王姍姍,刁子洋,郭 琨,王雪瑩,侯嘉明,薄祿琪,王 爽,宋銘忻
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物源性人獸共患病黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150030)
旋毛蟲病是由旋毛蟲引起的一種嚴(yán)重的人獸共患線蟲病,在食肉哺乳動(dòng)物之間廣泛傳播,人因食用含活旋毛蟲的豬、犬及其肉制品等而感染[1]。旋毛蟲感染過程中蟲體釋放的抗原作用于TLR4 受體,引起其表達(dá)量的變化,進(jìn)而通過TLR4/MyD88/NF-κB通路的激活引起炎性因子分泌發(fā)生變化[2]。旋毛蟲重度感染者可因心肌炎、腦炎、肺炎等死亡,其中心肌炎是最多見的旋毛蟲致死病因之一[3-4]。研究認(rèn)為,旋毛蟲感染導(dǎo)致的心肌炎有兩種可能,一是旋毛蟲幼蟲從心肌一過性游走導(dǎo)致的直接性心肌炎,一是旋毛蟲所分泌的毒素導(dǎo)致的間接性心肌炎[5]。
熱休克蛋白(Heat shock proteins,HSP)也稱為應(yīng)激蛋白,在寄生蟲感染過程中,宿主機(jī)體與蟲體均處于應(yīng)激狀態(tài),各自產(chǎn)生的HSP 相互抵抗,寄生蟲產(chǎn)生的HSP 參與其分化、致病力及侵入過程[6]。研究發(fā)現(xiàn),旋毛蟲HSP70 重組蛋白(Ts-Hsp70)通過與細(xì)菌脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)相似的路徑刺激和活化樹突狀細(xì)胞,且大劑量的Ts-Hsp70 對(duì)樹突狀細(xì)胞有毒性作用,而LPS 可刺激機(jī)體產(chǎn)生一系列反應(yīng)并對(duì)心肌產(chǎn)生直接損傷,導(dǎo)致心肌細(xì)胞的凋亡[7],但旋毛蟲HSP70 對(duì)心肌細(xì)胞功能的影響研究甚少[8]。因此,本研究通過將Ts-Hsp70 體外作用于H9c2 細(xì)胞,檢測H9c2細(xì)胞損傷標(biāo)志性因子,分析線粒體凋亡通路中相關(guān)凋亡蛋白與抗凋亡蛋白的表達(dá),研究旋毛蟲致宿主心肌炎發(fā)生的機(jī)制,解析旋毛蟲感染與宿主心肌細(xì)胞凋亡的關(guān)系,研究結(jié)果將對(duì)研究旋毛蟲的發(fā)病機(jī)制和提供防治對(duì)策具有重要意義。
1.1 蟲種、細(xì)胞系及主要試劑旋毛形線蟲(Trichinella spiralis)分離自黑龍江遜克豬,由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)學(xué)院獸醫(yī)寄生蟲學(xué)教研室保種;大鼠心肌細(xì)胞H9c2 由內(nèi)蒙古大學(xué)提供。Ts-Hsp70 由本實(shí)驗(yàn)室表達(dá)并保存。
LPS 購自北京博奧拓達(dá)科技有限公司;CCK-8 細(xì)胞活性檢測試劑盒、BCA 蛋白定量試劑盒及活性氧(Reactive oxygen species,ROS)檢測試劑盒,均購自大連美侖生物公司;乳酸脫氫酶(Lactic dehydrogenase,LDH)檢測試劑盒及肌酸激酶(Creatinekinase,CK)檢測試劑盒,購自南京建成生物科技有限公司;SYBR Premix ExTaqⅡ購自寶生物工程(大連)有限公司;鼠源GAPDH 多克隆抗體(PcAb)、鼠源Bax PcAb、鼠源Bcl-2 PcAb、鼠源Cytochrome C PcAb、鼠源Pro-Caspase-9 PcAb、鼠源cl-Caspase-9 PcAb、鼠源Pro-Caspase-3 PcAb、鼠源cl-Caspase-3 PcAb、羊抗鼠IgG-HRP(二抗),均購自中國Abmart公司。
1.2 Ts-Hsp70 刺激H9c2 細(xì)胞最適濃度的優(yōu)化取對(duì)數(shù)生長期的H9c2 細(xì)胞鋪于96 孔板,待細(xì)胞貼壁后分別加入5 μg/mL、10 μg/mL、15 μg/mL、25 μg/mL、40 μg/mL、60 μg/mL、80 μg/mL、100 μg/mL 的Ts-Hsp70,以10 μg/mL LPS 刺激的H9c2 細(xì)胞作為陽性對(duì)照,以不做處理的細(xì)胞為空白對(duì)照。于5% CO2、37 ℃孵育12 h 后棄上清,按每孔培養(yǎng)基總體積的10%加入CCK-8 溶液,孵育4 h 后,經(jīng)酶標(biāo)儀檢測OD450nm值,利用CCK-8 試劑盒檢測細(xì)胞得相對(duì)活性,篩送Ts-Hsp70 最適濃度。以上實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。
1.3 Ts-Hsp70 刺激H9c2 細(xì)胞后 的LDH 含 量 測定取對(duì)數(shù)生長期的H9c2 細(xì)胞以1×105個(gè)/孔鋪于24孔板中培養(yǎng)至貼壁后,加入1.2 確定的最適濃度的Ts-Hsp70,于5%CO2、37 ℃孵育6 h、12 h、18 h 后取細(xì)胞培養(yǎng)上清液,經(jīng)酶標(biāo)儀檢測OD450nm值,利用LDH 試劑盒檢測各組細(xì)胞的LDH 含量,以上試驗(yàn)重復(fù)3 次。試驗(yàn)以LPS 刺激的H9c2 細(xì)胞為陽性對(duì)照,以不做處理的細(xì)胞為空白對(duì)照。
1.4 Ts-Hsp70 刺激H9c2 細(xì)胞后的CK 含量測定取1.3 中共孵育后各時(shí)間點(diǎn)細(xì)胞培養(yǎng)上清液加入比色皿中,采用CK 試劑盒檢測各組細(xì)胞的CK 含量,以上試驗(yàn)重復(fù)3 次。
1.5 Ts-Hsp70 刺 激H9c2 細(xì) 胞 后釋放ROS 的 檢測于1.3 中共孵育后各時(shí)間點(diǎn)細(xì)胞培養(yǎng)孔中分別加入無血清培養(yǎng)液稀釋后的熒光探針(DCFH-DA)(1∶1 000,終濃度為10 mol/L),孵育30 min后,用無血清培養(yǎng)基洗滌3 次,經(jīng)熒光顯微鏡檢測熒光信號(hào),分析Ts-Hsp70 刺激H9c2 細(xì)胞后對(duì)其ROS 釋放的影響,以上試驗(yàn)重復(fù)3 次。試驗(yàn)設(shè)在檢測前30 min 時(shí)加入無血清培養(yǎng)液稀釋后的Rosup(1∶1 000,終濃度為50 μg/mL)作為陽性對(duì)照,以不做處理的細(xì)胞為空白對(duì)照。
1.6 Ts-Hsp70 刺激H9c2 細(xì)胞后細(xì)胞凋亡基因Bax、Bcl-2 轉(zhuǎn)錄及表達(dá)水平的檢測取對(duì)數(shù)生長期的H9c2 細(xì)胞鋪于12 孔板中培養(yǎng),按照1.3 中方法加入Ts-Hsp70 后,分別于共孵育6 h、12 h、18 h 時(shí)收獲H9c2 細(xì)胞,利用TRIzol 試劑提取細(xì)胞中的總RNA,反轉(zhuǎn)錄為cDNA 后作為模板,采用表1 中的引物,經(jīng)熒光定量PCR(qPCR)分別檢測H9c2 細(xì)胞中Bax、Bcl-2 mRNA 的轉(zhuǎn)錄水平,采用2-ΔΔCt方法[9]分析檢測結(jié)果,以上試驗(yàn)重復(fù)3 次。試驗(yàn)同樣以LPS刺激的H9c2 細(xì)胞為陽性對(duì)照,以不做處理的細(xì)胞為空白對(duì)照。另外,分別以鼠源Bax、Bcl-2 的PcAb(1∶500)為一抗,羊抗鼠IgG-HRP(1∶5 000)為二抗,經(jīng)western blot 檢測凋亡基因Bax、Bcl-2 的表達(dá)水平。
表1 熒光定量PCR引物序列Table 1 Sequence of qPCR primers
1.7 Ts-Hsp70 刺激H9c2 細(xì)胞后凋亡相關(guān)蛋白表達(dá)水平的檢測取對(duì)數(shù)生長期的H9c2 細(xì)胞鋪于6 孔板中培養(yǎng),按照1.3 方法加入Ts-Hsp70 后于共孵育6 h、12 h、18 h 時(shí)分別加入適量的RIPA 蛋白裂解液,通過BCA 蛋白定量試劑盒測定各組上清液蛋白濃度,根據(jù)測量結(jié)果,將各組蛋白稀釋至同一濃度后分別加入5×SDS-PAGE 上樣緩沖液,煮沸8 min 后經(jīng)SDSPAGE 檢測,用5%脫脂乳封閉2 h 后分別以鼠源Cytochrome C、Pro-Caspase-9(Pro-CASP-9)、cl-Caspase-9(cl-CASP-9)、Pro-Caspase-3(Pro-CASP-3)及cl-Caspase-3(cl-CASP-9)(1∶500)的PcAb 為一抗,羊抗鼠IgG-HRP(1∶5 000)為二抗,以ECL 發(fā)光試劑顯影,進(jìn)行western blot 檢測,利用Image-J 軟件檢測條帶灰度值,分析凋亡相關(guān)蛋白表達(dá)水平。試驗(yàn)同樣設(shè)LPS刺激的H9c2 細(xì)胞為陽性對(duì)照,以不做處理的細(xì)胞為空白對(duì)照。
1.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析所有的數(shù)據(jù)均采用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,并通過Graphpad Prism 7.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)作圖,所有數(shù)值均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(即-x±s)表示,兩組數(shù)據(jù)之間比較使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn);實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均值比較采用單因素方差分析(*代表P<0.05 表示差異顯著,**代表P<0.01 表示差異極顯著)。
2.1 Ts-Hsp70 刺激H9c2 細(xì)胞最適濃度的優(yōu)化結(jié)果H9c2 細(xì)胞經(jīng)不同濃度Ts-Hsp70 作用12 h,采用CCK-8 法檢測細(xì)胞活性。結(jié)果顯示,與空白對(duì)照細(xì)胞 相 比,濃 度 為5 μg/mL~25 μg/mL 的Ts-Hsp70 對(duì)H9c2 細(xì)胞活性均無顯著影響,而40 μg/mL~100 μg/mL的Ts-Hsp70 極顯著降低了H9c2 細(xì)胞活性(P<0.01),且呈濃度依賴性,進(jìn)一步分析顯示40 μg/mL Ts-Hsp70 對(duì)H9c2 細(xì)胞活力影響較弱,不利于凋亡基因的檢測,而60 μg/mL Ts-Hsp70 對(duì)細(xì)胞活力影響適中,細(xì)胞活力可達(dá)到70%,因此選取60 μg/mL 濃度的Ts-Hsp70用于后續(xù)試驗(yàn)(圖1)。
圖1 Ts-Hsp70刺激H9c2細(xì)胞濃度優(yōu)化Fig.1 Optimization of H9c2 cell concentration stimulated by Ts-HSP70
2.2 Ts-Hsp70 刺激H9c2 細(xì)胞后的LDH 含量測定結(jié)果H9c2 細(xì)胞經(jīng)60 μg/mL Ts-Hsp70 分別作用6 h、12 h 和18 h 后,采用LDH 試劑盒檢測培養(yǎng)基中LDH含量。結(jié)果顯示,隨著作用時(shí)間的延長,LDH 含量總體呈上升趨勢,與空白對(duì)照細(xì)胞相比,H9c2 細(xì)胞在受到Ts-Hsp70 蛋白刺激6 h 后LDH 含量極顯著增加(P<0.01),在作用12 h 后LDH 含量達(dá)到峰值,約為空白對(duì)照組的3 倍(P<0.01),而LPS 陽性對(duì)照組中LDH 含量約為空白對(duì)照組的4 倍(圖2)。表明Ts-Hsp70 對(duì)細(xì)胞有毒性作用。
圖2 Ts-Hsp70刺激H9c2細(xì)胞后的LDH含量測定結(jié)果Fig.2 Test results of LDH content in H9c2 cells stimulated by Ts-Hsp70
2.3 Ts-Hsp70 刺激H9c2 細(xì)胞后的CK 含量測定結(jié)果H9c2 細(xì)胞經(jīng)60 μg/mL Ts-Hsp70 分別作用6 h、12 h 和18 h 后,采用CK 試劑盒檢測培養(yǎng)基中CK 含量。結(jié)果顯示,隨著刺激時(shí)間的延長,CK 含量總體呈上升趨勢,與空白對(duì)照組相比,H9c2 心肌細(xì)胞在受到Ts-Hsp70 作用6 h 后CK 含量極顯著增加(P<0.01),在作用12 h 后CK 含量達(dá)到峰值(P<0.01),約為空白對(duì)照組的3.5 倍,LPS 陽性對(duì)照組中CK 含量約為空白對(duì)照組的4.5 倍(圖3)。表明Ts-Hsp70 對(duì)細(xì)胞有損傷作用。
圖3 Ts-Hsp70刺激H9c2細(xì)胞后的CK含量測定結(jié)果Fig.3 The results of CK content determination after TS-Hsp70 stimulation on H9c2 cells
2.4 Ts-Hsp70 刺激H9c2 細(xì)胞后ROS 的檢測結(jié)果H9c2 細(xì)胞經(jīng)60 μg/mL Ts-Hsp70 分別作用6 h、12 h 和18 h 后,采用ROS 試劑盒檢測H9c2 細(xì)胞中ROS 的釋放量。結(jié)果顯示,與空白對(duì)照細(xì)胞相比,Ts-Hsp70作用后的H9c2 細(xì)胞內(nèi)ROS 的熒光強(qiáng)度隨著作用時(shí)間逐漸加強(qiáng),LPS陽性對(duì)照組中熒光最強(qiáng)(圖4)。表明Ts-Hsp70能夠引起H9c2細(xì)胞中ROS的含量升高。
圖4 Ts-Hsp70刺激H9c2細(xì)胞后釋放ROS的熒光檢測結(jié)果Fig.4 Immunofluorescence detection results of ROS release after TS-Hsp70 stimulation of H9c2 cells
2.5 Ts-Hsp70 刺激H9c2 細(xì)胞后細(xì)胞凋亡基因Bax、Bcl-2 轉(zhuǎn)錄及表達(dá)水平的檢測結(jié)果采用qPCR 和western blot 兩種方法檢測Ts-Hsp70 對(duì)H9c2 細(xì)胞中Bax 和Bcl-2 產(chǎn)生的影響。結(jié)果顯示,與空白對(duì)照細(xì)胞相比, Bax 轉(zhuǎn)錄水平隨Ts-Hsp70 作用時(shí)間延長而增加,于作用12 h 達(dá)到峰值;而Bcl-2 含量隨作用時(shí)間延長而減少,在作用12 h 時(shí)其轉(zhuǎn)錄水平極顯著降低(P<0.01)。其中尤其以Bax/Bcl-2 的比值變化更為顯著,呈極顯著升高(P<0.01)(圖5A)。從western blot 結(jié)果顯示,與空白對(duì)照組相比,在作用后6 h 開始,細(xì)胞中Bax 的含量極顯著升高(P<0.01),在刺激12 h 達(dá)峰值。LPS 陽性對(duì)照組中Bax 的含量約為對(duì)照組的3.6 倍(圖5C);而Bcl-2 的含量整體呈下降趨勢(圖5B),與空白對(duì)照細(xì)胞相比,在刺激后6 h 開始,細(xì)胞中Bcl-2 的含量極顯著降低(P<0.01),在刺激12 h 達(dá)到谷值,于刺激18 h 有所上升(圖5C)。表明Ts-Hsp70 可通過線粒體凋亡途徑誘導(dǎo)H9c2 細(xì)胞發(fā)生凋亡。
圖5 Ts-Hsp70對(duì)H9c2細(xì)胞Bax和Bcl-2影響的檢測結(jié)果Fig.5 Effects of Ts-Hsp70 on Bax and Bcl-2 in H9c2 cell
2.6 Ts-Hsp70 刺激H9c2 細(xì)胞后凋亡相關(guān)蛋白表達(dá)水平的檢測結(jié)果Ts-Hsp70 刺激H9c2 細(xì)胞后,經(jīng)western blot 檢 測Cytochrome C、Pro-CASP-9、cl-CASP-9、Pro-CASP-3 及cl-CASP-3 蛋白水平表達(dá),結(jié)果顯示,與空白對(duì)照組相比,在刺激后6 h 開始,Cytochrome C 的含量極顯著升高(P<0.01),在刺激12 h 達(dá)峰值,約為空白對(duì)照組的3.5 倍(圖6B)。與空白對(duì)照細(xì)胞相比,在刺激后6 h 開始,Pro-CASP-9的含量極顯著降低(P<0.01),于刺激12 h 達(dá)谷值(圖6C);而cl-CASP-9 的含量在刺激后6 h 開始極顯著升高(P<0.01),于刺激12 h 達(dá)峰值,約為對(duì)照組的2.8 倍(圖6D)。與空白對(duì)照組相比,在刺激后6 h開始,Pro-CASP-3 的含量極顯著降低(P<0.01),于刺激12 h達(dá)谷值(圖6E);而cl-CASP-3的含量在刺激后6 h開始極顯著升高(P<0.01),于刺激12 h達(dá)峰值,約為空白對(duì)照組的2.9 倍(圖6F)。表明Ts-Hsp70 刺激H9c2 細(xì)胞后Cytochrome C 明顯增加,激活了線粒體通路凋亡執(zhí)行分子Caspase-9,引發(fā)下游凋亡因子Caspase-3 的激活,即激活了細(xì)胞線粒體的凋亡通路從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。
圖6 Western blot檢測線粒體凋亡相關(guān)基因的蛋白表達(dá)水平結(jié)果Fig.6 Western blot was used to detect the protein expression of mitochondrial apoptosis-related genes
心肌炎是旋毛蟲感染導(dǎo)致宿主死亡的最主要原因之一,旋毛蟲幼蟲在移行過程中可直接或間接引起宿主心肌損傷,旋毛蟲分泌的有毒物質(zhì)可隨血液或淋巴液到達(dá)心臟并引起心臟病理改變,寄生蟲感染過程中,機(jī)體與蟲體皆處于應(yīng)激狀態(tài),各自產(chǎn)生的HSP 相互抵抗,寄生蟲產(chǎn)生的HSP 參與其分化、致病力及侵入過程[6],HSP70 是多種熱應(yīng)激蛋白中研究最多的一種蛋白,目前對(duì)于Ts-Hsp70 已有初步研究進(jìn)展,Ts-Hsp70 為分泌型抗原,其在排泄分泌性抗原(Excretory-secretory antigen,ES)中存在。
研究表明,低濃度的Ts-Hsp70 通過與細(xì)菌LPS相似的TLR4/TLR2 路徑刺激和活化樹突狀細(xì)胞引發(fā)抗旋毛蟲感染的保護(hù)性免疫[10],高濃度的Ts-Hsp70對(duì)樹突狀細(xì)胞有毒性作用,也有研究顯示弓形蟲HSP70 可直接刺激肝臟誘發(fā)肝臟組織的氧化應(yīng)激,致肝細(xì)胞壞死或凋亡[11]。CK 和LDH 是傳統(tǒng)的心肌酶譜,CK 主要存在于細(xì)胞質(zhì)和線粒體中,其活性測定可以在一定程度上反映心肌損傷的嚴(yán)重程度[12];LDH釋放常被作為評(píng)估細(xì)胞毒性和檢測細(xì)胞膜完整性的指標(biāo);ROS 升高可產(chǎn)生氧化應(yīng)激,大量的活性氧不僅可以攻擊細(xì)胞膜、各種細(xì)胞器,還可以破壞蛋白質(zhì)、核酸等,最終導(dǎo)致細(xì)胞壞死或凋亡[13]。本研究發(fā)現(xiàn)高濃度的Ts-Hsp70 刺激大鼠H9c2 細(xì)胞后細(xì)胞上清液中CK、LDH 含量顯著升高,于12 h 達(dá)峰值,表明Ts-Hsp70 可導(dǎo)致H9c2 細(xì)胞損傷,破壞H9c2 細(xì)胞膜完整性而釋放LDH,促使心肌損傷標(biāo)志性因子CK升高,其作用H9c2 細(xì)胞12 h 時(shí)對(duì)H9c2 細(xì)胞造成的損傷最大,細(xì)胞內(nèi)的ROS含量也顯著增加,大量的ROS可以破壞細(xì)胞膜、各種細(xì)胞器,進(jìn)一步表明Ts-Hsp70 可導(dǎo)致H9c2 細(xì)胞損傷。
本研究還發(fā)現(xiàn)高濃度的Ts-Hsp70 可誘導(dǎo)大鼠H9c2 細(xì)胞發(fā)生凋亡。本研究結(jié)果顯示,無論從基因轉(zhuǎn)錄水平還是蛋白表達(dá)水平來看,Bax 的含量均隨著刺激時(shí)間增加整體呈上升趨勢,而Bcl-2 的含量隨著刺激時(shí)間增加整體呈下降趨勢,Bax/Bcl-2 的比值則顯著升高。Bax 分散于基質(zhì)中,在受到凋亡刺激時(shí),Bax 會(huì)快速遷移到線粒體膜上,發(fā)揮促凋亡作用,當(dāng)Bax的表達(dá)量過高時(shí)可以破壞Bcl-2對(duì)細(xì)胞的保護(hù)促進(jìn)細(xì)胞死亡,所以Bax與Bcl-2的比值對(duì)線粒體凋亡途徑起重要調(diào)控作用[14-15]。因此,本研究結(jié)果表明Ts-Hsp70 可導(dǎo)致H9c2 細(xì)胞發(fā)生損傷,促使H9c2 細(xì)胞線粒體功能發(fā)生障礙。而線粒體功能發(fā)生障礙可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的Cytochrome C 釋放到細(xì)胞質(zhì)中,釋放到細(xì)胞質(zhì)中的Cytochrome C 可激活Caspase-9、Caspase-3,最終促使細(xì)胞凋亡[16]。本研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)高濃度的Ts-Hsp70 作用大鼠H9c2 細(xì)胞12 h 后,Cytochrome C 的含量及Caspase-9、Caspase-3 的激活最為顯著,該結(jié)果表明Ts-Hsp70 作用H9c2 細(xì)胞12 h 時(shí)對(duì)H9c2 細(xì)胞造成的損傷最大,且誘導(dǎo)H9c2 細(xì)胞發(fā)生內(nèi)源性凋亡。Rui 等的研究表明Ts-Hsp70 是一種潛在的疫苗抗原,將其注射小鼠后,肌肉組織中肌肉幼蟲數(shù)量減少了38.4%,并且誘導(dǎo)小鼠對(duì)旋毛蟲感染產(chǎn)生了保護(hù)性免疫[17],出現(xiàn)這種情況極可能與其采用的HSP70濃度不一樣,本研究也發(fā)現(xiàn)低濃度的Ts-Hsp70 對(duì)大鼠H9c2 細(xì)胞無損傷作用。
綜上所述,本研究首次通過體外實(shí)驗(yàn)證明Ts-Hsp70 可引起大鼠心肌細(xì)胞損傷,并通過線粒體途徑促進(jìn)Caspase 級(jí)聯(lián)反應(yīng),從而激活誘導(dǎo)H9c2 細(xì)胞發(fā)生內(nèi)源性凋亡,該結(jié)果為下一步深入研究旋毛蟲致心肌損傷分子機(jī)制提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。