喬明珠 ,呂浩 ,胡芷苜 ,梁龍 ,江渟
1.安徽中醫(yī)藥大學(xué)研究生院,安徽 合肥 230031; 2.安徽中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院,安徽 合肥 230031
骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)是以骨量減少、骨組織微小結(jié)構(gòu)發(fā)生變化為主要特征的骨代謝疾病之一,容易引起骨脆性增加、骨折風(fēng)險(xiǎn)升高[1]。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)是一類能在機(jī)體內(nèi)自行更新并分化為中胚層細(xì)胞、具有多向分化潛能的成體干細(xì)胞[2]。BMSCs的增殖能力減弱會(huì)引起成骨細(xì)胞活力下降和成骨分化能力受到抑制[3]。研究表明,骨-脂間平衡與BMSCs分化為成骨細(xì)胞或成脂細(xì)胞有重大聯(lián)系,OP是骨-脂間平衡被破壞導(dǎo)致的代謝性疾病,其特征為骨髓內(nèi)脂肪細(xì)胞過(guò)度積累而成骨細(xì)胞比例降低,骨量減少[4]。BMSCs促進(jìn)骨修復(fù)主要是通過(guò)增強(qiáng)成骨分化,抑制成脂分化。因此,調(diào)控BMSCs分化對(duì)于代謝性骨病的治療至關(guān)重要。Wnt/β-catenin信號(hào)通路是BMSCs分化的經(jīng)典途徑[5],主要由細(xì)胞外分泌蛋白Wnt家族細(xì)胞膜上的跨膜受體、胞質(zhì)內(nèi)的降解復(fù)合體和β-連環(huán)蛋白(β-catenin)等組成。成骨分化過(guò)程中的Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(RUNX2)和脂肪形成過(guò)程中的過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)γ被認(rèn)為是BMSCs分化的重要調(diào)節(jié)因子[6],激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路在促進(jìn)BMSCs骨形成相關(guān)基因RUNX2和成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子Osterix(Osx)表達(dá)的同時(shí),可以抑制其分化為脂肪細(xì)胞,具有促成骨和抗成脂活性[7-8],對(duì)維持骨量、促進(jìn)成骨分化和骨代謝至關(guān)重要[9]。復(fù)方補(bǔ)腎活血顆粒是安徽中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院院內(nèi)制劑,前期研究表明,該方能明顯改善OP患者中醫(yī)臨床癥狀、視覺(jué)模擬評(píng)分和骨密度[10];體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),其含藥血清具有促進(jìn)BMSCs 增殖作用[11]。本研究基于Wnt/β-catenin信號(hào)通路觀察復(fù)方補(bǔ)腎活血顆粒含藥血清對(duì)BMSCs成骨、成脂分化的影響,探討其發(fā)揮作用的可能機(jī)制。
SPF 級(jí)8 周齡SD 大鼠30 只,雌雄各半,體質(zhì)量200~250 g,購(gòu)于安徽醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,動(dòng)物許可證號(hào)SCXK(皖)2017-001。飼養(yǎng)于安徽中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)物房,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)經(jīng)安徽中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)審批。骨髓液取自安徽中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨傷科手術(shù)患者(排除近5年內(nèi)患有糖尿病、嚴(yán)重腎功能不全、甲亢、甲減、血液疾病、惡性腫瘤等進(jìn)而影響骨代謝者),用于分離培養(yǎng)BMSCs。臨床試驗(yàn)經(jīng)安徽中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審批。
復(fù)方補(bǔ)腎活血顆粒(首烏藤25 g,白芍20 g,淫羊藿20 g,黃芪18 g,川牛膝15 g,牡蠣10 g),飲片由安徽中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院中藥房提供。飲片加8倍量水浸泡1 h,煮沸30 min,過(guò)濾,再加6倍量水煎煮30 min,合并煎液,過(guò)濾,濃縮至1 mL藥液含原藥材2.9 g,4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
堿性磷酸酶(ALP)染色試劑盒、青霉素-鏈霉素溶液、茜素紅染色液(上海碧云天生物,貨號(hào)分別為C3206、C0222、C0140),DMEM 培養(yǎng)基、PBS 緩沖液(美國(guó)Hyclone 公司,貨號(hào)分別為SH30243.01、AC10217621),RUNX2 抗體、Osx 抗體、CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白α(C/EBPα)抗體、PPARγ抗體、低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(LRP)5抗體、β-catenin抗體(英國(guó)Abcam公司,貨號(hào)分別為ab76956、ab209484、ab40764、ab178860、ab223203、ab32572),0.25%胰蛋白酶-EDTA、胎牛血清(美國(guó)Invitrogen公司,貨號(hào)25200056、16000-044),反轉(zhuǎn)錄試劑盒(上海新貝生物,貨號(hào)R202-02),BMSCs成骨、成脂誘導(dǎo)分化試劑盒(南京建成生物,貨號(hào)分別為HUXMX-90021、HUXMX-90031),CCK-8試劑、RNA提取試劑盒(上海奕杉生物,貨號(hào)分別為100-106、RN001),油紅O染色液(北京索萊寶,貨號(hào)G1262)。
CO2恒溫培養(yǎng)箱(德國(guó)Eppendorf 公司,型號(hào)C170i),倒置熒光顯微鏡(日本OLYMPUS公司,型號(hào)CX53),全波段酶標(biāo)儀(上海賽默飛公司,型號(hào)SkyHigh),梯度PCR 儀(美國(guó)ABI 公司,型號(hào)ABI VERITI),熒光定量PCR 儀(美國(guó)羅氏公司,型號(hào)LightCycler 480Ⅱ),高速冷凍離心機(jī)(德國(guó)Eppendorf公司,型號(hào)5430R),Countstar細(xì)胞計(jì)數(shù)儀(上海睿鈺生物,型號(hào)IC1000),免疫印跡系統(tǒng)(上海天能公司,型號(hào)VE-180)。
用完全培養(yǎng)基(含10%胎牛血清和1%青霉素-鏈霉素的DMEM培養(yǎng)基)稀釋骨髓液后鋪于6孔板中,置于37 ℃、5%CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng),48 h后更換培養(yǎng)基,繼續(xù)培養(yǎng)6~8 d,將細(xì)胞進(jìn)行消化傳代,作為第1代BMSCs。取第3代BMSCs,以5×104個(gè)/mL接種至6孔板中,待細(xì)胞完全貼壁后,將細(xì)胞分為空白組(完全培養(yǎng)基)和含藥血清低、中、高劑量組(低、中、高劑量組,分別為2%、5%、8%含藥血清)。
大鼠適應(yīng)性飼養(yǎng)1周后,按隨機(jī)數(shù)字表法分為含藥血清組和空白血清組(各15只)。按人與動(dòng)物體質(zhì)量折算等效劑量,含藥血清組以6倍等效劑量(29 g/kg)灌胃[12],灌胃體積10 mL/kg,空白血清組以等體積生理鹽水灌胃,每日1次,連續(xù)7 d。末次給藥前12 h大鼠禁食不禁水,稱重后按60 mg/kg用1%戊巴比妥鈉麻醉,腹主動(dòng)脈取血,室溫靜置1 h,3 500 r/min 離心20 min,取血清,56 ℃滅活30 min,用0.22 μm微孔濾膜過(guò)濾除菌,15 mL離心管分裝,于-20 ℃冰箱保存。
收集狀態(tài)良好的第3~5代BMSCs,制備單細(xì)胞懸液,調(diào)整細(xì)胞密度為1×104個(gè)/mL,接種于96孔板,將細(xì)胞按“2.1”項(xiàng)下分組,每組3個(gè)復(fù)孔,24 h后分別更換為不同濃度含藥血清繼續(xù)培養(yǎng),于培養(yǎng)12、24、36、48 h后每孔加CCK-8溶液10 μL,培養(yǎng)箱培養(yǎng)1 h,酶標(biāo)儀波長(zhǎng)450 nm處測(cè)定各孔細(xì)胞活力(OD值)。
BMSCs以5×104/mL密度接種于6孔板,將細(xì)胞按“2.1”項(xiàng)下分組,每組3個(gè)復(fù)孔,待細(xì)胞貼壁后,更換為含相應(yīng)血清的BMSCs成骨誘導(dǎo)分化培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng),每隔3 d更換1次培養(yǎng)基,誘導(dǎo)7 d后,PBS洗滌,加入40 g/L多聚甲醛溶液2 mL固定30 min,PBS洗滌,每孔加入ALP溶液1 mL充分反應(yīng),顯微鏡下觀察。成骨誘導(dǎo)14 d后,按照上述方法固定和清洗BMSCs,加入1 mL茜素紅染色液反應(yīng)15 min,PBS沖洗,觀察鈣鹽沉積。
BMSCs以5×104個(gè)/mL接種至6孔板中,將細(xì)胞按“2.1”項(xiàng)下分組,每組3個(gè)復(fù)孔,待細(xì)胞融合達(dá)到80%時(shí),更換為含相應(yīng)血清的BMSCs成脂誘導(dǎo)分化培養(yǎng)基A液培養(yǎng)3 d,換為含相應(yīng)血清的成脂誘導(dǎo)分化培養(yǎng)基B液培養(yǎng)1 d,再次更換為培養(yǎng)基A液誘導(dǎo),如此循環(huán)誘導(dǎo)14 d,PBS 輕柔洗滌,加入多聚甲醛溶液固定30 min,PBS沖洗2遍,每孔加入油紅O溶液2 mL,室溫染色30 min,顯微鏡下觀察染色效果。
將BMSCs 以5×104個(gè)/mL 接種于6 孔板中,按“2.1”項(xiàng)下分組,每組3個(gè)復(fù)孔,待細(xì)胞貼壁后,分別加入相應(yīng)含藥血清培養(yǎng)基2 mL,置于培養(yǎng)箱培養(yǎng)3、5、7 d。按照試劑盒說(shuō)明書抽提細(xì)胞中的RNA,紫外分光光度計(jì)測(cè)定濃度,根據(jù)PCR擴(kuò)增體系和反應(yīng)條件進(jìn)行擴(kuò)增,利用RUNX2、Osx、C/EBPα、PPARγ引物進(jìn)行PCR,以GAPDH為內(nèi)參,2-ΔΔCt法計(jì)算各基因相對(duì)表達(dá)量。引物由上海新貝生物科技有限公司合成,引物序列見(jiàn)表1。
表1 各基因PCR引物序列
將BMSCs按“2.6”項(xiàng)下方法處理后,PBS清洗3次,加入RIPA和PMSF混合液200 μL,裂解10 min提取總蛋白,BCA蛋白試劑盒檢測(cè)蛋白濃度,12%凝膠電泳分離等量蛋白,轉(zhuǎn)移到PVDF膜上,用5%脫脂牛奶封閉2 h,滴加GAPDH一抗(1∶2 000)、RUNX2一抗(1∶300)、Osx一抗(1∶1 000)、C/EBPα一抗(1∶1 000)、PPARγ一抗(1∶1 000)、LRP5一抗(1∶1 000)、β-catenin 一抗(1∶1 000),4 ℃孵育過(guò)夜,TBST洗滌3次,孵育相應(yīng)二抗,利用Image J軟件對(duì)條帶進(jìn)行分析,并計(jì)算目的蛋白相對(duì)表達(dá)量。
采用SPSS22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。計(jì)量資料以±s表示,符合正態(tài)分布及方差齊性,多組間比較采用方差分析,兩組間比較采用t檢驗(yàn);不滿足正態(tài)分布使用非參數(shù)檢驗(yàn)。P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
BMSCs首次換液后呈梭形或多角形分布,7 d左右可長(zhǎng)滿培養(yǎng)瓶。傳至第3代,細(xì)胞生長(zhǎng)速度加快,為較均一的長(zhǎng)梭形,聚集生長(zhǎng),呈有方向性的魚群狀,細(xì)胞形態(tài)均勻。見(jiàn)圖1。
圖1 BMSCs形態(tài)學(xué)特征(×40)
在一定濃度范圍內(nèi),復(fù)方補(bǔ)腎活血顆??商岣連MSCs細(xì)胞活力,其中以中劑量組作用最明顯,36 h達(dá)到高峰,說(shuō)明復(fù)方補(bǔ)腎活血顆粒提高細(xì)胞活力不僅與劑量有關(guān),也與作用時(shí)間有關(guān)。見(jiàn)圖2。
圖2 各組BMSCs細(xì)胞活力比較(±s,n=3)
成骨誘導(dǎo)分化7 d后,與空白組比較,低、中、高劑量組BMSCs ALP染色加深,其中以高劑量組顏色最深,陽(yáng)性染色面積最大,顯微鏡下可見(jiàn)無(wú)規(guī)則的形態(tài)變化,局部有一定的細(xì)胞聚集,并有大量鈣化結(jié)節(jié)。見(jiàn)圖3。成骨誘導(dǎo)分化14 d 后,與空白組比較,低、中、高劑量組BMSCs染色加深,橘紅色沉淀增多,說(shuō)明礦化結(jié)節(jié)增加。見(jiàn)圖4。
圖3 各組BMSCs形態(tài)(ALP染色,×40)
圖4 各組BMSCs形態(tài)(茜素紅染色,×40)
成脂誘導(dǎo)分化14 d后,BMSCs形態(tài)呈圓形或不規(guī)則形,其油脂可被油紅O染為紅色。與空白組比較,低、中、高劑量組BMSCs顏色逐漸變淺,表明脂滴數(shù)量逐漸減少,其中以高劑量組脂滴減少最為明顯。見(jiàn)圖5。
圖5 各組BMSCs形態(tài)(油紅O染色,×40)
與空白組比較,低、中、高劑量組BMSCs培養(yǎng)3、5、7 d后,成骨相關(guān)因子RUNX2和Osx mRNA表達(dá)升高,成脂相關(guān)因子C/EBPα和PPARγ mRNA表達(dá)降低,除3 d低劑量組Osx、RUNX2、PPARγ,3 d中劑量組Osx、RUNX2和5 d低、中劑量組RUNX2外,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05,P<0.01,P<0.001)。見(jiàn)圖6。
圖6 各組BMSCs不同時(shí)點(diǎn)RUNX2、Osx、C/EBPα、PPARγ mRNA表達(dá)比較(±s)
與空白組比較,低、中、高劑量組BMSCs培養(yǎng)3、5、7 d 后RUNX2 和Osx 蛋白表達(dá)升高,C/EBPα 和PPARγ蛋白表達(dá)降低,其中高劑量組差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05,P<0.01,P<0.001)。見(jiàn)表2、表3、圖7。
圖7 各組BMSCs不同時(shí)點(diǎn)RUNX2、Osx、C/EBPα、PPARγ蛋白免疫印跡
表2 各組BMSCs不同時(shí)點(diǎn)RUNX2、Osx蛋白表達(dá)比較(±s)
表2 各組BMSCs不同時(shí)點(diǎn)RUNX2、Osx蛋白表達(dá)比較(±s)
注:與空白組同一時(shí)點(diǎn)比較,*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001
組別空白組低劑量組中劑量組高劑量組n 3 3 3 3 3 d 5 d 7 d Osx 0.84±0.01 0.91±0.01 0.94±0.02 1.30±0.09**RUNX2 0.76±0.02 0.91±0.02 1.28±0.53 1.27±0.05 Osx 0.73±0.03 0.83±0.03**0.84±0.01**1.28±0.05***RUNX2 0.82±0.03 0.90±0.02*0.96±0.02 1.15±0.05**Osx 0.73±0.01 0.84±0.03*1.10±0.05**1.20±0.03**RUNX2 0.68±0.01 0.79±0.05*0.87±0.02*1.21±0.01**
表3 各組BMSCs不同時(shí)點(diǎn)C/EBPα、PPARγ蛋白表達(dá)比較(±s)
表3 各組BMSCs不同時(shí)點(diǎn)C/EBPα、PPARγ蛋白表達(dá)比較(±s)
注:與空白組同一時(shí)點(diǎn)比較,*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001
組別空白組低劑量組中劑量組高劑量組n 3 3 3 3 3 d 5 d 7 d PPARγC/EBPαPPARγC/EBPαPPARγ 1.09±0.10 0.91±0.03*0.73±0.04***0.50±0.26***C/EBPα 1.20±0.01 0.98±0.02***0.52±0.03***0.49±0.04***0.80±0.60 0.96±0.02 0.74±0.07 0.60±0.05 0.94±0.07 0.68±0.12**0.70±0.01*0.57±0.02***1.08±0.10 0.82±0.10**0.57±0.03**0.48±0.01***1.21±0.10 0.81±0.02***0.60±0.01***0.56±0.02***
Western blot 檢測(cè)培養(yǎng)3、7 d 后LRP5、β-catenin蛋白表達(dá)。結(jié)果顯示,與空白組比較,中、高劑量組LRP5蛋白表達(dá)顯著升高,各組β-catenin蛋白表達(dá)均顯著升高(P<0.05,P<0.001),見(jiàn)圖8、圖9。
圖9 各組BMSCs不同時(shí)點(diǎn)LRP5、β-catenin蛋白表達(dá)比較(±s)
OP導(dǎo)致的脆性骨折帶來(lái)的嚴(yán)重并發(fā)癥具有較高的致殘率和病死率,在很大程度上威脅患者的生活質(zhì)量和身心健康[13]。OP屬中醫(yī)學(xué)“骨痿”“骨枯”范疇,腎主骨、生髓,骨之強(qiáng)健,非骨髓之滋養(yǎng)不可,即“腎充則髓實(shí)”。腎的精氣盛衰對(duì)骨代謝的影響極為重要,腎虛精虧為OP核心病機(jī)[14]。多項(xiàng)臨床及實(shí)驗(yàn)研究顯示,中藥復(fù)方在治療OP方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[15-16]。復(fù)方補(bǔ)腎活血顆粒中淫羊藿、川牛膝入腎經(jīng),具有補(bǔ)腎精、固筋骨作用;黃芪、牡蠣、首烏藤歸肝、腎經(jīng),可補(bǔ)諸虛不足,具有補(bǔ)虛、益氣、通脈功效;白芍緩急止痛。BMSCs在OP發(fā)展過(guò)程中扮演重要角色,正常狀態(tài)下,成骨-成脂分化處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),當(dāng)代謝平衡被打破后,會(huì)造成骨代謝紊亂,進(jìn)而引發(fā)OP等骨代謝疾病[17-18]。研究發(fā)現(xiàn),大部分OP 患者表現(xiàn)為BMSCs成骨分化能力減弱、成脂分化能力增強(qiáng)[19-20]。促進(jìn)BMSCs向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化,降低成脂細(xì)胞比例,對(duì)于改善骨-脂代謝,延緩OP進(jìn)程具有重大意義。本研究以復(fù)方補(bǔ)腎活血顆粒含藥血清干預(yù)體外培養(yǎng)的BMSCs,觀察其對(duì)BMSCs增殖及成骨、成脂分化的影響,明確復(fù)方補(bǔ)腎活血顆粒發(fā)揮作用的機(jī)制。
ALP作為早期成骨標(biāo)志物,通過(guò)水解各種類型的磷酸鹽促進(jìn)細(xì)胞成熟,在成骨分化過(guò)程中能夠促進(jìn)細(xì)胞鈣化;茜素紅染色對(duì)成骨分化晚期鈣結(jié)節(jié)的數(shù)量具有指示作用。二者均能直接反映成骨分化程度[21]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,復(fù)方補(bǔ)腎活血顆粒含藥血清能明顯促進(jìn)BMSCs鈣化,形成鈣結(jié)節(jié)。油紅O染色結(jié)果表明,復(fù)方補(bǔ)腎活血顆粒含藥血清能顯著降低BMSCs脂質(zhì)沉積,抑制BMSCs成脂分化能力。促進(jìn)BMSCs向成骨細(xì)胞或成脂細(xì)胞分化的關(guān)鍵因素是提高與特異性細(xì)胞類型有關(guān)的基因表達(dá),啟動(dòng)和促進(jìn)特異性細(xì)胞類型的分化[22]。RUNX2在BMSCs轉(zhuǎn)化為成骨細(xì)胞的過(guò)程中起關(guān)鍵作用,可促進(jìn)BMSCs成骨分化,抑制BMSCs成脂分化,RUNX2缺失導(dǎo)致BMSCs無(wú)法分化為成骨細(xì)胞[23]。Osx 是BMSCs 成骨分化的另一重要轉(zhuǎn)錄因子,在RUNX2下游起作用,且可被RUNX2激活[24]。PPARγ不僅在脂肪細(xì)胞分化中起重要作用,而且對(duì)成骨相關(guān)因子RUNX2有負(fù)向調(diào)節(jié)作用,對(duì)骨形成有一定抑制作用[25]。C/EBPα作為PPARγ下游,其激活后能協(xié)同PPARγ發(fā)揮作用,調(diào)控多種成脂蛋白[26]。在成脂過(guò)程中,PPARγ和C/EBPα表達(dá)升高。通過(guò)在BMSCs分化的不同時(shí)點(diǎn)驗(yàn)證復(fù)方補(bǔ)腎活血顆粒含藥血清的作用,發(fā)現(xiàn)復(fù)方補(bǔ)腎活血顆粒含藥血清能促進(jìn)BMSCs分化不同階段的RUNX2和Osx表達(dá)。此外,干預(yù)后成脂分化關(guān)鍵因子PPARγ和C/EBPα表達(dá)降低,進(jìn)一步表明復(fù)方補(bǔ)腎活血顆粒含藥血清促進(jìn)成骨分化、抑制成脂分化的藥效作用。
Wnt通路激活后,Wnt配體與LRP5/6受體結(jié)合,導(dǎo)致GSK-3β活性被抑制,進(jìn)一步激活β-catenin,活化的β-catenin進(jìn)入細(xì)胞核與核轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合,形成復(fù)合體,刺激下游相關(guān)基因表達(dá)。研究表明,Wnt/β-catenin信號(hào)通路激活后促進(jìn)BMSCs成骨分化,抑制成脂分化[27],其關(guān)鍵分子β-catenin缺失會(huì)導(dǎo)致BMSCs成骨分化能力減弱,從而導(dǎo)致OP發(fā)生[28-29]。因此,通過(guò)檢測(cè)Wnt/β-catenin信號(hào)通路關(guān)鍵蛋白LRP5和β-catenin表達(dá),發(fā)現(xiàn)復(fù)方補(bǔ)腎活血顆粒含藥血清可顯著上調(diào)LRP5和β-catenin蛋白表達(dá),提示復(fù)方補(bǔ)腎活血顆??赡芡ㄟ^(guò)激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)BMSCs成骨分化。但考慮到中藥復(fù)方藥材的多樣性及化學(xué)成分的復(fù)雜性,其干預(yù)疾病的途徑及靶點(diǎn)并非單一,因此本研究結(jié)果仍需進(jìn)一步探討。