摘要:采用分子克隆技術(shù)構(gòu)建攜帶人酸性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(acidic fibroblast growth factors, aFGF)基因序列的乳酸菌重組表達(dá)載體pGMN4,轉(zhuǎn)化并篩選出高效表達(dá)aFGF的重組菌株,制成活菌制劑。口服5%葡聚糖硫酸鈉(DSS)溶液7d誘導(dǎo)小鼠潰瘍性結(jié)腸炎(Ulcerative Colitis, UC),在造模同時(shí)分別給予高、中、低劑量活菌制劑灌胃17d。通過比較小鼠的毛色、體重、便血、結(jié)腸長(zhǎng)度、病變組織的髓過氧化物酶(myeloperoxidase, MPO)活性,以及觀察結(jié)腸組織病理形態(tài)學(xué)變化,驗(yàn)證重組aFGF乳酸菌對(duì)DSS誘導(dǎo)的小鼠UC的預(yù)防和治療效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,重組aFGF乳酸菌的表達(dá)量可達(dá)50μg/mL,高劑量重組活菌制劑能夠顯著改善小鼠的一般情況和潰瘍導(dǎo)致的結(jié)腸縮短,促進(jìn)組織修復(fù),保持結(jié)腸結(jié)構(gòu)的完整性,并下調(diào)MPO的活性。重組aFGF乳酸菌對(duì)小鼠UC具有良好的預(yù)防和治療效果,將為UC治療制劑的開發(fā)提供更加廣闊的思路。
關(guān)鍵詞:乳酸菌;人酸性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子;潰瘍性結(jié)腸炎
中圖分類號(hào):Q815文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2011)12-2508-03
Expression of Recombinant Human Acidic Fibroblast Growth Factor in
Lactococcus lactic and the Therapy for Ulcerative Colitis in Mice
TONG Leia,ZHANG Qi-haoa,b,QIU Zhuang-weia,SU Zhi-jiana,b,CHEN Hong-xiaa,HUANG Ya-donga,b
(a. Biopharmaceutical Research and Development Center, Institute of Life Science, b. Guangdong Provincial Key Laboratory of Bioengineering Medicine, Jinan University, Guangzhou 510632, China)
Abstract: Recombinant lactic acid bacteria vector pGMN4 containing human acidic fibroblast growth factor (aFGF) gene was constructed by molecular cloning techniques. Vector pGMN4 was transferred into Lactococcus lactic and the expression of aFGF was detected. Recombinant L. lactic was applied in the therapy for ulcerative colitis of mice induced by dextran sodium sulphate (DSS). Recombinant L. lactic was used by stomach perfusion simultaneously with Ulcerative Colitis(UC) induction and continued for 17 d after the disease was induced. Some important parameters including general state of health, body weight, stool, colon length and the activity of myeloperoxidase (MPO) in ulcerated tissue were observed. The results showed that the expression of recombinant aFGF in lactic acid bacteria could be 50 μg/mL; high dosage of recombinant L. lactic could improve the general state of health, body weight, stool consistency, keep the integrity of colon, and lower the activity of MPO. Recombinant L. lactic could prevent the progression of UC, and would be a new biological therapeutic agent.
Key words: Lactococcus lactic; human acidic fibroblast growth factor; Ulcerative Colitis
潰瘍性結(jié)腸炎(Ulcerative Colitis,UC)[1]又稱非特異性潰瘍性結(jié)腸炎,是一種原因不明的直腸和結(jié)腸炎性疾病,普遍結(jié)論認(rèn)為是環(huán)境、遺傳、免疫、心理及感染等多種因素共同影響的結(jié)果。病變主要累及大腸黏膜及黏膜下層,范圍多自遠(yuǎn)端結(jié)腸開始,可逆行向近端發(fā)展,甚至累及全結(jié)腸及末段回腸,呈連續(xù)性分布,由于反復(fù)發(fā)作,遷延不愈,給患者身心帶來不適。
酸性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(acidic fibroblast growth factor,aFGF)是成纖維細(xì)胞因子家族中的基本成員,是一類對(duì)來源于中胚層和神經(jīng)外胚層的多種類型細(xì)胞具有廣泛生物學(xué)活性的細(xì)胞生長(zhǎng)因子[2]。aFGF包括促分裂活性與非促分裂激素樣活性,其中促分裂活性主要包括促血管生成、組織發(fā)生、創(chuàng)傷修復(fù)以及神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)等作用;而非促分裂激素樣活性則主要有抑制細(xì)胞凋亡、降低血壓、調(diào)節(jié)細(xì)胞Ca2+平衡、促激素分泌和參與中樞反饋調(diào)節(jié)[3,4]。
在前期研究的基礎(chǔ)上,采用分子克隆技術(shù)構(gòu)建人aFGF轉(zhuǎn)基因乳酸菌并制成活菌制劑,開展重組aFGF乳酸菌對(duì)小鼠潰瘍性結(jié)腸炎的預(yù)防和治療作用研究,為實(shí)現(xiàn)aFGF口服給藥治療消化道潰瘍奠定前期試驗(yàn)基礎(chǔ)。
1材料與方法
1.1材料
1.1.1質(zhì)粒與試劑載體pMG36e、乳酸菌MG1363、植物乳桿菌、E.coil JM109 由暨南大學(xué)醫(yī)藥生物技術(shù)研究開發(fā)中心實(shí)驗(yàn)室保存,乳酸菌NZ9700購(gòu)自荷蘭NICO公司。質(zhì)粒小體提取試劑盒、DNA凝膠回收試劑盒購(gòu)自天根生化科技北京有限公司。限制性內(nèi)切酶SphⅠ,SacⅠ,NcoⅠ,XhoⅠ,HpaⅠ購(gòu)自TaKaRa公司,EarⅠ購(gòu)自NEB公司。鼠抗人aFGF抗體購(gòu)自R&D公司,羊抗鼠二抗購(gòu)自廣州碧云天公司。PVDF膜購(gòu)自Pall公司。DSS購(gòu)于上海西寶生物制劑公司,相對(duì)分子量為5 000,用生理鹽水配制成5%的溶液。SASP購(gòu)于上海三維制藥有限公司,批號(hào)20100712。髓過氧化物酶(MPO)試劑盒購(gòu)于南京建成生物工程研究所。
1.1.2培養(yǎng)基LB培養(yǎng)基(1 000 mL):蛋白胨10 g,酵母浸出粉5 g,氯化鈉10 g(固體培養(yǎng)基加瓊脂粉12 g);GM17培養(yǎng)基(1 000 mL):M17培養(yǎng)基37.25 g,葡萄糖5 g(固體培養(yǎng)基加瓊脂粉12 g);BCP培養(yǎng)基(1 000 mL):蛋白胨20 g,酵母粉5 g,氯化鈉4 g,乙酸鈉1.5 g,溴甲酚紫40 mg,蜜二糖5 g(固體培養(yǎng)基加瓊脂粉12 g)。
1.1.3實(shí)驗(yàn)動(dòng)物采用BALB/c小鼠,8周齡,體重(20±2)g/只,由廣東省醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。
1.2方法
1.2.1重組人aFGF乳酸菌的構(gòu)建及表達(dá)首先從植物乳桿菌基因組中擴(kuò)增出半乳糖苷酶基因(melA)片段,用SphⅠ和SacⅠ雙酶切后,與穿梭質(zhì)粒pMG36e連接構(gòu)成質(zhì)粒pGMN1;再與從乳酸菌質(zhì)粒pNZ8048擴(kuò)增出來的Pnis-MCS段基因連接,構(gòu)成質(zhì)粒pGMN2;將人工合成的乳酸菌密碼子偏好型的USP45-LEISS-aFGF14-154基因片段用NcoⅠ和XhoⅠ雙酶切后,與質(zhì)粒pGMN2連接,構(gòu)成質(zhì)粒pGMN3;用限制性內(nèi)切酶HpaⅠ敲除紅霉素抗性基因后,構(gòu)成在乳酸菌中表達(dá)aFGF的質(zhì)粒pGMN4,并將該質(zhì)粒電轉(zhuǎn)至乳酸菌NZ9700菌株中,PCR篩選出陽性轉(zhuǎn)化子,轉(zhuǎn)接GM17培養(yǎng)基。厭氧培養(yǎng)48h后,離心收集菌體上清,TCA沉淀濃縮上清總蛋白,經(jīng)SDS-PAGE和Western Blot分析篩選出高效表達(dá)aFGF的菌株,ELISA試劑盒測(cè)定上清中aFGF含量。
1.2.2重組aFGF乳酸菌制劑對(duì)小鼠DSS誘導(dǎo)的潰瘍性結(jié)腸炎的預(yù)防和治療作用
1)實(shí)驗(yàn)分組。實(shí)驗(yàn)共分7個(gè)組,各組小鼠均為10只,分別為正常組(N):正常采食,飲水17 d;模型組 (M):5% DSS自由飲用7 d造模+無菌生理鹽水灌胃17 d;柳氮磺砒啶組(SASP):5% DSS自由飲用7 d造模+ SASP (0.5g/kg)灌胃17 d;aFGF乳酸菌高劑量組(aFGF-H):5% DSS自由飲用7 d造模+乳酸菌NZ9700(pGMN4-USP45-LEISS-aFGF14-154)高劑量菌液灌胃17 d;aFGF乳酸菌中劑量組(aFGF-M):5% DSS自由飲用7 d造模+乳酸菌NZ9700(pGMN4-USP45-LEISS-aFGF14-154)中劑量菌液灌胃17 d;aFGF乳酸菌低劑量組(aFGF-L):5% DSS自由飲用7 d造模+乳酸菌NZ9700(pGMN4-USP45-LEISS-aFGF14-154)低劑量菌液灌胃17 d;乳酸菌組(NZ9700):5% DSS自由飲用7 d造模+乳酸菌 NZ9700菌液灌胃17 d。每只小鼠一次灌胃量為200 μL。
2)每天觀察比較小鼠的一般情況,包括體重、精神狀態(tài)、毛色、活動(dòng)、大便性狀,參照表1計(jì)算DAI積分。
3)樣品收集。于實(shí)驗(yàn)第17天,脫臼斷髓處死小鼠,取出肛門至盲腸末端的整個(gè)結(jié)腸和直腸段,觀察結(jié)腸的大體改變,測(cè)量整個(gè)結(jié)腸長(zhǎng)度。用預(yù)冷無菌生理鹽水將結(jié)腸沖洗干凈,分別于結(jié)腸末端(距肛門1 cm)處剪取0.5 cm結(jié)腸段,4%多聚甲醛固定,石蠟包埋、切片,HE染色進(jìn)行病理形態(tài)學(xué)檢測(cè)。另各取遠(yuǎn)段、中段、近段結(jié)腸、盲腸組織約50 mg迅速冷凍于液氮中,后轉(zhuǎn)至-80 ℃保存,用以檢測(cè)髓過氧化物酶(MPO)的活性。
2結(jié)果
2.1重組人aFGF乳酸菌的構(gòu)建及表達(dá)
2.1.1重組人aFGF乳酸菌表達(dá)載體的構(gòu)建及鑒定以來自乳酸菌表達(dá)載體pNZ8048的Pnis啟動(dòng)子和多克隆位點(diǎn)序列(Pnis-MCS)為構(gòu)建乳酸表達(dá)菌所用啟動(dòng)子,以植物乳桿菌半乳糖苷酶基因(melA)為篩選標(biāo)記,經(jīng)過一系列酶切和連接反應(yīng),構(gòu)建表達(dá)aFGF的乳酸菌表達(dá)載體pGMN4。對(duì)構(gòu)建好的pGMN4進(jìn)行雙酶切鑒定,得到預(yù)期大小的目的片段545 bp(圖1),同時(shí)對(duì)目的片段進(jìn)行測(cè)序驗(yàn)證,比對(duì)結(jié)果表明DNA序列與源序列完全匹配。
2.1.2重組人aFGF乳酸菌的篩選及表達(dá)重組表達(dá)載體pGMN4電擊轉(zhuǎn)化乳酸菌NZ9700中,以重組質(zhì)粒pGMN4為陽性對(duì)照,以水為陰性對(duì)照,PCR擴(kuò)增篩選陽性克隆,結(jié)果如圖2所示,A1~A10均為陽性克隆。將陽性克隆接種培養(yǎng),12% SDS-PAGE和Western Blot分析結(jié)果表明已成功篩選出高表達(dá)aFGF的乳酸菌菌株(圖3)。ELISA檢測(cè)上清中aFGF含量為50 μg/mL。
2.2重組aFGF乳酸菌制劑對(duì)小鼠DSS誘導(dǎo)的潰瘍性結(jié)腸炎的治療試驗(yàn)結(jié)果
2.2.1體重變化小鼠每日體重變化見表2和圖4。由表2和圖4可見,M組、aFGF-L組和NZ9700組小鼠體重在6~7 d較正常組極顯著下降(P<0.01);SASP組和aFGF-H組、aFGF-M組體重變化輕微,但與模型組比較具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.01)。
2.2.2小鼠的一般情況和DAI值經(jīng)觀察,模型組小鼠毛色暗淡,惡動(dòng),精神狀態(tài)不佳。在飲用DSS后3~5 d出現(xiàn)腹瀉,5~10 d出現(xiàn)不同程度的肉眼血便。而SASP組和aFGF-H組、aFGF-M組小鼠毛色光亮,喜動(dòng),精神狀態(tài)良好。在飲用DSS后3~5 d出現(xiàn)腹瀉,肉眼血便次數(shù)和量明顯減少,部分動(dòng)物在整個(gè)試驗(yàn)過程中未見血便,體重變化如上(表2和圖4)所示。DAI評(píng)分在正常組為0;在試驗(yàn)的第17天,對(duì)比DSS模型組,SASP陽性藥物組和aFGF-H處理組DAI值顯著下降(差異水平分別為P<0.01和P<0.05),而SASP陽性藥物組和aFGF-H處理組間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異;不同劑量aFGF乳酸菌處理組間未見明顯劑量依賴關(guān)系(表3)。
2.2.3小鼠結(jié)腸長(zhǎng)度變化DSS造模組(M組)小鼠結(jié)腸長(zhǎng)度較N組顯著縮短(P<0.01);SASP組、aFGF-H組和NZ9700乳酸菌液處理組小鼠結(jié)腸長(zhǎng)度相對(duì)于DSS造模組(M組)有不同程度的改善,以SASP組、aFGF-H乳酸菌液處理組的效果較為顯著(P<0.01),兩者之間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異;aFGF乳酸菌3個(gè)劑量處理組中,僅高劑量組顯示有改善效果(圖5)。
2.2.4小鼠結(jié)腸組織病理學(xué)變化大體病理改變:肉眼可見正常小鼠結(jié)腸黏膜完整,薄而光滑,有一定透明度;模型組小鼠結(jié)腸黏膜普遍水腫、糜爛、潰瘍、附著偽膜,并覆蓋有連結(jié)成片的膿苔。鏡下組織病理改變:正常組小鼠結(jié)腸組織見腺體排列整齊,隱窩正常,杯狀細(xì)胞無減少,未見黏膜糜爛、出血;模型組小鼠結(jié)腸潰瘍病變部位可見部分隱窩破壞變形,淋巴組織增生,腸壁各層中血管普遍擴(kuò)張充血,腺體排列紊亂,杯狀細(xì)胞減少,小腸腔內(nèi)可見炎性分泌滲出物,其中含纖維素、漿細(xì)胞、紅細(xì)胞等;SASP組和aFGF-H乳酸菌液處理組黏膜組織結(jié)構(gòu)完整,炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)少,有輕微的充血現(xiàn)象;aFGF-M乳酸菌液處理組黏膜組織結(jié)構(gòu)尚完整,炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)較多,小血管充血較明顯;aFGF-L乳酸菌液處理組和NZ9700處理組黏膜組織結(jié)構(gòu)不完整,炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)多,充血明顯,可見炎性分泌滲出物(圖6)。
3.5小鼠結(jié)腸組織髓過氧化物酶(MPO)的檢測(cè)
測(cè)定組織MPO活性,作為評(píng)價(jià)中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)的指標(biāo),依照南京建成MPO試劑盒操作說明處理樣品,在460 nm處測(cè)光密度(OD)值,以獲取該組織樣品的MPO活性。由圖7可見,SASP組和aFGF-H乳酸菌液處理組能夠顯著降低MPO活性,與模型組比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(差異水平分別為P<0.01和P<0.05),而SASP陽性藥物組和aFGF-H處理組間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
3討論
UC是一種原因不明的腸道慢性非特異性炎癥,對(duì)其治療必須是快速而有效的。傳統(tǒng)的治療藥物包括氨基水楊酸鹽、皮質(zhì)類固醇、別嘌呤硫醇、甲氨蝶呤和抗腫瘤壞死因子等,而這些藥物在臨床應(yīng)用上都會(huì)存在不恰當(dāng)用藥的誤區(qū),給病人帶來不同程度的副作用,因此優(yōu)化治療方案和開發(fā)安全有效的藥物非常重要[5]。在UC的發(fā)病過程中,腸道微環(huán)境的破壞是重要的環(huán)節(jié)之一,而作為維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的益生菌也因此被應(yīng)用到UC的預(yù)防和治療上。Herias等[6]發(fā)現(xiàn),單獨(dú)應(yīng)用乳酸桿菌并不能有效地阻止DSS誘發(fā)的小鼠UC,只能部分改善臨床整體狀況,而益生菌的聯(lián)合應(yīng)用則是今后治療的發(fā)展方向。乳酸桿菌和丁酸梭菌聯(lián)用可能通過抑制結(jié)腸上皮細(xì)胞凋亡,促進(jìn)結(jié)腸上皮細(xì)胞增殖,從而加速受損傷上皮層的修復(fù),降低上皮層的通透性,達(dá)到治療UC的有效作用[7]。
乳酸菌也是繼大腸桿菌以及酵母菌之后又一具有實(shí)用價(jià)值的表達(dá)系統(tǒng),開創(chuàng)了口服疫苗的新前景。乳酸菌作為表達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于安全、無內(nèi)毒素,表達(dá)的外源蛋白不用經(jīng)過純化即可直接連菌體一起服用,同時(shí)可以在腸道中存活定殖,持續(xù)表達(dá)外源靶蛋白[8]。因此,本研究把乳酸菌作為表達(dá)系統(tǒng),構(gòu)建人aFGF轉(zhuǎn)基因乳酸菌,探討其對(duì)DSS誘導(dǎo)的UC的預(yù)防和治療作用。UC的愈合與局部組織中成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(FGF)水平升高相關(guān),而FGF通過抑制細(xì)胞凋亡和促進(jìn)新生血管生成發(fā)揮作用[9,10]。口服aFGF蛋白藥物經(jīng)胃腸道后存在酶解現(xiàn)象,半衰期短,而重組aFGF乳酸菌可以避免胃腸道的酶解問題,并且可以在體內(nèi)增殖,從而可以持續(xù)不斷地表達(dá)aFGF蛋白,促進(jìn)潰瘍愈合。與此相符,該試驗(yàn)結(jié)果表明,高劑量活菌制劑對(duì)小鼠潰瘍性結(jié)腸炎具有很好的預(yù)防和治療效果,表現(xiàn)為改善小鼠的一般情況和潰瘍導(dǎo)致的結(jié)腸縮短狀況,促進(jìn)組織修復(fù),保持結(jié)腸結(jié)構(gòu)的完整性。此外,有研究表明[11],FGF能夠顯著降低IL-1β的分泌,有效改善局部炎癥反應(yīng)。本試驗(yàn)中,aFGF乳酸菌能夠顯著降低潰瘍結(jié)腸組織中的MPO活性,與病理形態(tài)學(xué)結(jié)果中減輕中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)的效果是一致的,提示aFGF乳酸菌治療UC與其抗炎效應(yīng)相關(guān)。重組aFGF乳酸菌對(duì)小鼠UC具有良好的預(yù)防和治療效果,將為UC治療制劑的開發(fā)提供更加廣闊的思路。
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注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文