糖尿病肾病(diabetic kidney disease,DKD)是糖尿病较为严重的并发症之一,也是终末期肾病(end stage renal disease,ESRD)发生的关键因素之一
[1]。目前,DKD已经超越原发性肾小球疾病,成为中国血液透析新增患者的首位原因
[2]。其中,肾小管间质纤维化是DKD进展到ESRD的关键步骤
[3],研究发现,肾小管间质纤维化与肾衰竭风险呈正相关
[4]。铁死亡被视为一种新兴的细胞程序性死亡机制,研究证实,铁死亡与DKD的氧化应激、炎症反应和肾小管纤维化有关
[5]。因此,通过调节铁死亡来改善肾小管纤维化可能是治疗DKD的一个潜在目标。
中医药在DKD的治疗过程中展现出了优势,具有副作用较小的特点
[6]。全国名老中医专家传承工作室指导老师、上海市名中医陈以平教授基于多年临床经验,提出DKD是虚实夹杂之证,并根据DKD在不同发展阶段的病机特点,将其分类为气阴两虚型、脾肾气虚型和脾肾阳虚型
[7]。其中陈以平教授专门针对DKD晚期经常出现的脾肾虚损证型,开发了芪蒡糖肾方,该方具有补脾益肾和行气活血的多重功效。早期的研究结果显示,芪蒡糖肾方可以有效地降低DKD患者的蛋白尿水平,并减缓肾功能的衰退,进而推迟ESRD的发展,但其作用机制尚不明确
[8,9]。因此,本项研究将从体内与体外实验探索芪蒡糖肾方对DKD小鼠与人肾皮质近曲小管上皮细胞HK2中Nrf2/Gpx4信号通路传导的影响,来深入了解芪蒡糖肾方在改善DKD方面的作用机制,从而为芪蒡糖肾方在临床上的推广应用提供科学的理论支持。
1 材料与方法
1.1 实验动物与细胞
SPF级C57BL/6J小鼠60只,8周龄,雄性,购于上海中医药大学动物实验中心(上海必凯科翼生物科技有限公司)。动物生产许可证号:SCXK(沪)2023‑0009,实验动物使用许可证号:SYXK(沪)2020‑0009。在室温22~25 ℃,相对湿度(55±10)%,12 h光暗交替环境中饲养。动物实验方案经上海中医药大学实验动物伦理委员会批准,符合规定伦理要求,批件编号:PZSHUTCM2402190002。实验细胞:HK2细胞,购于塞维尔生物(货号:STCC10303P)。
1.2 主要试剂及仪器
MEM培养基(货号:G4556)、胎牛血清(货号:G8002)、青链霉素混合液(货号:G4003)购于Servicebio公司;亚铁离子(Fe2+)含量测定试剂盒(货号:BC4355)购于Solarbio公司;活性氧(reactive oxygen species,ROS)检测试剂盒(货号:S0033S)、丙二醛(malondialdehyde,MDA)检测试剂盒(货号:S0131S)、CCK‑8试剂盒(货号:C0039)购于Beyotime公司;谷胱甘肽(glutathione,GSH)测定试剂盒(货号:A006‑2‑1)购于南京建成公司;GPX4抗体(货号:ab125066)购于abcam公司;Col3a1抗体(货号:A0817)购于ABclonal公司;Slc7a11(货号:26864‑1‑AP)、Nrf2(货号:16396‑1‑AP)、α‑SMA(货号:14395‑1‑AP)、Vimentin(货号:10366‑1‑AP)、E‑Cadherin(货号:20874‑1‑AP)、达格列净(批号:HY‑10450)购于MCE公司。
CO2培养箱(型号:3111)、化学发光成像仪(型号:2102013)购于上海勤翔科学仪器有限公司;荧光倒置显微镜(型号:Eclipse Ti‑E)、酶标仪(型号:Synergy H1 MF)购于BioTek公司。
1.3 动物分组、造模、给药
先将C57BL/6J小鼠适应性喂养1周,之后除正常组(CON组)以外,喂养高糖高脂饲料并注射链脲霉素(50 mg·kg‑1·d‑1,溶解于柠檬酸钠缓冲液,0.1 mol/L,pH=4.5)。注射结束1周后,尾静脉采血测定小鼠空腹血糖(fasting blood glucose,FBG),若FBG>16.7 mmol/L即为造模成功,随后将其分为模型组(MOD组)、达格列净组(DAPA组)、芪蒡糖肾方低剂量组(QBTSF‑L组)、芪蒡糖肾方中剂量组(QBTSF‑M组)、芪蒡糖肾方高剂量组(QBTSF‑H组)。根据人与小鼠体表面积换算法进行计算,小鼠是人的9.1倍,故芪蒡糖肾方低、中、高剂量分别为:0.65、1.3、2.6 g·kg‑1·d‑1(中剂量为等效剂量),达格列净按照1.5 mg·kg‑1·d‑1给药,连续灌胃12周后处死。
1.4 标本的采集与检测
取材前1 d使用代谢笼收集小鼠尿液并检测血糖。取材前,每只小鼠腹腔注射1%戊巴比妥钠,眼球取血并取出小鼠肾脏样本,全血4 ℃下3 000 r/min离心20 min,取出上清储存于-80 ℃冰箱。
1.5 小鼠血肌酐(serum creatinine, Scr)、24 h尿蛋白(24 hpro)、FBG检测
肾组织Fe2+取材后,按照对应的说明书进行检测。
1.6 肾组织病理形态观察
右侧肾脏三分之一组织用4%多聚甲醛固定,石蜡包埋,用于Masson染色,剩余部分进行Western blot分析及试剂盒检测。
1.7 Western blot检测Nrf2/Gpx4相关通路蛋白及下游纤维化相关蛋白
取50 mg肾组织放于2 mL EP管,加入500 μL RIPA裂解液与2个钢珠一起研磨,取出上清。在使用BCA法测定蛋白浓度后,制作蛋白样本,并在变性后进行了电泳和湿转,然后在5%的BSA室温下封闭1 h;封闭完成后,使用Nrf2(1∶1 000)、Gpx4(1∶5 000)、Slc7a11(1∶1 000)、α‑SMA(1∶1 000)、Vimentin(1∶1 000)、E‑Cadherin(1∶1 000)、Col3α1(1∶1 000)、GAPDH一抗(1∶1 000)4 ℃过夜,洗膜后孵育二抗1 h,吸弃二抗,继续洗膜,ECL超敏发光液被浸泡孵育,并在显影仪中进行曝光显影,整个实验过程重复3次。
1.8 HK2细胞培养与分组
在37 ℃和5% CO
2的恒温培养箱中,使用含有10%胎牛血清和1%青链双抗糖浓度为5.6 mmol/L的完全培养基来培养HK2细胞。当细胞密度达到70%~80%时,进行消化细胞的后续实验操作。高糖诱导HK2细胞的造模基于课题组的预先实验数据和参考文献中的葡萄糖浓度(30 mmol/L glucose)进行
[10]。选择生长状况良好的指数生长阶段的细胞,进行常规的胰酶处理,并将其种植在6、24、96孔板上。当细胞的融合程度达到60%~70%时,将其分为4组进行干预,分别为正常组(NG组,5.6 mmol/L glucose)、高糖组(HG组,30 mmol /L glucose)、芪蒡糖肾方组(QBTSF组,30 mmol /L glucose+QBTSF)、达格列净组(DAPA组,20 μmol/L)。
1.9 芪蒡糖肾方药物制备
芪蒡糖肾方饮片从上海中医药大学附属龙华医院中药房购得,其药物成分包括:黄芪60 g、金蝉花10 g、三七粉3 g、黄精20 g以及葛根、山茱萸、僵蚕、川芎、牛蒡子、灵芝各15 g。将芪蒡糖肾方饮片浸泡在1 L的超纯水中,然后用不锈钢容器进行煎煮。首先用大火煮沸,接着转为中小火继续煎煮30 min。煎煮2次后,将滤液合并,并将滤液浓缩至100 mL,最后使用冷冻干燥机进行冻干处理。采用完整的培养基来配制中药的储备溶液,其浓度为10 mg/mL,在完全溶解后,进行过滤与分装,在-80 ℃下储存以备后用。
1.10 CCK‑8用于筛选芪蒡糖肾方的最佳干预浓度
在96孔板中,以1.0×104个/孔的比例将生长状况良好的指数生长期细胞接种,然后在37 ℃、5% CO2的培养箱中孵育36 h。之后,以0.125、0.25、0.5、1.0、2.0、4.0 mg/mL的浓度加入芪蒡糖肾方,并继续培养24 h。接下来,在每个孔中加入含有10% CCK‑8反应液的100 μL培养基,并在37 ℃的环境下避光孵育1 h。使用酶标仪在450 nm的波长上测量吸光度,计算细胞的存活率,并筛选出芪蒡糖肾方的最佳干预浓度。
1.11 ROS、GSH、Fe2+、MDA测定
将细胞培养在24孔板中,36 h后,各组加入对应的干预药物。干预完成后,移除培养基,并使用无血清培养基对细胞进行3次洗涤,接着按照所购买的ROS、GSH、Fe2+、MDA及对应抗体说明书进行检测。
1.12 Western blot检测铁死亡相关通路蛋白及纤维化相关蛋白
将细胞培养在6孔板中,36 h后,各组加入对应的干预药物。干预完成后,将培养基吸弃,然后用PBS清洗细胞2次。裂解离心提取蛋白,后续操作同“1.7”项。
1.13 透射电子显微镜观察各组HK2细胞超微结构
经过干预,HK2细胞被5%的戊二醛固定2 h,1%的锇酸也固定2 h。在4 ℃的温度条件下,分别使用50%、70%、90%的乙醇进行梯度脱水20 min;4 ℃、100%乙醇与100%环氧丙烷的等量混合液脱水20 min;4 ℃、100%环氧丙烷脱水20 min;在室温条件下,100%环氧丙烷脱水20 min。100%环氧丙烷与包埋液(2∶1)混合处理4 h,100%乙醇与100%环氧丙烷的等量混合液在室温下处理37 ℃,包埋液处理3 h。细胞在40 ℃ 2 h、 60 ℃ 4 h、80 ℃ 10 h的温度下进行固化处理。进行超薄的切片处理,然后用醋酸铀和枸橼酸铅进行染色,最后在透射电子显微镜下进行观察。
1.14 统计学处理
使用SPSS 26.0软件进行数据分析,GraphPad Prism 8.0软件制图。符合正态分布的计量资料以表示,多组间比较采用单因素方差分析,组内两两比较采用LSD检验;不符合正态分布的数据采用非参数检验进行分析。P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 各组小鼠生化指标及肾组织内Fe2+水平
与CON组比较,MOD组小鼠24 hpro、Scr、FBG与肾脏内Fe
2+水平明显升高(
P<0.01);与MOD组比较,QBTSF‑M组FBG明显下降(
P<0.01),QBTSF‑H组与DAPA组小鼠24 hpro、Scr、FBG及肾脏内Fe
2+明显下降(
P<0.01),见
表1。
2.2 各组小鼠肾脏组织病理的变化
Masson染色结果显示,CON组肾组织结构完整,肾小球和肾小管结构清晰可见,未有纤维化的改变;MOD组肾组织可见较为明显的胶原纤维沉积,系膜区纤维化增生及肾小管胶原纤维沉积;药物治疗后,肾小球系膜区增生与胶原纤维沉积较模型组有不同程度减轻;其中QBTSF‑M、QBTSF‑H组与DAPA组肾纤维化面积相较于MOD组明显减少(
P<0.01),见
图1。
2.3 各组小鼠Nrf2/Gpx4信号通路及下游纤维化蛋白的表达
与CON组相比,MOD组肾组织中Nrf2、Gpx4、Slc7a11、E‑Cadherin表达水平明显下降(
P<0.01),而α‑SMA、Vimentin、Col3a1表达水平明显升高(
P<0.01);与MOD组相比,QBTSF‑L组肾组织中Col3a1表达水平明显下降(
P<0.05);QBTSF‑M组肾组织中Nrf2、E‑Cadherin表达水平上升而Col3a1表达水平下降(
P<0.05);QBTSF‑H组与DAPA组肾组织中的Nrf2、Gpx4、Slc7a11、E‑Cadherin表达水平明显上升(
P<0.01),而α‑SMA、Vimentin、Col3a1表达水平明显下降(
P<0.01),见
表2、
图2。
2.4 不同浓度芪蒡糖肾方对HK2细胞活力的影响
当芪蒡糖肾方浓度逐渐升高后,达到4 mg/mL时细胞活力开始明显下降,且与2 mg/mL时相比细胞活力明显下降(
P<0.01),故选择细胞活力未明显下降时芪蒡糖肾方的最高浓度2 mg/mL作为药物干预浓度,见
图3。
2.5 HK2细胞葡萄糖造模条件的摸索
与NG组比较,用含30 mmol/L甘露醇的完基干预24 h的细胞Col3a1蛋白表达水平、用含30 mmol/L葡萄糖的完基干预24 h的细胞Col3a1蛋白表达水平及用含30 mmol/L甘露醇的完基干预48 h的细胞Col3a1蛋白表达水平差异无统计学意义(
P>0.05);用含30 mmol/L葡萄糖的完基干预48 h的细胞Col3a1蛋白表达水平明显升高(
P<0.01),故选择用含30 mmol/L葡萄糖的完基干预48 h作为造模条件,见
图4。
2.6 芪蒡糖肾方对HK2细胞ROS的含量的影响
与NG组比较,HG组细胞内ROS的含量明显升高(
P<0.01);与HG组比较,QBTSF组和DAPA组细胞内ROS的水平明显下降(
P<0.01),见
图5。
2.7 芪蒡糖肾方对HK2细胞GSH、MDA及Fe2+含量的影响
与NG组比较,HG组细胞内MDA与Fe
2+含量明显升高,GSH含量明显降低(
P<0.01);与HG组比较,QBTSF组与DAPA组细胞内MDA与Fe
2+的水平明显降低,且GSH水平明显升高(
P<0.01),见
图6。
2.8 芪蒡糖肾方对HK2细胞Nrf2/Gpx4通路蛋白表达的影响
与NG组比较,HG组细胞内Nrf2、Slc7a11、Gpx4蛋白表达水平明显下降(
P<0.01);与HG组比较,QBTSF组与DAPA组细胞内Nrf2、Slc7a11、Gpx4蛋白表达水平明显上升(
P<0.01),见
表3、
图7。
2.9 芪蒡糖肾方对HK2细胞的纤维化蛋白表达的影响
与NG组比较,HG组细胞内α‑SMA、Col3a1、Vimentin蛋白表达水平明显升高(
P<0.01),E‑Cadherin蛋白表达水平明显降低(
P<0.01);与HG组比较,QBTSF组与DAPA组细胞内α‑SMA、Col3a1、Vimentin蛋白表达水平明显降低(
P<0.01),E‑Cadherin蛋白表达水平明显升高(
P<0.01),见
表4、
图8。
2.10 透射电子显微镜下各组HK2细胞超微结构的变化
NG组线粒体数量丰富,大多未见肿胀,基质大多均匀;与NG组相比,HG组线粒体体积明显缩小,外膜破裂,线粒体嵴模糊甚至消失,表现出铁死亡的典型特征,而经过芪蒡糖肾方与达格列净治疗后,以上损伤明显改善,见
图9。
3 讨论
DKD,也被称为消渴病肾病,在中医理论中被归为“消渴”、“肾消”、“水肿”等疾病类别,其病机主要特点是本虚标实。本虚是指消渴日久,迁延不愈,伤阴耗气,阴损及阳,最终阴阳俱虚,标实是指内热、痰湿、气滞、血瘀相互搏结
[10]。因此陈以平教授研发了具有补脾益肾、行气活血功效的芪蒡糖肾方,方中黄芪、黄精、山茱萸、灵芝益气养阴,川芎、葛根、三七粉行气活血,牛蒡子、金蝉花、僵蚕通络护肾,诸药合用,共奏补脾益肾、行气活血之效。前期研究已经证实了芪蒡糖肾方在降低DKD患者蛋白尿水平和减缓肾功能衰退方面具有明显的治疗效果
[8,9],此次研究通过体内实验与体外实验,证实了芪蒡糖肾方可有效改善DKD纤维化,这可能与Nrf2/Gpx4信号传导途径的激活有关联。
当肾小管上皮细胞长期暴露于高糖状态的刺激下会产生大量ROS,从而导致肾小管的损伤并促进一些促纤维化基因的转录,使得肾小管上皮细胞的E‑Cadherin表达有所下降,而α‑SMA、Vimentin及Col3a1等蛋白表达则有所增加。这一系列的变化标志着肾小管上皮细胞经历了上皮‑间充质转化的过程,这一转变最终可能导致肾小管间质发生纤维化
[11]。本研究结果显示,经芪蒡糖肾方治疗后,DKD小鼠与HK2细胞内α‑SMA与Col3a1的蛋白含量有所减少,这说明芪蒡糖肾方能缓解DKD肾纤维化。
铁死亡属于细胞程序性死亡的其中一种,主要包含3个特征:Fe
2+的大量积累、脂质过氧化及抗氧化系统的崩溃
[12]。Fe
2+的大量积累是指高糖状态下,铁转运蛋白受体蛋白‑1(transferrin receptor 1,TFR1)表达增多,Fe
3+经其进入细胞内,随后与核受体辅激活蛋白4相互作用便生成了Fe
2+,最终Fe
2+通过芬顿反应为脂质过氧化提供大量自由基,导致铁死亡。这提示调控TFR1是治疗铁死亡的潜在靶点
[13]。脂质过氧化主要描述的是在多种酶的催化作用下,多数不饱和脂肪酸转化为大量如MDA的脂质过氧化生成物,最终推动铁死亡的进程
[14]。抗氧化系统的崩溃主要与谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)的生成路径有关,而GPX4被看作是铁死亡过程中的核心调控元素
[15]。当细胞内Nrf2被激活后,它会刺激SLC7A11的生成,进而加速GSH的形成,并最终提高GPX4的活性。近期研究表明,当使用铁死亡抑制剂ferrostatin‑1后,DKD小鼠与HK2细胞内的α‑SMA及Vimentin等纤维化相关蛋白表达下降,这表明抑制铁死亡可以延缓延缓DKD肾纤维化进程
[16]。本研究发现,MOD组小鼠与HK2细胞内的Nrf2、GPX4与SLC7A11表达量有所减少,而Fe
2+的含量有所增加,这提示铁死亡参与了DKD的进展。与MOD组相比,芪蒡糖肾方各组可以促进Nrf2/Gpx4信号通路的激活并改善肾纤维化,这表明芪蒡糖肾方可能通过调控Nrf2/Gpx4通路来抑制铁死亡进程,减轻氧化损伤,并最终有效缓解DKD肾纤维化。
综上所述,本研究证实了芪蒡糖肾方可以缓解DKD的肾纤维化水平,这可能与其促进Nrf2/Gpx4信号通路的活化,抑制铁死亡有关。此外,芪蒡糖肾方如何作用于Nrf2/Gpx4信号通路及其作用是否依赖其它通路的激活或抑制,未来还需要通过基因干扰等技术在体内、外进行进一步探索。
作者贡献度说明:
徐睿:设计实验方案,操作实验与分析数据,并撰写论文;雍军、郭小平、王琳:提供研究思路,指导论文撰写与修改。
所有作者声明不存在利益冲突关系。