焦陽,王繼航,李影,沈建,侯小玲,沈明志,付振虹*
(1解放軍醫(yī)學(xué)院,北京 100853;2中國人民解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心心血管病醫(yī)學(xué)部,北京 100853;3中國人民解放軍總醫(yī)院海南醫(yī)院心血管內(nèi)科,海南 三亞 572013)
《中國心血管病報(bào)告2020》顯示我國心血管病人數(shù)3.3億,死亡率居首位,其中冠心病(coronary heart disease, CHD)患者1 139萬人。雖然藥物和介入手術(shù)治療降低了心肌梗死(myocardial infarction, MI)相關(guān)死亡的發(fā)生率,但由于心肌細(xì)胞不可再生,急性缺血造成的不可逆心肌細(xì)胞凋亡和梗死灶的形成,成為急性心肌梗死(acute myocardial infarction, AMI)預(yù)后不佳的重要因素[1]。糖尿病(diabetes mellitus, DM)是CHD的獨(dú)立危險(xiǎn)因素,心肌梗死后28 d的死亡率是非糖尿病患者的2倍[2]。線粒體損傷是MI后心肌受損的關(guān)鍵信號(hào)機(jī)制,受損的線粒體通過自噬途徑被清除,進(jìn)而維持線粒體質(zhì)量和數(shù)量的穩(wěn)定[3]。DM患者心肌梗死后線粒體自噬作用減弱,線粒體結(jié)構(gòu)和功能受損嚴(yán)重,加重心肌細(xì)胞凋亡。褪黑素(melatonin, Mel)是一種有效的抗氧化劑,對(duì)包括糖尿病、感染性疾病、代謝綜合征等多種疾病均有益處[4]。Mel能有效減輕線粒體功能障礙,抑制心肌梗死后心肌細(xì)胞的損傷。然而,Mel是否通過增強(qiáng)線粒體自噬而發(fā)揮MI后心肌保護(hù)作用,其具體機(jī)制還有待進(jìn)一步明確,特別是在合并DM的AMI中的作用,還未見確切報(bào)道。本研究通過構(gòu)建小鼠糖尿病急性心肌梗死和細(xì)胞高糖高脂缺氧模型,觀察Mel通過增強(qiáng)線粒體自噬減少心肌細(xì)胞損傷,從而改善心臟功能的潛在機(jī)制,旨在為合并DM的AMI患者提供新的臨床治療靶點(diǎn)提供參考。
褪黑素、鏈脲佐菌素(streptozocin, STZ)(默克公司, 美國);異氟烷(北京陽光英銳生物有限公司);棕櫚酸(北京金鑫博達(dá)生物技術(shù)中心);一抗:B細(xì)胞淋巴瘤-2蛋白(B-cell lymphoma-2, Bcl-2)抗體、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3(cysteinyl aspartate specific proteinase, Caspase-3)抗體、Bcl-2關(guān)聯(lián)X蛋白(Bcl2-associated X, Bax)抗體和微管相關(guān)蛋白1輕鏈3-β(microtubules associated protein 1 light chain3-β, LC3)抗體、死骨片蛋白1(sequestosome 1, SQSTM1/P62)抗體、帕金蛋白(Parkin)抗體,β-肌動(dòng)蛋白(β-actin)抗體和二抗(北京乾兆有限公司,中國);二喹啉甲酸(bicinchoninic acid, BCA)蛋白濃度檢測(cè)試劑盒、三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)檢測(cè)試劑盒(上海碧云天生物技術(shù)有限公司);其他由解放軍總醫(yī)院心內(nèi)科和心外科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室提供。
本實(shí)驗(yàn)中所使用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物為雄性C57BL/6J小鼠(6~8周齡),體質(zhì)量20 g左右,均購自斯貝福(北京)生物有限公司。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)國家衛(wèi)生研究院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用指南(No.8523, revised 1996)實(shí)施,并由中國人民解放軍總醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。根據(jù)隨機(jī)數(shù)表法將小鼠隨機(jī)分為4組:假手術(shù)組(sham組)、糖尿病組(DM組)、糖尿病心肌梗死組(DMI組)、糖尿病心肌梗死+褪黑素組(DMI+Mel組),每組8只。DMI+Mel組小鼠在心肌梗死術(shù)后經(jīng)過腹腔注射方法補(bǔ)充Mel,劑量為50 mg/(kg·d),直到第4周實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
1.3.1 糖尿病模型 高脂飼料(脂肪含量60%, 北京斯貝福生物有限公司)連續(xù)喂養(yǎng)小鼠4周,禁食12 h后,經(jīng)腹腔注射0.1 ml濃度為1%的鏈脲霉素(streptozotocin, STZ)溶液,連續(xù)5 d。STZ溶液使用0.1 mol/L的檸檬酸緩沖液配置。注藥后2 h恢復(fù)飲食,第6天早上測(cè)尾靜脈空腹血糖,空腹血糖>11.1 mmol/L則建模成功。0.1 mol/L的檸檬酸緩沖液配置方法如下。A液:一水合檸檬酸2.1 g溶于100 ml雙蒸水(double distilled water, ddH2O);B液:檸檬酸鈉2.94 g溶于100 ml ddH2O,用時(shí)現(xiàn)配,A液與B液按照體積123∶77混合使用,pH值4.2~4.5。
1.3.2 急性心肌梗死模型 術(shù)前將小鼠胸前區(qū)毛發(fā)褪去。小鼠置于小動(dòng)物氣體麻醉機(jī)中用1.5%異氟烷(氧氣氣化混合)麻醉2 min。麻醉好的小鼠置于手術(shù)臺(tái)上,底部放加熱墊保持體溫,整個(gè)手術(shù)過程持續(xù)異氟烷氣體麻醉。固定小鼠四肢于手術(shù)板,沿胸骨尖至左側(cè)腋下剪開皮膚約1.5 cm,5-0手術(shù)縫線荷包縫合切口但不收緊,鈍性分離胸前肌群,尖口鉗于第4肋間打開肋間隙,左手手指將心臟推出體外,暴露左心耳,從左心耳下緣2~3 mm處進(jìn)針,以7-0手術(shù)縫線結(jié)扎冠狀動(dòng)脈前降支,可見心臟前壁和心尖組織變白,將心臟還納回胸腔,迅速關(guān)閉胸腔,擠壓胸腔充分排氣,防止氣胸,收緊荷包打結(jié)。從擠出心臟到還納心臟整個(gè)過程控制在30 s左右,不要超過1 min。術(shù)后小鼠注意保暖,直至蘇醒活動(dòng)自如。Sham組、DM組與上述過程相同,只是不結(jié)扎冠狀動(dòng)脈。
在杜爾貝科改良培養(yǎng)基(Dulbecco′s modified eagle′s medium, DMEM)內(nèi)加入10%的胎牛血清、100 U/mL的鏈霉素和100 U/mL的青霉素,以下簡稱完全培養(yǎng)基。完全培養(yǎng)基在95%濕度的恒溫培養(yǎng)箱(37℃,CO2含量為5%)培養(yǎng)H9c2細(xì)胞。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng),分為以下4組。(1)對(duì)照組(CON組):完全培養(yǎng)基培養(yǎng);(2)高糖高脂組(HG/HF組):在HG/HF培養(yǎng)基(完全培養(yǎng)基中添加33 mmol/L葡萄糖和500 μmol/L棕櫚酸)中培養(yǎng);(3)高糖高脂缺氧組(HG/HF+hypoxia組):細(xì)胞在HG/HF培養(yǎng)基中培養(yǎng)12 h后在缺氧孵箱(孵箱內(nèi)充滿94%N2,5%CO2和1%O2的氣體,濕度為95%)孵育6 h;(4)高糖高脂缺氧+Mel組(HG/HF+hypoxia+Mel組):細(xì)胞在HG/HF培養(yǎng)基中培養(yǎng)12 h,加入100 μmol/L褪黑素后缺氧處理6 h。每組重復(fù)5遍。
1.5.1 多普勒超聲評(píng)價(jià)小鼠心功能 在術(shù)后第4周行超聲心動(dòng)圖檢查。小鼠經(jīng)異氟烷麻醉后置于平臺(tái)上利用小動(dòng)物超聲(西門子公司,美國)檢測(cè)心臟功能。采集所有小鼠的M型超聲心動(dòng)圖、左心室射血分?jǐn)?shù)(left ventricular ejection fraction, LVEF)、左室短軸縮短率(left ventricular fractional shortening, LVFS)、左室收縮末期內(nèi)徑(left ventricular end-systolic dimension, LVESD)和左室舒張末期內(nèi)徑(left ventricular end-diastolic dimension, LVEDD), 這些指標(biāo)均通過連續(xù)測(cè)量3個(gè)心動(dòng)周期后取平均值得出。
1.5.2 心臟組織病理學(xué)檢測(cè) 將小鼠麻醉后處死,取出心臟,用磷酸緩沖鹽(phosphate buffer saline,PBS)充分清洗血凝塊后制成石蠟包塊,切成3~5 μm的切片,然后分別進(jìn)行HE染色觀察組織形態(tài)學(xué)改變、Masson染色評(píng)價(jià)心肌纖維化程度、原位末端標(biāo)記法(terminal-deoxynucleoitidyl transferase mediated nick end labeling, TUNEL)熒光染色觀察心肌凋亡情況。(1)HE染色。組織切片脫蠟后使用蘇木素染液染細(xì)胞核、伊紅染液染胞漿。無水乙醇脫水后,使用二甲苯透明。封片后在顯微鏡下觀察。(2)Masson染色。組織切片脫蠟后使用重鉻酸鉀染液染色。使用鐵蘇木素染液染細(xì)胞核,漂洗干凈后使用麗春紅酸性品紅染液染色。冰醋酸漂洗后使用磷鉬酸水溶液浸染,放入苯胺藍(lán)染液中染色。分化、脫水、透明處理后封片,在顯微鏡下觀察。圖像中藍(lán)色區(qū)域是膠原陽性染色,排除心內(nèi)膜、心外膜和血管周圍纖維化的藍(lán)色區(qū)域,心肌間質(zhì)纖維化的面積使用藍(lán)染區(qū)域的面積占整個(gè)圖像的百分比來計(jì)算。(3)TUNEL染色。將組織切片脫蠟后滴加蛋白酶K處理。按照TUNEL細(xì)胞凋亡檢測(cè)試劑盒使用說明配制TUNEL檢測(cè)液。處理好的樣品上加TUNEL檢測(cè)液,37 ℃避光孵育后加入活細(xì)胞染色液(Hoechst 33342)染細(xì)胞核。封片后在熒光顯微鏡下觀察。視野中綠色熒光代表凋亡細(xì)胞,藍(lán)色熒光是使用Hoechst染液染的正常心肌細(xì)胞核,通過計(jì)算凋亡細(xì)胞百分比(視野中凋亡細(xì)胞/總細(xì)胞,%)評(píng)估細(xì)胞凋亡程度。
1.5.3 心肌細(xì)胞凋亡檢測(cè) 通過蛋白質(zhì)印跡法(Western blotting)檢測(cè)細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白的含量。將H9c2細(xì)胞消化、勻漿、裂解,提取蛋白,用BCA蛋白定量法檢測(cè)蛋白濃度,然后電泳、轉(zhuǎn)膜、封閉、洗膜。在搖床上室溫封閉1 h,TBST緩沖液漂洗后,分別加入抗Bax(1∶5000)、Bcl-2(1∶1 000)、Caspase-3(1∶1 000)和β-actin(1∶5 000)一抗孵育,4 ℃過夜,加入兔抗鼠IgG(1∶5 000)二抗,增強(qiáng)化學(xué)發(fā)光成像。使用Image J軟件對(duì)條帶進(jìn)行灰度值分析,計(jì)算目標(biāo)蛋白表達(dá)量。
1.5.4 細(xì)胞內(nèi)ATP濃度檢測(cè) 吸去培養(yǎng)液,加入裂解液裂解細(xì)胞,4 ℃ 12 000 g離心5 min后取上清液用于檢測(cè),加100 μl ATP檢測(cè)工作液到檢測(cè)管,室溫放置3~5 min后加入20 μl樣品,至少間隔2 s后,用化學(xué)發(fā)光儀測(cè)定相對(duì)發(fā)光單位(relative light unit, RLU),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出樣品中ATP的濃度。
1.5.5 線粒體自噬檢測(cè) Western blotting法檢測(cè)線粒體自噬相關(guān)蛋白的含量,具體方法同上。電泳、轉(zhuǎn)膜、封閉、洗膜,加入LC3抗體(1∶1 000)、P62抗體(1∶10 000)、Parkin抗體(1∶2 000)、β-actin抗體(1∶5 000)一抗孵育,4 ℃過夜,加入兔抗鼠IgG(1∶5 000)二抗,增強(qiáng)化學(xué)發(fā)光成像,對(duì)條帶進(jìn)行灰度值分析,計(jì)算目標(biāo)蛋白表達(dá)量。
在心肌梗死術(shù)后4周,使用小動(dòng)物超聲測(cè)量各組小鼠的LVEF、LVFS、LVESD和LVEDD評(píng)估心功能和心臟結(jié)構(gòu)變化。與sham組相比,DM組小鼠LVEF、LVFS有所下降,LVESD和LVEDD指標(biāo)升高,但差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。DMI組和DMI+Mel組小鼠LVEF、LVFS均較sham組明顯下降,LVESD、LVEDD較sham組明顯升高,DMI+Mel組這4項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于DMI組,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05;圖1,表1)。
表1 心肌梗死術(shù)后4周4組小鼠超聲心動(dòng)圖指標(biāo)情況比較
圖1 心肌梗死術(shù)后4周4組小鼠心臟功能情況
在心肌梗死術(shù)后4周,對(duì)小鼠心臟進(jìn)行組織切片染色(HE染色),觀察心肌細(xì)胞形態(tài),測(cè)量心肌細(xì)胞橫截面積大小。Masson染色評(píng)價(jià)心肌間質(zhì)纖維化程度。結(jié)果顯示,DM組心肌細(xì)胞橫截面積和心肌間質(zhì)纖維化程度較sham組,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);但DMI組和DMI+Mel組心肌細(xì)胞橫截面積和心肌間質(zhì)纖維化程度均顯著增加,而Mel可以顯著減輕心肌細(xì)胞橫截面積的增大和心肌間質(zhì)纖維化的程度,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
通過TUNEL熒光染色評(píng)估心肌細(xì)胞凋亡情況。Sham組和DM組心肌細(xì)胞凋亡率比較,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);DMI組和DMI+Mel組細(xì)胞凋亡率均顯著高于sham組和DM組,但DMI+Mel組細(xì)胞凋亡率低于DMI組,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05;圖2,表2)。
圖2 心臟組織切片染色評(píng)估心肌細(xì)胞橫截面積、間質(zhì)纖維化和心肌細(xì)胞凋亡情況
表2 4組小鼠心肌細(xì)胞橫截面積、間質(zhì)纖維化面積和細(xì)胞凋亡率比較
與CON組相比,HG/GF組、HG/HF+hypoxia組和HG/HF+hypoxia+Mel組Bax和Caspase-3表達(dá)顯著上調(diào),Bcl-2表達(dá)顯著下調(diào),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。與HG/GF組和HG/HF+hypoxia+Mel組相比,HG/HF+hypoxia組Bax和Caspase-3表達(dá)顯著上調(diào),Bcl-2表達(dá)顯著下調(diào),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05;圖3)。與TUNEL染色結(jié)果相一致,Mel在高糖高脂和缺氧加重心肌細(xì)胞凋亡的過程中起保護(hù)作用。
圖3 4組小鼠H9c2細(xì)胞Bax、Caspase-3和Bcl-2蛋白的表達(dá)情況
細(xì)胞內(nèi)ATP含量是反映線粒體功能的一項(xiàng)敏感指標(biāo)[5]。為了測(cè)定線粒體的功能,本研究檢測(cè)了4組小鼠細(xì)胞中ATP的平均濃度。與CON組相比,HG/HF+hypoxia組的ATP濃度從(7.92±0.29)μmol/L下降至(0.35±0.12)μmol/L,而加入Mel后,細(xì)胞內(nèi)ATP濃度升高至(3.78±0.27)μmol/L。因此,Mel可以減輕高糖高脂和缺氧造成的ATP含量降低,有效改善線粒體因高糖高脂和缺氧所造成的損傷(圖4)。
圖4 4組小鼠H9c2細(xì)胞內(nèi)ATP濃度情況
LC3和P62是線粒體自噬相關(guān)蛋白,自噬小體形成時(shí),胞漿型LC3(即LC3-Ⅰ)會(huì)被酶解掉一段多肽,形成膜型LC3(即LC3-Ⅱ),LC3-Ⅱ/Ⅰ比值升高、P62表達(dá)下調(diào)[6]。Parkin是線粒體自噬特異性蛋白,當(dāng)線粒體自噬增強(qiáng)時(shí),Parkin表達(dá)升高[7]。本研究結(jié)果顯示,高糖高脂和缺氧損傷顯著降低了LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值和Parkin蛋白的表達(dá),增加了P62的表達(dá),表明線粒體自噬減弱,而HG/HF+hypoxia+Mel組LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值和Parkin蛋白表達(dá)水平顯著高于其余3組,P62表達(dá)顯著低于其余3組(P<0.05;圖5),因此Mel可以增強(qiáng)線粒體自噬水平。
圖5 4組小鼠H9c2細(xì)胞線粒體自噬相關(guān)蛋白表達(dá)情況
本研究結(jié)果顯示,在DM狀態(tài)下,給予Mel可以減輕MI導(dǎo)致的心肌細(xì)胞凋亡和間質(zhì)纖維化,進(jìn)而改善心臟功能。進(jìn)一步完善細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),Mel在糖尿病心肌梗死的益處在于Bax、Caspase-3、Bcl-2、LC3、P62、Parkin和細(xì)胞內(nèi)ATP水平的改變。本研究結(jié)果顯示,Mel可以通過增強(qiáng)線粒體自噬,減輕高糖高脂和缺氧導(dǎo)致的心肌細(xì)胞凋亡,從而改善糖尿病心肌梗死后的心臟功能,為合并糖尿病的急性心肌梗死患者的治療提供新的靶點(diǎn)。
目前,我國DM患者人數(shù)超過1.4億,持續(xù)位居世界首位。DM是CHD的等危癥,研究顯示,DM患者罹患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)是非DM患者的2倍[8],其可能機(jī)制是由于DM加重心臟的微循環(huán)損傷和心肌細(xì)胞能量代謝障礙[9]?,F(xiàn)有的糖尿病心肌梗死治療策略中,缺乏發(fā)病早期心肌細(xì)胞保護(hù)藥物的相關(guān)研究。減輕梗死后缺血所誘發(fā)的心肌損傷是提高糖尿病心肌梗死患者臨床獲益、改善長期預(yù)后的關(guān)鍵手段。
線粒體是真核生物產(chǎn)生能量的細(xì)胞器,是細(xì)胞的“動(dòng)力工廠”,在調(diào)節(jié)代謝、氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡等方面的作用十分重要[10,11]。研究發(fā)現(xiàn),線粒體損傷和凋亡是心肌梗死后心肌受損的關(guān)鍵信號(hào)機(jī)制,在心肌梗死的發(fā)病過程中,缺血的心肌細(xì)胞內(nèi)活性氧(reactive oxygen species, ROS)增多、Ca2+紊亂、細(xì)胞能量代謝受損,導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)和功能異常,而高血糖加重線粒體的損傷[12,13]。因此,尋找保護(hù)線粒體結(jié)構(gòu)和功能的治療靶點(diǎn)可能是減輕糖尿病心肌梗死后心肌損傷的核心。線粒體自噬是一個(gè)細(xì)胞識(shí)別并清除受損細(xì)胞器的過程,線粒體發(fā)生去極化損傷后通過溶酶體介導(dǎo)降解,對(duì)結(jié)構(gòu)和功能異常的線粒體進(jìn)行清除和溶解,進(jìn)而維持線粒體質(zhì)量和數(shù)量的穩(wěn)定[14]。國內(nèi)外多項(xiàng)研究顯示,上調(diào)線粒體自噬可以減輕靶細(xì)胞凋亡[15-17]。本研究中,在高糖高脂和缺氧的狀態(tài)下,線粒體自噬水平明顯降低,這與相關(guān)報(bào)道顯示的在糖尿病患者中線粒體自噬的細(xì)胞保護(hù)作用被顯著抑制這一結(jié)果一致[18]。
研究表明,Mel分泌不良會(huì)增加罹患DM和AMI的風(fēng)險(xiǎn),這也意味著Mel在預(yù)防代謝性疾病的發(fā)生方面存在潛在益處[19,20]。在多種疾病模型中,褪黑素受體激動(dòng)劑參與調(diào)節(jié)線粒體自噬,發(fā)揮對(duì)疾病的保護(hù)作用。例如在神經(jīng)細(xì)胞中,Mel上調(diào)線粒體自噬相關(guān)的蛋白質(zhì)LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ、自噬相關(guān)5蛋白(autophagy related 5, Atg5)、線粒體自噬標(biāo)記Parkin 和同源性磷酸酶誘導(dǎo)激酶1(phosphatase and tensin homolog induced putative kinase 1, PINK-1)的表達(dá),抑制核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域(nucleotide-binding oligomerization domain,NOD)樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3, NLRP3)炎癥體激活,發(fā)揮神經(jīng)系統(tǒng)保護(hù)作用[21]。然而,在合并糖尿病的心肌梗死模型中,Mel是否通過增強(qiáng)線粒體自噬發(fā)揮心肌細(xì)胞保護(hù)作用,還未見相關(guān)報(bào)道。
本研究通過構(gòu)建小鼠糖尿病心肌梗死模型和細(xì)胞高糖高脂缺氧模型,探討Mel對(duì)糖尿病心肌梗死后心肌損傷的保護(hù)機(jī)制。研究結(jié)果表明:(1)Mel可以減輕糖尿病心肌梗死小鼠的心肌細(xì)胞凋亡和間質(zhì)纖維化,改善心臟功能;(2)在高糖高脂缺氧狀態(tài)下,心肌細(xì)胞ATP水平降低,細(xì)胞凋亡增加,而Mel可以逆轉(zhuǎn)這種不良結(jié)局;(3)在高糖高脂缺氧狀態(tài)下,線粒體自噬水平顯著降低,加入Mel后線粒體自噬的水平顯著升高。綜上所述,糖尿病心肌梗死后,心肌細(xì)胞內(nèi)線粒體自噬水平降低,心肌細(xì)胞凋亡加劇,補(bǔ)充Mel可以增強(qiáng)線粒體自噬,減輕心肌細(xì)胞損傷,從而改善糖尿病心肌梗死后的心臟功能。本研究的結(jié)果將有助于更好地探索糖尿病心肌梗死治療的新靶點(diǎn)及Mel在其中潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值。