馬有剛,康峰光,徐如林,徐 蘭,蔡安平,曾繁芳,黎勵文,麥煒頤
(1.中山大學附屬第一醫(yī)院心血管內(nèi)科//國家衛(wèi)生健康委員會輔助循環(huán)重點實驗室(中山大學),廣東廣州 510080;2.廣州中醫(yī)藥大學順德醫(yī)院心血管內(nèi)科,廣東佛山 528300;3.廣東省人民醫(yī)院心血管內(nèi)科,廣東廣州 510080;4.中國醫(yī)學科學院阜外醫(yī)院深圳醫(yī)院心血管內(nèi)科,廣東深圳 518057)
冠狀動脈阻塞引起的持續(xù)性缺血可引起心肌梗死(myocardial infarction,MI),進而導致心肌纖維化(cardiac fibrosis,CF)并最終進展為心力衰竭(heart failure,HF)。盡管通過溶栓治療或直接經(jīng)皮冠狀動脈介入治療(primary percutaneous coronary intervention,PPCI)及時進行再灌注,但仍有相當多的患者進展為HF 甚至死亡[1]。因此,涉及再灌注預后相關的研究可以進一步使這些人群受益。先前的研究表明心肌組織內(nèi)血管的內(nèi)皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(endothelial-mesenchymal transition,EndMT)可能參與MI及CF的發(fā)生、發(fā)展[2-4]。當缺血性微環(huán)境改變后,心組織內(nèi)的血管內(nèi)皮細胞可能會經(jīng)歷EndMT并離開微血管床進入間質(zhì),在那里它們分化為成纖維細胞,從而在血管周圍區(qū)域產(chǎn)生大量的細胞外基質(zhì),導致心臟微血管功能障礙,進而減少其血液供應。盡管適度的EndMT有助于MI后肉芽組織的形成參與心臟修復,但過量的纖維疤痕也會導致心室重構(gòu)和HF。在EndMT 期間,血管內(nèi)皮細胞會失去其特定的內(nèi)皮標記物,如血小板內(nèi)皮細胞粘附分子(platelet endothelial cell adhesion molecule,PECAM/CD31),獲得包括平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA)在內(nèi)的間質(zhì)標記物[5-6]。中醫(yī)藥在心血管疾病防治中具有一定作用,其中復方丹參滴丸(compound Danshen dripping pills,CDDP)于1994 年獲得中國食品藥品監(jiān)督管理局批準用于治療缺血性心絞痛。研究表明,CDDP 可以通過改善心功能、預防心肌缺血和凋亡、減少心肌損傷和纖維化從而產(chǎn)生心血管保護作用[7]。在體內(nèi)心肌缺血-再灌注(myocardial ischemia reperfusion,MIR)模型中,CDDP 可以減輕心的微循環(huán)障礙和心肌損傷、減少MIR 損傷并改善心肌纖維化[8-10]。早期的研究發(fā)現(xiàn)CDDP可以保護血管內(nèi)皮細胞[11-12]。由于EndMT 參與MI 及CF 的發(fā)生發(fā)展過程,因此,我們推測在冠狀動脈阻塞導致的MIR 中,CDDP 可能通過保護心組織內(nèi)的血管內(nèi)皮細胞進而抑制過度EndMT的發(fā)生而發(fā)揮上述心血管保護作用。因此,在這項研究中,我們探討了MIR 后不同劑量CDDP對心功能的影響,進而研究其對CF的作用,及在心肌微血管EndMT這一病理過程的作用。
小動物呼吸機(上海繼德器械),生理信號采集和處理系統(tǒng)(四川成都儀器),體溫維持儀(上海玉研儀器),動物手術器械包(深圳瑞沃德生命科技),小動物氣體麻醉機(深圳瑞沃德生命科技),小動物超聲成像系統(tǒng)(加拿大FUJIFILM VisualSonics),組織處理系統(tǒng)(美國Thermo Scientific),石蠟包埋系統(tǒng)及切片系統(tǒng)(德國Leica Biosystems),熒光及明場掃描系統(tǒng)(奧地利Taborstrasse),化學發(fā)光成像系統(tǒng)(美國ProteinSimple),復方丹參滴丸(天津天士力醫(yī)藥集團有限公司提供),戊巴比妥鈉(山東西亞試劑),Western 細胞裂解液及PMSF、SDS-PAGE 試劑盒(上海碧云天生物),ECL 底物(美國Thermo Scientific),HE 染色及Masson 三色染色試劑盒(武漢賽維爾生物),PVDF 膜(德國Merck KGaA),兔抗大鼠α-SMA(英國Abcam),兔抗大鼠CD31(英國Abcam),兔抗大鼠GAPDH(杭州華安生物),山羊抗兔二抗(美國Jackson ImmunoResearch),山羊抗小鼠二抗(美國Thermofisher),免疫熒光抗體α-SMA(美國Affinity),免疫熒光抗體CD31(英國Abcam),Alexa Fluor 488偶聯(lián)二抗(美國Life Technologies)。
該研究已獲得廣州永諾生物動物中心實驗動物福利與倫理委員會的批準,倫理編號為IACUCG16033。所有實驗動物均按照National Research Council 實驗動物養(yǎng)護和使用指南(2011 版)進行相應處置。40 只8 周齡雄性SD 大鼠,體質(zhì)量(250±20)g,購自濟南朋悅實驗動物育種有限公司。所有實驗動物均在溫度為(25±2)°C、晝夜周期為12 h、相對濕度為(50±10)%的SPF 動物房飼養(yǎng)。將CDDPs 藥丸溶于生理鹽水中配制成不同劑量溶液,使用前充分混勻。大鼠在手術前被隨機分為以下5 組:假手術組(等量生理鹽水灌胃),心肌缺血-再灌注模型組分為對照組(等量生理鹽水灌胃)及CDDP 低、中、高劑量組(分別給予40、80、120 mg·kg-1·d-1CDDP灌胃)。所有動物從術后第2天灌胃給藥,持續(xù)4周。
按照我們既往的方法建立MIR 模型[13]。大鼠在7 d 的適應性飼養(yǎng)和檢疫后,腹腔注射戊巴比妥鈉(40~50 mg/kg)進行麻醉。夾趾反應確保麻醉后進行氣管插管,設置呼吸機參數(shù)使其與麻醉大鼠的呼吸頻率同步,然后將氣管插管連接至呼吸機。手術前,使用生理信號收集和處理系統(tǒng)記錄大鼠心電圖。經(jīng)胸骨左緣第3 肋間隙開胸,7-0 絲線結(jié)扎左冠狀動脈前降支(LAD)。45 min 后,松開結(jié)扎線進行再灌注。假手術組僅開胸,并在相應部位穿線但不結(jié)扎LAD。手術后,繼續(xù)對大鼠進行15 min的心電監(jiān)測,并將其置于30℃的加熱墊上直至蘇醒。
5%異氟烷吸入預麻醉大鼠,待動物麻醉后迅速轉(zhuǎn)移到Vevo?3100 小動物超聲成像系統(tǒng)的加熱墊,并以1-2%的異氟烷維持麻醉。剃除左前胸的皮毛,涂抹少量超聲耦合劑,然后使用MX250 超聲探頭(頻率18~25 MHz)測量胸骨旁左心室短軸切面(乳頭肌水平)和心室長軸切面的M 模式圖像。通過多普勒超聲測量二尖瓣E 波及A 波的峰流速(單位cm/s)和其比值(E/A ratio)評估心臟舒張功能。所有圖像均以原始格式(DICOM)進行保存,并使用FUJIFILM VisualSonics 的配套軟件包VevoLAB 3.0獲取超聲數(shù)據(jù)。
10%水合氯醛麻醉大鼠,固定四肢后開胸,獲取鼠心,去除心耳及血管組織,并將其橫切為兩部分。心底1/2 組織使用液氮速凍,隨后轉(zhuǎn)移至-80 ℃冰箱進行后續(xù)實驗。心尖1/2組織固定于40 g/L多聚甲醛,第2天轉(zhuǎn)移至70%乙醇溶液中,然后使用組織處理系統(tǒng)Excelsior?AS 進行梯度乙醇脫水、二甲苯透明及液體石蠟浸蠟,隨后通過石蠟包埋系統(tǒng)HistoCore Arcadia 進行包埋留待后續(xù)形態(tài)學及病理學實驗。動物尸體按照中山大學動物倫理及福利規(guī)定統(tǒng)一進行無害化處理。
將包埋的鼠心組織在石蠟切片系統(tǒng)以5 μm 連續(xù)切片,然后按照試劑盒說明進行HE 染色及Masson三色染色。石蠟切片脫蠟至水,HE 染色依次進行蘇木素染色3~5 min,自來水沖洗,分化液分化3 s,自來水沖洗,返藍液返藍約3 s,自來水沖洗,85%和95%乙醇依次脫水各4 min,伊紅染液4~5 min,無水乙醇脫水3次每次4~5 min,正丁醇透明4~5 min,二甲苯透明兩次每次2~4 min,中性樹膠封片。Masson 染色依次進行Masson A 液15 h,65℃烤箱加熱30 min,自來水沖洗,Masson B 液及C 液混合染色1 min,自來水沖洗,1%鹽酸酒精分化1 min,自來水沖洗,Masson D 液浸染6 min,快速水洗,Masson E 液浸染約1 min,Masson F 液浸染8 s~15 s,1%冰醋酸漂洗分化3 次每次8 s,無水乙醇脫水3次每次4~5 min,二甲苯透明兩次每次2~4 min,中性樹膠封片。所有玻片均通過熒光及明場掃描系統(tǒng)TissueFAXS PLUS 以200×進行掃描。Masson三色染色的膠原容積分數(shù)(collagen volume fraction,CVF)通過ImageJ(版本1.8.0)插件進行計算[14]。
石蠟切片脫蠟至水,二甲苯透明3 次,每次5 min,梯度酒精(無水、95%、75%)分別脫水5 min,TBS 沖洗3 次每次3 min。pH9.0 EDTA 高壓鍋抗原修復2 min,蒸餾水浸洗3 min。3% H2O2阻斷30 min,蒸餾水浸洗3 min,組畫筆畫圈后置于TBST,10%山羊血清室溫封閉30 min。棄去血清,每張玻片滴加CD31(1:800)約50 μL,4 ℃孵育過夜。次日,TBST 沖洗3 次玻片,每張玻片滴加50 μL HRP偶聯(lián)的山羊抗兔二抗(1:4 000),37 ℃孵育45 min,TBST 沖洗3 次每次5min。滴加50 μL CY3 工作液(1:200),室溫孵育10 min,TBST 浸洗3 次,每次5 min。pH6.0 檸檬酸抗原修復5 min,蒸餾水浸洗3 min。組畫筆畫圈后置于TBST,10%山羊血清室溫封閉30 min。棄去血清,每張玻片滴加α-SMA(1:200)約50 μL,4 ℃孵育過夜。第3 天,TBST 沖洗3 次玻片,每張玻片滴加50 μL Alexa Fluor488 偶聯(lián)的驢抗兔二抗(1:400),37 ℃孵育45 min,TBST浸洗3 次每次5 min。每張玻片滴加50 μL DAPI 工作液(1:500),避光染核5 min,TBST 沖洗。熒光封片劑封片,避光保存。所有玻片均通過熒光和明場掃描系統(tǒng)TissueFAXS PLUS 進行掃描,隨機采集CD31/α-SMA 陽性染色鼠心組織微血管的400×放大照片。使用ImageJ(版本1.8.0)測量α-SMA 的平均灰度值進行統(tǒng)計分析。
按照試劑說明書,使用細胞裂解液從約150 mg的梗死周邊心室組織中提取組織總蛋白。14 000×g離心取上清,混合加樣緩沖液,100 ℃煮沸10 min變性蛋白質(zhì)。將約50 μg 蛋白質(zhì)在5%~15%的SDS-PAGE中進行電泳,然后轉(zhuǎn)移到0.22 μm PVDF膜上,并在4℃下與CD31(1:1 000)、α-SMA(1:1 000)及GAPDH(1:5 000)孵育過夜。次日,使用TBST 清洗膜并與HRP 偶聯(lián)二抗(1:10 000)室溫孵育1 h,然后在膜上滴加ECL 底物并在化學發(fā)光成像系統(tǒng)FluorChem?E中進行曝光。蛋白質(zhì)條帶的積分光密度(Integrated Density,IntDen)使用ImageJ 軟件(版本1.8.0)進行測量,計算靶蛋白/內(nèi)參蛋白的IntDen 比值,然后將其余4 組比值/NS 組比值獲得IntDen 比值的倍數(shù)。每個靶蛋白均進行3 次重復實驗。
所有數(shù)據(jù)均以Mean±SEM 或Mean±SD 表示(在圖注中有詳細說明)。數(shù)據(jù)在Shapiro-Wilk 正態(tài)性檢驗后,各組定量資料都呈正態(tài)分布并且作方差齊性檢驗。方差齊資料用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行分析;反之用多組獨立樣本Kruskal-WallisH非參數(shù)檢驗進行統(tǒng)計分析,有統(tǒng)計學意義時使用Bonferroni法進行多重比較。P<0.05的被認為有統(tǒng)計學差異。所有統(tǒng)計分析均使用SPSS 26.0進行。
為了確保缺血-再灌注模型的穩(wěn)定性,所有動物均在術中進行心電監(jiān)測。如圖1 所示,心電監(jiān)測顯示結(jié)扎左冠狀動脈前降支后出現(xiàn)超急性期心肌缺血心電圖表現(xiàn),即T 波逐漸升高;數(shù)分鐘后出現(xiàn)急性期心肌缺血心電圖表現(xiàn),即ST 段抬高直至弓背向上;結(jié)扎30 min 時,心電圖出現(xiàn)寬而大的Q 波(即病理性Q 波)。45 min 后,松開結(jié)扎線進行再灌注,抬高的ST段逐漸恢復正常。
圖1 流程圖及代表性術中心電圖Fig.1 Flow diagram and representative electrocardiograms
為了研究CDDP 對缺血-再灌注大鼠心功能的作用,在干預終點進行了超聲心動圖。如圖2B 所示,超聲結(jié)果表明,與假手術組比較,NS 組左室射血分數(shù)(ejection fraction,EF)和短軸縮短率(fractional shortening,F(xiàn)S)顯著降低(分別為F=13.467、P=0.000;F=13.587、P=0.000),而左室舒張末期容積(left ventricular end-diastolic volume,LVEDV)及E/A 比率顯著升高(分別為F=11.333、P=0.001;F=17.590、P=0.000),差異有統(tǒng)計學意義(分別為PEF=0.000、PFS=0.000、PLVEDV=0.001 及PE/A=0.000)。而與NS 組相比,低、中、高劑量CDDP 可改善EF(分別為PL=0.015、PM=0.016、PH=0.008)及FS(分別為PL=0.022、PM=0.022、PH=0.012),減少了LVEDV(分別為PL=0.002、PM=0.011、PH=0.003)并降低了E/A 比率(分別為PL=0.154、PM=0.008、PH=0.005),差異有統(tǒng)計學意義。然而,不同劑量CDDP 組間差異沒有統(tǒng)計學意義(P>0.05)。
圖2 不同劑量復方丹參滴丸對缺血再灌注大鼠心功能的作用Fig.2 Effect of different doses of compound Danshen dripping pills on cardiac function in rats with ischemia-reperfusion
為了評估CDDP 對缺血-再灌注鼠心組織形態(tài)的作用,在干預終點進行了鼠心組織的HE 及Masson染色。HE 染色結(jié)果表明,假手術組心肌纖維規(guī)律排列,無斷裂及壞死性間隙,細胞核梭形或橢圓形。各模型組可見心肌壞死,肌纖維斷裂、溶解,肌間隙增大。如圖3C所示,Masson 染色結(jié)果表明,與假手術組比較,各試驗組均出現(xiàn)不同程度纖維化(F=22.753,P=0.000),差異有統(tǒng)計學意義(NS 組P=0.000,低、中、高劑量組分別P=0.003、0.002、0.001)。且不同劑量CDDP 組纖維化程度均較NS組降低,差異有統(tǒng)計學意義(低、中、高劑量組分別P=0.014、0.022、0.036)。然而,不同劑量CDDP 組間差異沒有統(tǒng)計學意義(P>0.05)。
為了評估CDDP 對缺血-再灌注鼠心微血管內(nèi)皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化的作用,在干預終點進行了鼠心微血管的CD31/α-SMA 免疫熒光染色。如圖4A 所示,CY3 標記的CD31(紅色熒光)作為血管內(nèi)皮細胞的標記物,而Alexa Fluor488 標記的α-SMA(綠色熒光)作為血管平滑肌細胞的標記物。圖4B 的α-SMA 免疫熒光半定量結(jié)果顯示,與假手術組比較,各實驗組間質(zhì)標記物α-SMA 的平均熒光強度(mean gray value,MGV)均顯著增強(F=88.232,P=0.000),差異有統(tǒng)計學意義(NS 組、中和高劑量組調(diào)整的顯著性分別PN=0.000、PM=0.000、PH=0.000)。而3 個CDDP 組MGV 均較NS 組顯著減弱(調(diào)整的顯著性分別PL=0.000、PM=0.001、PH=0.041),差異有統(tǒng)計學意義。組間比較結(jié)果顯示,高劑量組MGV 較低劑量組略增強(P=0.009),而另兩個CDDP 組間MGV 差異無統(tǒng)計學意義。
為了評估CDDP 對缺血-再灌注大鼠心室組織內(nèi)皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化的作用,進行了梗死周邊心室組織總蛋白的Western Blot。如圖5所示,數(shù)據(jù)以倍數(shù)表示,與假手術組比較,NS 組的CD31 表達顯著降低(0.76±0.02),而不同劑量CDDP 較NS 組顯著增加了CD31 的表達(低劑量組:1.06±0.03、中劑量組:1.26±0.04、高劑量組:1.26±0.03)。NS 組的α-SMA表達比假手術組顯著升高(1.25±0.01),而不同劑量CDDP 較NS 組顯著降低了α-SMA 的表達(低劑量組:0.91±0.01、中劑量組:0.79±0.01、高劑量組:0.83±0.01)。
本研究通過45min 的LAD 結(jié)扎隨后開放建立MIR 大鼠模型,然后給予不同劑量CDDP 灌胃治療4 周。結(jié)果表明,CDDP 可以改善大鼠再灌注后的心功能,改善再灌注后的鼠心微環(huán)境,減少心肌纖維化。
解剖學上,心主要有兩種內(nèi)皮細胞:心內(nèi)膜內(nèi)皮細胞(endocardial endothelial cells,EECs)和心臟血管的內(nèi)皮細胞(vascular endothelial cells,VECs),心臟中的VECs 主要存在于心室肌的致密層[15],構(gòu)成小、微血管的內(nèi)皮。在病理生理上,穩(wěn)定功能的血管對于維持和恢復缺血心肌的心功能是必不可少的[3]。當冠狀動脈阻塞導致心肌缺血后,VECs脫離血管內(nèi)皮層,然后經(jīng)EndMT 轉(zhuǎn)化為肌成纖維細胞,導致在血管周圍區(qū)域的間質(zhì)中生成大量細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM),從而產(chǎn)生內(nèi)皮功能顯著減弱的間質(zhì)細胞[16]。最后,微環(huán)境被破壞,這又進一步減少了已經(jīng)缺血心肌的血液供應。因此,保護VECs 并減輕EndMT 的程度可能對缺血再灌注的心臟有益。我們的研究結(jié)果表明,不同劑量的CDDP 均可以在一定程度上抑制鼠心微血管EndMT的發(fā)生,這表現(xiàn)為在鼠心微血管免疫熒光染色中間質(zhì)標記物α-SMA 表達的降低,和Western blot 檢測到梗死周邊心室組織中α-SMA 表達降低以及內(nèi)皮標記物CD31表達增加。EndMT本質(zhì)上參與了心肌纖維化的發(fā)展過程[17],因此纖維化程度也可以反映EndMT 的狀態(tài)。我們的數(shù)據(jù)表明,不同劑量CDDP 均可減少MIR 后的心肌纖維化,提示CDDP 可能通過減少心組織內(nèi)血管的EndMT 而減輕了MIR心臟的纖維化。
心肌發(fā)生梗死時,收縮性肌纖維丟失,導致收縮功能發(fā)生障礙。因心肌梗死引起的間質(zhì)水腫和心肌纖維化,使左室順應性受損進而影響其舒張功能。而過度的EndMT 導致大量ECM 在心肌細胞外沉積,破壞了正常的心組織結(jié)構(gòu),這也加劇了心肌纖維化的程度。我們的研究中,對照組的左室收縮功能障礙表現(xiàn)為EF 及FS 的顯著降低和LVEDV 的顯著升高,而舒張功能受損表現(xiàn)為E/A 的顯著升高。E/A 是體現(xiàn)舒張功能的指標,其在急性心肌缺血及心肌梗死模型中均升高[18]。CDDP 治療結(jié)果表明,其不同劑量在改善鼠心收縮功能的同時對舒張功能也具有一定的作用。因此,通過減少心組織內(nèi)血管的EndMT 及減輕由此導致的心肌纖維化,可在一定程度上改善缺血及梗死后心功能。
CDDP 是一種由丹參、三七和冰片組成的復方中成藥,它在中國已有20 多年的用藥歷史。2016年,Dantonic?(CDDP 的膠囊制劑)完成了美國食品藥品監(jiān)督管理局的Ⅲ期臨床試驗(ID:NCT01659580),Top-Line 分析報告顯示,Dantonic?可以顯著增加慢性穩(wěn)定型心絞痛患者的總體運動持續(xù)時間,并呈現(xiàn)劑量-效應關系。臨床上,CDDP的劑量為270mg 每日3 次。在本研究中,我們參考多項研究[9,19],同時根據(jù)Dantonic?Ⅱ期臨床試驗的每日劑量(低劑量組:250 mg/d,高劑量組:375 mg/d),然后計算人與大鼠之間的體表面積差異得出動物的劑量40、80、120 mg·kg-1·d-13 種劑量。我們的數(shù)據(jù)表明,CDDP 產(chǎn)生保護作用不完全呈現(xiàn)劑量依賴性??赡茉蛑皇怯捎谄鋸碗s的成分以及其在體內(nèi)多功能多靶標的特點。最近的一項研究對CDDP 組分丹參的主要成分丹酚酸A(salvianolic acid,SAA)進行了研究,結(jié)果表明SAA具有保護作用并減弱了缺氧誘導的人肺動脈內(nèi)皮細胞的EndMT[20]。這與我們研究的結(jié)果類似,提示CDDP 抑制心組織內(nèi)血管EndMT作用的主要成分可能是SAA。
當前冠狀動脈疾病是最常見的心血管疾病。對于急性MI 患者,至關重要的是盡快開通梗阻的罪犯血管。但是,在血運重建后,MI 的一些并發(fā)癥(例如“無復流”現(xiàn)象)仍然存在[21]。2018 年ESC/EACTS 指南建議,在血運重建后,應采取藥物治療和其他二級預防措施以及心臟康復策略,以降低心力衰竭來的發(fā)病率、死亡率并進一步改善癥狀。一項早期的中國臨床研究用心肌聲學造影檢查了120 例接受或不接受2 個月CDDP 的PCI 患者的心臟微循環(huán),發(fā)現(xiàn)CDDP 可有效改善急性冠脈綜合征(acute coronary syndrome,ACS)患者PCI 后心臟的微循環(huán)[22]。結(jié)合我們的研究,在ACS患者進行再灌注治療之后給予CDDP 可能進一步減少HF 的發(fā)生并改善長期預后。未來仍需要進行大規(guī)模的臨床研究和更多的體外研究,以探索再灌注后其對缺血心臟保護的最佳方案和可能機制。
綜上所述,復方丹參滴丸40、80、120 mg·kg-1·d-1治療可改善大鼠心肌缺血-再灌注后的心功能,機制之一可能是通過抑制心組織內(nèi)血管內(nèi)皮-間質(zhì)過度轉(zhuǎn)化,進而減少缺血-再灌注后心肌纖維化。