離子通道參與麻醉藥的作用與不良反應機制,麻醉藥對離子通道相關基因的轉錄和表達具有一定的調控作用。臨床應用中,持續輸注依托咪酯(etomidate)對機體造成的不利影響已受到關注,但其對離子通道基因表達的影響目前尚不清楚。本實驗將水蚤持續暴露在250 μmol/L依托咪酯中240 min,觀察水蚤心率、趨光行為、血糖在實驗期間的變化及120個離子通道基因在實驗結束時的表達情況。與空白對照組相比,250 μmol/L依托咪酯不會影響水蚤的心率、趨光行為和血糖濃度,定量PCR檢測結果顯示持續應用250 μmol/L依托咪酯處理240 min后會影響18個水蚤基因表達:其中2個基因表達上調,16個基因表達下調。本研究結果表明依托咪酯在轉錄水平影響多種離子通道基因的表達,而本文這種采用系統觀察離子通道相關基因的轉錄改變的方法,有助于了解依托咪酯的藥理作用機制。
引用本文: 胡安民, 江葉, 高鴻, 張偉義, 杜桂芝. 依托咪酯對水蚤離子通道基因表達的影響. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(3): 488-492. doi: 10.7507/1001-5515.20160082 復制
引言
依托咪酯(etomidate)作為一線麻醉藥物在臨床中已廣泛使用[1]。大量研究報道指出依托咪酯具有獨特的藥理學特點,比如:全麻誘導時對心血管功能影響較小,持續輸注時可能抑制腎上腺皮質功能,同時增加危重癥患者術后死亡率[2-5],可見依托咪酯對機體的影響機制較為復雜。
藥物穩態理論認為機體通過適應性變化來降低對外源性藥物的反應[6],即有可能機體在細胞水平上通過改變藥物作用靶蛋白的表達來降低對藥物的反應。麻醉藥物能直接調節離子通道功能從而影響細胞興奮性[7-9],也能通過調節基因表達和蛋白合成的方式來可持續性調節機體功能[10]。
離子通道是貫穿細胞膜或質膜的大分子蛋白,通過選擇性透過特定離子,使細胞對外界刺激作出快速反應。某些信號通路的通道蛋白受特定離子影響,可通過復雜的機制在轉錄水平上調節基因表達從而影響神經功能[11]。離子通道根據功能不同,可分為許多不同的超家族[12-13]。其中某些離子通道主要通過感受跨膜電壓差進行通道的開閉,稱為電壓門控離子通道,包括:電壓門控鉀通道 (voltage-gated potassium channels,KV)、電壓門控鈣通道 (voltage-gated calcium channels,CaV)、電壓門控鈉通道 (voltage-gated sodium channels,NaV)、電壓門控氯通道 (voltage-gated chlorine channels,ClC)。某些離子通道能結合特定物質達到通道的激活或失活,稱為配體門控離子通道,比如:超極化激活環核苷酸門控陽離子通道(hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated cation channel,HCN)、環核苷酸門控離子通道 (cyclic nucleotide-regulated ion channel,CNG)、谷氨酸門控離子通道 (glutamate-gated ion channels,iGluRs)、嘌呤受體 (purinergic receptor,P2XR)、乙酰膽堿能受體 (nicotinic acetylcholine receptors,nAChRs)、γ-氨基丁酸A受體 (gamma-aminobutyric acid receptor subunit alpha,GABAARs)、谷氨酸門控氯(glutamate-gated chloride,GluCl)通道、 組胺門控氯(histamine-gated chloride,HisCl) 通道、鈣釋放激活鈣 (calcium release-activated calcium,CRAC) 通道、三磷酸肌醇受體(inositol 1,4,5-trisphosphate receptor,IP3R)、蘭尼堿受體(ryanodine receptor,RyR)以及經由鈣激活的氯通道(Ca2+-activated Cl- channels,CLCA)。此外,還有某些離子通道既能感受電壓變化也能被某些特定物質激活,比如瞬時感受器電位(transient receptor potential,TRP)通道超家族等。
離子通道在整個生物進化中是相對保守的[13]。本課題組曾經報道過水蚤離子通道種類和人類離子通道種類相似且相關結構域保守,而且其基因表達的改變與麻醉藥作用機制相關[14]。因此系統觀察水蚤離子通道相關基因的mRNA改變有助于了解依托咪酯的藥理作用的分子機制。
根據以前的研究[2-5],我們猜測小劑量依托咪酯即能影響機體器官功能和離子通道相關基因的表達。本實驗將水蚤持續暴露在250 μmol/L依托咪酯中240 min,通過觀察水蚤心率、 趨光行為、血糖在實驗期間的變化及120個離子通道基因在實驗結束時的表達情況來進一步了解依托咪酯作用機體的藥理機制。
1 材料和方法
1.1 水蚤培養和藥品準備
水蚤培養方法如文獻[15]所述,在恒溫 (20±1) ℃和可控光照周期 (16:8 h的光-暗周期)水缸內,用酵母菌和螺旋藻混合喂養水蚤。每天清晨更換1/5水量。實驗選用第3代或第4代純化的8~12 d的水蚤進行實驗。實驗方案遵守動物保護準則,經四川大學倫理委員會審核批準。
本課題組曾報道過依托咪酯對水蚤制動的EC50為667 μmol/L[15],本次實驗依托咪酯濃度為250 μmol/L。水蚤隨機分為2組:對照組(C)和依托咪酯組(E)。對照組是將水蚤放入曝光自來水(pH 7.8,含食物)中處理240 min,依托咪酯組是將水蚤放入含250 μmol/L依托咪酯的曝光自來水(pH 7.8,含食物)中處理240 min。實驗過程中對照組和處理組有著等量食物供給。
1.2 心率測定
水蚤的心率通過數字目鏡的顯微鏡錄像記錄,然后用VitualDub-1.9.7 軟件來計算心率[16]。
1.3 趨光性分析
趨光行為分析是基于Martins等[17]報道過的研究方法。實驗選用紫外燈(120 V,60 W)在玻璃量杯(高20 cm,內徑2.5 cm)上方垂直照射。對照組和處理組量杯內依次加入70 mL曝光自來水和70 mL含250 μmol/L依托咪酯的曝光自來水。為對趨光行為進行定量分析,將量杯溶液人為分為2個部分:第1部分為距上層液面14 cm區域;第2部分為距杯底2.5 cm區域。趨光系數則定義為第1部分水蚤數目占量杯中總水蚤數目的比例。趨光系數的范圍為1(所有水蚤均在第1部分)到0(所有水蚤均在第2部分)之間。在持續紫外光照射期間,每次量杯中放入10只水蚤,間隔20 min目測計算1次趨光系數。
1.4 血糖測定
50只水蚤放在500 μL雙蒸水中勻漿后,經5 000 rpm/min離心5 min后取出100 μL上清液。上清液選用葡萄糖檢測試劑盒(GAGO-20,Sigma Aldrich)檢測水蚤組織中葡萄糖濃度。
1.5 RNA提取、逆轉錄和多重PCR
總RNA提取、逆轉錄和PCR方法如文獻[15]所述。每次從50只水蚤中分離、沉淀和純化提取總RNA。選用PrimeScriptTM RT reagent Kit DRR037A (TaKaRa)逆轉錄cDNA。經本課題組實驗已測定出的特異性水蚤離子通道引物[15],觀察藥物對水蚤離子通道mRNA表達的影響。在iQ5 system (Bio-Rad) 中,選用SYBR Premix Ex TaqTM Ⅱ KIT DRR081A (TaKaRa)進行擴增。每個反應體系均為20 μL,包含2 mL cDNA和0.8 μmol/L引物。反應條件包括3步:① 95 ℃激活DNA聚合酶30 s。② 重復反應40個循環,每個循環包括 95 ℃ (5 s),55 ℃ (30 s)和72 ℃ (30 s)。③ 從55 ℃升溫至95 ℃,每升高0.5 ℃后檢測熒光信號30 s。根據2-ΔΔCT理論進行數據分析[18]。 實時定量PCR(quantitative PCR,qPCR)實驗數據均經過β-actin基因標準化后計算水蚤離子通道相關基因轉錄水平的相對表達。
1.6 統計分析
基因相對表達的結果用均數±標準差 (x±s)表示。實驗數據來自獨立的5次實驗。心率、趨光系數和血糖用單因素方差分析統計。基因的相對表達選擇配對t檢驗(n=5) 進行統計學分析。
2 結果
實驗首先在依托咪酯處理10 min和240 min后2個時間點分別測定水蚤的心率,與對照組相比,依托咪酯組沒有引起水蚤心率的改變;依托咪酯組處理240 min期間水蚤的趨光行為和對照組相似;在依托咪酯(250 μmol/L)處理10 min和240 min后2個時間點兩組水蚤的血糖濃度沒有改變,如圖 1所示。

依托咪酯 (250 μmol/L)處理240 min后,120個水蚤離子通道基因通過qPCR檢測。依托咪酯影響18個水蚤基因表達,其中上調2個基因,下調16個基因,如圖 2所示。上調基因包括:1個鉀通道基因(shawl1) 和1個CNG通道基因(cngl)。下調基因包括:4個鉀通道基因(shab、kcnq、twik和task6) ,2個電壓門控鈣通道基因(ca-alpha1d和tag-180) ,3個TRP通道基因(trp、trpm_1和trpml),1個谷氨酸門控離子通道基因(kair2) ,1個γ-氨基丁酸A受體(rdl_1) ,1個DEG/ENaC通道基因(deg/enac-10) ,1個IP3R基因,1個RYR基因,2個鈣激活的氯通道基因(clca2和clca7) 。依托咪酯不影響基因表達的離子通道包括:2TM鉀通道、HCN通道、電壓門控鈉通道、NALCN通道(sodium-leak channel non-selective,NALCN)、雙孔鈣通道(two-pore calcium channel,TPC)、瞬時受體電位辣椒素亞型(transient receptor potential vanilloid type,TPRV)、瞬時受體電位通道香草酸亞型(transient receptor potential ankyrin type,TRPA)、非機械感受器電位C(no mechanoreceptor potential C,nompC)、AMPA受體(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid receptor,AMPAR)、NMDA受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDAR)、谷氨酸門控氯通道(glutamate-gated chloride ion channels,GluCl)、組胺門控氯通道(histamine-gated chloride,HisCl)、P2XR、鈣釋放激活鈣通道(calcium release-activated calcium channel,ORAI)、電壓門控氯離子通道(voltage-gated chloride channel,ClC)、細胞內氯通道(chloride intracellular channel,CLIC)、Bestrophin氯通道(bestrophin,BEST)、Tweety氯通道(tweey,TTYH)和Anoctamin氯通道(anoctamin,ANO)。

*
3 討論
全麻藥物可以通過調節離子通道基因的表達從而持續調節機體功能[10]。穩態理論指出機體可以通過改變蛋白功能或表達來降低藥物的影響,最終產生藥物耐受[6]。GABAARs在全身麻醉和藥物耐受中扮演著重要角色[19]。依托咪酯能增強GABAAR抑制性電流同時延長通道開放的時間[20]。本課題組發現依托咪酯能使GABAARs亞基rdl_1基因表達降低,如圖 2所示。rdl_1基因表達下降的現象在麻醉鎮靜藥物咪唑安定和戊巴比妥作用后也會出現[14]。這種藥物耐受的現象在依托咪酯作用陽離子通道后同樣存在。Takahashi等[9]報道依托咪酯通過降低L-型鈣通道動力學達到減少該通道開放的機率。我們發現依托咪酯下調L-型鈣通道基因表達,包括有ca-alpha1d和tag-180,這一現象再次側面印證機體可能通過調控某些離子通道的基因表達降低藥物產生的影響。
依托咪酯對心血管系統、神經系統以及內分泌系統都會產生影響[1, 3, 20],然而本次實驗中依托咪酯沒有改變水蚤心率,趨光行為和血糖濃度,我們認為這可能與藥物濃度及處理時間有關。
由于缺乏特異性抗體試劑,本文沒有進一步對已發生轉錄水平改變的離子通道進行蛋白質水平研究。機體在mRNA水平和蛋白質水平的調節存在密切相關性[21-22],因此或許不會影響對結論的推斷。
藥物和機體的相互作用關系復雜,依托咪酯作用機體的報道尚有限,而臨床研究更為受限。本課題組發現依托咪酯在轉錄水平影響多種離子通道基因的表達,而本實驗中所檢測的離子通道與依托咪酯相互關系的報道尚缺,比如KaiR2、TRP、TRPM、TRPML、IP3R、RyR及CLCA,這些離子通道與依托咪酯的作用關系有待進一步的研究。
總之,我們的實驗研究表明持續小劑量依托咪酯仍能改變機體離子通道相關基因的表達,這也為以后大家進一步研究依托咪酯的藥理作用機制提供幫助。
引言
依托咪酯(etomidate)作為一線麻醉藥物在臨床中已廣泛使用[1]。大量研究報道指出依托咪酯具有獨特的藥理學特點,比如:全麻誘導時對心血管功能影響較小,持續輸注時可能抑制腎上腺皮質功能,同時增加危重癥患者術后死亡率[2-5],可見依托咪酯對機體的影響機制較為復雜。
藥物穩態理論認為機體通過適應性變化來降低對外源性藥物的反應[6],即有可能機體在細胞水平上通過改變藥物作用靶蛋白的表達來降低對藥物的反應。麻醉藥物能直接調節離子通道功能從而影響細胞興奮性[7-9],也能通過調節基因表達和蛋白合成的方式來可持續性調節機體功能[10]。
離子通道是貫穿細胞膜或質膜的大分子蛋白,通過選擇性透過特定離子,使細胞對外界刺激作出快速反應。某些信號通路的通道蛋白受特定離子影響,可通過復雜的機制在轉錄水平上調節基因表達從而影響神經功能[11]。離子通道根據功能不同,可分為許多不同的超家族[12-13]。其中某些離子通道主要通過感受跨膜電壓差進行通道的開閉,稱為電壓門控離子通道,包括:電壓門控鉀通道 (voltage-gated potassium channels,KV)、電壓門控鈣通道 (voltage-gated calcium channels,CaV)、電壓門控鈉通道 (voltage-gated sodium channels,NaV)、電壓門控氯通道 (voltage-gated chlorine channels,ClC)。某些離子通道能結合特定物質達到通道的激活或失活,稱為配體門控離子通道,比如:超極化激活環核苷酸門控陽離子通道(hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated cation channel,HCN)、環核苷酸門控離子通道 (cyclic nucleotide-regulated ion channel,CNG)、谷氨酸門控離子通道 (glutamate-gated ion channels,iGluRs)、嘌呤受體 (purinergic receptor,P2XR)、乙酰膽堿能受體 (nicotinic acetylcholine receptors,nAChRs)、γ-氨基丁酸A受體 (gamma-aminobutyric acid receptor subunit alpha,GABAARs)、谷氨酸門控氯(glutamate-gated chloride,GluCl)通道、 組胺門控氯(histamine-gated chloride,HisCl) 通道、鈣釋放激活鈣 (calcium release-activated calcium,CRAC) 通道、三磷酸肌醇受體(inositol 1,4,5-trisphosphate receptor,IP3R)、蘭尼堿受體(ryanodine receptor,RyR)以及經由鈣激活的氯通道(Ca2+-activated Cl- channels,CLCA)。此外,還有某些離子通道既能感受電壓變化也能被某些特定物質激活,比如瞬時感受器電位(transient receptor potential,TRP)通道超家族等。
離子通道在整個生物進化中是相對保守的[13]。本課題組曾經報道過水蚤離子通道種類和人類離子通道種類相似且相關結構域保守,而且其基因表達的改變與麻醉藥作用機制相關[14]。因此系統觀察水蚤離子通道相關基因的mRNA改變有助于了解依托咪酯的藥理作用的分子機制。
根據以前的研究[2-5],我們猜測小劑量依托咪酯即能影響機體器官功能和離子通道相關基因的表達。本實驗將水蚤持續暴露在250 μmol/L依托咪酯中240 min,通過觀察水蚤心率、 趨光行為、血糖在實驗期間的變化及120個離子通道基因在實驗結束時的表達情況來進一步了解依托咪酯作用機體的藥理機制。
1 材料和方法
1.1 水蚤培養和藥品準備
水蚤培養方法如文獻[15]所述,在恒溫 (20±1) ℃和可控光照周期 (16:8 h的光-暗周期)水缸內,用酵母菌和螺旋藻混合喂養水蚤。每天清晨更換1/5水量。實驗選用第3代或第4代純化的8~12 d的水蚤進行實驗。實驗方案遵守動物保護準則,經四川大學倫理委員會審核批準。
本課題組曾報道過依托咪酯對水蚤制動的EC50為667 μmol/L[15],本次實驗依托咪酯濃度為250 μmol/L。水蚤隨機分為2組:對照組(C)和依托咪酯組(E)。對照組是將水蚤放入曝光自來水(pH 7.8,含食物)中處理240 min,依托咪酯組是將水蚤放入含250 μmol/L依托咪酯的曝光自來水(pH 7.8,含食物)中處理240 min。實驗過程中對照組和處理組有著等量食物供給。
1.2 心率測定
水蚤的心率通過數字目鏡的顯微鏡錄像記錄,然后用VitualDub-1.9.7 軟件來計算心率[16]。
1.3 趨光性分析
趨光行為分析是基于Martins等[17]報道過的研究方法。實驗選用紫外燈(120 V,60 W)在玻璃量杯(高20 cm,內徑2.5 cm)上方垂直照射。對照組和處理組量杯內依次加入70 mL曝光自來水和70 mL含250 μmol/L依托咪酯的曝光自來水。為對趨光行為進行定量分析,將量杯溶液人為分為2個部分:第1部分為距上層液面14 cm區域;第2部分為距杯底2.5 cm區域。趨光系數則定義為第1部分水蚤數目占量杯中總水蚤數目的比例。趨光系數的范圍為1(所有水蚤均在第1部分)到0(所有水蚤均在第2部分)之間。在持續紫外光照射期間,每次量杯中放入10只水蚤,間隔20 min目測計算1次趨光系數。
1.4 血糖測定
50只水蚤放在500 μL雙蒸水中勻漿后,經5 000 rpm/min離心5 min后取出100 μL上清液。上清液選用葡萄糖檢測試劑盒(GAGO-20,Sigma Aldrich)檢測水蚤組織中葡萄糖濃度。
1.5 RNA提取、逆轉錄和多重PCR
總RNA提取、逆轉錄和PCR方法如文獻[15]所述。每次從50只水蚤中分離、沉淀和純化提取總RNA。選用PrimeScriptTM RT reagent Kit DRR037A (TaKaRa)逆轉錄cDNA。經本課題組實驗已測定出的特異性水蚤離子通道引物[15],觀察藥物對水蚤離子通道mRNA表達的影響。在iQ5 system (Bio-Rad) 中,選用SYBR Premix Ex TaqTM Ⅱ KIT DRR081A (TaKaRa)進行擴增。每個反應體系均為20 μL,包含2 mL cDNA和0.8 μmol/L引物。反應條件包括3步:① 95 ℃激活DNA聚合酶30 s。② 重復反應40個循環,每個循環包括 95 ℃ (5 s),55 ℃ (30 s)和72 ℃ (30 s)。③ 從55 ℃升溫至95 ℃,每升高0.5 ℃后檢測熒光信號30 s。根據2-ΔΔCT理論進行數據分析[18]。 實時定量PCR(quantitative PCR,qPCR)實驗數據均經過β-actin基因標準化后計算水蚤離子通道相關基因轉錄水平的相對表達。
1.6 統計分析
基因相對表達的結果用均數±標準差 (x±s)表示。實驗數據來自獨立的5次實驗。心率、趨光系數和血糖用單因素方差分析統計。基因的相對表達選擇配對t檢驗(n=5) 進行統計學分析。
2 結果
實驗首先在依托咪酯處理10 min和240 min后2個時間點分別測定水蚤的心率,與對照組相比,依托咪酯組沒有引起水蚤心率的改變;依托咪酯組處理240 min期間水蚤的趨光行為和對照組相似;在依托咪酯(250 μmol/L)處理10 min和240 min后2個時間點兩組水蚤的血糖濃度沒有改變,如圖 1所示。

依托咪酯 (250 μmol/L)處理240 min后,120個水蚤離子通道基因通過qPCR檢測。依托咪酯影響18個水蚤基因表達,其中上調2個基因,下調16個基因,如圖 2所示。上調基因包括:1個鉀通道基因(shawl1) 和1個CNG通道基因(cngl)。下調基因包括:4個鉀通道基因(shab、kcnq、twik和task6) ,2個電壓門控鈣通道基因(ca-alpha1d和tag-180) ,3個TRP通道基因(trp、trpm_1和trpml),1個谷氨酸門控離子通道基因(kair2) ,1個γ-氨基丁酸A受體(rdl_1) ,1個DEG/ENaC通道基因(deg/enac-10) ,1個IP3R基因,1個RYR基因,2個鈣激活的氯通道基因(clca2和clca7) 。依托咪酯不影響基因表達的離子通道包括:2TM鉀通道、HCN通道、電壓門控鈉通道、NALCN通道(sodium-leak channel non-selective,NALCN)、雙孔鈣通道(two-pore calcium channel,TPC)、瞬時受體電位辣椒素亞型(transient receptor potential vanilloid type,TPRV)、瞬時受體電位通道香草酸亞型(transient receptor potential ankyrin type,TRPA)、非機械感受器電位C(no mechanoreceptor potential C,nompC)、AMPA受體(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid receptor,AMPAR)、NMDA受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDAR)、谷氨酸門控氯通道(glutamate-gated chloride ion channels,GluCl)、組胺門控氯通道(histamine-gated chloride,HisCl)、P2XR、鈣釋放激活鈣通道(calcium release-activated calcium channel,ORAI)、電壓門控氯離子通道(voltage-gated chloride channel,ClC)、細胞內氯通道(chloride intracellular channel,CLIC)、Bestrophin氯通道(bestrophin,BEST)、Tweety氯通道(tweey,TTYH)和Anoctamin氯通道(anoctamin,ANO)。

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3 討論
全麻藥物可以通過調節離子通道基因的表達從而持續調節機體功能[10]。穩態理論指出機體可以通過改變蛋白功能或表達來降低藥物的影響,最終產生藥物耐受[6]。GABAARs在全身麻醉和藥物耐受中扮演著重要角色[19]。依托咪酯能增強GABAAR抑制性電流同時延長通道開放的時間[20]。本課題組發現依托咪酯能使GABAARs亞基rdl_1基因表達降低,如圖 2所示。rdl_1基因表達下降的現象在麻醉鎮靜藥物咪唑安定和戊巴比妥作用后也會出現[14]。這種藥物耐受的現象在依托咪酯作用陽離子通道后同樣存在。Takahashi等[9]報道依托咪酯通過降低L-型鈣通道動力學達到減少該通道開放的機率。我們發現依托咪酯下調L-型鈣通道基因表達,包括有ca-alpha1d和tag-180,這一現象再次側面印證機體可能通過調控某些離子通道的基因表達降低藥物產生的影響。
依托咪酯對心血管系統、神經系統以及內分泌系統都會產生影響[1, 3, 20],然而本次實驗中依托咪酯沒有改變水蚤心率,趨光行為和血糖濃度,我們認為這可能與藥物濃度及處理時間有關。
由于缺乏特異性抗體試劑,本文沒有進一步對已發生轉錄水平改變的離子通道進行蛋白質水平研究。機體在mRNA水平和蛋白質水平的調節存在密切相關性[21-22],因此或許不會影響對結論的推斷。
藥物和機體的相互作用關系復雜,依托咪酯作用機體的報道尚有限,而臨床研究更為受限。本課題組發現依托咪酯在轉錄水平影響多種離子通道基因的表達,而本實驗中所檢測的離子通道與依托咪酯相互關系的報道尚缺,比如KaiR2、TRP、TRPM、TRPML、IP3R、RyR及CLCA,這些離子通道與依托咪酯的作用關系有待進一步的研究。
總之,我們的實驗研究表明持續小劑量依托咪酯仍能改變機體離子通道相關基因的表達,這也為以后大家進一步研究依托咪酯的藥理作用機制提供幫助。