李媛媛,趙富生,張可心,陳永蘭,張 娜,姜昕悅,谷春付,武 庚
(牡丹江醫(yī)學(xué)院,黑龍江 牡丹江 157000)
糖尿?。╠iabetes mellitus,DM)是一種常見多發(fā)的慢性代謝性疾病,據(jù)糖尿病聯(lián)合會發(fā)布的報告顯示,2021 年全球20~79 歲人群DM 患病率為10.5%,到2045 年將上升至12.2%[1]。糖尿病皮膚潰瘍(diabetic cutaneous ulcer,DCU)是DM 患者常見的并發(fā)癥之一,致殘率高且治療昂貴,嚴(yán)重影響DM 患者的生活質(zhì)量。目前,DCU 治療方法主要包括控制血糖、抗感染和清創(chuàng)治療等,但效果并不理想,因此迫切需要探索新的治療策略[2]。DM 皮膚創(chuàng)面難以愈合的病理機(jī)制主要包括創(chuàng)面局部生長因子分泌減少、氧化應(yīng)激、血管受損、慢性炎癥反應(yīng)等[3]。研究表明,在創(chuàng)傷愈合過程中,適度自噬具有維持局部組織內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定,減輕氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng),促進(jìn)血管生成和組織重建等作用[4]。DM 創(chuàng)傷后產(chǎn)生的大量活性氧可導(dǎo)致創(chuàng)面組織自噬失調(diào),加劇局部組織炎癥反應(yīng),進(jìn)而影響創(chuàng)面愈合[5]。因此,調(diào)節(jié)DM 創(chuàng)面組織的自噬活性,可能是一種有效的治療策略。
硫化氫(hydrogen sulfide,H2S)被認(rèn)為是繼一氧化氮和一氧化碳之后的第三種氣體信號分子。機(jī)體內(nèi)H2S 主要由胱硫醚γ-裂解酶(cystathionine γ-lyase,CSE)、胱硫醚β-合成酶和3-巰基丙酮酸硫轉(zhuǎn)移酶三種酶催化合成[6]。H2S 具有抗炎癥、抗凋亡、抗氧化應(yīng)激、調(diào)控自噬以及舒張血管等多種生理功能[7-9]。然而,H2S 是否可以調(diào)控自噬,促進(jìn)DM 皮膚創(chuàng)面血管形成和愈合,目前尚不清楚。本研究通過建立DM大鼠皮膚損傷模型,觀察H2S 對DM 大鼠皮膚創(chuàng)面愈合的影響,并探究其可能機(jī)制。
1.1 實驗動物 SPF 級雄性SD 大鼠36 只,8 周齡,體質(zhì)量(250±10) g,購自遼寧長生生物技術(shù)股份有限公司,許可證號為SCXK(遼)2020-0001。大鼠飼養(yǎng)于牡丹江醫(yī)學(xué)院實驗動物中心,環(huán)境溫度22~24 ℃,通風(fēng)良好。實驗過程符合國家及單位實驗動物管理和使用規(guī)定。
1.2 主要試劑及儀器 鏈脲佐菌素(streptozocin,STZ;北京索萊寶科技有限公司);H2S 熒光探針C-7Az(7-azido-4-methylcoumarin)、硫氫化鈉(sodium hydrosulfide,NaHS; Sigma-Aldrich);CSE、CD31、微管相關(guān)蛋白1 輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3,LC3)、caspase-3、Bcl-2 和Bax 抗體(武漢三鷹生物技術(shù)有限公司);beclin-1、P62、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)、蛋白激酶B(protein kinase B,PKB/Akt)、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)、p-PI3K、p-Akt 和p-mTOR 抗體,碘化丙啶(propidium iodide,PI),以及TUNEL染色液(碧云天生物技術(shù)有限公司)。激光共聚焦顯微鏡(LSM700,Zeiss)。
2.1 糖尿病大鼠皮膚創(chuàng)傷模型的建立及分組 DM大鼠模型制備前禁食18 h(不禁水),腹腔注射1% STZ(50 mg/kg)誘導(dǎo)DM,72 h 后尾靜脈采血檢測大鼠血糖,血糖≥16.67 mmol/L表示DM模型制備成功。飼養(yǎng)三周后,制備皮膚創(chuàng)傷模型[10]。具體操作如下:大鼠腹腔注射1.5%戊巴比妥鈉(30 mg/kg),清除大鼠背部毛發(fā),常規(guī)消毒,剪切直徑為2 cm 全層皮膚,深至筋膜。將DM 皮膚創(chuàng)傷大鼠隨機(jī)分為DM 組和DM+NaHS 組,未注射STZ 大鼠為正常對照(control)組,每組12只。DM+NaHS組大鼠于創(chuàng)面建立當(dāng)日腹腔注射NaHS(56 μmol/kg),每天1 次,連續(xù)注射21 d[11]。DM組和control組大鼠每日腹腔注射等體積生理鹽水。
2.2 標(biāo)本采集 創(chuàng)面建立第21 天,每組隨機(jī)選取6只大鼠乙醚麻醉斷頸處死,取創(chuàng)面皮膚組織,一半制備石蠟切片用于HE染色,另一半制備冰凍切片行免疫熒光染色;各組剩余6 只大鼠,取創(chuàng)面組織于-80 ℃冰箱保存,用于Western blot 分析。實驗動物處理流程見圖1。
2.3 創(chuàng)面愈合率分析 手術(shù)第0、7、14、21 天采集創(chuàng)面圖像,用ImageJ 軟件分析創(chuàng)面面積,計算創(chuàng)面愈合率。創(chuàng)面愈合率(%)=(原始創(chuàng)面面積-未愈合創(chuàng)面面積)/原始創(chuàng)面面積×100%。
2.4 創(chuàng)面組織H2S含量檢測 取冰凍切片,復(fù)溫、固定后,加C-7Az 工作液(1∶100),激光共聚焦顯微鏡采集圖像,用ImageJ 軟件分析熒光強(qiáng)度。取皮膚創(chuàng)面組織裂解、勻漿、離心,BCA 法測定蛋白濃度。SDS-PAGE 分離蛋白,轉(zhuǎn)膜、封閉后,加入CSE 抗體(1∶1 000),4 ℃孵育過夜,次日加入相應(yīng)Ⅱ抗,37 ℃孵育2 h,加ECL 發(fā)光試劑,置成像儀中成像。采用ImageJ軟件分析目的蛋白條帶相對灰度值。
2.5 HE 染色 取石蠟切片(5 μm),二甲苯脫蠟、水化、蘇木精-伊紅染色,常規(guī)脫水、中性樹脂封片,光鏡下觀察組織形態(tài)結(jié)構(gòu)及血管分布,通過ImageJ 軟件分析創(chuàng)面愈合情況。
2.6 創(chuàng)面組織血管生成檢測 (1)取冰凍切片固定、封閉,加CD31 抗體(1∶200),4 ℃孵育過夜,次日加Cy3標(biāo)記的Ⅱ抗,DAPI染色細(xì)胞核,激光共聚焦顯微鏡采集圖像,ImageJ 軟件分析CD31 熒光強(qiáng)度。(2)蛋白分離、轉(zhuǎn)膜后,加CD31 抗體(1∶1 000)和β-actin抗體(1∶2 000),4 ℃孵育過夜,次日加相應(yīng)Ⅱ抗,顯影成像,用ImageJ軟件分析CD31條帶相對灰度值。
2.7 創(chuàng)面組織血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬檢測 (1)取冰凍切片,加入CD31和beclin-1抗體(1∶100),4 ℃孵育過夜,次日加FITC 和Cy3 標(biāo)記的Ⅱ抗,DAPI 染細(xì)胞核。采用ImageJ 軟件分析CD31+/beclin-1+細(xì)胞數(shù)。(2)蛋白分離、轉(zhuǎn)膜后,加入LC3抗體(1∶500)、P62抗體(1∶1 000)、beclin-1 抗體(1∶1 000)和β-actin 抗體(1∶2 000),4 ℃孵育過夜,次日加入相應(yīng)Ⅱ抗,顯影成像。用ImageJ軟件分析目的蛋白條帶相對灰度值。
2.8 創(chuàng)面組織血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡檢測 (1)取冰凍切片固定,加入CD31 抗體(1∶200)、TUNEL 染色液、caspase-3 抗體(1∶200)和PI 染色液(50 mg/L),4 ℃孵育過夜,次日加入相應(yīng)Ⅱ抗,DAPI 染細(xì)胞核。激光共聚焦顯微鏡采集圖像,用ImageJ 軟件分析CD31+/TUNEL+細(xì)胞數(shù)。(2)蛋白分離、轉(zhuǎn)膜后,加入Bcl-2 抗體(1∶1 000)、Bax 抗體(1∶1 000)和β-actin 抗體(1∶2 000),4 ℃孵育過夜,次日加入相應(yīng)Ⅱ抗,37 ℃孵育2 h,顯影成像,ImageJ軟件分析目的蛋白相對灰度值。
2.9 創(chuàng)面組織PI3K/Akt/mTOR通路蛋白表達(dá)檢測蛋白分離、轉(zhuǎn)膜后,加入Ⅰ抗(PI3K、p-PI3K、Akt、p-Akt、mTOR 和p-mTOR 抗體,1∶1 000;β-actin抗體,1∶2 000),4 ℃孵育過夜,顯影成像,ImageJ 軟件分析目的蛋白相對灰度值。
應(yīng)用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)表示,創(chuàng)面愈合實驗采用多因素方差分析重復(fù)測量。其余實驗采用單因素方差分析,方差齊用LSD 法,方差不齊用Dunnett's T3檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
手術(shù)第0、7、14、21 天,各組大鼠創(chuàng)面愈合情況如圖2 所示。DM+NaHS 組創(chuàng)面愈合率在術(shù)后第7、14、21 天顯著高于DM 組(P<0.05),但低于control 組愈合水平(P<0.05)。
Figure 2. The skin wound healing of rats at different time points in each group. Mean±SD. n=12. *P<0.05 vs control group; #P<0.05 vs DM group.圖2 不同時間點(diǎn)各組大鼠皮膚創(chuàng)面愈合情況
C-7Az 熒光染色及分析如圖3A~3B 所示,與control 組相比,DM 組C-7Az 熒光強(qiáng)度顯著降低(P<0.01);與DM 組相比,DM+NaHS 組C-7Az 熒光強(qiáng)度顯著升高(P<0.01),但未恢復(fù)到control 組水平(P<0.01)。CSE 蛋白表達(dá)如圖3C 所示,與control 組相比,DM 組CSE 表達(dá)水平顯著降低(P<0.01);與DM組相比,DM+NaHS 組CSE 表達(dá)顯著升高(P<0.01),但仍低于control組水平(P<0.01)。
HE 染色如圖4A 所示,control 組創(chuàng)面修復(fù)良好,可見肉痂、毛囊及較多毛細(xì)血管;DM 組創(chuàng)面表層薄,陳舊性肉芽組織多,毛細(xì)血管少;DM+NaHS 組創(chuàng)面表層較厚,可見新生肉芽組織、大量纖維成分及毛細(xì)血管。創(chuàng)面寬度分析如圖4B 所示,與DM 組相比,DM+NaHS 組表皮層創(chuàng)面寬度顯著減?。≒<0.01),但仍寬于control組水平(P<0.01)。
如圖5A 所示,control 組血管數(shù)量多,分布均勻;DM 組血管管徑細(xì)且數(shù)量少,分布雜亂;DM+NaHS 組血管數(shù)量較多。CD31 免疫熒光染色結(jié)果顯示,與control 組相比,DM 組CD31 熒光強(qiáng)度顯著降低(P<0.01);DM+NaHS 組CD31 熒光強(qiáng)度較DM 組顯著增加(P<0.01),但仍低于control 組(P<0.01),見圖5B、C。Western blot 結(jié)果顯示,與control 組相比,DM 組CD31 表達(dá)水平顯著降低(P<0.01);DM+NaHS 組CD31 表達(dá)水平較DM 組顯著升高(P<0.01),但未恢復(fù)到control組水平(P<0.05),見圖5D。
Figure 5. Angiogenesis of skin wound tissues of rats in each group. A: representative HE stained images of rat skin wound tissues in each group (scale bar=100 μm); B: representative immunofluorescence staining images of CD31 in skin wound tissues of each group (red represents CD31,while blue represents nuclei stained with DAPI; scale bar=50 μm); C: fluorescence intensity comparison of CD31 in rat skin wound tissues of each group; D: comparison of relative expression of CD31 in rat skin wound tissues of each group. Mean±SD. n=6. *P<0.05,**P<0.01 vs cntrol group; ##P<0.01 vs DM group.圖5 各組大鼠皮膚創(chuàng)面組織血管生成比較
血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬檢測如圖6A、6B 所示,與control 組相比,DM 組CD31+/beclin-1+陽性細(xì)胞增多(P<0.01);經(jīng)NaHS 干預(yù)后,DM+NaHS 組CD31+/beclin-1+陽性細(xì)胞顯著減少(P<0.01),但仍多于control組(P<0.01)。
Figure 6. Comparison of endothelial autophagy in rat skin wound tissues of each group. Representative immunofluorescence staining images of CD31 and beclin-1 in rat skin wound tissues of each group (red and green represent beclin-1 and CD31,respectively,while blue represents nuclei stained with DAPI; scale bar=100 μm) and comparison of the number of CD31+/beclin-1+ cells. Mean±SD. n=6. **P<0.01 vs control group; ##P<0.01 vs DM group.圖6 各組大鼠皮膚創(chuàng)面組織血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬比較
Western blot 結(jié)果如圖7A~7D 所示,與control 組相比,DM 組P62 表達(dá)水平降低(P<0.01),LC3-II/LC3-I和beclin-1表達(dá)顯著升高(P<0.01);經(jīng)NaHS干預(yù)后,DM+NaHS 組P62 表達(dá)升高(P<0.01),LC3-II/LC3-I 和beclin-1 表達(dá)顯著降低(P<0.01),但未恢復(fù)到control組水平(P<0.05)。
Figure 7. Comparison of the expression of autophagy-related proteins in skin wound tissues of each group. Mean±SD. n=6. *P<0.05,**P<0.01 vs control group; ##P<0.01 vs DM group.圖7 各組大鼠皮膚創(chuàng)面組織自噬相關(guān)蛋白表達(dá)比較
血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡檢測如圖8A、8B 所示,與Control 組相比,DM 組CD31+/TUNEL+陽性細(xì)胞增加(P<0.01);經(jīng)NaHS 干預(yù)后,DM+NaHS 組CD31+/TUNEL+陽性細(xì)胞顯著減少(P<0.01),但仍高于control組水平(P<0.01)。創(chuàng)面組織caspase-3 和PI 染色如圖8C~8F 所示,與control 組相比,DM 組caspase-3 和PI 熒光強(qiáng)度增加(P<0.01);經(jīng)NaHS 干預(yù)后,DM+NaHS 組caspase-3 和PI 熒光強(qiáng)度顯著降低(P<0.01),但仍高于Control組水平(P<0.01)。
Western blot 結(jié)果如圖9A、9B 所示,與control 組相比,DM 組創(chuàng)面組織Bcl-2 表達(dá)降低(P<0.01),Bax表達(dá)升高(P<0.01);經(jīng)NaHS 干預(yù)后,DM+NaHS 組Bcl-2表達(dá)升高(P<0.01),Bax表達(dá)降低(P<0.01),但未恢復(fù)到control組水平(P<0.05)。
Western blot 結(jié)果如圖10A~10D 所示,與control組相比,DM 組p-PI3K/PI3K、p-Akt/Akt、p-mTOR/mTOR 比值均顯著降低(P<0.01);經(jīng)NaHS 干預(yù)后,DM+NaHS 組p-PI3K/PI3K、p-Akt/Akt、p-mTOR/mTOR比值均顯著升高(P<0.01),但未恢復(fù)到control 組水平(P<0.05)。
Figure 10. Comparison of the expression of PI3K/Akt/mTOR signaling pathway-related proteins in rat skin wound tissues of each group. Mean±SD. n=6. *P<0.05,**P<0.01 vs control group; ##P<0.01 vs DM group.圖10 各組大鼠皮膚創(chuàng)面組織PI3K/Akt/mTOR信號通路相關(guān)蛋白表達(dá)的比較
DM 患者長期高血糖狀態(tài)會引起全身小動脈和終末微小血管硬化,造成組織缺血缺氧易誘發(fā)潰瘍創(chuàng)面形成。由于氧化應(yīng)激、慢性炎癥、微小血管病變等原因,DM 患者皮膚創(chuàng)面難以治愈,嚴(yán)重會發(fā)生壞疽導(dǎo)致截肢甚至危及生命。目前,DM 患者皮膚潰瘍尚無有效的治療手段。一些新興的治療方法,如干細(xì)胞治療、新型合成生物材料、生長因子療法等均存在治療成本高、免疫原性等局限性。因此,亟需探索安全、有效的治療措施促進(jìn)DM創(chuàng)面的愈合。
H2S 作為一種新型氣體信號分子,在抗炎、抗氧化和抗凋亡多個方面發(fā)揮調(diào)節(jié)作用[12]。研究顯示,H2S 能夠抑制炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激,緩解1 型DM 小鼠的焦慮樣行為[13],減輕高血糖引起的動脈粥樣硬化[14]。在哺乳動物,H2S主要由兩種5'吡哆醛磷酸依賴酶,即CSE 和胱硫醚β-合成酶催化合成[15]。本研究結(jié)果顯示,DM 大鼠皮膚創(chuàng)面組織H2S 含量和CSE蛋白水平均顯著降低,提示DM創(chuàng)面延遲愈合可能與H2S 合成受損有關(guān)?;贖2S 參與調(diào)節(jié)機(jī)體多種病理生理過程,我們推測,NaHS能夠增加DM 大鼠皮膚創(chuàng)傷組織H2S 含量,上調(diào)創(chuàng)面組織CSE 蛋白表達(dá),改善或促進(jìn)DM大鼠皮膚創(chuàng)面愈合。
自噬是一種依賴溶酶體的分解代謝過程,對維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)起著重要作用[16]。LC3、P62和beclin-1 蛋白是自噬形成過程中的關(guān)鍵蛋白。當(dāng)自噬激活時,胞漿中LC3-I 被轉(zhuǎn)化為LC3-II,后者在溶酶體分解代謝轉(zhuǎn)化為LC3-I。P62作為一種自噬特異性底物,與LC3 相互作用進(jìn)入自噬體內(nèi),被溶酶體降解。P62蛋白降低的同時伴隨LC3-II蛋白上調(diào),提示自噬活性增加[17]。有研究報道,血管緊張素IV 通過抑制FoxO1 誘導(dǎo)的自噬,減輕DM 小鼠心肌損傷[18]。研究顯示,自噬在DM 創(chuàng)面愈合的炎癥期、增殖期和組織重建期發(fā)揮重要作用,自噬增強(qiáng)或抑制可導(dǎo)致細(xì)胞凋亡,不利于DM創(chuàng)傷的恢復(fù)[19]。本研究結(jié)果顯示,DM 大鼠皮膚創(chuàng)面組織內(nèi)皮細(xì)胞自噬活性顯著增強(qiáng),創(chuàng)面組織LC3-II/LC3-I 和beclin-1 表達(dá)增加,P62表達(dá)減少,提示DM大鼠皮膚創(chuàng)面組織內(nèi)皮細(xì)胞自噬過度激活,給予外源性H2S能夠抑制創(chuàng)面組織內(nèi)皮細(xì)胞的自噬活性,促進(jìn)DM大鼠創(chuàng)面組織血管形成和創(chuàng)面愈合。
自噬和凋亡為調(diào)控細(xì)胞生物學(xué)功能的兩種基本分子機(jī)制,其信號分子通過各種關(guān)聯(lián)和干擾,影響多種疾病的病理生理過程,如冠心病等[20]。索拉非尼可通過髓樣細(xì)胞白血病1 激活beclin-1 誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞自噬性死亡[21]。caspase-3 家族蛋白是細(xì)胞凋亡的重要效應(yīng)因子,為細(xì)胞凋亡的執(zhí)行蛋白,其激活預(yù)示著凋亡進(jìn)入不可逆轉(zhuǎn)階段[22]。Bax 是機(jī)體中重要的凋亡基因之一,具有促進(jìn)細(xì)胞凋亡的作用。Bcl-2 是一種抗凋亡蛋白,可維持線粒體膜的完整性,阻止促凋亡蛋白釋放,發(fā)揮抗凋亡作用[23]。本研究結(jié)果顯示,DM 大鼠皮膚創(chuàng)面組織內(nèi)皮細(xì)胞凋亡數(shù)量顯著增多,caspase-3 和Bax 表達(dá)增加,Bcl-2 表達(dá)減少,推測可能與自噬過度激活有關(guān)。然而,NaHS 能夠減輕DM 大鼠創(chuàng)面組織血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬和凋亡,發(fā)揮抗凋亡作用,促進(jìn)皮膚創(chuàng)面的愈合。
PI3K/Akt/mTOR 是調(diào)控細(xì)胞自噬的信號通路,參與細(xì)胞增殖、分化和凋亡過程。本研究結(jié)果顯示,DM 大鼠皮膚創(chuàng)面組織PI3K/Akt/mTOR 信號通路蛋白表達(dá)顯著降低。由此推測,PI3K/Akt/mTOR 信號通路可能參與DM皮膚創(chuàng)面的愈合過程。研究表明,半胱氨酸通過激活A(yù)kt/PI3K/mTOR 通路減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和炎癥反應(yīng),改善高糖誘導(dǎo)的人脂肪基質(zhì)干細(xì)胞代謝異常[24]。此外,有研究報道胰高血糖素樣肽1受體激動劑可激活PI3K/Akt/mTOR 信號通路減輕高糖誘導(dǎo)的髓核細(xì)胞損傷[25]。本研究結(jié)果顯示,NaHS干預(yù)能夠上調(diào)DM 大鼠皮膚創(chuàng)面組織PI3K/Akt/mTOR 通路蛋白表達(dá),增加創(chuàng)面組織毛細(xì)血管密度,提高創(chuàng)面愈合率,促進(jìn)DM大鼠皮膚創(chuàng)面愈合。由此推測,H2S 可能通過調(diào)節(jié)PI3K/Akt/mTOR 信號通路,減輕創(chuàng)面組織血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬及凋亡,發(fā)揮促進(jìn)DM創(chuàng)傷愈合的作用。
綜上所述,H2S 能夠促進(jìn)DM 大鼠皮膚創(chuàng)面愈合,其作用機(jī)制可能與激活PI3K/Akt/mTOR 信號通路,抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬及凋亡,促進(jìn)創(chuàng)面組織血管形成有關(guān)。本研究為DCU治療提供了新的實驗依據(jù),但實驗結(jié)果均為體內(nèi)研究,下一步將采用細(xì)胞模型進(jìn)一步探討H2S可能激活的信號通路及分子機(jī)制。