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白楊素抑制大鼠腦缺血/再灌注損傷后氧化應激和過度自噬的機制研究

2023-04-29 00:00:00張方李文杰董永書韓東王東曉
中西醫結合心腦血管病雜志 2023年23期

摘要目的:研究白楊素對腦缺血再灌注(CI/RI)大鼠腦組織氧化應激損傷和自噬的緩解作用。方法:45只Sprague-Dawley(SD)大鼠隨機分為Sham組、Model組、白楊素50 mg/kg組、白楊素100 mg/kg組、尼莫地平10 mg/kg組。除Sham組外,其他各組建立CI/RI大鼠模型。白楊素50 mg/kg組、白楊素100 mg/kg組分別給予白楊素50、100 mg/kg灌胃,每日1次;尼莫地平10 mg/kg組腹膜內注射尼莫地平10 mg/kg,每日1次;Sham組、Model組給予等量生理鹽水灌胃,每日1次,連續干預7 d。Y迷宮實驗評價各組大鼠行為學;蘇木素-伊紅(HE)染色觀察腦組織病理損傷;試劑盒檢測總抗氧化能力(T-AOC)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化氫(H2O2)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)、還原性谷胱甘肽(GSH)、超氧化物歧化酶(SOD)和丙二醛(MDA);蛋白免疫印跡法(Western Blot)檢測自噬標志蛋白Beclin-1和微管相關蛋白輕鏈3-Ⅱ(LC3-Ⅱ)表達水平及核因子E2相關因子2(Nrf2)/血紅素氧合酶-1(HO-1)通路蛋白表達水平。結果:與Sham組比較,Model組大鼠Y迷宮實驗檢測新異臂進入次數明顯降低(P<0.01);腦組織細胞擺列狀態散亂;T-AOC和CAT活力明顯下降,SOD和GSH活性明顯降低,而H2O2與MDA含量明顯上升(P<0.01);LC3-Ⅱ、Beclin-1、Nrf2和HO-1的蛋白表達水平明顯升高(P<0.05)。與Model組比較,白楊素治療明顯改善腦組織病理損傷和增加新異臂進入次數(P<0.05);T-AOC和CAT活力明顯增加,SOD和GSH活性明顯上升,而H2O2與MDA含量明顯下降(P<0.05);LC3-Ⅱ、Beclin-1、Nrf2和HO-1的蛋白表達水平明顯降低(P<0.05)。結論:白楊素治療可抑制CI/RI損傷引起的機體氧化應激和自噬,其潛在機制或與白楊素對Nrf2/HO-1通路的活化有關。

關鍵詞腦缺血再灌注損傷;白楊素;微管相關蛋白輕鏈3-Ⅱ;Y迷宮實驗;Beclin-1

doi:10.12102/j.issn.1672-1349.2023.23.011

Effect of Chrysin on Inhibiting Oxidative Stress and Excessive Autophagy after Cerebral Ischemia/Reperfusion Injury in Rats

ZHANG Fang, LI Wenjie, DONG Yongshu, HAN Dong, WANG Dongxiao

The Second People′s Hospital of Jiaozuo, Jiaozuo 454100, Henan, China

Corresponding AuthorLI Wenjie, E-mail: zf19771216@sina.com

AbstractObjective:To study the mitigation effects of chrysin on oxidative stress injury and autophagy in cerebral ischemia reperfusion(CI/RI) rats.Methods:Forty-five Sprague-Dawley(SD) rats were randomly divided into Sham group,Model group,chrysin 50 mg/kg group,chrysin 100 mg/kg group,nimodipine 10mg/kg group.CI/RI rat models were established in other groups except Sham group.Chrysin 50 mg/kg group and chrysin 100 mg/kg group were given chrysin 50 and 100 mg/kg intragastric administration,once a day,respectively.Nimodipine 10 mg/kg group was intraperitoneally injected with nimodipine 10 mg/kg once a day.Sham group and Model group were given" same volume of normal saline once a day.After continuous intervention for 7 days.Y Maze experiment was used to evaluate the behavior of rats in each group.Hematoxylin-eosin(HE) staining was used to observe the pathological injury of cerebral tissue.Total antioxidant capacity(T-AOC),catalase(CAT) and hydrogen peroxide(H2O2),glutathione peroxidase(GSH-Px),glutathione(GSH),superoxide dismutase(SOD),and malondialdehyde(MDA) were detected by the kit.Western Blot analysis was performed to detect the expression levels of Beclin-1,microtubule-associated protein" light chain 3-Ⅱ(LC3-Ⅱ) and nuclear factor E2-related factor(Nrf2)/heme oxygenase 1(HO-1) pathway proteins.Results:Compared with the Sham group,Y maze test of Model group the number of new arm entry significantly reduced(P<0.01).Cerebral tissue cells" arranged in a disorganized state.The activities of T-AOC and CAT significantly decreased,the activities of SOD and GSH significantly decreased,and the contents of H2O2 and MDA significantly increased(P<0.05 or P<0.01).The protein expression levels of LC3-Ⅱ,Beclin-1,Nrf2 and HO-1" significantly increased(P<0.05).Compared with the Model group,chrysin treatment significantly improved the pathological injury of cerebral tissue and increased the entry times of new arm(P<0.05 or P<0.01).The activities of T-AOC and CAT significantly increased,the activities of SOD and GSH" significantly increased,while the contents of H2O2 and MDA" significantly decreased(P<0.05).The protein expression levels of LC3-Ⅱ,Beclin-1,Nrf2 and HO-1" significantly decreased(P<0.05).Conclusion:The oxidative stress and autophagy induced by CI/RI injury can be inhibited by the treatment of chrysin,and the underlying mechanism may be related to the activation of Nrf2/HO-1 pathway by chrysin.

Keywordscerebral ischemia reperfusion injury; chrysin; microtubule-associated protein light chain 3-Ⅱ, LC3-Ⅱ; Y maze experiment; Beclin-1

腦卒中是一種常見的中樞神經系統血管疾病,是全球范圍內致殘和致死的主要原因,其中缺血性腦卒中約占85%[1]。缺血性腦卒中引起一系列不良反應,最終導致神經元死亡和腦內支持結構的損傷。目前,有效的治療方法是及時的藥物溶栓,然而,藥物溶栓治療受限于其嚴格而狹窄的治療窗口期(<4.5 h),主要風險為出血及再灌注的潛在損害[2]。缺血性腦卒中的發病機制包括興奮性毒性、氧化應激、炎癥、自噬和凋亡,其中自噬被認為是腦缺血/再灌注損傷(CI/RI)的關鍵事件[3]。白楊素(Chrysin)是提取于紫葳科植物木蝴蝶中的一種黃酮類化合物,具有抗腫瘤、抗炎、抗氧化、自噬等藥理活性[4-6]。研究表明,氧化應激損傷、自由基損傷、炎性反應、自噬等在腦缺血病理的發生發展過程中發揮至關重要的作用[7-9]。本研究探討白楊素對CI/RI大鼠認知功能、氧化應激和自噬的影響,并探討其相關機制,旨在為CI/RI及其潛在損害的治療提供思路和策略。

1材料與方法

1.1實驗材料

1.1.1動物來源及分組

45只5~7周齡Sprague-Dawley(SD)大鼠,體質量220~250 g,購自北京維通利華實驗動物技術有限公司,生產許可證號:SCXK(京)2016-0011,使用許可證號:SYXK(京)2017-0033。本研究經我院動物管理倫理委員會討論通過,倫理編號:IACUC2020-045。所有大鼠均置于無菌環境(溫度23 ℃,相對濕度50%),保持12 h的明暗循環,并提供干凈的食物和水。將大鼠隨機分為Sham組、Model組、白楊素50 mg/kg組、白楊素100mg/kg組、尼莫地平10mg/kg組,每組9只。

1.1.2實驗試劑

白楊素(5,7-二羥基黃酮)(純度>98%,貨號:12333345,陜西嘉通生物制品有限公司);總抗氧化能力(T-AOC)試劑盒、過氧化氫酶(CAT)試劑盒、丙二醛(MDA)試劑盒、超氧化物歧化酶(SOD)試劑盒、過氧化氫(H2O2)試劑盒、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)試劑盒、還原性谷胱甘肽(GSH)試劑盒(貨號:20130926、20130928、20130924、20130924、20130929、20130921、20130930,南京建成生物工程研究所);雙二喹啉甲酸(BCA)試劑盒(貨號:R23183-250T,上海源葉生物科技有限公司);Trizol試劑盒(貨號:20180108,invitrogen公司,美國)。

1.1.3實驗儀器

奧林巴斯BX51光學顯微鏡(奧林巴斯,日本),切片機(Leica RM2015,德國),電泳儀(北京六一儀器廠,中國)。

1.2實驗方法

1.2.1動物模型建立

根據文獻[8]復制CI/RI大鼠模型。通過加熱的手術平臺保持(37.0±0.5)℃,大鼠腹膜內注射50 mg/kg戊巴比妥麻醉后仰臥固定,下頜骨至胸骨柄處正中縱向切口,雙重結扎頸總動脈近心端,分離頸外動脈并結扎。分離頸內動脈,用微型動脈夾夾閉頸內動脈,于頸外動脈壁處開口插入線栓,將線栓插入頸總動脈內,絲線結扎頸外動脈,移除動脈夾,將線栓移至大腦中動脈,誘導腦缺血2 h后將線栓拔出,解開線結以完成CI/RI模型。Sham組大鼠僅將線栓略插入頸內動脈,未導致腦中動脈閉塞。白楊素濃度參照文獻報道[10],白楊素50 mg/kg組、白楊素100 mg/kg組分別給予白楊素50、100 mg/kg灌胃,每日1次;尼莫地平10 mg/kg組腹膜內注射尼莫地平10 mg/kg,每日1次;Sham組、Model組給予等量生理鹽水灌胃,每日1次,連續干預7 d,并記錄大鼠體質量變化。

1.2.2行為學評價指標

Y迷宮實驗:將大鼠放入Y迷宮中適應環境,三臂燈均亮1 min后熄滅。打開大鼠不在的一臂燈,持續5 s(燈亮臂為安全區),將其余兩臂通電(電壓50 V),隨機亮燈。記錄大鼠到達安全區的時間(30 s內到達有效,否則失敗),燈亮持續30 s,然后熄滅,1次實驗結束。持續訓練大鼠,直到1 d內成功學會。“正確反應”為大鼠在通電刺激后10 s內沖向安全區域,否則為“錯誤反應”。成功的訓練為連續10次刺激中有9次或更多的正確反應。記錄新異臂進入次數以評估大鼠的空間識別、記憶能力和活動能力。

1.2.3神經功能缺損評分

神經功能缺損評分由1名對實驗不知情的檢查者進行評估,在再灌注后24 h及最后1次給藥24 h后,參照文獻[9]進行評估:0分為表現正常,1分為大鼠無法完全伸展左前腿,2分為大鼠走路向左盤旋,3分為大鼠走路向左傾斜,4分為大鼠失去意識。

1.2.4蘇木精-伊紅(HE)染色

最后1次給藥24 h后,每組取3只大鼠腹膜內注射戊巴比妥50 mg/kg麻醉,快速斷頭取腦,從視交叉向后2 cm切取腦組織,置于4%多聚甲醛中固定72 h后進行石蠟包埋制作切片備用,切片厚度為5 μm,每組再取6只大鼠腹腔麻醉后斷頭取新鮮腦組織,于-20 ℃冰箱冰凍20 min備用。取各組大鼠腦組織切片于室溫下進行蘇木精染色4~10 min,之后伊紅染色0.5~2.0 min。使用奧林巴斯BX51光學顯微鏡觀察腦組織病理學變化。

1.2.5氧化應激指標檢測

取腦組織標本,稱重后按質量體積比1∶9加入冰生理鹽水,使用組織勻漿器在冰水浴中勻漿。按不同指標測定的要求采用相應的轉速離心,并取上清分裝,保存于-80 ℃冰箱中。T-AOC、CAT、H2O2、GSH-Px、GSH、SOD和MDA的測定具體按照操作說明書進行。

1.2.6逆轉錄聚合酶鏈式反應(PCR)檢測微管相關蛋白輕鏈3-Ⅱ(LC3-Ⅱ)和肌球蛋白樣Bcl-2 結合蛋白(Beclin-1)mRNA水平

使用Trizol試劑提取腦組織的總RNA,并用 PrimeScriptTMRT試劑盒將總RNA逆轉錄為cDNA。根據制造商的說明,使用SYBR Green Master Mix反應試劑,與20 μL cDNA共同孵育,在Prism 7500實時進行PCR擴增,使用2-ΔΔCt方法計算RNA表達,β-actin作為內參。

1.2.7蛋白免疫印跡法(Western Blot)檢測LC3-Ⅱ、Beclin-1、核因子E2相關因子2(Nrf2)和血紅素氧合酶-1(HO-1)蛋白表達水平

收集各組大鼠腦組織,按照說明書提取組織總蛋白,使用BCA蛋白測定試劑盒檢測蛋白濃度。取20 μg總蛋白上樣至10%十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)緩沖液中,然后轉移至聚偏二氟乙烯(PVDF)膜上。用5%脫脂牛奶在37 ℃下密封PVDF膜2 h。然后,將其與以下一抗在4 ℃下孵育過夜:膜型LC3(LC3-Ⅱ)(ab192890,1∶2 000),Beclin-1(ab210498,1∶1 000),Nrf2(ab92946,1∶1 000),HO-1(ab189491,1∶2 000),內參β-actin(1∶1 000)。隨后,將PVDF膜與山羊抗兔IgG辣根過氧化物酶(HRP)偶聯的二抗在37 ℃孵育60 min。傾去抗體混合液,用5 mL洗液漂洗3次,每次5 min。增強型化學發光試劑(ECL)顯色曝光,采用Image J分析內參β-actin和目標條帶的灰度值,目標條帶蛋白水平=目標條帶的灰度值/β-actin的灰度值。

1.3統計學處理

采用SPSS 21.0軟件進行數據分析。符合正態分布的定量資料以均數±標準差(x±s)表示,多組間比較采用單因素方差分析,組間比較用t檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。

2結果

2.1白楊素對CI/RI大鼠體質量和行為學的影響

與Sham組比較,Model組大鼠體質量增加,Y迷宮實驗檢測新異臂進入次數減少,差異均有統計學意義(P<0.01)。與Model組比較,白楊素50 mg/kg組、白楊素100 mg/kg組、尼莫地平10 mg/kg組大鼠體質量降低,Y迷宮實驗檢測新異臂進入次數增加,差異均有統計學意義(P<0.05或P<0.01)。表明一定濃度的白楊素治療可改善CI/RI大鼠行為學異常。詳見表1。

2.2白楊素對CI/RI大鼠腦損傷的影響

與Sham組比較,Model組大鼠腦組織細胞排列紊亂,胞核固縮深染,細胞間隙變大,大量空泡樣改變,表明腦組織出現明顯損傷;與Model組比較,經白楊素治療可改善各組大鼠腦組織病理損傷,腦組織細胞排列較規整,細胞固縮程度較輕,空泡樣改變減少。與Sham組比較,Model組大鼠神經功能損傷評分明顯增加,差異有統計學意義(P<0.01);與Model組比較,白楊素50 mg/kg組、白楊素100 mg/kg組、尼莫地平10 mg/kg組大鼠神經功能損傷評分明顯降低,差異均有統計學意義(P<0.05或P<0.01)。表明一定濃度的白楊素治療可改善CI/RI引起的大鼠腦組織損傷。詳見圖1、圖2。

2.3白楊素對氧化應激指標的影響

與Sham組比較,Model組T-AOC、CAT、GSH-Px、SOD和GSH活力明顯下降,H2O2和MDA含量明顯升高,差異均有統計學意義(P<0.01)。與Model組比較,白楊素100mg/kg組、尼莫地平10 mg/kg組T-AOC、CAT、GSH-Px、SOD和GSH活力明顯升高,H2O2和MDA含量明顯降低,差異均有統計學意義(P<0.05)。詳見表2。

2.4白楊素對CI/RI大鼠腦組織中LC3-Ⅱ和Beclin-1表達水平的影響

與Sham組比較,Model組大鼠腦組織中LC3-Ⅱ和Beclin-1的mRNA表達水平明顯升高(P<0.05)。與Model組比較,白楊素50 mg/kg組、白楊素100 mg/kg組、尼莫地平10 mg/kg組LC3-Ⅱ和Beclin-1的mRNA表達水平明顯降低(P<0.05)。與Sham組比較,Model組大鼠腦組織中LC3-Ⅱ和Beclin-1的蛋白表達水平明顯升高(P<0.05)。與Model組比較,白楊素50 mg/kg組、白楊素100 mg/kg組、尼莫地平10 mg/kg組LC3-Ⅱ和Beclin-1的蛋白表達水平明顯降低(P<0.05)。詳見圖3~圖5。

2.5白楊素對CI/RI大鼠腦組織中Nrf2/HO-1通路蛋白的影響

與Sham組比較,Model組大鼠腦組織中Nrf2和HO-1的蛋白表達水平均升高(P<0.05)。與Model組比較,白楊素50mg/kg組、白楊素100 mg/kg組、尼莫地平10 mg/kg組Nrf2和HO-1的蛋白表達水平升高(P<0.05)。詳見圖6、圖7。

3討論

由于生活方式的轉變,腦血管疾病已成為危害人類健康和生命的主要疾病之一,因大腦中動脈阻塞引起急性血流障礙,引發突發性局灶性腦功能障礙,導致感覺、運動功能喪失甚至死亡[11]。CI/RI是由于溶栓等療法進行再灌注時引起的功能障礙和結構損傷[12]。本研究結果顯示,白楊素治療可以改善大鼠CI/RI引起的行為學異常,降低腦組織病理和功能損傷,抑制氧化應激和細胞自噬的發生。急性腦缺血可導致缺血部位發生氧化應激,釋放大量自由基并破壞細胞結構,運用具有自由基清除功效的藥物可以防止這些損傷的發生[13-14]。研究表明,白楊素具有抗氧化和清除自由基的作用[15]。本研究結果表明,與Sham組比較,Model組大鼠腦組織中抗氧化系統指標T-AOC、CAT、GSH、GSH-Px及SOD活性均明顯降低。機體內存在著多種抗氧化酶系,常見的有谷胱甘肽氧化還原系統,在這個體系中GSH-Px能催化GSH,使有毒的過氧化物還原成無毒的羥基化合物。此外,CAT可以清除H2O2,SOD可以清除O2-,從而保護細胞膜的結構及功能不受過氧化物的干擾及損害。本研究結果顯示,在白楊素干預后,大鼠腦組織中T-AOC、CAT、GSH-Px、SOD和GSH活力明顯升高,而氧化性氧化系統指標H2O2和MDA含量明顯降低,提示白楊素可以通過抑制氧化應激來保護腦組織缺血性損傷。

自噬是一種存在于真核生物中、在進化上高度保守的細胞自清除和再循環機制,自噬參與CI/RI的發生、發展過程[16]。研究顯示,白楊素對機體內的自噬具有抑制作用[6]。Beclin1和LC3-Ⅱ蛋白被認為是自噬形成的標記性蛋白。Beclin1介導自噬的啟動階段及自噬體的形成,并調節其他自噬蛋白在自噬前體膜的定位[17]。LC3-Ⅱ是一種定位于前體自噬泡和自噬泡膜表面的組織蛋白,參與自噬體的形成[18]。在本研究中,白楊素治療明顯降低了CI/RI誘導的大鼠腦組織中LC3-Ⅱ和Beclin-1蛋白表達的升高。

Nrf2是細胞內重要的抗氧化轉錄因子,在機體的抗氧化應激防御系統中發揮重要作用;HO-1是機體重要的內源性保護酶系之一,也是細胞對抗氧化應激反應的重要組成部分,Nrf2的激活可以促進HO-1的表達[19]。研究表明,Nrf2參與CI/RI損傷引起的氧化應激過程[20-22]。在本研究中,Model組大鼠腦組織中Nrf2和HO-1的蛋白水平均升高,白楊素干預后進一步提升了Nrf2和HO-1的蛋白表達水平,表明白楊素干預對CI/RI大鼠腦組織中Nrf2/HO-1通路蛋白表達具有激活作用。

綜上所述,白楊素治療可抑制CI/RI損傷引起的腦組織損傷以及機體氧化應激和細胞過度自噬,其潛在機制可能與白楊素對Nrf2/HO-1通路的激活有關。但由于有限的實驗條件和樣本,本研究具有一定的局限性,更確切的機制還需要更進一步的研究。

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(收稿日期:2021-05-31)

(本文編輯鄒麗)

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