由高飛,唐金鑫,孫 航,劉士偉,李秋陽,徐 萍,于 雷,畢云楓
(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 長春 130118)
據(jù)2019年臨床數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),我國患糖尿?。╠iabetes,DM)人數(shù)約為1.16億 人,占總?cè)丝诘?2.8%,隨著人們生活水平的改善和不健康飲食習(xí)慣的增加,DM患者已經(jīng)出現(xiàn)早期患病、低齡患病人數(shù)增加的趨勢。DM患者血糖長期處于較高水平,從而可引發(fā)各種并發(fā)癥,如肝臟、腎臟、血管和心臟相關(guān)疾病等,其中肝臟病變率高達(dá)21%~78%。當(dāng)前DM型肝病患者治療以終身用藥為主,不能達(dá)到根治,且長期服藥會(huì)產(chǎn)生多種毒副作用,導(dǎo)致體質(zhì)量下降。因此尋找高效、低毒的具有保護(hù)DM肝臟損傷的天然活性成分已成為當(dāng)前人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
牛蒡子是菊科草本作物牛蒡的干燥果實(shí),牛蒡子苷元(arctigenin,ATG)是牛蒡子中的木質(zhì)素類成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%~1.0%),可通過酶解或酸水解牛蒡子苷(質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%~7%)制備,ATG可在動(dòng)物腸道內(nèi)高效發(fā)揮藥理作用,研究發(fā)現(xiàn)ATG具有抗流感病毒、抗結(jié)腸炎、抗DM小鼠腎臟損傷、抗抑郁和抗焦慮、降血壓和改善認(rèn)知障礙等作用,其廣泛的藥理活性受到研究者的重視。目前鮮見ATG對(duì)DM肝損傷的治療效果研究,因此,本實(shí)驗(yàn)研究ATG對(duì)四氧嘧啶誘導(dǎo)的DM小鼠肝臟損傷的保護(hù)作用,旨在為DM型肝損傷的預(yù)防、治療和ATG相關(guān)保健產(chǎn)品的開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。
SPF級(jí)ICR雄性小鼠,80 只、5 周齡,體質(zhì)量25~30 g,購于北京華阜康生物科技股份有限公司(生產(chǎn)許可證號(hào):SCXK(京)2019-0008)。
嗜熱-葡萄糖苷酶由本團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的工程菌表達(dá)并提取制備;牛蒡子苷(純度為70%)購自四川省維克奇生物科技有限公司;ATG(純度為97.2%)由嗜熱-葡萄糖苷酶酶解牛蒡子苷制備。
二甲雙胍(metformin,Met)、四氧嘧啶、羧甲基纖維素鈉、組織Toll樣受體4(toll-like receptors,TLR4)、髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88,MyD88)、核因子κB p65(nuclear factor κB p65,NF-κB p65)單抗 北京索萊寶科技有限公司;谷丙轉(zhuǎn)氨酶(alanine aminotransferase,ALT)、谷草轉(zhuǎn)氨酶(asparate aminotransferase,AST)、白細(xì)胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、谷胱甘肽(glutathione,GSH)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化氫酶(catalase,CAT)、聚氰基丙烯酸正丁酯(butyleyanoacrylate,BCA)試劑盒 南京建成生物研究所;所用其余試劑均為分析純。
JY92-IIDN型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī) 寧波新芝生物科技有限公司;2100型可見分光光度計(jì) 尤尼柯上海儀器有限公司;LC-MSH-2L型恒溫加熱磁力攪拌器、Neofuge 23R型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī) 上海盧湘儀離心機(jī)有限公司;XL30 ESEM-FEG場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡美國FEI公司;Multiskan FC型酶標(biāo)儀 賽默飛世爾科技(中國)有限公司;EA-12型安穩(wěn)血糖測定儀 三諾生物傳感股份有限公司;Flexar型高效液相色譜儀 美國PerkinElmer公司。
1.3.1 ATG的酶解制備
利用超聲波輔助-葡萄糖苷酶酶解牛蒡子苷制備ATG,根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定最佳工藝參數(shù)為酶用量質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%、酶解時(shí)間2.5 h、酶解溫度60 ℃、超聲功率320 W。反應(yīng)結(jié)束后,ATG粗提物經(jīng)萃取、真空抽濾、脫色、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)、水洗去糖、體積分?jǐn)?shù)50%乙醇溶液重結(jié)晶處理,真空冷凍干燥收集ATG提取物,高效液相色譜(high performance liquid chromatography,HPLC)法檢測純度為97.2%,0~4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
1.3.2 動(dòng)物飼養(yǎng)
吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物中心第四飼養(yǎng)室,早8∶00至晚8∶00給予光照,溫度為23 ℃,相對(duì)濕度55%,每籠5 只小鼠,及時(shí)添加飼料和水,更換墊料,小鼠采購后適應(yīng)新環(huán)境14 d。實(shí)驗(yàn)倫理審查編號(hào):20201110001。
1.3.3 實(shí)驗(yàn)相關(guān)溶液的配制
溶液配制參考文獻(xiàn)[17]中的方法,四氧嘧啶的配制:依據(jù)小鼠每千克體質(zhì)量稱取180 mg四氧嘧啶溶于0.3 mL冷生理鹽水(0~4 ℃),現(xiàn)用現(xiàn)配,2 min注射完畢;質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%羧甲基纖維素鈉溶液配制:準(zhǔn)確稱取0.300 0 g羧甲基纖維素鈉溶于60 mL蒸餾水中,磁力攪拌過夜,錫箔紙包裹,4 ℃冰箱保存?zhèn)溆?;Met溶液配制:依據(jù)小鼠每千克體質(zhì)量稱取200 mg Met,快速溶于冷生理鹽水(0~4 ℃),配制成0.3 mL溶液,混勻;ATG溶液配制:依據(jù)各組小鼠每千克體質(zhì)量相應(yīng)稱取120、90、60 mg ATG,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%羧甲基纖維素鈉中制成0.3 mL混懸液。
1.3.4 建立四氧嘧啶誘發(fā)DM小鼠模型
將適應(yīng)14 d的小鼠晚10∶00至次日早8∶00斷食不斷水,腹腔注射180 mg/kg四氧嘧啶,給藥3 d后,前一晚斷食不斷水8 h后,尾尖取血,用血糖儀測血糖濃度,血糖濃度高于11.1 mmol/L作為DM建模標(biāo)準(zhǔn)。選取健康小鼠作為對(duì)照組,將DM小鼠隨機(jī)分組,灌胃給藥:對(duì)照組、模型組灌胃生理鹽水10 mL/kg,Met組灌胃Met 200 mg/kg,ATG高、中、低劑量組分別灌胃120、90、60 mg/kgATG,各給藥溶液均為給藥前配制,每日早8∶00給藥,實(shí)驗(yàn)周期為28 d。
1.3.5 常規(guī)指標(biāo)測定
第一次灌胃給藥后,每7 d記錄小鼠體質(zhì)量和空腹血糖濃度,觀察各組小鼠健康狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束稱量各組小鼠肝質(zhì)量,根據(jù)下式計(jì)算肝臟指數(shù)。
1.3.6 血清指標(biāo)測定
灌胃4 周,最后一次灌胃后,將所有小鼠轉(zhuǎn)移至解剖室進(jìn)行樣品的采集,眼球取血1 mL,使血液緩緩自然流下,常溫靜置1 h,冷凍離心機(jī)分離血清(5 000 r/min、10 min),于-20 ℃冰箱備用。按照試劑盒說明書測定ALT、AST活力和IL-6、TNF-α質(zhì)量濃度。
1.3.7 GSH、CAT、SOD水平測定
將小鼠脫頸椎處死,解剖分離肝臟組織,生理鹽水沖洗肝臟表面血跡,稱質(zhì)量、記錄,各組取0.200 0 g肝組織,剪刀剪碎后,超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)進(jìn)行冰水浴粉碎,加入適量冷生理鹽水,配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的組織勻漿液,冷凍離心(5 000 r/min、10 min)得上清液。依據(jù)說明書中小鼠肝勻漿濃度曲線進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn),確定最佳的組織樣品濃度,按照試劑盒說明書測定GSH、CAT、SOD水平。
1.3.8 肝臟組織病理學(xué)分析
取相同部位肝組織,經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%甲醛溶液固定,脫水、透明處理、包埋后,制備3 μm切片,蘇木精-伊紅(hematoxylin-eosin,HE)法染色,于電子顯微鏡下(400 倍)觀察小鼠肝組織病理變化。
1.3.9 蛋白免疫印跡分析
將肝組織冰浴迅速剪碎,倒入蛋白裂解液快速研磨10 min,低溫離心(6 000 r/min、20 min)后測定蛋白含量,經(jīng)過配膠、十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)膜后,充分將樣品中相關(guān)蛋白條帶分離。洗膜:用0.01 mol/L磷酸鹽緩沖液(phosphate buffered saline,PBS)處理5 min,重復(fù)3 次(下同);加入包被液,緩慢搖晃,室溫放置2 h,倒掉包被液,再次洗膜;一抗:用0.01 mol/L PBS稀釋,覆蓋聚偏二氟乙烯膜,室溫放置2 h。用1%牛血清白蛋白(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%)作對(duì)照;二抗:加入辣根過氧化物酶偶聯(lián),緩慢搖晃,室溫放置2 h;倒掉二抗,洗膜;暗光加顯色劑,待出現(xiàn)條帶,加入雙蒸水停止反應(yīng)。用ImageJ軟件進(jìn)行灰度分析,結(jié)果以目的蛋白相對(duì)GADPH的表達(dá)量表示。
數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,每組重復(fù)3 次,使用Origin Pro 9.0軟件作圖和SPSS 26軟件分析數(shù)據(jù),多組間比較用單因素方差分析,進(jìn)一步兩兩比較分析采用Bonferroni法。以<0.05、<0.01分別表示差異顯著和極顯著。
四氧嘧啶腹腔注射劑量為180 mg/kg,對(duì)于第一次建模未成功小鼠進(jìn)行第二次半數(shù)劑量建模(90 mg/kg),建模成功率為62%。建模后,6 只小鼠死亡,死亡原因有小鼠機(jī)體免疫力低下、DM引起的不適和小鼠相互撕咬等,與灌胃ATG無關(guān)。小鼠DM癥狀明顯,表現(xiàn)為體毛變得粗糙雜亂、伏地行走、不好動(dòng)、反應(yīng)遲緩、墊料潮濕、糞便較多和飲食進(jìn)水量增加等。
空腹血糖濃度能夠準(zhǔn)確反映出DM小鼠患病狀況,由圖1可知,與對(duì)照組相比,模型組小鼠血糖濃度極顯著升高(<0.01),均超過11.1 mmol/L,結(jié)合2.1節(jié)小鼠生理狀況,證明本實(shí)驗(yàn)DM小鼠模型建立成功。在28 d時(shí),與模型組相比,Met組、ATG高劑量組小鼠血糖濃度極顯著下降(<0.01),相比于0 d時(shí),血糖濃度分別降低30.75%、26.12%。
圖1 ATG對(duì)小鼠血糖濃度的影響(n=7)Fig. 1 Effect of ATG on the blood glucose level of mice (n = 7)
由表1可知,與0 d相比,28 d時(shí)各組小鼠體質(zhì)量都有不同程度的增長,對(duì)照組、Met組和ATG高劑量組小鼠體質(zhì)量極顯著增長(<0.01),分別增長20.22%、13.47%和11.03%;模型組小鼠體質(zhì)量增長不顯著(>0.05)。0~7 d時(shí),部分小鼠因注射四氧嘧啶后,機(jī)體代謝發(fā)生紊亂,體質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)負(fù)增長,而Met、ATG不同劑量組都能對(duì)DM小鼠體質(zhì)量的下降起到改善作用。
表1 ATG對(duì)小鼠體質(zhì)量的影響(n=7)Table 1 Effect of ATG on body mass of mice (n = 7)g
如表2所示,與模型組相比,ATG高、中劑量組對(duì)肝臟指數(shù)作用效果極顯著(<0.01),低劑量組作用效果不顯著(>0.05)。綜上所述,ATG可以改善DM小鼠體質(zhì)量降低、肝臟脂肪堆積的情況,ATG高劑量組與Met組治療效果相當(dāng)。
表2 ATG對(duì)小鼠肝質(zhì)量和肝臟指數(shù)的影響(n=7)Table 2 Effect of ATG on liver mass and liver index of mice (n = 7)
AST和ALT是反映肝臟健康程度的指標(biāo),小鼠肝臟在受到藥物刺激時(shí),器官內(nèi)的AST和ALT會(huì)通過受損的器官流向組織間隙,進(jìn)入血液。由圖2可知,與對(duì)照組相比,模型組ALT活力和AST活力極顯著升高(<0.01),表明DM小鼠的肝器官受到了損傷。與模型組比較,Met組、ATG高劑量組的ALT活力和AST活力均極顯著降低(<0.01);ATG中劑量組AST活力顯著降低(<0.05),ALT活力無顯著變化(>0.05)。以上結(jié)果說明,ATG治療可改善DM小鼠血清中ALT活力和AST活力。
圖2 ATG對(duì)小鼠血清AST(A)、ALT(B)活力的影響(n=7)Fig. 2 Effect of ATG on the activities of AST (A) and ALT (B) in serum of mice (n = 7)
IL-6、TNF-α是引起肝臟炎癥的重要促炎因子,通過檢測血清中IL-6、TNF-α的水平可以判斷肝臟的炎癥程度。ATG對(duì)DM小鼠肝臟炎癥因子IL-6、TNF-α質(zhì)量濃度的影響如表3所示,相比于對(duì)照組,模型組中IL-6、TNF-α質(zhì)量濃度極顯著升高(<0.01),表明本實(shí)驗(yàn)DM小鼠已經(jīng)出現(xiàn)炎癥變化。與模型組比較,Met、ATG所有劑量組IL-6、TNF-α質(zhì)量濃度均顯著降低(<0.01、<0.05)。以上結(jié)果說明ATG灌胃干預(yù)后,可減輕DM小鼠肝臟內(nèi)炎癥反應(yīng)。
表3 ATG對(duì)小鼠肝組織IL-6、TNF-α質(zhì)量濃度的影響(n=7)Table 3 Effect of ATG on the contents of IL-6 and TNF-α in liver tissue of mice (n = 7)
GSH、CAT和SOD水平是評(píng)價(jià)機(jī)體內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng)的重要指標(biāo),能在一定程度反映機(jī)體受到外界刺激后體內(nèi)氧化還原平衡的改善能力。如圖3所示,與對(duì)照組相比,模型組中GSH含量、CAT活力和SOD活力均出現(xiàn)極顯著下降(<0.01)。與模型組比較,ATG高劑量組中GSH含量、CAT活力和SOD活力不同程度的升高(<0.01、<0.05),且對(duì)于CAT活力的改善效果與陽性Met組相當(dāng),ATG中劑量組CAT活力和SOD活力顯著升高(<0.05)。以上結(jié)果表明,ATG對(duì)DM小鼠肝臟化應(yīng)激起到改善作用,能夠使GSH含量、CAT活力和SOD活力趨近于正常值,從而改善DM小鼠肝臟氧化應(yīng)激水平。
圖3 ATG對(duì)小鼠肝組織GSH含量(A)和CAT(B)、SOD(C)活力的影響(n=7)Fig. 3 Effect of ATG on the levels of GSH (A), CAT (B) and SOD (C)in liver tissue of mice (n = 7)
如圖4所示,對(duì)照組肝組織形態(tài)完整清晰,不存在脂肪變性現(xiàn)象,組織細(xì)胞被正常紅染,細(xì)胞均勻,內(nèi)部漿液清晰可見,中間藍(lán)色為細(xì)胞核;模型組小鼠肝臟則表現(xiàn)異常,排列明顯疏松不規(guī)則,細(xì)胞內(nèi)顯示出空泡形態(tài),且有出血現(xiàn)象,說明脂肪已經(jīng)變性;ATG高、中劑量和Met對(duì)肝臟組織損傷有一定的改善作用,細(xì)胞內(nèi)染紅面積增大,細(xì)胞空泡和出血區(qū)域減少;ATG低劑量組肝臟切片區(qū)域形態(tài)基本與模型組無差異,無明顯改善效果。
圖4 ATG對(duì)小鼠肝組織病理變化的影響Fig. 4 Effect of ATG on histopathological changes of liver tissue in mice
DM小鼠肝臟中TLR4、MyD88和NF-κB p65電泳表達(dá)量和蛋白相對(duì)表達(dá)量分別如圖5、6所示,與對(duì)照組相比,模型組中TLR4、MyD88和NF-κB p65蛋白相對(duì)表達(dá)量極顯著升高(<0.01),ATG高劑量組和Met組有相似的治療效果,均可顯著降低TLR4、MyD88和NF-κB p65蛋白相對(duì)表達(dá)量(<0.01、<0.05);ATG中劑量組干預(yù)效果不顯著(>0.05);ATG低劑量組中MyD88、NF-κB p65蛋白相對(duì)表達(dá)量顯著降低(<0.01、<0.05),但對(duì)TLR4蛋白表達(dá)無顯著降低作用(>0.05)。以上結(jié)果表明,ATG對(duì)于DM小鼠肝損傷有一定的治療作用,且與TLR4、MyD88和NF-κB p65信號(hào)通路有密切聯(lián)系。
圖5 TLR4、MyD88、NF-κB p65蛋白電泳圖Fig. 5 Electrophoresis profiles of TLR4, MyD88 and NF-κB p65 proteins
圖6 ATG對(duì)TLR4(A)、MyD88(B)、NF-κB p65(C)蛋白相對(duì)表達(dá)量的影響Fig. 6 Effect of ATG on the relative expression levels of TLR4 (A),MyD88 (B) and NF-κB p65 (C) proteins
ATG是牛蒡子中主要的活性成分之一,其在改善DM及其并發(fā)癥方面具有廣泛作用,研究發(fā)現(xiàn)ATG可抑制-葡萄糖苷酶活力,延緩血糖濃度增高,從而達(dá)到調(diào)節(jié)血糖水平的作用,ATG給藥后,DM小鼠的尿蛋白量、TNF-α表達(dá)量下降,蛋白質(zhì)的非酶糖化能力受到限制,證實(shí)ATG可減輕DM腎病損傷。馮芹等發(fā)現(xiàn)ATG可降低DM大鼠血壓,增加血管內(nèi)皮生長因子的表達(dá),改善血小板參數(shù)特征,減少血小板的破壞,并可降低白細(xì)胞總數(shù),改善DM慢性炎癥?;谝陨涎芯拷Y(jié)果,本實(shí)驗(yàn)表明,ATG能降低DM小鼠血糖濃度、提高其體質(zhì)量,且能降低炎癥因子TNF-α、IL-6的質(zhì)量濃度。
肝臟損傷是DM最常發(fā)生的器官損害之一,肝臟損傷病理過程比較復(fù)雜,且可能與體內(nèi)炎癥因子表達(dá)、水平改變有關(guān),目前研究的主要發(fā)病機(jī)理是通過脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物指標(biāo)表示氧化應(yīng)激,如丙二醛、SOD和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)含量。氧化應(yīng)激在1型和2型DM的高血糖癥中已有報(bào)道,因此被認(rèn)為是DM并發(fā)癥發(fā)展的中心因素;經(jīng)四氧嘧啶、CCl、脂多糖等誘導(dǎo)的小鼠機(jī)體內(nèi)的氧化應(yīng)激水平會(huì)發(fā)生改變,而過度的氧化應(yīng)激反應(yīng)會(huì)促進(jìn)相關(guān)炎癥因子的釋放,如TNF-α和IL-1β,而TNF-α與NF-κB通路的表達(dá)有緊密聯(lián)系,前者可活化肝臟內(nèi)中性粒細(xì)胞使氧自由基外流,進(jìn)而正反饋激活NF-κB,從而使氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)形成循環(huán)通路,對(duì)肝臟細(xì)胞造成損傷;TLR4是NF-κB信號(hào)通路中主要表達(dá)因子,TRL4信號(hào)通路被激活后,從而影響NF-κB通路,激活多種炎性因子表達(dá),發(fā)生炎性反應(yīng),進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致機(jī)體組織、器官的損傷。研究發(fā)現(xiàn),脂質(zhì)過氧化可改變氧化應(yīng)激水平,從而引起細(xì)胞損傷。陳羨人等發(fā)現(xiàn)人參皂苷Rg1可明顯降低大鼠肝組織TLR4蛋白陽性細(xì)胞占比,提高SOD、CAT、GSH-Px活力以及總抗氧化能力,并改善大鼠肝組織結(jié)構(gòu)形態(tài)。張韞等發(fā)現(xiàn)黃連素可改善2型DM大鼠肝臟氧化損傷,大鼠肝組織的Nrf2、SOD、CAT、GSH-Px等表達(dá)量明顯升高,該過程可能是通過Nrf2介導(dǎo)的抗氧化實(shí)現(xiàn)的。因此,DM肝損傷可能由于TLR4、MyD88、NF-κB p65誘導(dǎo)的炎性通路被激活,引起下游TNF-α、IL-6等炎癥因子表達(dá),進(jìn)而對(duì)氧化應(yīng)激水平產(chǎn)生影響,加劇炎癥發(fā)展,引起更嚴(yán)重的組織損傷。
本研究發(fā)現(xiàn)ATG給藥處理后,與模型組相比,ATG高劑量極顯著降低了DM小鼠血清中ALT活力和AST活力(<0.01);ATG高、中劑量極顯著降低了炎癥因子IL-6、TNF-α質(zhì)量濃度(<0.01);ATG高劑量極顯著提高了糖尿病小鼠肝臟內(nèi)CAT、SOD活力(<0.01),顯著提高GSH含量(<0.05);ATG高劑量顯著降低肝臟內(nèi)TLR4、MyD88和NF-κB p65蛋白相對(duì)表達(dá)量(<0.05、<0.01),以上結(jié)果表明ATG干預(yù)后DM小鼠氧化應(yīng)激和炎癥因子水平均得到改善,肝臟損傷癥狀減輕,但其作用機(jī)理仍需進(jìn)一步闡明。由于對(duì)DM肝臟損傷仍缺乏有效的治療手段,因此探討ATG對(duì)DM肝臟損傷的保護(hù)作用對(duì)開展臨床DM肝損傷研究具有重要意義。