脓毒症是指宿主对感染反应失调而引起的危及生命的器官功能障碍,是全球危重病人死亡的主要原因之一
[1,2]。脓毒症心肌功能障碍(sepsis‐induced myocardial dysfunction, SIMD)是由脓毒症引起的整体但可逆的心脏功能障碍, 约10%~70%的脓毒症患者合并有SIMD,以心肌炎症、心室扩张、收缩力降低和心室反应受损为主要特征
[3‑5]。脓毒症心肌功能障碍发病机制复杂,涉及促炎和抗炎因子之间失衡、氧化应激损伤、线粒体功能障碍、补体激活、细胞凋亡和自噬紊乱等机制
[2, 6]。然而,目前尚无针对脓毒症心肌功能障碍的靶向治疗方法。研究认为抑制炎症反应和氧化应激可能是改善脓毒症心肌功能障碍的一种治疗策略
[7]。
核因子E2相关因子2(nuclear factor E2‑related factor 2,Nrf2)作为细胞抗氧化反应的主要调节因子,是一种生理上重要的转录因子,在调节各种抗氧化防御和抗炎基因的表达中起着至关重要的作用
[8‑10]。生理条件下,Nrf2与Kelch样ECH相关蛋白1(Kelch‑like ECH‑associated protein1,Keap1)结合,Keap1促进Nrf2的泛素化和随后降解,保持Nrf2在细胞内的低水平。当细胞受到应激性刺激时,Keap1发生构象改变,Nrf2与Keap1解离并易位到细胞核中,在细胞核中,Nrf2与基因启动子区域的抗氧化反应元件结合,促进靶基因的表达,使抗氧化蛋白质的合成增加,清除细胞内活性氧以对抗氧化应激
[11,12]。据文献报道,核因子E2相关因子2 /血红素加氧酶‑1(heme oxygenase‑1,HO‑1)信号通路的激活可以减轻组织炎症、氧化应激和细胞凋亡,从而减轻脓毒症诱导的多器官功能衰竭
[13]。
川陈皮素(Nobiletin,NOB)是从柑橘的果皮中提取的一种多甲氧基类黄酮成分,川陈皮素因其低毒性而被广泛研究,并显示出多种生物学效应,如抗炎、抗氧化应激、抗肿瘤、以及保肝护肝等作用
[14‑16]。越来越多的研究表明,NOB对抗炎和抗氧反应活性具有有效的药理作用,而Nrf2被认为是哺乳动物中抗氧化应激的主要调节因子,NOB可以通过清除ROS和激活Nrf2来改善氧化应激。有研究报道,NOB可上调核因子E2相关因子2(Nrf2)及其下游蛋白血红素加氧酶‑1(HO‑1)的表达水平以减轻脓毒症相关的急性肝损伤,应用Nrf2抑制剂ML385后,NOB的保护作用减弱
[17];NOB抑制心肌细胞缺氧/复氧损伤后的氧化应激和凋亡
[18];NOB可抑制心肌细胞凋亡,减轻冠状动脉微栓塞诱导的心肌损伤
[19]。虽然NOB对心肌有明显的保护作用,但NOB是否能够调节SIMD中的炎症反应和氧化应激,减少心肌损伤发挥心肌保护作用仍有待阐明。因此,本研究观察NOB对脓毒症小鼠心肌功能障碍的影响及Nrf2/HO‑1信号通路的变化,探讨其潜在机制。
1 材料与方法
1.1 实验动物
选50只SPF级6周龄雄性昆明小鼠,体质量25~30 g,购自贵州医科大学实验动物中心,合格证号:SYXK(贵)2023‑0002,在恒温(23~25 ℃)、自然光照的环境下适应性喂养1周,实验操作前8 h禁食不禁水。本实验通过贵州医科大学动物伦理委员会审查(伦理批准号:2305166)。
1.2 药物及主要试剂
川陈皮素购自成都植标化纯生物,肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor‑α,TNF‑α)、白细胞介素1β(interleukin‑1β,IL‑1β)、肌酸激酶同工酶(creatine kinase isoenzyme,CK‑MB)、肌钙蛋白Ⅰ(cardiac troponin Ⅰ,cTnⅠ)ELISA试剂盒购自江苏晶美生物科技有限公司,超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、丙二醛(Malondialdehyde,MDA)试剂盒购自北京索莱宝生物科技有限公司,凝胶制备试剂盒购自北京索莱宝生物科技有限公司,BCA蛋白定量试剂盒购自上海雅酶生物公司,ECL发光液购自大连美伦生物公司,兔源单克隆GAPDH抗体、HO‑1抗体购自杭州华安生物技术有限公司,兔源多克隆Nrf2抗体购自武汉三鹰生物生物技术有限公司。
1.3 方法
1.3.1 实验分组
随机将50只小鼠分为假手术(Sham)组、模型组(CLP)组、模型+川陈皮素低浓度(CLP+NOB‑L)组、模型+川陈皮素高浓度(CLP+NOB‑H)组、川陈皮素单药(NOB)组。CLP+NOB‑L组和CLP+NOB‑H组于术前2 h腹腔注射NOB溶液,剂量分别为25、50 mg/kg,NOB单药组于术前2 h腹腔注射NOB溶液,剂量为50 mg/kg,Sham组和CLP组在相同时间腹腔注射等量的生理盐水。
1.3.2 脓毒症心肌功能障碍动物模型的构建
该研究参考周颖等
[20]盲肠结扎穿刺术(cecal ligation and puncture,CLP)建立脓毒症心肌功能障碍动物模型:各组小鼠予1.25%三溴乙醇0.2 mL/10 g行右侧腹腔注射麻醉,待麻醉完全后,将小鼠仰卧位固定于手术台上,手术部位常规备皮消毒,于腹中线偏左0.5 cm处剪长约1.0 cm纵行切口,逐层剪开至打开腹膜暴露肠管,找到盲肠游离末端轻提使之与其余肠管分离,将盲肠末端取出并置于腹壁外,用4‑0丝线在距盲肠末端1/2处结扎盲肠,避免结扎或损伤肠系膜血管,使用22号针头避开血管来回穿刺2次,挤压出少量肠内容物后还纳肠管至腹腔。消毒局部切口后逐层关腹,术后在小鼠颈部皮下注射1 mL 37 ℃预热的生理盐水进行补液,Sham组、NOB单药组除盲肠结扎穿孔外,其它步骤与上述一致。造模后24 h,所有小鼠经麻醉后先行心脏超声检查,再收集眼眶血后脱颈处死,留取心脏组织。
1.3.3 心功能测定
术后24 h,各组小鼠麻醉后,使用SiliconWave 60超声诊断扫描仪M超声模式下测量左室舒张末期内径(LVEDd)、左室收缩末期内径(LVEDs),根据Teichholtz公式计算出左室射血分数(LVEF)和左室短轴缩短率(LVFS)。
1.3.4 ELISA检测血清TNF‑α、IL‑1β、CK‑MB、cTnⅠ水平
根据ELISA试剂盒说明书要求检测各组小鼠血清中TNF‑α、IL‑1β、CK‑MB、cTnⅠ的含量。
1.3.5 氧化指标SOD、MDA检测
取部分心肌组织加入适当裂解液匀浆后,8 000 g 4 ℃离心10 min,取上清液,按试剂盒说明书测定小鼠心肌组织中SOD、MDA的含量。
1.3.6 ROS水平检测
取新鲜未固定的冰冻心肌组织冰冻切片,厚度为10 μm,滴加100 µL二氢乙锭(Dihydroethidium,DHE)工作液于组织切片上,在 37 ℃培养箱避光孵育30 min,用磷酸盐缓冲液(Phosphate buffered saline,PBS)冲洗3次后添加4′,6‑二脒基‑2‑苯基吲哚(4′,6‑diamidino‑2‑phenylindole,DAPI)溶液,避光孵育10 min,充分洗涤后甘油明胶封片,于荧光显微镜下观察。镜下视野中红色荧光为ROS,蓝色荧光为细胞核。
1.3.7 HE染色
取心肌组织浸泡于4%多聚甲醛中进行固定,通过梯度浓度酒精脱水后石蜡包埋、切片,进行H&E染色,在显微镜下观察心肌组织的病理学形态改变。
1.3.8 Western blot实验
从-80 ℃冰箱取出心肌组织,用微量天平称取约35 mg心肌组织,加入含有蛋白酶磷酸酶抑制剂的RIPA裂解液350 μL,在冰上用眼科剪将心肌组织剪碎,用超声波细胞破碎仪超声5次,4 ℃ 12 000 r/min离心10 min,收集上清并行BCA蛋白定量,最后于金属水浴锅中100 ℃高温煮沸变性10 min。取适量小鼠心肌组织剪碎,加入RIPA裂解液充分裂解后提取总蛋白,并行BCA法测定蛋白浓度。随后蛋白上样、电泳分离、转膜、室温下牛奶封闭2 h,加入Nrf2(1∶5 000)、HO‑1(1∶1 000)、GAPDH(1∶20 000)一抗孵育过夜,次日用TBST洗涤5次后加入二抗(1∶30 000)室温孵育1 h,再次洗涤后曝光显影。使用ImageJ软件分析,结果用目标条带与内参条带灰度值比值表示。
1.3.9 免疫组织化学染色
将心肌组织于4%多聚甲醛中固定,石蜡包埋、切片。经二甲苯脱蜡,梯度乙醇脱水,抗原修复后封闭1 h,加入一抗(1∶500),4 ℃孵育过夜,PBS冲洗3次,二抗室温孵育,DAB显色,苏木素染细胞核,最后脱水封片,于显微镜下观察并记录,分析图像。
1.4 统计学处理
采用GraphPad Prism 9 软件对数据进行统计分析。符合正态分布的计量资料以平均值±标准差()表示,多组间比较采用单因素方差分析,组间两两比较,方差齐时,采用最小显著性差异(LSD )检验分析,方差不齐时,采用 Tamhane 检验分析。P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 川陈皮素对小鼠的一般情况影响
Sham组10只小鼠和NOB单药组10只小鼠均存活,术后24 h精神、进食及活动正常;CLP组小鼠死亡5只,存活小鼠表现嗜睡、运动迟缓,出现呼吸急促、竖毛、脓性尿,眼眶处可见脓性分泌物,活动明显减少;CLP+NOB‑L组小鼠死亡3只,存活小鼠出现精神萎靡,活动较少;CLP+NOB‑H组小鼠死亡1只,存活小鼠精神稍萎靡,活动基本正常。
2.2 川陈皮素对小鼠心功能的影响
采用动物超声仪测量各组小鼠的左室射血分数和左室短轴缩短率,见
图1。与Sham组相比,NOB单药组LVEF、LVFS没有显著性变化,CLP组LVEF、LVFS均显著降低(
P<0.05);与CLP组相比,CLP+NOB‑L组和CLP+NOB‑H组LVEF、LVFS均明显升高(
P<0.05)。见
表1。这表明川陈皮素预处理可改善脓毒症小鼠的心功能。
2.3 川陈皮素对小鼠心肌组织病理学变化的影响
采用HE染色观察各组小鼠心肌组织病理学改变,见
图2。Sham组小鼠和NOB单药组小鼠心肌组织心肌纤维排列整齐,无炎症细胞浸润;CLP组小鼠心肌组织病理改变明显,心肌纤维排列紊乱、横纹模糊或消失,间质水肿,可见空泡状改变,炎症细胞浸润明显;CLP+NOB‑L组小鼠心肌纤维排列紊乱,局部见空泡状改变,炎症细胞浸润程度较CLP组减轻;CLP+NOB‑H组小鼠心肌纤维排列稍紊乱,空泡状改变少见,炎症细胞浸润程度较CLP组明显减轻。这表明川陈皮素预处理对脓毒症心肌损伤具有一定的保护作用。
2.4 川陈皮素对小鼠血清TNF‑α、IL‑1β、CK‑MB、cTnⅠ含量的影响
采用ELISA试剂盒检测各组小鼠血清中炎症因子和心肌损伤标志物水平。与Sham组相比,CLP组TNF‑α、IL‑1β、CK‑MB、cTnⅠ水平均显著升高(
P<0.05);与CLP组相比,CLP+NOB‑L组和CLP+NOB‑H组TNF‑α、IL‑1β、CK‑MB、cTnⅠ水平均显著下降(
P<0.05);与CLP+NOB‑L组相比,CLP+NOB‑H组TNF‑α、IL‑1β、CK‑MB、cTnⅠ水平下降(
P<0.05)。见
表2。这说明川陈皮素预处理可减轻脓毒症小鼠的心肌损伤和炎症反应。
2.5 川陈皮素对小鼠SOD、MDA水平的影响
采用氧化应激试剂盒检测各组小鼠心肌组织中SOD、MDA水平。与Sham组相比,CLP组SOD水平降低、MDA水平升高(
P<0.05);与CLP组相比,CLP+NOB‑L组和CLP+NOB‑H组SOD水平升高、MDA水平降低(
P<0.05);与CLP+NOB‑L组相比,CLP+NOB‑H组SOD水平升高(
P< 0.05)。见
表3。这说明川陈皮素预处理可减轻脓毒症小鼠的氧化应激。
2.6 川陈皮素对小鼠心肌组织ROS的影响
采用二氢乙锭染色检测各组小鼠心肌组织中活性氧的含量,见
图3。与Sham组相比,CLP组的ROS含量显著增加;与CLP组相比,CLP+NOB‑L组和CLP+NOB‑H组的ROS含量显著降低。这说明川陈皮素预处理可改善脓毒症小鼠心肌损伤的ROS积累。
2.7 川陈皮素对Nrf2/HO‑1信号通路的影响
使用 Western blot 和免疫组织化学染色检测各组心肌组织中Nrf2、HO‑1的蛋白表达变化,见
图4。Western blot 检测结果显示,与Sham组相比,NOB单药组Nrf2蛋白表达升高(
P<0.05),CLP组Nrf2、HO‑1蛋白表达均明显升高(
P<0.05);与CLP组相比,CLP+NOB‑H组Nrf2、HO‑1蛋白表达进一步升高(
P<0.05)。免疫组织化学染色结果显示,与Sham组相比,NOB单药组Nrf2、HO‑1蛋白表达没有显著性变化,而CLP组Nrf2、HO‑1蛋白表达升高;与CLP组相比,CLP+NOB‑H组Nrf2、HO‑1蛋白表达显著升高。
3 讨论
脓毒症是一个全球性的公共卫生问题,其发病率持续上升,它与全身炎症反应导致的多器官损伤有关,心功能障碍是脓毒症的常见并发症之一,大约一半的脓毒症患者出现心功能不全,病死率可高达70%,是重症监护室脓毒症患者死亡的重要原因之一
[5,10]。尽管已有广泛的研究,脓毒症仍缺乏有效治疗方法,其不良预后给社会带来了巨大的经济负担。心肌损伤是恶化脓毒症预后的关键因素,因此探索改善脓毒症心肌损伤的治疗方法和机制至关重要。目前脓毒症心肌功能障碍的发病机制尚未完全清楚,过度的炎症反应和氧化应激与脓毒症心肌功能障碍的发生密切相关。该研究采用盲肠结扎穿刺术(CLP)来构建脓毒症心肌功能障碍模型,此方法拟临床阑尾炎穿孔或憩室炎穿孔,已被公认为脓毒症动物建模的金标准,是构建脓毒症研究的常用模型之一
[21]。结果显示,脓毒症组小鼠CLP术后24 h出现运动迟缓、嗜睡、呼吸急促、竖毛、眼部可见脓性分泌物;血清炎症因子、心肌损伤标志物、氧化应激水平明显升高;心肌组织病理学可见明显的炎症细胞浸润、心肌纤维紊乱、水肿;动物超声多普勒检测LVEF、LVFS显著下降,这提示脓毒症小鼠心肌功能障碍模型的成功构建。两种剂量的(25 mg/kg和50 mg/kg)川陈皮素可以明显降低脓毒症小鼠的炎症和氧化应激水平,减轻心肌损伤,改善心功能。因此,川陈皮素对心脏的保护作用可能与抑制炎症和氧化应激相关。
在脓毒症心肌功能障碍的病理过程中,炎症反应和氧化应激是主要的原因之一。同时,氧化应激和炎症反应之间的相互作用产生了一个恶性循环,继续加剧心肌损伤。当病原微生物入侵宿主后,病原体相关分子模式和损伤相关分子模式激活的先天免疫系统会释放大量的炎性细胞因子,称为“细胞因子风暴”,从而导致宿主出现严重且持续的炎症反应,并进一步加重细胞和组织损伤,从而引发器官功能障碍
[22]。在脓毒症中,炎症系统的过度激活导致ROS的产生,过量的ROS通过诱导脂质过氧化,改变蛋白质构象和功能,引起DNA损伤,激活细胞凋亡等多种途径对细胞结构和功能造成广泛破坏,从而加重心肌损伤
[23,24]。该研究结果显示,与Sham组相比,CLP组小鼠血清炎症因子含量显著增加,SOD活性降低,MDA含量升高,心肌组织内ROS明显增加,炎症细胞浸润增多,而川陈皮素可以降低炎症因子和MDA含量,提高SOD活性,减少心肌组织ROS含量,减轻炎症细胞浸润。这些结果说明川陈皮素具有抗炎抗氧化活性。
Nrf2/HO‑1信号通路是宿主对抗氧化应激和炎症反应的首要防线,在维持细胞稳态中发挥重要作用,并通过其下游保护蛋白保护组织免受损伤
[25]。Nrf2是调节内源性抗氧化防御抗氧化酶的主转录因子,其在介导对氧化应激的适应性反应中至关重要。HO‑1被认为是Nrf 2信号通路的关键下游因子,广泛表达于各种组织中,先前的研究表明HO‑1在炎症、氧化应激、细胞凋亡和细胞增殖的调节中发挥重要的调节作用,它被高度诱导以响应细胞应激而保护免受炎症和氧化应激
[26]。据报道,羟考酮通过Nrf2/HO‑1信号通路抑制炎症和氧化应激减轻脂多糖诱导的心肌损伤
[27];落新妇苷通过激活Nrf2/HO‑1信号通路减轻炎症、氧化应激和细胞凋亡,从而改善脓毒症诱导的心肌损伤
[28];达格列净通过上调Nrf2/HO‑1通路改善脂多糖引起的大鼠心肌损伤
[29]。因此,激活Nrf2/HO‑1信号通路可显著改善脓毒症心肌损伤的生存结局。在该研究中,Sham组小鼠心肌组织Nrf2和HO‑1少量表达,考虑是用来维持正常的生理功能,NOB单药组仅Nrf2表达较Sham组升高而HO‑1表达较Sham组无明显变化,可能是因为在机体无应激的情况下川陈皮素能够使Nrf2水平升高,但不会启动下游抗氧化应激蛋白的表达。CLP组小鼠心肌组织中的Nrf2和HO‑1表达较Sham组升高,这表明机体在针对脓毒症反应出现抗氧化应激系统的同时激活,但不足以对抗过度升高的氧化应激,从而出现心肌损伤,这可能是机体的自我保护机制下的表现。而川陈皮素能够进一步增加心肌组织中Nrf2和HO‑1蛋白的表达,这说明川陈皮素可能是通过激活Nrf2/HO‑1信号通路来抑制脓毒症小鼠的氧化应激水平。
川陈皮素,化学名为5,6,7,8,3 ',4 '‑六甲氧基黄酮,是从柑橘的果皮中提取的一种多甲氧基黄酮类化合物,由6个甲氧基组成,其代谢产物脱甲氧基衍生物是主要的活性物质,具有多种药理作用
[18]。在该研究中,与Sham组相比,NOB单药组小鼠心功能无显著差异,心肌组织病理学也无明显改变,说明该剂量(50 mg/kg)的NOB不会引起心肌损伤。与CLP组相比,CLP+NOB‑L组和CLP+NOB‑H组小鼠的心肌损伤标志物(CK‑MB、cTnⅠ)水平明显下降,心肌组织病理学炎症细胞浸润减少,小鼠心脏超声提示心功能改善,这些结果表明川陈皮素预处理可以减轻脓毒症小鼠的心肌损伤,改善心功能,而且CLP+NOB‑H组比CLP+NOB‑L组具有更好的保护效果,因此选用了(50 mg/kg)浓度的NOB进行后续实验。既往研究也表明,川陈皮素具有抗氧化、抗炎和抗凋亡特性,可以改善心肌损伤。Zhang等
[30]研究表明川陈皮素通过减轻炎症和氧化应激改善糖尿病性心肌病的心功能障碍;Huang等
[16]研究表明川陈皮素通过铁死亡减轻2型糖尿病大鼠心肌缺血再灌注损伤;Zhang等
[31]研究发现川陈皮素通过调节PI3K/AKT信号通路,减轻内质网应激相关细胞凋亡,从而改善心肌缺血再灌注损伤;Liu等
[32]研究也表明川陈皮素通过调控JNK改善大鼠急性心肌梗死后心脏损伤和心脏重构。然而,尚未见川陈皮素预处理减轻脓毒症小鼠心肌损伤的研究报道。
本研究仍有不足之处:(1)仅在动物模型中探索川陈皮素对脓毒症小鼠心功能障碍的影响,尚未进行细胞层面的验证;(2)未验证更多种剂量的川陈皮素的作用效果;(3)川陈皮素调节Nrf2/HO‑1信号通路的分子机制尚未深入研究,未明确川陈皮素的直接作用靶点。综上所述,川陈皮素可通过抑制炎症和氧化应激减轻脓毒症心肌损伤,其机制可能与激活Nrf2/HO‑1信号通路有关。
作者贡献度说明:
古雍翔:文章设计、构思和撰写;田勇和周颖:数据统计,图表绘制;杨国辉:论文整体审阅和指导。
所有作者声明不存在利益冲突关系。
贵州医科大学国家自然科学基金培育项目(gyfynsfc‑2021‑54)