陳 靖, 鄭 琦, 陳 薇, 賴瑞敏, 朱月永
(福建醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院肝病中心,福建醫(yī)科大學肝病研究所,福建福州350005)
肝纖維化(hepatic fibrosis,HF)是肝臟受到各種致病因素(包括病毒、酒精、代謝及免疫等)持續(xù)刺激,引起細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)彌漫性過度沉積的一種“創(chuàng)傷愈合”修復過程。HF 是各種慢性肝病進展為肝硬化甚至肝癌的關(guān)鍵步驟,也是影響預后的重要環(huán)節(jié)。HF 的形成機制復雜,除了針對某些肝病的病因治療以外,迄今仍無有效或公認的抗HF 治療方法用于臨床。研究顯示,HF 及少部分肝硬化加以干預后從組織學上是可逆轉(zhuǎn)的[1]。
肌成纖維細胞(myofibroblast,MFB)是各種慢性肝損傷過程中產(chǎn)生ECM 的主要細胞,目前肝星狀細胞(hepatic stellate cells,HSCs)仍是各種臨床和實驗性 HF 模型中 MFB 的主要來源[2]。HSCs 活化后轉(zhuǎn)化為具有纖維性和明顯收縮性的MFB,并分泌大量趨化因子和細胞因子,這一病理生理變化被認為是HF發(fā)生與發(fā)展的中心環(huán)節(jié)[3]。細胞自噬是一種細胞自我吞噬的程序性死亡,在許多纖維化疾病及腫瘤的病理過程中起著關(guān)鍵作用。異常的自噬活動會導致HF 的發(fā)生,其主要途徑是促進HSCs 的活化和增殖[4],但目前尚不清楚HSCs 自噬是如何被觸發(fā)的。微小RNA(microRNAs)是一類內(nèi)源性非編碼RNA,具有調(diào)控靶基因表達的功能,參與生命過程中一系列重要進程(如細胞分化、增殖、死亡等)[5]。表達異常的microRNAs 可以通過RNA 干擾途徑影響自噬水平,使microRNAs成為近年來自噬研究的新動向[6]。
microRNAs 對HF 的發(fā)病過程也起著重要的調(diào)節(jié)作用,若干microRNAs 可調(diào)控參與HF 形成的細胞因子,或通過調(diào)控HSCs 的活化、增殖和凋亡等,促進或減緩HF進程[7-8]。我們前期研究顯示,慢性乙型肝炎患者血清與肝組織中microRNA-181a 表達水平隨HF程度加重而逐漸增高,高峰出現(xiàn)在III期HF(肝硬化前期)患者中[9]。因此,本研究通過四氯化碳(carbon tetrachloride,CCl4)建立大鼠 HF 模型,并在體外誘導自噬以及在細胞水平進行干預實驗,探討microRNA-181a 是否通過調(diào)控自噬而活化HSCs,以期為早期評估HF 提供潛在的生物標志物,并為以microRNA-181a為靶點的抗纖維化治療提供參考資料。
SPF 級雄性 Wistar 大 鼠 40 只,8 周齡,體重(200±10)g,購自上海斯萊克實驗動物有限公司,許可證號為SCXK(滬)2017-0005。大鼠肝星狀細胞系HSC-T6(ATCC細胞庫,貨號Y-01626)。
CCl4、轉(zhuǎn)化生長因子β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)、3-甲基腺嘌呤(3-methyladenine,3-MA)、MTT 和DTT(Sigma);逆轉(zhuǎn)錄試劑盒和SYBR Premix EX Taq 試劑盒(TaKaRa);兔抗鼠β-actin 單克隆抗體(Santa Cruz);辣根過氧化物酶標記的羊抗兔II 抗和羊抗鼠 II 抗及TGF-β1 ELISA 試劑盒(北京中杉金橋公司);PVDF 膜(Millipore);Protein Molecular Weight Marker 和 Trizol 試劑盒(Thermo);蛋白定量檢測試劑盒和 Protease Inhibitor Cocktail(Life);RPMI-1640 培養(yǎng)基、Lipofectamine 3000(Invitrogen);LC3-I、LC3-II、beclin-1 和 α-平滑肌肌動蛋白(αsmooth muscle actin,α-SMA)單克隆抗體(Abcam);I型膠原(collagen type I,Col I)及Ⅲ型膠原(collagen type Ⅲ,Col Ⅲ)單克隆抗體(Santa Cruz);其他生化試劑均為國產(chǎn)分析純。microRNA-181a inhibitor(microRNA-181a-i)和 inhibitor negative control(NC-i)由中國上海吉凱公司提供;microRNA-181a 和U6 引物的設(shè)計與合成由中國上海博尚公司完成,見表1。
3.1 動物分組及HF 模型制備 以單純CCl4法誘導大鼠 HF 模型[10]。40 只大鼠適應性喂養(yǎng) 1 周后,隨機分為空白對照(control)組和 CCl4誘導 HF 模型 2 周(W2)、4 周(W4)、6 周(W6)及 8 周(W8)組,每組 8只。control 組皮下注射3 mL/kg 的橄欖油;W2、W4、W6 及 W8 組皮下注射 3 mL/kg 的 40%CCl4(4∶6 混合橄欖油),每周2 次,分別連續(xù)作用2、4、6 及8 周;各組于飼養(yǎng)周期末處死存活大鼠,經(jīng)腹主動脈取血,分離血清后-70℃冰箱保存;取肝左葉相同部位組織,經(jīng)4%多聚甲醛固定送病理及免疫組化檢查,另取肝右葉相同部位組織,液氮冷凍后-70℃冰箱保存。
表1 RT-qPCR引物序列Table 1.Sequences of the primers for RT-qPCR
3.2 肝組織Masson 染色及纖維化評估 大鼠肝組織石蠟包埋后常規(guī)脫蠟至水,加Masson 復合液5 min,流水洗2~5 min,加0.2%醋酸處理1 min×2,流水洗1 min,加1%磷鎢酸5~10 min,流水洗1 min,加亮綠染色液復染15 min,流水洗2~3 min,0.2%醋酸處理1 min×2,流水洗1~2 min,常規(guī)脫水透明,中性樹膠封片,鏡下觀察:肝細胞胞漿呈紅色,膠原呈藍綠色。取Masson 染色切片,每個切片隨機取5 個視野(物鏡×10),以藍色膠原沉積為陽性信號,用Image-Pro Plus 5.0 圖像分析軟件計算膠原容積分數(shù)(collagen volume fraction,CVF)。
3.3 ELISA 檢測血清及肝組織中TGF-β1 水平 根據(jù)ELISA 試劑盒說明書檢測大鼠血清及肝組織中TGF-β1含量。
3.4 RT-qPCR 檢測血清及肝組織中microRNA-181a的表達 參照Trizol 試劑盒說明書提取大鼠血清及肝組織總RNA,按照說明書逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA;參照SYBR Premix EX Taq 試劑盒操作說明進行qPCR,總反應體積為20 μL,擴增參數(shù)為:95℃ 5 min;95℃15 s,60℃ 30 s,72℃ 30 s。以 U6 為內(nèi)參照,以 2-ΔΔCt法計算microRNA-181a的相對表達水平。
3.5 Western blot 法檢測肝組織 LC3-II/-I、beclin-1、α-SMA、Col I 和Col III 蛋白表達 取大鼠肝組織加組織裂解液進行勻漿,加等體積2× SDS,充分振搖15 s,沸水浴中加熱 10 min,4℃、12 000×g離心 10 min,取上清液,10% SDS-PAGE 分離 2~3 h,半干式轉(zhuǎn)膜 1 h,將 PVDF 膜置于含 3%BSA 的 TBST 中,室溫放置30 min;按說明書加抗LC3-II、LC3-I、beclin-1、α-SMA、Col I 和Col III 抗體,4℃孵育過夜,次日用TBST洗膜5 min×3 次,加相應的II 抗(1∶5 000),37℃孵育1.5 h,TBST 洗膜5 min×3 次,曝光,凝膠成像分析系統(tǒng)分析。以β-actin為內(nèi)參照,以目的蛋白吸光度(A)值/β-actinA值表示目的蛋白水平。
3.6 不同濃度TGF-β1 誘導HSC-T6 細胞自噬 以TGF-β1誘導HSC-T6細胞自噬[11]。HSC-T6細胞接種于 6 孔培養(yǎng)板(2×104cells/well),第 2 天更換無血清RPMI-1640 培養(yǎng)液,置于37℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h,予TGF-β1 梯度處理,終濃度依次為0、1、2、5 和10 μg/L,每個濃度設(shè)5 個復孔,繼續(xù)孵育24 h 后收集細胞,進行后續(xù)檢測。
3.7 細胞分組及培養(yǎng) HSC-T6 細胞接種于6 孔培養(yǎng)板(2 ×104cells/well),至細胞達40%~60%匯合度時分為5 組:(1)control 組,采用正常細胞培養(yǎng);(2)microRNA-181a-i組及NC-i組,按脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染試劑Lipofectamine 3000 操作說明書并參考文獻[12],分別轉(zhuǎn)染濃度為 50 nmol/L 的 microRNA-181a-i 和 NC-i 4 h;(3)TGF-β1組,更換無血清RPMI-1640培養(yǎng)液;(4)3-MA 組,參考文獻[13]加濃度為 10 mmol/L 的 3-MA 孵育45 min。除control組外,其余各組均加TGF-β1(根據(jù)3.6 篩選的最佳濃度)繼續(xù)孵育24 h。每組設(shè)5 個復孔,同步收集細胞進行后續(xù)檢測。
3.8 RT-qPCR 檢 測 HSC-T6 細 胞 microRNA-181a 表達 參照Trizol 試劑盒說明書提取HSC-T6 細胞總RNA,其他步驟參見血清及肝組織RT-qPCR檢測法。
3.9 Western blot 法檢測 HSC-T6 細胞 LC3-II/-I、beclin-1、α-SMA、Col I 和 Col Ⅲ蛋白表達 HSC-T6 細胞干預完成后,棄細胞培養(yǎng)基,加TBS(2 mL/well)漂洗1 次,將6 孔培養(yǎng)板于濾紙上輕拍2~3 次后置于冰板上,加入熱裂解緩沖液1× SDS(300 μL/well),細胞刷刮動數(shù)次,將細胞裂解液移至1.5 mL 的EP 管,沸水浴中加熱10 min,12 000×g離心10 min,取上清液至新的EP 管,-70℃保存待測。其他步驟參見肝組織Western blot法檢測。
采用SPSS 17.0 軟件進行統(tǒng)計分析。數(shù)據(jù)均以均數(shù)±標準差(mean±SD)表示。多組間比較采用單因素方差分析,兩兩比較采用LSD 法;兩變量間相關(guān)分析采用Spearman 相關(guān)分析。以P<0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。
Masson染色顯示,control組肝小葉結(jié)構(gòu)規(guī)則,肝細胞以中央靜脈為中心呈放射狀規(guī)則排列,組織間隙中未見到藍綠色組織;W2 組肝小葉結(jié)構(gòu)較規(guī)則,肝細胞以中央靜脈為中心呈放射狀較規(guī)則排列,組織間隙中可見少量藍綠色組織;W4 和W6 組肝小葉結(jié)構(gòu)不規(guī)則,肝細胞于中央靜脈周圍不呈放射狀排列,組織間隙中可見中等量藍綠色組織;W8 組肝小葉結(jié)構(gòu)紊亂,組織間隙中可見大量藍綠色組織,見圖1A。肝組織膠原分析結(jié)果顯示,CCl4可呈時間依賴性促進肝組織膠原沉積,與control 組相比,W2 組肝組織CVF 顯著增加(P<0.05),W4、W6 和W 8 組肝組織CVF進一步增加(P<0.01),見圖1B。
Figure 1.Liver pathological changes induced by CCl4 for 2~8 weeks in rats.Masson staining method was used to show the collagen fibrils in liver tissue(scale bar=25 μm),and the volume fraction of collagen was analyzed.a:control group;b:W2 group;c:W4 group;d:W6 group;e:W8 group.Mean±SD. n=8. *P<0.05,**P<0.01 vs control group.圖1 CCl4誘導的大鼠肝臟組織病理學改變
ELISA 結(jié)果顯示,CCl4呈時間依賴性地促進大鼠血清及肝組織中TGF-β1 含量增加。與control 組相比,W2 組大鼠血清及肝組織中TGF-β1 水平均顯著增加(P<0.05);W4、W6 和W8 組進一步增加(P<0.01),見表2。
表2 CCl4對大鼠血清及肝組織中TGF-β1水平的影響Table 2.The effects of CCl4 on the protein levels of TGF-β1 in serum and liver tissue of rats(Mean±SD. n=8)
RT-qPCR 與 Western blot 結(jié)果顯示,CCl4呈時間依賴性地上調(diào)大鼠肝組織microRNA-181a 表達水平以及LC3-II/-I 比值、beclin-1、α-SMA、Col I 和Col III 蛋白水平。與control組相比,W2組肝臟組織中microRNA-181a 表達水平及LC3-II/-I 比值、beclin-1、α-SMA、Col I 和Col III 水平均顯著增加(P<0.05);W8 組 microRNA-181a 表達水平較W6 組下降,但并無顯著差異;W8 組 LC3-II/-I 比值及 beclin-1 水平較 W6 組顯著下降(P<0.01),見圖2。大鼠肝組織microRNA-181a表達水平與 LC3-II/-I 比值、beclin-1、α-SMA、Col I 和Col Ⅲ水平呈顯著正相關(guān)(P<0.01),r值分別為0.748、0.539、0.724、0.829及0.836。
Western blot 與RT-qPCR 檢測結(jié)果分別顯示:TGF-β1 呈濃度依賴性地促進HSC-T6 細胞自噬相關(guān)蛋白LC3-II/-I 比值、beclin-1 水平以及microRNA-181a 表達水平上調(diào);與 TGF-β1 0 μg/L 處理組相比,TGF-β1 1、2、5 和 10 μg/L 處理組LC3-II/-I 比值和beclin-1水平以及microRNA-181a表達水平均顯著增加(P<0.05);與 TGF-β1 5 μg/L 處理組相比,TGF-β1 10 μg/L 處理組 LC3-II/-I 比值和 beclin-1(P<0.05)水平顯著下降,但microRNA-181a 表達水平并無顯著性差異,見圖3。因此,本研究以5 μg/L 為TGF-β1誘導HSC-T6細胞自噬的最佳濃度進行后續(xù)實驗。
Figure 2.The effects of CCl4 on the expression of microRNA-181a,LC3-II/-I,beclin-1,α-SMA,Col I and Col III in rat liver tissue.A:RT-qPCR was used to measure the microRNA-181a level;B:Western blot was used to measure the expression levels of LC3-II/-I,beclin-1,α-SMA,Col I and Col III.Mean±SD. n=8. *P<0.05 vs control group;▲▲P<0.01 vs W6 group.圖2 CCl4對大鼠肝臟組織中microRNA-181a表達水平及LC3-II/-I、beclin-1、α-SMA、Col I和Col Ⅲ蛋白水平的影響
RT-qPCR 檢測結(jié)果顯示,與control 組相比,TGF-β1 組和 NC-i 組 HSC-T6 細胞 microRNA-181a 表達水平均顯著升高(P<0.01),microRNA-181a-i 組microRNA-181a 水平較 NC-i 組顯著下降(P<0.01),NC-i 組和 3-MA 組較 TGF-β1 組并無顯著差異,見圖4A。Western blot 檢測結(jié)果顯示,與control 組相比,TGF-β1組和NC-i組HSC-T6細胞LC3-II/-I比值和beclin-1水平均顯著升高(P<0.01),NC-i組LC3-II/-I比值和beclin-1 水平較TGF-β1 組并無顯著差異,microRNA-181a-i 組 LC3-II/-I 比值和 beclin-1 水平均較NC-i 組顯著下降(P<0.01),microRNA-181a-i 組LC3-II/-I 比值較 3-MA 組顯著下降(P<0.05),但 beclin-1水平并無顯著差異,見圖4B。
Western blot 檢測結(jié)果顯示,與control 組相比,TGF-β1 組和 NC-i 組 HSC-T6 細胞 α-SMA、Col I 及 ColⅢ水平均顯著升高(P<0.01),但 TGF-β1 組與 NC-i組間均無顯著差異;與NC-i組相比,microRNA-181a-i組及 3-MA 組 HSC-T6 細胞 α-SMA、Col I 及 Col Ⅲ水平均顯著下降(P<0.01),但microRNA-181a-i 組與3-MA組間并無顯著差異,見圖5。
Figure 3.The effects of different concentrations of TGF-β1 on the expression of LC3-II/-I,beclin-1 and microRNA-181a in HSC-T6 cells detected by Western blot and RT-qPCR.Mean±SD. n=5. *P<0.05 vs 0 μg/L group;#P<0.05 vs 5 μg/L group.圖3 不同濃度 TGF-β1 對HSC-T6 細胞LC3-II/-I 和 beclin-1蛋白水平及microRNA-181a表達水平的影響
Figure 4.The effect of microRNA-181a-i on the expression of LC3-II/-I,beclin-1 and microRNA-181a in HSC-T6 cells treated with TGF-β1(5 μg/L).A:RT-qPCR was used to measure microRNA-181a expression;B:Western blot was used to measure the protein levels of LC3-II/-I and beclin-1.Mean±SD. n=5.**P<0.01 vs control group;△△P<0.01 vs NC-i group;☆P<0.05 vs microRNA-181a-i group.圖4 microRNA-181a-i對TGF-β1誘導HSC-T6細胞自噬和microRNA-181a表達水平的影響
Figure 5.The effects of microRNA-181a-i on activation of HSC-T6 cells treated with TGF-β1(5 μg/L).Western blot was used to measure the protein levels of α-SMA,Col I and Col Ⅲ.Mean±SD. n=5.##P<0.01 vs control group;**P<0.01 vs NC-i group.圖5 microRNA-181a-i對TGF-β1誘導HSC-T6細胞活化的影響
HF 的形成是一個多因素影響、多細胞因子參與的極為復雜的病理生理過程,個體化差異也較大,臨床針對病因治療并不能完全抑制肝臟炎癥和治療HF。近年來研究表明,碧蘿芷通過下調(diào)ERK 磷酸化介導的細胞自噬,可抑制TGF-β1 誘導的HSCs 活化[14]。在CCl4和膽管結(jié)扎誘導小鼠HF 模型的研究中表明,槲皮素[15]與紅景天甙[16]可通過抑制TGF-β1/Smads 信號通路,抑制HSCs 自噬及活化,減輕小鼠HF。然而,在以抑制HSCs 活化為中心的抗HF 治療方面,除了經(jīng)典的致HF 信號轉(zhuǎn)導途徑外,包括自噬和表觀遺傳在內(nèi)新的機制與通路的研究并不多。
本研究通過皮下注射CCl4構(gòu)建大鼠HF 模型,病理組織學檢查結(jié)果顯示模型組大鼠肝組織均出現(xiàn)不同程度HF,并與造模時間呈正相關(guān),提示大鼠HF 模型成功復制。此外,模型組大鼠肝組織TGF-β1 和microRNA-181a 的表達水平、自噬標志性蛋白LC3-II/-I 的比值及beclin-1 的水平均隨HF 程度加重而呈上升趨勢,且microRNA-181a 表達水平與細胞自噬呈正相關(guān),提示在HF啟動及進展過程中,TGF-β1和microRNA-181a 表達與肝細胞自噬之間可能存在某種病理、生理上相關(guān)聯(lián)的機制,值得進一步探討。
目前普遍認為,TGF-β 是強效的致纖維化細胞因子,在纖維化的啟動和進展中起關(guān)鍵作用[17]。人體內(nèi) TGF-β1 為 TGF-β 超家族主要成員,可在肝臟炎癥前期、炎癥及炎癥后階段通過“三步級聯(lián)反應”刺激HSCs活化并轉(zhuǎn)化成MFB[18],后者能大量合成ECM并逐漸沉積,啟動HF 進程。在此進程中涉及多條信號通路并相互影響。以往研究顯示,TGF-β/Smads信號轉(zhuǎn)導為 TGF-β1 刺激 HSCs 活化的主要通路[19]。近年來有研究顯示,HSCs 活化依賴于自噬活性,活化的HSCs 大量增殖并產(chǎn)生大量膠原纖維時,也需要通過自噬降解過程來提供能量[20]。另有報道,TGF-β通過不同途徑參與了肝癌細胞、乳腺癌細胞、腎小球基底膜細胞及成骨細胞等的自噬調(diào)控[21]。然而,TGF-β1 是否基于自噬促進HSCs 活化少有報道。本研究體外實驗顯示,TGF-β1 呈濃度依賴性地促進HSC-T6 自噬標志性蛋白LC3-II/-I 比值及beclin-1 水平增高,α-SMA、Col I和Col Ⅲ蛋白水平也顯著增高,提示TGF-β1 能體外誘導HSCs 自噬及活化,這一結(jié)果與王冰瑩等[22]報道結(jié)論較為一致。本研究顯示,TGF-β1 體外誘導 HSCs 自噬最佳濃度為 5 μg/L,當TGF-β1 濃度增加至 10 μg/L 時 HSCs 自噬相對下降,提示TGF-β1 僅在一定濃度范圍誘導HSCs 自噬,這與 Fu 等[11]報道的現(xiàn)象較為一致,但 TGF-β1 體外誘導HSCs 自噬的最佳濃度有差異,推測這可能與本研究以LC3-II/-I 比值而非LC3-II 抗體表達水平作為評估細胞自噬強弱有關(guān)。此外,本研究顯示,在CCl4誘導大鼠嚴重HF 時TGF-β1 表達進一步升高,但細胞自噬有所減少,而高峰出現(xiàn)在嚴重HF 前期,提示在肝臟炎癥前期與炎癥期針對細胞自噬的調(diào)控可能為防治HF進展的合適時間窗。
研究顯示,HSC-T6 細胞經(jīng) TGF-β1 處理后 microRNA-181a 表達顯著上調(diào),進而誘導HSC-T6 細胞活化[12]。以往有報道顯示,microRNA-181a能減弱饑餓和雷帕霉素在乳腺癌MCF-7細胞、人類肝癌Huh-7細胞及慢性髓原白血病K562 細胞中誘導的自噬[23];還能調(diào)控NR8383 大鼠肺泡巨噬細胞自噬紊亂與促炎因子生成[24]。然而,不同類型細胞的自噬在肝損傷及HF 過程中扮演不同角色,microRNA-181a 是否通過調(diào)控HSC自噬進而誘導其活化尚未見報道。本研究顯示,TGF-β1 體外誘導 HSC-T6 自噬及活化時伴有microRNA-181a 表達顯著上調(diào);在轉(zhuǎn)染microRNA-181a-i 后 microRNA-181a 表達顯著下降,HSC-T6自噬及活化顯著受到抑制,這一現(xiàn)象與自噬抑制劑3-MA 作用結(jié)果相似。據(jù)此,我們推測microRNA-181a 為 TGF-β1 下游信號分子,介導了 HSCs 自噬及活化,這可能是TGF-β1 促進HSCs 活化在表觀遺傳的一種調(diào)控機制。
綜上所述,隨著CCl4誘導模型大鼠HF 的進展,大鼠肝組織中TGF-β1和microRNA-181a表達及自噬水平呈同步增高;下調(diào)HSC-T6 細胞microRNA-181a表達水平可抑制TGF-β1 誘導HSC-T6 細胞自噬與活化;大鼠 HF 與 microRNA-181a 調(diào)控 HSCs 自噬有關(guān)。本研究可能為基于microRNA-181a水平調(diào)控HSCs自噬和活化,以及抗HF靶點治療提供實驗基礎(chǔ)。