郭立春,曹?chē)?guó)棟,羅茜晴,林 靚,趙宇含,曾佑成,張藝馨,程青虹,2
832000 新疆 石河子,石河子大學(xué)醫(yī)學(xué)院1,石河子大學(xué)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院重癥二科2
膿毒癥作為一種高致死疾病,是導(dǎo)致重癥監(jiān)護(hù)室(ICU)患者死亡的主要原因之一[1]。最新的膿毒癥和感染性休克管理國(guó)際指南強(qiáng)調(diào)膿毒癥所致的多器官功能障礙,同時(shí)規(guī)范了膿毒癥診療方面的臨床實(shí)踐[2]。心肌損傷是膿毒癥的嚴(yán)重并發(fā)癥之一,與膿毒癥的高死亡率直接相關(guān)[3]。其復(fù)雜發(fā)病機(jī)制包括炎癥介質(zhì)失調(diào)、線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、鈣調(diào)節(jié)紊亂、自主神經(jīng)系統(tǒng)失調(diào)和內(nèi)皮功能障礙、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、自噬等[4]。鐵死亡是一種新型依賴(lài)活性氧和鐵的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡形式,其本質(zhì)是由于細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)氧化物自身代謝發(fā)生障礙,在器官損傷和腫瘤靶向治療中發(fā)揮重要作用[5]。NCOA4是鐵蛋白選擇性自噬周轉(zhuǎn)的選擇性貨物受體,通過(guò)促進(jìn)鐵蛋白的儲(chǔ)存或釋放來(lái)維持細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)[6]。
鐵死亡已被證實(shí)參與各種病理生理過(guò)程,包括急性腎功能衰竭、肝損傷、心臟病以及膿毒癥等[7-9]。然而,其在膿毒癥心肌細(xì)胞損傷中的具體作用機(jī)制尚不清楚,NCOA4介導(dǎo)的鐵蛋白自噬是否參與其中亦尚未被闡述。本研究采用脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激H9c2大鼠心肌細(xì)胞的方法,建立膿毒癥心肌損傷細(xì)胞模型,探討NCOA4介導(dǎo)的鐵蛋白自噬是否參與LPS誘導(dǎo)的膿毒癥心肌細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生,為膿毒癥心肌損傷的診斷與治療開(kāi)拓新的方向。
H9c2大鼠心肌細(xì)胞購(gòu)自武漢普諾賽生命科技有限公司(CL- 0089);DMEM培養(yǎng)基購(gòu)自美國(guó)Gibcog公司;胎牛血清購(gòu)自以色列BI公司;青霉素-鏈霉素購(gòu)自美國(guó)HyClone公司;大腸桿菌內(nèi)毒素LPS購(gòu)自美國(guó)sigma公司;CCK-8細(xì)胞活力檢測(cè)試劑盒購(gòu)自東仁化學(xué)科技(上海)有限公司;鐵離子比色法檢測(cè)試劑盒E1042購(gòu)自北京普利萊基因技術(shù)有限公司;乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase, LDH)試劑盒、肌酸激酶同工酶(creatine kinase isoenzymes, CK-MB)測(cè)試盒、還原型谷胱甘肽(glutathione, GSH)測(cè)定試劑盒、細(xì)胞丙二醛(MDA)測(cè)定試劑盒均購(gòu)自南京建成生物工程研究所有限公司;DCFH-DA活性氧(ROS)熒光探針、JC-1線粒體熒光探針、蛋白抽提試劑盒均購(gòu)自北京索萊寶科技有限公司;DAPI染液、抗熒光淬滅封片劑均購(gòu)自武漢賽維爾生物科技有限公司;兔抗NCOA4、Ferritin、SLC7A11、GPX4、LC3-Ⅱ抗體購(gòu)自艾比瑪特醫(yī)藥科技(上海)有限公司;β-actin抗體、山羊抗鼠和山羊抗兔二抗購(gòu)自北京中杉金橋生物技術(shù)有限公司。本研究經(jīng)石河子大學(xué)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)審批(A2022-104-01)。
將H9c2大鼠心肌細(xì)胞接種在DMEM完全培養(yǎng)基(含10%胎牛血清、1%青霉素-鏈霉素雙抗)、37 ℃、5% CO2的培養(yǎng)瓶中,將大腸桿菌LPS溶解于雙蒸水中,濃度分別為5、10、20 μg/mL。將H9c2細(xì)胞分為4組:Control組、LPS 5 μg/mL組、LPS 10 μg/mL組、LPS 20 μg/mL組。根據(jù)圖1結(jié)果以及文獻(xiàn)[10],在后續(xù)熒光實(shí)驗(yàn)中使用10 μg/mL的LPS,干預(yù)24 h。
采用CCK-8試劑盒檢測(cè)心肌細(xì)胞活力,采用鐵離子比色法檢測(cè)心肌細(xì)胞Fe2+變化。將H9c2細(xì)接種于96孔板中過(guò)夜培養(yǎng),然后用不同濃度LPS處理24 h后,按照試劑盒說(shuō)明書(shū)向每個(gè)孔中加入對(duì)應(yīng)試劑。最后使用酶標(biāo)儀測(cè)量細(xì)胞活力、Fe2+濃度變化。
采用檢測(cè)試劑盒檢測(cè)心肌細(xì)胞LDH、CK-MB、GSH、MDA釋放變化;采用DCFH-DA 熒光探針測(cè)定心肌細(xì)胞ROS水平。H9c2細(xì)胞接種于96孔板中過(guò)夜培養(yǎng),再用不同濃度LPS處理24 h后,根據(jù)各操作手冊(cè),加入相關(guān)檢測(cè)工作液,最后使用酶標(biāo)儀測(cè)定上清液中的心肌酶、氧化應(yīng)激變化水平;根據(jù)熒光探針操作手冊(cè)處理后,加入相應(yīng)檢測(cè)工作液,37 ℃下孵育30 min后洗滌細(xì)胞2次,最后在熒光顯微鏡觀察并分析。其中綠色熒光強(qiáng)度變化代表心肌細(xì)胞內(nèi)ROS的水平。
為了產(chǎn)生NCOA4基因敲除細(xì)胞,首先構(gòu)建NCOA4片段和突變體,然后進(jìn)行慢病毒生產(chǎn)和穩(wěn)定轉(zhuǎn)染。H9c2細(xì)胞用5μL/孔的NCOA4 siRNA轉(zhuǎn)染48 h以降低基因表達(dá)。然后用10 μg/mL LPS刺激H9c2細(xì)胞24 h。慢病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)后,用5 μg/mL嘌呤霉素篩選細(xì)胞,將H9c2細(xì)胞分為4組:Control siRNA組、NCOA4 siRNA組、Control siRNA+LPS 10 μg/mL組、NCOA4 siRNA+LPS 10 μg/mL組。最后采用鐵離子比色法檢測(cè)心肌細(xì)胞Fe2+變化、Western bolt法檢測(cè)各組蛋白表達(dá)變化。
將H9c2細(xì)胞種于6孔板,細(xì)胞爬片,細(xì)胞用4%多聚甲醛固定,在含1%BSA的PBS中于室溫封閉1 h,孵育一抗4 ℃過(guò)夜然后洗滌3次和孵育二抗,室溫孵育50 min。用DAPI染液對(duì)細(xì)胞核進(jìn)行染色,避光室溫孵育10 min,洗滌3次,每次5 min。玻片稍甩干后用抗熒光淬滅封片劑進(jìn)行封片。熒光顯微鏡下觀察并采集圖像分析。
細(xì)胞蛋白提取采用RIPA裂解液,用超微量分光光度計(jì)對(duì)細(xì)胞提取物的濃度進(jìn)行定量。Ferritin、LC3-Ⅱ、GPX4蛋白在12%的SDS-PAG凝膠中電泳,其余蛋白在10%的SDS-PAG凝膠中電泳。然后轉(zhuǎn)移到PVDF膜上。電轉(zhuǎn)后用牛血清白蛋白在室溫下封閉膜2 h,與一抗在4 ℃孵育過(guò)夜。一抗NCOA4、Ferritin、LC3-Ⅱ、GPX4、SLC7A11和β-actin抗體稀釋度均為1∶1 000。洗膜后,二抗室溫孵育1 h。二抗山羊抗鼠和山羊抗兔抗體稀釋度均為1∶10 000,洗膜,根據(jù)生產(chǎn)說(shuō)明書(shū)用高敏ECL化學(xué)發(fā)光試劑盒1∶1配制顯影液,曝光,獲取圖像并使用Image Lab軟件對(duì)每個(gè)波段的強(qiáng)度進(jìn)行量化分析。
分別用等劑量雙蒸水、5 μg/mL LPS、10 μg/mL LPS、20 μg/mL LPS進(jìn)行干預(yù)后,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示,與Control組相比, LPS 5 μg/mL組、LPS 10 μg/mL組、LPS 20 μg/mL組H9c2細(xì)胞的活力隨LPS濃度梯度刺激的增加而降低。相比于LPS 5 μg/mL組,LPS 10 μg/mL組和LPS 20 μg/mL組細(xì)胞活力降低更為明顯(P<0.05)。同時(shí)發(fā)現(xiàn),與Control組相比,LPS干預(yù)各組心肌酶CK-MB和LDH釋放量升高(P<0.05),心肌細(xì)胞損傷加重。相比于LPS 5 μg/mL組,LPS 10 μg/mL組和LPS 20 μg/mL組心肌酶增多更為明顯(P<0.05)。提示膿毒癥心肌細(xì)胞活力與LPS濃度存在一定依賴(lài)性。鐵死亡發(fā)生有不同于凋亡等死亡方式的典型形態(tài)學(xué)改變,線粒體膜電位的異常改變不僅是線粒體損傷的重要標(biāo)志,也是鐵死亡發(fā)生的早期預(yù)警。采用10 μg/mL的LPS濃度進(jìn)行進(jìn)熒光探針實(shí)驗(yàn),測(cè)量各組細(xì)胞的線粒體膜電位改變情況。如圖1所示,JC-1染色表明,與Control組相比,LPS 10 μg/mL組細(xì)胞線粒體JC-1聚合物降低,紅色熒光減弱(P<0.05),線粒體膜電位降低。結(jié)果表明LPS可導(dǎo)致H9c2細(xì)胞的線粒體損傷和細(xì)胞活力下降。
如圖2所示,與Control組相比,不同濃度的LPS干預(yù)后脂質(zhì)過(guò)氧化物MDA的釋放增加(P<0.05)、Fe2+濃度增加(P<0.05)、ROS熒光增強(qiáng)(P<0.05),GSH的釋放有所下降(P<0.05),細(xì)胞鐵死亡標(biāo)記物水平升高。相比于LPS 5 μg/mL組,LPS 10 μg/mL組和LPS 20 μg/mL組細(xì)胞氧化應(yīng)激水平明顯增強(qiáng)(P<0.05),脂質(zhì)過(guò)氧化物MDA水平增加更為明顯(P<0.05)。MDA、ROS等鐵死亡標(biāo)記物水平與LPS劑量濃度存在一定依賴(lài)性(P<0.05)。提示LPS可在體外上調(diào)膿毒癥心肌細(xì)胞Fe2+濃度,引起氧化應(yīng)激并激活鐵死亡。
A:各組心肌細(xì)胞活力變化;B:各組細(xì)胞心肌酶CK-MB釋放變化;C:各組細(xì)胞心肌酶LDH釋放變化;D:Control組與LPS 10 μg/mL組線粒體膜電位變化 1:Control組;2:LPS 5 μg/mL組;3:LPS 10 μg/mL組;4:LPS 20 μg/mL組;a: P<0.05,與Control組比較;b: P<0.05,與LPS 5 μg/mL組比較
A:各組心肌細(xì)胞GSH活性變化;B:各組心肌細(xì)胞MDA含量變化;C:各組心肌細(xì)胞Fe2+濃度變化;D:各組心肌細(xì)胞ROS水平變化 1:Control組;2:LPS 5 μg/mL組;3:LPS 10 μg/mL組;4:LPS 20 μg/mL組;a: P<0.05,與Control組比較;b: P<0.05,與LPS 5 μg/mL組比較
通過(guò)Western blot 檢測(cè)Control組、LPS 5 μg/mL組、LPS 10 μg/mL組、LPS 20 μg/mL組鐵死亡、自噬標(biāo)志蛋白相對(duì)表達(dá)量。與Control組相比,不同濃度的LPS干預(yù)后細(xì)胞NCOA4、LC3-Ⅱ表達(dá)升高(P<0.05),F(xiàn)erritin、SLC7A11和GPX4表達(dá)降低(P<0.05)。相比于LPS 5 μg/mL組,LPS 10 μg/mL組和LPS 20 μg/mL組細(xì)胞鐵死亡調(diào)控蛋白SLC7A11和GPX4表達(dá)水平明顯降低(P<0.05)。NCOA4介導(dǎo)的鐵蛋白自噬參與了多種疾病的發(fā)病機(jī)制,為驗(yàn)證LPS對(duì)鐵蛋白自噬的影響,使用了熒光共聚焦顯微鏡觀察NCOA4與Ferritin在LPS誘導(dǎo)的細(xì)胞中的改變。如圖3所示,熒光鏡下觀察,與Control組相比,LPS 10 μg/ml組中NCOA4與Ferritin共定位表達(dá)明顯,熒光斑增加,表明LPS可引發(fā)H9c2細(xì)胞鐵蛋白自噬。提示膿毒癥心肌細(xì)胞鐵死亡的水平與LPS劑量濃度存在一定依賴(lài)性(P<0.05),LPS可通過(guò)激活鐵蛋白自噬促進(jìn)H9c2細(xì)胞鐵死亡。
A:Western blot檢測(cè)各組鐵死亡、自噬蛋白表達(dá)變化;B:Control組和LPS 10 μg/mL組Ferritin和NCOA4熒光共定位表達(dá); 1:Control組;2:LPS 5 μg/mL組;3:LPS 10 μg/mL組;4:LPS 20 μg/mL組;a: P<0.05,與Control組比較;b: P<0.05,與LPS 5 μg/mL組比較
NCOA4作為選擇性自噬貨物受體,通過(guò)與鐵蛋白結(jié)合將NCOA4鐵蛋白復(fù)合物轉(zhuǎn)移到溶酶體,介導(dǎo)鐵蛋白的降解,并將鐵蛋白結(jié)合的鐵轉(zhuǎn)化為游離鐵,從而誘導(dǎo)鐵死亡。為了產(chǎn)生NCOA4基因敲除細(xì)胞并驗(yàn)證轉(zhuǎn)染效果,使用NCOA4 siRNA穩(wěn)定轉(zhuǎn)染H9c2細(xì)胞,結(jié)果表明NCOA4 siRNA組細(xì)胞中NCOA4蛋白表達(dá)較Control siRNA組明顯降低(P<0.05)。在前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)LPS刺激誘導(dǎo)NCOA4上調(diào),下調(diào)鐵蛋白水平,促進(jìn)Fe2+的釋放(P<0.05)。為進(jìn)一步探索LPS促進(jìn)心肌細(xì)胞鐵死亡的分子機(jī)制,使用siRNA抑制NCOA4的表達(dá),采用 LPS 10 μg/mL建立膿毒癥心肌鐵死亡模型 。結(jié)果如圖4所示,抑制NCOA4可顯著改變LPS誘導(dǎo)的鐵蛋白下調(diào)及LC3-Ⅱ上調(diào)(P<0.05)。此外,慢病毒敲低NCOA4表達(dá)后,鐵死亡相關(guān)蛋白SLC7A11和GPX4表達(dá)降低(P<0.05)。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,NCOA4促進(jìn)LPS誘導(dǎo)的H9c2細(xì)胞鐵蛋白自噬,抑制NCOA4介導(dǎo)的鐵蛋白自噬可減輕細(xì)胞鐵死亡。
膿毒癥目前被定義為由于宿主對(duì)感染的反應(yīng)失調(diào)進(jìn)而危及生命的全身器官損傷和功能障礙[11]。膿毒癥引起的心肌功能障礙是膿毒癥患者最常見(jiàn)的并發(fā)癥之一,當(dāng)患者出現(xiàn)休克時(shí),心肌損傷將會(huì)進(jìn)一步加重[12]。LPS是革蘭陰性細(xì)菌的主要結(jié)構(gòu)組成部分,可誘發(fā)膿毒癥,其中心肌功能障礙是公認(rèn)的主要表現(xiàn)之一,已廣泛用于膿毒癥模型的制備[13]。本研究通過(guò)
A:各組心肌細(xì)胞Fe2+濃度變化;B:Western blot檢測(cè)慢病毒敲低后NCOA4表達(dá)變化;C:Western blot檢測(cè)慢病毒敲低NCOA4,10 μg/ml LPS刺激后鐵死亡、自噬蛋白表達(dá)變化 1:Control siRNA組;2: NCOA4 siRNA組;3:Control siRNA+LPS 10 μg/mL組;4: NCOA4 siRNA+LPS 10 μg/mL組;a:P<0.05,與Control siRNA組比較;b: P<0.05,與Control siRNA+LPS 10 μg/mL組比較
LPS刺激H9c2心肌細(xì)胞誘導(dǎo)膿毒癥心肌細(xì)胞損傷模型,研究發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞活力、心肌酶釋放量均與LPS存在一定濃度依賴(lài)性。
ROS的過(guò)度積聚在膿毒癥心肌細(xì)胞損傷的發(fā)病機(jī)制中起著至關(guān)重要的作用[14]。其中脂質(zhì)過(guò)氧化物MDA的水平間接反映了ROS的產(chǎn)生和細(xì)胞損傷的嚴(yán)重程度。與此同時(shí),機(jī)體會(huì)分泌GSH等以此防御和減輕ROS所致?lián)p傷[15]。因此,在本研究中,通過(guò)檢測(cè)細(xì)胞中GSH、ROS和相關(guān)蛋白的水平來(lái)檢測(cè)鐵死亡和氧化應(yīng)激。結(jié)果表明,隨著LPS濃度增加,抗氧化物GSH的活性明顯減少,MDA水平升高,同時(shí)熒光顯微鏡下觀察不同濃度的LPS干預(yù)后心肌細(xì)胞ROS呈遞增趨勢(shì)。這些結(jié)果提示LPS可能通過(guò)刺激ROS的產(chǎn)生、MDA的堆積從而導(dǎo)致膿毒癥相關(guān)的心肌細(xì)胞損傷和氧化應(yīng)激。
胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體(System Xc-)受阻、鐵代謝障礙、脂質(zhì)過(guò)氧化物的積累在鐵死亡的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中扮演著關(guān)鍵角色[16]。目前,李浩甲等[17]的研究發(fā)現(xiàn)去鐵胺(deferoxamine,DFO)處理1周可降低糖尿病大鼠血糖水平,降低心肌肌鈣蛋白(cardiac troponin,cTn)濃度,抑制心肌細(xì)胞內(nèi)鐵蛋白重鏈(Ferritin heavy,FTH)和NCOA4的表達(dá),抑制鐵死亡通路,改善心肌細(xì)胞損傷。本課題組前期的研究發(fā)現(xiàn)[18]H2S緩釋型供體GYY4137可以通過(guò)改善膿毒癥所致小鼠肺組織病理改變,減輕氧化應(yīng)激,增加肺組織GPX4和SLC7A11的表達(dá)來(lái)減輕膿毒癥癥所致的急性肺損傷的鐵死亡,由此可見(jiàn)Xc-系統(tǒng)活性即SLC7A11和GPX4可能是鐵死亡發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)控者。已有研究表明[19],LPS刺激可引起腎小管細(xì)胞內(nèi)Fe2+和脂質(zhì)過(guò)氧化積聚、降低GPX4、Xc-和NCOA4蛋白的表達(dá),增加腎小管線粒體損傷,表現(xiàn)為線粒體形態(tài)變小,膜密度增加,線粒體嵴功能或破壞。這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相似的,本課題組在體外用LPS誘導(dǎo)H9c2大鼠心肌細(xì)胞鐵死亡的模型中也同樣發(fā)現(xiàn)了LPS干預(yù)后H9c2細(xì)胞活力下降,心肌酶釋放增加,細(xì)胞中Fe2+濃度升高,脂質(zhì)過(guò)氧化物MDA增加,線粒體膜電位異常變化,JC-1單體顯著增加,鐵死亡關(guān)鍵調(diào)控蛋白SLC7A11和GPX4表達(dá)降低,提示鐵死亡參與了LPS誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞損傷過(guò)程。
自噬是一種進(jìn)化上保守的降解途徑,可維持體內(nèi)平衡[20]。HOU等[21]證明自噬通過(guò)降解成纖維細(xì)胞和癌細(xì)胞中的鐵蛋白而導(dǎo)致鐵死亡,敲除自噬基因限制了鐵死亡誘導(dǎo)劑伊拉斯汀(Erastin)誘導(dǎo)的鐵死亡,細(xì)胞內(nèi)亞鐵水平降低,脂質(zhì)過(guò)氧化減輕。ITO等[22]在心力衰竭小鼠模型中的研究發(fā)現(xiàn)小鼠心臟中NCOA4的缺失降低了鐵蛋白噬體介導(dǎo)的鐵死亡,保護(hù)了心臟免受血流動(dòng)力學(xué)應(yīng)激,顯著緩解壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的野生型小鼠擴(kuò)張型心肌病的發(fā)展。總而言之,這些發(fā)現(xiàn)為自噬和鐵死亡之間的相互作用提供了新的見(jiàn)解。在本實(shí)驗(yàn)中也出現(xiàn)了相同的現(xiàn)象,隨著LPS干預(yù)后H9c2細(xì)胞濃度的增加,NCOA4、LC3-Ⅱ蛋白表達(dá)水平逐漸升高,F(xiàn)erritin表達(dá)水平降低,鏡下發(fā)現(xiàn)NCOA4-Ferritin熒光共定位表達(dá)增強(qiáng)。抑制NCOA4的表達(dá)減輕了鐵蛋白降解,抑制了LPS誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞鐵死亡。以上實(shí)驗(yàn)表明NCOA4介導(dǎo)的鐵蛋白自噬在LPS誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞鐵死亡這一過(guò)程中起關(guān)鍵作用。
綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn),膿毒癥心肌細(xì)胞損傷中,氧化應(yīng)激指標(biāo)升高,脂質(zhì)過(guò)氧化物堆積,抗氧化物成分活性降低,自噬相關(guān)蛋白表達(dá)水平升高,鐵死亡調(diào)控蛋白表達(dá)水平降低?;谝陨辖Y(jié)果,本研究推測(cè)NCOA4介導(dǎo)的鐵蛋白自噬-鐵死亡參與了膿毒癥心肌細(xì)胞損傷的形成,靶向干預(yù)心肌細(xì)胞鐵死亡可能是未來(lái)預(yù)防膿毒癥心肌細(xì)胞損傷的一種治療策略,但其具體作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。