金茹娜,郭 紅,徐 靜,2,杜霄燁,2,張 騰,2,陳 瑜,2**
(1. 上海中醫(yī)藥大學附屬岳陽中西醫(yī)結合醫(yī)院 上海 200437;2. 上海市中醫(yī)藥研究院中西醫(yī)結合臨床研究所上海 200437;3. 上海中醫(yī)藥大學岳陽臨床醫(yī)學院 上海 201210)
新生血管性視網(wǎng)膜疾病是多種視網(wǎng)膜疾病致盲的主要原因之一,包括早產(chǎn)兒視網(wǎng)膜病變、增殖性糖尿病視網(wǎng)膜病變等,可以導致嚴重的視力下降甚至致盲[1,2]。流行病學調查結果顯示,在2010年全球約有18.47 萬早產(chǎn)嬰兒發(fā)生早產(chǎn)兒視網(wǎng)膜病變,其中有2 萬人失明或嚴重視力受損,還有1.23 萬人中度視力障礙[3];在國際糖尿病聯(lián)盟(IDF)最新發(fā)布的全球第八版糖尿病地圖中顯示,2017年全球糖尿病成人患者已達4.25億[4],而一項關于2015年-2018年全球糖尿病性視網(wǎng)膜病變的調查結果顯示,患病率為27%[5]。
視網(wǎng)膜新生血管(Retinal neovascularization,RNV)的形成是新生血管性視網(wǎng)膜病變重要的病理環(huán)節(jié)之一,也是致盲的主要原因。在視網(wǎng)膜缺血缺氧等病理情況下,RNV 形成將起到不良作用[6-7],如血管通透性增加,導致組織水腫,或引起大量出血,嚴重影響視功能。關于RNV 的治療,目前視網(wǎng)膜激光光凝和玻璃體腔注射抗VEGF 藥物在臨床的應用最為廣泛,但是存在視野缺損、視網(wǎng)膜色素上皮撕裂、加速視網(wǎng)膜下纖維化增生、誘導黃斑萎縮、以及光感受器細胞(主要是視錐細胞)的變性等缺陷[8-10],這不得不讓我們思考治療新生血管性視網(wǎng)膜病變的其他干預方法。
三七是我國傳統(tǒng)的名貴藥材,為五加科人參屬植物三七(Panax notoginseng(Burkill) F.H. Chen)的干燥根和根莖,具有散瘀止血、消腫定痛的功效[17],是傳統(tǒng)的活血化瘀藥物,在治療眼底出血性疾病時,具有止血而不留瘀的特點。含有三七或其組分的復方血栓通膠囊、血塞通注射液,以及三七粉等均在眼科臨床廣泛使用,對于新生血管性視網(wǎng)膜疾病有較好的療效,但其作用機制尚缺乏系統(tǒng)的實驗研究?,F(xiàn)代藥理研究表明,三七總皂苷(Panax notoginseng saponins,PNS)是三七公認的主要有效成分之一,課題組成員在前期關于PNS 及其組分的藥理學研究中發(fā)現(xiàn),PNS 具有抗氧化[11]、抗炎、抗動脈粥樣硬化[12]、雙向調節(jié)腫瘤及心肌缺血血管新生[13]、改善心肌缺血和抑制腫瘤生長的雙重作用[14],以及在光損傷視網(wǎng)膜小鼠模型中,PNS可顯著抑制光損傷小鼠視網(wǎng)膜的氧化應激及炎癥反應,對光損傷小鼠視網(wǎng)膜光感受器細胞具有保護作用[15]。因此本研究對PNS干預新生血管性視網(wǎng)膜病變的效應和機制進行研究,以期為三七應用于相關眼底病的治療提供部分科學的實驗和理論依據(jù)。
SPF 級C57BL/6J 新生幼鼠購自于上海市斯萊克實驗動物有限公司,記錄新生幼鼠天齡,以出生當天記為P0,至P21期間小鼠與母鼠同籠。
三七總皂苷(純度≥98%):上海泛亞生物醫(yī)藥集團;復方托吡卡胺滴眼液(美多麗):參天制藥株式會社;羥丙基甲基纖維素:Sigma-Aldrich;熒光素鈉(F6377-100G):Sigma-Aldrich;甲醛:上海國藥集團化學試劑有限公司;OCT 冰凍切片包埋劑:Sakura;GFAP抗體:DAKO;PBS:Gibco。
動物富氧(缺氧)箱(XBS-02B,艾普儀器),小動物視網(wǎng)膜成像顯微鏡(Micron IV,Phoenix Research Laboratories,Lnc),全視網(wǎng)膜眼電圖Ganzfeld ERG 系統(tǒng)(Micron IV,Phoenix Research Laboratories,Lnc),冰凍切片機(CM3050S,LEICA),微量紫外分廣告光度計(BIOSPEC-NANO (230 V),SNIMADZU BIOTECH),PCR 定量測試儀(22331 Hamburg,Eppendorf),實時熒光定量分析儀(Light Cycler 480 Ⅱ,Roche Diagnostics)。
2.1.1 分組方法
將P7 的小鼠根據(jù)體質量隨機分為正常對照組(NC 組),氧誘導視網(wǎng)膜病變模型組(OIR 組),三七總皂苷治療組(PNS組)。
2.1.2 給藥方法
P12小鼠從回到正??諝鈺r開始給藥。在預初實驗中,根據(jù)血塞通注射液的臨床使用劑量換算小鼠給藥劑量,PNS 組設計了50 mg·kg-1、100 mg·kg-1和150 mg·kg-13 個濃度梯度給藥,視網(wǎng)膜血管滲漏結果提示50 mg·kg-1和150 mg·kg-1給藥劑量無效,故本研究PNS組按照PNS 100 mg·kg-1的劑量,使用0.9%氯化鈉注射液溶解,腹腔注射給藥,注射量為第1周50μL/只,第2周60μL/只,第3周70μL/只;NC組和OIR組給予等量0.9%氯化鈉注射液腹腔注射。根據(jù)實驗需要,給藥1周或3周不等。
將P7 的OIR 組和PNS 組小鼠同母鼠放置于動物富氧箱,接入醫(yī)用氧氣,控制含氧體積分數(shù)為75% ±2%,溫度維持在23℃,共放置5天,其中更換母鼠1次,至P12 時,將小鼠和母鼠一同放回正??諝獾氖覂蕊曫B(yǎng)。
2.3.1 血管滲漏的圖像采集和滲漏面積的測量
將P19 小鼠麻醉和散瞳后,0.25%羥丙基甲基纖維素溶液點左眼保護角膜,腹腔注射熒光素鈉(按5μL·g-1,總量不超過50μL)并開始計時。小動物視網(wǎng)膜成像顯微鏡進行視網(wǎng)膜血管拍照,采集時確保每只小鼠視乳頭位于圖像中心,視網(wǎng)膜淺層大血管成像清晰,于10 min 時采集并保存圖像。采用Image J 軟件,沿熒光素鈉滲漏圖像邊緣繪制不規(guī)則圖形,并自動生成圖形面積,單位換算為mm2,可用于統(tǒng)計分析。
2.3.2 視網(wǎng)膜動脈迂曲的圖像采集和視網(wǎng)膜動脈迂曲指數(shù)的測量
將P33 小鼠麻醉和散瞳后,0.25%羥丙基甲基纖維素溶液點左眼保護角膜,腹腔注射熒光素鈉(按5μL/g,總量不超過50μL)。小動物視網(wǎng)膜成像顯微鏡進行視網(wǎng)膜血管拍照,采集時確保每只小鼠視網(wǎng)膜淺層大血管成像清晰,保留寬度最大的靜脈周圍伴行的動脈長度≥300 μm。參考相關文獻報道[16],采用MATLAB 軟 件,打 開QUANGT BV 程 序(從www.QuantBV.com 下載),運行“Vessel_Tortuosity.m”文件,選取需要測量的視網(wǎng)膜血管照片中與寬度最大的靜脈伴行的一根動脈,從視乳頭邊緣開始沿動脈走行畫點。根據(jù)該程序的說明書,NC 組采集長度大約(175±25)μm,OIR 組和PNS 組采集長度大約為(275±25)μm,視網(wǎng)膜動脈迂曲度指數(shù)(Retinal artery tortuosityindex,RAT index)為血管實際長度(即沿血管走行畫點的總長度)與線性距離(及第一個點與最后一個點的直線距離)的比值,該比值可用于統(tǒng)計分析。
2.3.3 視網(wǎng)膜電圖的波形采集和振幅測量
P30 小鼠放置于暗室內3 天,P33 小鼠在暗室內進行ERG 的波形采集,將小鼠麻醉和散瞳后,0.25%羥丙基甲基纖維素溶液點左眼保護角膜,將小鼠放置于有加熱墊的操作臺上,在小鼠雙眼之間的中央處皮膚表皮下插入紅色金屬絲電極,黑色接地電極插于小鼠尾部表皮下,采用全視網(wǎng)膜眼電圖Ganzfeld ERG 系統(tǒng)進行ERG 圖像采集(表1),利用該系統(tǒng)內軟件自動分析,得到每個刺激強度a 波和b 波的平均振幅用于統(tǒng)計分析。
表1 視網(wǎng)膜電圖刺激強度與間隔時間
2.3.4 小鼠眼杯制作和免疫熒光染色
P46 和P66 小鼠脫頸處死,取左眼眼球(保留視神經(jīng)),10xPBS 溶液清洗后放于4%甲醛溶液固定30 min,在顯微鏡下用眼科顯微剪沿角膜緣一周剪除角膜,輕輕取出晶狀體后所保留的部分即為眼杯。梯度蔗糖脫水,OCT 包埋眼杯(注意視神經(jīng)保持在水平方向),液氮速凍,轉入-80℃冰箱保存。冰凍組織切片約10μm,用免疫熒光染色法觀察GFAP 的表達情況。采用正置熒光顯微鏡,從視乳頭開始拍照保存,每側拍取3張。
2.3.5 小鼠視網(wǎng)膜取材和相關細胞因子的mRNA檢測
P13和P15小鼠脫頸處死,取左眼眼球,0.9%氯化鈉注射液清洗眼球表面殘留血液,顯微鏡下用顯微剪將角膜剪開,寬度約為晶狀體直徑大小,取出晶狀體,輕輕擠出視網(wǎng)膜,將視網(wǎng)膜放入裝有500μL Trizol 的RNase free EP 管中,存放于-80℃冰箱。采用Real Time-PCR 檢測VEGFA(血管內皮生長因子A)、VEcadherin(血管內皮細胞鈣粘蛋白)、TNF-α(腫瘤壞死因子-α)、IL-1β(白介素-1β)的mRNA表達(表2)。
表2 引物序列表
采用SPSS 22.0 軟件進行統(tǒng)計分析,實驗數(shù)據(jù)以“均數(shù)±標準誤”表示,使用獨立樣本T 檢驗比較兩組間差異,以P<0.05作為差異有統(tǒng)計學意義的標準。
有研究發(fā)現(xiàn),OIR 小鼠過低的體質量與視網(wǎng)膜病變嚴重程度密切相關[19],因此本課題選取P7、P12、P19、P26和P33五個時間點,測量3組小鼠體質量變化情況,以此來評價PNS 干預效應是否與小鼠體質量有關(圖1)。NC 組、OIR 組和PNS 組的小鼠在生長發(fā)育中不同天齡的體質量均無統(tǒng)計學差異(P>0.05)。結果顯示,PNS 對于OIR 小鼠生長發(fā)育中的體質量變化無明顯影響,提示本課題在評價PNS 的干預效應時可排除小鼠體質量的影響。
圖1 3組小鼠不同天齡體質量的比較
正常小鼠在出生后視網(wǎng)膜血管發(fā)生仍在持續(xù),而OIR 小鼠視網(wǎng)膜血管因相對缺氧,促使大量新生血管生成,但此時的新生血管是否與正常血管功能相同?因此,本實驗在早期缺氧時,即P12 開始給藥1 周,于P19 活體進行視網(wǎng)膜血管造影(圖2A),P19 小鼠腹腔注射熒光素鈉后到10 min 時,NC 組小鼠視網(wǎng)膜血管幾乎無熒光素鈉滲漏,OIR 組小鼠視網(wǎng)膜血管熒光素鈉滲漏明顯,PNS 組P19 小鼠經(jīng)過給藥1 周,視網(wǎng)膜血管雖出現(xiàn)熒光素滲漏,但滲漏面積明顯小于OIR 組。將3 組小鼠視網(wǎng)膜滲漏熒光素鈉的面積定量分析(圖2B),OIR 組滲漏面積與NC 組相比有統(tǒng)計學差異(P<0.05);PNS 組滲漏面積與OIR 組相比有統(tǒng)計學差異(P<0.05)。本實驗結果顯示,PNS組小鼠視網(wǎng)膜血管熒光素滲漏面積顯著小于OIR 組,提示PNS 具有顯著抑制P19 OIR小鼠視網(wǎng)膜血管滲漏的效應。
圖2 P19三組小鼠視網(wǎng)膜血管滲漏的比較
圖3 P33三組小鼠視網(wǎng)膜動脈迂曲程度的比較
課題組在進行P19小鼠的視網(wǎng)膜血管造影實驗中發(fā)現(xiàn),除血管滲漏外,還可見OIR 小鼠視網(wǎng)膜動脈迂曲明顯,該病理改變是否持續(xù)到血管修復完成,而PNS是否對其具有干預效應?因此,在給藥3 周后,將P33小鼠再次進行活體視網(wǎng)膜血管造影圖像采集(圖3A),P33 小鼠腹腔注射熒光素鈉后,NC 組小鼠視網(wǎng)膜動脈走形筆直,OIR 組小鼠視網(wǎng)膜動脈迂曲明顯,PNS 組小鼠經(jīng)過給藥3 周,視網(wǎng)膜動脈雖有迂曲,但明顯優(yōu)于OIR 組。在所采集的視網(wǎng)膜血管造影圖像中,選取需要測量的視網(wǎng)膜血管照片中與寬度最大的靜脈伴行的一根動脈,從視乳頭邊緣開始沿動脈走行畫點,應用數(shù)學軟件MATLAB 運行QUANGT BV 程序,獲得RAT index 用于統(tǒng)計分析(圖3B),OIR 組RAT index 為與NC 組相比有統(tǒng)計學差異(P<0.05);PNS 組與OIR組相比有統(tǒng)計學差異(P<0.05)。實驗結果顯示,PNS組小鼠視網(wǎng)膜動脈迂曲指數(shù)顯著小于OIR 組,提示PNS具有顯著改善視網(wǎng)膜動脈迂曲度的效應。
視網(wǎng)膜電圖的波形可以反映出視網(wǎng)膜神經(jīng)元傳導功能,所測得的波形主要由負向的a 波和正向的b波組成,其中a 波所反映的是視網(wǎng)膜一級神經(jīng)元即光感受器細胞的功能,而b 波所反應的是視網(wǎng)膜二級神經(jīng)元即雙極細胞的功能。3 組小鼠所采集到的波形圖顯示(圖4A),P33 時3 組小鼠的a 波隨著刺激強度的增大,其振幅也隨之增大,3 組之間波形相近,提示氧誘導視網(wǎng)膜病變小鼠的一級神經(jīng)元功能未受到損傷。NC 組小鼠b 波隨著刺激強度的增大,其振幅隨之增大,而OIR 組的b 波在各刺激強度下,振幅明顯小于NC 組,且隨著刺激強度的增大,b 波振幅增加不明顯;PNS 組小鼠b 波與NC 組相近,即隨著刺激強度增大,其振幅也隨之增大,且在不同刺激強度下,b波振幅均明顯大于OIR組。
圖4 P33三組小鼠視網(wǎng)膜電圖的比較
將3 組小鼠ERG 中的a 波在不同刺激強度下的振幅分別予以定量,OIR 組a 波振幅與NC 組相比無統(tǒng)計學差異(P>0.05);PNS 組a 波振幅與OIR 組相比亦無統(tǒng)計學差異(P>0.05)(圖4B)。實驗結果提示氧誘導視網(wǎng)膜病變小鼠一級神經(jīng)元未受到損傷。
將3組小鼠ERG 中的b波在不同刺激強度下的振幅分別予以定量。在刺激強度為0.4 log cd·s·m-2和1.6 log cd·s·m-2時,OIR 組b 波振幅與NC 組相比有統(tǒng)計學差異(P<0.05);PNS 組b 波振幅與OIR 組相比有統(tǒng)計學差異(P<0.05)(圖4C)。實驗結果提示,氧誘導視網(wǎng)膜病變小鼠二級神經(jīng)元受到損傷,而PNS 具有顯著改善視網(wǎng)膜二級神經(jīng)元功能的效應。
圖5 P46和P66三組小鼠視網(wǎng)膜GFAP表達的比較
P46 和P66 小鼠OIR 組的視網(wǎng)膜Müller 細胞胞體粗大,并可達內核層(Inner nuclear layer,INL)和外核層(Outer nuclear layer,ONL),GFAP 免疫陽性明顯增強;PNS 組和NC 組相近,未見Müller 細胞GFAP 免疫陽性(圖5)。實驗結果提示,PNS 具有顯著抑制視網(wǎng)膜Müller細胞反應性膠質增生的效應。
VEGF 家族在血管通透性及血管新生中有著重要的調節(jié)作用,其中,VEGFA 是最重要的血管內皮生長因子,特異性表達在血管內皮上;而血管內皮細胞屏障功能的發(fā)揮主要依賴內皮細胞間的連接,其中VEcadherin 是血管內皮細胞所特有的,專一表達在血管內皮細胞表面,主要連接內皮與內皮細胞,在調節(jié)血管通透性中起重要作用。此外,炎癥因子在血管通透性和血管新生中也起到關鍵的作用。P13 和P15 OIR組小鼠視網(wǎng)膜VEGFA mRNA 表達水平均顯著高于NC組(P<0.05),而PNS 組與OIR 組相比無明顯差異(P>0.05),提示PNS 對VEGFA 的mRNA 水平無明顯干預作用;P13 和P15 OIR 組小鼠視網(wǎng)膜VE-cadherin mRNA 表達水平均顯著低于NC 組(P<0.05),而P15 PNS 組顯著高于OIR 組(P<0.05),提示PNS 可顯著上調OIR 小鼠視網(wǎng)膜VE-cadherin 的mRNA 水平,可能與其抑制血管滲漏有關;P13 和P15 的NC 組小鼠視網(wǎng)膜TNF-α在real-time PCR 檢測中無明顯擴增,而PNS組小鼠視網(wǎng)膜TNF-αmRNA 表達水平均顯著低于OIR 組(P<0.05),提示PNS 可以顯著下調OIR 小鼠視網(wǎng)膜TNF-α的mRNA 水平,是PNS 抑制視網(wǎng)新生血管相關炎癥反應的效應,同時可能是PNS 降低血管滲透性的分子機制之一,亦可能部分參與PNS 上調VEcadherin 的效應;P13 和P15 OIR 組小鼠視網(wǎng)膜IL-1βmRNA 水平顯著高于NC 組(P<0.05),但PNS 組與OIR 組相比無統(tǒng)計學差異(P>0.05),提示此時的炎癥反應激活了IL-1β參與,但PNS并未通過干預IL-1β發(fā)揮抗炎作用(圖6)。
新生血管性視網(wǎng)膜病變在中醫(yī)學中無對應的病名,但根據(jù)其臨床表現(xiàn),可歸屬“視瞻昏渺”“暴盲”“消渴目病”等范疇,是眼科血證,主要表現(xiàn)為眼內視衣絡損瘀阻或血溢脈外,多為血瘀或瘀血之癥,因此歷代醫(yī)家多以活血化瘀為總的治療原則。三七具有止血而不留瘀的特點,是治療眼底出血性疾病的常用中藥之一。三七總皂苷是三七的主要成分之一,其相關制劑常用于眼底出血性疾病的治療,深入探討其干預視網(wǎng)膜新生血管的作用機制有助于三七及三七皂苷制劑在眼科臨床科學合理的應用。
神經(jīng)血管單元概念在2001年美國國家神經(jīng)疾病和中風研究所的中風進展評論組會議上被正式提出[21],近年來在視網(wǎng)膜新生血管性疾病的研究中受到越來越多的關注。缺血、缺氧、高糖等病理情況可引起視網(wǎng)膜血管的滲漏或者出血,破壞神經(jīng)血管單元穩(wěn)態(tài),從而影響視網(wǎng)膜正常的細胞信號傳導,同時在相關細胞因子的作用下,促進新生血管生成,或可導致突觸變性和神經(jīng)元凋亡以及視功能受損[21]。因此,基于視網(wǎng)膜血管、神經(jīng)元、膠質細胞等神經(jīng)血管單元的整體研究,有助于闡釋中藥多靶點的治療效應。本研究結果提示PNS 可顯著抑制OIR 小鼠視網(wǎng)膜血管滲漏、降低視網(wǎng)膜動脈迂曲度、保護視網(wǎng)膜神經(jīng)元功能、抑制Müller細胞反應性膠質增生,從血管滲漏、動脈形態(tài)、視網(wǎng)膜神經(jīng)元功能和神經(jīng)膠質細胞的反應性改變等方面進一步闡釋了PNS 對視網(wǎng)膜神經(jīng)血管單元的保護效應,為PNS 多靶點干預視網(wǎng)膜新生血管的優(yōu)勢效應提供了新的實驗依據(jù)。
圖6 P13和P15三組小鼠視網(wǎng)膜VEGFA、VE-cadherin、TNF-α、IL-1βmRNA表達比較
在OIR 小鼠模型中,缺氧誘發(fā)的視網(wǎng)膜血管新生的病理學特征之一是血管滲漏,是后續(xù)整個病理過程的始動因素,因此結合這一部分的實驗結果,我們進一步對參與這一早期病理改變的相關基因的mRNA表達水平進行研究。VE-cadherin 是經(jīng)典鈣粘蛋白超家族的成員,是內皮細胞細胞間粘附連接的重要組分,在調節(jié)血管通透性中發(fā)揮重要作用[22]。有研究表明,缺血缺氧可激活相關的細胞因子,包括VEGF,使VE-cadherin 磷酸化,導致血管的通透性增加,破壞血視網(wǎng)膜內屏障,引起血管滲漏[23,24]。本課題研究結果表明,P13 和P15 的OIR 小鼠視網(wǎng)膜中VE-cadherin 的mRNA 水平顯著下調,提示OIR 小鼠視網(wǎng)膜血管滲漏可 能 與VE-cadherin 有 關,而PNS 組 在P15 時,VEcadherin 的mRNA 水平顯著上調,提示PNS 顯著抑制血管滲漏的效應可能與上調該基因的表達,使得內皮細胞粘附連接增強有關。
此外,炎癥因子TNF-α可誘導VE-cadherin 及其結合配偶體β-catenin,plakoglobin 和p120 的酪氨酸磷酸化[25];TNF-α還可引起VE-cadherin 轉錄水平下調[26],且這一機制與其誘導血管高滲透性的效應相關。本研究結果表明,TNF-α在正常視網(wǎng)膜中無明顯擴增,僅表達在OIR及PNS小鼠視網(wǎng)膜中,而PNS組TNFα表達水平顯著低于OIR組,提示PNS具有抑制視網(wǎng)新生血管相關炎癥反應的效應,同時亦可能是其上調VE-cadherin、減輕血管高滲透性的分子機制之一。
值得注意的是,VEGF 家族是調控血管生成及血管通透性的重要分子,其中VEGFA 是最重要的血管內皮生長因子。本研究結果表明P13 和P15 OIR 組小鼠視網(wǎng)膜VEGFA mRNA 表達水平均顯著高于NC 組,而PNS 組與OIR 組相比無明顯差異。此外,在OIR 小鼠視網(wǎng)膜中,炎癥因子IL-1βmRNA 水平顯著上調,但PNS 組與OIR 組相比無明顯差異,表明IL-1β參與視網(wǎng)膜炎癥反應,但PNS 并未通過干預IL-1β發(fā)揮抗炎作用。上述研究進一步提示PNS 在調控血管滲透性及視網(wǎng)膜炎癥等重要病理過程中對VE-cadherin 及TNF-α表達的選擇性作用,深入的分子機制有待進一步的研究。
綜上所述,本研究基于缺氧誘導的視網(wǎng)膜病變,首次揭示了PNS 干預視網(wǎng)膜新生血管相關神經(jīng)血管單元異常的效應,提示了其緩解視網(wǎng)膜新生血管滲漏及相關視網(wǎng)膜炎癥的可能分子機制,為三七皂苷及相關制劑臨床應用于相關視網(wǎng)膜微血管病變的防治提供了新的實驗依據(jù)。