王曉英 劉盼 韓丹 趙媛媛



摘要 目的:探討丙泊酚靶向調節絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)/細胞外信號調節激酶(ERK)通路干預心肌缺血再灌注損傷(MIRI)的作用機制。方法:分別構建體內大鼠心肌梗死模型和體外原代心肌細胞糖氧剝奪(OGD)模型模擬MIRI,實驗分為對照組、模型組、陰性對照組和丙泊酚組。分別用流式細胞術檢測原代心肌細胞凋亡率,蛋白免疫印跡法(Western Blot)檢測心肌細胞凋亡相關蛋白及MAPK/ERK信號通路相關蛋白表達;使用轉錄組測序和VIPER方法檢測心肌組織中蛋白質活性;通過2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC)染色和蘇木精-伊紅(HE)染色觀察大鼠心肌梗死面積、心肌組織變化;檢測各組血清心肌酶活性。結果:與模型組比較,丙泊酚組丙泊酚處理后原代心肌細胞凋亡率、凋亡蛋白Caspase-3和Bax表達明顯降低(P<0.01),抗凋亡蛋白Bcl-2表達明顯升高(P<0.01),血清肌酸激酶同工酶(CK-MB)、乳酸脫氫酶(LDH)、肌鈣蛋白T(cTnT)和天冬氨酸氨基轉移酶(AST)水平明顯下降(P<0.01),心肌梗死面積明顯縮小,磷酸化ERK1/2(p-ERK1/2)、磷酸化C-Raf(p-C-Raf)和磷酸化MEK1/2(p-MEK1/2)蛋白表達明顯增加(P<0.05)。結論:丙泊酚能減輕心肌缺血再灌注損傷,發揮心肌保護作用,可能是通過靶向調節MAPK/ERK信號通路實現的。
關鍵詞 心肌缺血再灌注損傷;丙泊酚;細胞凋亡;心肌酶;絲裂原活化蛋白激酶;細胞外信號調節激酶;實驗研究
doi:10.12102/j.issn.1672-1349.2024.01.010
急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)是冠心病最嚴重的臨床表現之一[1]。急性心肌梗死時心臟血氧流動受阻,導致心肌缺血和缺氧壞死,同時心肌再灌注會加重原有的心肌損傷[2]。這一病理生理過程在臨床上被定義為心肌缺血再灌注損傷(myocardial ischemia reperfusion injury,MIRI)[3]。以往的研究表明,MIRI的病理機制非常復雜,主要包括心肌能量代謝受損、活性氧大量產生、鈣離子超載、中性粒細胞浸潤和血管內皮功能障礙,最終導致心肌細胞凋亡或壞死[4]。細胞外信號調節激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)是絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)家族的重要成員[5]。先前的研究表明,ERK可以調節細胞增殖和分化,活化的ERK/MAPK會進入細胞核,磷酸化多種轉錄因子[如c-fos和血清反應因子(SRF)],從而促進相關基因的表達[6]。心肌缺血狀態下,MAPK/ERK信號通路被激活,促進缺氧誘導因子1(hypoxia inducible factor-1,HIF-1)的表達,最終適應缺氧[7]。目前的研究發現,ERK1/2信號通路在MIRI中發揮心臟保護作用,此外ERK1/2信號通路的抑制促進缺血再灌注誘導的心肌細胞凋亡[8]。
丙泊酚主要用于麻醉和鎮靜,藥理學研究顯示,其作用包括抗炎和抑制促炎細胞因子的產生以及中性粒細胞浸潤[9]。臨床研究表明,丙泊酚可以誘導氧化應激生物標志物血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)的大量表達,從而發揮抗氧化作用[10]。丙泊酚通過ATP結合盒轉運子A1(ABCA1)上調促進膽固醇流出,防止內皮細胞炎癥和活性氧引起的死亡[11]。此外,已被證明丙泊酚可以通過抑制缺氧缺糖即糖氧剝奪(OGD)對H9c2細胞的損傷發揮心臟保護作用[12]。然而,丙泊酚對預防和治療心肌損傷的機制尚未完全闡明。丙泊酚可增加一氧化氮(NO)的生物利用度,上調人靜脈內皮細胞內皮型一氧化氮合酶(eNOS)的表達水平,增加NO的生物合成水平[13]。此外,有研究報道,丙泊酚可激活ERK1/2信號通路[14]。總之,丙泊酚可能通過靶向調節MAPK/ERK信號通路發揮缺血再灌注損傷后心臟的保護作用。本研究通過結扎左前降支建立的經典模型和原代心肌細胞OGD模型,探討丙泊酚的心臟保護作用及其對MAPK/ERK信號通路的影響。
1 材料與方法
1.1 原代心肌細胞的培養
所有動物手術均根據《實驗動物護理和使用指南》(1996年修訂)進行,本實驗獲得我院動物倫理委員會批準。用膠原酶Ⅱ(美國Sigma公司)從1~3 d齡Sprague-Dawley(SD)大鼠心室中分離原代心肌細胞。將含有懸浮細胞的上清液預培養1.5 h以除去非心肌細胞。隨后將分離的心肌細胞以5×104 個/cm2密度接種到細胞培養板中,隨后在含有10%胎牛血清(FBS,美國Gibco公司生產)和1%的青霉素-鏈霉素(北京索萊寶科技有限公司)的DMEM/F-12和羥乙基哌嗪乙硫磺酸(HEPES,美國Hyclone公司生產)混合液中培養,5%CO2培養箱中孵育。
1.2 OGD細胞模型
以二甲基亞砜(DMSO,美國Gibco公司生產)為介質,將丙泊酚(美國Gibco公司)溶解于含10% FBS中。丙泊酚治療后24 h,丟棄培養基,用磷酸緩沖鹽溶液(PBS)仔細沖洗。然后用KRB緩沖液替換溶液(KRB配制:NaCl 115 mmol/L,KCl 4.7 mmol/L,CaCl2 2.5 mmol/L,KH2PO4 1.2 mmol/L,MgSO4 1.2 mmol/L,NaHCO3 24 mmol/L,HEPES 10 mmol/L,pH 7.4)。在低氧環境(95%N2和5% CO2)中培養6 h后,將細胞在含有10% FBS的DMEM培養箱中培養5 h,該培養箱含有5%CO2和95%空氣,用于復氧損傷。
1.3 大鼠心肌梗死模型
術前將體質量為180~200 g的雄性SD大鼠飼養在溫度為25 ℃、濕度為45%的環境中,所有實驗動物都可以自由獲得食物和水。將丙泊酚溶解在0.5%羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)溶液(美國Gibco公司)中。將所有大鼠隨機分為對照組、模型組、陰性對照組和丙泊酚組。在造模前1 h尾靜脈注射藥物,通過缺血30 min和再灌注2 h建立缺血/再灌注模型。待動物麻醉后,在第2肋和第4肋間左胸壁切口切開胸腔,6-0鋼絲穿入左前降支遠端1/3處的滑結,之后將導管置于結扎線和心肌組織之間。然后通過收緊縫合線來阻塞冠狀動脈,缺血2 h后,松弛滑結,隨后心肌再灌注24 h。除缺血再灌注外,對照組進行上述手術。
1.4 心肌梗死面積的測量
通過2,3,5-氯化三苯基四氮唑(2,3,5-triphenyl tetrazolium chloride,TTC)染色評估心肌梗死面積。再灌注后立即處死大鼠,取出心臟樣本,沿心尖至心臟底部切成5 mm厚的切片,在37 ℃用1%TTC孵育15~20 min后,采用數碼相機(日本Canon公司)拍攝切片。心臟的紅色部分被TTC染色,表明是幸存的組織,白色部分表示心肌梗死。最后使用Image-Pro Plus軟件測量心肌梗死面積。
1.5 采用VIPER算法預測蛋白質活性的變化
基于從GEO數據庫獲得的233個RNA-seq表達譜數據,使用ARACNe建立心肌特異性轉錄調控網絡模型。該網絡的參數設置為:引導程序=100,P<10-8,圖像每英寸長度內的像素點數(DPI)=0。轉錄調控網絡包含1 623個轉錄因子、15 432個靶基因和432231個相互作用。基于以上獲得的轉錄調控網絡,使用Bioconductor(https://www. bioconductor.org/packages/release/bioc/html/viper.html)提供的VIPER算法預測參麥注射液對蛋白質活性的影響。最后將樣本隨機均勻地加擾1 000次,以估計統計學意義[15]。
1.6 細胞凋亡檢測
采用膜聯蛋白V-異硫氰酸熒光素(Annexin V-FITC)/碘化丙啶(propidium iodide,PI)雙染色試劑盒(英國abcam公司)檢測心肌細胞凋亡的變化。用胰蛋白酶消化5×105個細胞,PBS在4 ℃漂洗2次。離心后將細胞重新懸浮在500 μL染色緩沖液中,然后加入5 μL膜聯蛋白Annexin V-FITC和5 μL的PI染料,37 ℃黑暗中染色15 min,最后用細胞儀檢測凋亡細胞[16]。
1.7 蛋白免疫印跡(Western Blot)法檢測凋亡相關蛋白表達情況
向細胞中加入適量的RIPA裂解緩沖液和蛋白酶抑制劑苯甲基磺酰氟(PMSF)并混合均勻(RIPA和PMSF均購自Beyotime公司),胰蛋白酶消化細胞后加入裂解緩沖液,收集裂解物并轉移到新的EP管中,隨后使用冷凍高速離心機在14 000 r/min和4 ℃下離心30 min。離心完成后,收集蛋白質上清液,并在95 ℃加熱10 min,使蛋白質變性,將制備好的蛋白質樣品放在-80 ℃的冰箱中備用。蛋白質的濃度用二喹啉甲酸(BCA,購自Beyotime公司)法測量。蛋白樣品在80 V恒壓下用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)分離2.5 h后轉移到聚偏二氟乙烯(PVDF)膜上。隨后將PVDF膜浸入含有5%脫脂奶粉的TBST(購自瑞士Roche公司)中,并在搖床上緩慢搖動1 h。封閉完成孵育一抗,置于4 ℃冰箱過夜。次日取出,用TBST清洗3次,每次10 min后,孵育相應的第二抗體2 h。在暗室中使用增強化學發光試劑(ECL,購自美國Media公司)暴露免疫反應帶,最后使用Image-Pro Plus v6分析蛋白質的相對表達。實驗使用的一抗:小鼠抗大鼠Caspase-2單克隆抗體、免抗大鼠Bax單克隆抗體、免抗大鼠Bcl-2單克隆抗體、免抗大鼠ERK1/2單克隆抗體、兔抗大鼠絲氨酸-蘇氨酸激酶1/2(MEK1/2)單克隆抗體、小鼠抗大鼠原癌基因絲蘇氨酸蛋白激酶(C-Raf)單克隆抗體和小鼠抗大鼠甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)單克隆抗體,均購自SantaCruzBiotechnology公司。實驗使用的二抗有HRP標記的兔抗小鼠IgG和HRP標記的山羊抗兔IgG,均購自SantaCruz 公司。
1.8 蘇木精-伊紅(HE)染色觀察心臟組織的變化
將大鼠處死后分離心臟樣本,然后用4%多聚甲醛/PBS(pH 7.4)在4 ℃下處理48 h。然后用流動水洗滌組織,用70%、80%和95%乙醇脫水,并用100%乙醇處理,之后用二甲苯除去乙醇。將組織包埋在石蠟(2 μm)中,并嚴格按照制造商的HE染色試劑盒(購自Beyotime公司)說明進行染色。
1.9 酶聯免疫吸附試驗(ELISA)檢測血清心肌酶活性
將大鼠處死后采集全血樣品,根據肌酸激酶同工酶(CK-MB)、天冬氨酸氨基轉移酶(AST)、乳酸脫氫酶(LDH)和肌鈣蛋白T(cTnT)試劑盒(購自Beyotime公司)的說明,全血樣品在室溫下放置20 min,然后在室溫下以3 000 r/min離心20 min。隨后,收集分離的透明血清,用多功能酶標儀測定450 nm處CK-MB、AST、LDH和cTnT的吸光度,繪制標準曲線,計算每個樣品中CK-MB、AST、LDH和cTnT的濃度。
1.10 統計學處理
采用SPSS 20.0軟件進行統計分析,所有實驗均重復3次。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,兩組間比較采用t檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。
2 結 果
2.1 丙泊酚對缺氧/復氧誘導的原代心肌細胞凋亡的影響
與對照組比較,模型組、陰性對照組原代心肌細胞凋亡率明顯升高(P<0.01);與模型組比較,丙泊酚組原代心肌細胞凋亡率明顯降低(P<0.01)。詳見圖1、圖2。Western Blot檢測結果顯示,與對照組比較,模型組、陰性對照組凋亡蛋白Caspase-3和Bax表達明顯升高(P<0.01),抗凋亡蛋白Bcl-2表達明顯降低(P<0.05);與模型組比較,丙泊酚組凋亡蛋白Caspase-3和Bax表達明顯降低(P<0.01),抗凋亡蛋白Bcl-2表達明顯升高(P<0.01)。詳見圖3、圖4。
2.2 丙泊酚對缺血再灌注誘導的大鼠血清心肌酶活性的影響
與對照組比較,模型組、陰性對照組血清CK-MB、LDH、cTnT和AST水平有不同程度升高(P<0.01),提示MIRI大鼠模型成功建立。經丙泊酚治療后,丙泊酚組血清CK-MB、LDH、cTnT和AST水平較模型組明顯下降(P<0.01),提示丙泊酚能減輕MIRI。詳見圖5、圖6。
2.3 丙泊酚對缺血再灌注誘導大鼠心肌梗死面積的影響
TTC染色結果顯示:與對照組比較,模型組、陰性對照組大鼠心肌梗死面積明顯增加(P<0.01),丙泊酚組心肌梗死面積明顯小于模型組(P<0.01)。詳見圖7、圖8。
2.4 HE染色分析丙泊酚對缺血再灌注誘導大鼠心臟組織的影響
HE染色結果顯示:與對照組比較,模型組、陰性對照組中心肌細胞排列紊亂,心肌細胞胞漿染色不均勻,心肌纖維排列松散無序,細胞間隙明顯增寬,肌漿染色也不均勻,同時部分肌纖維變性腫脹,間質水腫,紅細胞滲漏,中性粒細胞浸潤。丙泊酚治療后,可以觀察到心肌細胞排列有序,染色均勻,細胞邊界清晰,無間質水腫和中性粒細胞浸潤,對心肌組織表現出了明顯的保護作用。詳見圖9。
2.5 丙泊酚對原代心肌細胞MAPK/ERK信號通路的影響
為了尋找丙泊酚治療后活性發生顯著變化的蛋白質,從GEO數據庫中下載了231個心肌組織基因表達譜數據,然后使用ARACNe法構建心肌組織特異性轉錄調控網絡。ARACNe算法是基于大規模基因表達譜數據預測轉錄調控因子與信號蛋白下游基因關系的理論預測方法,已被證明是進行VIPER分析的有力方法。本實驗基于VIPER分析得到6個活性顯著上調的蛋白[MAPK3、反應結合蛋白(CREB)、絲裂原激活蛋白激酶1(MAP2K1)、c-fos、絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶(Raf1)和MAPK1]和2個活性顯著下調的蛋白植物鹽超敏感基因(SOS1)和叉頭框蛋白O3(FOXO3),提示MAPK/ERK信號通路的蛋白活性顯著上調(見圖10)。Western Blot檢測結果顯示:與模型組比較,丙泊酚處理后MAPK/ERK信號通路中磷酸化ERK1/2(p-ERK1/2)、磷酸化C-Raf(p-C-Raf)和磷酸化MEK1/2(p-MEK1/2)蛋白表達明顯增加(P<0.05)。詳見圖11、圖12。
3 討 論
心肌細胞活力下降和心室重構可能是急性心肌梗死病人因心力衰竭死亡的主要原因[17]。隨著急診溶栓、急診介入治療和冠狀動脈搭橋術的廣泛應用,急性心肌梗死病人的死亡率明顯降低,同時病人的生存率顯著提高[18]。研究發現,MIRI后心肌發生壞死,多種心肌酶釋放到血液中,最終增加血清心肌酶的活性,該結果與之前的文獻報道結果[19]一致。經丙泊酚預處理后,MIRI模型大鼠血清CK-MB、AST、LDH和cTnT水平下降,心肌細胞損傷減輕。本研究還通過流式細胞術檢測心肌細胞凋亡,結果顯示:經缺氧/復氧誘導后,模型組心肌細胞凋亡率明顯增加。然而在丙泊酚處理后,心肌細胞凋亡率明顯降低。通過TTC染色和HE染色檢測心肌梗死面積和心肌組織的變化,結果顯示:經缺血/再灌注誘導后,MIRI模型大鼠心肌梗死面積明顯增大,心肌細胞排列紊亂,心肌纖維排列松散無序,細胞間隙明顯增寬,同時部分肌纖維變性腫脹,間質水腫,紅細胞滲漏,中性粒細胞浸潤。經丙泊酚處理后,心肌梗死面積明顯縮小,心肌細胞排列有序,染色均勻,細胞邊界清晰,無間質水腫和中性粒細胞浸潤。提示丙泊酚能改善心肌細胞損傷,對缺血再灌注大鼠心肌損傷有一定的預防作用。
目前研究表明,調控MIRI的分子機制非常復雜,主要集中在與細胞生長和存活相關的信號轉導途徑,如MAPK信號轉導途徑[20]和 磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號轉導途徑[21]。MAPK信號轉導通路與心肌細胞凋亡有關[22]。細胞外刺激與細胞膜表面受體結合并將信號傳遞到細胞膜的過程中需要MAPK級聯反應[23]。目前ERK信號通路是研究最多的MAPK相關通路,其參與調節多種生物過程,如各種細胞的存活、生長和死亡以及炎癥相關的免疫反應[20,24]。有研究表明,在急性心肌梗死大鼠模型中激活ERK途徑可增強心肌細胞的復氧作用,抑制心肌細胞的凋亡和炎癥反應,這在一定程度上保護心肌免受缺血再灌注引起的繼發性損傷[25]。本研究結果顯示:在缺血/再灌注的體內心肌損傷模型中,與模型組比較,丙泊酚組MAPK/ERK信號通路中關鍵蛋白p-ERK1/2、p-MEK1/2和p-C-Raf表達水平明顯升高,提示丙泊酚在MIRI大鼠的心臟保護作用可能是通過激活MAPK/ERK信號通路來實現的。另外,有研究報道,MAPK/ERK信號轉導途徑的下游分子ERK可以在刺激下將上游級聯信號傳遞到細胞核中,最終調節細胞核中各種凋亡相關基因的表達如Caspase-3、Bcl-2、Bcl-xL、Bax、Bad和Bim[26-27]。Bcl-2和Bax是決定細胞接受細胞外刺激信號后是否激活凋亡信號通路的關鍵基因。本研究發現:經丙泊酚干預處理后,p-ERK1/2表達上調,p-ERK的活性被顯著激活,從而抑制Caspase-3和Bax的表達并增加Bcl-2的表達,表明丙泊酚可以通過調節ERK通路的激活來干預Caspase-3、Bax和Bcl-2的表達。
綜上所述,丙泊酚可降低缺血再灌注損傷后心肌細胞凋亡率,縮小心肌梗死面積,減輕心肌組織損傷,發揮對心臟的保護作用,其保護機制可能與激活MAPK/ERK信號通路有關。
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(收稿日期:2022-01-30)
(本文編輯郭懷印)
基金項目 四川省衛生和計劃生育委員會科研課題(No.17PJ596)
引用信息 王曉英,劉盼,韓丹,等.丙泊酚靶向調節MAPK/ERK信號通路干預心肌缺血再灌注損傷的實驗研究[J].中西醫結合心腦血管病雜志,2024,22(1):56-61;87.