王紹展,王媛媛,顧妍秋,陳春,李勝男,王蓉,原永芳(上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院藥劑科,上海 201999)
肝纖維化是各種慢性刺激或病因所致肝組織中細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的過度增生和沉積,是一種可逆性的肝損傷修復(fù)反應(yīng),繼續(xù)發(fā)展可導(dǎo)致肝硬化甚至肝癌。大量研究表明,肝星狀細(xì)胞的活化是肝纖維化發(fā)生的中心環(huán)節(jié)[1-2],在促纖維化因子作用下,激活的肝星狀細(xì)胞急劇增殖并分泌大量ECM,膠原纖維的合成和分解失衡,導(dǎo)致肝組織ECM 過度沉積。目前尚無美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)的特效的抗肝纖維化的化學(xué)或生物藥物進(jìn)入臨床應(yīng)用。槲皮素是一種黃酮類化合物(結(jié)構(gòu)式見圖1),廣泛存在于蔬菜、水果、茶等植物的花、葉、果實(shí)中,具有抗氧化、抗炎、免疫調(diào)節(jié)、抑制新生血管生成等作用[3]。研究證實(shí)槲皮素對(duì)多種實(shí)驗(yàn)性肝纖維化模型具有很好的保護(hù)作用[4-7],對(duì)其抗肝纖維化作用機(jī)制NF-κB/IκBα、Wnt 等信號(hào)傳導(dǎo)通路方面進(jìn)行了有益的探討[4-8],但仍然不夠全面。研究發(fā)現(xiàn)TGF-β介導(dǎo)的TGF-β/Smad 通路和非Smad依賴通路(如TGF-β/TAK1/JNK 信號(hào)傳導(dǎo)通路)在肝星狀細(xì)胞的活化、增殖以及膠原合成的過程中發(fā)揮了非常重要的調(diào)控作用[9-12]。為探討槲皮素抗纖維化的作用機(jī)制與TGF-β/TAK1/JNK 和TGF-β/Smad2 信號(hào)通路之間的關(guān)聯(lián),本研究構(gòu)建了二甲基亞硝胺(DMN)誘導(dǎo)大鼠肝纖維化模型和TGF-β誘導(dǎo)HSC-T6 細(xì)胞活化模型,從體內(nèi)和體外兩個(gè)方面,著重考察槲皮素對(duì)TGF-β/TAK1/JNK 和TGF-β/Smad2 信號(hào)通路的影響。
圖1 槲皮素的結(jié)構(gòu)式Fig 1 Chemical structure of quercetin
槲皮素(CAS:117-39-5,上海詩丹德生物技術(shù)有限公司,純度≥98%),DMN(Sigma),TAK1、Phospho-TAK1、JNK、Phospho-SAPK/JNK(美國Cell signaling Technology),Smad2、Phospho-Smad2 單克隆抗體、α-平滑肌肌動(dòng)蛋白(α-SMA)(美國Santa Cruz Biotechnology),轉(zhuǎn)化生長因子β1(TGF-β1)(美國R&D Systems),免疫組化試劑盒(武漢博士德生物工程有限公司),大鼠肝功能檢測試劑盒(南京建成生物工程研究所),血清肝纖維化指標(biāo)檢測試劑盒(鄭州安圖生物工程股份有限公司)。引物序列由上海生工工程技術(shù)服務(wù)有限公司合成;其他主要試劑均購自碧云天生物技術(shù)公司。
全自動(dòng)生化分析儀(美國Beckman LX-2);Nanodrop 2000 分光光度計(jì)(Thermo Fisher Scientific);LightCycler 480儀器(Hoffman-La Roche);奧德賽紅外探測及圖像成像分析系統(tǒng)(LI-COR Biotechnology,Nebraska)。
SPF 級(jí)雄性SD 大鼠40 只[6 周齡,180 ~220 g,上海西普爾-必凱實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司,許可證號(hào):SCXK(滬) 2013-0016],飼養(yǎng)條件為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室:溫度25℃,濕度(55±10)%,12 h/12 h 明暗循環(huán),給予標(biāo)準(zhǔn)的食物和水。
SPF 級(jí)雄性SD 大鼠40 只適應(yīng)性飼養(yǎng)2 周后,將大鼠隨機(jī)分為正常組,DMN 模型組,槲皮素12.5 mg·kg-1組、25 mg·kg-1組和50 mg·kg-1組,每組8 只。除正常組腹腔注射相同劑量生理鹽水外,其余大鼠均腹腔注射1% DMN(10 mg·kg-1),每周3 次(每周前3日每日一次,連續(xù)注射3 次,后4日不給予注射),共4 周[13]。造模第3 周開始灌胃給予槲皮素治療,每日一次,治療2 周。在第4 周結(jié)束時(shí),再次稱量大鼠體質(zhì)量(空腹),并用5%水合氯醛麻醉,然后,從腹主動(dòng)脈快速獲取新鮮血液樣本,3000 r·min-1、4℃離心10 min,-80℃下儲(chǔ)存。所有肝臟樣本獲取后迅速稱重,部分用4%多聚甲醛固定,進(jìn)行組織病理學(xué)和免疫組化檢測。剩余的肝臟樣本液氮速凍后,在-80℃下冷凍保存。
采用全自動(dòng)生化分析儀測定丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(ALT)、天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(AST)、總膽紅素(TBIL)。采用肝纖維化系列檢測試劑盒測定透明質(zhì)酸(HA)、血清Ⅲ型前膠原氨基末端前肽(PⅢNP)、Ⅳ型膠原(Ⅳ-C)和層粘連蛋白(LN)的水平。采用羥脯氨酸檢測試劑盒檢測肝組織中羥脯氨酸的含量。
將4%多聚甲醛固定24 h 的肝組織標(biāo)本,經(jīng)脫水,石蠟包埋后,制成5 μm 厚的切片,再經(jīng)脫蠟沖洗,用蘇木精伊紅(HE)染色、天狼星紅(Sirius)和Masson 三色染色方法進(jìn)行切片染色,光學(xué)顯微鏡下觀察肝臟病理情況和膠原沉積的變化,并用Image pro-Plus 6.0 軟件計(jì)算肝組織中的膠原形成面積(膠原形成面積=陽性染色面積/總面積×100%)。用抗α-SMA、p-TAK1、p-JNK、Smad2 的抗體進(jìn)行免疫組化染色,黃色或棕褐色染色顯示陽性信號(hào),根據(jù)陽性染色的程度和位置進(jìn)行評(píng)估[14]。
按QIAGEN 總RNA 提取試劑盒說明書,稱取約30 mg 肝組織,用TRIzol 試劑均質(zhì)離心提取mRNA,Nanodrop 2000 分光光度計(jì)測定濃度。按照TaKaRa 逆轉(zhuǎn)錄及PCR 試劑盒說明書,在LightCycler 480 儀器上進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA 并擴(kuò)增。以β-actin為內(nèi)參,用2-ΔΔCT公式對(duì)目的基因進(jìn)行定量分析。引物序列及擴(kuò)增產(chǎn)物長度如表1所示。
表1 mRNA 擴(kuò)增的基因引物序列Tab 1 Geneprimer sequences for mRNA amplification
對(duì)數(shù)生長期HSC-T6 細(xì)胞消化離心后,用10%血清的DMEM 培養(yǎng)基調(diào)成5×104個(gè)·mL-1的混懸液接種于96 孔板中,每孔100 μL,使細(xì)胞數(shù)為5000 個(gè)/孔,將細(xì)胞分為正常組、槲皮素6 個(gè)質(zhì)量濃度梯度(2.5、5、10、20、40、80 μmol·L-1),每組3 個(gè)復(fù)孔,置于37℃、5%CO2培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h。待細(xì)胞貼壁后,正常對(duì)照組加100 μL 培養(yǎng)基,其余各組加相應(yīng)的藥物100 μL,繼續(xù)培養(yǎng)24 h 后,每孔加入10 μL MTT 溶液(5 mg·mL-1),4 h 后棄去上清液,加入150 μL DMSO,振蕩10 min,用酶標(biāo)儀在490 nm 處測各孔吸光度值(OD),將正常對(duì)照組的細(xì)胞活性設(shè)為100%,計(jì)算槲皮素各濃度處理組細(xì)胞活性,細(xì)胞活性(%)=(實(shí)驗(yàn)組平均OD值/對(duì)照組平均OD值)×100%。
對(duì)數(shù)生長期HSC-T6 細(xì)胞消化離心后,用無血清的DMEM 培養(yǎng)基調(diào)成5×104個(gè)·mL-1混懸液,接種于6 孔板中,每孔2 mL,置于37℃、5%CO2培養(yǎng)箱培養(yǎng)過夜;將細(xì)胞分為正常組、TGF-β1(2 ng·mL-1)組、TGF-β1+槲皮素(10、20、40 μmol·L-1)處理組;在TGF-β1 和槲皮素共同處理24 h 后,提取總RNA,按照TaKaRa 逆轉(zhuǎn)錄及PCR 試劑盒說明書,在LightCycler 480 儀器上進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA 并擴(kuò)增。以β-actin 為內(nèi)參,用2-ΔΔCT公式對(duì)目的基因(α-SMA、CollagenⅠ、MMP-I、TIMP-1)進(jìn)行定量分析。
取對(duì)數(shù)生長期 HSC-T6 細(xì)胞,按“2.6”項(xiàng)下方法處理并分組。槲皮素預(yù)處理24 h 后,加入TGF-β1 刺激30 min;提取總蛋白,BCA 試劑盒測定蛋白濃度,加入5×上樣緩沖液,沸水浴變性15 min,取30 μg 蛋白上樣,待SDS-PAGE電泳分離后,轉(zhuǎn)移至PVDF 膜,用5% BSA 溶液4 ℃封閉3 h,加入一抗(1∶1000),4 ℃過夜;TBST 洗滌3 次,5 min/次,加入二抗(驢抗鼠Alexa Fluor 546 IgG 或驢抗兔Alexa Fluor 488 IgG),室溫孵育2 h。采用奧德賽紅外探測及圖像成像分析系統(tǒng)進(jìn)行檢測,以GAPDH 為內(nèi)參,計(jì)算目的條帶的灰度值[15]。
使用SPSS 21.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(SD)表示,統(tǒng)計(jì)分析方法采用單因素方差分析,P<0.05 表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
DMN 造模期間大鼠體質(zhì)量增長情況如圖2A所示,與正常組相比,DMN 模型組大鼠體質(zhì)量增長顯著下降(P<0.05),而槲皮素各給藥組的體質(zhì)量增長情況好于DMN 模型組,尤其是25 和50 mg·kg-1治療組(P<0.05)。造模結(jié)束時(shí)各組大鼠體質(zhì)量如圖2B 所示,DMN 模型組大鼠體質(zhì)量顯著低于正常組(P<0.05);而同模型組相比,槲皮素25 和50 mg·kg-1治療組能劑量依賴性地提高大鼠體質(zhì)量(P<0.05)。
圖2B 顯示,DMN 模型組大鼠的肝質(zhì)量同正常組相比亦顯著下降(P<0.05),而槲皮素25和50 mg·kg-1治療組大鼠的肝質(zhì)量顯著高于模型組(P<0.05),其中槲皮素50 mg·kg-1組的治療效果最優(yōu)(P<0.05)。
圖2 大鼠體質(zhì)量和肝質(zhì)量Fig 2 Body mass and liver mass
槲皮素對(duì)肝功能指標(biāo)TBIL、ALT 和AST 的影響如圖3A 所示。與正常組相比,DMN 模型組的ALT、AST 和TBIL 水平顯著升高(P<0.05)。與模型組相比,槲皮素組TBIL、AST 和ALT 的水平顯著降低(P<0.05),且呈劑量依賴性,說明槲皮素能顯著改善DMN 誘導(dǎo)的大鼠肝功能。
血清肝纖維化指標(biāo)HA、PⅢNP、Ⅳ-C 和LN的水平如圖3B 所示。DMN 模型組這四項(xiàng)指標(biāo)明顯高于正常組(P<0.05),說明DMN 造模后,肝組織中膠原合成增加,發(fā)生了顯著的肝損傷和肝纖維化。而槲皮素各給藥組與模型組比較,四項(xiàng)指標(biāo)含量均下降(P<0.05),50 mg·kg-1下調(diào)效果最顯著(P<0.05),25 mg·kg-1的治療效果也優(yōu)于12.5 mg·kg-1(P<0.05)。
圖3 槲皮素對(duì)大鼠肝功能(A)及血清肝纖維化(B)的影響Fig 3 Effect of quercetin on the liver function (A) and serum hepatic fibrosis (B)in rats
上述結(jié)果表明,槲皮素可有效減輕DMN誘導(dǎo)的大鼠肝損傷和肝纖維化,在12.5 ~50 mg·kg-1給藥劑量內(nèi),隨著給藥劑量增加,治療效果逐步提升。
采用HE 染色觀察肝組織病理變化,采用Sirius 和Masson 染色觀察膠原沉積的情況,結(jié)果如圖4A 所示。從圖中可見,正常組肝組織中,肝細(xì)胞圍繞中央靜脈呈放射狀整齊排列,肝小葉結(jié)構(gòu)完整,沒有變性或壞死的肝細(xì)胞以及其他病理特征。DMN 模型組肝細(xì)胞周圍紊亂,膠原明顯沉積,形成寬窄不一的纖維間隔,包繞、分割肝小葉,小葉結(jié)構(gòu)紊亂,匯管區(qū)擴(kuò)大,小葉內(nèi)出現(xiàn)壞死,出現(xiàn)大量炎性細(xì)胞浸潤。槲皮素各給藥組能不同程度地改善肝組織損傷,減少膠原生成,降低肝小葉被破壞的程度,尤其在50 mg·kg-1組,肝臟病變和炎性細(xì)胞浸潤明顯減少。
如圖4B 所示,與正常組相比,DMN 模型組膠原面積急劇擴(kuò)大,羥脯氨酸含量顯著升高(P<0.05),槲皮素25 和50 mg·kg-1治療2周后,能顯著抑制膠原的生成,降低羥脯氨酸的含量,且50 mg·kg-1的槲皮素治療效果優(yōu)于25 mg·kg-1(P<0.05)。
圖4 槲皮素對(duì)DMN 誘導(dǎo)大鼠肝組織的病理學(xué)變化及膠原合成的影響Fig 4 Effect of quercetin on the pathological changes and collagen synthesis of liver tissues in rats induced by DMN
采用Real-time PCR 檢測肝組織中星狀細(xì)胞活化相關(guān)基因(α-SMA、E-cadherin、Snail),膠原合成相關(guān)基因(CollagenⅠ和CollagenⅢ),以及膠原降解相關(guān)基因(TIMP-1和MMP-1)的mRNA水平,結(jié)果如圖5所示。與正常組相比,DMN模型組大鼠肝組織中α-SMA、Snail、CollagenⅠ、CollagenⅢ和TIMP-1的mRNA 水平顯著升高(P<0.05), 而MMP-1和E-cadherin的mRNA水平顯著下調(diào)(P<0.05);與DMN 模型組相比,槲皮素給藥組能顯著上調(diào)MMP-1和E-cadherin的mRNA 水平,并顯著抑制α-SMA、Snail、CollagenⅠ、CollagenⅢ和TIMP-1 的mRNA 水平,且效果呈劑量依賴性,50 mg·kg-1效果最顯著(P<0.05)。
圖5 槲皮素抑制DMN 誘導(dǎo)大鼠肝組織的纖維化相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄Fig 5 Quercetin inhibits the transcription of fibrosis related genes in rat liver induced by DMN
免疫組織化學(xué)檢測結(jié)果如圖6所示。與正常組相比,DMN 模型組大鼠肝組織中α-SMA、p-TAK1、p-JNK、Smad2 蛋白表達(dá)水平明顯升高;槲皮素各給藥組肝組織中這些蛋白表達(dá)顯著降低,并且槲皮素25 和50 mg·kg-1組降低較明顯。
圖6 槲皮素對(duì)DMN 誘導(dǎo)的纖維化肝組織表達(dá)纖維化相關(guān)蛋白的調(diào)控作用Fig 6 Effect of quercetin on the expression of fibrosis related proteins in DMN induced fibrotic liver tissues
通過MTT 法檢測槲皮素對(duì)HSC-T6 細(xì)胞增殖活性的影響,結(jié)果如圖7所示。低于10 μmol·L-1的槲皮素處理24 h,對(duì)HSC-T6 細(xì)胞的增殖基本沒有影響;當(dāng)槲皮素濃度升至20 μmol·L-1時(shí),顯示出一定的抑制作用,細(xì)胞活性為84.07%(P<0.05);隨著濃度繼續(xù)上升,槲皮素對(duì)HSC-T6 細(xì)胞的增殖抑制作用越來越強(qiáng),當(dāng)濃度達(dá)到80 μmol·L-1時(shí),細(xì)胞活性為70.5%(P<0.01)。
圖7 槲皮素對(duì)HSC-T6 細(xì)胞增殖活性的抑制作用Fig 7 Inhibitory effect of quercetin on the proliferation of HSC-T6 cells
通過Real-time PCR 評(píng)估槲皮素對(duì)HSC 活化標(biāo)志物α-SMA基因,膠原合成與降解相關(guān)基因(CollagenⅠ、MMP-1、TIMP-1)的轉(zhuǎn)錄水平的影響,如圖8所示。與正常組比較,TGF-β1(2 ng·mL-1)刺激24 h,除MMP-1降低外,α-SMA、CollagenⅠ、TIMP-1的mRNA 水平均顯著升高(P<0.05);與TGF-β1 刺激組相比,槲皮素(10 ~40 μmol·L-1)處理24 h,能劑量依賴性地抑制這些基因的轉(zhuǎn)錄變化(P<0.05)。
圖8 槲皮素對(duì)HSC-T6 細(xì)胞肝纖維化相關(guān)基因mRNA 水平的影響Fig 8 Effect of quercetin on the mRNA levels of fibrosis-related factors in HSC-T6 cells
采用Western blot 法檢測TGF-β/TAK1/JNK 和TGF-β/Smad2 信號(hào)傳導(dǎo)通路相關(guān)蛋白在HSC-T6 細(xì)胞中的變化情況,結(jié)果如圖9所示。與正常組相比,TGF-β1(2 ng·mL-1)刺激30 min,能顯著地升高p-TAK1、p-JNK 和p-Smad2 水平(P<0.05);槲皮素(20、40 μmol·L-1)預(yù)處理24 h 能劑量依賴性地下調(diào)p-TAK1、p-JNK 和p-Smad2水平(P<0.05)。
圖9 槲皮素對(duì)HSC-T6 細(xì)胞TGF-β/TAK1/JNK 和TGF-β/Smad2 信號(hào)通路的調(diào)控作用Fig 9 Regulation of quercetin on TGF-β/TAK1/JNK and TGF-β/Smad2 signal pathways in HSC-T6 cells
肝纖維化是各種慢性肝損傷因素誘發(fā)的肝組織損傷修復(fù)反應(yīng),是各種慢性肝病向肝硬化進(jìn)展的共同病理過程,由于肝纖維化具有可逆性特點(diǎn),因此防治肝纖維化對(duì)于防治肝硬化具有重要的臨床意義[16]。
DMN 誘導(dǎo)的大鼠肝纖維化模型,是常用的實(shí)驗(yàn)性肝纖維化動(dòng)物模型[13,15]。本研究中發(fā)現(xiàn)槲皮素治療2 周,能劑量依賴性地下調(diào)DMN 誘導(dǎo)肝纖維化大鼠血清ALT、AST 和TBIL 水平,改善大鼠肝功能;同時(shí)有效抑制血清肝纖維化指標(biāo)上升,降低肝組織中羥脯氨酸的含量;對(duì)肝組織切片進(jìn)行HE、Sirius 和Masson 染色,結(jié)果同樣表明槲皮素可以有效抑制膠原生成,保護(hù)肝小葉的正常結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果說明槲皮素能有效緩解DMN誘導(dǎo)的大鼠肝損傷,降低膠原的沉積,阻遏肝纖維化的進(jìn)程。
肝星狀細(xì)胞的活化并大量合成膠原蛋白是肝纖維化發(fā)生發(fā)展的中心環(huán)節(jié)[17]。活化的星狀細(xì)胞其特征性表現(xiàn)為:高表達(dá)α-SMA、Snail和TIMP-1[18-20],低表達(dá)E-cadherin和MMP-1[21-22],并且大量合成Ⅰ、Ⅲ型膠原等[23]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),槲皮素能劑量依賴性地下調(diào)肝星狀細(xì)胞中α-SMA、Snail、TIMP-1以及CollagenⅠ、CollagenⅢ的mRNA 水平,同時(shí)上調(diào)E-cadherin和MMP-1的mRNA 水平。這表明槲皮素能有效抑制肝星狀細(xì)胞的活化及合成膠原蛋白。
肝星狀細(xì)胞的活化機(jī)制與TGF-β介導(dǎo)的信號(hào)通路密切相關(guān)[24]。TGF-β首先在細(xì)胞表面與TGF-βⅡ型受體(TβRⅡ)結(jié)合后,募集并激活TGF-βⅠ型受體(TβRⅠ);活化的TβRⅠ進(jìn)而招募并磷酸化激活受體Smad2 和Smad3;然后激活的p-Smad2/3 與胞漿中的共同通路型 Smad4形成異源復(fù)合體,轉(zhuǎn)入胞核,調(diào)控肝星狀細(xì)胞活化相關(guān)靶基因的轉(zhuǎn)錄,此為典型的TGF-β信號(hào)通路[25-26]。同樣活化的TβRⅠ也可以激活非Smad 依賴的TAK1/JNK 信號(hào)傳導(dǎo)通路。TAKl 屬于MAPKKK 家族成員,活化后可以通過激活MAPKK4/7 而磷酸化JNK(p-JNK)[27];JNK 是MAPK 家族的成員,活化的JNK(p-JNK)進(jìn)一步激活其底物(包括c-Jun、ATF2、Elk1、p53、NFAT4 等),從而調(diào)控肝星狀細(xì)胞的活化和增殖,參與肝纖維化形成[28]。本研究發(fā)現(xiàn)槲皮素能顯著下調(diào)DMN 誘導(dǎo)肝纖維化模型大鼠肝組織中p-TAK1、p-JNK 以及Smad2 的水平;能劑量依賴性地下調(diào)p-TAK1、p-JNK 和p-Smad2 水平。這些結(jié)果充分說明,槲皮素能通過抑制TGF-β/Smad和TGF-β/TAK1/JNK 信號(hào)通路活化,從而抑制星狀細(xì)胞活化。
綜上,本研究證實(shí)槲皮素具有顯著的抗DMN誘導(dǎo)大鼠肝纖維化作用,通過抑制TGF-β/Smad和TGF-β/TAK1/JNK 信號(hào)通路的激活與傳導(dǎo),來抑制肝星狀細(xì)胞的活化和增殖,最終逆轉(zhuǎn)肝纖維化進(jìn)程。