喬澤寧,翟 晨,曹謹(jǐn)玲,云少君,程艷芬,程菲兒,馮翠萍
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太谷 030801)
鉛是一種環(huán)境中普遍存在的有毒重金屬,由于鉛在環(huán)境中不可降解且長期蓄積,其可通過水、空氣、土壤和食物鏈進(jìn)入人體[1]。鉛進(jìn)入機(jī)體后,約95%蓄積在骨骼之中,影響骨骼的新陳代謝和功能發(fā)揮,鉛中毒與骨骼發(fā)育畸形、骨質(zhì)疏松、骨關(guān)節(jié)炎等多種疾病密切相關(guān)[2]。鉛可以取代機(jī)體內(nèi)鈣、鋅、鐵二價(jià)礦物元素的位置,從而影響其他二價(jià)礦物元素的代謝,破壞其在機(jī)體內(nèi)的平衡[3-4]。鉛可以作為鈣離子的類似物,直接影響鈣代謝并阻礙骨骼發(fā)育,還可以通過間接途徑影響骨代謝,主要表現(xiàn)為對(duì)一些與骨代謝有關(guān)激素的影響[5-7]。并且鉛在骨骼中的沉積還會(huì)對(duì)其形態(tài)結(jié)構(gòu)、硬度、體積和厚度等產(chǎn)生影響,對(duì)骨骼造成損傷[8-9]。目前,對(duì)鉛中毒的治療主要是利用螯合劑,如乙二胺四乙酸鹽和二巰基琥珀酸等,但同時(shí)會(huì)帶來一系列的副作用[10]。
通過攝入天然食品組分,進(jìn)而對(duì)鉛進(jìn)行干預(yù)是預(yù)防慢性鉛損傷的發(fā)展趨勢。孟靜等[11]利用熒光定量PCR技術(shù)檢測了骨骼TRPV通路相關(guān)基因,發(fā)現(xiàn)適量鈣的補(bǔ)充可減輕鉛暴露對(duì)骨骼TRPV通路的干擾。李茜[12]研究表明,杏鮑菇多肽能夠顯著降低骨骼中鉛含量,調(diào)控TRPV通路相關(guān)基因的表達(dá),從而改善染鉛導(dǎo)致的大鼠骨骼損傷。多糖是構(gòu)成生命的四大基本物質(zhì)之一,具有廣泛的生物學(xué)效應(yīng),還能直接影響機(jī)體的物質(zhì)和能量代謝[13-14]。姬松茸多糖[15]、海藻多糖[16]等均有促進(jìn)排鉛的作用,但是多糖對(duì)染鉛小鼠骨骼鈣代謝的影響還鮮少報(bào)道,并且多糖的促排鉛作用與骨骼鈣代謝之間的聯(lián)系還有待進(jìn)一步研究。
廣葉繡球菌(Sparassis latifolia)是一種珍稀的食藥用菌,多糖含量可達(dá)39.3%~43.6%,為菇類之最[17-18]。研究表明,廣葉繡球菌多糖(Sparassis latifoliapolysaccharides,SLPs)具有免疫調(diào)節(jié)[19]、抑菌[20]、降血脂[21]、抗炎癥[22]和抗氧化[23]等作用。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院食品營養(yǎng)與安全課題組前期對(duì)廣葉繡球菌多糖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,分離純化廣葉繡球菌多糖后,可以得到一種分子質(zhì)量為6456 u、主鏈為β-(1→3)-D-葡聚糖、支 鏈 為β-(1→6)-D-葡聚糖的β-葡聚糖[24]。基于此,本試驗(yàn)以染鉛小鼠模型為基礎(chǔ),通過研究小鼠骨骼中二價(jià)礦物質(zhì)元素的含量、鈣代謝相關(guān)激素和酶水平、骨組織形態(tài)以及鈣代謝相關(guān)基因表達(dá)情況的影響,進(jìn)而探究SLPs對(duì)染鉛小鼠骨骼鈣代謝的影響。
供試廣葉繡球菌由清徐縣太和食用菌栽培基地提供。
3周齡SPF級(jí)雄性昆明小鼠,購于斯貝福(北京)生物技術(shù)有限公司,許可證號(hào):SCXK(京)2019-0010,飼養(yǎng)于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)動(dòng)物管理中心,許可證號(hào):SYXK(晉)2020-0003。試驗(yàn)飼料、墊料及動(dòng)物飲水等均符合SPF級(jí)動(dòng)物使用標(biāo)準(zhǔn)。
EDTA脫鈣液:EDTA-2Na 100 g加PBS緩沖液(pH值7.2)至1000 mL,加NaOH (10~15 g)攪拌溶解后用1 mol/L HCl調(diào)pH值為7.2~7.4。配置液經(jīng)高溫殺菌后使用。
BGP、PHT、CT酶聯(lián)免疫吸附檢測試劑盒(上海江萊生物公司);AKP試劑盒、總蛋白定量試劑盒(南京建成生物工程研究所);蘇木精染液、伊紅染液(山西百奧生物科技有限公司);切片石蠟(上海華申康復(fù)器材有限公司);中性樹膠(北京索萊寶科技有限公司);RNAiso Plus試劑盒、Prime ScriptTMRT Master Mix試 劑 盒、SYBR?Premix Ex TaqTMⅡ試劑盒(TaKaRa公司);引物合成(太原奧科鼎盛生物公司);醋酸鉛、氯化鈉、檸檬酸鈉等均為國產(chǎn)分析純。
GD12 石墨消解儀(奧普樂儀器有限公司);Optima5300 DV型電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(美國PE公司);切片機(jī)、展片機(jī)、攤片機(jī)(徠卡顯微系統(tǒng)(上海)貿(mào)易有限公司);IX3顯微鏡(北京順能電子儀器有限公司);-80 ℃冰箱(日本松下公司);5417-R高速冷凍離心機(jī)、5804 R型高速低溫臺(tái)式離心機(jī)、核酸蛋白測定儀(德國Eppendorf股份公司);Mx3000P熒光定量PCR儀(美國Stratagene公司);SpectraMax i3x多功能酶標(biāo)儀(美谷分子儀器(上海)有限公司);MyCyclerTMThermal Cycler PCR擴(kuò)增儀(美國Bio-Rad公司)。
1.3.1 SLPs的提取 根據(jù)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院食品營養(yǎng)與安全課題組前期方法[25]提取廣葉繡球菌多糖,將廣葉繡球菌子實(shí)體置于35 ℃烘箱中干燥,切片粉碎并過0.074 mm篩,按照1∶40 (g/mL)的料液比添加蒸餾水,攪拌均勻,75 ℃水浴3 h后,5000 r/min離心15 min,旋蒸濃縮上清液至黏稠狀,加入3倍體積無水乙醇混勻后,4 ℃過夜,5000 r/min離心10 min收集沉淀,用丙酮和乙醚清洗沉淀直到洗液澄清,將沉淀用適量蒸餾水溶解后加入適量中性蛋白酶45 ℃水浴8 h并定時(shí)攪拌,滅酶后再次離心,取上清加入1/3體積Sevage溶劑(三氯甲烷∶正丁醇=4∶1),磁力攪拌30 min,離心取上層溶液并反復(fù)操作,用大孔樹脂純化后真空冷凍干燥后得到廣葉繡球菌多糖,苯酚硫酸法測定廣葉繡球菌多糖的純度為88.3%。
1.3.2 動(dòng)物模型的建立和樣品采集 將70只3周齡的SPF級(jí)雄性昆明小鼠,在恒溫((25±0.5)℃)、恒濕(50%±5%)的環(huán)境下適應(yīng)性喂養(yǎng)7 d后,隨機(jī)分為5組:對(duì)照組(NC)、染鉛組(Pb)、低劑量多糖組(100 mg/kg·bw,L-SLPs)、中劑量多糖組(200 mg/kg·bw,M-SLPs)、高劑量多糖組(400 mg/kg·bw,H-SLPs),每組14只,均給予普通飼料,NC組給予去離子水,其余各組給予1.84 g/L醋酸鉛溶液。SLPs低、中、高劑量組小鼠每天灌胃一次,灌胃量根據(jù)小鼠當(dāng)天的體質(zhì)量計(jì)算,空白組和染鉛組每天灌胃等量生理鹽水。期間小鼠自由飲水?dāng)z食,記錄小鼠每天的體質(zhì)量變化情況。飼養(yǎng)56 d后,采集骨骼組織稱質(zhì)量。一部分右側(cè)股骨浸泡于4%多聚甲醛溶液中用作骨骼切片,其余在液氮中速凍后保存于-80 ℃冰箱待用。
1.3.3 SLPs對(duì)染鉛小鼠骨骼中二價(jià)礦物質(zhì)元素含量的影響 參考GB 5009.12—2017標(biāo)準(zhǔn)[26]測定小鼠骨骼中二價(jià)礦質(zhì)元素Pb2+、Ca2+、Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Mg2+的含量。取約0.2 g骨骼,稱質(zhì)量后放于加有玻璃珠的消化管中,加入10 mL的濃硝酸和0.5 mL的高氯酸,室溫靜置過夜,于石墨消解儀上進(jìn)行消化,待消化液澄清透明后用1%稀硝酸定容至10 mL即為待測樣品。使用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測定待測樣品中Pb2+、Ca2+、Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Mg2+的含量。
1.3.4 SLPs對(duì)染鉛小鼠骨代謝相關(guān)激素和酶含量的影響 按照甲狀旁腺激素(PTH)、骨鈣素(BGP)、降鈣素(CT)及堿性磷酸酶(AKP)試劑盒說明書測定。
1.3.5 SLPs對(duì)染鉛小鼠骨骼組織形態(tài)的影響 將小鼠股骨置于4%的多聚甲醛溶液中浸泡48 h后,用PBS緩沖液水洗5次,修整、去除多余肌肉組織后,將固定好的股骨置于EDTA脫鈣液中脫鈣,脫鈣液3 d一換,最少1個(gè)月,以大頭針可穿過時(shí)即可。將脫鈣后的股骨取出,自來水沖洗過夜后,經(jīng)乙醇梯度脫水、二甲苯中透明、浸蠟和石蠟包埋后,固定于切片機(jī)切成厚度為4 μm的組織片(靠近脛骨端1/3處進(jìn)行冠狀縱切)。攤片、烤片后進(jìn)行HE染色,使用顯微鏡觀察骨骼組織結(jié)構(gòu)的變化并拍照。
1.3.6 SLPs對(duì)染鉛小鼠骨骼鈣代謝相關(guān)基因表達(dá)量的影響 稱取100 mg骨骼組織,放到預(yù)先冷凍在-80 ℃的研缽中,立即加入液氮,加速研磨成粉末后轉(zhuǎn)移至1.5 mL EP管中,并加入1 mL RNAiso Plus,按照試劑盒說明書提取總RNA,使用核酸蛋白儀測定RNA濃度。按照Prime ScriptTMRT Master Mix說明書將RNA逆轉(zhuǎn)錄成cDNA。使用TB Green?Premix ExTaqTMⅡ(Tli RNaseH Plus)試劑盒在熒光定量PCR儀進(jìn)行qRT-PCR,反應(yīng)體系為:1 μL cDNA、5 μL TB Green?Premix ExTaqⅡ、上游引物與下游引物各0.4 μL、3.2 μL ddH2O。反應(yīng)條件為:95 ℃ 90 s,95 ℃ 5 s,60 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s,95 ℃15 s,60 ℃ 1 min,95 ℃ 15 s,95 ℃ 5 s和60 ℃ 30 s進(jìn)行45個(gè)循環(huán),每組重復(fù)3次。以β-actin為內(nèi)參基因,通過2-ΔΔCt法計(jì)算各目的基因的相對(duì)表達(dá)量。具體引物信息如表1所示。
表1 實(shí)時(shí)熒光定量PCR引物序列Tab.1 Primer sequences of qRT-PCR
試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)使用SPSS 23.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,采用one-way ANOVA和Duncan檢驗(yàn)進(jìn)行多組樣本間的差異顯著性分析,試驗(yàn)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,P<0.05表示差異顯著,P<0.01表示差異極顯著,利用 Graphpad prism 8.0.1軟件作圖。
從圖1可以看出,在飼養(yǎng)56 d時(shí)間里,各組小鼠體質(zhì)量均呈現(xiàn)增長趨勢。并且在同一時(shí)間內(nèi),各組小鼠之間體質(zhì)量差異不顯著(P>0.05)。
圖1 SLPs對(duì)染鉛小鼠體質(zhì)量變化的影響Fig.1 Effects of SLPs on weight in lead contaminated mice
SLPs對(duì)染鉛小鼠骨骼組織Pb2+、Ca2+、Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Mg2+含量的影響如圖2所示。
圖2 SLPs對(duì)染鉛小鼠骨骼組織Pb2+、Ca2+、Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Mg2+含量的影響Fig.2 Effects of SLPs on the contents of Pb2+,Ca2+,F(xiàn)e2+,Cu2+,Zn2+,Mn2+,and Mg2+ in bones of lead contaminated mice
從圖2可以看出,與對(duì)照組相比,染鉛組骨骼組織中Pb2+含量升高了3948.78%,差異達(dá)極顯著(P<0.01),Ca2+、Fe2+、Cu2+、Mn2+含量分別降低了27.04%、43.00%、55.04%、72.34%,差異達(dá)極顯著(P<0.01),Mg2+、Zn2+含量下降,但差異不顯著。與染鉛組相比,高劑量SLPs組Pb2+含量降低了21.66%,差異顯著(P<0.05),Ca2+含量升高了26.65%,差異極顯著(P<0.01);中劑量SLPs組Fe2+含量升高了40.74%,差異極顯著(P<0.01);低、中、高劑量SLPs組在骨骼組織中Cu2+、Zn2+、Mg2+含量上升,但差異不顯著。
由圖3可知,與對(duì)照組相比,染鉛組骨骼中PTH含量升高了10.61%,差異極顯著(P<0.01),BGP、CT含量和AKP活性分別下降了12.42%、15.25%和26.03%,差異極顯著(P<0.01);與染鉛組相比,各劑量SLPs組骨骼中PTH含量均有所下降,其中,高劑量SLPs組PTH含量降低了8.63%,差異顯著(P<0.05),低、中、高劑量SLPs組骨骼中BGP含量均有所上升,但差異不顯著,中、高劑量SLPs組骨骼中CT含量分別升高了7.73%和11.11%,差異極顯著(P<0.01),高劑量SLPs組AKP活性升高了25.54%,差異顯著(P<0.05)。
SLPs對(duì)染鉛小鼠股骨組織形態(tài)的影響如圖4所示。
圖4 SLPs對(duì)染鉛小鼠股骨組織形態(tài)的影響(HE,×150)Fig.4 Effects of SLPs on the femur histomorphology in lead contaminated mice(HE,×150)
由圖4可知,對(duì)照組的股骨組織切片中的骨小梁正常,呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),光滑飽滿、粗細(xì)一致,骨細(xì)胞分布均勻,清晰可見,可見正常的髓腔;染鉛組的骨小梁稀疏不均,分布紊亂,部分區(qū)域骨小梁出現(xiàn)中斷甚至消失,且骨小梁邊緣出現(xiàn)了陷窩。與染鉛組相比,高劑量SLPs組的骨小梁分布較均勻,骨小梁邊緣陷窩較少,可見部分正常的髓腔。
從圖5可以看出,與對(duì)照組相比,染鉛組小鼠骨骼組織中TRPV5、TRPV6和NCX1mRNA表達(dá)量分別下降了90.81%、73.03%和44.68%,差異極顯著(P<0.01),PMCA1bmRNA表達(dá)量升高了157.75%,差異極顯著(P<0.01)。與染鉛組相比,高劑量SLPs組中TRPV5mRNA表達(dá)量升高了439.59%,差異極顯著(P<0.01);高劑量SLPs組PMCA1bmRNA表達(dá)量下降了63.79%,差異極顯著(P<0.01);中、高劑量SLPs組中TRPV6mRNA表達(dá)量分別升高了90.53%和116.06%,差異極顯著(P<0.01),各劑量SLPs組NCX1mRNA表達(dá)量均有上升,但差異不顯著(P>0.05)。
圖5 SLPs對(duì)染鉛小鼠骨骼中TRPV5、TRPV6、PMCA1b和NCX1 mRNA相對(duì)表達(dá)量的影響Fig.5 Effects of SLPs on the relative expression levels of TRPV5,TRPV6,PMCA1b and NCX1 mRNA in bones of lead contaminated mice
鉛是一種有毒重金屬,由于其不可降解,很容易通過食物鏈沉積在人和動(dòng)物體內(nèi),從而對(duì)血液、腸道、免疫、骨骼等系統(tǒng)造成危害[27-29]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,與對(duì)照組相比,染鉛組小鼠骨骼中鉛含量極顯著升高,說明鉛暴露引起小鼠骨骼中鉛的蓄積,也證明了本試驗(yàn)造模成功。同時(shí)鉛引起小鼠骨骼中鈣、鐵、銅、錳元素失衡,這可能是由于Pb2+與這些二價(jià)元素共用一個(gè)離子通道并存在競爭拮抗作用,且鉛與骨骼組織的親和性更強(qiáng)[4]。而染鉛小鼠在攝入SLPs后可有效調(diào)節(jié)骨骼中鉛、鈣、鐵含量,其機(jī)制可能是多糖以分子形式進(jìn)入機(jī)體,提供氨基、硫酸基等官能團(tuán)與鉛結(jié)合促進(jìn)鉛的排出,同時(shí)SLPs與Ca2+、Fe2+等形成復(fù)合物從而抑制腸腔吸收,進(jìn)而影響鈣、鐵的代謝,但其具體作用機(jī)制還有待探究[3,30]。
PTH是調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)鈣、磷平衡的重要激素之一,CT是PTH的拮抗物,可降低血鈣,促進(jìn)骨細(xì)胞向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化,降低破骨細(xì)胞活性和數(shù)量,從而促進(jìn)骨骼的生長發(fā)育[31-32]。BGP和AKP均由成骨細(xì)胞合成,BGP會(huì)與Ca2+結(jié)合促進(jìn)骨礦化,二者常用來評(píng)價(jià)成骨細(xì)胞生成骨質(zhì)情況[33]。本研究發(fā)現(xiàn),鉛可顯著降低小鼠骨骼中BGP、CT含量和AKP活性,顯著升高PTH含量,與李茜[12]的研究結(jié)果一致。AKP活性的降低可能是由于體內(nèi)微量元素失衡引起的。鉛暴露導(dǎo)致的骨骼中BGP含量和AKP活性的降低,使成骨細(xì)胞凋亡增加,從而影響骨的礦化和成骨細(xì)胞正常功能的發(fā)揮,對(duì)骨骼造成了損傷,表現(xiàn)為骨小梁稀疏不均,分布紊亂,且骨小梁邊緣出現(xiàn)了陷窩。同時(shí),機(jī)體鈣含量的降低促進(jìn)了PTH的合成和分泌,以維持機(jī)體鈣平衡[34]。CT與PTH拮抗,CT含量降低,減緩生骨細(xì)胞向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)換的過程,破壞了機(jī)體正常骨形成和代謝。而高劑量SLPs可以有效逆轉(zhuǎn)這種趨勢,緩解鉛致骨骼系統(tǒng)功能的失衡,維持機(jī)體的骨代謝平衡,改善鉛致小鼠骨組織結(jié)構(gòu)的損傷,使骨小梁分布更均勻,骨小梁邊緣陷窩較少。
TRPV5及TRPV6與鈣離子代謝有關(guān),在腸道、腎臟、骨骼等器官中均有表達(dá),NCX1和PMCA1b是細(xì)胞內(nèi)鈣離子運(yùn)出相關(guān)的通道[35-37]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,與對(duì)照組相比,染鉛組的TRPV5、TRPV6和NCX1mRNA表達(dá)量均極顯著下降,而PMCA1bmRNA表達(dá)量極顯著上升,以前的研究[11]支持本研究的結(jié)果。TRPV5和TRPV6mRNA表達(dá)量的下降,可能是由于TRPV5、TRPV6通路具有高度的鈣選擇性,當(dāng)細(xì)胞外鈣離子濃度較低時(shí),受到鈣依賴性反饋調(diào)節(jié)的作用,將鈣離子向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)。同時(shí),染鉛小鼠骨骼中鉛取代鈣主要以磷酸鉛的形式蓄積,為維持機(jī)體內(nèi)骨鈣和血鈣平衡,骨骼組織中的鈣釋放進(jìn)入血液,鈣的排出量增大,使PMCA1bmRNA表達(dá)量上升。而在PMCA1bmRNA表達(dá)量極顯著上升的同時(shí)NCX1mRNA表達(dá)下降,二者之間在轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)出鈣過程中的具體機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。染鉛小鼠攝入SLPs后,上調(diào)了TRPV5及TRPV6mRNA的表達(dá)量,促進(jìn)了機(jī)體對(duì)鈣離子的吸收,增加了骨骼的鈣含量,而骨鈣的增加減少了鈣向血液流動(dòng),PMCA1bmRNA表達(dá)量下調(diào),使骨骼組織對(duì)鈣的運(yùn)出減少。
綜上,SLPs可以促進(jìn)機(jī)體對(duì)鉛的排泄,降低骨骼中鉛的含量,改善骨骼鈣鐵元素失衡,使骨骼中PTH水平降低、CT含量和AKP活性提高,同時(shí)會(huì)提高鈣離子向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)通道TRPV5和TRPV6mRNA表達(dá)量,使細(xì)胞內(nèi)吸收的鈣離子增加。鈣離子進(jìn)入細(xì)胞后,鈣結(jié)合蛋白會(huì)與其立即結(jié)合,將鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)至基底外側(cè)膜,并通過PMCA1b將鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞外。SLPs降低了PMCA1bmRNA表達(dá)量,減少了鈣離子向細(xì)胞外轉(zhuǎn)運(yùn),從而提高了骨骼中鈣離子的含量,促進(jìn)骨骼的生長發(fā)育,有效緩解了鉛致小鼠骨骼組織結(jié)構(gòu)的損傷,調(diào)節(jié)小鼠骨骼鈣代謝紊亂。
本研究表明,鉛暴露導(dǎo)致小鼠骨骼中鉛蓄積,降低了Ca2+、Fe2+、Cu2+、Mn2+元素含量、BGP、CT含量和AKP活性,升高了AKP含量;小鼠骨骼組織結(jié)構(gòu)損傷,骨小梁稀疏不均,分布紊亂,TRPV5、TRPV6和NCX1mRNA表達(dá)量下調(diào),PMCA1bmRNA表達(dá)量上調(diào)。而SLPs可以逆轉(zhuǎn)這種趨勢,能夠促進(jìn)機(jī)體對(duì)鉛的排泄,降低骨骼中Pb2+的含量,提高骨骼中Ca2+和Fe2+的含量,有效改善鉛致骨骼中鈣鐵元素失衡,降低骨骼中PTH水平,提高CT含量和AKP活性,從而促進(jìn)骨骼的生長發(fā)育,有效緩解鉛對(duì)小鼠骨組織結(jié)構(gòu)的損傷,促進(jìn)TRPV5、TRPV6mRNA表 達(dá),抑 制PMCA1bmRNA表達(dá),調(diào)控鈣代謝相關(guān)基因,提示SLPs可有效緩解鉛致小鼠骨骼鈣代謝紊亂。