趙海峰,范鳴玥,陳 亮,秦 澤,李 紅,楊素勉
(1.石家莊市第四醫(yī)院麻醉科,河北 石家莊 050000;河北省人民醫(yī)院 2.神經內科,3.眼科,河北 石家莊 050051)
治療腦缺血再灌注損傷(cerebral ischemiareperfusion injury,CIRI)的長期目標是減少腦缺血相關的神經元細胞死亡,目前已有一系列藥物和介入療法可以緩解CIRI 誘導的大腦神經元細胞凋亡[1]。氧化應激、炎癥反應、細胞凋亡和細胞焦亡等是CIRI 過程中重要的損傷機制[2]。目前臨床上的藥物治療效果并不理想,研究CIRI發(fā)病機制及有效的治療藥物是當前急需解決的問題。
鹽酸右美托咪定(dexmedetomidine hydrochloride,DEX)是一種高選擇性的ɑ2腎上腺素受體激動劑,具有鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛和抗焦慮作用,常作為鎮(zhèn)靜和麻醉劑,能有效緩解患者的煩躁和焦慮情緒[3]。有研究表明,DEX 對手術中顱腦損傷患者具有較好的鎮(zhèn)靜作用,對患者腦組織有一定的保護作用[4]。動物實驗顯示,DEX 可通過上調大鼠腦組織中微RNA-381 表達降低炎癥反應,在大鼠CIRI 中發(fā)揮神經保護作用[5]。
細胞焦亡可通過多種途徑參與缺血性腦卒中的發(fā)展過程,抑制細胞焦亡可減輕缺血性腦卒中引發(fā)的腦損傷[6]。GSDMD是gasdermins(GSDM)家族成員,為胱天蛋白酶1的底物,是細胞焦亡的執(zhí)行者。GSDMD 的C 端和N 端均存在保守的結構域,其中N 端具有細胞毒性,可與脂質組分結合在細胞膜上形成孔洞。GSDMD 可被胱天蛋白酶1 切割成C 端和N 端,其N 端在細胞膜上寡聚化形成非選擇性孔道,釋放成熟的白細胞介素18(interleukin-18,IL-18)和IL-1β,誘導細胞焦亡的發(fā)生[7-8]。此外,細胞焦亡與NOD 樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3,NLRP3)炎癥小體通路相關[9],其主要功能是激活胱天蛋白酶1前體形成胱天蛋白酶1,活化胱天蛋白酶1剪切IL-1β前體和IL-18 前體形成成熟的IL-1β 和IL-18,導致機體發(fā)生一系列炎癥反應,從而導致CIRI[10]。細胞焦亡信號分子被認為是對缺血再灌注誘導的中樞神經系統(tǒng)功能損傷進行干預的靶點之一。本研究評估DEX對氧糖剝奪再復供(oxygen-glucose deprivation/reperfusion,OGD/R)處理的PC12細胞及大腦中動脈阻塞再灌注(middle cerebral artery occlusion/reperfusion,MCAO/R)大鼠腦組織中焦亡相關蛋白GSDMD-N 段(GSDMD-N)、NLRP3和胱天蛋白酶1表達及IL-1β和IL-18水平的影響,探討DEX減輕CIRI的作用機制。
DEX(貨號:SML0956),江蘇星辰醫(yī)藥有限公司;PC12細胞,上海通派生物科技有限公司;IL-1β和IL-18 ELISA 試劑盒及胱天蛋白酶1 活性檢測試劑盒(NEMC041.96),深圳欣博盛生物科技有限公司;兔抗大鼠NLRP3(ab263899)、胱天蛋白酶1(ab207802)、GSDMD-N(ab215203)和GAPDH(ab8245)單克隆抗體及辣根過氧化物酶標記的山羊抗兔IgG 抗體(ab6721),英國Abcam 公司;焦亡抑制劑VX-7652,武漢ABclonal 公司;DMEM 培養(yǎng)基和胎牛血清,美國Gibco 公司;1% Tritonx-100、RIPA裂解液、CCK-8 試劑盒、TTC 染液和BCA 蛋白定量試劑盒,上海碧云天生物科技有限公司;乳酸脫氫酶(L-lactate dehydrogenase,LDH)試劑盒,南京建成生物工程研究所;凝膠電泳系統(tǒng)(型號:1658001),美國Bio-Rad 公司;CO2培養(yǎng)箱(型號:Forma?3)和酶標儀(型號:Multiskan SkyHigh),美國Thermo 公司;熒光顯微鏡(型號:IX71),日本Olympus 公司;LC-LX-HR165A 臺式高速冷凍離心機,上海力辰科技有限公司。
PC12 細胞以無糖、無血清細胞培養(yǎng)液,于37 ℃,0.2% O2、5% CO2、95% N2條件下培養(yǎng)3 h,然后更換為含糖、含10%胎牛血清的細胞培養(yǎng)液,置 于37 ℃,5% CO2培養(yǎng) 箱 中 培 養(yǎng)24 h[11]制 備OGD/R 模型。①PC12 細胞分為細胞對照組、OGD/R 模型組、模型+DEX 2,5 和10 μmol·L-1組,給藥組PC12細胞于OGD/R處理后給予DEX,置于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h 后進行后續(xù)實驗。②PC12 細胞分為細胞對照組、OGD/R 模型組、模型+VX-765 2 μmol·L-1組 和 模型+VX-7652 μmol·L-1+DEX 10 μmol·L-1組,給藥組PC12細胞于OGD/R處理后給予VX-7652或同時給予VX-7652和DEX,置于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后進行后續(xù)實驗。每組3個復孔。
雄性SD 大鼠25只,體重180~230 g,SPF級,由常州卡文斯實驗動物有限公司提供,動物合格證號:SCXK(蘇)2021-0013。飼養(yǎng)于石家莊市第四醫(yī)院實驗動物部,將大鼠分為假手術組、MCAO/R模型組、模型+DEX 25,50,100 μg·kg-1組,每組5只。大鼠術前禁食24 h,模型組及模型+DEX 給藥組大鼠采用線栓法制備MCAO/R 模型,ip 給予4%水合氯醛ip 麻醉大鼠后仰臥固定,切開皮膚暴露右側頸動脈,在頸外動脈主干處剪一小口,將線栓由剪口部分緩慢向顱腦方向插入阻斷大腦中動脈的血流供應,40 min后將線栓拔出完成再灌注。假手術組大鼠僅分離暴露血管,模型+DEX組大鼠在再灌注40 min后ip給予相應劑量DEX。模型組和假手術組ip給予等體積生理鹽水。給藥24 h后處死大鼠,取出完整腦組織。
取對數生長期細胞接種于96 孔板中,每孔3×103個細胞,按1.2 分組①方法分組。細胞孵育48 h 后,在各組細胞中添加10 μL CCK-8 溶液,在37 ℃孵育2 h,用酶標儀測定450 nm 的吸光度(A450nm)值。以不含細胞只加試劑的孔作為空白對照孔進行調零,計算細胞存活率。細胞存活率(%)=〔(實驗組A450nm-空白對照組A450nm)/(細胞對照組A450nm-空白對照組A450nm)〕×100%。
取對數生長期細胞接種于96 孔板中,按1.2 分組①處理細胞。另設空白組(不接種細胞,作為試劑背景對照)和完全裂解組(只接種細胞,檢測前30 min 加入10 μL 1% Tritonx-100 裂解液,以裂解細胞充分釋放LDH)。細胞在37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h,收集細胞上清液,采用LDH 試劑盒在440 nm 測定溶液吸光度值(A440nm),計算LDH 釋放率。LDH 釋放率(%)=〔(實驗組A440nm-空白組A440nm)/(完全裂解組A440nm-空白組A440nm)〕×100%。
取對數生長期細胞接種于6孔板中,按1.2分組①處理細胞。OGD/R 處理細胞24 h 后,給藥組加入DEX 2,5 和10 μmol·L-1,置37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h。PBS 洗滌2 次,用4%多聚甲醛固定細胞30 min;PBS 洗滌2 次,然后用含2%牛血清白蛋白和1%牛血清的PBS 室溫孵育60 min,以阻斷非特異性結合。加入抗GSDMD-N 抗體(1∶500)4 ℃孵育過夜。加DAPI染核15 min,用熒光顯微鏡觀察。染色陽性細胞為表達GSDMD-N 蛋白(紅色熒光)的細胞,計算單位面積下陽性染色細胞比例。
收集并裂解1.2 分組①和②的細胞和1.3 大鼠腦組織,隨后進行蛋白定量、上樣、轉膜、封閉,加入NLRP3、胱天蛋白酶1、GSDMD-N 和GAPDH 一抗稀釋液(1∶1000)后于4 ℃孵育過夜。次日加辣根過氧化物酶標記的二抗(1∶10 000)4 ℃孵育2 h。隨后用凝膠成像儀對蛋白條帶進行成像,并用Image J軟件對條帶進行積分吸光度掃描分析,以GAPDH蛋白為內參,用目標蛋白與內參蛋白條帶積分吸光度值的比值反映目標蛋白的相對表達水平。
收集1.2 分組①和②細胞培養(yǎng)上清液以及1.3分組的大鼠腦組織,按照試劑盒說明書操作,用酶標儀在450 nm分別測定PC12細胞上清液和大鼠腦組織勻漿液吸光度值,根據標準曲線計算IL-1β和IL-18含量(ng·L-1)。
1.3 分組大鼠,分別于給藥后2 和24 h 采用Longa 神經功能評分法[12]評估各組大鼠的神經功能。0 分為無神經損傷癥狀,1分為提尾時病灶對側前肢無法完全伸直,2 分為行走時出現向癱瘓側轉圈,3分為行走時向病灶對側跌倒,4分為喪失意識、且無法自發(fā)行走。
將1.3分組的大鼠斷頭取腦,剝離大腦于-20 ℃冰箱冷凍20 min后,立即作冠狀位等距離連續(xù)切片(厚度2 mm),共切分為5片。用1%的TTC 染液在37 ℃水浴中避光染色30 min,加入4%多聚甲醛固定24 h。使用Image J 軟件對切片進行掃描,分析梗死側腦片非梗死區(qū)面積和正常側腦片面積。梗死側腦片的非梗死面積乘以腦片的厚度即梗死側非梗死區(qū)大腦半球體積,正常側腦片面積乘以腦片厚度即正常側腦半球體積。腦梗死體積百分比(%)=(正常側腦半球體積-梗死側非梗死區(qū)大腦半球的體積)/正常側大腦半球體積×100%。
1.3 分組的大鼠給藥后24 h,斷頭取腦。分離出大腦皮質,根據大腦皮質質量加入生理鹽水(大腦皮質∶生理鹽水=1∶9),超聲勻漿后離心收集上清液。按胱天蛋白酶1活性檢測試劑盒說明書進行操作,用酶標儀在450 nm 測定溶液吸光度值,根據標準曲線計算各組大鼠大腦皮質胱天蛋白酶1活性(kU·g-1)[10]。
CCK-8 結果(圖1)顯示,與細胞對照組相比,OGD/R 模型組PC12 細胞存活率顯著降低(P<0.01);與模型組相比,模型+DEX 2,5和10 μmol·L-1組PC12細胞存活率均顯著升高(P<0.01)。
Fig.1 Effect of dexmedetomidine hydrochloride(DEX)on proliferation of PC12 cells exposed to oxygen-glucose deprivation/reperfusion(OGD/R)by CCK-8 assay. PC12 cells were exposed to oxygen-glucose deprivation/reperfusion(OGD/R,model)before being placed in DMEM medium containing DEX(2,5,10 μmol·L-1)for 48 h. The cells were divided into cell control group,model group(OGD/R),model+DEX 2 μmol·L-1 group,model+DEX 5 μmol·L-1 group and model+DEX 10 μmol·L-1 group. Cell viability(%)=[(A450 nm of experimental group-A450 nm of blank control group)/(A450 nm of cell control group-A450 nm of blank control group)]×100%. ±s,n=3. **P<0.01,compared with cell control group;##P<0.01,compared with model group.
與細胞對照組相比,模型組PC12 細胞LDH 釋放率顯著增加(P<0.01);與模型組相比,模型+DEX 2,5 和10 μmol·L-1組PC12 細胞LDH 釋放率顯著降低(P<0.05,P<0.01,圖2)。
Fig.2 Effect of DEX on lactate dehydrogenase(LDH)release of PC12 cells exposed to OGD/R. See Fig.1 for the cell treatment. LDH release rate(%)=[(A440 nm of experimental group-A440 nm of blank group)/(A440 nm of complete lysis group-A440 nm of blank group)]×100%.±s,n=3.**P<0.01,compared with cell control group;#P<0.05,##P<0.01,compared with model group.
免疫熒光染色結果(圖3)顯示,與細胞對照組相比,模型組GSDMD-N 蛋白陽性比例顯著升高(P<0.01)。與模型組相比,模型+DEX處理組PC12細胞GSDMD-N 蛋白陽性比例顯著降低(P<0.05,P<0.01)。
2.4.1 PC12細胞
Western 印跡結果(圖4)顯示,與細胞對照組相比,模型組GSDMD-N、NLRP3 和胱天蛋白酶1蛋白表達顯著升高(P<0.01);與模型組相比,模型+DEX 組降低GSDMD-N、NLRP3 和胱天蛋白酶1 蛋白表達顯著降低(P<0.05,P<0.01)。
Fig.4 Effect of DEX on GSDMD-N,NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3(NLRP3)and caspase 1 expressions in OGD/R-treated PC12 cells by Western blotting. See Fig.1 for the cell treatment.B was the semi-quantitative result of A. IA:integrated absorbance. ±s,n=3. **P<0.01,compared with cell control group;#P<0.05,##P<0.01,compared with model group.
Western 印跡結果(圖5)顯示,與模型組相比,模 型+VX-765 2 μmol·L-1組細 胞焦 亡相 關蛋 白GSDMD-N、NLRP3 和胱天蛋白酶1 表達顯著降低(P<0.01),表明VX-765 可以抑制OGD/R 所致的PC12 細胞焦亡;與模型+VX-765 2 μmol·L-1組相比,模型+VX-765 2 μmol·L-1+DEX 10 μmol·L-1組PC12 細胞GSDMD-N、NLRP3 和胱天蛋白酶1 蛋白表達無顯著差異。
Fig.5 Effect of VX-765 combined with DEX on protein expressions of GSDMD-N,NLRP3 and caspase-1 in OGD/R-treated PC12 cells by Western blotting. PC12 cells were exposed to OGD/R before being placed in DMEM medium containing VX-765 2 μmol·L-1 or VX-765 2 μmol·L-1+DEX 10 μmol·L-1 for 48 h. B was the semi-quantative result of A. ±s,n=3. **P<0.01,compared with cell control group;##P<0.01,compared with model group.
2.4.2 大鼠腦組織
Western 印跡結果顯示(圖6),與假手術組相比,模型組大鼠腦組織中GSDMD-N、NLRP3 和胱天蛋白酶1 蛋白表達顯著升高(P<0.01)。與模型組相比,模型+DEX 組GSDMD-N、NLRP3 和胱天蛋白酶1蛋白表達顯著降低(P<0.01),提示DEX 能夠抑制細胞的焦亡,具有保護腦組織的作用。
Fig.6 Effect of DEX on protein expressions of GSDMD-N,NLRP3 and caspase 1 in brain tissue of rats after middle cerebral artery occlusion/reperfusion(MCAO/R)by Western blotting. The rats were divided into sham group,MCAO/R model group,model+DEX 25,50 and 100 μg·kg-1 group. DEX was administered by ip at 40 min after reperfusion.B was the semi-quantative result of A.±s,n=5.**P<0.01,compared with sham group;##P<0.01,compared with model group.
2.5.1 PC12細胞
ELISA 檢測結果顯示,與細胞對照組相比,模型組細胞培養(yǎng)上清液中IL-1β和IL-18水平顯著升高(P<0.01);與模型組相比,模型+DEX組IL-1β和IL-18水平顯著降低(P<0.05,P<0.01,表1),提示DEX能夠抑制PC12細胞炎癥反應。與細胞對照組相比,模型組IL-1β和IL-18水平顯著升高(P<0.01);與模型組相比,模型+VX-765 2 μmol·L-1組細胞上清液中IL-1β和IL-18水平顯著降低(P<0.01,表2);與模型+VX-765 2 μmol·L-1組相比,模型+VX-765 2 μmol·L-1+DEX 10 μmol·L-1組PC12 細胞培養(yǎng)上清液中IL-1β和IL-18 的水平無顯著差異(表2)。上述結果提示,DEX 保護OGD/R 誘導的PC12 細胞損傷依賴于調控細胞焦亡。
Tab.1 Effect of DEX on interleukin-1β(lL-1β)and lL-18 levels in PC12 cell supernuant after OGD/R by ELlSA
Tab.2 Effect of VX-765 combined with DEX on lL-1β and lL-18 levels in supernuant of PC12 cells after OGD/R by ELlSA
2.5.2 大鼠腦組織
表3結果顯示,與假手術組相比,模型組大鼠腦組織中IL-1β 和IL-18 水平均顯著升高(P<0.01);與模型組相比,模型+DEX 給藥組大鼠腦組織IL-1β 和IL-18的水平明顯降低(P<0.05,P<0.01),提示DEX能夠抑制MCAO/R腦組織炎癥反應的發(fā)生。
Tab.3 Effect of DEX on lL-1β and lL-18 levels in brain tissue of rats after MCAO/R by ELlSA
與假手術組比較,模型組大鼠神經功能評分顯著升高(P<0.01),說明CIRI能夠造成大鼠的神經功能缺陷。與模型組比較,模型+DEX 給藥組大鼠神經功能評分明顯降低(P<0.05,P<0.01),說明DEX可緩解CIRI大鼠的神經功能缺陷(表4)。
Tab.4 Effect of DEX on neuromotor function of rats after MCAO/R
TTC 染色結果(圖7)顯示,與假手術組相比,MCAO/R 模型組腦梗死體積百分比顯著增加(P<0.01);與模型組相比,模型+DEX 組腦梗死體積百分比顯著降低(P<0.05,P<0.01)。
Fig.7 Effect of DEX on cerebral infraction volume of MCAO/R-treated rats by TTC staining. See Fig.6 for the rat treatment. B was the semi-quantitative result of A. Percentage of cerebral infarction volume(%)=(volume of normal cerebral hemisphere-volume of non-infarcted cerebral hemisphere of infarction side)/volume of normal cerebral hemisphere×100%. ±s,n=5.**P<0.01, compared with sham group;#P<0.05,##P<0.01,compared with model group.
表5結果顯示,與假手術組相比,模型組大鼠大腦皮質胱天蛋白酶1 活性顯著升高(P<0.05);與模型組相比,模型+DEX 50和100 mg·kg-1組大鼠大腦皮質胱天蛋白酶1活性顯著降低(P<0.05,P<0.01)。
Tab.5 Effect of DEX on caspase 1 activity in brain tissue of rats after MCAO/R
近年來,神經元焦亡已被證實參與中樞神經系統(tǒng)疾病的早期病理過程,包括創(chuàng)傷性腦損傷、CIRI和脊髓損傷[13]。早期研究表明,DEX 可以預防CIRI[5]。然而,DEX 對CIRI 神經細胞焦亡的作用尚不明確。在本研究中,利用體內MCAO/R 大鼠模型和體外OGD/R 誘導PC12 細胞損傷模型,證實OGD/R 損傷后PC12 細胞活力降低,細胞內焦亡相關蛋白GSDMD-N、NLRP3 和胱天蛋白酶1 蛋白表達增加,細胞培養(yǎng)上清液中炎癥因子IL-1β 和IL-18水平明顯升高;不同濃度DEX均可提高OGD/R后細胞存活率,降低焦亡相關蛋白表達和炎癥因子水平。DEX 可部分降低大鼠腦梗死體積及神經功能行為學評分,降低缺血腦組織中焦亡相關蛋白的表達水平。上述結果共同提示DEX 通過抑制細胞焦亡發(fā)揮抗CIRI作用。
細胞焦亡屬于胱天蛋白酶1 依賴性細胞死亡,是CIRI 的機制之一,通常是由GSDMD 介導的細胞炎性壞死,而激活GSDMD的正是NLRP3炎癥小體通路中的胱天蛋白酶1[13]。本研究顯示,OGD/R 可導致PC12細胞胱天蛋白酶1、IL-1β和IL-18大量釋放,而DEX 可以降低胱天蛋白酶1 以及IL-1β 和IL-18 水平,抑制神經細胞焦亡。NLRP3 炎癥小體能在腦缺血再灌注中活化,而活化的NLRP3炎癥小體可促進炎癥因子的釋放,引起病理性炎癥反應[14]。本研究發(fā)現,OGD/R 可激活NLRP3,進而活化胱天蛋白酶1 和GSDMD-N,誘導細胞焦亡。VX-765 是細胞焦亡抑制劑,VX-765 與DEX 聯(lián)合用藥結果顯示,PC12 細胞用VX-765 處理后,DEX 對焦亡相關蛋白表達以及IL-1β 和IL-18 水平的抑制作用消失,進一步證實了DEX 能特異性抑制OGD/R 損傷后PC12細胞的焦亡。
此外,在大鼠MCAO/R 模型中,DEX 能改善MCAO/R 大鼠神經功能。模型組大鼠腦組織中胱天蛋白酶1、NLRP3 和GSDMD-N 蛋白表達、腦梗死體積及IL-1β 和IL-18 水平顯著增加;DEX 能減少MCAO/R大鼠腦梗死體積,降低NLRP3、GSDMD-N和胱天蛋白酶1 蛋白表達,下調IL-1β和IL-18水平,降低胱天蛋白酶1活性,與體外實驗結果一致。這些體內實驗結果證實,DEX能夠減弱腦組織細胞焦亡,改善大鼠CIRI損傷。
有研究表明,DEX 可通過抑制小膠質細胞焦亡發(fā)揮對缺血性腦損傷的保護作用[15]。除小膠質細胞外,星形膠質細胞和少突膠質細胞在腦缺血中也起重要作用[16]。有文獻報道,DEX 能通過抑制星形膠質細胞的焦亡對腦損傷起到保護作用[17]。上述結果提示,DEX 在治療腦缺血損傷過程中對小膠質細胞和星形膠質細胞均有調控作用,而本研究結果進一步提示,DEX 治療腦缺血損傷的機制亦與抑制神經細胞焦亡有關。由于體內信號通路調控機制復雜且受多因素影響,未來需進一步深入研究DEX在缺血性腦損傷中的調控機制,并探討DEX 在腦缺血損傷中對星形膠質細胞、小膠質細胞、神經元和少突膠質細胞共同的藥效靶點。
綜上所述,DEX 對CIRI 具有保護作用,其機制可能與降低大腦皮質焦亡相關蛋白表達和減少炎癥因子IL-1β 和IL-18 水平有關。本研究為臨床治療CIRI提供了理論依據。