





[摘 要] 目的:探討抑制微小RNA(miR)-193a-5p表達對急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)大鼠肺纖維化的影響,并闡明相關作用機制。方法:60只雄性SD大鼠分為假手術組、模型組、miR-193a-5p拮抗劑組(Antagomir 組) 和陰性對照組(Antagomir-NC 組),每組15 只。采用暴露氣管法滴注10 mg·kg-1脂多糖(LPS) 誘導構建ARDS 大鼠模型, 假手術組大鼠滴注等體積生理鹽水, 造模成功后Antagomir 組和Antagomir-NC 組大鼠給予miR-193a-5p Antagomir 或Antagomir-NC 尾靜脈注射。測定各組大鼠動脈血氧分壓(PaO2) 和氧合指數(OI),HE 和Masson 染色觀察各組大鼠肺組織病理形態表現及肺組織中膠原纖維沉積情況,試劑盒檢測各組大鼠肺組織中羥脯氨酸(Hyp) 水平,酶聯免疫吸附試驗(ELISA) 法檢測各組大鼠肺泡灌洗液(BALF) 中炎性因子腫瘤壞死因子α (TNF-α)、白細胞介素(IL)-1β 和IL-6 水平,實時熒光定量PCR (RT-qPCR) 法檢測各組大鼠肺組織中miR-193a-5p表達水平,Western blotting 法檢測各組大鼠肺組織中β 連環蛋白(β-catenin)、蝸牛家族轉錄抑制因子1(Snail1) 和α-平滑肌肌動蛋白 (α-SMA) 蛋白表達水平。結果:與假手術組比較,模型組大鼠PaO2和OI 均明顯降低(Plt;0. 05);與模型組比較,Antagomir 組大鼠PaO2 和OI 均明顯升高(Plt;0. 05)。HE 染色觀察, 假手術組大鼠肺組織結構正常, 未見明顯的炎性改變; 與假手術組比較, 模型組和Antagomir-NC 組大鼠肺組織結構輕度異常,肺泡萎縮塌陷,肺泡腔內發現有大量的淋巴細胞和少量的中性粒細胞浸潤,肺泡間隙增寬;與模型組比較,Antagomir 組大鼠肺組織的肺泡腔內淋巴細胞明顯減少,中性粒細胞浸潤較少,未見明顯增生。Masson 染色觀察,假手術組大鼠肺組織無明顯藍色膠原纖維沉積;與假手術組比較,模型組和Antagomir-NC 組大鼠肺組織中出現大量藍色膠原纖維沉積,肺泡結構損壞嚴重,呈現明顯的肺纖維化情況;與模型組比較,Antagomir 組大鼠肺組織黏液中藍色染色的膠原纖維沉積明顯減少。與假手術組比較,模型組大鼠肺組織中Hyp 水平明顯升高(Plt;0. 05);與模型組比較,Antagomir組大鼠肺組織中Hyp 水平明顯降低(Plt;0. 05)。ELISA 法檢測,與假手術組比較,模型組大鼠BALF 中TNF-α、IL-1β 和IL-6 水平均明顯升高(Plt;0. 05);與模型組比較,Antagomir 組大鼠BALF 中TNF-α、IL-1β 和IL-6 水平均明顯降低(Plt;0. 05)。RT-qPCR 法檢測,與假手術組比較, 模型組大鼠肺組織中miR-193a-5p 表達水平明顯升高(Plt;0. 05); 與模型組比較,Antagomir 組大鼠肺組織中miR-193a-5p 表達水平明顯降低(Plt;0. 05)。Western blotting 法檢測,與假手術組比較,模型組大鼠肺組織中β-catenin、Snail1 和α-SMA 蛋白表達水平均明顯升高(Plt;0. 05);與模型組比較,Antagomir 組大鼠肺組織中β-catenin、Snail1 和α-SMA 蛋白表達水平均明顯降低(Plt;0. 05)。結論:抑制miR-193a-5p表達可通過降低肺組織炎癥反應和下調β-catenin、Snail1及α-SMA等蛋白表達,改善ARDS 大鼠肺功能和肺纖維化。
[關鍵詞] 微小RNA-193a-5p; 急性呼吸窘迫綜合征; 肺纖維化; Wnt/β-catenin 信號通路
[中圖分類號] R563.9 [文獻標志碼] A
急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratorydistress syndrome, ARDS) 是由休克、創傷或嚴重感染等肺內外多種直接或間接病因引起的,以肺實質和脈管系統損傷為主要特征的臨床綜合征,主要表現為進行性呼吸困難和頑固性低氧血癥[1]。ARDS 是更嚴重的急性肺損傷(acute lung injury,ALI), 其病理特征為肺間質和肺泡水腫、肺小血管內微血栓形成、呼吸性細支氣管和肺泡內透明膜形成及肺泡萎陷,晚期可發展為肺纖維化[2]。肺纖維化是受損的肺組織自我修復留下瘢痕的過程,可導致肺換氣功能障礙且不可逆,持續進展會出現呼吸衰竭[3]。臨床上肺纖維化一般指間質性肺疾病的終末期改變,由于其發病機制復雜,確診后生存期短,目前缺乏確切有效的臨床治療方法。因此,明確ARDS 轉變成肺纖維化疾病的發病和分子調控機制對于尋找有效的臨床治療靶點十分重要。微小RNA (micro RNA, miRNA) 是一種天然存在于體內的微小型內源性非編碼RNA,其通過與靶基因mRNA 的3'-UTR 區域結合,抑制靶基因翻譯或降解靶基因mRNA,行使生物學功能[4]。近年來,miRNA 的生物學作用成為研究熱點,作為研究較為成熟的非編碼RNA,miRNA 在臨床醫學領域逐漸深入和完善,通過將miRNA 或miRNA 拮抗劑導入患者體內,以升高或降低miRNA 表達水平,從而調節下游基因表達, 最終實現治療效果[5]。PARZIBUT 等[6] 研究表明: 與健康對照者比較,ARDS 患者血液外泌體中miR-193a-5p 表達水平明顯升高, 并對ARDS 具有較高的診斷潛能。JOHNSON 等[7] 研究顯示:血清miR-193a-5p 水平與非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD) 患者活動等級和纖維化分期呈正向關系。ROY 等[8] 發現: miR-193 是肝纖維化中轉化生長因子β (transforming growth factor- β, TGF- β) 依賴細胞外基質形成的重要調控基因。研究[9] 顯示:Wnt/β 連環蛋白(β-catenin) 信號通路參與早期纖維化的發生發展過程,抑制Wnt/β-catenin 信號通路可減輕細胞表型轉變,減少肺纖維化發生。然而,miR-193a-5p 通過Wnt/β-catenin 信號通路參與調控ARDS 患者肺纖維化進程尚未完全闡明。本研究構建ARDS 大鼠模型,采用分子生物學方法,探討抑制miR-193a-5p 表達對ARDS 模型大鼠肺纖維化的影響, 并闡明其可能的分子機制, 為臨床治療ARDS 提供參考。
1 材料與方法
1. 1 實驗動物、主要試劑和儀器 SPF 級雄性SD 大鼠60 只, 體質量240~280 g, 鼠齡8 周, 購自西南醫科大學動物實驗中心, 實驗動物使用許可證號:SYSK (川) 2018-065。動物均飼養于溫度為22 ℃~24 ℃,濕度為50%~70% 的SPF 環境下,自由飲水進食, 每日光照12 h, 定期更換墊料。miR-193a-5p 拮抗劑Antagomir 及其陰性對照試劑Antagomir-NC (廣州銳博生物科技有限公司),腫瘤壞死因子α (tumor necrosis factor- α, TNF- α)、白細胞介素(interleukin, IL)-1β 和IL-6 酶聯免疫吸附試驗(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA) 試劑盒[生工生物工程(上海) 股份有限公司], 羥脯氨酸(hydroxyproline, Hyp) 檢測試劑盒(北京索萊寶科技有限公司),HE 染色試劑盒和Masson 染色試劑盒(上海康朗生物科技有限公司),實時熒光定量PCR (real-time fluorenscencequantitative PCR, RT-qPCR) 試劑盒(北京締一生物科技有限公司)。光學顯微鏡(日本Nikon 公司),ChemiDoc XRS+化學發光凝膠成像系統(美國Bio-Rad 公司), 7500 RT-qPCR 儀(美國ABI公司)。
1. 2 實驗動物模型制備和分組 將60只適應性飼養1 周后的雄性SD 大鼠隨機分成假手術組、模型組、Antagomir組和Antagomir-NC 組,每組15只。開始實驗前,大鼠禁食12 h,假手術組大鼠經氣管暴露后滴注等體積生理鹽水,模型組、Antagomir 組和Antagomir-NC 組大鼠均經氣管暴露后滴注10 mg·kg-1 脂 多 糖(lipopolysaccharide,LPS),構建ARDS 大鼠模型[10-11]。假手術組大鼠毛發光滑,好動, 食欲佳; 行ARDS 造模的大鼠出現呼吸急促、精神萎靡和食欲不佳等癥狀且肺呼吸功能指標氧合指數(oxygenation index, OI) lt;200 mmHg(1 mmHg=0. 133 kPa),表明ARDS 模型構建成功[12]。造模成功后, Antagomir 組和Antagomir-NC 組大鼠經尾靜脈注射75 nmol Antagomir-NC和75 nmol miR-193a-5p Antagomir,假手術組和模型組大鼠經尾靜脈注射同等體積的生理鹽水,每周1 次,2 周后處死大鼠,取樣進行后續實驗。
1. 3 采用試劑盒檢測各組大鼠動脈血氧分壓(partial pressure of oxygen in arterial blood,PaO2)和OI 應用呼吸麻醉機吸入麻醉大鼠后, 將大鼠固定于手術臺上,仰臥姿勢,常規消毒后,行中線切口開腹手術,推開腸管后,完全暴露腹主動脈。于腹主動脈分叉處采用含肝素鈉的注射器針刺抽取1 mL 大鼠主動脈血,通過血氣分析儀和PT1000 血氣測定試劑盒檢測大鼠OI 和PaO2。OI=PaO2/吸入氣中的氧濃度分數(fraction of inspiration O2,FiO2)[13]。
1. 4 HE和Masson染色觀察各組大鼠肺組織病理形態表現及肺組織中膠原纖維沉積情況 取大鼠肺組織,用磷酸鹽緩沖液(phosphate buffered saline,PBS) 清洗后,4% 多聚甲醛固定24~48 h,石蠟包埋, 制備3 μm 厚的切片, 進行HE 染色和Masson染色。HE 染色:切片經過二甲苯脫蠟和乙醇梯度水化后,分別用蘇木精和伊紅染色,乙醇梯度脫水和二甲苯透明化,最后封片,于光學顯微鏡下觀察各組大鼠肺組織病理形態表現。Masson 染色:切片經二甲苯脫蠟和乙醇梯度脫水后,依次使用Weigert鐵蘇木精、酸性乙醇、Masson 藍化液、麗春紅品紅和苯胺藍染色,脫水、透明化并封片,于光學顯微鏡下觀察各組大鼠肺組織中膠原纖維沉積情況。
1. 5 試劑盒檢測各組大鼠肺組織中Hyp水平 取各組大鼠肺組織約50 mg,用生理鹽水充分清洗干凈,加入1 mL 水解液混勻后,沸水浴水解1 h,按照Hyp 檢測試劑盒說明書操作,分別加入蒸餾水、標準應用液、檢測液和試劑應用液,混勻后室溫靜置10 min,加入0. 5 mL 試劑二,室溫靜置10 min,加入0. 5 mL 試劑三,混勻后置于60 ℃水浴15 min。待冷卻至室溫后,3 500 g 離心10 min,取上清,采用酶標儀檢測波長560 nm 處吸光度(A)值,繪制標準曲線,計算各組大鼠肺組織中Hyp 水平。Hyp 水平= (實驗管A 值- 空白管A 值) / (標準管A 值-空白管A 值) ×標準管濃度(5 mg·L-1) ×稀釋倍數。
1. 6 ELISA 法檢測各組大鼠支氣管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid, BALF)中TNF- α、IL-1β和IL-6水平 處死各組大鼠后,剪開大鼠胸腔, 去除心臟, 取預冷的生理鹽水沖洗肺部2 次后,利用手術線小心將左肺肺門結扎,分離頸部氣管,于氣管分叉處作T 形切口,插入靜脈留置針套管至支氣管下端分叉處, 緩慢注入37 ℃ 預熱的500 μL 生理鹽水,肉眼可見肺部膨隆, 隨機緩慢抽回灌洗液, 反復抽注支氣管肺泡3 次后,用無菌管收集BALF,4 ℃、3 000 g 離心10 min,取上清液。按照ELISA 試劑盒說明書操作,檢測各組大鼠BALF 中炎性因子TNF-α、IL-1β 和IL-6 水平。
1. 7 RT-qPCR 法檢測各組大鼠肺組織中 miR-193a-5p表達水平 采用TRIzol法提取各組大鼠肺組織總RNA,分光光度計測定所提樣本RNA 的濃度和純度。使用逆轉錄試劑盒將濃度和純度達標的RNA 樣本經逆轉錄酶于50 ℃水浴1 h 逆轉錄后,合成單鏈cDNA。根據RT-qPCR 試劑盒說明書操作,使用7500 RT-qPCR 儀進行RT-qPCR 反應。反應條件:95 ℃、30 s;95 ℃、5 s;60 ℃、30 s,45 個循環。以U6 為內參,采用2-ΔΔCt法計算目的基因表達水平。引物序列見表1。
1. 8 Western blotting 法檢測各組大鼠肺組織中β 連環蛋白(β-catenin)、蝸牛家族轉錄抑制因子 1(snail family transcriptional repressor 1,Snail1)和α-平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA)蛋白表達水平 取大鼠右肺葉組織約 100 mg,剪碎后加入1 mL 預冷RIPA 裂解液,于4 ℃制備勻漿并冰浴 10 min。4 ℃、12 000 r·min-1 離 心10 min,取上清, 收集蛋白。SDS-PAGE 電泳分離, 濕轉至PVDF 膜。封閉后,加入β-catenin (1∶1 000)、Snail1 (1∶ 1 000)、α -SMA (1∶ 1 000) 和GAPDH 抗體(1∶1 000),4 ℃孵育過夜。次日,洗膜后加入辣根過氧化物酶標記的二抗(1∶10 000)孵育30 min。使用ECL 發光液處理PVDF 膜后,進行X 光膠片曝光、顯影和定影。采用QuantityOne 軟件分析蛋白條帶灰度值, 以GAPDH 為內參,計算目的蛋白表達水平。目的蛋白表達水平=目的蛋白條帶灰度值/內參蛋白條帶灰度值。
1. 9 統計學分析 采用 SPSS 22. 0統計軟件進行統計學分析。各組大鼠PaO2和OI,BALF 中TNF-α、IL-1β 和IL-6 水平, 肺組織中β-catenin、Snail1 和α-SMA 蛋白表達水平均符合正態分布,以x±s 表示,多組間樣本均數比較采用單因素方差分析,組間樣本均數兩兩比較采用LSD-t 檢驗。以Plt;0. 05為差異有統計學意義。
2 結 果
2. 1 各組大鼠 PaO2和 OI 與假手術組比較,模型組大鼠PaO2 和OI 均明顯降低(Plt;0. 05)。與模型組比較, Antagomir 組大鼠PaO2 和OI 均明顯升高(Plt;0. 05), Antagomir-NC 組大鼠上述指標差異均無統計學意義(Pgt;0. 05)。見表2。
2. 2 各組大鼠肺組織病理形態表現和肺組織中膠原纖維沉積情況 HE染色結果顯示:假手術組大鼠肺組織結構正常,未見明顯的炎性改變。與假手術組比較, 模型組和Antagomir-NC 組大鼠肺組織結構輕度異常,肺泡萎縮塌陷,肺泡腔內發現有大量的淋巴細胞和少量的中性粒細胞浸潤,肺泡間隙增寬。與模型組比較,Antagomir 組大鼠肺組織的肺泡腔內淋巴細胞明顯減少, 中性粒細胞浸潤較少, 未見明顯增生。見圖1。Masson 染色結果顯示:假手術組大鼠肺組織無明顯藍色膠原纖維沉積。與假手術組比較, 模型組和Antagomir-NC 組大鼠肺組織中出現大量藍色膠原纖維沉積,肺泡結構損壞嚴重, 呈現明顯的肺纖維化情況。與模型組比較,Antagomir 組大鼠肺組織黏液中藍色染色的膠原纖維沉積明顯減少。見圖2。
2. 3 各組大鼠肺組織中Hyp水平 與假手術組比較,模型組大鼠肺組織中Hyp 水平明顯升高(Plt;0. 05)。與模型組比較,Antagomir 組大鼠肺組織中Hyp 水平明顯降低(Plt;0. 05),Antagomir-NC 組大鼠Hyp水平差異無統計學意義(Pgt;0. 05)。見表3。
2. 4 各組大鼠 BALF中 TNF-α、IL-6和 IL-1β水平 與假手術組比較,模型組大鼠BALF 中TNF-α、IL-1 β 和IL-6 水平均明顯升高(Plt;0. 05)。與模型組比較, Antagomir 組大鼠BALF 中TNF- α、IL-1 β 和IL-6 水平均明顯降低( Plt;0. 05),Antagomir-NC 組大鼠上述指標差異均無統計學意義(Pgt;0. 05)。見表4。
2. 5 各組大鼠肺組織中 miR-193a-5p 表達水平 與假手術組比較, 模型組大鼠肺組織中miR-193a-5p 表達水平明顯升高(Plt;0. 05)。與模型組比較, Antagomir 組大鼠肺組織中miR-193a-5p 表達水平明顯降低(Plt;0. 05), Antagomir-NC 組大鼠肺組織中miR-193a-5p 表達水平差異無統計學意義(Pgt;0. 05)。見表5。
2. 6 各組大鼠肺組織中β-catenin、Snail1和α-SMA蛋白表達水平 與假手術組比較,模型組大鼠肺組織中β-catenin、Snail1和α-SMA 蛋白表達水平均明顯升高(Plt;0. 05)。與模型組比較,Antagomir 組大鼠肺組織中β-catenin、Snail1 和α-SMA 蛋白表達水平均明顯降低(Plt;0. 05), Antagomir-NC 組大鼠上述指標差異均無統計學意義( Pgt;0. 05)。見圖3。
3 討 論
ALI 是一種與肺泡毛細血管屏障有關的常見臨床急危重癥,其嚴重程度與ARDS 患者的死亡率有密切關聯[14-15]。近年來,隨著LPS 構建ALI 動物模型研究的不斷深入,有望降低ALI 和ARDS 患者的死亡率,但目前尚無積極有效的治療方法。本研究結果顯示:LPS 可誘導炎癥的物質進入機體后快速誘發大鼠炎癥反應,導致大鼠肺損傷。BOWMAN等[16]研究表明:肺纖維化是ARDS 的關鍵病理過程,其病變情況在肺組織中分布不一,能夠在同一低倍視野內觀察到正常肺組織、肺間質炎癥、肺纖維增生和蜂窩肺的細微變化,以下肺和胸膜下區域病變表現較為明顯。肺纖維化病理表現為肺泡壁增厚,同時有膠原沉積、細胞外基質增加和灶性單核細胞浸潤[17]。本研究結果顯示:大鼠經頸部氣管滴注LPS誘導后出現肺功能障礙和肺組織炎性浸潤及呈纖維化的表現,肺組織miR-193a-5p 表達水平和Hyp 水平明顯升高,且BALF 中炎癥因子TNF-α、IL-6 和IL-1β 水平明顯升高,提示ARDS 模型制備成功。
Wnt 蛋白是一類在機體各個器官組織中廣泛存在的分泌性糖蛋白,參與動物胚胎的早期發育、器官形成、組織再生和其他生理過程,對機體的生長發育具有重要作用[18]。Wnt 分泌后能與細胞表面特異性受體互相作用,通過誘導下游蛋白的磷酸化和去磷酸化過程,引起β-catenin 在胞漿內積累并轉移至細胞核內,進而實現對下游基因(如Snail1 和α-SMA 等) 表達的調控, 參與調控組織器官纖維化進展過程[19-21]。Snail1 是誘導上皮- 間質轉化(epithelial-mesenchymal transition, EMT) 的重要調控因子,可誘導肺泡上皮細胞通過EMT 過程轉化為間質細胞, 進而促進肺纖維化的形成[22-23]。α-SMA 是肌成纖維細胞的標志物, 而纖維細胞是致纖維化的主要效應細胞。研究[24-25] 顯示: 隨著器官纖維化程度的加重, α-SMA 在肺和其他器官纖維化中表達水平升高。本研究結果顯示:與對照組比較,模型組大鼠肺組織中β-catenin、Snail1 和α-SMA 蛋白表達水平明顯升高, 提示ARDS 大鼠肺組織中Wnt/β-catenin 信號通路異常活化, 且可能與ARDS 大鼠肺纖維進程有關。
miR-193 家族成員包括miR-193a-3p、miR-193a-5p、miR-193b-3p 和miR-193b-5p, 通過與特殊靶向基因和信號傳導相互作用,在健康和疾病生物學過程中發揮重要作用。研究[26-27] 顯示: miR-193a-5p 表達水平與肝臟和瘢痕疙瘩等纖維化進程有關。miR-193a-5p 可激活Wnt/ β -catenin 信號通路的轉導[28]。因此,miR-193a-5p 可能通過調控Wnt/β-catenin 信號通路,參與ARDS 肺纖維化進程。本研究結果顯示:miR-193a-5p 在ARDS 模型大鼠肺組織中高表達, 給予miR-193a-5p Antagomir 干預抑制miR-193a-5p 表達后,ARDS 大鼠肺功能和肺纖維化程度明顯改善,BALF 中炎性因子水平明顯降低,提示抑制miR-193a-5p 表達可改善ARDS 大鼠肺纖維化。抑制miR-193a-5p 表達可降低ARDS大鼠肺組織中β-catenin、Snail1 和α-SMA 蛋白表達水平, 提示抑制miR-193a-5p 表達可能通過下調Wnt/β-catenin 信號通路相關蛋白表達而改善ARDS大鼠肺纖維化。
綜上所述,抑制miR-193a-5p 表達可通過降低肺組織炎癥反應和下調β-catenin、Snail1 及α-SMA 蛋白表達,改善ARDS 大鼠肺功能和肺纖維化。靶向抑制miR-193a-5p 表達可能是研發治療ARDS 相關肺纖維藥物新的思路,但仍需進行更加深入的研究。
利益沖突聲明:所有作者聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明:龍光文參與實驗設計、數據整理和統計學分析及論文撰寫,張謙參與數據整理和統計學分析,楊秀林參與實驗操作,吉春玲參與實驗操作和論文審校。
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