阮紅良,佘冬梅,孫紹裘
1湖南中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院骨傷科,湖南 長沙 410007;2湖南省中醫(yī)骨傷科臨床研究中心,湖南 長沙410007
絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(PMOP)是一種與衰老有關(guān)的常見?。?],約20%的女性患有PMOP。既往的發(fā)病機(jī)制研究發(fā)現(xiàn),由于絕經(jīng)后雌激素及褪黑激素等缺乏,致使骨代謝失衡骨量減少,骨小梁微結(jié)構(gòu)破壞[2],大約10%的女性有不同部位的骨折[3]。疲勞是PMOP的主要癥狀,也是加重臨床癥狀或骨質(zhì)疏松性骨折的重要原因,嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量原因之一[4,5]。因此,開展骨質(zhì)疏松臨床與基礎(chǔ)研究,對于早期診斷和防治PMOP至關(guān)重要。
中醫(yī)論治PMOP多屬于腎陰虛證,臨床表現(xiàn)為膝軟無力,患部痿軟微熱,或五心煩熱,失眠多夢等癥候。疲勞是PMOP的主要癥狀之一,屬于多臟器虛損與脾腎肝虛損最為密切?!端貑枴ふ{(diào)經(jīng)論篇》曰:“有所勞倦,形氣衰少”。中醫(yī)理論和現(xiàn)代分子醫(yī)學(xué)研究表明,諸多疲勞癥狀也是加重臨床癥狀或骨質(zhì)疏松性骨折的重要原因[6]。有文獻(xiàn)報道,六味地黃丸能提高臨床患者骨密度,改善臨床疲勞癥狀,其臨床療效與絕經(jīng)后腎氣漸虛,腎陰陽失調(diào),人體免疫機(jī)能失調(diào)有關(guān)[7,8]。目前尚無研究明確闡明六味地黃丸預(yù)防和治療PMOP腎虛疲勞的分子作用機(jī)制。
新近研究表明,多種表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄因子參與了PMOP 的發(fā)生發(fā)展過程并起著重要調(diào)控作用[9]。溴結(jié)構(gòu)域蛋白4(BRD4)是表觀調(diào)控蛋白BET家族成員之一[10],已有研究發(fā)現(xiàn)BRD4是一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,其可以與乙?;旧|(zhì)結(jié)合,參與細(xì)胞分裂循環(huán)過程中的基因穩(wěn)定表達(dá),在成骨細(xì)胞分化過程中BRD4也發(fā)揮重要作用[11,12]。盡管目前BRD4分子研究的線索支持其可能在PMOP的發(fā)生發(fā)展過程中具有重要調(diào)控作用,但BRD4是否和PMOP中醫(yī)病機(jī)及癥候分類存在內(nèi)在聯(lián)系尚不清楚。此外,BRD4是否有望成為中醫(yī)藥的干預(yù)靶標(biāo)也鮮見報道。鑒于六味地黃丸在治療PMOP及抗疲勞方面具有較好的臨床應(yīng)用前景,本研究通過去卵巢骨質(zhì)疏松大鼠模型探討B(tài)RD4表達(dá)與六味地黃丸干預(yù)PMOP及疲勞的關(guān)系,以期從BRD4/MAPK/NF-κB轉(zhuǎn)錄因子角度探討六味地黃丸防治骨質(zhì)疏松癥的科學(xué)依據(jù)及其作用機(jī)制,為補(bǔ)腎中藥在廣大的骨質(zhì)疏松癥患者中的推廣應(yīng)用提供一定實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
SPF級雌性SD大鼠60只,6~8月齡,購自武漢華聯(lián)科生物科技有限公司模式動物中心,動物合格使用許可證號SYXK(河北?。?021-006。寄養(yǎng)于湖南中醫(yī)藥大學(xué)動物實(shí)驗(yàn)中心,喂養(yǎng)環(huán)境溫度設(shè)置21~25 ℃,濕度10%~30%;大鼠自由進(jìn)食和飲水,適應(yīng)性喂養(yǎng)后開展后續(xù)實(shí)驗(yàn)。本研究經(jīng)湖南中醫(yī)藥大學(xué)動物實(shí)驗(yàn)倫理委員會審批同意實(shí)施(202104100009)。
六味地黃丸[ 北京同仁堂(國藥準(zhǔn)字ZI9993068)],參照文獻(xiàn)報道的方法計算配制六味地黃丸(385.7 mg/(kg·d)[13],用純凈水調(diào)整至4 mL,每日上午灌胃。BRD4抗體工作濃度1∶1000、β-actin抗體工作濃度1∶3000、MAPK抗體工作濃度1∶1000、NF-κB抗體工作濃度1∶1000(Abcam)。蛋白提取試劑盒、BCA蛋白濃度檢測試劑盒和超敏ECL化學(xué)發(fā)光試劑盒(杭州碧云天生物技術(shù)公司),cGMP環(huán)磷酸鳥苷活性檢測試劑盒(BioVision),1%茜素紅染色試劑盒(索寶來)。
Discovery A 型小動物骨密度測試儀(Holigic),YLS-16A型小動物骨骼強(qiáng)度測定儀(濟(jì)南益延公司)。DM3000型正置熒光顯微鏡(Leica)。酶標(biāo)儀ELX800洗板機(jī)(BioTek)。全波長酶標(biāo)儀(BioTek)。
參照文獻(xiàn)報道摘除雙側(cè)卵巢,建立絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥模型[14]。腹腔注射2%戊巴比妥鈉麻醉(40 mg/kg),無菌條件下腹部正中切口進(jìn)腹,絲線結(jié)扎卵巢并摘除??p合切口前腹腔內(nèi)注入萬古霉素105U。手術(shù)后大鼠常規(guī)單獨(dú)飼養(yǎng),自由飲水和進(jìn)食。術(shù)后2周實(shí)驗(yàn)動物傷口完全愈合后合籠,灌胃給藥,分為3組:假手術(shù)組、模型組(生理鹽水,10 mL/kg)、六味地黃丸組(LWDH,六味地黃丸385.7 mg/kg)。
完整分離雙側(cè)股骨,標(biāo)本放置于骨密度測試儀平臺上,分析檢測整體股骨的骨密度(g/cm2)。同時,通過小動物骨骼強(qiáng)度測定儀,參照文獻(xiàn)報道采用三點(diǎn)彎曲法測量骨骼強(qiáng)度[13]。
用藥療程結(jié)束后,取各組大鼠雙側(cè)股骨組織標(biāo)本,4%多聚甲醛固定24 h,用10%EDTA脫鈣液(pH值8.0)脫鈣15 d后石蠟包埋。切片厚4 μm脫蠟,HE染色30 s,1%濃度鹽酸酒精分化后伊紅復(fù)染。
參照文獻(xiàn)報道末次給藥后1 h進(jìn)行負(fù)重游泳時間的測定[15],主要實(shí)驗(yàn)操作如下:對大鼠進(jìn)行適應(yīng)性非負(fù)重游泳訓(xùn)練5 d,30 min/次;將大鼠尾根部負(fù)荷以其體質(zhì)量5%的重物(鉛絲),放入水深35 cm,水溫20~25 ℃的游泳缸中,注意鼠的尾巴不接觸缸底,大鼠自游泳開始至頭部自然沉降超過9 s即為負(fù)重力竭游泳時間,每次實(shí)驗(yàn)后及時吹干大鼠毛發(fā),注意保溫。
參照文獻(xiàn)報道[16]經(jīng)鼠尾取血置入促凝管,室溫靜止30 min;1500 r/min,離心20 min,收集上清,制備血清樣本備用。按試劑盒操作說明書,采用雙抗體夾心ELISA法檢測cGAP和cGMP)。主要操作如下:酶標(biāo)板反應(yīng)孔加入稀釋好后的待測血清樣本或標(biāo)準(zhǔn)品50 μL后,加入生物素標(biāo)記的抗體50 μL,37 ℃孵育45 min;用洗板機(jī)洗滌2 次;每孔加入親和鏈酶素-HRP 量為100 μL,37 ℃孵育10 min;每孔加入底物50 μL,避免光照,輕輕振蕩混勻,37 ℃孵育5 min。取出酶標(biāo)板,迅速加入終止液50 μL;使用酶標(biāo)儀測定各孔的A50nm值,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,并計算cGMP/cGMP比值。
無菌條件下切取鼠的股骨皮質(zhì)骨骨片,剪成0.5 mm×0.5 mm 大小,約25 塊;將其置入含有DMEM 培養(yǎng)基細(xì)胞培養(yǎng)6孔板中,加入0.25%胰蛋白酶5 mL,37 ℃二氧化碳細(xì)胞培養(yǎng)箱消化20 min 后,用10%胎牛血清終止消化;再加入I型膠原酶10 mL(濃度為1.0 g/L),37 ℃二氧化碳細(xì)胞培養(yǎng)箱消化40 min,1000 r/min離心10 min,200目濾網(wǎng)去除骨片,收集原代成骨細(xì)胞。
按試劑盒操作說明,配制pH值為4.2的茜素紅溶液。原代成骨細(xì)胞接種6孔板培養(yǎng)14 d后,以10%中性福爾馬林進(jìn)行細(xì)胞固定,進(jìn)行茜素紅染色,顯微鏡下觀察,選取3個視野拍照,計數(shù)鈣結(jié)節(jié)形成的數(shù)目。
原代成骨細(xì)胞接種6孔板爬片用4%多聚甲醛固定后;PBS緩沖液洗滌3次,2 min/次;滴加封閉兔血清,37 ℃孵育60 min;加入一抗MAPK和NF-κB,工作濃度分別1∶1000和1∶1000,37 ℃孵育60 min;滴加一抗工作濃度分別1∶1000,37 ℃避光孵育60 min;DAPI復(fù)染細(xì)胞核。封片后顯微鏡下觀察,選取視野拍照,利用Image J軟件分析細(xì)胞陽性染色率。
稱取雙側(cè)股骨組織重量約50 mg,用含蛋白酶抑制劑的蛋白提取試劑盒提取總蛋白,并進(jìn)行熱變性制備蛋白樣品。在10%SDS-PAGE分離膠中進(jìn)行電泳,然后將分離的蛋白轉(zhuǎn)移至PVDF膜上。用含0.05%Tween-20和5%脫脂牛奶的Tris緩沖液封閉膜,與一抗4 ℃孵育過夜。一抗BRD4工作濃度為1∶500,內(nèi)參抗體工作濃度β-actin為1∶2000,與HRP偶聯(lián)的二抗孵育,用PBS洗滌膜后,加入超敏ECL化學(xué)發(fā)光試劑在暗室曝光洗片。底片掃描用Image J軟件分析灰度值。
PMOP相關(guān)數(shù)據(jù)集GSE56116從Gene Expression Omnibus(GEO)數(shù)據(jù)庫下載并用于獲得BRD4 信使RNA(mRNA)的差異表達(dá)。應(yīng)用KEGG通路富集分析和GO富集分析預(yù)測差異表達(dá)的BRD4 mRNA的相關(guān)功能。GSE56116 數(shù)據(jù)集按中醫(yī)證型將共納入10 例PMOP患者,分為3組;腎陰虛者4例,腎陽虛者3例,非腎虛者3例[17,18]。
所有統(tǒng)計均采用SPSS25.0統(tǒng)計軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。結(jié)果數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,組間比較采用單因素方差分析,以P<0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。
造模12周結(jié)束后,對各組大鼠骨密度、骨強(qiáng)度和骨組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。骨掃描結(jié)果見圖1A,與假手術(shù)組骨密度相比較,PMOP模型組大鼠股骨的骨密度明顯降低;六味地黃丸(LWDH)組能有效提高模型組大鼠骨密度(圖1B)和骨強(qiáng)度(圖1C),但LWDH組的骨密度和骨強(qiáng)度低于假手術(shù)組,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);中藥組與西藥組相比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。各組大鼠股骨干組織HE染色結(jié)果顯示,假手術(shù)組大鼠骨膜完整,骨小梁致密且分布較寬;與假手術(shù)組比較,模型組骨小梁稀少且小梁之間距離加大;LWDH組治療后的大鼠則觀察到骨小梁增加(圖1D)。
圖1 六味地黃丸改善PMOP骨組織病理Fig.1 Liuwei Dihuang(LWDH)Pills improve bone histopathology in PMOP rats.A:Representative bone density scan images.B: Comparison of bone density scans among the 3 groups.C:Comparison of bone strength among the groups.D:HE staining of the bone tissue in each group.**P<0.01,##P<0.01.
造模12周,PMOP模型組鼠表現(xiàn)活動減少,易激怒,飲水量增加。利用鼠負(fù)重游泳力竭時間實(shí)驗(yàn)比較了各組疲勞癥狀(圖2)。與假手術(shù)組相比較,模型組鼠負(fù)重游泳時間明顯減少,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01);與模型組相比較,LWDH組能提高模型組負(fù)重游泳時間,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。
圖2 六味地黃丸對抗PMOP鼠模型疲勞癥狀Fig.2 Effects of LWDH Pills on fatigue symptoms in PMOP rats shown by comparison of weight-bearing swimming time among the groups.**P<0.01,##P<0.01.
通過檢測各組鼠的血清核苷酸水平發(fā)現(xiàn),與假手術(shù)組相比較,模型組鼠血清cAMP(圖3A)、cGMP(圖3B)和cAMP/cGMP明顯升高(圖3C),差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。與模型組相比,LWDH組鼠的cAMP和cGMP顯著降低(P<0.01)。但是假手術(shù)組比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。
圖3 六味地黃丸減輕鼠PMOP血清cAMP和cGMP濃度Fig.3 Effect of LWDH Pills on serum cAMP and cGMP levels in in each group.A:Serum cAMP levels.B:Serum cGMP levels.C:Ratio of cAMP to cGMP.**P<0.01,***P<0.001,##P<0.01,###P<0.001.
分離培養(yǎng)獲得原代成骨細(xì)胞后(圖4),進(jìn)行茜素紅染色觀察成骨細(xì)胞鈣結(jié)節(jié)形成情況。結(jié)果顯示(圖5),與假手術(shù)組相比較,模型組成骨細(xì)胞鈣結(jié)節(jié)形成數(shù)明顯減少,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001)。與模型組相比較,LWDH組鈣結(jié)節(jié)形成數(shù)明顯增多,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。
圖4 股骨成骨細(xì)胞原代培養(yǎng)Fig.4 Primary culture osteoblasts from femur(Original magnification:×200).
圖5 六味地黃丸促進(jìn)成骨細(xì)胞鈣結(jié)節(jié)形成Fig.5 LWDH Pills promote the formation of calcium nodules in osteoblasts(Alizarin red staining,×200).**P<0.01,***P<0.001,##P<0.01.
Western blot檢測各組骨組織中BRD4蛋白表達(dá)結(jié)果(圖6),與假手術(shù)組比較,模型組BRD4蛋白表達(dá)升高,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01);與模型組比較,LWDH中藥干預(yù)后,BRD4蛋白表達(dá)均呈現(xiàn)下降趨勢,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。
圖6 六味地黃丸抑制BRD4蛋白表達(dá)Fig.6 LWDH Pills inhibit the expression of BRD4 protein in femoral bone tissues.**P<0.01,##P<0.01.
成骨細(xì)胞免疫熒光染色結(jié)果顯示(圖7A),LWDH干預(yù)后,POMP成骨細(xì)胞中BRD4蛋白表達(dá)水平下調(diào)。同時,MAPK(圖7B)和NF-κB(圖7C)蛋白細(xì)胞免疫熒光染色結(jié)果顯示,與假手術(shù)組比較,模型組MAPK和NF-κB蛋白表達(dá)升高,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001);與模型組比較,LWDH干預(yù)后,MAPK和NF-κB蛋白表達(dá)均呈現(xiàn)下降趨勢,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。
圖7 六味地黃丸抑制成骨細(xì)胞中BRD4、MAPK和NF-κB蛋白表達(dá)Fig.7 Immunofluorescence assay showing the effects of LWDH Pills on subcellular distribution of BRD4(A),MAPK(B)and NF-κB(C)in the osteoblasts(×200).**P<0.01,###P<0.001,##P<0.01,#P<0.05.
將GSE56116 測序數(shù)據(jù)分為PMOP 腎陰虛、腎陽虛、非腎虛3 組進(jìn)行比較(圖8A)。腎陰虛組BRD4 mRNA表達(dá)明顯高于腎陽虛組和非腎虛組,差異具有顯著性(P<0.05)。為進(jìn)一步研究BRD4在腎虛型PMOP中的分子作用基礎(chǔ),將PMOP分為BRD4 mRNA高表達(dá)組和低表達(dá)組(圖8B)。BRD4 mRNA 高表達(dá)涉及FAAP24、CDH16、PAGE2B、IGSF21 等基因改變;BRD4 mRNA低表達(dá)涉及C17ORF97和BTB結(jié)構(gòu)域的16(ZBTB16)基因改變。
圖8 PMOP腎虛分型與BRD4 mRNA的差異表達(dá)Fig.8 Analysis of the differential BRD4 mRNAexpressions in PMOP kidney deficiency subtypes.*P<0.05.
使用GSE56116腎陰虛型PMOP數(shù)據(jù)進(jìn)行KEGG通路分析和GO功能富集分析(圖9)。KEGG通路分析(圖9A),BRD4表達(dá)上調(diào)涉及神經(jīng)配體受體反應(yīng)、細(xì)胞骨架重排及細(xì)胞因子相互作用等信號通路;BRD4表達(dá)下調(diào)涉cAMP、局部粘附、胞嘧啶代謝信號通路。GO富集分析(圖9B),BRD4表達(dá)第二信使介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)、粒細(xì)胞集落刺激因子趨化性等。
六味地黃丸是一種由熟地黃、山藥、牡丹皮等藥物組成的中成藥。盡管六味地黃丸治療PMOP臨床療效取得肯定[19],但其作用于PMOP多成分、多靶點(diǎn)間的相互關(guān)系及作用機(jī)制仍有待深入研究。我們的研究結(jié)果表明,六味地黃丸干預(yù)PMOP動物模型,可下調(diào)表觀調(diào)控分子BRD4蛋白表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn),BRD4的抑制因子JQ1 參與PMOP 破骨細(xì)胞分化和病理性骨丟失的調(diào)控。BRD4可讀取組蛋白的乙酰賴氨酸,從而改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)以確定干細(xì)胞命運(yùn)和脂肪形成,敲除BRD4表達(dá)顯著減輕糖皮質(zhì)激素介導(dǎo)的對H3K9ac結(jié)合Runx2啟動子的抑制、提高骨鈣素和Runx2的表達(dá)、礦化基質(zhì)堆積[11]。我們通過原代培養(yǎng)的成骨細(xì)胞觀察成骨細(xì)胞鈣結(jié)節(jié)形成情況,發(fā)現(xiàn)六味地黃丸治療組鈣結(jié)節(jié)形成數(shù)增多,提示六味地黃丸抑制BRD4蛋白表達(dá),可能通過骨鈣素和Runx2信號通路,促進(jìn)鈣結(jié)節(jié)形成。這可能是六味地黃丸治療PMOP的新作用分子機(jī)制。
LWDH干預(yù)PMOP模型后,我們通過Western blot和免疫熒光染色方法檢測,研究發(fā)現(xiàn)POMP成骨細(xì)胞MAPK和NF-κB蛋白表達(dá)呈現(xiàn)下降趨勢。既往研究表明,破骨細(xì)胞的分化和形成依賴于巨噬細(xì)胞集落刺激因子和核因子κB受體活化因子配體的激活[10]。RANKL與核因子κB受體活化因子的結(jié)合會誘導(dǎo)腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6的募集,從而刺激破骨細(xì)胞生成所需的下游MAPK和NF-κB信號通路。同時,我們通過生物信息學(xué)方法進(jìn)一步研究六味地黃丸治療PMOP 中的分子作用基礎(chǔ),發(fā)現(xiàn)六味地黃丸下調(diào)BRD4蛋白表達(dá),可能涉及FAAP24、CDH16、PAGE2B、IGSF21、C17ORF97 和ZBTB16 基因表達(dá)改變。Yu 等[20]研究表明,在成骨過程中成骨細(xì)胞基因上的組蛋白被乙酰化,從而使BRD4能夠與成骨細(xì)胞基因ZBTB16結(jié)合?;贐RD4分子研究背景和我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,BRD4蛋白表達(dá)下調(diào)和炎癥相關(guān)信號通路的抑制,這可能是六味地黃丸作用PMOP的另一新的分子機(jī)理。
中醫(yī)學(xué)對骨質(zhì)疏松認(rèn)識較早,且發(fā)現(xiàn)證型繁多[18]。唐·孫思邀《備急千金要方·骨虛實(shí)第六》論曰:“骨虛者,酸疼不安好倦”。華佗《勞傷論第十九》:“勞者,勞于神氣也;傷者,傷于形容也”。由此可見,疲勞是引起PMOP患者臨床癥狀的重要病因。契合現(xiàn)代臨床上大量研究表明PMOP表現(xiàn)精神疲憊、四肢倦痛乏力等系列疲勞癥狀[8,21,22]。PMOP疲勞癥狀是歸屬多臟器虛損。我們分析了公共數(shù)據(jù)庫中BRD4基因表達(dá)與PMOP中醫(yī)腎虛癥候的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)腎陰虛組BRD4 mRNA表達(dá)明顯高于腎陽虛組和非腎虛組。此外,血清檢測結(jié)果顯示cAMP/cGMP比例明顯升高,也符合腎陰虛的特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示六味地黃丸能明顯提高PMOP鼠的負(fù)重游泳時間,符合改善疲勞的特征;BRD4可能是腎陰虛型PMOP疲勞相關(guān)基因,其過表達(dá)可預(yù)測六味地黃丸療效。中醫(yī)對PMOP的病因病機(jī)、治則治法的認(rèn)識均認(rèn)為腎虛為發(fā)病的關(guān)鍵。六味地黃丸治療腎陰虧虛引起的骨質(zhì)疏松、骨折、骨痛等癥狀,能夠起到一定的治療效果。在本研究中,六味地黃丸能改善PMOP及疲勞是新的發(fā)現(xiàn)。
一般而言,表觀遺傳調(diào)控機(jī)制,特別是DNA甲基化,可調(diào)節(jié)多種疾病的基因表達(dá),包括與骨代謝有關(guān)的關(guān)鍵基因[23]。其可能與骨質(zhì)疏松多個信號通路激活有一定內(nèi)在聯(lián)系,諸如PINK1/Parkin 信號通路和PI3K/Akt信號通路等[24,25]。新近研究證據(jù)表明,PMOP情志相關(guān)的抑郁是疾病發(fā)生、進(jìn)展和合并癥的高危因素[26,27]。BRD4的異常表達(dá)參與神經(jīng)炎癥,可能和情志失調(diào)有關(guān)[28]。但是這些致病風(fēng)險因素與BRD4是否存在關(guān)聯(lián),尚有待開展體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步予以證實(shí)。綜上所述,鑒于PMOP分子作用機(jī)制研究方興未艾,BRD4的重要作用使其成為骨質(zhì)疏松癥的新興治療靶點(diǎn)。
南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報2023年12期