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基于P-糖蛋白信号通路研究龙血竭对大鼠失重空肠屏障损伤的保护机制.pdf

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资源描述

1、基于 P-糖蛋白信号通路研究龙血竭对大鼠失重空肠屏障损伤的保护机制张瀚文1,刘珊1,潘秋霞2,张波2,李玉娟1(1.北京理工大学 生命学院,北京100081;2.战略支援部队 特色医学中心,北京100101)摘 要:传统中药龙血竭在航天肠道损伤的防护中发挥重要作用,但其保护失重屏障损伤的作用机制尚不清楚.P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)是肠上皮细胞膜上的外排转运体,能够将毒素、有害菌等外排以维持肠屏障完整性.文中采用大鼠尾吊模型模拟微重力效应,灌胃给药龙血竭(Dragons Blood,DB)21d 后,观察大鼠空肠组织形态、测定肠屏障通透性标志物质量浓度、检测 P-gp

2、与 Wnt/-Catenin 信号通路相关蛋白的表达.结果表明,龙血竭可通过激活 Wnt/-Catenin 信号通路促进空肠中 P-gp 基因及蛋白的表达,能够缓解模拟微重力效应下的大鼠空肠屏障损伤.研究结果或可为航天员在轨肠道损伤防护提供基础研究数据.关键词:龙血竭(DB);微重力;空肠屏障;P-糖蛋白;Wnt/-Catenin 信号通路中图分类号:R963 文献标志码:A 文章编号:1001-0645(2024)05-0546-07DOI:10.15918/j.tbit1001-0645.2023.143Protective Mechanism of DB Investigated Bas

3、ed on P-gpSignaling Pathway for Rats Jejunum Barrier Damage Inducedby Simulated MicrogravityZHANG Hanwen1,LIU Shan1,PAN Qiuxia2,ZHANG Bo2,LI Yujuan1(1.School of Life Science,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.Characteristic Medical Center,PeoplesLiberation Army of China Strategic

4、 Support Force,Beijing 100101,China)Abstract:The Dragons Blood (DB)as a traditional Chinese medicine has shown potential in protectingaerospace physiological injury.However,its mechanism on gut protection has not been elucidated.P-glycopro-tein(P-gp)as an efflux transporter can transport toxins and

5、harmful bacteria out for intestinal epithelial cells tomaintain the intestinal barrier integrity.In this paper,a rat tail-suspension model was used to simulate micrograv-ity(SMG)and the DB was orally administered to rats for 21 days.After this,several processes were carried out,observing the jejunum

6、 tissue morphology,determining the intestinal barrier permeability markers,and detectingthe expression form of P-gp and Wnt/-Catenin signaling pathway related proteins.The results show that DB canpromote the expression of P-gp gene and protein in jejunum by activating Wnt/-Catenin signaling pathway,

7、alle-viating rat jejunum barrier injury in 21d-SMG rats.The study results can provide a research basis for gut protec-tion of astronauts during spaceflight.Key words:Dragons Blood(DB);microgravity;P-glycoprotein;intestinal epithelial barrier;Wnt/-Catenin sig-naling pathway 太空环境中的特殊因素(如微重力、辐射、噪音等)会引起

8、航天员的消化、神经及免疫等多系损伤统1.研究表明,微重力可破坏肠道结构、增加肠道通透性、升高肠道炎性因子水平2 3,肠道毒素等进入血液循 收稿日期:2023 07 20基金项目:国家自然科学基金面上项目(81973572);航天员健康中心重点实验室研究基金项目(AHCC2021KF004)作者简介:张瀚文(1999),女,博士生,E-mail:.通信作者:张波(1963),女,主任医师,E-mail:;李玉娟(1975),女,教授,E-mail:.第 44 卷第 5 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.44No.52024 年 5 月Transactions of Beijing Inst

9、itute of TechnologyMay 2024环,诱发炎性肠病进而损伤机体其他器官4.P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)是存在于肠上皮细胞膜上的一种外排转运体,能够防止肠腔内的毒素、有害菌等进入血液而维持肠道稳态5 7.P-gp 是多药耐药基因(Multiple Drug Resistance1,MDR1)的表达产物8,其表达可由 Wnt/-Catenin 信号通路调控9.文献表明,结肠炎患者的结肠黏膜中 P-gp 表达显著下降6,溃疡性结肠炎大鼠的肠道 P-gp 表达也有显著减少10,MDR1a敲除模型小鼠在 12 周会诱发结肠炎而导致肠屏障受损11.以上研究均提示

10、,P-gp 或可成为肠道上皮屏障损伤中的新靶点,但其具体调控机制尚不明确.传统中药因多成分、多靶点、低毒性等特点已在航天生理损伤防护中显示出优势,如太空燮理汤可抑制胸腺细胞过度凋亡、增强 T 淋巴细胞功能而调节失重引起的机体免疫功能紊乱12;太空养心方可改善失重环境下提高心脏收缩与泵血功能、调节心肌缺血缺氧状态13;强骨抗萎方能显著增加模拟微重力效应下的大鼠骨皮质厚度、促进成骨细胞分化14,但目前中药防护失重肠损伤的报道较为少见.龙血竭(Dragons Blood,DB)是剑叶龙血树(Dracaenacochinchinenis(Lour.)的树脂,具有抗炎与抗氧化等生理活性15 16.临床发

11、现,龙血竭可提高溃疡性结肠炎的治愈率、缩短治疗时间17,能改善溃疡性结肠炎大鼠的肠道形态和炎性水平等18.本课题组前期研究表明,DB 能够有效缓解模拟微重力诱导的肠上皮屏障损伤19,但 DB 是否通过调控 P-gp 及其相关信号通路而发挥保护作用依然未知.本研究采用大鼠尾吊模型模拟微重力效应,灌胃给药三种剂量龙血竭 21 天后观察大鼠空肠的组织形态、测定血浆中肠屏障通透性标志物(内毒素与 D-乳酸)质量浓度、测定大鼠空肠黏膜中 MDR1 基因与 P-gp 蛋白表达、测定 Wnt/-Catenin 信号通路相关蛋白的表达,以进一步阐明龙血竭保护失重空肠屏障损伤作用机制,或为在轨航天员肠道健康防护

12、与地面相关肠道疾病提供潜在候选药物.1 实验材料与方法 1.1 试剂与仪器主要试剂如下:DB(北京理工亘元科技有限公司);蛋白磷酸酶抑制剂,蛋白酶抑制剂,SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE),蛋白上样缓冲液,考马斯亮蓝,过硫酸铵,牛血清白蛋白(北京索莱宝科技有限公司);12%预制聚丙烯酰胺凝胶试剂盒,电泳槽及配件及凝胶成像系统(美国 Bio-rad 公司);聚偏二氟乙烯膜(polyvinylidenefluoride,PVDF),蛋白预染 marker(中国赛默飞世尔科技有限公司);Anti phospho

13、-Dishevelled 2,Anti P-gp,Anti-Catenin 抗体(Abcam 公司)等.主要仪器如下:超声破碎仪(美国 Cole-Pormer 公司);涡旋混合器(北京金北德工贸);电泳仪(北京市六一仪器厂)等.1.2 实验动物与分组健康雄性 Sprague Dawley 大鼠(SPF 级,合格证编号:111 251 211 100 428 282),体质量 20020 g,购自北京互持生物科技有限公司,所有动物实验均经过北京理工大学实验动物管理与伦理委员会批准.实验动物在(242)C,相对湿度 55%5%,12 h 光/暗周期环境下饲养,自由饮水饮食.适应性喂养一周后,将 5

14、4 只 SD 大鼠随机分为 6 组(每组 n=9),依次为:对照组(CON),模拟微重力组(SMG),龙血竭低剂量(0.5 g/kg,LDB),中剂量(1 g/kg,MDB),高剂量(2 g/kg,HDB)组,阳性药柳氮磺吡啶组(0.3 g/kg,SUL).除对照组外,实验组均采用 Morey-Holton 大鼠尾悬吊模型20模拟微重力 21d(21 d-simulated microgravity,21 d-SMG).大鼠处死前禁食过夜、自由饮水,使用10%水合氯醛麻醉大鼠,心脏采血后灌注预冷的生理盐水,收集大鼠空肠黏膜于80C 冻存、空肠组织于 4%多聚甲醛固定,用于后续实验.1.3 苏木

15、精-伊红染色(HE)将固定好的大鼠空肠依次通过梯度乙醇溶液各60 min 使组织脱水,再进行透明、浸蜡等步骤,将石蜡块切成 4 m 厚的切片,经脱蜡、至水后进行 HE染色,使用 NanoZomer S210 显微分辨率扫描仪扫描肠组织的组织学图像,并使用 OlyVia 3.0 软件(Olym-pus 公司)进行观察.1.4 内毒素与 D-乳酸质量浓度测定采用内毒素(Endotoxin,ET)与 D-乳酸(D-Lactic,D-LAC)质量浓度评价肠黏膜屏障通透性.利用试剂盒进行测定,使用酶标仪于 450 nm 处测定各孔吸光值,根据标准曲线计算大鼠血浆中上述两个标志物的质量浓度.1.5 蛋白质

16、印迹法(WB)取 0.1 g 空肠组织剪碎,加入组织裂解液匀浆,超声破碎 2 min 后于 4、12 000 r/min 条件下离心10 min,上清液待用.使用考马斯亮蓝法测定蛋白质浓度,加入上样缓冲液煮沸 10 min 后得到蛋白质样品.每孔以相同蛋白质量上样后进行 SDS-PAGE 电第 5 期张瀚文等:基于 P-糖蛋白信号通路研究龙血竭对大鼠失重空肠屏障损伤的保护机制547泳,冰浴湿法转膜 90 min,于室温下封闭 2 h,目标抗体按 15 000 稀释后覆盖膜上,于 4 孵育过夜,洗膜 4 次后使用相应的二抗稀释液于室温孵育 2 h.清洗后显影,使用 Image J 软件,以全蛋白

17、为内参分析目标蛋白的相对表达量.1.6 实时荧光定量 PCR根据文献 18 获得 MDR1、GAPDH 的引物序列(见表 1),引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成.采用 Trizol 法提取空肠总 RNA,测定浓度后,利用反转录试剂盒合成 cDNA.反应体系按 SYBRPremix Ex Taq TM 试剂盒说明书配制.以上述 cDNA模板,使用荧光定量 PCR 仪测定 MDR1 基因的表达量.荧光定量 PCR 扩增程序设置为:95 预变性5 min、95 变性 15 s、56 退火 15 s、72 延伸 30 s,共 40 个循环.每组样品设置 3 个平行,最终结果采用 2-Ct法计

18、算.表 1 MDR1 与 GAPDH 引物序列Tab.1 MDR1 and GAPDH primer sequences基因名称引物5-3序列MDR1a上游引物GGTTCGGTGCCTACTTGGTG下游引物GATGTGGGATGCTGAGACTTTGMDR1b上游引物GAAATAATGCTTATGAATCCCAAA下游引物GGTTTCATGGTCGTCGTCTCTTGAGAPDH上游引物TCTCTTGTGACAAAGTGGACAT下游引物GGTGATGGGTTTCCCGTTGA 1.7 免疫组织化学(IHF)将空肠切片脱蜡,经梯度乙醇溶液水化,使用抗原修复液于 95 修复 40 min,使用

19、 3%过氧化氢孵育 25 min 以去除内源性过氧化物酶活性,经 5%山羊血清封闭后按 1400 加入-Catenin 抗体稀释液,于4 过夜,同时以 PBS 代替一抗作阴性对照.用 PBS清洗 3 次后滴加兔源二抗于组织上,置于 37 孵育50 min,经 PBS 清洗后使用二氨基联苯胺显色,经苏木精复染后脱水,利用中性树胶封片,于 NanoZomerS210 自动切片扫描仪扫描组织学图像,并使用 OlyVia3.0 软件观察-Catenin 蛋白在细胞中的定位.1.8 数据处理与统计运用 Prism 7.0 软件进行数据处理和统计学分析,数据均以均值标准差(MeanSD)表示,组间差异比较

20、采用单因素方差分析,以 p0.05 为差异有统计学意义.2 结果与讨论 2.1 DB 改善 SMG 大鼠的空肠组织形态大鼠空肠组织的 HE 染色结果(图 1)表明,与 CON组相比,SMG 组的空肠绒毛断裂严重、隐窝萎缩、杯状细胞减少,出现严重的炎性浸润.与 SMG 组相比,MDB、HDB 及 SUL 组中大鼠空肠黏膜肿胀与断裂缓解,固有层有少量炎症细胞浸润、隐窝数量明显增多,并且空肠绒毛形态良好、基底层完整,其中 HDB 对模拟微重力效应下的空肠屏障具有更好的保护效果.(a)CON 组(b)SMG 组(c)LDB 组(d)MDB 组(e)HDB 组(f)SUL 组图 1 各组大鼠空肠 HE

21、染色图(4)Fig.1 HE staining of jejunum in rats of different group(4)2.2 DB 降低 SMG 大鼠血浆中 ET 与 D-LAC 质量浓度大鼠血浆中 ET、D-LAC 的质量浓度变化如图 2所示.与 CON 相比,*p 0.05;与 SMG 相比,#p0.05,#p 0.01.与 CON 组相比,SMG 组大鼠血浆中 ET 质量浓度上升了4.2%,LDB、MDB、HDB 和SUL 组中,ET548北 京 理 工 大 学 学 报第 44 卷的质量浓度分别下降了 1.8%、6.2%、16.2%及 16.8%.模拟微重力 21d 后,大鼠血

22、浆中 D-LAC 增加了 19.4%,LDB、MDB、HDB 和 SUL 组中的 D-LAC 质量浓度分别下降了 8.7%、18.9%、27.4%和 24.2%.以上结果表明,SMG 会增加大鼠空肠的通透性,而龙血竭能够缓解模拟微重力下大鼠空肠屏障损伤,并呈现出了明显的剂量依赖性,HDB 对 SMG 空肠黏膜屏障的保护作用最明显.2520*#CONSMGLDB(a)ET(b)D-LACMDBHDBSUL151050CONSMGLDBMDBHDBSUL050100150200250 ET质量浓度/(ngL1)DLAC质量浓度/(gmg1)图 2 各组大鼠血浆中 ET 与 D-LAC 的质量浓度F

23、ig.2 Contents of ET and D-LAC)in rats plasma 2.3 DB 上调 SMG 大鼠空肠黏膜中 P-gp 与 MDR1基因的表达与 CON 相比,*p 0.01;与 SMG 相比,#p 0.01.P-gp 蛋白表达结果如图 3(a)所示.以全蛋白为内参分析表明,SMG 组大鼠空肠中 P-gp 蛋白的相对表达量下降了 25%,LDB 组与 MDB 组中 P-gp 的表达分别上调了 5%、15%,但 HDB 对 P-gp 的促表达作用不明显.图 3(b)为 MDR1 基因的表达结果,与 CON 组相比,SMG 导致空肠中 MDR1 基因表达下降了 62%,而

24、LDB、MDB、HDB 和 SUL 组中 MDR1 基因的表达水平上升了 426%、136%、78.9%和 126%.以上表明,SMG 可导致空肠 P-gp 蛋白及基因表达的下降,而低剂量龙血竭能够显著上调大鼠空肠中 P-gp 蛋白与MDR1 基因的表达,进而缓解模拟微重力下空肠屏障损伤.0.200.150.100.050CONSMGLDB(a)P-gp蛋白表达相对表达量相对表达量MDBHDBSULCONSMGLDBMDBHDBSUL00.51.01.52.02.5CONSMG*#LDBMDBHDBSUL(b)MDR1基因表达图 3 DB 对各组大鼠空肠黏膜中 P-gp 和 MDR1 基因表达

25、的影响Fig.3 Effects of DB on the expression of P-gp protein and gene in rats jejunum mucosa 2.4 DB 激活 Wnt/-Catenin 信号通路而上调 P-gp表达Wnt/-Catenin 通路蛋白及基因的表达结果如图 4所示(与 CON 相比:*p0.01;与 SMG 相比:#p 0.05,#p 0.01).与 CON 组相比,SMG 组中通路关键蛋白p-Dvl 2 的相对表达量降低 38.52%,3 个剂量的龙血竭组中 p-Dvl 2 表达上调了 44.48%、38.18%和 23.91%,SUL 组未

26、见明显疗效.MDB、HDB 和 SUL 组中空肠黏膜-Catenin 表达分别上升 17.9%、15.1%和 51.1%,但 SMG 组空肠黏膜中-Catenin 蛋白表达几乎没有变化.图 4 中 Wnt 3a 蛋白的表达结果显示,SMG 组空肠黏膜中 Wnt 3a 表达下降了 28.13%,三种剂量的第 5 期张瀚文等:基于 P-糖蛋白信号通路研究龙血竭对大鼠失重空肠屏障损伤的保护机制549DB 均显著提高了 Wnt 3a 的表达水平.综上所述,SMG效应可以通过抑制 Wnt/-Catenin 通路相关蛋白的表达而下调空肠 P-gp 表达,龙血竭可上调 SMG 大鼠空肠中 Wnt 3a、p-

27、Dvl 2、-Catenin 的表达而激活该通路,以促进空肠中 P-gp 表达,保护失重下大鼠空肠屏障.虽然与 CON 组相比,SMG 并没有明显下调-Catenin 蛋白的表达水平.但因-Catenin 的入核会进一步上调 P-gp 的表达,故有必要进一步研究通路关键蛋白-Catenin 在各实验组中的入核情况,利用IHF 法观察-Catenin 在空肠细胞中的定位,结果如图 5 所示.CON 组中-Catenin(棕色)在细胞质中积累,并且由细胞膜至细胞核(蓝色)转移,而 SMG 组中-Catenin 主要分布在细胞膜上,LDB、MDB 与 HDB组中向核移位的-Catenin 明显增加.

28、该结果表明,SMG 虽然可能无法明显下调空肠中-Catenin 的蛋白表达,但能够明显抑制-Catenin 的从细胞质至细胞核的移位,导致-Catenin 无法入核调控 P-gp 的表达.而龙血竭能够明显促进 SMG 下空肠-Catenin 在细胞质的积累及其向细胞核转移,进而上调 MDR 1基因及 P-gp 的表达.(a)CON 组(b)SMG 组(c)LDB 组(d)MDB 组(e)HDB 组(f)SUL 组图 5 DB 对各组大鼠空肠中-Catenin 定位的影响(40)Fig.5 Effect of DB on the localization of-Catenin in rats j

29、ejunum of each groups(40)3 讨论与结论当肠上皮屏障受损时,外源性物质和细菌代谢毒素可进入血液,会引起全身炎症而增加健康风险.本研究结果发现,模拟微重力效应可导致大鼠空肠绒毛严重断裂、产生严重的肠道炎性浸润,并且血浆中内毒素、D-乳酸的质量浓度显著升高.空肠屏障破坏会导致通透性的增加,进而诱导内毒素、D-乳酸等进入血液,并随血液循环或可损伤其他系统21.研究 CON SMG LDB MDB HDB SULp-Dvl 20.60.4*#相对表达量0.20.0CON SMG LDB MDB HDB SUL0.30.2相对表达量相对表达量0.10.0CON SMG LDB M

30、DB HDB SUL0.80.60.40.20.0CON SMG LDB MDB HDB SUL-CateninWnt 3a(a)p-Dvl2表达(b)-Catenin表达(c)Wnt 3a表达图 4 DB 对各组大鼠空肠黏膜中 Wnt/-Catenin 信号通路相关蛋白表达的影响Fig.4 Effects of DB on expression of Wnt/-Catenin signaling pathway related proteins in rats jejunum mucosa550北 京 理 工 大 学 学 报第 44 卷发现,龙血竭可保护肠道屏障损伤,减少内毒素、D-乳酸进入

31、血液循环.P-gp 能够外排毒素、有害菌等而维持肠上皮屏障功能,在保护肠屏障中具有重要作用22.Wnt/-Catenin 信号通路通过调控-Catenin 蛋白的移位而调节 P-gp 的表达23,-Catenin 是通路中的重要信号转导分子,其在细胞质的积累与向细胞核的迁移能够激活 P-gp 的基因转录及表达.本研究发现,模拟微重力效应会降低 Wnt/-Catenin 信号通路中 Wnt 3a 的水平,抑制 p-Dvl 2 表达,进而抑制-Catenin 在细胞质中的水平以及向核内的转移,进而抑制 P-gp 表达.在 SMG 下,龙血竭可激活 Wnt 3a,以促进下游 Dvl 蛋白的磷酸化,同

32、时招募蛋白降解蛋白而导致蛋白降解复合物的解体,使-Catenin 在胞质中积累,随后大量-Catenin 入核募集 P-gp 转录共激活因子,从而激活空肠上皮细胞中 P-gp 的表达,进而降低毒素在肠上皮细胞中的积累,缓解模拟微重力效应诱导的空肠黏膜屏障损伤.其中,低剂量与中剂量的龙血竭对Wnt 通路的激活及对 P-gp 表达的促进作用更佳.传统中药具有多成分、多靶点、低毒性等优点,在航天生理损伤的防护中显示出极大潜力.文献表明,中药可以调节模拟航天环境下的多种生理功能异常.丹参、黄芪等可以改善 SMG 诱导的血循环紊乱与立位耐力不良等24 25,太空燮理汤可以提高失重加辐射大鼠的免疫功能26

33、,中药亦可对抗模拟失重对人脑认知功能紊乱、骨丢失与肌萎缩等27 28.以上研究采用模拟失重大鼠、兔或人等模型,揭示了多种中药在航天生理损伤中的防护效果,但这些研究均未揭示中药调节机体生理功能的潜在分子机制.本文基于 P-gp 阐明了 DB 在 SMG 下激活 Wnt/-Catenin信号通路,以缓解失重空肠屏障的损伤.P-gp 作为模拟微重力效应下维持肠屏障功能的外排转运体,后续应对失重下 P-gp 的外排功能变化进行表征与深入探究、对其信号通路的深入验证等,或可更全面地揭示 P-gp 与失重肠屏障防护之间的关系.本研究预期为航天员在轨飞行中的肠屏障损伤机制研究提供基础科学数据,同时为载人航天

34、中肠道损伤防护提供候选药物.参考文献:GGRAEBE A,EDGAR LS,PETRA L,et al.Physiological,pharmacokinetic,and pharmacodynamic changes in spaceJ.Journal of clinical pharmacology,2004,44(8):837 853.1 STEIN T P,WADE C E.The catecholamine response tospaceflight:role of diet and genderJ.American Journal ofPhysiology,Endocrinolo

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48、,et al.Neurophysiological changes in simulated microgravity:Ananimal modelJ.Neurology,2019,67:S221 S226.20 LEE J Y,KIM H,JEONG Y,et al.Lactic acid bacteria exert ahepatoprotective effect against ethanol-induced liver injury inHepG2 CellsJ.Microorganisms,2021,9(9):1844.21 ZHANG T,LIU Y,YAN J K,et al.

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50、ui,WU Zhen,et al.Intracellulartransport and expression regulation of P-glycoproteinJ.Chemistry of Life,2014,34(1):93 97.(in Chinese)23 石宏志,李勇枝,沈羡云,等.中药复方对模拟失重兔血流变特性及循环系统的调节作用 J.航天医学与医学工程,2005(4):251 254.SHI Hongzhi,LI Yongzhi,SHEN Xianyun,et al.Regulativeeffects of Chinese herb-compound on blood rhe

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