糖尿病肾病(diabetic kidney disease,DKD)是糖尿病最常见的微血管并发症之一,主要临床表现为持续性白蛋白尿,同时伴有肾功能逐渐衰退。调查显示,糖尿病的发病率逐年升高,其中约30%到40%的糖尿病患者会发展成DKD,给社会造成巨大的经济压力
[1,2]。目前研究发现,肾纤维化是DKD向终末期肾脏病进展的重要原因
[3],而上皮间充质转化(epithelial mesenchymal transition,EMT)是肾纤维化过程中一个关键步骤,极大的促进了肾纤维化的发生、发展。EMT是指上皮细胞逐渐丧失其原有的上皮特性,转而表现出成纤维细胞的特征。这一复杂过程具体体现在上皮标志物如E‑钙粘蛋白(
E-cadherin)的表达下调,同时伴随着EMT相关标志物如Ⅲ型胶原蛋白alpha 1链(Col3α1)和波形蛋白(Vimentin)的表达上调
[4,5]。而甲基化修饰、线粒体功能障碍、铁死亡以及异常糖酵解等因素均被证实能够诱发EMT的发生
[4,6‑8]。近期,糖酵解与EMT之间的紧密联系已成为不同科研领域的热点议题,受到了广泛的关注与研究。特别是6‑磷酸果糖‑2‑激酶/果糖‑2,6‑二磷酸酶3(PFKFB3),作为磷酸果糖激酶‑1(PFK‑1)的一种强效异位激活剂,在促进肾脏纤维化方面发挥着重要作用,PFKFB3的缺失或PFKFB3活性降低能阻止肾纤维化的形成,对肾脏起到保护作用
[9]。因此,本研究推测PFKFB3或许能成为抑制异常糖酵解改善糖尿病肾病EMT的关键治疗靶点。
DKD在中医中归属于“肾消”范畴。其病因主要是禀赋不足、情志失调、劳逸失度、消渴日久等。国医大师吕仁和教授认为该病病机关键为“微型癥瘕”,以肾虚为本,久病入络,气阴耗伤,痰浊瘀毒互结,阻滞肾络形成微癥瘕为标。益智仁,味辛性温,归脾肾二经,具有温肾固精缩尿、温脾止泻摄唾之效,可补肾虚之本,截断“微癥瘕”的形成。课题组前期研究发现益智仁对DKD小鼠肾脏具有保护作用,但益智仁能否通过抑制PFKFB3诱导的异常糖酵解改善EMT保护肾脏尚未报道。因此,本研究旨在探究益智仁是否通过抑制糖酵解关键酶PFKFB3的表达,从而改善糖尿病肾病EMT,以期为DKD临床治疗提供新的思路。
1 材料与方法
1.1 药品与试剂
益智仁(Alpiniae Oxyphyllae Fructus)(批号:24011204)购于北京大恒倍生药业有限公司,并按《中国药典》2020版鉴定,药材符合规定且为正品;恩格列净片(规格:10 mg/片、国药准字H2020341,生产企业:四川科伦药业股份有限公司),购于海南医科大学第一附属医院;MEM培养基(含NEAA)(货号:PM150410)、胎牛血清(FBS)(货号:164210)购于武汉普诺赛生命科技有限公司;青霉素‑链霉素溶液(双抗)(货号:15070063)购于美国Gibco公司;45%D ‑(+)‑葡萄糖溶液(货号:G8769)购于Sigma公司;RNA提取试剂盒(货号:LS1040)购于北京普洛麦格生物技术有限公司;Omni‑Rapid™快速蛋白定量试剂盒(货号:ZJ103)、RIPA 裂解液(强)(货号:PC102)购于雅酶生物科技有限公司;苯甲磺酰氟(PMSF)(货号:ST507)购于碧云天生物技术有限公司;HRP 标记山羊抗兔IgG(货号:33101ES60)购于翌圣生物科技有限公司;PFKFB3抗体(货号:ab181861,兔抗)、Col3α1抗体(货号:ab184993,兔抗)购于Abcam公司,E-cadherin抗体(货号:3195T,兔抗)、Vimentin抗体(货号:5741T,兔抗)购于CST公司;β‑actin抗体(货号:GB15003‑100,兔抗)购于武汉赛维尔生物科技有限公司;人肾皮质近曲小管上皮细胞(HK‑2细胞)(货号:CL‑0109)购于武汉普诺赛生命科技有限公司。
1.2 实验动物
1.2.1 制备含药血清大鼠
7~8周龄SPF级SD雄性大鼠,购于北京维通利华实验动物技术有限公司(动物许可证号:SCXK(京)2021‑0011),饲养于海南云量生物科技有限公司。
1.2.2 实验小鼠
6周龄SPF级db/db小鼠和同窝db/m小鼠(品系编号:T002407),购自江苏集萃药康生物科技股份有限公司,许可证号(SCXK(苏)2018‑0008)。饲养于海南医科大学安评中心,温度(22±2)℃和湿度(50±5)%,光/暗周期为12 h,食用标准食物并自由饮水。本研究经海南医科大学动物护理与伦理委员会批准(批准文号:HYLL ‑2021‑389),并按照《实验动物护理和使用指南》进行动物实验。
2 方法
2.1 体内实验
2.1.1 分组及给药
将6周龄db/db小鼠和db/m小鼠适应性喂养2周后,检测随机血糖(GLU)和尿微量白蛋白(mAlb),db/db小鼠的GLU≥16.7 mmol/L,mAlb显著高于db/m小鼠,表明DKD模型成功建立。将DKD小鼠随机分为五组:模型组、益智仁低剂量组、益智仁中剂量组、益智仁高剂量组、恩格列净组,db/m小鼠为空白组,每组6只小鼠,依据人与小鼠体表面积法
[10]确定益智仁低、中、高剂量组分别以益智仁(0.625 mg·g
-1·d
-1、1.25 mg·g
-1·d
-1、2.5 mg·g
-1·d
-1)灌胃,恩格列净组以恩格列净0.001 3 g·kg
-1·d
-1灌胃,空白组、模型组以等体积无菌水灌胃。
2.1.2 H&E染色
采用二氧化碳法处死小鼠后,取出肾脏采用4%多聚甲醛固定24 h,进行石蜡包埋和切片,并按照试剂盒说明书进行苏木精‑伊红染色(hematoxylin eosin staining,HE),通过光学显微镜观察肾组织病理学改变并拍照。
2.2 体外实验
2.2.1 细胞培养
HK‑2细胞培养条件 培养箱条件:温度37 ℃、CO2浓度5%;培养基:1%双抗、10%FBS、MEM(含NEAA)培养基;细胞生长至密度约80%时,进行传代。
2.2.2 含药血清制备
将SD大鼠随机分为空白组、益智仁用药组(
n≥20),参考人和动物体表面积转换公式
[10],确定益智仁等效动物药物用量为9 g·kg
-1·d
-1(相当于临床等效剂量),空白组给予等容量无菌水灌胃,每天给药1次,连续灌胃7 d,末次给药2 h待药物浓度达高峰时,用2%戊巴比妥钠腹腔注射麻醉大鼠,无菌条件下腹主动脉取血,血液静置2 h后4 000 r/min,4 ℃离心30 min,吸取血清在温度为56 ℃的金属浴中灭活 30 min,分装在1.5 mL离心管中,-80 ℃冰箱保存备用。
2.2.3 HK‑2细胞分组及给药
将对数生长期HK‑2细胞接种于培养瓶中分组为:空白组、模型组、益智仁含药血清低剂量组、益智仁含药血清中剂量组、益智仁含药血清高剂量组、恩格列净组。待细胞贴壁及生长状态良好后,除空白组外,其余组加无血清MEM培养基饥饿培养12 h后,给予含60 mmol/L高糖和5 ng/mL TGF‑β1的MEM完全培养基胁迫72 h后,空白组、模型组加10%空白血清,益智仁含药血清低剂量组加2.5%含药血清和7.5%空白血清,益智仁含药血清中剂量组加5%含药血清和5%空白血清,益智仁含药血清高剂量组加10%含药血清,恩格列净组加100 nmol/L恩格列净和10%空白血清。
2.2.4 划痕试验检测HK‑2细胞细胞迁移力
将HK‑2细胞悬液按3×105个/孔接种于6孔板中,细胞贴壁及生长状态良好后,除空白组外,其余组加无血清MEM培养基饥饿培养12 h后,给予含60 mmol/L高糖和5 ng/mL TGF‑β1的MEM完全培养基胁迫72 h后,用1 000 μL枪头在孔中划直线,在显微镜下观察拍照,作为0 h划痕。空白组、模型组加入10%空白血清,给药组分别加入2.5%、5%、10%益智仁含药血清和恩格列净干预24 h后,拍照记录作为24 h划痕。使用Image J软件测量划痕的面积并按面积法计算细胞迁移率,即细胞迁移率=(0 h划痕面积‑24 h划痕面积)/ 0 h划痕面积 × 100%。
2.3 RT‑qPCR
根据RNA提取试剂盒说明书提取细胞总RNA,然后依照逆转录试剂盒步骤将RNA逆转录为cDNA,最后将肌动蛋白(β‑actin)作为内参于PCR仪器内按条件进行扩增,采用循环阈值(Ct),使用公式2
‑△△Ct进行计算mRNA相对表达量。所用引物由广州艾基生物技术有限公司合成。见
表1。
2.4 Western blot
首先,使用RIPA裂解液和蛋白酶抑制剂裂解细胞,获得总蛋白。依照蛋白定量试剂盒步骤测定蛋白浓度并调平蛋白浓度。加入蛋白上样缓冲液(loading buffer)进行变性。将变性后的蛋白样品等体积加入十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶(SDS‑PAGE)凝胶上进行电泳,并转移到聚偏二氟乙烯膜(PVDF膜)。用5%脱脂牛奶在室温下封闭2 h,一抗PFKFB3(1∶2 000)、E-cadherin(1∶1 000)、Col3α1(1∶1 000)、Vimentin(1∶1 000)、β‑actin(1∶2 000)在4 ℃下孵育过夜。最后,在室温下用二抗孵育1 h后使用ECL显影液显影。使用Image J软件分析PFKFB3、E-cadherin、Col3α1、Vimentin的蛋白相对表达水平。
2.5 免疫荧光
首先将培养于24孔板的HK‑2细胞,弃去培养基,用PBS洗涤3次,加入4 %的多聚甲醛溶液固定30 min。PBS洗涤3次,每次5 min后用0.3% Triton X‑100处理20 min,加入10%的山羊血清常温封闭30 min。PBS洗涤3次,每次5 min,加入一抗(Col3α1,1∶50)在4 ℃下孵育过夜。然后用PBS洗涤3次,每次5 min,室温下荧光二抗(1∶500)避光孵育1 h。PBS洗涤3次,每次5 min,样本用DAPI复染细胞核,室温孵育5 min。在荧光显微镜下观察。
2.6 统计分析
实验数据均使用GraphPad Prism 9.5进行统计分析和绘图。为了评估统计显著性,两组样本采用t检验分析,多组样本采用单因素方差分析。以均数±标准差()表示,P<0.05为差异具有统计学意义。
3 结果
3.1 体内实验
3.1.1 益智仁对DKD小鼠肾脏组织病理的影响
如
图1的HE染色所示,空白组小鼠肾小球显微结构正常,未见基底膜增厚(GBM),肾小管各段形态正常。与空白组相比,模型组体积增大、基底膜增厚,肾小管上皮细胞肿胀、管腔变窄。益智仁及恩格列净干预后,各治疗组肾脏病理变化均有不同程度的减轻。根据前期研究成果
[11]以及HE染色结果确定益智仁中剂量为最佳药物浓度,因此,后续将采用中剂量益智仁进行后续实验。
3.1.2 益智仁对DKD小鼠EMT标志物E‑cadherin、Col3α1、Vimentin mRNA水平的影响
如
图2的RT‑qPCR显示,与空白组比较,模型组EMT标志物E-cadherin下降(
P<0.01),Col3α1、Vimentin明显升高(
P<0.01、
P<0.001);与模型组比较,益智仁组和恩格列净组E-cadherin明显上升(
P<0.01),Col3α1、Vimentin明显下降(
P<0.05、
P<0.01);益智仁组与恩格列净组比较无统计学差异(
P>0.05)。
3.1.3 益智仁对DKD小鼠糖酵解酶PFKFB3、EMT标志物E‑cadherin、Col3α1、Vimentin蛋白水平的影响
如
图3的Western blot所示,与空白组相比,模型组糖酵解酶PFKFB3、EMT标志物Col3α1、Vimentin明显升高(
P<0.05),E-cadherin下降(
P<0.05);与模型组比较,益智仁组和恩格列净组PFKFB3、Col3α1、Vimentin明显下降(
P<0.05、
P<0.01),E-cadherin明显上升(
P<0.05);益智仁组与恩格列净组比较无统计学差异(
P>0.05)。
3.2 体外实验
3.2.1 不同浓度益智仁含药血清对高糖加TGF‑β1胁迫下HK‑2细胞细胞迁移力的影响
图4划痕实验显示,与空白组比较,模型组细胞划痕愈合率增加,HK‑2细胞细胞迁移能力明显增加(
P<0.01);与模型组比较,2.5% 、5% 、10%含药血清组和恩格列净组划痕愈合率降低,HK‑2细胞细胞迁移能力降低(
P<0.05、
P<0.01、
P<0.001),以10%益智仁含药血清组HK‑2细胞细胞迁移能力降低最明显,结合本课题组前期实验结果
[12],确定以10%益智仁含药血清进行后续实验。
3.2.2 益智仁含药血清对高糖加TGF‑β1胁迫下HK‑2细胞中EMT标志物E‑cadherin、Col3α1、Vimentin mRNA水平的影响
如
图5的RT‑qPCR结果显示,与空白组比较,模型组EMT标志物E-cadherin下降(
P<0.05),Col3α1、Vimentin明显升高(
P<0.01);与模型组比较,10%含药血清组和恩格列净组E-cadherin明显上升(
P<0.05、
P<0.001),Col3α1、Vimentin明显下降(
P<0.05、
P<0.01);益智仁组与恩格列净组相比无统计学差异(
P>0.05)。
3.2.3 益智仁含药血清对高糖加TGF‑β1胁迫下HK‑2细胞中糖酵解酶PFKFB3、EMT标志物E‑cadherin、Col3α1、Vimentin蛋白水平的影响
如
图6的Western blot结果显示,与空白组比较,模型组PFKFB3、EMT标志物Col3α1、Vimentin明显升高(
P<0.05、
P<0.001),E-cadherin下降(
P<0.01);与模型组比较,10%含药血清组和恩格列净组PFKFB3、Col3α1、Vimentin明显下降(
P<0.05、
P<0.01、
P<0.001),E-cadherin明显上升(
P<0.05);益智仁组与恩格列净组相比无统计学差异(
P>0.05)。
3.2.4 益智仁含药血清对HK‑2细胞中Col3α1荧光表达的影响
如
图7免疫荧光结果显示,与空白组比较,模型组中Col3α1荧光的表达显著上调,给予益智仁含药血清组和恩格列净组Col3α1荧光的表达下调。
4 讨论
肾纤维化是DKD一个重要病理特征,是推动DKD进展至肾衰竭阶段的关键因素,主要表现为肾小管间质纤维化、肾小管萎缩、肾小球硬化和肾脏正常结构受损
[13,14]。具体而言,肾纤维化是细胞外基质的过度沉积,逐渐取代正常实质器官的功能,最终导致器官功能衰竭,而EMT过程能够激活并累积成纤维细胞,促进细胞外基质的沉积。因此,EMT被视为促进DKD纤维化进展的一个重要因素
[15]。最新的研究揭示,糖酵解过程与糖尿病肾病中EMT的发生密切相关
[16]。
糖酵解是一种至关重要的新陈代谢途径,其始于葡萄糖转运至细胞内部,并最终以每分子葡萄糖转化为两分子丙酮酸及伴随产生两分子ATP作为终点。随后,丙酮酸在有氧环境下,被转化为乙酰辅酶A并进入三羧酸循环进行进一步的能量生成;而在无氧条件下,则转变为乳酸。然而,有研究表明,在DKD中即便在有氧条件下,糖酵解途径同样能诱发乳酸的产生
[17]。PFKFB3作为一种高效的异位激活剂,对磷酸果糖激酶‑1(PFK‑1)的活性具有显著增强作用。PFKFB3引发的异常糖酵解促进了肾纤维化的发生,另有研究发现,DKD模型小鼠中,PFKFB3的表达水平呈现上升趋势,这一变化导致了乳酸浓度及细胞外酸化速率的显著增加
[18]。尤为重要的是,乳酸能够通过激活H3K14la/KLF5信号通路驱动EMT的发生
[16]。糖尿病肾病细胞外基质过度堆积导致EMT发生的过程及形态学改变与中医理论“由癥转瘕”特点(病理产物互相交结、有形可征、病位固定)相吻合,故将其归于中医“癥瘕”范畴。
中药具有多成分、多靶点以及整体调节的特点,在抑制异常糖酵解改善纤维化具有潜在应用价值
[19,20]。益智仁是姜科植物益智的干燥成熟果实,属于四大南药之一,其补益脾肾、补虚荣络之效,可使肾虚得补,癥瘕得消,符合“微型癥瘕”病机。因此,本研究重点探讨了益智仁对糖尿病肾病EMT的作用机制。
本实验构建DKD体内体外模型,探究益智仁治疗DKD的作用机制。通过HE染色观察肾脏组织病理损伤,发现益智仁能改善DKD小鼠肾脏组织病理损伤。结合前期研究结果表明,益智仁对DKD小鼠具有较好的疗效。本研究聚焦益智仁可能通过抑制异常糖酵解改善糖尿病肾病EMT这一研究假说,检测小鼠肾脏、HK‑2细胞中糖酵解关键酶PFKFB3、EMT相关标志物E-cadherin、Col3α1、Vimentin的mRNA及蛋白表达水平,多层次地评估益智仁抑制异常糖酵解酶改善糖尿病肾病EMT的分子机制。研究发现,益智仁能有效降低糖酵解关键酶PFKFB3的表达水平,上调E-cadherin表达,下调Col3α1、Vimentin的表达,发挥治疗DKD的作用。然而研究中发现,E-cadherin、Col3α1、Vimentin表达的蛋白水平及mRNA水平有差异,可能与mRNA没有被有效翻译成蛋白质或有抑制翻译的机制的存在,或蛋白质被迅速降解,以及抗体的敏感的度等相关,后期将进一步进行实验验证分析。
综上所述,益智仁治疗糖尿病肾病EMT的机制,可能是通过抑制糖酵解关键酶PFKFB3的表达,上调E-cadherin表达,下调Col3α1、Vimentin的表达,有效延缓了糖尿病肾病EMT进程。但本实验具有一定的局限性,异常糖酵解的发生是如何引起EMT的发生未进行验证,后期将进一步探究益智仁调控糖酵解改善糖尿病肾病EMT的分子机制。
作者贡献度说明:
谢毅强,肖曼:实验设计及指导;李小燕:实验操作及撰写文章;袁勇、王晶:统计分析及文章校稿;马天鹏:中药提取物制备;李丽丹、颜子杰:实验操作。
所有作者声明不存在利益冲突关系。
国家自然科学基金‑面上项目(82174334)
代谢性疾病中医药调控四川省重点实验2022年开放基金(SZKF202203)