黃芩素對(duì)PM2.5致大鼠氣道炎性反應(yīng)及黏液高分泌狀態(tài)的影響

李燕萍 蘇菁 劉延彬 林彥濤

(河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院 1耳鼻咽喉頭頸外科，河北 張家口 075000；2呼吸內(nèi)科)

氣道黏液分泌過多是慢性氣道炎性疾病如慢性阻塞性肺疾病(COPD)和哮喘的標(biāo)志，其特征是黏液滯留在氣道，杯狀細(xì)胞增生及黏蛋白質(zhì)量或數(shù)量異?！?，2〕。氣道黏液分泌過多與疾病的發(fā)病率和預(yù)后密切相關(guān)。PM2.5對(duì)人體健康的危害更大，因?yàn)橹睆皆叫?，進(jìn)入呼吸道的部位越深。PM2.5可深入到細(xì)支氣管和肺泡，進(jìn)入人體到肺泡后，直接影響肺的通氣功能，使機(jī)體容易處在缺氧狀態(tài)〔3〕。PM2.5污染會(huì)導(dǎo)致慢性氣道炎癥，氧化應(yīng)激和黏液過度產(chǎn)生，從而導(dǎo)致小氣道在臨床上受到嚴(yán)重機(jī)械阻塞，進(jìn)而導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的氣道氣流減少和肺功能逐步下降〔4〕。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子(STAT)6對(duì)于誘導(dǎo)黏液中氣道上皮細(xì)胞黏蛋白(MUC)5AC是必要和充分的。STAT6家族蛋白是轉(zhuǎn)錄因子，在細(xì)胞生長(zhǎng)和存活中起關(guān)鍵作用，通過磷酸化作用對(duì)細(xì)胞外刺激的反應(yīng)或通過細(xì)胞內(nèi)非受體酪氨酸激酶而被激活〔5〕。研究發(fā)現(xiàn)STAT6和核因子(NF)-κB表達(dá)降低與Derp2 DNA疫苗免疫小鼠的黏液分泌減少有關(guān)〔6〕。黃芩素是一種富含水果和蔬菜的類黃酮，因其有益健康而備受關(guān)注。這些健康影響歸因于多種機(jī)制，包括抗氧化劑和抗炎活性，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的修飾及與受體和其他蛋白質(zhì)的相互作用〔7〕。在肺上皮A549細(xì)胞系中，黃芩素以劑量依賴性方式抑制阻塞性肺疾病大鼠氣道TLR4、NF-κB和蛋白表達(dá)。本研究擬探討黃芩素對(duì)PM2.5致大鼠氣道炎性反應(yīng)及黏液高分泌狀態(tài)的影響。

1 材料與方法

1.1主要藥物、試劑及儀器 黃芩素(原料藥，純度≥97%，杭州甫洛生物科技有限公司，批號(hào)MB7006)；地塞米松片(廣東華南藥業(yè)集團(tuán)有限公司，規(guī)格0.75mg/片，批號(hào)20190617)；白細(xì)胞介素(IL)-2、IL-6、MUC5AC、MUC5B酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(ELISA)試劑盒(美國R&D Systems公司，批號(hào)分別為MN58748、MN63528、MN89745、MN20154、MN00237)；Trizol試劑、逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(美國Invitrogen公司，批號(hào)分別為FG58748、FS63598)；實(shí)時(shí)熒光定量PCR(qRT-PCR)試劑盒SYBR Premix Ex Taq(寶日醫(yī)生物技術(shù)北京有限公司，批號(hào)DRR041A)；裂解緩沖液、聚偏二氟乙烯(PVDF)膜、二喹啉甲酸(BCA)蛋白定量試劑盒(碧云天生物技術(shù)研究所，批號(hào)分別為10058-F4、FFP36、S0057)；蛋白提取試劑盒(上海吉熒生物技術(shù)有限公司，批號(hào)N-63524)；STAT6單克隆抗體、NF-κB單克隆抗體、β-肌動(dòng)蛋白(actin)單克隆抗體(美國Neomarkers公司，批號(hào)YJ695875、KU25987M、KS0169)；辣根過氧化物酶標(biāo)記羊抗鼠二抗(北京博勝經(jīng)緯科技有限公司，批號(hào)SF-1335L)；電化學(xué)發(fā)光(ECL)試劑盒(廣州吉賽生物科技有限公司，批號(hào)500-163S)；超聲霧化器(賽默飛世爾科技中國有限公司，型號(hào)ED-96)；全自動(dòng)血球分析儀(日本西斯美康公司，型號(hào)XI-2000)；全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀(美國Thermo Scientific公司，型號(hào)Multiskan GO)；光學(xué)顯微鏡(日本奧林巴斯公司，型號(hào)CX21BIM-SET6)；qRT-PCR儀(美國ABI公司，型號(hào)Veriti96)；凝膠成像系統(tǒng)(美國BIO-RAD公司，型號(hào)ChemiDoc MP)。

1.2實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及分組 SPF級(jí)SD大鼠由昆明醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供，雌雄各半，10～12周齡，體重210～260 g，動(dòng)物生產(chǎn)許可證號(hào)：SCXK(云)2019-0005，動(dòng)物使用許可證號(hào)：SYXK(云)2019-0015，動(dòng)物質(zhì)量合格證號(hào)：N0401952。根據(jù)隨機(jī)數(shù)表法將大鼠分成對(duì)照組、模型組、地塞米松組(0.09 mg/kg)〔8〕、黃芩素低劑量組(100 mg/kg)〔9〕、黃芩素高劑量組(200 mg/kg)，每組16只。本研究經(jīng)河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.3PM2.5顆粒物懸液制備 在建筑工地附近，用智能采樣器中的石英纖維濾膜(規(guī)格：30 cm×20 cm)采集空氣中的PM2.5顆粒物，時(shí)間為30 d，24 h/d，采集結(jié)束后，將膜對(duì)折后侵入超純水，以超聲波低溫振蕩濾紙30 min，紗布過濾洗脫液，5 000 r/min離心5次，15 min/次，用生理鹽水配成80 μg/ml顆粒物懸液，保存于4℃冰箱備用〔10〕。

1.4動(dòng)物建模及給藥 用超聲霧化器將10 ml PM2.5顆粒物懸液(80 μg/ml)霧化給予模型組，地塞米松組。黃芩素低、高劑量組大鼠吸入毒染(1次/d，1 h/次)，染毒時(shí)間為4 w，制成慢性氣道炎性反應(yīng)動(dòng)物模型〔10〕。模型建立成功后，地塞米松組給予0.09 mg/kg地塞米松水溶液灌胃，黃芩素低、高劑量組分別給予100、200 mg/kg黃芩素水溶液灌胃，1次/d，灌胃體積均為10 ml/kg，連續(xù)給藥28 d；對(duì)照組及模型組給予相應(yīng)體積(10 ml/kg)生理鹽水。

1.5支氣管肺泡灌洗液(BALF)中白細(xì)胞總數(shù)、主支氣管杯狀細(xì)胞陽性百分?jǐn)?shù)、細(xì)支氣管杯狀細(xì)胞陽性百分?jǐn)?shù)測(cè)定 生理鹽水沖洗左肺2次，回收率為80%，并使用全自動(dòng)血球分析儀測(cè)定BALF中白細(xì)胞總數(shù)；阿爾辛藍(lán)-過碘酸雪夫(AB-PAS)染色觀察支氣管杯狀細(xì)胞和柱狀上皮細(xì)胞，每張AB-PAS染色切片計(jì)數(shù)1支主支氣管和5支細(xì)支氣管陽性杯狀細(xì)胞數(shù)和柱狀上皮細(xì)胞總數(shù)，計(jì)算主支氣管杯狀細(xì)胞陽性百分?jǐn)?shù)、細(xì)支氣管杯狀細(xì)胞陽性百分?jǐn)?shù)。

1.6BALF液中IL-2、IL-6、MUC5AC、MUC5B水平測(cè)定 剩余的BALF樣品以15 000 r/min離心10 min，然后除去上清液，并保存在-80℃冰箱內(nèi)；全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀及IL-2、IL-6、MUC5AC、MUC5B ELISA試劑盒測(cè)定BALF液中IL-2、IL-6、MUC5AC、MUC5B水平。

1.7氣管組織病理觀察 頸椎脫臼處死大鼠，剝離氣管組織，常規(guī)脫水、脫蠟，行蘇木素-伊紅(HE)染色，制作切片，顯微鏡觀察氣管組織病理變化。

1.8各組氣管組織STAT6、NF-κB mRNA表達(dá)水平測(cè)定 使用Trizol試劑從氣管組織中分離總RNA，使用逆轉(zhuǎn)錄試劑盒從每個(gè)樣品的5 μg總RNA中合成第一鏈cDNA。以下引物用于STAT6、NF-κB序列的PCR擴(kuò)增：STAT6正向：5′-CTTGCGTTCAAGATGTGCCTCAACTTGACTACG-3′；STAT6反向：5′-AAGCAGGTTTGTGCATGGTGGAGTAAGTGATGT-3′。NF-κB正向：5′-TGATGCTGATCAGATGTGCCTCATGACGTAG-3′；NF-κB反向：5′-TGACTGATGAGTGCATGGTCGTAGCTAGCCT-3′。β-actin正向：5′-TGGAGAAAATCTGGCACCAC-3′；反向：5′-GAGGCGTACAGGGATAGCAC-3′。引物由寶日醫(yī)生物技術(shù)北京有限公司合成。PCR程序如下：94℃預(yù)熱2 min、94℃ 30 s、60℃ 30 s、72℃ 40 s，總共35個(gè)PCR循環(huán)。反應(yīng)體系(20 μl)包括：cDNA模板2 μl、正向和反向引物各1 μl、SYBR Premix Ex Taq 10 μl、ddH2O 6 μl。β-actin為內(nèi)參基因，使用2-ΔΔCt法計(jì)算STAT6、NF-κB mRNA相對(duì)表達(dá)水平。

1.9各組氣管組織STAT6、NF-κB蛋白表達(dá)水平測(cè)定 使用RIPA緩沖液裂解氣管組織，蛋白提取試劑盒提取總蛋白，BCA蛋白定量試劑盒測(cè)定蛋白質(zhì)濃度。將總蛋白(10 μg)通過十二烷基硫酸鈉(SDS)聚丙烯酰胺凝膠電泳分離4 h，然后轉(zhuǎn)移到PVDF膜上。將PVDF膜在室溫下用5%脫脂奶封閉1 h，并在4℃下與1∶1 000稀釋的STAT6、NF-κB、β-actin一抗孵育過夜，然后加入辣根過氧化物酶標(biāo)記羊抗鼠二抗(1∶5 000稀釋)孵育2 h，采用ECL化學(xué)發(fā)光試劑盒和凝膠成像系統(tǒng)觀察蛋白條帶，并分析STAT6、NF-κB蛋白相對(duì)表達(dá)水平；β-actin作為內(nèi)參蛋白。

1.10統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析、SNK-q檢驗(yàn)。

2 結(jié) 果

2.1各組BALF中白細(xì)胞總數(shù)、主支氣管杯狀細(xì)胞陽性百分?jǐn)?shù)、細(xì)支氣管杯狀細(xì)胞陽性百分?jǐn)?shù)比較 與對(duì)照組比較，模型組BALF中白細(xì)胞總數(shù)、主支氣管杯狀細(xì)胞陽性百分?jǐn)?shù)、細(xì)支氣管杯狀細(xì)胞陽性百分?jǐn)?shù)明顯升高(P<0.05)；與模型組比較，地塞米松組。黃芩素低、高劑量組明顯降低，且黃芩素高劑量組明顯低于黃芩素低劑量組(P<0.05)；與地塞米松組比較，黃芩素低劑量組明顯升高(P<0.05)，黃芩素高劑量組無明顯變化(P>0.05)。見表1。

表1 各組白細(xì)胞總數(shù)、主支氣管杯狀細(xì)胞陽性、細(xì)支氣管杯狀細(xì)胞陽性及BALF中IL-2、IL-6、MUC5AC、MUC5B水平的比較

2.2各組BALF中IL-2、IL-6、MUC5AC、MUC5B水平比較 與對(duì)照組比較，模型組BALF中IL-2、IL-6、MUC5AC、MUC5B水平明顯升高(P<0.05)；與模型組比較，地塞米松組，黃芩素低、高劑量組明顯降低(P<0.05)，且黃芩素高劑量組明顯低于黃芩素低劑量組(P<0.05)；與地塞米松組比較，黃芩素低劑量組明顯升高(P<0.05)，黃芩素高劑量組無明顯變化(P>0.05)。見表1。

2.3各組氣管組織HE染色比較 對(duì)照組氣管組織結(jié)構(gòu)正常；模型組氣道狹窄，氣管充血水腫，鱗狀細(xì)胞增生，炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)明顯，纖毛排列紊亂；地塞米松組、黃芩素高劑量組氣管結(jié)構(gòu)基本正常，氣道上皮細(xì)胞輕微增生，有少量炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)；黃芩素低劑量組管腔狹窄，纖毛排列紊亂。見圖1。

圖1 各組氣管組織(HE染色，×400)

2.4各組氣管組織STAT6、NF-κB mRNA及蛋白表達(dá)比較 與對(duì)照組比較，模型組氣管組織STAT6、NF-κB mRNA、蛋白表達(dá)水平明顯升高(P<0.05)；與模型組比較，地塞米松組、黃芩素低、高劑量組明顯降低，且黃芩素高劑量組明顯低于黃芩素低劑量組(P<0.05)；與地塞米松組比較，黃芩素低劑量組明顯升高(P<0.05)，黃芩素高劑量組無明顯變化(P>0.05)。見表2，圖2。

表2 各組氣管組織STAT6、NF-κB mRNA、蛋白表達(dá)比較

1～5：對(duì)照組、模型組、地塞米松組、黃芩素低劑量組、黃芩素高劑量組圖2 Western印跡檢測(cè)各組氣管組織STAT6、NF-κB蛋白表達(dá)

3 討 論

PM2.5是氣道炎性反應(yīng)及黏液高分泌狀態(tài)發(fā)病機(jī)制中的主要病因，會(huì)增加氧化應(yīng)激(氧化劑/抗氧化劑失衡)和炎癥〔11〕。國外研究描述了一種大鼠模型系統(tǒng)，其長(zhǎng)期暴露于PM2.5可以導(dǎo)致慢性氣道疾病的發(fā)生，氧化應(yīng)激加劇，其證據(jù)是一氧化氮(NO)水平升高和谷胱甘肽(GSH)降低；彌漫性肺部炎癥；杯狀細(xì)胞化生及氣道中嗜中性粒細(xì)胞、T和B淋巴細(xì)胞、單核細(xì)胞和未成熟巨噬細(xì)胞的數(shù)量增加。黏膜纖毛系統(tǒng)由分泌黏液的杯狀細(xì)胞和纖毛細(xì)胞組成，并產(chǎn)生一層連續(xù)翻轉(zhuǎn)的保護(hù)性黏液層，襯在氣道上皮上〔12〕。杯狀細(xì)胞的分化和黏液的產(chǎn)生受到廣泛控制，黏液分泌過多可能是哮喘惡化的關(guān)鍵原因，且可以通過多種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)途徑引發(fā)。MUC5AC和MUC5B是進(jìn)化上保守的基因，編碼與結(jié)構(gòu)相關(guān)的黏蛋白糖蛋白，是氣道黏液中的主要大分子〔13〕。MUC5AC的過量生產(chǎn)也是哮喘的另一個(gè)疾病特征〔14，15〕。MUC5AC是氣道高反應(yīng)性(AHR)所需的過敏性炎癥主要效應(yīng)器，抑制MUC5AC可能是治療哮喘的有效方法〔16〕。本研究PM2.5致大鼠氣道炎性反應(yīng)及黏液高分泌狀態(tài)模型建立成功。

黃芩素可能通過細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)和p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)途徑起作用，從而有效抑制IL-1β誘導(dǎo)的人氣道上皮NCI-H292細(xì)胞中MUC5AC基因表達(dá)〔17〕。在最近的一項(xiàng)研究〔18〕中，黃芩素處理后，暴露于彈性蛋白酶-脂多糖(LPS)的小鼠與未經(jīng)預(yù)處理的暴露小鼠相比，氧化應(yīng)激、肺部炎癥、杯狀細(xì)胞化生及促炎細(xì)胞因子和MUC5AC的mRNA表達(dá)降低。此外，發(fā)現(xiàn)黃芩素治療可防止暴露于彈性蛋白酶/LPS的小鼠發(fā)生氣腫，這種預(yù)防與減少氧化應(yīng)激、肺部炎癥和基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)活性有關(guān)〔18〕。本研究結(jié)果與上述討論一致，同時(shí)說明，黃芩素對(duì)PM2.5致大鼠氣道炎性反應(yīng)及黏液高分泌狀態(tài)有明顯抑制作用。

STAT6/NF-κB信號(hào)傳導(dǎo)在多種細(xì)胞功能中起重要作用，如細(xì)胞遷移和增殖，平滑肌細(xì)胞收縮和基因表達(dá)。NF-κB是STAT6的效應(yīng)分子，并參與STAT轉(zhuǎn)錄活性。STAT6是G蛋白耦聯(lián)受體激活非受體酪氨酸激酶(JAK)/STAT信號(hào)傳導(dǎo)所必需的。最近研究表明，STAT6信號(hào)級(jí)聯(lián)導(dǎo)致細(xì)胞毒素壞死因子(CNF)和CNF3中毒誘導(dǎo)的STAT3激活〔19〕。報(bào)道還表明，Rho激酶抑制作用減弱了由慢性炎癥引起的氣道反應(yīng)性、炎癥、基質(zhì)重塑和氧化應(yīng)激活化。STAT6激酶抑制劑通過抑制肌球蛋白輕鏈磷酸化和肌動(dòng)蛋白解聚來調(diào)節(jié)平滑肌松弛〔20〕。STAT6激酶在哮喘的過敏模型中已顯示出增加的STAT6/NF-κB活性。STAT6/NF-κB信號(hào)通路對(duì)于增加平滑肌的鈣離子(Ca2+)敏感性很重要。NF-κB抑制劑可作為COPD的治療藥物〔21〕。NF-κB調(diào)節(jié)AHR，NF-κB在變應(yīng)原誘導(dǎo)的杯狀細(xì)胞增生中起作用。NF-κB對(duì)于調(diào)節(jié)嗜酸性粒細(xì)胞炎癥和杯狀細(xì)胞增生很重要。STAT6信號(hào)通過血小板P2Y受體控制過敏性小鼠中的白細(xì)胞募集〔22〕。Fasudil是一種選擇性的STAT6激酶抑制劑，可降低用fasudil治療的大鼠心臟組織中NF-κB和STAT6水平〔23〕。Fasudil抑制了過表達(dá)銅鋅超氧化物歧化酶1的轉(zhuǎn)基因小鼠中NF-κB活性的升高。本研究結(jié)果說明黃芩素能抑制大鼠氣管組織STAT6、NF-κB mRNA和蛋白的表達(dá)，進(jìn)而抑制STAT6/NF-κB信號(hào)通路激活，從而起到抗炎及抗黏液高分泌的作用。

綜上，黃芩素對(duì)PM2.5致大鼠氣道炎性反應(yīng)及黏液高分泌狀態(tài)有明顯抑制作用；其機(jī)制與黃芩素能抑制大鼠氣管組織STAT6、NF-κB mRNA和蛋白表達(dá)，進(jìn)而抑制STAT6/NF-κB信號(hào)通路激活有關(guān)。