張欣亞,王碧瑩,賈??担垛?,2**
1河南中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院,鄭州,450046;2河南羚銳制藥股份有限公司,河南信陽,465550
類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)是一種進(jìn)行性骨破壞的全身免疫性疾病,其臨床特征為骨膜增殖和骨關(guān)節(jié)損傷[1]。流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果表明[2],RA 全球發(fā)病率約0.5%,且女性發(fā)病率高于男性。在我國貴州省部分地區(qū)RA 發(fā)病率高達(dá)9.2%,并具有30%~50%的致殘風(fēng)險[3]?,F(xiàn)代臨床研究表明[4],RA的發(fā)生受到環(huán)境、遺傳等多重因素影響,常涉及免疫細(xì)胞過度活化、免疫細(xì)胞亞群比例失衡、自身免疫炎癥等現(xiàn)象[1]。RA 發(fā)病常伴隨體內(nèi)代謝紊亂。研究表明,RA 患者常出現(xiàn)色氨酸及磷脂代謝異常[5],體內(nèi)甾體類代謝物顯著升高,出現(xiàn)類固醇代謝異常,而皮質(zhì)類固醇的治療能夠回調(diào)甾體類代謝物的水平,使類固醇代謝趨于正常[6]。這些研究表明內(nèi)源性代謝物的研究,有助于揭示RA 的發(fā)病機制,同時可輔助RA 的早期診斷及藥物評測。
來氟米特是一種具有異噁唑結(jié)構(gòu)的口服免疫抑制劑,臨床用于治療RA 和系統(tǒng)性紅斑狼瘡等免疫性疾病,療效顯著[7,8]。研究發(fā)現(xiàn)[9],來氟米特可通過抑制線粒體中二氫乳清酸脫氫酶活性,阻礙細(xì)胞合成尿嘧啶核苷,同時阻止細(xì)胞由G1 期向S 期發(fā)展,直接抑制淋巴細(xì)胞、B 細(xì)胞等免疫細(xì)胞的增殖,發(fā)揮免疫抑制作用。但來氟米特干預(yù)疾病的體內(nèi)變化過程研究尚不完善。本實驗建立了牛Ⅱ型膠原(CⅡ)誘導(dǎo)RA 模型大鼠,利用血清代謝組學(xué)技術(shù),監(jiān)控機體在疾病狀態(tài)和受到藥物干預(yù)后的內(nèi)源代謝物的水平變化,尋找機體在病理狀態(tài)下和藥物干預(yù)后差異表達(dá)的內(nèi)源代謝物,探討來氟米特干預(yù)RA的關(guān)鍵代謝通路,豐富來氟米特基礎(chǔ)研究,并為RA的治療策略和藥物開發(fā)提供實驗和理論基礎(chǔ)。
超高液相-四極桿飛行時間串聯(lián)質(zhì)譜(美國Agilent 公司,6546 UPLC-Q-TOF-MS 系統(tǒng)),Centrifuge 5810R 高速冷凍離心機(德國Eppendorf 公司)。
造模劑采用牛Ⅱ型膠原(批號20021,規(guī)格10mg/瓶)、弗氏完全佐劑(批號7001,規(guī)格5 mL/瓶)、不完全佐劑(批號7002,規(guī)格5 mL/瓶)均購自美國Chondrex 公司;來氟米特片(蘇州長征-欣凱制藥有限公司,國藥準(zhǔn)字H20000550,規(guī)格10 mg/片);IL-1β、IL-6ELISA 試劑盒(杭州聯(lián)科生物技術(shù)有限公司,批號EK301BHS-96、EK306HS-96);IgG ELISA盒(武漢伊萊瑞特生物科技股份有限公司,批號EEL-R0518c96T)。
乙腈、甲醇、異丙醇為色譜級試劑(美國ThermoFisher 公司,批號A998-4、A452-4、A451-4),純水(屈臣氏公司,規(guī)格600 mL/瓶)。
SPF 級Wistar 雌性大鼠,體重180~220 g,購自北京維通利華公司,動物生產(chǎn)許可證編號SCXK(京)2019-0009。飼養(yǎng)過程中大鼠自由攝食攝水,適應(yīng)性喂養(yǎng)1 周后開始實驗。實驗過程符合河南中醫(yī)藥大學(xué)實驗動物倫理要求(DWLL20210631)。
隨機選取6 只大鼠為空白組,其余20 只大鼠按照文獻(xiàn)方法[10]建立RA 模型。將完全佐劑與不完全佐劑按3∶1 比例混勻,加入CⅡ膠原,乳化完全后作為造模劑備用。于大鼠尾根部皮內(nèi)注射0.15 mL造模劑完成首次免疫。首次免疫7 天后,造模大鼠尾部皮內(nèi)注射0.10 mL 造模劑進(jìn)行二次免疫,每天觀察造模大鼠狀態(tài),根據(jù)RA 評分法細(xì)則進(jìn)行評分(RA 評分達(dá)到2 分則造模成功)[11]。剔除未成模大鼠,將造模成功的大鼠隨機被分為模型組和來氟米特組,每組各6 只。
將來氟米特片破碎并制成混懸液用于灌胃。按照來氟米特臨床用藥劑量,換算成大鼠灌胃劑量,前3 天5.25 mg·kg-1,后維持2.1 mg·kg-1,每天灌胃一次。正常組、模型組分別給予等體積0.9%生理鹽水,每天灌胃一次。實驗持續(xù)給藥21 天。
本實驗使用RA 評分法、排水法和游標(biāo)卡尺法量化評價各組大鼠關(guān)節(jié)腫脹度。
RA 評分法:二次免疫結(jié)束后,每7 天觀察一次大鼠關(guān)節(jié)外觀。關(guān)節(jié)炎的嚴(yán)重程度采用5 級評分量表評分[12]:踝關(guān)節(jié)到整個足腫脹4分,腳趾到踝關(guān)節(jié)腫脹3分,腳趾和腳趾關(guān)節(jié)腫脹2分,腳趾小關(guān)節(jié)紅斑或腫脹1分,無紅斑或腫脹為0 分。每只大鼠的評分為四肢之和,最高關(guān)節(jié)炎評分為16 分。
排水重法[13]:在大鼠腳踝處使用記號筆標(biāo)記一條線,以保證每次稱重均在此線上。在天平上放置一個裝水的燒杯,手持大鼠使其腳踝沒入水中至與線平齊,此時天平示數(shù)即為大鼠關(guān)節(jié)腫脹程度。
游標(biāo)卡尺法[14]:使用游標(biāo)卡尺測量大鼠足底到腳踝面的高度,量化大鼠關(guān)節(jié)炎腫脹。
大鼠血清中IL-1β、IL-6 和IgG 水平測定:各組大鼠腹腔主動脈取血,并于4℃離心機中8000 r·min-1離心10 min,收集血清,-80℃冰箱保存。采用酶聯(lián)免疫法測定IL-1β、IL-6 和IgG 水平,具體操作按試劑盒說明進(jìn)行。
大鼠脾指數(shù)評價:實驗第21 天記錄大鼠體重。將各組大鼠脾臟完整取出,稱量重量并記錄。按照脾指數(shù)=脾重(mg)/體重(g)計算出各組大鼠脾指數(shù)。
剪下各組大鼠的腳踝,剃去肌肉組織,于多聚甲醛中固定24 h,后轉(zhuǎn)移至脫鈣液中脫鈣。脫鈣完成后進(jìn)行脫水、包埋、切片、HE 染色和番紅固綠染色。使用顯微鏡對切片結(jié)果進(jìn)行觀察。
1.7.1 血清樣品前處理 取大鼠血清100 μL,加入乙腈使蛋白沉淀完全后,置于4℃離心機13 000 r·min-1離心10 min,取上清在真空濃縮儀中干燥,加入80%甲醇-水溶液50 μL 復(fù)溶,離心10 min,取上清液進(jìn)樣。各組血清樣品各取50 μL 混合,按照上述方法制成質(zhì)量控制(quality control,QC)樣品,用于實驗過程中的儀器穩(wěn)定性的分析。
1.7.2 代謝組學(xué)液質(zhì)條件 色譜條件:色譜柱:安捷倫Proshell 120 EC18(2.1 mm×100 mm,1.8 μm)。以0.1%甲酸水為水相(A),乙腈為有機相(B),行梯度洗脫:0~2 min,5%B;2~3 min,5%→10%B;3~10 min,10%→20%B;10~20 min,20%→100%B;20~22 min,100%B。流速0.3 mL·min-1,自動進(jìn)樣器溫度4℃,進(jìn)樣量1 μL,柱溫箱溫度25℃。
質(zhì)譜條件:采用正、負(fù)離子模式采集質(zhì)譜數(shù)據(jù)。毛細(xì)管電壓3500 V(正)和4000 V(負(fù)),噴嘴電壓500 V(正)和1000 V(負(fù)),鞘氣流速9 mL·min-1,溫度350℃;氮氣流速11 mL·min-1,毛細(xì)管溫度320℃,質(zhì)量掃描范圍50~1500 m/z。
1.7.3 代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析 處理完成的血清樣品按照色譜質(zhì)譜條件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,利用Profinder 10.0 軟件(美國Agilent 公司)對數(shù)據(jù)進(jìn)行峰提取及峰對齊等處理,再運用MassHunter Profinder Profile 8.0 軟件進(jìn)行Frequency 篩選,得到由保留時間、峰面積和Mass 值構(gòu)成的三維數(shù)據(jù),完成后導(dǎo)入Simca P 14.1 軟件(瑞典Umetrics 公司)進(jìn)行主成分分析(principal component analysis,PCA)和正交偏最小二乘法判別分析(orthogonal partial leastsquares discrimination analysis,OPLS-DA)。
首先,運用PCA 分析法對各組樣品進(jìn)行區(qū)分。再分別對各組進(jìn)行OPLS-DA 分析,以變量重要性投影(variable importance in the projection,VIP)>1且單因素方差分析P <0.05 作為標(biāo)準(zhǔn),篩選出潛在差異代謝物。再將質(zhì)譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入Metlin 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配,篩選出得分>80 的化合物,并與HMDB、KEGG、Pubchem、Massbank 等多個在線數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比,根據(jù)二級質(zhì)譜離子碎片和化學(xué)鍵斷裂規(guī)律來推斷其結(jié)構(gòu)。最后,將差異代謝物輸入到Metabo-Analyst 5.0 在線數(shù)據(jù)庫中,利用pathway analysis 富集疾病通路,推斷疾病誘發(fā)體內(nèi)代謝變化及藥物干預(yù)的代謝通路。
使用GraphPad prism 7.0 采用單因素方差分析對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析,符合方差齊性的采用最小顯著差異法(least-significant difference,LSD),不符合方差齊性的采用Dunnett's T3 法。
造模成功后,模型組大鼠出現(xiàn)小關(guān)節(jié)腫脹,伴有局部皮膚變紅發(fā)熱,隨病情發(fā)展大鼠踝關(guān)節(jié)腫脹明顯。病程后期,模型組大鼠關(guān)節(jié)嚴(yán)重腫脹,行動減少,整體呈炎癥紅腫狀。與模型組相比,來氟米特組大鼠關(guān)節(jié)腫脹情況明顯減輕,局部關(guān)節(jié)處仍伴有炎癥腫脹現(xiàn)象(圖1A)。
圖1 踝關(guān)節(jié)外觀狀態(tài)(A);RA 得分(B);排水重法(C)及游標(biāo)卡尺測量法(D)量化腫脹度結(jié)果(,n=6)
本實驗采用RA 評分法、排水重法和游標(biāo)卡尺測量法量化各組大鼠關(guān)節(jié)腫脹度(圖1B~D)。實驗開始14天,與空白組相比,模型組大鼠RA 得分顯著上升。實驗開始21天,與模型組相比,來氟米特組大鼠RA 得分開始下降(P <0.01),腫脹度顯著降低(P <0.01)。以上結(jié)果說明給藥后大鼠關(guān)節(jié)腫脹減輕。
HE 染色和番紅固綠染色結(jié)果(圖2)顯示,空白組關(guān)節(jié)邊緣清晰,未見血管翳增生和關(guān)節(jié)侵蝕。與空白組相比,模型組大鼠關(guān)節(jié)處軟骨增生,并侵蝕軟骨及骨小梁,少量覆于軟骨表面形成血管翳,骨關(guān)節(jié)被破壞,關(guān)節(jié)腔內(nèi)可見炎癥細(xì)胞浸潤且細(xì)胞基質(zhì)流失嚴(yán)重。與模型組相比,來氟米特組給藥后在骨侵蝕和血管翳的形成上均有一定程度緩解。
圖2 各組大鼠踝關(guān)節(jié)的HE 染色切片和番紅固綠染色切片結(jié)果
對各組大鼠的脾指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析(圖3)。與空白組相比,模型組大鼠的脾指數(shù)有顯著增加(P <0.01)。與模型組大鼠相比,來氟米特組脾指數(shù)有降低趨勢,但不具備統(tǒng)計學(xué)意義。
圖3 各組大鼠脾指數(shù)結(jié)果(n=6)
與空白組相比,模型組大鼠血清中IL-1β、IL-6和IgG 含量均顯著升高(P <0.01)。與模型組相比,來氟米特組大鼠血清中IL-1β、IL-6 和IgG 含量均顯著降低(P <0.01)。結(jié)果見圖4。
圖4 各組大鼠血清中的IL-6(A)、IL-1β(B)及IgG(C)水平(n=6)
將各組血清樣品按照“1.7.1”項下方法處理后,經(jīng)過UPLC-Q-TOF-MS 分析,得到總離子流(total ion current,TIC)圖(圖5)。
圖5 空白組(A)、模型組(B)及來氟米特組(C)的TIC圖
各組數(shù)據(jù)進(jìn)行峰提取、峰對齊和峰過濾操作后,得到由保留時間、Mass 值和峰面積組成的三維數(shù)據(jù)矩陣,利用SIMCA P 14.1 軟件進(jìn)行多元統(tǒng)計分析。首先使用PCA 對各組進(jìn)行無監(jiān)督判別分析。在負(fù)離子模式下,模型組與給藥組數(shù)據(jù)重疊性較大,說明在負(fù)離子模式下所檢測化合物不能體現(xiàn)給藥后大鼠體內(nèi)內(nèi)源性化合物的改變情況;而在正離子模式下,給藥組和模型組有較為明顯的區(qū)分(圖6A),說明藥物干預(yù)的內(nèi)源性化合物在正離子模式下有較強的響應(yīng),其中R2X 為0.551,說明該PCA 模型可信度高。故在本論文采用正離子模式下所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析。PCA 得分圖表明,QC 樣品聚合良好,說明儀器在數(shù)據(jù)收集過程中穩(wěn)定,數(shù)據(jù)可信??瞻捉M、模型組和來氟米特組之間能區(qū)別開,各組的代謝輪廓存在差異。
圖6 各組PCA 分析(A);空白組和模型組的OPLS-DA分析(B)及OPLS-DA 模型驗證結(jié)果(C);模型組和來氟米特組的OPLS-DA分析(D)及OPLS-DA 模型驗證結(jié)果(E)
2.5.1 差異代謝物篩選 為區(qū)分各組間的特征變量,獲得組間差異信息,采用OPLS-DA 分析空白組和模型組的差異(圖6B),兩組數(shù)據(jù)能夠明顯地區(qū)分為兩類,說明兩組之間存在明顯差異。對該模型進(jìn)行200 次置換檢驗,檢驗結(jié)果如圖6C 所示,Q2和R2左側(cè)低于最右側(cè),且Q2交于Y 軸原點以下,說明該模型擬合結(jié)果良好,可信度高。在此模型中,R2Y和Q2Y 分別為0.997 和0.781,說明該模型的解釋能力和預(yù)測能力均良好。在VIP>1 和單因素分析(P<0.05)共同篩選下,通過Metlin 等多個數(shù)據(jù)庫檢索鑒定,共指認(rèn)出51 種與疾病密切相關(guān)的差異代謝物,具體信息見表1。為直觀展示出這些差異代謝物在空白組和模型組中含量分布差異,使用熱圖進(jìn)行結(jié)果展示(圖7A)。將內(nèi)源代謝物的HMDB 號帶入MetaboAnalyst 5.0 在線數(shù)據(jù)庫進(jìn)行pathway analysis,并篩選出P<0.05 的代謝通路。結(jié)果如圖7B 所示,說明牛CⅡ誘導(dǎo)的大鼠RA 模型可引起類固醇激素類生物合成、鞘脂代謝和嘌呤代謝的異常。
表1 疾病相關(guān)差異代謝物信息
表2 來氟米特干預(yù)類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎疾病的內(nèi)源差異性代謝物信息
圖7 空白組和模型組差異代謝物熱圖(A);RA 代謝通路(B)
其次,模型組和來氟米特組進(jìn)行OPLS-DA 分析(圖6D),自動擬合建立代謝輪廓。該模型中R2Y 和Q2Y 參數(shù)分別為0.998 和0.736,說明該模型預(yù)測能力和解釋能力強。對該模型進(jìn)行200 次置換檢驗,檢驗結(jié)果如圖6E 所示,Q2和R2左側(cè)均低于最右側(cè),且Q2交于Y 軸原點以下,說明該模型擬合結(jié)果良好,進(jìn)一步判斷該模型結(jié)果可信。在前期篩選的51 個疾病相關(guān)差異代謝物的基礎(chǔ)上,根據(jù)VIP >1 和單因素分析(P <0.05)進(jìn)行再次篩選。結(jié)果表明,來氟米特顯著回調(diào)了14 種內(nèi)源性代謝物,具體信息見表1~2。對14 個差異內(nèi)源標(biāo)記物在各組中的相對含量進(jìn)行分析(圖8)。與空白組相比,除melatonin外,其余13 個內(nèi)源化合物的相對含量在模型組中顯著升高,來氟米特給藥后顯著降低。
圖8 14 種內(nèi)源代謝物在各組的相對含量
2.5.2 代謝通路分析 來氟米特回調(diào)的內(nèi)源化合物的HMDB 號投入Metaboanalysis 5.0 在線網(wǎng)站中進(jìn)行通路分析,并根據(jù)impact>0 篩選。結(jié)果顯示來氟米特主要調(diào)控了谷胱甘肽、半胱氨酸、蛋氨酸、色氨酸代謝,還參與了花生四烯酸及嘌呤的代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控,從而發(fā)揮對RA 模型大鼠的保護(hù)作用。
本文關(guān)節(jié)炎指數(shù)、血清指標(biāo)結(jié)果均說明來氟米特對類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎大鼠有顯著保護(hù)作用。
代謝通路分析結(jié)果顯示,蛋氨酸通過轉(zhuǎn)硫基途徑代謝產(chǎn)生半胱氨酸,半胱氨酸又是谷胱甘肽的合成的必需底物,這一過程是谷胱甘肽合成速率的主要限制因素[15,16]。在本實驗中,S-adenosylhomocysteine 是蛋氨酸轉(zhuǎn)硫基代謝途徑中的重要中間產(chǎn)物,與空白組相比,S-adenosylhomocysteine 在模型組中含量異常升高,蛋氨酸轉(zhuǎn)硫代謝途徑異常,谷胱甘肽合成受到影響。谷胱甘肽代謝過程產(chǎn)生了大量的還原緩沖劑和抗氧化劑,維持人體細(xì)胞的正常生理活動[17]。模型組中NADPH和S-adenosylhomocysteine 含量異常升高,谷胱甘肽代謝、半胱氨酸和蛋氨酸失衡,是RA 大鼠體內(nèi)氧化和抗氧化機制紊亂,細(xì)胞和組織發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)的重要表現(xiàn)。氧化應(yīng)激過程伴隨氧化自由基和活性氧的大量產(chǎn)生,同時促進(jìn)關(guān)節(jié)腔內(nèi)炎癥反應(yīng)發(fā)展。自由基可降解關(guān)節(jié)蛋白導(dǎo)致關(guān)節(jié)損傷[18],活性氧會攻擊細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等,導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙,最終導(dǎo)致RA 關(guān)節(jié)損傷[19,20]。來氟米特調(diào)控半胱氨酸和蛋氨酸代謝、谷胱甘肽代謝,可緩解RA 自身免疫導(dǎo)致的氧化應(yīng)激,減輕細(xì)胞和組織損傷。
色氨酸及其代謝產(chǎn)物與自身免疫疾病密切相關(guān),人體內(nèi)95%以上色氨酸經(jīng)由犬尿氨酸代謝途徑、5-羥色胺代謝途徑代謝。在犬尿氨酸代謝途徑中,色氨酸由吲哚胺吡咯2,3-加氧酶催化分解產(chǎn)生犬尿氨酸,后者由于其具有捕獲氧自由基的特性,被稱為內(nèi)源抗氧化劑[21]。在5-羥色胺代謝途徑中,5-羥色胺由色氨酸代謝產(chǎn)生,對多種免疫細(xì)胞有直接或間接作用。5-羥色胺作為melatonin 的前體,促進(jìn)巨噬細(xì)胞M1 極化過程中分泌IL-6 和TNF-α 等多種炎癥因子,促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化,破壞破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞之間的平衡,導(dǎo)致骨穩(wěn)態(tài)失衡,造成骨破壞[22]。5-羥色胺還能刺激巨噬細(xì)胞和成熟樹突狀細(xì)胞釋放超氧化物和多種炎癥因子,加重炎癥反應(yīng)[23]。在模型組中,5-羥色胺代謝轉(zhuǎn)化生成melatonin 途徑受阻,來氟米特干預(yù)后,5-羥色胺代謝途徑恢復(fù)正常,緩解關(guān)節(jié)炎癥和損傷。
環(huán)磷酸鳥苷(cyclic guanosine monophosphate,cGMP)是嘌呤代謝通路中的重要代謝產(chǎn)物。有實驗證明,cGMP 的含量異常升高與RA 大鼠的痛敏行為如行走障礙、患側(cè)足趾抬起等密切相關(guān)[24]。花生四烯酸及其代謝產(chǎn)物在RA 患者體內(nèi)表達(dá)升高,并刺激RA 關(guān)節(jié)的炎癥過程,介導(dǎo)關(guān)節(jié)破壞[25,26]。白三烯D4(leukotriene D4,LTD4)是由花生四烯酸通過5-脂氧合酶代謝產(chǎn)生的關(guān)鍵代謝物,可以增加血管的通透性,增加局部炎癥關(guān)節(jié)的滲出,加劇關(guān)節(jié)損傷。LTD4 和其他炎癥介質(zhì)LTC4 和LTB4,可加劇RA 的疼痛反應(yīng)[27]。來氟米特通過回調(diào)環(huán)磷酸鳥苷和LTD4的水平,調(diào)控嘌呤代謝和花生四烯酸代謝,對RA 的炎癥和疼痛的緩解有重要意義。
本研究通過血清代謝組學(xué),從機體在生理和病理不同狀態(tài)下的內(nèi)源化合物變化,闡述來氟米特干預(yù)RA 的機制。來氟米特作為免疫抑制劑,通過調(diào)控炎癥和免疫反應(yīng)中多種炎癥因子的釋放,干預(yù)谷胱甘肽、半胱氨酸、蛋氨酸、花生四烯酸、色氨酸及嘌呤代謝,發(fā)揮保護(hù)作用。代謝組學(xué)提供的病理條件下的異常代謝產(chǎn)物信息,可為類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的預(yù)防與治療提供參考。