柳曉峰,張 爽,余讓輝,林曉萍,樊文浩,王玉晶,梁志立,謝維當(dāng),劉亞楠,陳 輝
1南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科,廣東 廣州 510515;2江門市中心醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科,廣東 江門 529000
由于人為氣候變化,全球范圍內(nèi)嚴(yán)重?zé)崂说念l率有所增加,重癥中暑作為一種重癥熱相關(guān)疾病引起了全球衛(wèi)生系統(tǒng)和社會層面的廣泛關(guān)注[1]。重癥中暑(sHS)常合并多器官功能衰竭綜合征(MODS),死亡率高[2,3]。重癥中暑并發(fā)MODS最常見的是急性肺損傷(ALI)造成的急性呼吸窘迫綜合征(ARDS),重癥中暑引起急性肺損傷其發(fā)病機(jī)制尚不完全清楚[4]。程序性壞死為新發(fā)現(xiàn)的一種細(xì)胞死亡類型,同細(xì)胞凋亡一樣受細(xì)胞內(nèi)信號途徑的調(diào)控,我們團(tuán)隊(duì)前期研究結(jié)果表明熱打擊可導(dǎo)致肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生程序性壞死,從而導(dǎo)致急性肺損傷發(fā)生及發(fā)展[5]。
羥基紅花黃色素A(HSYA),HSYA是紅花黃色素的主要成分,一系列的研究表明HSYA具有心肌、腦、內(nèi)皮保護(hù)作用、抗氧化應(yīng)激、抗炎、抗肝纖維化活性及抗腫瘤特性[6,7],最近研究表明,HSYA可通過阻斷凋亡和自噬在重癥中暑中起神經(jīng)保護(hù)作用[8],然而HSYA在重癥中暑肺損傷癥中作用尚未有研究報(bào)道。本研究進(jìn)一步明確了程序性壞死在重癥中暑肺損傷發(fā)生發(fā)展中的作用和地位,探討使用HSYA藥物治療是否可阻斷程序性壞死的發(fā)生從而有效改善急性肺損傷,更有助于揭示HSYA治療重癥中暑急性肺損傷的作用和機(jī)制,為臨床開展HSYA治療重癥中暑奠定理論基礎(chǔ)。
SPF級雄性6~8周齡C57BL/6J小鼠160只,購自南方醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動物中心,清潔動物房中飼養(yǎng),所有動物實(shí)驗(yàn)過程符合中國及南方醫(yī)院關(guān)于實(shí)驗(yàn)動物及福利的制度(倫理編號:NFYY-2019-176)。HSYA(上海莫奇生物科技有限公司),Nec-1(Sigma),RIP1、RIP3、MLKL-s358、MLKL 及GAPDH 抗體(Cell Signaling Technology),Elisa試劑盒(Roche)。
1.2.1 動物準(zhǔn)備及分組 成年雄性C57BL/6小鼠,飼養(yǎng)環(huán)境溫度22±1 ℃,12 h明暗循環(huán),自由飲食飲水。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具體分組如下:(1)重癥中暑小鼠造模前,分別以不同劑量HSYA腹腔內(nèi)注射(1.125、2.25、4.5 mg/kg)分別處理5 d,分為低,中和高劑量HSYA中暑組,單純中暑(HS)及正常對照(control)組,給予生理鹽水腹腔注射分別處理5 d,12只/組;(2)確定HSYA中劑量組為最佳治療劑量后,與Nec-1預(yù)處理組進(jìn)行比較,具體分組為:HSYA 中劑量組(2.25 mg/kg),Nec-1 預(yù)處理組(1 mg/kg),腹腔注射分別處理5 d,然后進(jìn)行熱打擊,單純中暑組及正常對照組給予生理鹽水腹腔注射處理5 d,8只/組。
1.2.2 適應(yīng)性訓(xùn)練 為了減少環(huán)境改變對小鼠造成的應(yīng)激影響,實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練,為期2周,實(shí)驗(yàn)前3 d停止適應(yīng)性訓(xùn)練。適應(yīng)性訓(xùn)練內(nèi)容:(1)直腸熱電偶,內(nèi)容:將連接生理記錄儀的直腸熱電偶置入直腸內(nèi),插入深度3 cm,留置2 min,1次/d;(2)人工熱氣候模擬艙,內(nèi)容:將實(shí)驗(yàn)小鼠連同鼠籠置于人工熱氣候模擬艙中,設(shè)置艙內(nèi)溫度為23 ℃,濕度(55±5)%,8 h/d。
1.2.3 重癥中暑小鼠模型 實(shí)驗(yàn)前20 min稱重,開始禁食、禁水,人工熱氣候模擬艙預(yù)熱至30 ℃。熱打擊方法是將小鼠置于預(yù)熱至30 ℃的人工熱氣候模擬艙,在30 min內(nèi)將艙內(nèi)溫度逐漸增加至39±0.5 ℃,相對濕度(65±5)%。監(jiān)測直腸溫度,使用直腸熱電偶測量系統(tǒng),頻率為10 min/次。重癥中暑診斷標(biāo)準(zhǔn)[9]:核心體溫達(dá)到42.7 ℃,維持時(shí)間超過1 min。達(dá)到重癥中暑診斷標(biāo)準(zhǔn)后,將小鼠移出人工熱氣候模擬艙,接受20 min全身降溫治療(酒精擦浴和喂食20 ℃冷水20 mL),繼續(xù)按照10 min/次的頻率監(jiān)測直腸溫度,直至恢復(fù)期72 h。對照組小鼠與重癥中暑組小鼠接受同步處理,不同的是對照組小鼠全程置于23 ℃和55%相對濕度的環(huán)境中。
1.2.4 評估各組熱耐受情況并觀察小鼠預(yù)后 參照文獻(xiàn)[9]計(jì)算熱打擊過程中熱負(fù)荷、脫水量、到達(dá)最高核心體溫時(shí)間、熱打擊結(jié)束后到達(dá)低體溫時(shí)間及低體溫持續(xù)時(shí)間評估各組動物熱耐受情況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌?,觀察預(yù)后的實(shí)驗(yàn)組小鼠設(shè)置的實(shí)驗(yàn)終止點(diǎn)是熱打擊后3 d。
實(shí)驗(yàn)動物的準(zhǔn)備和模型的構(gòu)建同前述,分組為:正常對照組,熱打擊組,HSYA預(yù)處理組及Nec-1預(yù)處理組,正常對照組6只,其余18只/組。
(1)分組分別于HS恢復(fù)期0、2、6、12、24 h時(shí)間點(diǎn)取出小鼠,其中2 h時(shí)間點(diǎn)取出6只,其中3只用于后續(xù)肺泡灌洗液測定,其余時(shí)間點(diǎn)均取出3只小鼠,采用水合氯醛腹腔注射麻醉小鼠,然后左心室穿刺采集血液樣本,剖取肺組織樣本;(2)常規(guī)方法分離血清,置于-80 ℃凍存;(3)肺組織組織樣本分兩部分,一部分4%甲醛溶液(40%甲醛溶液,滅菌注射用水按1∶9稀釋)中固定,另一部分置液氮中凍存。
1.3.1 血清樣本指標(biāo)檢測 ELISA法檢測血清中TNF-α、IL-6、HMGB1的濃度。
1.3.2 肺組織病理學(xué)檢查 石蠟組織樣本切片,厚度3 μm,按常規(guī)方法進(jìn)行HE染色。采用雙盲法,由兩名病理醫(yī)生閱片,評分。
1.3.3 BALF中蛋白含量、白細(xì)胞計(jì)數(shù)、中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)、肺濕/干重比值、肺含水量及HMGB1的測定 各組小鼠于造模后2 h經(jīng)腹腔注射水合氯醛麻醉后,采集支氣管肺泡灌洗液(BALF),方法參照文獻(xiàn)[10]。取上述肺泡灌洗液離心后的上清液,用BCA 法測定蛋白含量。在沉淀中加入200μL紅細(xì)胞裂解液,1 min后加入1 mL預(yù)冷的PBS,4 ℃,1200 r/min離心10 min;棄上清,用1 mL預(yù)冷的PBS重懸細(xì)胞沉淀,取10μL進(jìn)行白細(xì)胞計(jì)數(shù),余液再次4 ℃,1200 r/min離心10 min。根據(jù)白細(xì)胞計(jì)數(shù)結(jié)果決定需要?dú)埩舳嗌偕锨逯貞壹?xì)胞沉淀(白細(xì)胞計(jì)數(shù)為106/mL可用100μL上清液重懸后涂片3~5張),棄余上清,細(xì)胞懸液用于涂片(根據(jù)細(xì)胞總數(shù)決定涂片張數(shù));涂片后待玻片自然晾干,然后置于4%多聚甲醛溶液中固定10 min,隨后進(jìn)行瑞氏染色;在玻片標(biāo)本區(qū)域滴加瑞氏染色液4~8滴,將標(biāo)本完全蓋??;1~2 min后,滴加適量緩沖液(染液與緩沖液比例約為1:1.5),以注射器抽氣向玻片上輕輕打氣使染液和緩沖液混合均勻;10~15 min后用自來水沖洗,切忌水力過大,以流水滴入使染液及緩沖液自玻片邊緣溢出;晾干,光鏡下分類計(jì)數(shù),鏡下計(jì)數(shù)300個(gè)以上細(xì)胞,求出中性粒細(xì)胞百分比,白細(xì)胞總數(shù)與百分比相乘,得出中性粒細(xì)胞的絕對計(jì)數(shù)值。上述支氣管肺泡灌洗結(jié)束后,離斷右肺,取右上、中肺,小心剔除肺外組織,生理鹽水漂洗,濾紙吸干肺表面液體,立即置于電子天枰上稱濕重,后放入60 ℃烘箱內(nèi)烘干48 h至恒重,稱重記下數(shù)值為干重,并計(jì)算肺組織濕重/干重比值及肺含水量[(肺濕質(zhì)量-肺干質(zhì)量)/肺濕質(zhì)量]。ELISA 法檢測肺泡灌洗液中HMGB1的濃度。
1.3.4 Western blotting 檢測RIP1、RIP3 及MLKL 蛋白表達(dá)及磷酸化水平 取出液氮中肺組織進(jìn)行碾磨,蛋白定量及Western blotting具體步驟參照文獻(xiàn)[10]。
采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件包進(jìn)行分析。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,生存率估計(jì)用Kaplan-Meier法,生存曲線比較用Log-rank法,多組數(shù)據(jù)比較采用應(yīng)用單因素方差分析,P<0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
成功建立中暑動物模型,并初步觀察不同濃度HSYA預(yù)處理對重癥中暑小鼠熱耐受的影響,到達(dá)最高核心體溫、低體溫時(shí)間、低體溫深度、低體溫持續(xù)時(shí)間、熱負(fù)荷及嚴(yán)重?zé)嶝?fù)荷為評價(jià)小鼠熱耐受程度的指標(biāo),給予中劑量及高劑量HSYA預(yù)處理可明顯改善小鼠熱耐受能力,中劑量與高劑量無顯著差異(表1),故后續(xù)藥物預(yù)處理以中劑量(2.25 mg/kg)作為標(biāo)準(zhǔn)劑量。
表1 不同濃度HSYA預(yù)處理重度中暑小鼠核心體溫調(diào)節(jié)特征Table 1 Characteristics of core thermoregulation in severe heatstroke mice pretreated with different concentrations of HSYA(n=60)
HS組小鼠在熱暴露期間,核心體溫呈三相式上升,表現(xiàn)為初始階段核心體溫快速上升,隨后表現(xiàn)為類似于平臺的緩升期,緩升期持續(xù)較長時(shí)間,此后進(jìn)入快速上升期,直至達(dá)到重癥中暑(42.7 ℃)診斷標(biāo)準(zhǔn),后將小鼠轉(zhuǎn)移至室溫(23 ℃)。熱打擊各個(gè)時(shí)段,HS 組、HSYA+HS組及Nec-1+HS組小鼠核心體溫與對照組有顯著差異(P<0.05)?;謴?fù)期,HS組及HSYA+HS組小鼠從艙內(nèi)拿出后體溫降低,體溫低于36 ℃,定義為中暑后低體溫,如表2所示與HS組相比,HSYA+HS組和Nec-1+HS組小鼠到達(dá)低體溫的時(shí)間,其熱暴露時(shí)間、到達(dá)低體溫時(shí)間、低體溫的深度和低體溫持續(xù)時(shí)間均存在顯著差異,HSYA+HS組和Nec-1+HS組無明顯差異(圖1)。
表2 HSYA及Nec-1預(yù)處理重度中暑小鼠核心體溫調(diào)節(jié)特征Table 2 Characteristics of core thermoregulation in severe heatstroke mice pretreated with HSYAand Nec-1(n=32)
圖1 各組小鼠在熱打擊過程中及恢復(fù)期核心體溫特征Fig.1 Characteristics of core temperature of the mice in each group during heat shock and recovery period.
HSYA及Nec-1預(yù)處理小鼠可顯著增加中暑小鼠72 h生存率,中暑小鼠恢復(fù)期2 h血清中TNF-α、IL-6及HMGB1水平明顯升高,給予HSYA及Nec-1預(yù)處理可明顯降低中暑恢復(fù)期2 hIL-6及HMGB1水平,HSYA可明顯降低中暑恢復(fù)期2 h血清中TNF-α水平,Nec-1預(yù)處理組與對照組相比無顯著差異(圖2)。
圖2 HSYA藥物及nec-1干預(yù)對重癥中暑小鼠72 h生存率及血中TNF-α、IL-6及HMGB1水平的影響Fig.2 Effects of HSYA and Nec-1 intervention on 72-h survival rate and serum levels of TNF-α,IL-6 and HMGB1 of the mice with severe heat stroke.A:Effects of HSYA and Nec-1 on survival rate of severe heat stroke mice.B-D:Serum levels of TNF-α,IL-6 and HMGB1 detected at 0,2,6,12,and 24 h during the recovery period using ELISA,respectively.*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001 HSYA+HS,nec-1+HS group vs HS group,ns:no significant difference).
對照組小鼠肺泡結(jié)構(gòu)正常,肺泡壁薄,肺泡腔內(nèi)無炎性細(xì)胞浸潤;而重癥中暑組肺泡上皮細(xì)胞腫脹,肺泡壁明顯增厚,肺泡腔內(nèi)大量滲出液,毛細(xì)血管擴(kuò)張充血、出血,間質(zhì)水腫,組織內(nèi)灶狀、片狀炎性細(xì)胞浸潤,肺泡結(jié)構(gòu)紊亂,嚴(yán)重者見大片肺泡萎陷不張及肺泡斷裂;HSYA及Nec-1預(yù)處理重癥中暑組肺泡結(jié)構(gòu)有所改善,肺泡間隔略有增寬,肺泡壁增厚有一定程度減輕,肺泡腔清晰,炎性細(xì)胞浸潤程度較重癥中暑組明顯減輕(圖3A);HSYA及nec-1預(yù)處理降低重癥中暑小鼠肺泡灌洗液中白細(xì)胞計(jì)數(shù)、中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)、蛋白含量、肺水、肺濕干重比及HMGB1水平(圖3B、C)。
圖3 HSYA藥物干預(yù)對重癥中暑肺損傷的影響Fig.3 Effect of HSYA intervention on severe heatstroke-induced lung injury in mice.A: HE staining of the lung tissues collected at 2 h during the recovery period(Original magnification:×200).B: Counts of white blood cells and neutrophils and total protein contents in bronchoalveolar lavage fluid and lung water content and lung wet/dry weight ratio at 2 h during recovery.C:HMGB1 levels in the bronchoalveolar lavage fluid at 2 h.*P<0.05,**P<0.01 HSYA-HS group,Nec-1-HS group vs HS group.
中暑小鼠恢復(fù)期2 h肺組織中RIP1及MLKL磷酸化水平升高,并持續(xù)至恢復(fù)期12 h,RIP3表達(dá)未見明顯改變,MLKL水平于中暑恢復(fù)期6~12 h降低,MLKL-s358磷酸化水平中暑后2 h升高并持續(xù)至12 h(圖4A)。與HS組相比,HSYA+HS組MLKL-s358磷酸化水平降低(P<0.05,圖4B)。
圖4 HSYA藥物預(yù)對重癥中暑小鼠肺組織中程序性壞死的影響所有柱狀圖要求同上Fig.4 Effects of HSYA pretreatment on necroptosis in lung tissues of severe heatstroke mice.A: Western blotting of RIP1,RIP3,MLKL and MLKL-s358 in lung tissues of heatstroke mice at 2,6,and 12 h during recovery.B:Western blotting of MLKL-s358 in the lung tissues at 6 h during recovery in control,HS and HSYA+HS groups.*P<0.05,**P<0.01 vs control group.
在急性肺損傷中存在不同類型的細(xì)胞損傷包括凋亡、自噬和壞死,共同促進(jìn)ARDS 發(fā)生發(fā)展[11]。在ARDS的研究中細(xì)胞凋亡已被廣泛研究,但炎癥反應(yīng)在ARDS進(jìn)程中起重要作用,細(xì)胞壞死使細(xì)胞裂解物釋放到細(xì)胞外環(huán)境,包括細(xì)胞損傷相關(guān)分子模式(DAMP)如HMGB1,其可以觸發(fā)或增敏模式識別受體(PRRs)激發(fā)炎癥反應(yīng)[12,13]。然而,壞死在ARDS中很大程度上沒有被研究,是基于先前的研究表明壞死是不可逆的,并且不能被調(diào)控[14]。而程序性壞死為新發(fā)現(xiàn)的一種細(xì)胞死亡類型,同細(xì)胞凋亡一樣受細(xì)胞內(nèi)信號途徑的調(diào)控[15]。程序性壞死由一類死亡受體誘導(dǎo),包括腫瘤壞死因子受體(TNFR)1,TNFR2,TLRs和Fas[16]。受體相互作用蛋白激酶(RIP)1和3參與信號通路的調(diào)控,形成死亡誘導(dǎo)信號復(fù)合體即壞死小體(Necrosome),壞死小體中RIP3使MLKL發(fā)生磷酸化,并且磷酸化的MLKL向細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)使質(zhì)膜完整性喪失,隨后導(dǎo)致細(xì)胞損傷相關(guān)分子模式(DAMP)快速,主動和動態(tài)釋放(如HMGB1),并促進(jìn)炎癥進(jìn)展及繼發(fā)性肺組織損傷[17,18]。既往研究表明熱打擊肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞可發(fā)生程序性壞死,肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞在肺損傷的病理生理中起著非常重要的作用[5]。然而,肺上皮細(xì)胞作為肺部的第一道防線在介導(dǎo)肺疾病中同樣起著重要作用[11],我們推斷中暑小鼠肺組織中可能發(fā)生了廣泛的程序性壞死,而不僅限于肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞。在本研究中我們使用RIP1活化抑制劑Nec-1預(yù)處理小鼠[19],可明顯增加小鼠熱耐受性,改善72 h生存率及循環(huán)炎癥因子水平,同時(shí)對肺損傷也有改善作用,證實(shí)程序性壞死參與了重癥中暑的發(fā)生發(fā)展,同時(shí)在介導(dǎo)肺損傷中可能起著重要作用,我們提取肺組織蛋白檢測程序性壞死相關(guān)通路,發(fā)現(xiàn)在重癥中暑早期RIP1水平升高,下游的MLKL磷酸化水平升高,表明重癥中暑早期肺組織中就出現(xiàn)程序性壞死。有研究顯示,在重癥中暑小腸組織中檢測到RIPK1、RIPK3和磷酸化MLKL表達(dá)水平升高,抑制ROS生成可減輕程序性壞死從而預(yù)防腸道損害[20];最新研究表明,RIP3依賴的程序性壞死在介導(dǎo)重癥中暑MODS起重要作用[21],單獨(dú)熱應(yīng)激即可引起RIP3依賴的MLKL磷酸化,從而引起程序性壞死,敲除RIP3可阻斷上述生化反應(yīng)與細(xì)胞死亡[22]。在本研究中小鼠肺組織中RIP3表達(dá)水平并未出現(xiàn)明顯升高,故并未對RIP3的作用進(jìn)行進(jìn)一步研究,雖RIP3在肺組織中表達(dá)未出現(xiàn)明顯變化,但RIP3可能發(fā)生磷酸化及其他形式的活化,介導(dǎo)了下游壞死小體生成,在本研究中僅使用RIP1活化抑制劑探討了RIP1引起的程序性壞死在重癥肺損傷中的作用,但與上述文獻(xiàn)一致的是,下游的MLKL發(fā)生均發(fā)生磷酸化,肺組織發(fā)生程序性壞死。既往臨床和實(shí)驗(yàn)室研究證實(shí),細(xì)胞外HMGB1濃度在HS早期階段即顯著升高,發(fā)揮早期炎癥介質(zhì)作用,與HS預(yù)后密切相關(guān)[23,24]。在本研究中也再一次證實(shí)在重癥中暑小鼠早期血清HMGB1水平升高,肺泡灌洗液中HMGB1水平也出現(xiàn)明顯上升,使用Nec-1可明顯降低肺泡灌洗液中HMGB1水平,表明肺組織早期出現(xiàn)程序性壞死對HMGB1釋放可能起著重要作用。
既往研究結(jié)果表明血必凈可減輕重癥中暑小鼠體內(nèi)炎癥反應(yīng)及內(nèi)皮細(xì)胞損傷,從而改善小鼠器官損傷及生存率[25,26],血必凈還可通過抑制氧化應(yīng)激及促炎因子生成保護(hù)肺損傷[27]。紅花為中成藥血必凈注射液中重要成分,而紅花中的主要成分HSYA對內(nèi)皮細(xì)胞起保護(hù)作用[28],HSYA 還可減輕脂多糖誘導(dǎo)的小鼠急性呼吸窘迫綜合征[29],HSYA在重癥中暑肺損傷的研究中尚未有文獻(xiàn)報(bào)道,促使我們對HSYA在重癥中暑急性肺損傷領(lǐng)域展開深入研究。本研究結(jié)果表明HSYA可明顯增加小鼠熱耐受性,改善72 h生存率及循環(huán)炎癥因子水平,同時(shí)通過降低肺濕干重比、肺含水量、肺泡灌洗液中白細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、蛋白含量及HMGB1水平從而改善肺組織損傷程度。既往研究表明羥基紅花黃色素A可通過抑制腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡在腦卒中中起保護(hù)作用[30],在重癥中暑神經(jīng)損傷中羥基紅花黃色素A還可通過抑制自噬調(diào)控凋亡[8],然而羥基紅花黃色素A對程序性壞死的調(diào)控作用少有文獻(xiàn)報(bào)道,在本研究中證實(shí)HSYA預(yù)處理小鼠可抑制MLKL磷酸化,表明HSYA可能通過抑制程序性壞死從而改善肺組織損傷及全身炎癥反應(yīng)。
綜上所述,本研究表明程序性壞死在介導(dǎo)重癥中暑急性肺損傷中起重要作用,首次證實(shí)HSYA藥物治療可通過抑制MLKL磷酸化阻斷程序性壞死的發(fā)生從而有效改善重癥中暑引起的急性肺損傷。