肌少症(sarcopenia)是一种渐进性、广泛性肌肉质量减少、肌肉强度下降、功能减退,进而导致活动受限、甚至死亡的疾病
[1]。当肌肉减少主要与年龄增长相关时,可被定义为原发性肌少症,又称为年龄相关性肌少症;由废用性萎缩、慢性疾病、营养不良、恶病质等多种非年龄相关因素引起的肌肉减少,则属于继发性肌少症的范畴
[2]。5⁃氟尿嘧啶(5⁃FU)是一种广泛使用的化疗药物,它在多种癌症的治疗中发挥着重要作用。化疗会导致明显的骨骼肌质量损失
[3],即化疗肌少症,同时肌少症又可能影响化疗的效果和患者的耐受性,增加化疗相关并发症的风险
[4,5]。
化疗肌少症的机制目前尚不清楚,许多研究表明,腺苷酸激活的蛋白激酶(AMPK)、沉默信息调节因子1(SIRT1)和过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(PGC⁃1α)信号通路在肌肉生长和代谢调节中起着至关重要的作用
[6,7]。作为细胞能量平衡的关键调节因子,AMPK被激活时能够促进脂肪酸氧化和糖酵解,抑制脂肪酸合成和蛋白质合成,进而促进肌肉萎缩
[8]。SIRT1是一种去乙酰化酶,能够通过去乙酰化多种底物来促进线粒体生物发生,改善肌肉功能
[9]。PGC⁃1α是SIRT1的下游靶点,是线粒体生物发生和功能的关键调节因子,能够促进线粒体的生成和功能,提高肌肉表现
[10]。因此,选择AMPK/SIRT1/PGC⁃1α信号通路作为研究化疗肌少症的机制具有充分的理论依据。
中医理论中,脾脏被视为“后天之本”,在癌症放化疗过程中,脾运化功能失司,出现四肢消瘦、痿废等症。因此,可从脾论治肌少症。结合中医的“补脾益气”理念,对于癌症放化疗患者来说,重点在于强化脾的功能,从而提高骨骼肌的力量和功能。补中益气汤作为补脾益气的经典方剂,有望成为改善化疗肌少症的药物。因此本研究通过腹腔注射5⁃FU进行化疗肌少症模型的构建,从AMPK/SIRT1/PGC⁃1α信号通路入手研究化疗肌少症的机制,并用中医传统补益脾气方剂补中益气汤改善化疗肌少症。
1 材料与方法
1.1 实验动物
35只6~8周龄雄性SPF级SD大鼠,体质量范围(200±20) g。由辽宁长生生物技术股份有限公司提供,持有实验动物生产许可证编号SCXK(辽)2020⁃0001。本研究遵循了国际公认的动物福利和伦理准则,实验经辽宁中医药大学动物伦理委员会批准,伦理审批编号为21000042023173,于辽宁中医药大学实验动物中心进行饲养,等分昼夜节律,湿度60%±5%、温度(22±2) ℃适宜环境下饲养,摄食与饮水充分,适应性饲养1周后进行实验。
1.2 药物
根据第10版《方剂学》中补中益气汤药物组成和用量为:黄芪18 g,炙甘草、白术各9 g,陈皮、升麻、柴胡、人参各6 g,当归3 g。黄芪(批号:2307238101)、炙甘草(批号:2301708101)、白术(批号2207475101)、陈皮(批号2307157101)、升麻(批号2302093101)、柴胡(批号:2304145101)、人参(批号:2207047101)、当归(批号:2309120101);均购自辽宁中医药大学附属医院,药物水煎,常规煎煮2次,浓缩为终浓度含生药量2 g/mL溶液,再分别稀释为1 g/mL和0.5 g/mL溶液,冷却后存放至4 °C冰箱保存备用。
1.3 试剂
5⁃氟尿嘧啶(美国Sigma公司,批号:F6627⁃1G);苏木素‑伊红(H&E)染色试剂盒(北京索莱宝生物公司,批号:G1120);Atrogin⁃1、MuRF⁃1抗体(武汉塞维尔生物有限公司,批号:BD⁃PA0761、C48394);MyoD抗体(武汉三鹰生物公司,批号:18943⁃1⁃AP);Myogenin抗体(杭州华安生物技术有限公司,批号:HA500492);p⁃AMPK(Thr172)抗体(affinity公司,批号:AF3423);AMPK、SIRT1、PGC⁃1α、β⁃actin抗体(武汉三鹰生物技术有限公司,批号:10929⁃2⁃AP、13161⁃1⁃AP、66369⁃1⁃IG、20536⁃1⁃AP);HRP⁃linked Antibody(CST公司,批号:7074s);SIRT1抗体(武汉博士德生物工程有限公司,批号:A00018⁃1);Rat AMP Elisa Kit、Rat ATP Elisa Kit(安迪华泰生物科技公司,批号:E⁃33122、E⁃200094);RNAisoPlus、Prime Script RT reagent Kit with gDNA Eraser、TBGreen Premix ExTaqII(Takara公司,批号:9109、RR047A、RR820A)。
1.4 仪器
大鼠抓力测定仪YLS⁃13A型(济南益延科技发展有限公司);Multiskan Spectrum酶标仪(美国赛默飞公司);170⁃4405电泳槽、170⁃4401型转移电泳槽(美国伯乐公司);Tanon5200型化学发光成像系统(上海天能科技有限公司);CFX Opus 96实时荧光定量PCR系统(美国伯乐公司);Sorvall MX150 Plus Centrifuge高速离心机(美国赛默飞公司);Arcadia型组织包埋机;Biocut型切片机;M8数字切片扫描成像系统(PrecipointFM34F056)。
1.5 实验动物分组、造模及给药方法
SPF级雄性SD大鼠35只,将其随机分为空白对照组(control group,CG)、模型组(model group,MG)、补中益气汤低剂量(low⁃dose Buzhong Yiqi Decoction,LBYD)组、补中益气汤中剂量(middle⁃dose Buzhong Yiqi Decoction,MBYD)组、补中益气汤高剂量(high‑dose Buzhong Yiqi Decoction,HBYD)组,每组7只。参考文献[
11]方法,并根据实验改良,CG除外,其余大鼠通过腹腔注射5⁃FU,剂量设定为28 mg/kg,每天注射1次,持续6 d。CG则作为对照组,接受相同体积的生理盐水注射。在构建模型同时,补中益气汤组的大鼠根据剂量不同进行灌胃处理,其中LBYD组的剂量为0.5 g/mL,MBYD组为1 g/mL,HBYD组为2 g/mL。与此同时,CG和MG接受相同体积的生理盐水灌胃,持续15 d,并在此期间定期记录大鼠体质量、抓力和力竭游泳时间的变化。
1.6 样品制备
末次给药结束后禁食禁水,次日过量麻醉处死大鼠,采集其腓肠肌组织样本,部分组织于4%多聚甲醛中固定,剩余分装于冻存管中置于-80 °C冰箱保存,待检测。
1.7 大鼠一般情况及体质量、抓力、力竭游泳时间的测定
实验过程中,对所有组别大鼠的生长状况、饮食饮水行为、皮毛光泽度以及精神状态等健康状况进行监测。此外,每隔3 d对大鼠的体质量、抓力和力竭游泳时间进行详细记录。
抓力测定:将大鼠放置于抓力仪上,允许动物前肢抓住抓力仪,同时把尾部轻轻地平行拉离杆,记录施加最大力量时的抓力计读数,每只大鼠测3次。
大鼠力竭游泳时间的测定:将大鼠尾部绑缚相当于其体质量8%的铅块,实验在温度维持在25~30 ℃、水深为30 cm的特制水池中进行。大鼠在水中游泳至头部没入水中10 s未上浮至水面,即被认定为力竭,记录时间。
1.8 H&E染色观察腓肠肌形态学改变
将腓肠肌样本剪取并浸泡在4%的多聚甲醛溶液中固定。固定完成后,组织样本经一系列梯度乙醇的脱水处理,随后通过二甲苯进行透明处理,使用石蜡进行包埋。包埋后的组织被切成薄片,并进行染色处理。染色完成后,样本被覆盖以保护染色层。最后,在显微镜下对各组大鼠的腓肠肌组织样本进行形态学变化的观察分析。使用ImageJ软件进行横截面积的计算。首先确认图片类型为8⁃bit,设定标尺完成后设置阈值,以区分目标物和背景,在分析中设置输出面积选项,分析并输出结果。
1.9 免疫组化法(IHC)检测肌肉萎缩相关蛋白(Atrogin⁃1、MuRF⁃1)、肌肉生长相关蛋白(MyoD、Myogenin)的表达情况
取切片脱水脱蜡,PBS洗涤抗原修复,冷却至室温,5%山羊血清用于封闭处理,30 min。样本中加入一抗,包括Atrogin⁃1、MuRF⁃1、MyoD和Myogenin,在4 ℃条件下进行过夜孵育。次日室温加入二抗,并孵育1 h。使用PBS洗涤后,添加DAB显色液实现显色。用苏木素进行对比染色,最后封片。在显微镜下观察并记录Atrogin⁃1、MuRF⁃1、MyoD和Myogenin的蛋白表达情况。采用ImageJ软件进行平均光密度值分析。
1.10 ELISA法检测各组大鼠腓肠肌内三磷酸腺苷(ATP)和单磷酸腺苷(AMP)水平
将100 mg的腓肠肌组织与1 mL的PBS溶液混合,进行匀浆处理。随后,通过离心分离上清液,并依据ELISA试剂盒说明对ATP和AMP进行定量分析。测量各孔的光密度(OD)值并构建标准曲线,X轴代表标准品浓度,Y轴代表对应的OD值。建立标准曲线方程并计算ATP与AMP浓度。
1.11 实时荧光定量PCR法(RT⁃qPCR)检测各组大鼠腓肠肌内的Atrogin⁃1、MuRF⁃1、MyoD、Myogenin、AMPK、SIRT1、PGC⁃1α mRNA表达情况
剪取50 mg腓肠肌样本,加入1 mL RNAisoPlus溶液,经过匀浆,去除蛋白质和DNA,添加乙醇使RNA沉淀,离心收集沉淀后洗涤和干燥,溶解在适当的体积的DEPC处理水中。RNA逆转录为cDNA,低温条件下配制25 μL的反应混合液。PCR扩增过程遵循以下步骤:首先在95 ℃进行30 s的预变性,1次;95 ℃进行5 s变性;60 ℃进行30 s退火,39次循环;最后熔解曲线分析。以
β⁃actin基因作为内参,采用2
-ΔΔCt法来定量分析目标基因的表达水平。所用引物由生工生物工程(上海)公司负责合成,见
表1。
1.12 蛋白免疫印迹法(Western blot)检测大鼠腓肠肌内AMPK/SIRT1/PGC⁃1α信号通路相关蛋白表达情况
取100 mg大鼠腓肠肌组织置于冰上剪切,加入RIPA裂解液、PMSF,离心取上清,BCA测定浓度。SDS⁃PAGE电泳、转膜。室温5%脱脂牛奶封闭,70 min。孵一抗(p⁃AMPK、AMPK、SIRT1、PGC⁃1α:1∶1 000;β⁃actin∶1∶5 000),4 ℃过夜。次日,加二抗,室温孵育1 h。ECL发光试剂盒发光显影,ImageJ定量分析。
1.13 统计学处理
采用SPSS27.0进行统计,计量资料用表示,数据进行正态性与方差齐性检验,组与组之间若满足正态分布和方差齐性使用单因素方差分析(One⁃way ANOVA),否则采用非参数秩和检验。P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 补中益气汤对各组大鼠一般状态和体质量的影响
实验开始前,各组大鼠体质量无差异(
P>0.05)。第6天,模型组大鼠精神不振、倦怠懒动;粪便稀薄、肛周污秽;背毛凌乱、毛发疏松少泽,体质量较空白对照组明显降低(
P<0.01)。低、中剂量补中益气汤组体质量高于模型组(
P<0.05)。第15天,模型组大鼠体质量仍明显低于空白对照组(
P<0.01),粪便如水样且严重脱毛。低、中、高剂量补中益气汤组体质量较模型组明显升高(
P<0.01),但与空白对照组仍存在差异(
P<0.01)。见
表2、
图1。
2.2 补中益气汤对各组大鼠抓力的影响
初始时,各组大鼠抓力无差异(
P>0.05)。第6天,模型组抓力较空白对照组明显降低(
P<0.01),低、中、高剂量补中益气汤组抓力有增长趋势,但无统计学差异(
P>0.05)。第15天,模型组抓力仍明显低于空白对照组(
P<0.01),低、中、高剂量补中益气汤组抓力较模型组明显升高(
P<0.01),但与空白对照组仍存在差异(
P<0.05)。见
表3、
图2。
2.3 补中益气汤对各组大鼠力竭游泳时间的影响
实验开始时,各组大鼠力竭游泳时间无差异(
P>0.05)。第6天,模型组力竭游泳时间较空白对照组明显降低(
P<0.05),低、中、高剂量补中益气汤组与空白对照组相比未出现明显下降(
P>0.05)。第15天,模型组力竭游泳时间较空白对照组明显下降(
P<0.01),中、高剂量补中益气汤组明显高于模型组(
P<0.05)。见
表4、
图3。
2.4 补中益气汤对各组大鼠骨骼肌AMP/ATP的影响
与空白对照组比较,模型组大鼠腓肠肌AMP/ATP比值明显升高(
P<0.01);与模型组相比,低、中和高剂量补中益气汤均可明显降低大鼠腓肠肌AMP/ATP比值(
P<0.05)。见
图4。
2.5 补中益气汤对各组大鼠腓肠肌组织病理学结构变化的影响
空白对照组大鼠腓肠肌肌纤维排列紧密且规律,模型组肌纤维间距增加,排列松散、紊乱。低、中、高剂量补中益气汤干预后,肌纤维间隔变小,排列较为整齐,见
图5A。模型组肌纤维横截面积明显缩小(
P<0.01),低、中、高剂量补中益气汤组肌纤维横截面积较模型组明显增大(
P<0.05)。见
图5B。
2.6 补中益气汤对大鼠腓肠肌组织中Atrogin⁃1、MuRF⁃1、MyoD、Myogenin蛋白表达水平的影响
结果表明,模型组Atrogin⁃1和MuRF⁃1蛋白吸光度明显增加(
P<0.01),低、中、高剂量补中益气汤组吸光度明显下降(
P<0.05)。模型组MyoD和Myogenin蛋白吸光度明显下降(
P<0.01),低、中、高剂量补中益气汤组MyoD蛋白吸光度明显增加(
P<0.05),中剂量组Myogenin蛋白吸光度明显升高(
P<0.05)。见
图6。
2.7 补中益气汤对各组大鼠腓肠肌组织内Atrogin⁃1、MuRF⁃1、MyoD、Myogenin mRNA表达水平的影响
结果表明,模型组
Atrogin⁃1和
MuRF⁃1 mRNA表达水平明显上升(
P<0.01),低、中、高剂量补中益气汤组表达量明显降低(
P<0.01、
P<0.01、
P<0.05)。模型组
MyoD和
Myogenin mRNA表达水平明显减少(
P<0.01),低、中剂量补中益气汤组表达量明显上升(
P<0.05、
P<0.01),高剂量组
Myogenin mRNA表达量有所提高,但无统计学意义(
P>0.05)。见
图6C。
2.8 补中益气汤对各组大鼠AMPK⁃SIRT1⁃PGC⁃1α信号通路基因与蛋白表达的影响
模型组
AMPK mRNA表达水平明显增加(
P<0.01),低、中剂量补中益气汤组表达水平明显下降(
P<0.05、
P<0.01)。模型组
SIRT1和
PGC⁃1α mRNA表达水平明显降低(
P<0.01),低、中剂量补中益气汤组表达水平明显上升(
P<0.05)。高剂量组
SIRT1 mRNA表达水平明显上调(
P<0.05),
PGC⁃1α mRNA表达水平无统计学差异(
P>0.05)。见
图7A。
模型组p⁃AMPK/AMPK比值及SIRT1和PGC⁃1α蛋白表达水平明显下降(
P<0.01),低、中、高剂量补中益气汤组比值及蛋白表达水平明显增加(
P<0.05或
P<0.01)。见
图7B、C。
3 讨论
肌少症属于中医“痿证”范畴,《素问·脏气法时论》云:“脾主四肢”。《素问·脏腑经络篇》云:“脾虚则肌肉痿弱”。脾的运化功能一旦失调便会导致肌肉萎弱等症,补中益气汤作为补益脾气的经典方剂,许多文献证明其可以对骨骼肌损失发挥作用
[12,13]。补中益气汤具有补益中焦之气、升阳举陷的功效。方中重用黄芪补中益气,固表止汗,升阳举陷,为君药;人参、炙甘草和白术共为臣药,协同君药益气健脾;血为气之母,故用当归养血和营;陈皮理气行滞,使补而不滞,行而不伤,共为佐药;少入柴胡、升麻升阳举陷,佐助君药以升提下陷之中气;炙甘草调和诸药,亦作使药。全方补气与升提并用,发挥资助正气、促进气血生化之功效。现代医学表明,补中益气汤内各药物有效成分包括多糖、皂苷、挥发油和黄酮等,均可表现出多个药理作用靶点,对肌肉萎缩具有良好疗效
[14⁃16]。临床应用方面,文献表明补中益气汤可以对多种癌症化疗引起的不良反应具有良好改善作用
[17]。补中益气汤通过其独特的配伍,能够有效调节机体的气血运行,增强脾胃功能,促进营养物质的吸收和利用,从而为肌肉的修复和生长提供必要的物质基础。然而,对于化疗引起的肌少症的相关研究较少,本研究旨在进一步探讨补中益气汤在这一领域的潜在作用和机制。
5⁃FU类化疗药物可导致骨骼肌损伤,主要原因包括
[18,19]:(1)化疗干扰患者饮食的正常摄入,进而导致维生素D、蛋白质以及ω⁃3多不饱和脂肪酸等关键营养素的摄入不足。(2)化疗期间患者常感到疲劳,这种体力活动的减少可能会导致废用性萎缩的发生。(3)化疗药物可能直接作用于肌肉,干扰骨骼肌的正常代谢和调节。(4)化疗可能对肠道功能造成损害,影响肠道对营养的吸收能力。但5⁃FU对肌肉的直接作用尚不明确。在一项关于5⁃FU对大鼠骨骼肌影响的研究中,接受5⁃FU处理的大鼠体质量明显下降,同时伴随着肌肉功能和肌纤维尺寸的减少
[20],进一步促进了化疗后恶病质的进展。本研究采用腹腔注射5⁃FU的方法来建立化疗引起的肌肉减少症模型。在实验开始时,各组大鼠的体质量、抓力和力竭游泳时间差异无统计学意义。实验第6天,与空白对照组相比,模型组大鼠的体质量、抓力和力竭游泳时间均出现了明显降低。通过H&E染色结果显示,模型组大鼠的肌纤维间隙增大、排列稀疏,肌纤维横截面积明显减少,表明模型构建成功。
研究表明,化疗引起的不良反应中最突出的特征之一是能量缺乏
[21],在放化疗期间,糖酵解、线粒体和三羧酸循环这些维持骨骼肌能量代谢平衡的正常循环被打破,导致骨骼肌能量代谢紊乱,进一步加剧放化疗后的肌肉萎缩和功能丧失
[22]。AMPK被称为“细胞能量感受器”,在细胞能量水平下降时被激活,其信号是AMP/ATP比值的增加
[23]。AMPK磷酸化可以影响线粒体内相关因子,促进合成效应
[24]。SIRT1、PGC⁃1α作为AMPK的众多下游靶分子之一,在能量代谢和转录调控方面发挥重要作用。SIRT1是一种NAD+依赖的去乙酰化酶,可以靶向组蛋白、转录因子等,参与调节细胞增殖与分化。AMPK的激活状态可以调节SIRT1的表达水平,同时SIRT1也参与了AMPK的磷酸化过程
[25]。它们共同调节PGC⁃1α的转录活性,其中AMPK直接作为PGC⁃1α的上游调节因子,而SIRT1则通过去乙酰化PGC⁃1α来激活其功能,推动线粒体的生物合成
[26]。PGC⁃1α作为骨骼肌线粒体生物合成的关键调控因子,当PGC⁃1α被激活时,能够进一步激活TFAM,从而调控线粒体DNA的转录,引发线粒体蛋白的协调性表达,并增强线粒体的合成能力
[27]。本实验结果表明,模型组大鼠AMP/ATP比值较空白对照组增高,提示大鼠机体内能量水平下降,进行补中益气汤干预后,骨骼肌中
AMPK、
SIRT1、
PGC⁃1α mRNA表达水平均明显上调。这表明补中益气汤通过激活AMPK/SIRT1/PGC⁃1α信号通路,有效改善了骨骼肌的能量代谢,从而抵抗肌肉萎缩。随着大鼠骨骼肌中p⁃AMPK蛋白表达量提高,其下游SIRT1、PGC⁃1α蛋白表达量也相应提高,进而抑制能量消耗,改善运动能力,提高肌肉表现。PGC⁃1α蛋白的高表达能够通过抑制FoxO3的活性,减少FoxO3与Atrogin⁃1、MuRF⁃1启动子的结合和转录来抵抗肌萎缩
[28]。Atrogin⁃1和MuRF⁃1作为泛素⁃蛋白酶体系统(UPS)中的E3连接酶,在多种骨骼肌萎缩模型中表达升高
[29]。MyoD和Myogenin都属于肌源性调节因子家族,二者在肌肉细胞分化过程中起着关键作用,能够启动肌组织特异性基因的表达及肌组织的分化。PGC⁃1α与MyoD、Myogenin之间存在密切的调控关系,它们共同参与了肌肉细胞的分化、代谢和能量调节过程
[30]。本研究组化结果提示,与模型组相比,大鼠腓肠肌组织内Atrogin⁃1、MuRF⁃1 mRNA和蛋白表达水平下调,MyoD和Myogenin mRNA和蛋白表达上调,进一步表明补中益气汤对骨骼肌萎缩程度有一定改善,且有促进肌肉分化的作用。
综上所述,本实验为5⁃FU对肌肉的不良反应的机制研究提供实验依据,补中益气汤对于改善由5⁃FU化疗引起的肌少症大鼠的生理状况和骨骼肌的病理损伤具有积极作用,其机制可能与激活AMPK/SIRT1/PGC⁃1α信号通路,维持能量稳态,进而抵抗骨骼肌萎缩有关。更深入的机制待进一步研究。
作者贡献度说明:
王艺:实验设计和操作,数据整理与统计分析,论文撰写;张月宇、张思琦:实验操作助手;雷萍、马贤德:研究指导、论文修改、经费支持。
所有作者声明不存在利益冲突关系。