曲辅政 张晓录 孙经武 王秀花 曲爱燕 路新磊 周红霞 程林 康浩飞衣晓蕊 王青海 刘静 史孟松 魏静 张明哲
基础研究
缬沙坦对心力衰竭家兔心肌细胞核及肌浆网钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ的影响
曲辅政 张晓录 孙经武 王秀花 曲爱燕 路新磊 周红霞 程林 康浩飞衣晓蕊 王青海 刘静 史孟松 魏静 张明哲
目的 探讨家兔慢性心力衰竭(心衰)时心肌细胞核及肌浆网钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)蛋白表达和活性的改变,以及血管紧张素Ⅱ受体拮抗剂缬沙坦长期干预的意义。方法 24只家兔随机分为3组,假手术组、心衰组和缬沙坦组,各8只。通过超容量负荷联合压力负荷建立家兔心衰模型,于术后7周观察左心室结构、血流动力学的变化及CaMKⅡ的表达和活性的改变。结果 与假手术组比较,心衰组左心室重量指数(LVMI)[(3.61±0.09)g/kg 比 (1.32±0.06)g/kg,P<0.05]、左心室舒张末压(LVEDP)[(23.00±2.37)mm Hg 比(-1.50±0.50)mm Hg,P<0.05]显著升高,左心室缩短率(LVFS)[(17.38±3.13)%比(37.83±3.58)%,P<0.05]及左室射血分数(LVEF)[(38.50±6.07)%比(71.92±4.56)%,P<0.05]明显降低。与心衰组比较,缬沙坦组 LVMI[(2.07±0.14)g/kg 比(3.61±0.09)g/kg,P<0.05]和 LVEDP[(2.17±0.72)mm Hg 比(23.00±2.37)mm Hg,P<0.05]显著降低,LVFS[(33.83±2.85)%比(17.38±3.13)%,P<0.05]和 LVEF[(64.45±3.66)%比(38.50±6.07)%,P<0.05]明显升高。心衰组细胞核及肌浆网 CaMKⅡ蛋白表达(1.42±0.11比 0.86±0.04,1.39±0.14 比 0.80±0.06,P<0.05)及活性(3.43±0.15 比 2.14±0.13,3.38±0.11 比 2.09±0.11,P<0.05)显著高于假手术组;缬沙坦组细胞核及肌浆网CaMKⅡ蛋白表达(1.18±0.11比1.42±0.11,1.10±0.11比1.39±0.14,P<0.05)及活性(2.72±0.13 比 3.43±0.15,2.69±0.12 比 3.38±0.11,P<0.05)显著低于心衰组。结论 缬沙坦长期干预心力衰竭,能够改善心脏舒缩功能,可能与其降低细胞核及肌浆网CaMKⅡ蛋白表达及活性有关。
缬沙坦; 心力衰竭; 钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ
心力衰竭(心衰)是临床常见的危重症之一,死亡率极高。研究表明,心肌细胞核、肌浆网CaMKⅡ钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(calcium/calmodulindependent protein kinase-Ⅱ,CaMKⅡ)异常在心衰的病程发展机制中发挥不同的作用[1]。目前国内尚没有关于心衰时细胞核、肌浆网CaMKⅡ的变化及缬沙坦进行长期干预进而改善心功能状况的报道。本实验通过用超容量负荷联合压力负荷制备家兔心衰模型,观察缬沙坦对细胞核、肌浆网CaMKⅡ表达和活性的影响,探讨缬沙坦改善心功能的机制。
1.1 实验动物和材料 家兔24只,雌雄不限,体重 2.0~2.2 kg,由苏州大学医学院实验动物中心提供。SCHILLER TM-7型有创血压监护仪产自瑞士,低温离心机(BECMAN)产自德国,液闪仪(BECMAN)产自德国,Bio Rad电泳转印仪产自美国,KPL Western Blot试剂盒产自美国,BCA蛋白浓度测定试剂盒购于上海西唐生物公司,Merck KgaA ProteoExtract Subcellular ptoteome Extraction Kit产自德国,CaMKⅡ一抗购于abcam公司,β-actin一抗购于Upstate公司,二抗羊抗兔IgG购于上海西唐生物公司,CaMKⅡ活性检测试剂盒购于美国Promega公司,[γ-32P]ATP购于北京市福瑞生物工程公司。
1.2 心衰模型的建立 家兔经心脏超声检查,排除器质性病变后,随机分为假手术组(8只)、心衰组(8只)和缬沙坦组(8只)。心衰组家兔利用超容量负荷联合压力负荷制备心力衰竭模型[2]。3%戊巴比妥钠30 mg/kg经家兔耳缘静脉麻醉;从右侧颈总动脉插入4 F鞘管及4 F导管,并经压力换能器连接心电血压监护仪,用4 F导管迅速捅穿主动脉瓣膜几次,诱导主动脉瓣膜关闭不全(主闭)。10 d后在左肾动脉上方暴露腹主动脉,根据腹主动脉的粗细选择6 F或者5 F导管与其平行相贴,4号线结扎后抽出导管,使腹主动脉狭窄50%左右。缬沙坦组家兔在主闭后第2天开始给予缬沙坦20 mg·kg-1·d-1。术后 7周心超测定左室短轴缩短率(LVFS)及左室射血分数(LVEF),利用心导管术测定左室收缩压(LVESP)、左室舒张末压(LVEDP);然后处死家兔,取出心脏,剪下左室心肌组织称重,-70℃保存备用。
1.3 蛋白表达的测定
1.3.1 心肌细胞核提取 取左心室肌组织标本50 mg,剪碎,置于离心管中,加入1 ml Extraction BufferⅠ及 5 μl Inhibitor Cocktail,4 ℃孵育 10 min,800 rpm离心5 min;除掉上清液,在沉淀物中加入1 ml Extraction BufferⅢ ,5 μl Inhibitor Cocktail,1.5 μl Benzonase,4 ℃孵育 10 min,8500 rpm 离心 10 min;取上清液为细胞核蛋白提取物,用BCA法测定蛋白浓度,-70℃保存。
1.3.2 心肌肌浆网提取步骤 参照改良的Jones等[3]的方法制备肌浆网:①取液氮中黄豆至花生米大小的心肌组织,剪碎后置入离心管中,加入5倍体积的缓冲液A(30 mmol/L Tris-马来酸缓冲液,0.3 mol/L 蔗糖,0.1 mmol/L PMSF,2 mmol/L DTT,3 mmol/L MgCL2,0.1 mmol/L EDTA,pH=7.2),用匀浆器将它们匀浆,然后用2层和4层纱布分别过滤1次。②4℃,3800 g离心20 min。③取上清液,移入新离心管中,4℃,14 000 g离心20 min。④取上清液,移入新离心管中,4℃,45 000 g离心60 min。⑤弃上清液,收集沉淀,用缓冲液 B(30 mmol/L Tris-马来酸缓冲液,0.3 mol/L蔗糖,0.1 mmol/L PMSF,2 mmol/L DTT,0.5 mol/L KCL,pH=7.0)1 ml悬浮,用匀浆器打匀,4 ℃,45 000 g离心60 min。⑥收集沉淀,用缓冲液C(30 mmol/L Tris-马来酸缓冲液,0.3 mol/L蔗糖,0.1 mmol/L PMSF,2 mmol/L DTT,pH=7.0)1 ml悬浮,用匀浆器充分混匀以形成肌浆网囊泡。蛋白含量测定采用BCA法
1.3.3 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳 取含20 μg总蛋白的样本,于100℃煮沸5 min,用非连续梯度SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分离蛋白(CaMKⅡ相对分子质量为60 KDa,分离胶浓度为8%,浓缩胶浓度为5%);首先电压35 V、40 min直到样品在浓缩胶底部成一直线,然后电压100 V、80 min至溴酚蓝到达分离胶底部。
1.3.4 蛋白免疫印迹 在冰水中将凝胶上的蛋白转移到硝酸纤维膜上,电压110 V、75 min;然后硝酸纤维膜置于封闭液中,室温温育1 h;再加入一抗(CaMKⅡ抗体滴度 1∶100、β-actin 抗体滴度 1∶1000)封闭,4℃冰箱过夜。次日用洗液漂洗;加入1∶10 000二抗(二抗为羊抗兔IgG),温育1 h;然后用洗液漂洗。最后将显色剂LumiGLO A液和B液1∶1混合,直接加到硝酸纤维膜上;1 min后将显色液用吸水纸吸干,放入暗盒,加盖一层透明薄膜,曝光2 min。
1.3.5 蛋白表达半定量分析 将胶片扫描至计算机内,应用UVIDoc成像仪进行蛋白条带灰度分析;CaMKⅡ与β-actin灰度比值表示蛋白表达半定量水平。
1.4 CaMKⅡ活性分析 按CaMKⅡ检测试剂盒说明操作。根据CaMKⅡ依赖CaM(钙调蛋白)分解[γ-32P]ATP的原理,CaMKⅡ活性以每分钟每微克蛋白催化γ-32P掺入底物的量表示:pmol·min-1·μg-1。
分别取细胞核及肌浆网提取液约50 mg,加入2 ml提取缓冲液:20 mM Tris-HCL(PH 8.0),2 mM EDTA(乙二胺四乙酸),2 mM EGTA(乙二醇双2-氨基乙基醚四乙酸),20 μg/ml大豆胰蛋白酶抑制剂,10 μg/ml抑肽酶,5 μg/ml亮肽素,2 mM 二硫苏糖醇,25 mM苯甲脒。0℃环境下进行匀浆。然后4℃下14 000 r/min离心5 min,吸取上清液作酶样,用BCA法测定蛋白浓度。按0.5 mM ATP 5 μl和[γ-32P]ATP(3000 ci/mmol) 10 mci/ml 0.05 μl准备ATP混合物。在离心管中准备下列反应:5×CaMKⅡ反应缓冲液(250 mM Tris-HCl(PH7.5),50 mM MgCl2,2.5 mM 二硫苏糖醇)5 μl、5×CaMKⅡ激活缓冲液 (5 mM CaCl2,5 μM CaM,0.l mg/ml BSA)5 μl、[γ-32P]ATP 5 μl、CaMKⅡ生物素化的多肽底物 2.5 μl、去离子水 2.5 μl,总反应体积 20 μl。同时设无酶作用底物(即用5 mM EGTA替换激活缓冲液)的对照反应管以测量作样本底数。混匀反应混合物,在30℃下预温3 min。将5 μl酶样本加入反应物中即开始反应。总反应体积需要25 μl,反应在30℃温育中进行2 min。加入12.5 μl终止缓冲液终止反应。
从每个终止反应中吸取10 μl点到生物素捕获膜方块上,在所有样品都点好后[再选任意2个反应管取出5 μl点在生物素捕获膜上,此两膜不清洗,用于计算标记(γ-32P)ATP的特殊活性],将生物素捕获膜方块放入清洗容器中,用200 ml 2 M NaCl溶液清洗3次,用100 ml去离子水清洗2次。将生物素捕获膜方块放在一张铝铂上,在室温下用空气吹干。将各生物素捕获膜方块剪开,分别放入液闪瓶中,加入闪烁液并计数。
CaMKⅡ活性(mol·min-1·μg-1)的计算按试剂盒说明计算。
1.5 统计学方法 应用SAS 6.12统计软件包进行数据处理。所有数据以±s表示,组间均数比较采用ANOVA检验。P<0.05为差异有统计学意义。
2.1 三组家兔血流动力学和心功能比较 家兔饲养过程中,心衰组有2只死亡,缬沙坦组有1只死亡,发生在3周左右,假手术组无死亡,均取其中6只作比较。心衰组家兔解剖时可见皮下、胸腔、腹腔大量积水,而假手术组、缬沙坦组家兔无以上表现。心衰组家兔左室重量(LVW)和左室重量指数(LVMI)较假手术组、缬沙坦组均明显增高。与假手术组相比,心衰组家兔LVEDP、LVESP显著升高,LVFS及LVEF明显降低;而缬沙坦组家兔的LVEDP、LVESP显著低于心衰组,LVFS及LVEF明显高于心衰组。见表1。
表1 实验兔术后7周血流动力学和心功能比较(±s)
表1 实验兔术后7周血流动力学和心功能比较(±s)
注:LVW:左室重量;LVMI:左室重量指数;LVEDP:左室舒张末压;LVESP:左室收缩末压;LVFS:左室短轴缩短率;LVEF:左室射血分数。与假手术组比较,aP<0.05;与心衰组比较,bP<0.05
组别例数LVW(g)LVMI(g/kg)心率(次/min)LVEDP(mm Hg)LVESP(mm Hg)LVFS(%)LVEF(%)假手术组 6 2.48±0.15 1.32±0.06 244.67±9.39 -1.50±0.50 112.67±3.78 37.83±3.58 71.92±4.56心衰组 6 7.15±0.59a 3.61±0.09a 270.50±2.88a 23.00±2.37a 139.50±3.08a 17.38±3.13a 38.50±6.07a缬沙坦组 6 4.82±0.21b 2.07±0.14b 252.67±3.50b 2.17±0.72b 122.17±0.75b 33.83±2.85b 64.45±3.66b
2.2 三组家兔心肌细胞核及肌浆网CaMKⅡ蛋白比较 心衰组心肌细胞核及肌浆网CaMKⅡ表达显著高于假手术组,缬沙坦组显著低于心衰组。见图 1、2,表 2、3。
图1 三组家兔心肌细胞核CaMKⅡ蛋白印迹结果
图2 三组家兔心肌肌浆网CaMKⅡ蛋白印迹结果
表2 各组间心肌细胞细胞核CaMKⅡ蛋白表达及CaMKⅡ活性的比较(±s)
表2 各组间心肌细胞细胞核CaMKⅡ蛋白表达及CaMKⅡ活性的比较(±s)
注:与假手术组比较,aP<0.05;与心衰组比较,bP<0.05
组别 灰度比 CaMKⅡ活性(pmol·min-1·μg-1)假手术组 0.86±0.04 2.14±0.13心衰组 1.18±0.11a 2.72±0.13a缬沙坦组 1.42±0.11b 3.43±0.15b
表3 各组间心肌细胞肌浆网CaMKⅡ蛋白表达及CaMKⅡ活性的比较(±s)
表3 各组间心肌细胞肌浆网CaMKⅡ蛋白表达及CaMKⅡ活性的比较(±s)
注:与假手术组比较,aP<0.05;与心衰组比较,bP<0.05
组别 灰度比 CaMKⅡ活性(pmol·min-1·μg-1)假手术组 0.80±0.06 2.09±0.11心衰组 1.10±0.11a 2.69±0.12a缬沙坦组 1.39±0.14b 3.38±0.11b
2.3 三组家兔心肌细胞核及肌浆网CaMKⅡ活性比较 心衰组细胞核及肌浆网CaMKⅡ活性较假手术组明显增强,缬沙坦组CaMKⅡ活性显著低于心衰组,见表 2、3。
CaMKⅡ属于丝/苏氨酸蛋白酶家族,受CaM调节。CaMKⅡ包括 α、β、γ、δ 四种亚基,α、β 亚基主要存在于神经细胞,γ、δ亚基普遍存在于多种细胞,其中δ亚基是CaMKⅡ在心肌中的主要成分[4]。每个CaMKⅡ亚基又各自有多种剪接体(splice variants)。研究发现,在正常心脏生长发育及各种心脏疾病过程中,都伴有δ亚基不同剪接体相对表达程度的变化。在心脏中δ亚基的不同剪接体主要有δB和δC。δB主要分布于细胞核中,可能与病理状态下调控基因转录密切相关;δc则主要定位于细胞质中,集中在心肌细胞Z带T小管的胞质面,与ryanodine受体(RyR)、L-型钙通道(L-type Ca2+channels,LTCC)相邻,参与 Ca2+依赖的信号转导途径,同时可磷酸化调控胞质中的Ca2+调节蛋白,影响胞内钙稳态,从而在心律失常、心肌肥厚、心衰发生中起着重要作用[5]。
目前在心肌细胞中研究颇多的是,CaMKⅡ可作用于细胞内一些钙调控的相关蛋白,影响胞内钙稳态。CaMKⅡ可以直接磷酸化肌浆网钙泵(sarcoplasmic reticulum calcium adenodine triphosphatase,SERCA2),增加肌浆网对 Ca2+回摄速度,从而增加心肌舒张速率。研究表明,心衰时细胞核及肌浆网CaMKⅡ表达和活性增加,但其作用却不同,细胞核CaMKⅡ的过表达主要引起心肌肥厚,肌浆网CaMKⅡ过表达可加重心力衰竭,形成恶性循环[6]。大量证据表明,CaMKⅡ在心肌肥厚和心力衰竭过程中发挥重要作用。Kashiwase等[7]的研究发现,采用表达CaMKⅡδ的腺相关病毒载体体外转染心肌细胞,过度表达CaMKⅡδ可诱导心肌肥大,应用CaMKⅡ特异性抑制剂KN-93可抑制心肌细胞肥大的形成。过度表达CaMKⅡδ可通过激活细胞凋亡信号调节激酶1(apoptosis signal-regulating kinase 1,ASK1)及核转录因子-KB来诱导心肌肥大。另有研究表明,过度表达CaMKⅡδ的转基因鼠心肌收缩功能明显下降,心室明显扩张,最终发生心力衰竭[8]。在体研究表明,扩张型心肌病伴心力衰竭患者心肌组织CaMKⅡ的活性升高20%,而且CaMKⅡ的活性升高与心功能变化呈负相关[9]。心肌细胞凋亡是心力衰竭的机制之一。CaMKⅡ能够传导凋亡信号,如选择性抑制CaMKⅡ,能够明显抑制肿瘤坏死因子α(TNF-α)导致的凋亡。β肾上腺素可通过CaMKⅡ传导的通路导致成年心肌凋亡,胞浆CaMKⅡδ过度表达能放大β肾上腺素的凋亡效果。CaMKⅡδ转基因大鼠发生心力衰竭伴有明显心室变薄,也提示在CaMKⅡ的参与下发生凋亡[10]。
本研究显示,7周后心衰组家兔均表现为不同程度的进食和活动减少,呼吸频率增快;LVW、LVMI、LVEDP明显增加;LVFS及LVEF明显降低;解剖时可见皮下、胸腔、腹腔大量积水。以上结果表明,心衰组家兔在超容量负荷及压力负荷的影响下,结构上表现为心室重构,功能上表现为收缩功能降低,最终发展为心力衰竭。与假手术组相比,心衰组家兔细胞核、肌浆网CaMKⅡ蛋白表达和活性显著增加,与以往的报道一致[1]。
本实验表明,缬沙坦长期干预心衰,可明显抑制细胞核、肌浆网的CaMKⅡ蛋白的表达和活性,显著改善血流动力学,缓解心室肥厚。缬沙坦作为一种ARB类药物,主要通过与AT1受体结合,竞争性抑制血管紧张素Ⅱ的生物学效应而发挥作用。具体机制可能包括以下因素:①缬沙坦作为血管扩张剂降低了心脏的前后负荷,降低了室壁的张力,改善了促使心室重构的血流动力异常;②抑制了心肌细胞凋亡、肥大和胶原的增生;③抑制了交感神经的过度激活;④增强了血管紧张素Ⅱ受体的良性心血管效应;⑤抑制了炎症因子等;⑥也可能是抑制细胞核、肌浆网的CaMKⅡ蛋白的表达和活性等。
总之,本实验结果说明,心衰家兔细胞核、肌浆网CaMKⅡ蛋白表达和活性增加,可影响心肌舒缩功能,这有可能为心衰治疗提供新的方向。缬沙坦长期干预心衰,改善心脏舒缩功能,可能与其抑制CaMKⅡ蛋白的表达和活性有关。
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Effect of Valsartan on Calcium/calmodulin-dependent protein kinase-Ⅱin nucleus and sarcoplasmic reticulum in heart failure rabbit
QÜ Fu-zheng*,ZHANG Xiao-lu,SUN Jing-wu,et al.*Department of Cardiology,Yantai Affiliated Hospital of Binzhou Medical University,Yantai 264100,China
ZHANG Xiao-lu,E-mail:zhangxiaolu7821@126.com
ObjectiveTo investigate the expression and activity of Calcium/calmodulin-dependent protein kinase-Ⅱ(CaMKⅡ)in nucleus and sarcoplasmic reticulum in heart failure rabbit and the effects of Valsartan on the prevention of chronic heart failure.Methods24 rabbits were divided into three groups:8 rabbits with heart failure induced by volume overload plus pressure overload,8 sham rabbits and 8 rabbits those were treated with Valsartan.7 weeks later,left ventricular function,hemodynamic parameters,expression and activity of CaMKⅡwere observed.ResultsCompared with the sham operated rabbits,LVMI[(3.61±0.09)g/kg vs(1.32±0.06)g/kg,P<0.05]and LVEDP[(23.00±2.37)mm Hg vs(-1.50±0.50)mm Hg,P<0.05]in heart failure rabbits were significantly increased,but their left ventricular shorten fraction[LVFS(17.38±3.13)%vs (37.83±3.58)%,P<0.05]and left ventricular ejection fraction[LVEF(38.50±6.07)%vs(71.92±4.56)%,P<0.05]were decreased.Compared with the heart failure rabbits,LVMI[(2.07±0.14)g/kg vs(3.61±0.09)g/kg,P<0.05]and LVEDP[(2.17±0.72)mm Hg vs (23.00±2.37)mm Hg,P<0.05]in the Valsartan treated rabbits were significantly decreased,but their LVFS[(33.83±2.85)%vs(17.38±3.13)%,P<0.05]and LVEF[(64.45±3.66)%vs(38.50±6.07)%,P<0.05]were increased.Expression(1.42±0.11 vs 0.86±0.04,1.18±0.11, P<0.05) (1.39±0.14 vs 0.80±0.06,1.10±0.11,P<0.05)and activity(3.43±0.15 vs 2.14±0.13,2.72±0.13,P<0.05)(3.38±0.12 vs 2.09±0.11,2.69±0.12,P<0.05)of CaMKⅡ in nucleus and sarcoplasmic reticulum in heart failure rabbits were remarkably higher than sham operated rabbits and valsartan treated rabbits respectively.ConclusionValsartan can improve cardiac function,probably owing to its disregulating expression and activity of CaMKⅡ in nucleus and sarcoplasmic reticulum on the prevention of heart failure.
Valsartan; Heart failure; CaMKⅡ
264100 山东省烟台市,滨州医学院烟台附属医院心内科(曲辅政、孙经武、王秀花、曲爱燕、路新磊、周红霞、程林、康浩飞、衣晓蕊、王青海、刘静、史孟松、魏静、张明哲);烟台毓璜顶医院检验科(张晓录)
张晓录,E-maill:zhangxiaolu7821@126.com
10.3969/j.issn.1672-5301.2015.08.022
Q95-33;R541.6
A
1672-5301(2015)08-0759-05
2015-03-30)