唐慧瑢, 古麗再帕爾·托合尼亞孜, 陳東馨, 姜洪超, 趙文娟, 孫 磊, 錢 峰
(上海交通大學藥學院細胞與治療抗體工程研究中心,上海200240)
炎癥反應是機體面對外來刺激產生的一種生理性自動防御反應,該過程有大量炎癥因子和免疫細胞參與[1]。過度激活的炎癥反應會釋放大量炎癥介質,影響器官功能,引發過敏反應和代謝紊亂等疾病,甚至會誘發腫瘤,嚴重危害人體健康[2]。目前臨床上常用的抗炎藥物主要包括甾體類化合物與非甾體類化合物,然而這些藥物副作用及不良反應較多、選擇性較低,因此尚無法完全滿足臨床用藥需求,故亟需開發更多療效良好、靶向明確的新型抗炎藥物。
巨噬細胞是體內炎癥反應過程中重要的細胞之一[3],在不同刺激下,巨噬細胞的表型、功能及形態等都會發生不同的分化,稱為巨噬細胞的極化[4-5]。巨噬細胞的極化在免疫應答中承擔重要角色。在細菌脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)等活化因子介導下,巨噬細胞通常向M1型極化,分泌促炎因子,如腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細胞介素 6(interleukin-6,IL-6)和IL-1β 等,同時表達誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS),活化大量促炎信號[6],對細胞外基質的降解與細胞凋亡有加速效果,進而調節Th1 型免疫應答[1,7-8],促進炎癥進一步發展[2,9-10]。而在 IL-4 等細胞因子介導下,巨噬細胞主要向M2 型分化,特征性表達幾丁質酶3 樣蛋白3(chitinase 3-like protein 3,CHI3L3/Ym-1)、Fizz-1(found in inflammatory zone-1)、精氨酸酶1(arginase-1,Arg-1)等,抑制T 細胞過度增殖和活化[3,9],并促進抗炎物質的分泌,調節Th2型免疫應答作用[3,9,11]。許多信號通路參與并介導巨噬細胞的極化和免疫應答過程。絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)信號通路可以介導細胞內外刺激信號,普遍存在于生物體中,并參與不同炎癥反應和炎性分子的表達和調控,對M1型巨噬細胞免疫應答具有重要調控作用[12-14]。而信號轉導及轉錄激活蛋白6(signal transducer and activator of transcription 6,STAT6)信號通路在IL-4 誘導的巨噬細胞中會發生活化,促使巨噬細胞釋放抗炎細胞因子,表達一系列抗炎物質,進而介導M2 型巨噬細胞免疫反應[15]。一般認為抑制巨噬細胞促炎因子分泌或增加抗炎因子產生,調控免疫應答相關信號通路是抗炎藥物發揮作用的重要環節。
洛美利嗪是二苯基哌嗪類新一代的鈉、鈣雙通道拮抗劑,臨床上廣泛用于偏頭痛的治療[16]。有證據表明偏頭痛患者體內可能存在神經源性炎癥[17],在家族遺傳性偏癱型的偏頭痛轉基因實驗小鼠模型體內也檢測到三叉神經節中有較高TNF-α、IL-6 和IL-1β 等促炎細胞因子的 mRNA 表達[18-19],提示洛美利嗪作為高效低毒的偏頭痛治療藥物,可能也具有一定的抗炎活性。然而關于洛美利嗪的抗炎活性和巨噬細胞極化的調控作用目前知之尚少,有待進一步的開發研究。
本研究中我們以LPS 和IL-4 體外刺激小鼠骨髓來源的巨噬細胞(bone marrow-derived macrophage,BMDM)和小鼠巨噬細胞株Raw 264.7,檢測洛美利嗪對于巨噬細胞極化的影響,并探討其可能機制。
洛美利嗪(純度大于99%)購于愛必信(上海)生物科技有限公司;DMEM 培養液、RPMI-1640 培養液、胰蛋白酶、巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,M-CSF)和胎牛血清購于Thermo Fisher;100×青霉素/鏈霉素購自上海翌圣生物有限公司;Ym-1 抗體購于 STEMCELL;Fizz-1 抗體購于Abcam;p38 MAPK、p-p38 MAPK、細胞外信號調節激酶 1/2(extracellular signal-regulated kinase 1/2,ERK1/2)、p-ERK1/2、c-Jun 氨基末端激酶 1/2(c-Jun N-terminal kinase 1/2,JNK1/2)、p-JNK1/2、iNOS、Arg-1、NF-κB p65、p-p65、NF-κB抑制因子α(NF-κB inhibitor α,IκBα)、STAT6、p-STAT6 和 β-actin 抗體購自Cell Signaling Technology;IL-6、IL-1β和TNF-α ELISA試劑盒購于R&D;反轉錄試劑盒和實時熒光定量PCR檢測試劑盒購于TOYOBO。
本實驗中所用小鼠為 6~8 周齡、體重20~25 g 的SPF 級野生型C57BL/6小鼠(雌雄不限),購于上海實驗動物中心(合格證:No.20180003000592),飼養于上海交通大學實驗動物中心,環境濕度恒定為55%,溫度恒定為25 ℃,光照為12 h循環,飲食及飲水均自由提供。所有實驗操作均符合上海交通大學生物學研究倫理委員會及國立衛生研究院的相關規定。
2.1 細胞培養 BMDM 所用培養液為含10%胎牛血清和1%青霉素-鏈霉素的DMEM 培養液。取6~8周齡野生型小鼠,處死后分離后肢脛骨和股骨,在無菌環境內將骨髓沖出,加入10 μg/L M-CSF 培養3 d進行換液,補加M-CSF 繼續培養2 d后可用于后續實驗。Raw 264.7細胞購于中國科學院上海細胞庫,所用培養液為含10%胎牛血清和1%青霉素-鏈霉素的RPMI-1640 培養液。細胞置于 37 ℃、5% CO2培養箱中常規培養。觀察細胞狀態,在細胞生長至對數生長期時,及時進行傳代、接種和凍存。
2.2 RT-qPCR 對于M1 型極化實驗,將狀態良好的 BMDM 或 Raw 264.7 細胞以每孔 1×106接種至 6 孔板,過夜培養,共分為4組:對照組、LPS 刺激組、洛美利嗪和LPS 共刺激組以及小白菊內酯和LPS 共刺激組,待細胞長滿約80%~90%時,在洛美利嗪和LPS共刺激組加入10 μmol/L 洛美利嗪預孵育0.5 h,在小白菊內酯和LPS 共刺激組,加入10 μmol/L 小白菊內酯預孵育0.5 h,隨后在對照組以外的其他組加入100 μg/L LPS 刺激 6 h 后收樣檢測。對于 M2 型極化實驗,將狀態良好的BMDM 或Raw 264.7 細胞以每孔 1×106接種至6 孔板,過夜培養,共分為 3 組:對照組、IL-4 刺激組以及洛美利嗪和IL-4 共刺激組,待細胞長滿約80%~90%時,在洛美利嗪和IL-4 共刺激組加入10 μmol/L 洛美利嗪預孵育0.5 h,隨后在對照組以外的其他組加入10 μg/L IL-4 刺激6 h 后收樣檢測。使用Trizol 法提取細胞樣本總RNA,使用Nano-Drop 2000 微量分光光度計進行RNA 定量。按照說明書完成反轉錄,獲得模板cDNA。根據實時熒光定量PCR 檢測試劑盒說明書進行實驗,設置3 個復孔,求平均值,通過分析ΔΔCt值,進行定量計算,實驗獨立重復 3 次。以 2-ΔΔCt法測定相關分子的 mRNA 相對表達量。IL-6 的上游引物序列為5'-TACCACTTCACAAGTCGGAGGC-3',下游引物序列為5'-CTGCAAGTGCATCATCGTTG-3';IL-1β 的上游引物序列為5'-TGGACCTTCCAGGATGAGGACA-3',下游引物序列為 5'-GTTCATCTCGGAGCCTGTAGTG-3';TNF-α 的上游引物序列為5'-GGTGCCTATGTCTCAGCCTCTT-3',下 游 引 物 序 列 為 5'-GCCATAGAACTGATGAGAGGGAG-3';Arg-1 的上游引物序列為5'-CATTGGCTTGCGAGACGTAGAC-3',下游引物序列為5'-GCTGAAGGTCTCTTCCATCACC-3';Fizz-1 的上游引物序列為5'-GAACGCGCAATGCTCCTTTGAG-3',下游引物序列為5'-AGCCACAAGCACATCCAGTGAC-3';Ym-1 的上游引物序列為5'-AGAAGGGAGTTTCAAACCTGGT-3',下游引物序 列 為 5'-CTCTTGCTGATGTGTGTAAGTGA-3';GAPDH 的上游引物序列為5'-CATCACTGCCACCCAGAAGACTG-3',下游引物序列為5'-ATGCCAGTGAGCTTCCCGTTCAG-3'。
2.3 Western blot 分析 將狀態良好的BMDM 或Raw 264.7 細胞以每孔 1×106接種至 6 孔板,共分為 5組:對照組、單獨(10 μg/L IL-4 或100 μg/L LPS)刺激組及 3、10 和 30 μmol/L 洛美利嗪預處理組。過夜培養,待細胞長滿約80%~90%時,在洛美利嗪預處理組加入 3、10 和 30 μmol/L 洛美利嗪預孵育 0.5 h,隨后在對照組以外的其他組內加入10 μg/L IL-4或100 μg/L LPS 刺激0.5 h 或24 h 后收樣檢測。棄去上清,將細胞培養板置于冰上,用預冷的PBS 沿壁輕輕清洗,將 PBS 吸凈棄去,每孔加入 150 μL 1× loading buffer 后靜置5 min,用細胞刮板將細胞充分裂解,并將裂解完全的細胞收集起來,金屬浴加熱10 min 后樣品制備完成。將樣品(上樣量一般為7 μL)與Marker(2 μL)逐個加入至 10% SDS-PAGE 凝膠樣品槽內;開始電泳用80 V 壓膠待樣品濃縮至平后再改用120 V,電泳至藍色液條帶到凝膠底部為止;電泳結束后,將樣品從凝膠轉移到NC 膜上。剪下比凝膠大小略大的NC 膜,在轉膜緩沖液中操作,電壓保持在110 V,時間90 min,冰水浴完成轉膜。轉膜完成后取出已帶有蛋白樣的NC膜放進5%脫脂牛奶中封閉1 h,在室溫搖床上孵育。棄去牛奶,用1× TNET緩沖液洗去多余的牛奶,加入相對應的Ⅰ抗,放入4 ℃冰箱里的搖床上,慢搖,孵育過夜。回收Ⅰ抗溶液,1× TNET 緩沖液洗3 次膜,每次為7 min。加入帶有HRP 標記的Ⅱ抗,室溫搖床孵育2 h。1×TNET 緩沖液洗 3 次膜,每次 10 min;將 ECL 底物 A 與 B 以 1∶1混合,現配現用,盡量避光,用吸水紙吸干NC 膜上的殘余液,膜上滴滿配好的顯影液,并用凝膠成像系統曝光成像。將曝光后的條帶用ImageJ 軟件進行分析,實驗獨立重復3次。
2.4 ELISA 分析 將狀態良好的BMDM 或Raw 264.7 細胞以每孔 1×106接種至 6 孔板,過夜培養,共分為 4 組:對照組、LPS 刺激組、洛美利嗪和 LPS 共刺激組以及小白菊內酯和LPS 共刺激組。待細胞長滿約80%~90%時,在洛美利嗪和LPS 共刺激組加入10 μmol/L 洛美利嗪預孵育0.5 h,在小白菊內酯和LPS共刺激組,加入10 μmol/L 小白菊內酯預孵育0.5 h,隨后在對照組以外的其他組加入100 μg/L LPS 刺激24 h 后收集上清,用于檢測細胞上清培養液中細胞因子的表達水平。提前1 天鋪板,按照所需檢測的量配制Capture Antibody(120 倍稀釋),每孔加入0.1 mL,室溫孵育過夜,第2 天棄去液體,用PBST 溶液洗3 遍,然后加入3%BSA 溶液,每孔加入0.2 mL,室溫孵育2 h,棄去液體,PBST 溶液清洗3 遍,然后加入標準品和待測樣品,每孔加入0.1 mL,室溫孵育2 h,棄去液體,PBST溶液清洗3次,之后按照所需檢測的量配制 Detection Antibody(60 倍稀釋),每孔加入 0.1 mL,室溫孵育 2 h,棄去液體,PBST 溶液清洗3 次,然后加入40 倍稀釋的HRP 溶液,避光孵育1 h,然后棄去液體,PBST溶液清洗3次,隨后加入底物緩沖液避光孵育20 min 后加入終止液,按說明書在特定的吸光度處進行檢測,然后根據吸光度進行換算,實驗獨立重復3次。
應用GraphPad Prim 8.3軟件進行數據處理和分析。實驗數據均為至少3 次獨立重復實驗結果,并用均數±標準誤(mean±SEM)表示。組間均數比較采用單因素方差分析,進一步兩兩比較采用LSD-t檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。
本研究中以小白菊內酯(parthenolide)作為陽性藥物,檢測了洛美利嗪對LPS 誘導的巨噬細胞M1 型極化的影響。我們首先檢測了LPS 刺激下BMDM 和Raw 264.7 細胞炎癥因子 TNF-α、IL-6 和 IL-1β 的表達。結果顯示了 LPS 刺激 6 h 后 BMDM 中 TNF-α、IL-6 和 IL-1β 的 mRNA 水平顯著升高(P<0.01),而 10 μmol/L 洛美利嗪預處理顯著抑制了BMDM 中TNF-α、IL-6 和 IL-1β 的 mRNA 水平(P<0.01),見圖 1A。如 圖 1B 所 示 ,LPS 刺 激 6 h 后 ,Raw 264.7 細 胞 中TNF-α、IL-6 和 IL-1β 的 mRNA 水平升高,10 μmol/L洛美利嗪預處理顯著抑制了Raw 264.7 細胞中TNF-α、IL-6和IL-1β的mRNA水平(P<0.01)。

Figure 1.The effect of lomerizine on the inflammatory cytokine release of M1 macrophages.A:the mRNA expression levels of TNF-α,IL-6 and IL-1β in LPS-induced BMDM detected by RT-qPCR;B:the mRNA expression levels of TNF-α,IL-6 and IL-1β in LPS-induced Raw 264.7 cells detected by RT-qPCR.Mean±SEM. n=3.**P<0.01 vs control group;##P<0.01 vs LPS group.圖1 洛美利嗪對M1型巨噬細胞炎癥因子產生的影響
同時對細胞上清液中細胞因子的分泌進行檢測顯示,LPS 誘導的 BMDM 及 Raw 264.7 細胞中細胞因子TNF-α、IL-6 和IL-1β 分泌均可以被洛美利嗪抑制(P<0.05),見圖2。

Figure 2.The effect of lomerizine on the inflammatory cytokine secretion of M1 macrophages.A:the secretion of TNF-α,IL-6 and IL-1β in LPS-induced BMDM detected by ELISA;B:the secretion of TNF-α,IL-6 and IL-1β in LPS-induced Raw 264.7 cells detected by ELISA.Mean±SEM. n=3.**P<0.01 vs control group;#P<0.05,##P<0.01 vs LPS group.圖2 洛美利嗪對M1型巨噬細胞炎性細胞因子分泌的影響
為了檢測LPS 刺激后洛美利嗪對巨噬細胞M1型極化標志物的影響,我們分別檢測了LPS刺激24 h后BMDM 和Raw 264.7 細胞中iNOS 蛋白的表達水平。Western blot 實驗結果顯示,LPS 刺激 BMDM 和Raw 264.7 細胞24 h 后,iNOS 蛋白水平顯著升高(P<0.01);3、10 和 30 μmol/L 洛美利嗪預處理巨噬細胞0.5 h 可劑量依賴性地下調iNOS 的蛋白水平(P<0.01),見圖3。

Figure 3.The effect of lomerizine on expression of M1 polarization marker in macrophages.A:the protein level of iNOS in LPS-induced BMDM detected by Western blot;B:the protein level of iNOS in LPS-induced Raw 264.7 cells detected by Western blot.Mean±SEM. n=3.**P<0.01 vs control group;#P<0.05,##P<0.01 vs LPS group.圖3 洛美利嗪對巨噬細胞M1型極化標志物的影響
為了進一步探究洛美利嗪抗炎活性,我們隨后檢測了洛美利嗪對巨噬細胞M2 型極化的影響。用IL-4 刺激 BMDM 6 h 后,與 IL-4 處理組相比,10 μmol/L 洛美利嗪預處理能夠顯著增加M2 型極化標志物Arg-1、Fizz-1 和 Ym-1 的 mRNA 表達水平(P<0.01),見圖 4A。用 IL-4 刺激 Raw 264.7 細胞 6 h 后,與IL-4處理組相比,10 μmol/L 洛美利嗪預處理顯著上調了M2 型極化標志物 Arg-1、Fizz-1 和 Ym-1 的 mRNA 表達水平(P<0.05),見圖4B。

Figure 4.The effect of lomerizine on the mRNA expression of M2 polarization markers in macrophages.A:the mRNA expression of Ym-1,Arg-1 and Fizz-1 in IL-4-induced BMDM detected by RT-qPCR;B:the mRNA expression of Ym-1,Arg-1 and Fizz-1 in IL-4-induced Raw 264.7 cells detected by RT-qPCR.Mean±SEM. n=3.**P<0.01 vs control group;#P<0.05,##P<0.01 vs IL-4 group.圖4 洛美利嗪對巨噬細胞M2型標志物mRNA表達的影響
Western blot實驗結果顯示不同濃度的洛美利嗪預處理兩種巨噬細胞后,M2 型極化標志物Arg-1、Fizz-1和Ym-1的蛋白水平隨著洛美利嗪濃度的增加而上調(P<0.05),見圖5。

Figure 5.The effect of lomerizine on the protein expression of M2 polarization markers in macrophages.A:the protein levels of Ym-1,Arg-1 and Fizz-1 in LPS-induced BMDM detected by Western blot;B:the protein levels of Ym-1,Arg-1 and Fizz-1 in LPS-induced Raw 264.7 cells detected by Western blot.Mean±SEM. n=3.*P<0.05,**P<0.01 vs control group;#P<0.05,##P<0.01 vs IL-4 group.圖5 洛美利嗪對巨噬細胞M2型極化標志物蛋白表達的影響
接下來我們檢測了洛美利嗪是否通過調控MAPK、NF-κB 和 STAT6 信號通路介導巨噬細胞極化。結果顯示,洛美利嗪能夠劑量依賴性地降低LPS誘導的巨噬細胞中 p38 MAPK、ERK1/2、JNK1/2 和NF-κB p65 的磷酸化水平(P<0.01),同時顯著增加IκBα 的表達(P<0.01),見圖6A、7A。此外,洛美利嗪對IL-4 誘導的STAT6 磷酸化無顯著影響,見圖6B、7B。

Figure 6.The effect of lomerizine on MAPK and NF-κB signaling pathways(A)and STAT6 signaling pathway(B)in BMDM.Mean±SEM. n=3.**P<0.01 vs control group;#P<0.05,##P<0.01 vs LPS group.圖6 洛美利嗪對BMDM 中MAPK、NF-κB和STAT6信號通路的影響

Figure 7.The effect of lomerizine on MAPK and NF-κB signaling pathways(A)and STAT6 signaling pathway(B)in Raw 264.7 cells.Mean±SEM. n=3.**P<0.01 vs control group;#P<0.05,##P<0.01 vs LPS group.圖7 洛美利嗪對Raw 264.7細胞中MAPK、NF-κB和STAT6信號通路的影響
洛美利嗪是二苯基哌嗪類的非甾體類新一代鈉、鈣雙通道拮抗劑。與同類藥物相比,它可以選擇性的擴張血管,作用時間長,對腦缺血和腦缺氧起到保護作用,而且無錐體外系副作用,臨床上普遍應用于偏頭痛的治療[20-21]。有研究表明偏頭痛與神經源性炎癥有密切的聯系,提示了洛美利嗪有潛在的抗炎活性[16,18,20]。本研究中檢測到洛美利嗪可以顯著降低M1型巨噬細胞炎癥因子的表達,表明洛美利嗪在外周也能發揮抗炎作用,調節巨噬細胞免疫應答,這為洛美利嗪的老藥新用開辟了新思路。目前關于洛美利嗪的研究主要集中在其神經保護作用方面,包括對氧化應激引起的神經毒性[22]和記憶損傷[23]、視神經損傷[24-25]以及陣發性眩暈[26]的恢復作用等。然而關于洛美利嗪對免疫細胞如巨噬細胞的調節作用尚未有深入探究,腦內存在的小膠質細胞與巨噬細胞在功能上有許多類似之處,小膠質細胞在腦內炎癥反應中同樣具有重要調控作用。本研究的結果表明洛美利嗪可能也能夠影響神經炎癥反應和小膠質細胞功能,提示洛美利嗪的適應證可能并不局限于此。
巨噬細胞在外界刺激下會發生極化,表型、形態及功能發生改變,顯著增加其吞噬和殺傷能力[8],同時釋放大量細胞因子,觸發炎癥反應。巨噬細胞受到LPS 刺激后通常向M1 型極化,并釋放大量炎癥因子,加劇炎癥反應[27]。iNOS 是調控 NO 產生的 M1 型巨噬細胞中特征性酶[28]。IL-4 刺激巨噬細胞后則會促進其抗炎因子表達并向M2型極化[1,29]。本研究檢測到洛美利嗪在體外不僅能夠降低巨噬細胞炎癥因子產生并下調iNOS 的表達,還能夠促進巨噬細胞M2 型標志物的表達。洛美利嗪對巨噬細胞極化的雙重作用揭示其具有良好的抗炎活性。
NF-κB 是炎癥早期的重要調節因子,介導許多不同的免疫反應和相關基因的表達調控[30],誘導IL-1β、IL-6 和TNF-α 等促炎細胞因子的轉錄和表達,放大炎癥信號。由于活化NF-κB 亞基的組成存在著兩種形式,即促炎的p65/p50 M1 型和抗炎的p50/p50 M2 型,使得NF-κB 信號通路在巨噬細胞不同應答模式下發揮不同作用[31-32]。MAPK 也是 LPS 誘導巨噬細胞活化的重要信號通路之一,可以激活JNK、ERK和p38 MAPK等亞群,然后再作用于各自的配體和底物,調節多種轉錄因子的表達[33-34]。此外也有研究顯示 MAPK 信號通路能參與巨噬細胞 M1/M2 轉化[35]。STAT6 是IL-4 介導的信號轉導通路中的重要信號分子,而STAT6 與Th2 細胞介導的免疫反應期間M2 巨噬細胞激活有關,可以促進巨噬細胞釋放抗炎因子,從而發揮抗炎作用[3,15]。小白菊內酯作為經典的抗炎化合物,普遍認為可以有效抑制LPS 誘導的M1 型巨噬細胞炎癥因子表達[36],且有證據證明其對NF-κB 和 MAPK 信號通路具有調控作用[36-37],尚無研究顯示小白菊內酯能夠促進巨噬細胞M2 型極化。本研究結果顯示洛美利嗪也可以抑制NF-κB 和MAPK信號通路過度活化,但其對IL-4/STAT6 的活化無顯著影響。Ca2+作為細胞內第二信使之一,調節很多重要的生理過程[38]。LPS 被證明可以促發小鼠巨噬細胞胞漿中的鈣離子流,進而誘導炎癥因子產生[39-41]。我們推測洛美利嗪作為一種非選擇性的鈣通道拮抗劑,可能通過作用于鈣通道蛋白,減少LPS 刺激下巨噬細胞胞內Ca2+的濃度進而影響下游信號NF-κB 和MAPK通路,從而抑制M1型巨噬細胞極化,而STAT6信號通路可能不受其影響。
在本研究中,我們檢測到洛美利嗪能夠抑制抑制巨噬細胞M1 型極化以及促進M2 型極化,其機制可能與調控MAPK 信號通路中p38 MAPK、ERK1/2、JNK1/2 的活化和 NF-κB 信號 通 路中 NF-κB p65、IκBα的活化及表達有關。