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線粒體靶向抗氧化肽SS-31對膿毒癥大鼠血管通透性的保護作用
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[摘要] 目的 探討線粒體靶向抗氧化肽SS-31對膿毒癥大鼠血管通透性的影響及其機制。方法 40只12周齡SD大鼠(雌雄各半,體質(zhì)量約220 g)分成5組(n=8):假手術(shù)組(只開腹,不結(jié)扎盲腸和穿孔)、膿毒癥組(盲腸結(jié)扎穿孔術(shù)制作膿毒癥模型)、常規(guī)治療組(conventional treatment,CT組,膿毒癥模型12 h后,股靜脈輸注LR)、SS-31早期治療組(常規(guī)治療基礎(chǔ)上在盲腸結(jié)扎穿孔前30 min尾靜脈給予SS-31 3 mg/kg)和SS-31晚期治療組(常規(guī)治療基礎(chǔ)上在盲腸結(jié)扎穿孔12 h后從股靜脈輸注LR聯(lián)合SS-31)。通過熒光蛋白透過率的方法測定大鼠肺臟和腎臟的血管通透性,伊文思藍染色透過率檢測大鼠腸道通透性;離體取原代肺靜脈內(nèi)皮細胞觀察LPS刺激(LPS組)及SS-31預(yù)處理(SS-31預(yù)處理組)后對內(nèi)皮細胞的閉鎖小帶蛋白1(zonula occludes-1,ZO-1)的表達和細胞跨膜電阻(trans electric resistance,TER),以及活性氧(reactive oxygen species,ROS)的影響,以無血清的基礎(chǔ)培養(yǎng)基培養(yǎng)24 h的細胞作為正常對照組。結(jié)果 ① 與假手術(shù)組比較,膿毒癥組大鼠肺臟、腎臟血管以及腸道組織的通透性明顯增加,線粒體功能降低(P < 0.01);采用常規(guī)治療(LR聯(lián)合頭孢呋辛鈉和多巴胺同時輸注)盡管可以降低膿毒癥大鼠的通透性和減輕線粒體功能損害,但與膿毒癥組比較,差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05);SS-31治療可明顯降低膿毒癥大鼠肺臟、腎臟血管以及腸道組織的通透性和增加線粒體功能,與常規(guī)治療組比較,差異有統(tǒng)計學意義(P < 0.01),其中SS-31早期治療效果比晚期治療效果更好。②與正常對照組比較,LPS組ZO-1表達明顯降低,細胞結(jié)構(gòu)排列紊亂,TER明顯降低,ROS含量增加;SS-31預(yù)處理可使ZO-1表達增加,細胞間連接緊密,TER明顯增加,ROS含量明顯降低。結(jié)論 SS-31對膿毒癥大鼠的血管通透性有保護作用,其機制可能與抑制線粒體氧化應(yīng)激有關(guān)。 膿毒癥是指機體對感染的反應(yīng)失調(diào)而致的危及生命的器官功能障礙,是嚴重創(chuàng)傷、燒傷后的常見并發(fā)癥和主要死亡原因之一。據(jù)統(tǒng)計全球每年有2 100萬膿毒癥患者,死亡率高達20%~50%[1]。多數(shù)膿毒癥患者存在嚴重的血管滲漏,目前認為血管滲漏是膿毒癥主要的病理生理變化之一,可引起組織水腫甚至器官功能障礙,嚴重時可危及生命。氧化應(yīng)激損傷被認為是重要的發(fā)病機制之一。氧化應(yīng)激是指機體遭受各種有害刺激后,體內(nèi)的活性自由基產(chǎn)生過多,氧化作用遠遠超出了機體對氧化物的清除能力,從而產(chǎn)生大量的氧化中間產(chǎn)物,導致炎性細胞浸潤和組織損傷。研究表明,缺血再灌注損傷會引起氧化應(yīng)激,可導致大腦、心臟等重要器官功能損傷[2],動脈粥樣硬化、糖尿病[3-4]等。針對氧化應(yīng)激的發(fā)生機制提出了相應(yīng)的抗氧化應(yīng)激治療措施,但效果仍不理想。 SS-31是一種新型的線粒體靶向抗氧化劑,由加拿大教授Szeto和Schiller發(fā)現(xiàn)并命名,主要分布在線粒體內(nèi)膜上,可直接清除活性氧(reactive oxygen species,ROS),已發(fā)現(xiàn)SS31靶向線粒體并保護神經(jīng)元免受Ca2+誘導的線粒體腫脹。以往研究表明,SS-31對缺血再灌注心臟、阿爾茲海默癥、糖尿病等有很好的保護作用[5-7],但SS-31對膿毒癥血管通透性是否也有保護作用不清楚。為此,本研究采用盲腸結(jié)扎穿孔術(shù)復(fù)制大鼠膿毒癥模型,觀察SS-31早期和晚期治療對膿毒癥大鼠血管通透性的保護作用,并初步探討其保護機制。 1 材料與方法 1.1 試劑 實驗試劑有:SS31,DArg-Dmt-Lys-Phe-NH2,相對分子質(zhì)量639.8 g/mol,規(guī)格100 mg,溶于生理鹽水,配成濃度為1 mg/mL;異硫氰酸熒光素標記的牛血清白蛋白(albumin-fluorescein isothiocyanate conjugate,F(xiàn)ITC-BSA)購自美國Sigma公司,貨號A9771,使用濃度9 mg/kg;伊文思藍(Evans blue)購自Sigma公司(美國),規(guī)格100 g,用生理鹽水配制濃度為1.5%;脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)購自Sigma公司(美國),貨號L2630,用PBS配制成濃度為10 mg/mL;ROS測定試劑盒購自南京建成生物工程研究所(中國);閉鎖小帶蛋白1(zonula occludes-1,ZO-1)抗體購自中國博士德公司,兔抗大鼠,一抗?jié)舛?:200;2, 6-二異丙基苯胺(2, 6-Diisopropylaniline,DAPI)購自中杉金橋公司(中國)。 1.2 大鼠膿毒癥模型制備 取12周齡SD大鼠40只,雌雄各半,體質(zhì)量220 g左右[陸軍軍醫(yī)大學實驗動物中心提供,生產(chǎn)許可證號為SCXK(渝)20170002,使用許可證號為SYXK(渝)20170002]。根據(jù)文獻[8]方法用戊巴比妥鈉(45 mg/kg)腹腔麻醉,碘酒消毒腹部,沿腹直線剪開腹部,切口約3 cm,暴露盲腸,將糞便充盈至盲端,距盲端0.7 cm處結(jié)扎、穿孔,大小約0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm,使糞便流入腹腔,引起感染,復(fù)位盲腸,離斷兩側(cè)大網(wǎng)膜,縫合傷口,按2 mL/100 g大鼠腹腔注射無菌生理鹽水,大鼠放回籠子,禁食不禁水,用于后續(xù)實驗。 1.3 實驗分組 大鼠分成5組:假手術(shù)組、膿毒癥組、常規(guī)治療組(conventional treatment,CT)、SS-31早期治療(Ear)組和SS-31晚期治療(Lat)組。假手術(shù)組只開腹,不結(jié)扎盲腸和穿孔;膿毒癥組:用盲腸結(jié)扎穿孔術(shù)制作膿毒癥模型;常規(guī)治療組:在膿毒癥模型12 h后,股靜脈輸注LR(含頭孢呋辛鈉和多巴胺),輸注3 h后,MAP>65 mmHg;SS-31早期治療組:在盲腸結(jié)扎穿孔前30 min尾靜脈給予SS-31(3 mg/kg),在膿毒癥模型12 h后,輸注LR 3 h(含頭孢呋辛鈉和多巴胺);SS-31晚期治療組:在盲腸結(jié)扎穿孔12 h后從股靜脈輸注LR(含頭孢呋辛鈉和多巴胺)聯(lián)合SS-31(3 mg/kg),輸注3 h。輸注完成后檢測大鼠的肺臟、腎臟和腸道通透性以及線粒體功能。 培養(yǎng)肺靜脈內(nèi)皮細胞,分成正常對照組、LPS組、SS-31預(yù)處理組。正常對照組:實驗前1 d用無血清的基礎(chǔ)培養(yǎng)基培養(yǎng)24 h;LPS組:用無血清的基礎(chǔ)培養(yǎng)基培養(yǎng)24 h后,用2 mg/mL的LPS刺激12 h;SS-31預(yù)處理組:用無血清的基礎(chǔ)培養(yǎng)基培養(yǎng)24 h后,加入0.1 μg/mL SS-31預(yù)刺激30 min,再加入LPS刺激12 h。檢測內(nèi)皮細胞的ZO-1、跨膜電阻(trans electric resistance,TER)和ROS。 1.4 實驗方法 1.4.1 肺臟和腎臟通透性檢測 大鼠麻醉后固定,經(jīng)頸靜脈插管注射FITC-BSA (9 mg/kg),2 h后經(jīng)頸靜脈注射稀肝素40 mL開始沖洗,結(jié)扎腹主靜脈,剪斷腹主動脈,沖洗至肺臟和腎臟變白,取左肺上葉和整個左腎,稱量,剪碎肺組織,勻漿,8 000×g,4 ℃離心10 min,取上清液,用熒光分光光度計測定組織的光密度(波長500 nm,530 nm),同時使用多功能酶標儀測定組織勻漿液的光密度,并計算勻漿液中熒光白蛋白濃度和總蛋白濃度。以組織上清液熒光白蛋白濃度/總蛋白濃度代表肺臟和腎臟的血管通透性。 1.4.2 腸道通透性檢測 腸道通透性測定通過伊文思藍通透率法。各組大鼠處理完畢后斷頭處死,在距離胃幽門約6 cm處取1段約6 cm長的小腸,用預(yù)熱的PBS輕輕沖洗腸腔,將小腸的一端結(jié)扎,從另一端注入200 μL濃度為1.5%的伊文思藍,并將其結(jié)扎,制成腸囊。將腸囊置于37 ℃水浴中2 h后,用PBS沖洗至澄清,然后將腸組織在50 ℃烤箱中烤24 h,取出稱取腸干質(zhì)量,后加2 mL甲酰胺溶液放置于37 ℃ 24 h,取溶液在分光光度計上測定波長655 nm處光密度值[D(655)],并計算出每克腸含伊文思藍的質(zhì)量(mg/g)。 1.4.3 原代內(nèi)皮細胞提取 正常SD大鼠麻醉后,腹腔注射肝素鈉,10 min后打開胸腔,分離左、右兩側(cè)肺靜脈,置于無菌PBS中,縱向剖開肺靜脈血管,并剪成約1 mm×1 mm×1 mm小塊,PBS多次清洗組織,將肺靜脈內(nèi)面貼于培養(yǎng)瓶,加入DMEM-F12完全培養(yǎng)基,待組織完全干燥后,使培養(yǎng)基浸沒組織塊,37 ℃孵箱中培養(yǎng)3 d,所得細胞經(jīng)鑒定為內(nèi)皮細胞[9],取3~5代內(nèi)皮細胞用于實驗。 1.4.4 TER測定 接種1×105/mL細胞于Transwell小室中,經(jīng)2~3 d待細胞單層長滿后,用跨膜電阻測定儀EVOM2(美國World Precision Instruments公司)測量,垂直插入電極到Transwell中,長電極插入下腔,短電極在上腔,待電阻值穩(wěn)定后記錄數(shù)值,重復(fù)測定3次,取平均值。內(nèi)皮細胞的電阻值為(實測電阻值-空白電阻值)×Transwell有效膜面積,單位為Ω·cm2。 1.4.5 免疫熒光檢測ZO-1 取3~5代處理后的肺靜脈內(nèi)皮細胞,用4%多聚甲醛固定15 min,0.1% Triton破膜1 min,1%BSA封閉10 min,一抗4 ℃過夜,二抗常溫避光孵育1 h,DAPI避光孵育10 min,每一步驟均要用PBS洗3次,每次5 min。激光共聚焦顯微鏡觀察(激發(fā)波長:488 nm,發(fā)射波長:535 nm)ZO-1的表達。 1.4.6 線粒體的呼吸控制率測定 取大鼠的腎臟和小腸組織5 g,用PBS洗干凈血漬,放入20 mL冰冷的分離緩沖液中(蔗糖0.25 mol/L,Na2EDTA 0.1 mmol/L,Tris 0.01 mol/L,pH=7.6)勻漿,將組織勻漿液在4 ℃以1 600×g離心12 min,將上清液在4 ℃以25 000×g離心15 min,收集沉淀并重懸于1 mL分離緩沖液中,并通過文獻[10]中Lowry法測量線粒體蛋白濃度;將1.4 mL測量緩沖液(Tris 0.2 mol/L,pH 7.6,KCl 15 mmol/L,KH2PO4 15 mmol/L,Na2EDTA 1 mmol/L,MgCl2 5 mmol/L,蔗糖0.25 mol/L)加熱至30 ℃,將反應(yīng)混合物加入反應(yīng)室中并平衡2 min,然后將0.2 mL 3 mg/mL線粒體混合物加入反應(yīng)室中并平衡20 s,依次加入10 μL 0.5 mol/L蘋果酸鈉(C4H4Na2O5·H2O)和谷氨酸鈉(C5H8NNaO4)和5 μL ADP(400 nmol/L)。通過線粒體溶氧儀(MT 200,Stranthkelvin,蘇格蘭)測定耗氧率。呼吸控制率(有和沒有ADP的消耗氧氣率)反映了線粒體功能。 1.4.7 肺靜脈內(nèi)皮細胞ROS測定 細胞密度長至90%時消化接種至共聚焦培養(yǎng)皿,待細胞長至適合密度,按照1:500加入DCFH-DA于無血清培養(yǎng)基中,置于37 ℃孵箱中孵育30 min,在共聚焦顯微鏡下觀察熒光強度(波長488 nm),以熒光強度表示細胞中ROS含量。 1.5 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件,數(shù)據(jù)以x±s表示,兩組均數(shù)比較用t檢驗,多組比較用單因素方差分析。檢驗水準α=0.05。 2 結(jié)果 2.1 SS-31對膿毒癥大鼠腎臟、肺臟血管和腸通透性的影響 與假手術(shù)組比較,膿毒癥大鼠的腎臟、肺臟血管和腸道通透性均顯著增加(P < 0.01);常規(guī)治療可輕微降低腎臟、肺臟血管和腸道的通透性,但無統(tǒng)計學意義(P>0.05);SS-31治療可明顯降低腎臟、肺臟血管和腸道的通透性,與常規(guī)治療組比較,SS-31早期治療組分別降低了31%、36%和56%,SS-31晚期治療分別降低了12%、21%和48%,其中,SS-31早期治療效果更好,與常規(guī)治療組比較,有顯著性差異(P < 0.01,圖 1)。 圖片 2.2 SS-31對內(nèi)皮細胞屏障的保護作用 利用免疫熒光檢測ZO-1的表達,觀察細胞連接,結(jié)果顯示,未經(jīng)LPS刺激的內(nèi)皮細胞間連接緊密,完整,且表達較多;LPS刺激12 h后,細胞間連接呈明顯的斷裂、碎片,且表達降低;而SS-31預(yù)處理后細胞形態(tài)恢復(fù),細胞間連接緊密(圖 2A);ZO-1蛋白表達結(jié)果顯示,LPS刺激后ZO-1蛋白表達降低(P < 0.01),SS-31可以增加LPS所致的ZO-1的降低(P < 0.01,圖 2C、D);TER結(jié)果顯示:與正常對照組比較,LPS刺激后,TER隨著測定時間延長逐漸降低(P < 0.01),而SS-31早期治療可增加LPS刺激引起的TER降低(P < 0.01,圖 2B)。 圖片 2.3 SS-31對膿毒癥大鼠腎臟和腸道線粒體功能的影響 膿毒癥后大鼠的腎臟和腸道線粒體功能均顯著降低(P < 0.01),表現(xiàn)為膿毒癥組的腎臟和腸組織的線粒體呼吸控制率降低;CT治療對腎臟和腸組織的線粒體功能改善不明顯(P>0.05);SS-31可明顯恢復(fù)腎臟和腸的線粒體功能,不管是早期治療還是晚期治療,其作用顯著好于CT治療組。其中SS-31早期治療效果最為明顯,大鼠腎臟和腸道的線粒體功能分別恢復(fù)到正常水平的97%和92%(圖 3)。 圖片 2.4 SS-31對內(nèi)皮細胞ROS的影響 正常內(nèi)皮細胞中產(chǎn)生ROS較少,綠色熒光較弱;LPS刺激后內(nèi)皮細胞熒光強度明顯增強,SS-31可減弱LPS引起的熒光增強(圖 4)。綠色熒光強弱反映了ROS產(chǎn)生的多少。 圖片 3 討論 膿毒癥是感染引起的以全身炎癥反應(yīng)為特征的臨床重癥,可導致多器官功能障礙,血管滲漏是膿毒癥的病理生理變化特征之一,嚴重影響著膿毒癥的發(fā)生發(fā)展過程。盡管對血管滲漏研究較多,但尚未完全闡明其發(fā)生機制,尚缺乏有效的治療措施,因此有效的治療藥物對膿毒癥血管滲漏至關(guān)重要。 膿毒癥時,重要器官線粒體功能障礙,而線粒體是細胞能量的加工廠,在機體能量生成、細胞內(nèi)Ca2+調(diào)節(jié)、自由基產(chǎn)生、信號轉(zhuǎn)導和細胞凋亡調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮著重要的作用,同時線粒體也是產(chǎn)生活性氧的主要場所。線粒體功能障礙嚴重影響著疾病的發(fā)生發(fā)展過程,有研究表明,線粒體功能障礙時產(chǎn)生的ROS增加、三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)生成減少嚴重影響著高血壓的發(fā)生發(fā)展。 SS-31作為線粒體抗氧化劑,具有穩(wěn)定性好、水溶性好以及半衰期較長等優(yōu)點[11],該藥物能在細胞膜上自由擴散,既往研究顯示SS-31很容易被細胞攝取[12-13],如在神經(jīng)母細胞瘤細胞中,30 min即可達到濃穩(wěn)態(tài)度。分離的鼠肝、腦線粒體的研究表明,SS-31能被線粒很快攝取,不到2 min就能達到最大吸收率[12];深入的研究表明,85%被攝入線粒體的SS-31主要結(jié)合在線粒體內(nèi)膜上[14]。為了更好地觀察SS-31對膿毒癥大鼠血管通透性早期的保護作用,參考其他人的研究[15-16],本研究采用預(yù)給藥的方式,讓細胞和線粒體充分攝取SS-31從而更好發(fā)揮作用。但研究也顯示SS-31的攝取不依賴于線粒體膜電位,去極化的線粒體也能攝取SS-31,提示發(fā)揮功能異常的線粒體也能攝取SS-31,已有研究應(yīng)用SS-31于疾病發(fā)生之后觀察其療效[15, 17]。因此,本研究也觀察了SS-31對膿毒癥大鼠血管通透性晚期的治療作用。以往研究發(fā)現(xiàn)可減少膿毒癥小鼠海馬神經(jīng)元凋亡與炎癥反應(yīng),從而減輕腦損傷[18];李國民等[19]研究發(fā)現(xiàn)SS-31可以改善膿毒癥誘導的急性肺損傷時的肺功能;王月華等[20]發(fā)現(xiàn)SS-31能夠抑制高糖誘導的小鼠腎小球系膜細胞凋亡。但SS-31對膿毒癥大鼠血管通透性是否具有保護作用尚不明確。本研究結(jié)果顯示:SS-31可降低膿毒癥大鼠的肺、腎和腸血管通透性;同時在細胞水平上,SS-31可增加肺靜脈內(nèi)皮細胞間的連接和TER。提示SS-31對膿毒癥大鼠的血管通透性有保護作用。那么,SS-31是通過什么分子機制發(fā)揮對膿毒癥大鼠的保護作用呢? 目前關(guān)于SS-31研究較多的是作為一種抗氧化肽,作用在線粒體內(nèi)膜上,通過抗氧化應(yīng)激發(fā)揮其保護作用。如LI等[21]研究發(fā)現(xiàn)SS-31可通過抗氧化應(yīng)激發(fā)揮對高糖誘導的糖尿病腎病的保護作用;LI等[22]研究發(fā)現(xiàn)SS-31對膿毒癥引起的器官功能障礙有保護作用,其機制與抑制促炎細胞因子、氧化應(yīng)激有關(guān)。為此本研究也驗證了SS-31是否通過抑制線粒體氧化應(yīng)激而發(fā)揮對膿毒癥血管通透性的保護作用。結(jié)果顯示膿毒癥后活性氧含量明顯增多,SS-31明顯降低細胞內(nèi)的活性氧含量,結(jié)果提示SS-31對膿毒癥大鼠血管通透性的保護作用與抑制氧化應(yīng)激有關(guān)。 綜上所述,本研究顯示SS-31對膿毒癥大鼠的血管通透性有保護作用,其機制與抑制氧化應(yīng)激有關(guān),為臨床膿毒癥的治療提供新的策略。 免責聲明:本文為行業(yè)交流學習,版權(quán)歸原作者所有,如有侵權(quán),可刪除。 |
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