李伟慷,崔清卓#,郑玉光,张一昕,郭炳颜,赵京山,2,*,刘 琳
1.河北中医学院药学院,河北省中药炮制创新中心,河北 石家庄 050020
2.河北中医学院基础医学院,河北 石家庄 050020
3.河北省中药资源利用与质量评价国际联合研究中心,河北 石家庄 050020
4.河北医科大学第二附属医院,河北 石家庄 050020
动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)是冠心病、卒中、心肌梗死等多种心血管疾病的主要原因,也是造成全球人口死亡最主要的病因。AS 表现为细胞和富含脂质的斑块沉积于内膜下,浸润的白细胞和巨噬细胞促进血管炎症、斑块生长和破裂,最终导致动脉血栓形成,堵塞动脉血管。因此,传统理论认为AS 源于内皮损伤,是“由内到外”的反应过程。然而,支架置入或球囊血管成形术损伤内皮后,在新生内膜产生之前,血管外膜成纤维细胞(vascular adventitial fibroblasts,VAFs)早已开始增殖并迁移到内膜区域,分泌细胞外基质蛋白产生新生内膜[1]。近一半的新生内膜细胞来源于增殖的外膜成纤维细胞,表明动脉外膜参与血管重构反应。因此,越来越多的研究证实,AS 的发生发展可能是“由外而内”的过程[1],构成外膜的VAFs 发挥着重要作用。中医对心血管疾病的研究在不断深入,吴以岭院士的脉络学说为心血管疾病的防治提供了理论依据,其核心理论为营卫承制调平。营气与血管内膜,卫气与血管外膜具有相关性。营行脉中,卫行脉外,卫外固护,阻邪于外,营卫调和,才能发挥血管舒缩功能;反之,“营卫不通,血凝不流。”心血管病在中医中归属“胸痹”的范畴,卫气失常是胸痹的始动因素,卫失固护,腠理疏松,痰瘀邪气入脉,久而脉积[2],这与近年来医学对血管外膜的研究成果相一致。
炎症是AS 及其相关的心血管疾病的主要驱动因素,抑制炎症能够治疗AS。白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)的单克隆抗体canakinumab可降低患者心血管事件复发的风险[3]。NOD 样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3,NLRP3)炎症小体由NLRP3、凋亡斑点样蛋白(apoptotic spot-like protein,ASC)及半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1(cystein-asparate protease-1,Caspase-1)组成,ASC可以通过与pro Caspase-1 结合激活Caspase-1,进而促进IL-1β、IL-18 及下游炎症通路的激活[4]。Toll样受体4(Toll-like receptor 4,TLR4)及核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)为NLRP3 炎性小体的上游分子。研究表明,TLR4/NF-κB/NLRP3 信号通路在心肌缺血/再灌注损伤及心肌损伤中发挥重要作用[5-6]。然而,TLR4/NF-κB/NLRP3 信号通路在血管重塑及AS 中对血管外膜的作用有待进一步研究。
心血管疾病在中医中统称为“胸痹”,常以活血化瘀药治疗。中医认为胸痹主要病位在心和血脉,血液浓稠、凝固,心脉瘀阻而“胸痹”,当以活血化瘀、宣痹通脉。红花是我国应用广泛的活血化瘀药,红花及其水提物常用于辅助治疗冠心病、脑梗死、冠状AS。羟基红花黄色素A(hydroxylsafflower yellow A,HSYA)是红花的主要活性成分,在心血管疾病中发挥重要保护作用[7-8]。研究发现,HSYA能够通过AMP 依赖的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)/NF-κB/NLRP3 信号通路抑制支气管炎,从而减轻小鼠的哮喘症状[9],还可通过抑制NLRP3 炎症小体激活保护心肌缺血/再灌注损伤[10]。课题组前期研究发现,HSYA 能够通过调控自噬抑制血管紧张素II(angiotensin II,ANG II)诱导的VAFs 迁移,改善血管重塑[11]。然而,HSYA在TLR4/NF-kB/NLRP3 信号通路中的作用目前尚未被研究。本研究主要探讨HSYA 是否通过调控TLR4/NF-kB/NLRP3 信号通路抑制ANG II诱导的VAFs 迁移,为HSYA 改善血管重塑及治疗AS 提供实验基础和理论依据。
SPF 级雄性SD 大鼠,体质量160~200 g,6 周龄,购自河北省实验动物中心,动物合格证号IP08169。动物饲养于河北中医学院动物房,遵循SPF级动物饲养条件,环境温度稳定为24 ℃,相对湿度为45%,通风,12 h/12 h 光照/黑暗交替,自由饮食。动物实验遵循实验动物护理原则,并经河北中医学院动物保护委员会批准(批准号DWLL202203044)。
羟基红花黄色素A(批号2021100361,质量分数为99%)购自上海源叶生物科技有限公司;脂多糖(lipopolysaccharide,LPS,批号2022060581)、血管紧张素II(批号2022031156)购自北京索莱宝科技有限公司;DMEM/F12 培养基(批号2022011271)购自美国Gibco 公司;胎牛血清(fetal bovine serum,FBS,批号2021051623)购自杭州四季青生物科技有限公司;甘油醛-3-磷酸脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDH)兔抗大鼠抗体(批号2022061362)购自英国Abcam公司;α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA)兔抗大鼠抗体(批号2022040511)、波形蛋白(Vimentin)兔抗大鼠抗体(批号CY5134)、NLRP3兔抗大鼠抗体(批号2022030316)、Caspase-1 兔抗大鼠抗体(批号202205187)、HRP 标记的IgG 二抗(批号2022040315)、山羊抗兔488 荧光二抗(批号2022032619)、山羊抗兔 594 荧光二抗(批号2022050106)购自上海泊湾生物科技有限公司;ASC兔抗大鼠抗体(批号2022020817)购自美国Affinity Biosciences 公司;TLR4 抗体、NF-κB 抗体、p-NFκB 抗体、核质蛋白提取试剂盒(批号2022180627)购自上海泊湾生物科技有限公司;CCK-8 试剂盒(批号2022060721)购自上海圣尔生物有限公司。
SW-CJ-2FD 型超净工作台(苏州安泰空气技术有限公司);311 型细胞培养箱(美国Thermo Fisher Scientific 公司);VICTOR Nivo 型多功能微孔读数仪(德国Perkln Elmer 公司);ECLIPSE Ti2 型倒置相差显微镜、ECLIPSE TS2 型荧光显微镜(日本Nikon 公司);5804 型高速离心机(德国Eppendorf公司);1645050 型电泳、电转膜仪(美国Bio-Rad公司);Fusion FX5 Spectra 型多功能成像系统(法国Vilber 公司)。
大鼠ip 25%乌拉坦(10 mL/kg)麻醉,固定,75%乙醇消毒,打开胸腔,取出胸主动脉。PBS 清洗主动脉后,去除血管外膜周围的脂肪组织,纵切面剪开血管,清洗管腔,去除血管内皮细胞和中层平滑肌细胞,将剩余的血管外膜剪成小块(1 mm2/块),用含15%胎牛血清的完全培养基贴壁培养,置于37 ℃、5% CO2细胞培养箱中培养。
组织贴壁培养1 周后,用0.25%胰酶消化组织贴块周围的细胞,待细胞由梭形变圆时,去除胰酶,并用培养基终止消化过程。收集细胞悬液,1000 r/min 离心10 min,弃上清,获得P0 代VAFs。细胞按1∶3 传至P3 代,获得实验用VAFs。通过免疫荧光实验鉴定VAFs。
将细胞按3000 个/孔接种于96 孔板,待细胞处于对数生长期时,在无血清的培养基中培养12 h,然后添加100 μL 含不同浓度梯度的ANG II(0、1×10-5、1×10-6、1×10-7、1×10-8、1×10-9mol/L)或HSYA(0、5、10、20、40、80、160 μmol/L)的培养基刺激细胞,并设置对照组(无细胞培养基),细胞继续培养24 h,采用CCK-8 法检测细胞活力。确定ANG II及HSYA 作用浓度后,将细胞接种于96 孔板,接种密度和培养条件相同。细胞饥饿刺激后,将ANG II或HSYA 的作用时间设置为0、12、24、48 h,并设置对照组,采用倒序给药法对细胞给予ANG II或HSYA 刺激。最后一次给药即为0 h,给药结束后,CCK-8 法检测细胞活力,平行测定6次,实验重复3 次,取平均值。
将对数生长期的细胞接种于96 孔板,待细胞稳定生长时,用无血清培养基培养12 h,给予ANG II或HSYA 刺激,每组设置6 个复孔,继续培养24 h,每孔加入10 μL CCK-8 试剂,37 ℃孵育1 h 后,酶标仪检测490 nm 处的吸光度(A)值,计算细胞活力。实验重复3 次。
VAFs 以2×105个/孔接种于6 孔板,待细胞对数生长后,设置对照组、ANG II组和HSYA(20、40、60 μmol/L)组,对照组给予培养基正常培养,其余各组给予1×10-7mol/L ANG II处理24 h 构建ANG II诱导的VAFs 迁移模型。然后更换为含不同浓度HSYA 的培养基,继续培养24 h。收集各组细胞,加入含蛋白酶抑制剂的RIPA 裂解液,提取细胞总蛋白,BCA 法测定蛋白浓度。蛋白样品经十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳,转至PVDF 膜,用5%脱脂牛奶封闭2 h,加入一抗,4 ℃孵育过夜;加入二抗孵育后,利用化学发光法将蛋白印迹显色。
VAFs 以1×104个/孔接种于放置无菌爬片的24孔板,培养48 h。设置对照组、ANG II组、HSYA 组、LPS 组和LPS+HSYA 组,对照组给予培养基正常培养,其余各组给予1×10-7mol/L ANG II处理24 h 构建ANG II诱导的VAFs 迁移模型。然后更换为含100 nmol/L LPS 或40 μmol/L HSYA 的培养基,继续培养24 h。取出爬片,使用0.25% Triton X 100 打孔,滴加37 ℃山羊血清封闭30 min,滴加兔抗鼠NLRP3、Vimentin、α-SMA、ACS 抗体(1∶200),37 ℃封闭1 h;滴加山羊抗兔594 荧光二抗,避光封闭30 min,滴加DAPI封片,于荧光显微镜下观察并拍照。
VAFs 以2×105个/孔接种于6 孔板,待细胞对数生长,更换无血清培养基培养12 h 后,用无菌枪头在细胞上划线,按“2.5”项下方法分组,LPS 提前3 h 预处理细胞,再加入相应浓度的ANG II和HSYA。拍照记录给药0 h 细胞状态,更换为含15%胎牛血清的完全培养基,继续培养24 h,随机选取3 个划痕视野拍照记录24 h 细胞状态,计算细胞迁移率。
迁移率=(0 h 划痕宽度-24 h 划痕宽度)/0 h 划痕宽度
采用Graphpad Prism 5 软件对实验数据进行统计分析,结果以±s表示,One-way ANOVA 用于多组比较分析,t检验用于两两比较分析。
VAFs 形态为梭形,大鼠胸主动脉血管外膜组织贴块爬出的细胞形态符合VAFs(图1-A)。免疫荧光染色检测VAFs 的标志蛋白Vimentin 及血管平滑肌细胞的标志蛋白α-SMA,如图1-B所示,Vimentin呈阳性表达,未见α-SMA 表达,进一步证实VAFs培养成功。
图1 VAFs 形态(A,×100)及α-SMA、Vimentin 蛋白表达(B,×400)Fig.1 Morphology(A,× 100),α-SMA and Vimentin protein expressions(B,× 400)of VAFs
利用CCK-8 法检测ANG II处理VAFs 后细胞活力的变化,确定ANG II的作用浓度和刺激时间。如图2所示,1×10-7mol/L ANG II促进细胞生长的作用最强(P<0.01),因此,选用1×10-7mol/L 的ANG II进行后续实验。进一步的作用时效结果显示,ANG II的作用时效呈钟形,即细胞活力随着作用时间增加显著增强,24 h 作用最强(P<0.01),24 h 后随时间延长细胞活力逐渐降低,因此后续ANG II作用时间选择24 h。
图2 ANG II 对VAFs 活力的量效(A)和时效(B)关系(±s,n = 6)Fig.2 Dose-effect(A)and time-dependent(B)of ANG Ⅱ on cell viability of VAFs(±s,n = 6)
利用CCK-8 法检测HSYA 处理VAFs 后细胞活力的变化,确定HSYA 的作用浓度和刺激时间,如图3所示,HSYA 能够显著抑制VAFs 活力(P<0.05、0.01),当作用浓度达到40 μmol/L,细胞抑制率达到50%,当作用浓度达到80 μmol/L 时,细胞出现萎缩。因此,选用40 μmol/L 的HSYA 进行后续实验。进一步的作用时效结果显示,随着HSYA 作用时间延长至24 h,细胞活力显著下降(P<0.01);继续延长至48 h,细胞活力下降50%,但出现皱缩,因此后续HSYA 作用时间选择24 h。
如图4所示,与对照组比较,ANG II组TLR4蛋白表达水平显著升高(P<0.001),p-NF-κB 和核内NF-κB 蛋白表达水平均显著升高(P<0.05、0.001);与ANG II组比较,HSYA 组TLR4 蛋白表达水平显著降低(P<0.01、0.001),HSYA(40、60 μmol/L)组p-NF-κB 蛋白表达水平显著降低(P<0.05),HSYA 各剂量组核内NF-κB 蛋白表达水平显著降低(P<0.05、0.01、0.001),表明HSYA 能够抑制TLR4/NF-κB 信号通路,并且可以抑制NF-κB的磷酸化和入核。
图4 HYSA 抑制ANG II 诱导的VAFs 中TLR4、NF-κB 和p-NF-κB 蛋白表达(±s,n = 4)Fig.4 HSYA inhibited the expression of TLR4,NF-κB and p-NF-κB protein expressions(±s,n = 4)
如图5所示,与对照组比较,ANG II组NLRP3和ASC 荧光强度增加,NLRP3 和ASC 共表达增加,提示ANG II促进NLRP3 炎性小体激活和组装。与ANG II组比较,HSYA 组NLRP3 和ASC 荧光强度减弱,NLRP3 和ASC 共表达减少,表明HSYA 能够抑制NLRP3 炎性小体的组装和激活。
图5 HSYA 抑制NLRP3 和ASC 共表达(×400)Fig.5 HSYA inhibited the co-expression of NLRP3 and ASC(× 400)
LPS 能够激活TLR4/NF-κB 信号通路,课题组前期研究发现HSYA 能够抑制ANG II诱导的VAFs的迁移[11]。为了确定HSYA 抑制VAFs 的迁移作用与TLR4/NF-κB 有关,在ANG II诱导的VAFs 迁移模型上对细胞进行LPS 刺激,通过划痕实验检测细胞迁移情况,如图6所示,与对照组比较,ANG II组细胞迁移率显著增加(P<0.01);与ANG II组比较,HSYA 组细胞迁移率显著降低(P<0.01),LPS组细胞细胞迁移率增加;与LPS 组比较,LPS+HSYA 组细胞迁移率显著降低(P<0.01),表明HSYA 能够逆转LPS 对VAFs 迁移的促进作用。
图6 HSYA 对LPS 诱导的VAFs 迁移的作用(×40,±s,n = 4)Fig.6 Effect of HSYA on LPS-induced VAFs migration(× 40,±s,n = 4)
为了进一步确定HSYA 可通过调控TLR4/NFκB 通路抑制NLRP3炎症小体的激活,检测LPS 刺激的VAFs 细胞中NLRP3 炎症小体相关蛋白的共表达。如图7所示,与对照组比较,ANG II组NLRP3和ASC 蛋白共表达增加;与ANG II组比较,HSYA组NLRP3 和ASC 蛋白共表达降低,LPS 组NLRP3和ASC 蛋白共表达增加;与LPS 组比较,LPS+HSYA 组NLRP3 和ASC 蛋白共表达降低,HSYA逆转了LPS 对VAFs 中Caspase-1 和ASC 的共表达,表明HSYA 靶向抑制NLRP3 炎性小体组装。LPS 为TLR4/NF-κB 通路及NLRP3炎症小体的激活的上游刺激物质,能够激活TLR4/NF-κB/NLRP3信号通路,HSYA 能够抑制LPS 刺激的NLRP3炎症小体的组装及VAFs 的迁移。以上结果表明HSYA通过抑制TLR4/NF-κB/NLRP3 通路抑制LPS 诱导NLRP3 炎性小体激活。
图7 HSYA 对LPS 诱导的NLRP3 和ASC 共表达的作用(×40)Fig.7 Effect of HSYA on LPS-induced co-expression of NLRP3 and ASC(× 40)
动脉血管由以内皮细胞为主的内膜、以血管平滑肌细胞为主的中膜以及富含胶原纤维的外膜组成。内皮细胞和血管平滑肌细胞已受到血管生物学家的广泛关注,而构成外膜的主要细胞类型——外膜成纤维细胞在很大程度上被忽视。然而,越来越多的实验数据表明,血管外膜在AS 和高血压等血管疾病中发挥关键调节作用[12-13]。外膜作为血管壁的主要“损伤感知组织”,在内膜发生改变之前,VAFs 早已对缺氧、血管膨胀、损伤及炎症等环境压力做出反应,表现为VAFs 激活、增殖并迁移至内膜和中膜,进而导致血管重构[14]。另外,迁移的VAFs能够增加细胞因子的分泌,直接影响血管平滑肌细胞张力,促进血管炎症发生,从而影响整个血管张力和血管壁结构[15-16]。因此,VAFs 能够“由外而内”调节血管的功能和结构。抑制VAFs 的迁移,能够改善血管纤维化、AS 及其相关的心血管疾病。
心血管疾病在中医中属“脉络-系统性疾病”,从《络病学》的“络病证治”到《脉络论》的“络脉学说”,其核心理论为营卫承制调平。卫气失常,卫外不固,腠理疏松,痰浊瘀血邪气易侵,久则脉积,易发中风、胸痹等。脉积与西医中AS 相关,是心血管疾病的发病基础。血管外膜护卫不利,外膜滋养血管增多,招募炎症细胞[17],促进成纤维细胞活化,发生表型转化,向内膜迁移,造成内膜增生增厚[18],导致血液瘀阻,从而促进心血管疾病的发生发展。中医卫营调平与血管外内膜稳态具有相关性,固卫外,消瘀堵,在疾病早期抑制血管外膜重构或可成为潜在治疗靶点。
持续的炎症免疫反应在动脉硬化不稳定斑块的形成、发展和破裂过程中发挥重要作用。TLR4 是一种跨膜转导受体,能够与LPS 结合,NF-κB 及其转录调控的各种炎性细胞因子,在AS 的发展过程中发挥关键作用[19]。抑制TLR4/NF-κB 通路可减轻AS[20]。因此,TLR4/NF-κB 通路在LPS 感染中起重要作用。除TLR4/NF-κB 通路外,NLRP3炎症小体的激活在AS 的发展过程发挥重要作用[21]。NLRP3可调节IL-1β 和IL-18 的生成,参与炎症介导的斑块的形成与发展[21]。因此TLR4、NF-κB、NLRP3 炎症小体是AS 等炎症性疾病的有前景的药理靶点。
红花是经典的活血化瘀药,常用于治疗多种心脑血管疾病。HSYA 为红花最主要的有效成分,在多种疾病中发挥重要作用[7-8]。研究表明,HSYA 可通过抑制炎症减轻小鼠的哮喘症状[9],HSYA 还可通过蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)信号通路抑制内皮损伤及血管平滑肌细胞的迁移减轻AS[22-23]。然而,HSYA 能否通过抑制TLR4/NF-κB/NLRP3 通路抑制ANG II诱导的VAFs 的迁移,改善血管重构,目前尚未被研究。本研究利用ANG II诱导VAFs的增殖和迁移,并给予细胞LPS 刺激,探究HSYA在LPS 诱导的TLR4/NF-κB/NLRP3 炎症通路中的作用。通过免疫荧光实验鉴定大鼠主动脉组织贴块法培养的细胞为VAFs。ANG II及HSYA 的量效、时效结果确定ANG II和HSYA 的最佳作用浓度分别为1×10-7mol/L 和40 µmol/L,作用时间均为24 h。Western blotting 结果显示,ANG II刺激显著增加VAFs 中TLR4 及NF-κB 的磷酸化水平,还能升高核内NF-κB 含量;HSYA 能够显著抑制ANG II诱导的TLR4 及NF-κB 的磷酸化水平升高,抑制效果与作用浓度正相关。NLRP3 炎性小体的激活在血管重塑中发挥重要作用,为了明确HSYA 对ANG II诱导的VAFs 迁移的抑制作用与NLRP3 炎症小体有关,检测细胞中NLRP3炎症小体的组装情况,结果显示,与对照组比较,ANG II组细胞中NLRP3和ASC 荧光重合后,荧光强度增加,提示ANG II促进NLRP3 和ASC 的共表达,以上结果表明,ANG II促进NLRP3 炎性小体组装。与ANG II组比较,随着HSYA 剂量增加,VAFs 中NLRP3 和ASC 的共表达逐渐降低,表明ANG II诱导的VAFs 中NLRP3炎性小体的激活被HSYA 显著抑制。划痕实验结果表明,HSYA 能够显著抑制ANG II及LPS 诱导的VAFs 迁移。LPS 为NLRP3 炎性小体的上游,能够激活NLRP3 炎性小体[24]。对细胞进行LPS 刺激,检测HSYA 对LPS 诱导的NLRP3 炎性小体激活的作用。采用免疫荧光双染实验同时检测ASC 和NLRP3 蛋白,免疫荧光结果显示LPS 诱导ASC 和NLRP3 共表达增加,提示LPS 促进NLRP3 炎性小体的组装,而HSYA 逆转了这一作用,表明HSYA 通过抑制NLRP3 炎性小体的组装和激活抑制ANG II诱导的VAFs 迁移。
无菌性炎症在早期和晚期AS 的发展中起着重要作用[25]。TLR4 信号参与AS 的进展[20],NLRP3炎性小体激活pro Caspase-1 的切割,促进炎症细胞因子的IL-1β 成熟与释放,加剧血管重构。VAFs 作为血管损伤响应的前哨细胞,启动并参与AS 相关的血管重构。因此,进一步探究HSYA 对ANG II诱导的TLR4/NF-κB 通路及NLRP3 炎性小体组装的影响。发现ANG II刺激能够激活TLR4/NF-κB 通路,促进NF-κB 的磷酸化与入核、NLRP3 炎性小体的组装,从而激活TLR4/NF-κB/NLPR3 通路的炎症反应;HSYA 能够抑制LPS 诱导的NLRP3 炎性小体组装及VAFs 的迁移和增殖,进而抑制血管重塑及其相关的心血管疾病。以上结果表明TLR4/NFκB/NLPR3 通路在VAFs 迁移和表型转化中起重要作用,进一步证实了HSYA 通过影响TLR4/NFκB/NLPR3 通路,抑制ANG II诱导的VAFs 迁移。
本研究发现,HSYA 能够通过 TLR4/NFκB/NLPR3 信号通路抑制ANG II诱导的VAFs 迁移。然而,HSYA 具有半衰期短、体内消除速度、口服生物利用度较低的特点[26-27]。HSYA 在体内是否能够显著改善ANG II诱导的血管重塑,需要进一步的动物实验来验证。另外,HSYA 在临床上常以血必净注射液或丹红注射液等复方制剂形式用药。因此,在研究HSYA 调控VAFs 迁移相关的血管重塑的作用机制的基础上,还应结合HSYA 在体内的代谢方式,选择合适的药用辅料,延长药物在体内的半衰期,为其临床治疗血管重塑性疾病提供实验基础依据。综上,HSYA 通过抑制TLR4/NFκB/NLPR3 通路抑制ANG II诱导的VAFs 迁移,改善血管重塑。HSYA 可能是治疗血管重塑性疾病的一个潜在的治疗候选药物。
利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突