陳曉萍,程 瑛,劉慧馨,沈阿靈,3,褚劍鋒,3,謝秋容,3,楊燕燕,彭 軍,3△
(1.福建中醫(yī)藥大學(xué)中西醫(yī)結(jié)合研究院,福州 350122;2.福建省中西醫(yī)結(jié)合老年性疾病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350122;3.福建中醫(yī)藥大學(xué)陳可冀學(xué)術(shù)思想傳承工作室,福州 350122;4.福建中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心,福州 350122)
高血壓是目前最常見(jiàn)的心血管疾病之一,中國(guó)高血壓調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)18歲及以上居民高血壓患病率為27.9%,患病人數(shù)高達(dá)2.45億,但其知曉率和治療率仍不足一半,控制率僅為16.8%[1]。據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示,高血壓導(dǎo)致45%以上的患者死于心臟疾病,可見(jiàn),在高血壓的發(fā)展進(jìn)程中,心臟病是導(dǎo)致患者最終死亡的首要原因之一[2]。因此,防治高血壓所致心臟損傷顯得尤為重要。
國(guó)醫(yī)大師陳可冀院士在長(zhǎng)期的臨床實(shí)踐中,系統(tǒng)總結(jié)了高血壓的發(fā)病規(guī)律,形成了中西醫(yī)結(jié)合防治高血壓的學(xué)術(shù)思想,認(rèn)為高血壓早期是其防治的重要突破口,并針對(duì)早期高血壓以肝陽(yáng)上亢為主證,伴心火上炎的發(fā)病特點(diǎn),創(chuàng)制了清達(dá)顆粒,由天麻(12 g)、鉤藤(10 g)、黃芩(6 g)、蓮子心(5 g)4味中藥組成,具有清肝熱、平肝陽(yáng)、瀉心火之效,臨床用于治療早期高血壓肝陽(yáng)上亢、心火上炎證[3]。臨床研究證實(shí),清達(dá)顆粒顯著降低肝火亢盛型1級(jí)高血壓患者血壓[4]。進(jìn)一步的基礎(chǔ)研究證實(shí),清達(dá)顆粒能夠顯著抑制自發(fā)性高血壓大鼠(spontaneously hypertensive rat,SHR)和血管緊張素II(angiotensin II,Ang II)刺激小鼠血壓的持續(xù)上升,改善高血壓引起的血管重構(gòu),并有效抑制心肌肥大、腎臟纖維化、腦組織炎癥等靶器官損害[5-10]。然而,其對(duì)心臟等靶器官的保護(hù)作用和機(jī)制仍有待進(jìn)一步深入。
AngII作為一種重要的心血管活性物質(zhì),其異常調(diào)控不僅促使高血壓的發(fā)生與維持,也參與調(diào)控心肌能量代謝,導(dǎo)致心臟收縮功能障礙,加劇心室重構(gòu)的進(jìn)展[11,12]。課題組前期研究已經(jīng)證實(shí),清達(dá)顆粒能夠改善SHR心臟組織內(nèi)代謝產(chǎn)物的異常調(diào)控,減輕心臟炎癥,但其對(duì)于心肌代謝紊亂的作用機(jī)制并不明確[13]。代謝組學(xué)通過(guò)研究差異表達(dá)的內(nèi)源性代謝產(chǎn)物,觀察生物體新陳代謝和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中代謝產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,進(jìn)一步揭示生物體的生理病理變化,找出與之相關(guān)的生物標(biāo)志物,有助于闡明發(fā)病機(jī)制及體內(nèi)能量代謝途徑[14]。因此,本研究運(yùn)用高通量液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)(Liquid chromatography tandem mass spectrometry,LC-MS/MS)進(jìn)行非靶向代謝研究,分析其調(diào)控代謝產(chǎn)物及其通路的潛在機(jī)理,以期從代謝調(diào)控途徑豐富清達(dá)顆粒減輕高血壓所致心臟損傷的作用機(jī)理,為其臨床抗高血壓應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本研究已通過(guò)福建中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)審查(倫理審查編號(hào)2019053)。
SPF級(jí)10周齡雄性C57BL/6小鼠15只,體質(zhì)量(25±2),由上海斯萊克實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限責(zé)任公司提供,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物許可證號(hào)SCXK滬2017-0005。福建中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心SPF級(jí)實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)。
清達(dá)顆粒由天江藥業(yè)有限公司制備(批號(hào)1704306),根據(jù)《藥理實(shí)驗(yàn)方法學(xué)》,按體表面積折算系數(shù)換算給藥劑量,人與小鼠的折算系數(shù)為0.0026,計(jì)算出清達(dá)顆粒給藥劑量為1.145 g/kg/d,給藥量為100 μ/只灌胃給藥。根據(jù)小鼠平均體質(zhì)量,配制成濃度為286.25 mg/mL的清達(dá)顆粒溶液,即稱取286.25 mg的清達(dá)顆粒粉末置于無(wú)菌離心管內(nèi),加入1 mL生理鹽水充分溶解,每日現(xiàn)配現(xiàn)用。
AngII(批號(hào)Ab12018),美國(guó)Abcam公司;異氟烷(批號(hào)970-00026-00),深圳市瑞沃德公司;伊紅染色液(批號(hào)G1100)、蘇木素染色液(批號(hào)G114),北京索萊寶公司;植入式膠囊滲透壓泵(批號(hào)2002D),美國(guó)Alzet公司。
小鼠無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量系統(tǒng),美國(guó)Kent公司;Vevo 2100超高分辨率小動(dòng)物超聲影像系統(tǒng),加拿大VisualSonics公司;生物組織石蠟包埋機(jī),湖北孝感亞光醫(yī)用電子技術(shù)有限公司;全自動(dòng)石蠟切片機(jī),德國(guó)Leica公司;Illumina Miseq測(cè)序儀,美國(guó)Illumina公司。
將C57BL/6小鼠隨機(jī)分為對(duì)照組、模型組和清達(dá)顆粒組各5只。根據(jù)Alzet滲透泵說(shuō)明書配制AngII溶液,并將其灌注至膠囊泵內(nèi),對(duì)照組則灌注等體積的生理鹽水。隨后將裝填完成后滲透壓泵置于生理鹽水中,放在37 ℃恒溫箱過(guò)夜以平衡。采用異氟烷氣體麻醉小鼠,常規(guī)消毒后用眼科剪剪開(kāi)小鼠頸背部,分離表皮及皮下結(jié)締組織植入滲透泵,縫合皮膚切口。模型和清達(dá)顆粒組給予AngII埋泵(500 ng/kg/min),并分別給予生理鹽水和清達(dá)顆粒溶液(1.145 g/kg/d)灌胃;對(duì)照組給予生理鹽水埋泵及等體積生理鹽水灌胃共2周。
采用Kent無(wú)創(chuàng)血壓儀測(cè)量小鼠埋泵14 d后的收縮壓、舒張壓以及平均動(dòng)脈壓。測(cè)量血壓前保證環(huán)境安靜,提前打開(kāi)加熱板使溫度處于35 ℃,隨后將小鼠裝入束縛器中,在距鼠尾根部約1 cm的位置裝上閉塞套,然后套入容積壓力傳感器,在黑暗狀態(tài)下穩(wěn)定10 min后開(kāi)始測(cè)量血壓。閉塞套和傳感器循環(huán)充氣與放氣15次,取其平均值。
采用動(dòng)物超聲儀進(jìn)行無(wú)創(chuàng)的心臟功能測(cè)定。前一天行左胸前脫毛后,用2%異氟烷吸入麻醉仰臥位固定于37 ℃恒溫加熱板上并用1.5%異氟烷維持麻醉,保持心率400-450次/分。在前胸涂抹耦合劑,采用頻率為30 MHz的探頭取左室長(zhǎng)軸切面。用M模式記錄心室內(nèi)徑和室壁厚度,并計(jì)算出左室射血分?jǐn)?shù)(left ventricle ejection fraction,LVEF)和左室短軸縮短率(left ventricle fractional shortening,LVFS)。
取小鼠心臟,用4%多聚甲醛中固定24 h后,用石蠟包埋心臟組織,將包埋好的組織用切片機(jī)切成4 μm薄片,隨后將薄片放至37 ℃水中展片,用載玻片撈起后置于45 ℃恒溫箱中烘干。隨后進(jìn)行二甲苯脫蠟處理,蘇木素染色,自來(lái)水沖洗,碳酸鋰飽和水溶液返藍(lán)1 min后進(jìn)行伊紅染色,最后將片吹干,用中性樹膠封片,在光學(xué)顯微鏡下觀察心臟組織的病理改變情況。
取小鼠心臟組織用液氮碾碎,用含水、甲醇、乙腈和丙酮的提取液(1:3:3:3)提取,將樣品在-20 ℃孵育30 min,并在4 ℃離心(14000 rpm,15 min),除去上清液,放入到新的離心管中進(jìn)行真空干燥。每個(gè)樣品的上清液10 mL使用Q Exactive質(zhì)譜儀分析。質(zhì)量控制(quanlitycontral,QC)樣本從每個(gè)萃取后樣品中取等量體積混合,14000 rpm離心5 min,將上清液轉(zhuǎn)入新的上樣瓶?jī)?nèi)用于HPLC-MS/MS分析,由北京博奧晶典生物技術(shù)有限公司完成。
色譜條件:色譜柱為ACQUITY UPLC HSS T3 Column (100 mm×2.1 mm,1.7 μm),柱溫55 ℃,流速0.35 mL/min。流動(dòng)相為Buffer A由水、10 mM醋酸銨組成;Buffer B由水、90%乙腈、10 mM醋酸銨組成。按照液相色譜洗脫梯度進(jìn)行洗脫。質(zhì)譜條件:正負(fù)離子各進(jìn)行1次掃描,先進(jìn)行正離子掃描,所有樣品結(jié)束后再進(jìn)行負(fù)離子掃描,全掃描范圍m/z 70-1050。全掃描中選擇離子強(qiáng)度TOP10的母離子進(jìn)行二級(jí)質(zhì)譜鑒定。母離子采用HCD方法進(jìn)行碎裂,進(jìn)行二級(jí)質(zhì)譜序列測(cè)定,最終生成質(zhì)譜檢測(cè)原始文件。
分析條件:將質(zhì)譜檢測(cè)得到的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入用Compound Discover軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取處理。處理過(guò)程一般包括噪音過(guò)濾、保留時(shí)間對(duì)齊、質(zhì)譜峰提取、樣品間化合物對(duì)應(yīng)、化合物鑒定、Gap的填補(bǔ)、背景值的扣除。其中化合物鑒定利用mzCloud和綜合數(shù)據(jù)庫(kù)ChemSpider在線搜索完成。采用MetaX軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)監(jiān)督的主成分分析(principal components analysis,PCA)和正交偏最小二乘-判別分析(orthogonal partial least squares-discriminant analysis,OPLS-DA),采用OPLS-DA模型第一主成分的變量重要性值投影(variable important in projection,VIP)值篩選差異代謝物,并通過(guò)Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes(KEGG)Pathway進(jìn)行差異代謝物的代謝通路注釋和富集分析。
圖1A-C示,各組小鼠血壓監(jiān)測(cè)結(jié)果與對(duì)照組比較,模型組小鼠的收縮壓、舒張壓、平均動(dòng)脈壓明顯升高,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);與模型組比較,清達(dá)顆粒組小鼠的收縮壓、舒張壓、平均動(dòng)脈壓明顯降低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。各組小鼠體質(zhì)量比較(圖1D示),差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差意義(P>0.05)。可見(jiàn),清達(dá)顆??梢砸种艫ng II誘導(dǎo)的小鼠血壓升高,對(duì)小鼠體質(zhì)量未見(jiàn)明顯影響。
注:與對(duì)照組比較,*P<0.05;與模型組比較,#P<0.05
圖2示,小鼠心臟功能結(jié)果,與對(duì)照組比較,模型組小鼠的LVEF和LVFS明顯降低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);與模型組比較,清達(dá)顆粒組小鼠的LVEF和LVFS明顯升高,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)??梢?jiàn),清達(dá)顆??梢愿纳艫ng II誘導(dǎo)的高血壓模型小鼠的心臟功能降低。
注:LVEF:左室射血分?jǐn)?shù);LVFS:左室短軸縮短率。與對(duì)照組比較,*P<0.05;與模型組比較,#P<0.05
圖3示,HE染色結(jié)果,對(duì)照組小鼠心肌細(xì)胞排列整齊,橫紋結(jié)構(gòu)清晰,細(xì)胞質(zhì)染色均勻,細(xì)胞核大小均一。與對(duì)照組比較,模型組小鼠心肌細(xì)胞排列紊亂無(wú)序,橫紋結(jié)構(gòu)不清,橫截面積明顯增大,胞漿染色加深,胞核濃縮深染、部分心肌細(xì)胞腫脹變性。與模型組比較,清達(dá)顆粒組小鼠心肌組織病理性改變有所改善。可見(jiàn),清達(dá)顆粒可以改善AngII誘導(dǎo)的高血壓模型小鼠心臟病理學(xué)改變。
圖4示,在正離子和負(fù)離子模式下,QC組樣品總離子流色譜(total ionic chromatography,TIC)圖重合疊加,表明LC-MS/MS檢測(cè)系統(tǒng)在整個(gè)分析過(guò)程中穩(wěn)定性良好。圖5示,監(jiān)督性O(shè)PLS-DA數(shù)學(xué)建模分析,能有效降低模型復(fù)雜性與提升模型分類判別能力,從而直觀地觀察各組樣本間的分類效果和聚集程度。各組間的正、負(fù)離子模式下的OPLS-DA得分結(jié)果提示,所有樣本的代謝成分積分點(diǎn)均處于置信區(qū)間內(nèi),各組樣本點(diǎn)在空間分布上呈左右對(duì)稱分離趨勢(shì),組內(nèi)聚類程度良好,組間無(wú)交叉和重疊,分離趨勢(shì)明顯,分類效果顯著,提示組間存在顯著的代謝輪廓差異。圖6示,置換檢驗(yàn)結(jié)果提示,OPLS-DA模型無(wú)過(guò)擬合現(xiàn)象,穩(wěn)健性良好??梢?jiàn),模型組與對(duì)照組心臟中代謝物存在顯著差異,清達(dá)顆粒給藥后小鼠的代謝亦發(fā)生顯著變化。
圖3 各組小鼠心臟病理形態(tài)的比較(×400)
A.負(fù)離子模式TIC圖;B.正離子模式TIC圖。
A.模型組與對(duì)照組的負(fù)離子OPLS-DA得分圖;B.模型組與對(duì)照組的正離子OPLS-DA得分圖;C.清達(dá)顆粒組與模型組的負(fù)離子OPLS-DA得分圖;D.清達(dá)顆粒組與模型組的正離子OPLS-DA得分圖
A.模型組與對(duì)照組的負(fù)離子置換檢驗(yàn)結(jié)果圖;B.模型組與對(duì)照組的正離子置換檢驗(yàn)結(jié)果圖;C.清達(dá)顆粒組與模型組的負(fù)離子置換檢驗(yàn)結(jié)果圖;D.清達(dá)顆粒組與模型組的正離子置換檢驗(yàn)結(jié)果圖
以VIP>1、差異倍數(shù)(fold change,F(xiàn)C)>2.0或FC<0.5且P<0.05為篩選條件獲得各組差異代謝物(differential expressed metabolomic,DEM),模型組與對(duì)照組間差異代謝產(chǎn)物共25個(gè),其中正離子模式下15個(gè),負(fù)離子模式下10個(gè),清達(dá)顆粒組與模型組間差異代謝物共112個(gè),其中正離子模式下72個(gè),負(fù)離子模式下40個(gè)。通過(guò)差異代謝物火山圖可以看出,距離中心越遠(yuǎn)的點(diǎn)越有可能成為潛在的生物學(xué)靶點(diǎn)。將模型組與對(duì)照組間的差異代謝產(chǎn)物,與清達(dá)顆粒組和模型組間的差異代謝產(chǎn)物進(jìn)行比較,分析差異代謝產(chǎn)物以觀察清達(dá)顆粒治療后的變化趨勢(shì)。圖7表示,結(jié)果提示清達(dá)顆粒干預(yù)能夠顯著緩解AngII刺激后組氨酸、腺嘌呤、油酸、亞油酸、驚厥毒素、棕櫚酰鞘磷脂、戊烯酸的表達(dá)水平,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
注:圓圈大小代表變量重要性值投影(variable important in projection,VIP)值
表1 差異代謝產(chǎn)物信息比較
圖8示,將篩選出的各組差異代謝物導(dǎo)入KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行代謝通路富集分析,結(jié)果顯示模型組與對(duì)照組間的差異代謝產(chǎn)物共富集23條代謝相關(guān)通路,清達(dá)顆粒組與模型組間的差異代謝產(chǎn)物共富集16條代謝相關(guān)通路。將差異代謝通路進(jìn)行交集分析,共涉及9條代謝路徑:亞油酸代謝(linoleic acid metabolism)、嘌呤代謝(purine metabolism)、苯丙氨酸代謝(phenylalanine metabolism)、泛酸和輔酶A生物合成(pantothenate and CoA biosynthesis)、不飽和脂肪酸的生物合成(biosynthesis of unsaturated fatty acids)、脂肪酸生物合成(fatty acid biosynthesis)、次生代謝產(chǎn)物生物合成(biosynthesis of plant secondary metabolites)、角質(zhì)、軟木質(zhì)和蠟質(zhì)生物合成(cutin, suberine and wax biosynthesis)、玉米素生物合成(zeatin biosynthesis)。
注:A.模型組與對(duì)照組KEGG通路富集柱狀圖;B.清達(dá)顆粒組與模型組KEGG通路富集柱狀圖;C.模型組與對(duì)照組與清達(dá)顆粒組與模型組通路交集
高血壓是全球心血管疾病的死亡首因,研究報(bào)道每年超過(guò)940萬(wàn)人死于高血壓[1]。截至2016年底,我國(guó)高血壓患者已達(dá)2.45億,患病率為27.90%且呈逐年上升趨勢(shì),而目前我國(guó)高血壓患者的控制率僅有16.8%,即使血壓控制良好的患者,仍存在心、腦、腎等靶器官損害,并最終死于這些靶器官損害,嚴(yán)重威脅人類的生命和健康,造成了嚴(yán)重社會(huì)負(fù)擔(dān)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[15]。因此,防治高血壓所致心腦腎等靶器官損害是防治高血壓的重要環(huán)節(jié)。清達(dá)顆粒是在陳可冀院士治療早期高血壓的臨床經(jīng)驗(yàn)方,天麻平肝抑陽(yáng)、息風(fēng)止痙為君,鉤藤清熱平肝、息風(fēng)定驚為臣,黃芩清熱瀉火為佐,蓮子心清心除煩安神為使,共同發(fā)揮出清肝熱、平肝陽(yáng)、瀉心火的作用[3]。臨床與基礎(chǔ)研究證實(shí),清達(dá)顆粒降壓效果顯著,且具有心、腦、腎靶器官保護(hù)作用,但其調(diào)控作用和機(jī)制仍有待進(jìn)一步深入。
在高血壓發(fā)生發(fā)展的進(jìn)程中,腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(renin-angiotensin-aldosterone system,RAAS)的激活是其最關(guān)鍵的使動(dòng)因素,該系統(tǒng)中最重要的效應(yīng)物質(zhì)為Ang II,AngⅡ與其受體相結(jié)合引起相應(yīng)的生理效應(yīng),醛固酮分泌增加,水鈉潴留進(jìn)而導(dǎo)致高血壓的發(fā)生與維持[16]。前期研究證實(shí),清達(dá)顆粒能夠緩解自發(fā)性高血壓大鼠和AngII刺激模型小鼠血壓升高[5-10]。本研究同樣通過(guò)AngII誘導(dǎo)的高血壓模型小鼠,且進(jìn)一步驗(yàn)證了清達(dá)顆粒良好的降壓效應(yīng)。慢性升高的動(dòng)脈血壓會(huì)增加靶器官的壓力負(fù)荷,血管重塑和內(nèi)皮功能異常,可直接影響心、腦、腎等器官的灌注;血壓升高還可以引起交感神經(jīng)和RASS系統(tǒng)過(guò)度激活、代謝異常及炎癥反應(yīng),這些非血流動(dòng)力學(xué)改變也將進(jìn)一步加重、加速靶器官損害[17]。因此,在高血壓的防治過(guò)程中,控制血壓的持續(xù)上升,并保護(hù)心、腦、腎等靶器官損害尤為重要[18]。在心臟保護(hù)方面,前期研究發(fā)現(xiàn)清達(dá)顆粒具有減輕心臟炎癥和纖維化的作用。本研究通過(guò)心臟超聲和HE染色結(jié)果驗(yàn)證了清達(dá)顆粒改善AngII誘導(dǎo)的高血壓模型小鼠的心臟功能降低和病理形態(tài)改變,但其深入的調(diào)控機(jī)制仍有待進(jìn)一步深入。
心臟能量代謝是心肌肥大、心力衰竭等心血管疾病的研究熱點(diǎn),糾正心肌能量代謝重構(gòu)有望成為開(kāi)辟心臟相關(guān)疾病治療的新向?qū)19]。本研究通過(guò)代謝組學(xué)方法篩選出差異代謝物和代謝通路。通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)分析,共篩選出AngII刺激可導(dǎo)致心臟損傷的相關(guān)差異代謝產(chǎn)物25個(gè),清達(dá)顆粒干預(yù)可顯著改變其中8個(gè)代謝物,分別為組氨酸、腺嘌呤、油酸、亞油酸、驚厥毒素、棕櫚酰鞘磷脂、戊烯酸。對(duì)差異代謝產(chǎn)物進(jìn)行KEGG通路富集分析,提示清達(dá)顆粒對(duì)高血壓心臟損傷與苯丙氨酸代謝、嘌呤代謝、泛酸和輔酶A生物合成,不飽和脂肪酸的生物合成,亞油酸代謝通路等多條代謝通路的調(diào)控相關(guān)。以往研究發(fā)現(xiàn),高血壓及其所致心肌肥厚與苯丙氨酸代謝紊亂密切相關(guān)[20,21]。此外,嘌呤代謝異常將導(dǎo)致其終產(chǎn)物尿酸分泌失衡,與高血壓的進(jìn)展具有協(xié)同效應(yīng)[22,23]。本次研究結(jié)果表明,清達(dá)顆??梢燥@著改善高血壓心臟受損過(guò)程中的氨基酸、嘌呤以及多種其衍生產(chǎn)物的改變,調(diào)節(jié)多條代謝通路,從而促使心臟代謝趨于正常化。這也可能是清達(dá)顆粒發(fā)揮心臟保護(hù)作用的重要機(jī)制和途徑之一。然而相關(guān)代謝產(chǎn)物對(duì)心臟功能、病理的影響及清達(dá)顆粒的干預(yù)作用仍有待進(jìn)一步深入探討。本次研究在前期基礎(chǔ)上進(jìn)一步從代謝層面豐富清達(dá)顆粒治療高血壓心臟損傷的作用機(jī)制,有助于為其臨床抗高血壓應(yīng)用提供更多實(shí)驗(yàn)依據(jù)。