究表明,抵当汤能多途径、多靶点有效改善糖尿病大鼠心肌病变
[7-12]和肾脏病变
[13, 14],但关于其通过调控PI3K/Akt/mTOR信号通路,促进大鼠肾小球内皮细胞(RGECs)自噬,进而延缓DN进程的具体机制尚未有相关报道。本研究旨在通过实验验证抵当汤对RGECs自噬的影响,并探讨其可能的信号通路机制。因此,课题组采用抵当汤含药血清干预高糖诱导的RGECs,检测自噬相关蛋白的表达水平,以期揭示抵当汤调节RGECs自噬活性的作用,为糖尿病肾病的治疗提供科学依据。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 动物
雄性清洁级SD大鼠12只,鼠龄7~8 d,购买于安徽医科大学实验动物中心[许可证编号:SCXK(浙)2019-0004]。雄性清洁级SD大鼠20只,体质量200±20 g,鼠龄约为12周龄,购买于安徽医科大学实验动物中心[许可证编号:SCXK(皖)2020-001]。本实验经过安徽中医药大学实验动物伦理委员会审批(伦理批号:No.AHUCM-rats-2024199)。
1.1.2 药物
抵当汤:酒大黄10 g,桃仁15 g,水蛭10 g,虻虫10 g。中药饮片购自安徽中医药大学国医堂门诊部,经安徽中医药大学药学院金传山教授鉴定,品质符合2020年版《中华人民共和国药典》
[15]相关规定。中药方剂配制方法:以纯净水浸泡饮片2 h以上,大火烧开煮1 h,滤过渣质,仅留下药汁,加入纯净水进行第2次煎煮并过滤,将两次得到的滤液混合,浓缩至溶液中生药含量为1 g/mL,置于4 ℃冰箱储存备用。
1.1.3 试剂
0.25%胰酶、3-甲基腺嘌呤(3-MA,Glpbio);ECM内皮培养基(ScienCell);特级胎牛血清(Clark);IV型胶原酶(北京金克隆生物技术有限公司);Factor Ⅷ Rabbit pAb、山羊抗兔IgG(FITC)(北京博奥森生物技术有限公司);DAPI染色液(北京兰杰柯科技有限公司);细胞自噬MDC检测试剂盒(上海碧云天生物技术有限公司);预染蛋白Marker、ECL超敏发光试剂盒(Thermo);山羊抗小鼠IgG、山羊抗兔IgG、GAPDH(北京中杉金桥生物技术有限公司);LC3B、p-mTOR(CST);P62(武汉三鹰生物技术有限公司)。
1.1.4 仪器
CCL-170B-8型细胞培养箱(Esco);BBS-DDC型超净工作台(Biobase);CKX31倒置相差显微镜(Olympus);DMi8倒置荧光显微镜(Leica);SpectraMax iD3多功能酶标仪(上海美谷分子仪器有限公司);EPS300电泳仪、VE-180电泳槽、VE-186转膜仪(上海天能科技有限公司);JS-1070P自动曝光仪(上海培清科技有限公司);K960普通PCR仪(杭州晶格科学仪器有限公司);PIKOREAL 96荧光定量PCR仪、PIKO Plate Illuminator(Thermo);OD1000+超微量分光光度计(南京五义科技有限公司)。
1.2 方法
1.2.1 分组
对数生长期的RGECs消化、离心,重悬并调整浓度至1×105/mL,接种于6孔板。将接种好的胞分为5组,空白组:正常培养的RGECs;高糖诱导模型组:使用高糖培养基(10%胎牛血清,1% ECGS,30 mmol/L葡萄糖)对RGECs进行诱导,以模拟糖尿病环境下的细胞状态;抵当汤组:在高糖诱导的基础上,加入抵当汤含药血清(10%)进行干预;3-Ma干预组:在高糖诱导的基础上,加入自噬抑制剂3-Ma(0.1 mmol/L)进行干预;抵当汤血清+3-Ma干预组:在高糖诱导的基础上,同时加入抵当汤含药血清和自噬抑制剂3-Ma干预。
1.2.2 抵当汤含药血清与空白血清制备
经3 d适应性饲养,将20只SD大鼠随机分成抵当汤组和空白组,10只/组。抵当汤组按照成人每日剂量的14倍计算每只大鼠的给药量,即10.5 g/kg,2次/d,每次灌胃量10 mL/kg。空白组给予等量蒸馏水灌胃。末次给药1 h后,使用戊巴比妥钠进行麻醉,经腹主动脉取血。血样静置2 h,4 ℃、3000 r/min离心20 min,分离血清,标记,加热灭活补体,过滤除菌,冻存于-80 ℃冰箱备用。
1.2.3 原代RGECs分离与培养
大鼠肾小球微血管团分离与接种:取3只7~8 d龄SD幼鼠,无菌摘取双肾,分离肾皮质并剪碎成大小约1 mm3的肉泥,依次经70 μm、40 μm尼龙细胞筛网研磨过滤,收集40 μm细胞筛网上的组织,加入5 mL 0.1% Ⅳ型胶原酶,37 ℃消化20 min,离心弃上清液,添加2 mL ECM完全培养基(含10%胎牛血清,1% ECGS,1% P/S),轻柔吹打,接种于0.1%明胶包被的60 mm的培养皿,37 ℃、5% CO₂条件培养。完全静置3 d,全量更换培养液,其后每48 h半量换液。大鼠肾小球内皮细胞分离与培养:肾小球微组织接种7~8 d后,经0.25%胰酶消化,使用40 μm尼龙筛网过滤,去除肾小球微血管团,收集筛网下大鼠肾小球内皮细胞悬液,离心弃上清液,加入ECM完全培养基,接种到培养瓶中,37 ℃、5% CO₂条件下培养。观察并记录细胞的生长情况,当细胞密度达到80%~90%时传代,使用第3代细胞进行实验。
1.2.4 第Ⅷ因子相关抗原免疫荧光法鉴定大鼠肾小球内皮细胞
将分离出的肾小球内皮细胞接种于细胞爬片上;待细胞生长融合度达到85%,吸弃原培养基,经固定、透膜、封闭,滴入一抗兔抗大鼠第Ⅷ因子相关抗原抗体(1∶400),4 ℃恒温摇床孵育过夜,吸弃一抗并漂洗,滴加二抗FITC标记的山羊抗兔IgG抗体(1∶200),37 ℃避光孵育30 min,漂洗,加入DAPI染色剂(1∶100),37 ℃避光孵育10 min,漂洗,封片。在荧光显微镜下观察阳性率,拍照记录。
1.2.5 CCK-8法筛选葡萄糖造模条件
将细胞接种于96孔板,5000/孔,培养24 h待细胞贴壁,吸弃培养基,分别用含10、20、30、40、50 mmol/L葡萄糖的培养基处理,置正常对照组(5.6 mmol/L葡萄糖)和空白调零组(无细胞),6个复孔/组。培养1、12、36、48 h后,吸弃原培养基,每孔加入100 μL 正常培养基和10 μL CCK-8溶液,37 ℃避光孵育1 h,检测A450值,计算细胞相对活性。重复实验3次。细胞相对活性计算公式如下:
细胞相对活性(%)=
1.2.6 CCK-8法检测含药血清干预浓度
将细胞接种于96孔板,5000/孔,培养24 h待细胞贴壁,吸弃培养基,分别加入100 μL含0%、5%、10%、20%、30%抵当汤含药血清同时含有30 mmol/L葡萄糖的培养基,每组4个复孔。另设置正常对照组,干预36 h。按照2.5中的方法进行检测与计算。
1.2.7 单丹磺酰卡巴胺(MDC)法检测自噬荧光
将细胞接种于96孔板,使用含有30 mmol/L葡萄糖的培养基培养1、12、36、48 h;将细胞接种于6孔板和96孔板,按照分组设计进行干预36 h。干预完成后,吸弃培养基,用PBS洗涤1次,加入MDC染色液,37 ℃避光孵育20~30 min。6孔板与96孔板每孔加入MDC染色液体积分别为1000 μL与100 μL。吸弃MDC染色液,使用Assay Buffer洗涤3次。使用多功能酶标仪对96孔板进行荧光强度检测,激发波长为335 nm,发射波长为512 nm。在荧光显微镜下观察6孔板绿色荧光。
1.2.8 RT-qPCR法检测Beclin-1、p62 mRNA的表达
干预完成后,提取总RNA,进行逆转录反应。逆转录条件为:37 ℃,15 min;85 ℃,5 s。以cDNA为模板进行扩增,扩增条件为:95 ℃预变性1 min,1个循环;95 ℃变性20 s,40个循环;60 ℃退火延伸1 min,40个循环。采用2-
△△Ct法计算mRNA的表达量。引物序列由安徽通用生物股份有限公司设计合成(
表1)。
1.2.9 蛋白免疫印迹法检测p-PI3K、p-Akt、p-mTOR、Beclin-1、p62、LC3B蛋白的表达
干预完成后,提取总蛋白,加入蛋白上样缓冲液,沸水浴15 min,使蛋白充分变性。经制胶、上样、电泳、转膜、封闭,加入p-PI3K(1∶1000)、p-Akt(1∶2000)、p-mTOR(1∶1000)、Beclin-1(1∶2000)、p62(1∶1000)、LC3B(1∶1000)兔抗大鼠一抗,4 ℃摇床孵育过夜,洗涤去除一抗,滴加辣根过氧化酶标记的二抗(1∶20 000),室温孵育1.2 h。
1.3 统计学分析
计量资料用均数±标准差表示,应用SPSS27.0和GraphPad Prism 9.0进行统计学分析。在数据符合正态分布、方差齐时,对两组间比较采用独立样本t检验;对多个样本间进行比较则需先进行单因素方差分析,再利用最小显著差异检验(LSD-t)做进一步的多重比较。若数据不满足正态分布,则采用克鲁斯卡尔-沃利斯秩和检验(K-W)方式;而方差不齐的情况,则选用Tamhane's T2多重比较方法(Tamhane's T2)进行分析。以P<0.05为差异有统计学意义,所有实验都独立重复3次。
2 结果
2.1 原代大鼠肾小球内皮细胞形态与鉴定结果
结果显示消化后的肾小球微血管团已去除外层包曼氏囊,呈不规则球形,毛细血管袢结构清晰(
图1)。肾小球微血管团接种3 d后,周围爬出短缩形细胞,聚集成“岛屿状”;4~5 d后,细胞集落逐渐扩大融合,细胞形态成长为梭状;6~7 d后,细胞逐渐铺满培养皿,呈现单层、铺路石样镶嵌式排列,形态饱满,肾小球微血管团接种密集区域出现细胞接触抑制(
图2)。培养的RGECs第Ⅷ因子抗原免疫荧光染色结果显示,在荧光显微下,RGECs的胞浆内呈现出明显的绿色荧光反应,尤其在核周区域更为显著(
图3)。
2.2 葡萄糖浓度与干预时间对RGECs细胞活性的影响
随着葡萄糖浓度增加及干预时间延长,RGECs的活力出现不同程度的减弱(
图4)。使用10、20 mmol/L葡萄糖干预时,细胞相对活性降低趋势较为平缓,相对活性在75% 以上;使用40、50 mmol/L葡萄糖干预时,细胞相对活性降低趋势较为急骤,干预12 h后即降低至40% 以下;使用30 mmol/L葡萄糖干预时,细胞活性明显降低的同时趋势也较为平缓,干预时间36与48 h时细胞相对活性约为50%。因此,认为最佳造模条件为30 mmol/L葡萄糖干预RGECs 36 h。
2.3 抵当汤含药血清浓度对RGECs细胞活性的影响
随着含药血清体积分数的增加,RGECs细胞活性先上升后下降(
图5)。与0%含药血清组相比,10%、20%和30%的含药血清都能显著提高RGECs的细胞活性(
P<0.01)。抵当汤含药血清体积分数在5%~20% 时,随着含药血清体积分数的增加,细胞活性呈上升趋势;当含药血清体积分数超过30% 以上时,细胞相对活性又随含药血清体积分数的增加出现下降趋势。在10%和20%的含药血清浓度之间,细胞活性的差异并不显著(
P>0.05)。因此选用10%抵当汤含药血清进行后续干预实验。
2.4 抵当汤含药血清对RGECs自噬囊泡荧光强度的影响
实验结果与正常组相比,高糖模型组绿色荧光面积、亮度明显降低,自噬荧光强度下降(
P<0.01)。与高糖模型组相比,抵当汤组RGECs的自噬荧光强度上升(
P<0.01);而3-Ma组的自噬荧光强度与模型组差异无统计学意义(
P>0.05,图
6、
7)。
2.5 抵当汤含药血清对RGECs Beclin-1、p62 mRNA表达的影响
与正常对照组相比,高糖模型组Beclin-1 mRNA相对表达量降低(
P<0.01),p62 mRNA相对表达量升高(
P<0.01),高糖组存在自噬抑制。与高糖模型组相比,抵当汤组Beclin-1 mRNA表达量上升(
P<0.01),p62 mRNA表达量下降(
P<0.01),抵当汤含药血清可以促进RGECs自噬的发生。与抵当汤+3-Ma组相比,抵当汤组Beclin-1 mRNA表达量上升(
P<0.01),p62 mRNA表达量下降(
P<0.01);3-Ma组Beclin-1 mRNA表达量下降(
P<0.01),p62 mRNA表达量上升(
P<0.01,
图8)。
2.6 抵当汤含药血清对RGECs Beclin-1、LC3Ⅱ/Ⅰ、p62蛋白表达的影响
与正常对照组相比,高糖模型组Beclin-1蛋白、LC3Ⅱ/Ⅰ蛋白条带变细、灰度变浅,蛋白表达降低(
P<0.01),p62蛋白条带变宽、灰度变深,表达升高(
P<0.01)。与高糖模型组相比,抵当汤组Beclin-1蛋白上升(
P<0.01),p62蛋白表达下降(
P<0.01),抵当汤含药血清可以促进RGECs自噬的发生。与高糖模型组相比,3-Ma组Beclin-1表达下降,p62蛋白表达上升。与抵当汤+3-Ma组相比,抵当汤组Beclin-1蛋白表达上升(
P<0.01),LC3Ⅱ/Ⅰ有上升趋势但差异无统计学意义(
P>0.05),p62蛋白表达下降(
P<0.05,图
9、
10)。
2.7 抵当汤含药血清对RGECs p-PI3K、p-Akt、p-mTOR蛋白表达的影响
与正常对照组相比,高糖模型组p-PI3K、p-Akt、p-mTOR蛋白表达上升(
P<0.01)。与高糖模型组相比,抵当汤组p-PI3K、p-Akt、p-mTOR蛋白表达水平下降(
P<0.01)。与抵当汤+3-Ma组相比,抵当汤组p-Akt、p-mTOR蛋白表达水平下降(
P<0.05,图
11、
12)。
3 讨论
DN可归属于中医“消渴”继发的水肿、尿浊、关格、肾消等病症范畴
[16]。《金匮要略》阐述:“病人如热状,烦满……口干燥而渴……是瘀血也”
[17],《血证论》云:“瘀血发渴者,以津液之生,其根出于肾水”
[18],指出了消渴瘀血病机的存在。现代中医对DN的认识更加深入。吴以岭
[19]等结合肾小球微血管解剖及功能特点提出“肾络”概念,认为肾小球毛细血管网在结构上与络脉“支横别出、细窄迂曲”的特点相似,DN当从络病论治,肾络瘀阻是DN肾脏病理改变的重要基础。仝小林
[20]等认为,瘀、虚、毒是DN的基本病机,其中瘀为核心,治疗应着重化瘀通络,使旧血得去,新血得生,络脉通畅;吕仁和
[21]等提出了“微型癥瘕”的病机学说,强调了DN发病中存在痰、瘀、湿、热胶阻络脉,形成微型癥瘕,肾络闭阻,精气难以流畅,外溢下泄而见蛋白尿。纵观古今对DN的认识,其主要病机是瘀血停聚进而阻滞肾络,使气血运行失度,逐渐损伤人体正气,肾体受损,最终加速DN的发生与发展。抵当汤具有逐瘀通络、破积泄热之功效,与DN病机相符,可用于DN的防治。本实验结果证实,抵当汤含药血清通过调节PI3K/Akt/mTOR信号通路,增强RGECs的自噬,对DN发挥了较好的干预效果。
GECs是肾小球滤过屏障的关键组成部分,位于肾小球毛细血管腔内层,与循环血液直接接触,更容易受到血糖水平的影响而受损或发生功能障碍
[22]。研究表明,GECs功能障碍是DN发病的关键决定因素,其功能损伤与尿白蛋白排泄增加的密切相关
[23]。然而目前GECs永生化细胞株稀缺,因此本研究从培养原代RGECs入手,使用连续过筛法和胶原酶法结合的方式,实现了大鼠肾小球微血管团的分离与培养
[24-26]。综合考虑生长状况、组织连接紧密程度、肾组织体积与肾皮质分离难度,最终选择7~8 d龄的SD乳鼠为取材对象。为降低污染风险,使用两步过筛法分离肾小球,将肾皮质依次经过70、40 μm尼龙细胞筛,并利用注射器内芯研磨。为保证肾小球微组织活性,使用含更多盐类成分Hanks缓冲液不断进行冲洗,以更好地模拟体液环境。为促进肾小球微血管团的贴壁,使用Ⅳ型胶原酶消化破除肾小囊,并将其接种于明胶包被的培养皿中,每60 mm培养皿只加入2 mL培养基,且在接种后的前3 d避免移动。内皮细胞的生长依赖内皮细胞生长添加剂,本研究选用添加了ECGS的ECM专用培养基进行培养。经过3 d的培养,肾小球微血管团已较为牢固地贴壁,并可见少量短缩形、铺路石样细胞从其周围爬出,呈现“岛屿状”。肾小球微血管团接种7 d后,培养出的细胞集落扩大融合并逐渐铺满培养皿,呈现单层、铺路石样镶嵌式排列,形态饱满,与以往文献报道相符
[24]。为验证所培养细胞的纯度,本研究使用第Ⅷ因子免疫细胞荧光染色进行鉴定,结果显示细胞阳性率接近100%,表明所培养的RGECs纯度较高。此外,还可以使用足细胞特异标记物如Nephrin、Podocin与系膜细胞特异标志物α-SMA对细胞进行荧光染色,以排除足细胞与系膜细胞,该验证将在后续实验中实施。
自噬在GECs中发挥着重要作用,自噬流的正常存在保障着GECs的内稳态与细胞功能
[27]。自噬起始阶段,Beclin-l与Atg6结合形成复合体,响应应激信号并控制囊泡的形成。Beclin-1作为自噬激活的关键因子,其表达水平可以反应自噬的诱导状态
[28]。自噬囊泡逐渐扩展并包围目标物质,形成自噬体。在此过程中,LC3发生脂质化形成LC3Ⅱ,LC3Ⅱ/Ⅰ可作为评估自噬囊泡形成的重要指标。自噬体与溶酶融合形成自噬溶酶体,其中p62能够结合泛素化的蛋白质并引导其降解,p62水平的下降通常意味着自噬活性的增强。本研究发现,高糖环境下RGECs的自噬活性受到抑制,表现为自噬相关蛋白Beclin-1表达下降,LC3Ⅱ/Ⅰ比值降低,以及p62蛋白表达升高。经抵当汤含药血清处理后,显著促进了RGECs的自噬活性,表现为自噬荧光强度增加、Beclin-1表达上升和p62表达下降,表明抵当汤能够有效逆转高糖对RGECs自噬的抑制作用。
PI3K/Akt/mTOR信号通路在细胞生长、代谢及自噬调控中发挥着重要的作用
[5]。PI3K被激活后催化磷脂酰肌醇(PI)发生磷酸化生成PI-3-磷酸(PI3P)。在PI3K的作用下,生成的PI3P能够结合并激活Akt发生磷酸化,并调节其下游包括mTOR在内的多种底物
[29]。mTORC1作为mTOR在细胞内的主要存在形式,对自噬的启动具有直接的调控作用。在正常情况下,mTORC1通过磷酸化并抑制ULK1复合体,从而抑制自噬的启动
[30]。在DN的病理过程中,存在PI3K/Akt/mTOR的激活现象,这种激活可能通过多种机制导致自噬的抑制,进而加速DN的进展
[31]。本研究中,RGECs经过36 h高糖干预后,PI3K/Akt/mTOR信号通路过度激活,而抵当汤含药血清可以抑制该通路的过度激活,表明抵当汤含药血清对RGECs自噬的干预作用可能与PI3K/Akt/mTOR信号通路有关。需要注意的是,尽管3-Ma一定程度上减轻了抵当汤含药血清对PI3K/Akt/mTOR信号通路的抑制作用,但抵当汤+3-Ma组与高糖组、3-Ma组之间存在差异,3-Ma并不能完全抑制抵当汤含药血清的干预效果,这提示抵当汤可能还通过其他途径影响PI3K/Akt/mTOR信号通路与自噬的发生。
综上所述,抵当汤含药血清可以增强高糖诱导的RGECs自噬的发生,其作用机制可能与抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路有关。然而,PI3K/Akt/mTOR通路在细胞内的调控网络极为复杂,涉及到多个信号分子和交互作用,因此,在针对该通路进行药物干预时,需要充分考虑其可能带来的副作用和不良影响。中医药具有多靶点、多途径调节的特点,有望为糖尿病肾病的治疗提供更加全面、有效的方案。