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紫花前胡苷緩解神經病理性疼痛的機制探討

2025-02-15 00:00:00劉鴻雁李雅晨盛格格朱海麗吳基良
天津醫藥 2025年1期

摘要:目的探究紫花前胡苷(Nod)在神經病理性疼痛(NP)中的作用及機制。方法篩選并分析NP數據初級軀體感覺皮層(S1)內差異性表達基因及數據集與線粒體數據之間的重疊基因,重疊基因相互作用網絡并篩選核心基因。27只小鼠隨機分為假手術組、模型組及給藥組(9只/組);模型組及給藥組構建坐骨神經慢性壓迫損傷模型,給藥組腹腔注射Nod 10 mg/kg連續1周;檢測小鼠痛覺行為學和運動能力的改變;HE染色、尼氏染色檢測小鼠S1區腦組織神經損傷和炎癥的影響;蛋白免疫印跡分析S1腦區白細胞介素(IL)-1β、即早基因(c-Fos)、泛醇-細胞色素C還原酶復合體Ⅲ亞基(Uqcrq)和泛醌氧化還原酶亞基(Ndufb5)的表達水平;分子對接探究Nod的作用靶點。將PC12細胞分為對照組、IL-1β組(1μmol/L IL-1β處理)和IL-1β+Nod組(1μmol/L IL-1β+1μmol/L Nod處理),檢測各組線粒體膜電位。結果NP數據集GSE180627中S1腦區包含293個差異性表達基因,線粒體數據包含1 082個基因,重疊基因共34個,氧化磷酸化和電子傳遞鏈相關基因被富集,蛋白相互作用網絡顯示核心基因包括電子傳遞鏈相關蛋白Ndufb5、Uqcrq、Ndufs8、Ndufa7、Ndufa3、Cox6b1和Mrps33。與模型組相比,給藥組小鼠機械縮足閾值、熱縮足反射潛伏期、轉棒停留時間增加,S1組織炎癥浸潤細胞數量和神經元中尼氏小體數量減少,神經元c-Fos和IL-1β表達水平降低,Uqcrq和Ndufb5的表達水平升高(P<0.05)。分子對接顯示Nod可結合Uqcrq和Ndufb5。與IL-1β組細胞相比,IL-1β+Nod組細胞線粒體膜電位熒光信號增強(P<0.05)。結論Nod可改善小鼠的痛覺行為,其機制涉及改善S1內線粒體損傷。

關鍵詞:前胡苷;線粒體;炎癥;神經病理性疼痛;初級軀體感覺皮層

中圖分類號:R965文獻標志碼:A DOI:10.11958/20240971

Mechanism of nodakenin in relieving neuropathic pain

LIU Hongyan,LI Yachen,SHENG Gege,ZHU Haili,WU Jiliang△

School of Pharmacy,Hubei University of Science and Technology,Xianning 437100,China

△Corresponding Author E-mail:Xywjl@163.com

Abstract:Objective To investigate the effect and mechanism of nodakenin(Nod)in neuropathic pain(NP).Methods Differential expression genes in the primary somatsensory cortex(S1)of NP data and overlapping genes between the dataset and mitochondrial data were screened and analyzed.Overlapping gene interaction networks were overlapped and core genes were screened.A total of 27 mice were randomly divided into the sham operation group,the model group and the drug administration group(9 mice/group).The chronic compression injury model of sciatic nerve was constructed in the model group and the drug administration group.Nod 10 mg/kg was intraperitoneally injected into the drug administration group for 1 week.Changes of pain behavior and motor ability in mice were detected.HE staining and Nissl staining were used to detect effects of nerve injury and inflammation on brain tissue of S1 region of mice.The expression levels of interleukin-1β,early gene(c-Fos),panthenol-cytochrome c reductase complex III subunit(Uqcrq)and ubiquinone oxidoreductase subunit(Nduf)b5 in S1 brain region were analyzed by Western blot assay.Molecular docking was used to study the target of Nod.PC12 cells were divided into the control group,the IL-1βgroup(1μmol/L IL-1βtreatment)and the IL-1β+Nod group(1μmol/L IL-1β+1μmol/L Nod treatment),and mitochondrial membrane potential was detected in each group.Results In the NP dataset GSE180627,S1 brain region contained 293 differentially expressed genes,and the mitochondrial data contained 1 082 genes.There were 34 overlapping genes,and genes related to oxidative phosphorylation and electron transport chain were enriched.The protein interaction network showed that core genes included electron transport chain related proteins Ndufb5,Uqcrq,Ndufs8,Ndufa7,Ndufa3,Cox6b1 and Mrps33.Compared with the model group,themechanical foot shrinkage threshold,thermal foot shrinkage reflex latency and rod rotation residence time of mice were increased in the drug administration group,the number of inflammatory infiltrating cells in S1 tissue and the number of Nislet bodies in neurons,expression levels of c-Fos and IL-1βin neurons were decreased,and expression levels of Uqcrq and Ndufb5 were increased(P<0.05).Molecular docking showed that Nod could bind Uqcrq and Ndufb5.Compared with the IL-1βgroup,the fluorescence signal of mitochondrial membrane potential was enhanced in the IL-1β+Nod group(P<0.05).Conclusion Nodakenin can improve pain behavior in mice,and its mechanism involves ameliorating mitochondrial damage in S1.

Key words:Nodakenin;mitochondria;inflammation;neuropathicpain;primary somatosensory cortex

神經病理性疼痛(neuropathicpain,NP)是由神經系統損傷或疾病導致的疼痛,影響全球7%~10%的人口,其病程長,治療困難,嚴重影響患者生活質量[1]。初級軀體感覺皮層(primary somatosensory cortex,S1)是感覺信號中心,在NP進程中神經元自發放電、同步活動和低頻震蕩均增加[2-3],同時星形膠質細胞被激活且活性增強[4]。線粒體通過影響腺苷三磷酸(ATP)生成、鈣離子水平和過氧化物產生等方式調節神經元和膠質細胞的功能[5]。在坐骨神經損傷和化療神經損傷等多種NP動物模型中檢測到線粒體形態和功能異常[6-8];且70%的線粒體疾病患者伴隨有慢性疼痛[9]。因此,靶向改善S1中線粒體功能可作為治療NP的策略。紫花前胡苷(Nodakenin,Nod)是從當歸根中提取的一種香豆素,具有抗炎、抗氧化、抗過敏、改善認知等功效。研究顯示,Nod可通過抑制核因子-κB信號緩解炎性疼痛[10];抑制線粒體分裂并減弱過氧化物信號來改善炎癥反應[11]。但Nod在NP中的作用及機制尚不明確。本研究通過構建坐骨神經慢性壓迫損傷(chronic constriction injury of the sciatic nerve,CCI)模型檢測動物痛覺行為變化,分析S1內線粒體相關蛋白表達變化,為Nod在NP中的應用提供實驗依據。

1材料與方法

1.1細胞、主要試劑與儀器鼠腎上腺嗜鉻細胞瘤神經細胞(PC-12)購自廣州艾迪基因科技有限責任公司,在添加10%胎牛血清的1640培養基中并置于5%CO2、37℃的培養箱中培養,培養基每2日更換1次。Nod購自上海源葉生物科技有限公司。一抗兔多克隆抗體即早基因(Fos proto-oncogene,c-fos)和白細胞介素-1β(IL-1β)購自江蘇親科生物有限公司;兔多克隆抗體泛醇-細胞色素C還原酶復合體Ⅲ亞基(Uqcrq)和泛醌氧化還原酶亞基B5(Ndufb5)購自江蘇親科生物研究中心有限公司;辣根過氧化物酶標記的羊抗兔IgG二抗購自武漢愛博泰克生物科技有限公司。Mito-Tracker Red CMXRos染色試劑盒購自上海碧云天生物技術有限公司;1640培養基購自賽默飛世爾科技有限公司。von Frey纖維(Stoelting,美國),轉棒疲勞儀(北京眾實迪創,中國),熒光顯微鏡(Olympus,日本),冷凍臺式微型離心機(Eppendorf,德國),顯影儀(Invitrogen,美國)。

1.2實驗動物27只雄性6~8周齡C57BL/6小鼠,體質量(20±2)g,購自江蘇華創信諾醫藥科技有限公司,動物生產許可證號:SCXK(蘇)2020-0009;動物使用許可證號:SYXK(鄂)2023-0071。小鼠在標準SPF級動物房中正常飼養,提供充足的水和飼料。本研究經湖北科技學院實驗動物倫理委員會批準(2023-03-104)。

1.3方法

1.3.1數據收集通過GEO數據庫收集神經病理性疼痛的數據,數據集編號為GSE180627,分析S1內差異性表達基因;下載線粒體基因數據庫MitoCarta3.0;韋恩圖、GO(Gene Ontology)和京都基因與基因組百科全書(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)分析數據集與線粒體數據之間的重疊基因;STRING數據庫和Cytoscape分析重疊基因的蛋白相互作用網絡并篩選核心基因。

1.3.2模型建立及分組處理將小鼠采用隨機數字表法分為3組:假手術組、模型組和給藥組,每組9只。通過麻醉小鼠、剔毛、消毒、剪開皮膚,鈍性分離肌肉,暴露坐骨神經并結扎完成CCI模型構建,以用于表征NP。假手術組僅分離筋膜不結扎神經。建模6周后,給藥組在模型組基礎上腹腔注射10 mg/kg Nod連續1周;模型組小鼠注射同等體積的DMSO和0.9%氯化鈉混合液。

1.3.3機械性刺激縮足閾值(paw withdrawal mechaical threshold,PWT)檢測待小鼠適應環境30 min后,用von Frey纖維剌激小鼠后足底正中部。若出現舔足或抬足等行為則視為陽性反應,反之則視為陰性反應。若出現陽性反應,則用相鄰較低一級力度纖維再次刺激;若出現陰性反應,則用相鄰較高一級力度再次刺激,測試出現陽性反應的最小刺激強度,6次后記錄并計算各組小鼠PWT。

1.3.4熱縮足反射潛伏期(thermal withdrawal threshold,TWL)檢測將小鼠置于PL-200型熱刺激儀適應,用光照(45~65℃)刺激小鼠足底,觀察小鼠出現舔足縮足時間,測試3次,每次間隔15 min,記錄并計算TWL。

1.3.5轉棒停留時間檢測實驗前3 d小鼠以固定速度4 r/min訓練3次,每次10 min。實驗時轉速為10 r/min,持續10 s,增加速度至20 r/min,持續30 s;記錄轉棒停留時間。

1.3.6組織形態學分析小鼠深度麻醉后用4%多聚甲醛固定,處死并分離腦組織。腦組織經脫水、石蠟包埋后切成4μm切片。切片按照HE試劑盒或尼氏試劑盒標準操作染色。置于顯微鏡下觀察并拍照,Image J軟件分析。

1.3.7蛋白免疫印跡檢測炎性因子和線粒體相關蛋白表達取小鼠腦組織,用含蛋白酶抑制劑的裂解液裂解,4℃、12 000×g離心20 min。收集上清液,使用BCA蛋白濃度試劑盒對蛋白濃度進行定量分析。收集的蛋白樣品經SDS-PAGE分離后,轉移至聚偏二氟乙烯膜上。5%脫脂奶粉室溫封閉1 h,在4℃條件下c-fos(1∶1 000)、IL-1β(1∶1 000)、Uqcrq(1∶1 000)、Ndufb5(1∶1 000)一抗孵育過夜,洗膜3次,每次10 min。山羊抗兔二抗(1∶5 000)在室溫下孵育1 h。洗膜3次,每次10 min。采用LAS500凝膠成像系統掃描觀察,Image J軟件分析條帶灰度值。

1.3.8分子對接檢測藥物分子能與靶點緊密結合。經PDB數據庫下載Uqcrq(ID為5XTH)和Ndufb5(ID為8J9H)結構;Pubchem數據庫下載Nod結構;Autodock對接Nod與Uqcrq和Ndufb5;PyMOL可視化對接結果。

1.3.9線粒體膜電位檢測將PC12細胞接種于24孔板,分為對照組、IL-1β組和IL-1β+Nod組。待細胞貼壁形態正常后,IL-1β組和IL-1β+Nod組使用IL-1β(1μmol/L)處理6 h,后者加Nod(1μmol/L)處理24 h,使用Mito-Tracker Red CMXRos染色試劑盒檢測細胞線粒體膜電位,細胞分組給藥處理完畢后,加入Mito-Tracker Red CMXRos工作液(200 nmol/L),37℃避光孵育30 min后去除工作液,37℃避光染核10 min,在熒光顯微鏡下觀察拍照。使用Image J軟件分析細胞的熒光強度。

1.4統計學方法采用SPSS 26.0軟件進行數據分析,符合正態分布的計量資料以x±s表示,多組間比較采用單因素方差分析,組間多重比較采用Tukey法。以P<0.05為差異有統計學意義。

2結果

2.1 NP及線粒體相關基因表達分析NP數據集GSE180627中S1腦區包含293個差異性表達基因,線粒體數據包含1 082個基因,兩個數據集的重疊基因共34個。34個重疊基因通過使用GO和KEGG進行富集分析,發現氧化磷酸化和電子傳遞鏈相關基因被富集。蛋白相互作用(PPI)網絡顯示核心基因包括電子傳遞鏈相關蛋白Ndufb5、Uqcrq、Ndufs8、Ndufa7、Ndufa3、Cox6b1和Mrps33,見圖1。

2.2 Nod對小鼠疼痛相關行為的影響與假手術組相比,模型組小鼠PWT、TWL、轉棒停留時間均下降(P<0.05)。與模型組相比,給藥組PWT、TWL和轉棒停留時間增加(P<0.05),見表1。

2.3 Nod對S1腦組織神經損傷和炎癥的影響HE染色結果顯示,與假手術組相比,模型組S1組織炎癥浸潤細胞數量升高(P<0.05);與模型組相比,給藥組炎癥浸潤細胞數量降低(P<0.05),見圖2、表2。尼氏染色結果顯示,與假手術組相比,模型組S1組織神經元中尼氏小體數量增加(P<0.05);與模型組相比,給藥組小鼠S1組織神經元中尼氏小體數量降低(P<0.05),見圖3、表2。

2.4 Nod對S1腦組織炎癥因子的影響蛋白免疫印跡結果顯示,與假手術組相比,模型組S1中神經元c-Fos和IL-1β表達水平升高(P<0.05);與模型組相比,給藥組S1中神經元c-Fos和IL-1β表達水平降低(P<0.05),見圖4、表3。

2.5 Nod對線粒體相關蛋白的影響分子對接結果顯示,Nod可與Uqcrq和Ndufb5結合,能量分別為-6.8 kcal/mol(1 kcal=4.184 kJ)和-6.5 kcal/mol。免疫印跡結果顯示,與假手術組相比,模型組S1中線粒體相關蛋白Uqcrq和Ndufb5表達水平降低(Plt;0.05);與模型組相比,給藥組Uqcrq和Ndufb5的表達水平增加(P<0.05),見圖5、表4。

2.6 Nod對線粒體膜電位的影響對照組、IL-1β組和IL-1β+Nod組線粒體膜電位熒光信號強度分別為1.00±0.01、0.68±0.02和1.13±0.02,組間比較差異有統計學意義(n=3,F=303.962,P<0.01)。與對照組相比,IL-1β組細胞線粒體膜電位熒光信號減弱(P<0.05);與IL-1β組相比,IL-1β+Nod組細胞線粒體膜電位熒光信號增強(P<0.05),見圖6。

3討論

CCI模型是一種廣泛使用的慢性NP的周圍神經損傷模型,操作簡單且穩定;疼痛過敏反應常采用測定PWT和TWL的方法,這兩種方法成熟、可靠且可定量,使用廣泛[12]。本研究發現模型組小鼠表現為機械痛和熱痛異常且運動能力受損。神經元功能改變和神經膠質介導神經炎癥發生是NP發生發展的重要病理機制[13]。尼氏小體是神經元特征性結構之一,是神經元內的嗜堿性顆粒群,其大小和數量可反映神經元合成蛋白質功能的程度。原癌基因c-Fos是神經系統廣泛存在的一種即刻早期基因,其編碼的c-Fos蛋白常被用來表征神經元功能活動,在神經元受到損傷或刺激后被激活[14]。本研究中模型組S1皮層尼氏小體和c-Fos表達均上調,表明其神經元活動和功能受損。IL-1β是一種關鍵的炎性因子,可激活小膠質細胞和星形膠質細胞,導致中樞神經系統內其他促炎和趨化介質的下游合成增加,從而在大多數中樞神經系統相關疾病中發揮作用[15]。本研究中模型組S1皮層炎癥細胞浸潤和IL-1β表達增加,表明其神經炎癥被激活。研究表明,Nod可促進神經元發生并發揮改善神經元功能的作用,且在炎癥痛小鼠模型中可降低IL-1β表達水平并緩解炎癥痛[16]。本研究中,與模型組相比,給藥組的上述疼痛相關行為和運動能力改善,S1腦組織神經損傷和炎癥改善,表明Nod可發揮神經保護性作用,可作為多種神經系統疾病的潛在藥物。

神經元和膠質細胞的功能高度依賴ATP和線粒體氧化磷酸化過程。研究發現,NP進程中小鼠伴隨有線粒體形態和功能損傷[17]。Ndufb5是線粒體呼吸傳遞鏈復合物Ⅰ的亞基,位于線粒體內膜,是氧化磷酸化的第一步,負責還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化、泛醌還原及將質子跨內膜泵出線粒體基質,有助于ATP的產生[18]。Ndufb過表達可增加呼吸復合物組裝、增強線粒體代謝、減輕過氧化物產生并改善線粒體功能[19]。Ndufb5可參與驅動逆向電子傳遞并維持小膠質細胞的激活,在癌痛和炎性痛等動物模型中表達降低,被激活后可降低炎癥反應和活性氧水平并緩解痛覺過敏[20-21]。Uqcrq是呼吸傳遞鏈復合物Ⅲ的一個亞基,負責將電子從泛醇轉移到細胞色素C,并有助于電化學質子梯度的生成[22]。Uqcrq缺乏會導致細胞色素C增加并激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶級聯信號,引發神經元凋亡[23]。本研究發現,在模型組小鼠S1中線粒體呼吸傳遞鏈相關蛋白Ndufb5和Uqcrq表達水平降低。Nod可降低線粒體介導的活性氧信號,減輕炎癥反應[16]。本研究使用分子對接預測Nod與Ndufb5和Uqcrq的結合,結果顯示結合能量為-6.8 kcal/mol和-6.5 kcal/mol,表示兩者結合為中等強度。同時研究發現,Nod可上調Ndufb5和Uqcrq表達水平,在細胞水平升高線粒體膜電位,改善線粒體功能。筆者推測,Nod可能通過上調線粒體呼吸傳遞鏈相關蛋白表達水平,激活線粒體功能,緩解S1皮層神經損傷,從而在NP中發揮作用。

綜上所述,Nod可改善小鼠的S1內線粒體功能,進而緩解NP。本研究有助于揭示NP的發病機制,并為Nod在疼痛中的應用提供支持。

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(2024-07-19收稿2024-10-25修回)

(本文編輯李志蕓)

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