引用本文: 張小寧, 莊建, 吳紅穗, 陳志紅, 蘇健, 陳世良, 陳劍光. 降鈣素基因相關肽轉基因對移植靜脈病的防治作用. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2017, 24(11): 880-885. doi: 10.7507/1007-4848.201604054 復制
自體靜脈是動脈重建術的常用材料。然而,自體靜脈移植術后,由于自體靜脈經受缺血、損傷、炎癥反應和承受動脈血的高壓等因素,早期可出現栓塞、痙攣,隨后可產生移植靜脈內膜增生和粥樣硬化,偶見血管瘤,這些現象統稱為移植靜脈病,其嚴重影響著冠狀動脈旁路移植術(coronary artery bypass grafting,CABG)和外周血管疾病術后的臨床效果[1]。
降鈣素基因相關肽(calcitonin gene-related peptide,CGRP)是一種含有 37 個氨基酸的生物活性肽,含 CGRP 的神經包繞著大部分血管。研究表明 CGRP 可通過多種機制抑制炎細胞浸潤[2],具有保護血管內皮細胞的作用[3],抑制血管平滑肌細胞增生[4],CGRP 有可能從多方面逆轉移植靜脈引起的病理生理變化。我們構建了重組腺相關病毒 2/1 型載體(mosaic adeno-associated virus vector tipe 2/1,AAV2/1)包裝 CGRP(AAV2/1-CGRP),研究 CGRP 轉基因對移植靜脈病的防治作用。
1 材料與方法
1.1 實驗動物模型建立、基因轉染和標本留取
25 只雄性新西蘭白兔,體質量 2.5~3.0 kg(購自廣東省實驗動物中心)。將其隨機分為 3 組:實驗組 8 只、載體組 9 只和對照組 8 只,所有實驗動物使用 3% 戊巴比妥按 3 mg/kg 肌肉注射麻醉,采用同側頸靜脈到頸動脈端-側吻合移植建立實驗動物模型。給以靜脈注射 1 000 IU 肝素后,采用頸部正中切口,游離左側頸靜脈,選定長約 3.0 cm 的一段頸靜脈兩端予以結扎,其近端向外旁開 0.5 cm 再次結扎,在遠端內側用 1 ml 注射器吸凈血管內血液后,注入 0.4~0.6 ml AAV2/1-CGRP(5×1010 vg/ml,實驗組)、AAV2/1-LacZ(5×1010 vg/ml,載體組)或生理鹽水(對照組),以血管充盈為度,后在針孔內側結扎血管,在兩結扎線之間剪下靜脈,浸入裝有相同滴度的 2 ml AAV2/1-CGRP(實驗組)、AAV2/1-LacZ(載體組)或生理鹽水(對照組)的試管中,室溫放置 30 min。游離頸動脈,將頸靜脈反向端-側吻合植入頸動脈,用青霉素沖洗切口后,予以縫合。術畢,送動物中心飼養,青霉素 40 萬單位肌注,2 次/d,連續肌注 3 d 以預防術后感染。
實驗組、載體組和對照組分別死亡 1 只、2 只和 1 只,總死亡率 16%(4/25),術后 4 周取下植入靜脈(每組各 7 只),留取長 2.5 mm 的中段靜脈標本,用 10% 福爾馬林固定。各組中選擇 2 例再取長 2.5 mm 的中段標本及各組剩余標本收集到凍存管中,用液氮閃凍后,放入 –70℃ 冰箱凍存。
1.2 組織學研究
10% 福爾馬林固定的標本,經脫水、透明、石蠟包埋后,行連續切片,厚約 5 μm,分別行蘇木素伊紅(HE)染色和彈力 VG 染色(EVG),其中樣本經過 EVG 染色后中膜呈蘭色,用面積定量分析掃描程序分別測定中膜和內膜面積,并計算內膜面積/中膜面積比值。
1.3 β-半乳糖苷酶原位染色
取出載體組凍存組織,行全組織 β-半乳糖苷酶原位染色(GENMED,按說明書操作)后,制成蠟塊切片,切片厚 8 μm,在 200 倍顯微鏡下觀察 β-半乳糖苷酶染色情況,陽性細胞呈藍色。
1.4 免疫組化研究
切片脫蠟,3% 過氧化氫室溫孵育,水洗,抗原熱修復,滴加正常山羊血清封閉液,室溫孵育,滴加 CD68 一抗(Dako,抗體稀釋比例 1∶30),4℃ 過夜。滴加二抗,37℃ 孵育 1 h。加生物素標記的鏈霉卵白素(SABC),37℃ 孵育,磷酸緩沖液(PBS)充分漂洗,二氨基聯苯胺(DAB)顯色,光學顯微鏡下控制顯色時間。蘇木素復染。以 PBS 代替一抗作陰性對照。胞膜出現棕黃色為陽性細胞。
1.5 逆轉錄聚合酶鏈式反應和實時熒光定量聚合酶鏈式反應
用 trizol 提取總 RNA,行質控和濃度測定后,逆轉錄聚合酶鏈式反應(RT-PCR)觀測 CGRP 及內參 GADPH 基因表達,所用引物如表 1(引物設計參考文獻[5])使用一步法 RT-PCR 試劑盒(Invitrogen 公司,美國),條件均如下: 40℃ 保溫 1 h;94℃,5 min;94℃ 變性 30 s,58℃ 退火 45 s,72℃ 延伸1 min,循環 30 次;72℃ 再延伸 10 min。
使用兩步法 RT-PCR 試劑盒(Invitrogen 公司,美國),按試劑合操作說明行 cDNA 合成,cDNA 合成以后置于 –20℃ 保存待下游工作。使用 Power SYBR Green PCR Master Mix(ABI 公司,美國)試劑盒,按試劑盒操作說明分別對目標孔和內對照孔(均以 GADPH 為內對照)進行加樣,所用引物如表 1。使用美國 ABI 公司 7000 分析儀進行實時熒光定量聚合酶鏈式反應(real-time PCR)檢測,熱循環的條件為: Amp Erase UNG 50℃ 活化 2 min;AmpliTaq Gold DNA 聚合酶 95℃ 活化 10 min。PCR 擴增(40 個循環):95℃,15 s;60℃,1 min。待反應完畢,選擇目標孔和內對照探針孔,分析各個樣品的結果。

1.6 統計學分析
實驗所得數據應用 SPSS13.0 統計軟件進行處理,計量資料采用均數±標準差(
)表示,多組間均數比較采用方差分析。P<0.05 為差異有統計學意義。
2 結果
2.1 基因表達情況
在實驗組 AAV2/1-CGRP 病毒中 CGRP RT-PCR 檢測呈陽性,而載體組和對照組中 CGRP RT-PCR 檢測呈陰性,這說明僅在實驗組中有 CGRP 基因表達。β-半乳糖苷酶原位染色結果顯示載體組有 LacZ 基因表達;見圖 1。

2.2 CGRP 基因轉染對移植靜脈內膜增生的抑制作用
EVG 染色后,行內膜面積/中膜面積比值統計顯示,實驗組內膜面積/中膜面積比值與載體組和對照組相比顯著降低,是載體組和對照組的 37% 和 39%,這說明實驗組發揮了防治移植靜脈病的作用(圖 2,圖 3)。實驗組移植靜脈結構完好,管腔通暢,而載體組和對照組則出現大量炎細胞浸潤,血管壁結構增厚、破壞甚至閉塞;經巨噬細胞標志抗體 CD68 免疫組化研究證實,實驗組巨噬細胞很少,而載體組和對照組則出現大量巨噬細胞浸潤(圖 4)。


2.3 CGRP 對炎癥因子 MCP-1、TNF-α、iNOS、MMP-9 的抑制作用
實驗組 MCP-1 mRNA 與載體組和對照組相比顯著降低,是載體組和對照組的 0.21 倍(1.81/8.49)和 0.20 倍(1.81/9.04);實驗組 TNF-α mRNA 與載體組和對照組相比降低,是載體組和對照組的 0.48 倍(4.66/9.79)和 0.45 倍(4.66/10.47);實驗組 iNOS mRNA 與載體組和對照組相比降低,是載體組和對照組的 0.54 倍(5.40/10.08)和 0.51 倍(5.40/10.60);實驗組 MMP-9 mRNA 與載體組和對照組相比顯著降低,是載體組和對照組的 0.14 倍(1.05/7.29)和 0.12 倍(1.05/8.41);見圖 5。

3 討論
重組腺相關病毒載體源于非致病的野生型腺相關病毒,由于其安全性好、宿主細胞范圍廣(分裂和非分裂細胞)、免疫源性低,在體內表達外源基因時間長等特點,被視為最有前途的基因轉移載體之一,在世界范圍內的基因治療和疫苗研究中得到廣泛應用。Kilian 等[6]研究表明重組腺相關病毒載體可成功轉染移植靜脈,而經改造的重組腺相關病毒載體 1 型進一步提高了基因轉染效率[7]。Stachler 等[8]研究顯示嵌合型重組腺相關病毒載體 1 型 50~100 倍地增加了血管內皮細胞基因轉染效率,并建議嵌合型重組腺相關病毒載體 1 型很有希望進行血管基因轉染。本課題構建嵌合型重組腺相關病毒降鈣素基因相關肽基因載體(AAV2/1-CGRP),這一載體的構建國內外未見報道。通過 RT-PCR 檢測術后 4 周 CGRP 基因表達情況及 β-半乳糖苷酶原位染色檢測 LacZ 基因表達,顯示 AAV2/1-CGRP 和 AAV2/1-LacZ 有效地轉染了移植靜脈。實驗組內膜面積/中膜面積比率與載體組和對照組相比顯著降低,實驗組巨噬細胞浸潤與載體組和對照組相比顯著減少,這說明實驗組發揮了防治移植靜脈病的作用。研究中使用的轉基因方法簡便易行,可適用于臨床冠狀動脈外科手術操作。
正常血管很少表達 MCP-1,而在損傷和炎癥刺激下,血管內皮、血管平滑肌細胞和巨噬細胞均可表達 MCP-1[9-10]。研究顯示,巨噬細胞浸潤和 MCP-1 的增高與移植靜脈病密切相關,MCP-1 的增高在移植靜脈病形成過程中起關鍵作用[10-11],而抗 MCP-1基因治療可有效防治移植靜脈病[12]。有報道 CGRP 抑制 IL-1β 引起的 MCP-1 增高[2],抑制巨噬細胞[13],在本課題中 CGRP 基因轉染有效抑制了巨噬細胞浸潤和 MCP-1 的增高,所以,CGRP 可通過抑制巨噬細胞浸潤和 MCP-1 的途徑發揮防治移植靜脈病的作用。
巨噬細胞浸潤后釋放 TNF-α、iNOS,巨噬細胞轉化為泡沫細胞,泡沫細胞進一步釋放 MMP-9[14],MMP-9 與移植靜脈病中血管內膜增厚和血管平滑肌細胞增生有密切關系[15-16]。TNF-α 刺激 MMP-9 合成[17];而抑制 TNF-α,則可進一步抑制 MMP-9 介導的 VSMC 移行、增生[18-19]。iNOS 同樣可刺激 MMP-9 的合成和血管平滑肌細胞增生,iNOS 與血管粥樣硬化的形成有密切的關系[20-21]。研究顯示,CGRP 抑制巨噬細胞及巨噬細胞釋放 TNF-α、iNOS[22]。本研究中 CGRP 基因表達抑制了巨噬細胞浸潤,TNF-α、iNOS 表達也減少,顯著抑制了 MMP-9 合成,減少了 MMP-9 刺激引起的移植靜脈病。
總之,CGRP 基因表達抑制了巨噬細胞浸潤及炎癥因子 MCP-1、TNF-α、iNOS、MMP-9 的表達,通過多種機制保護移植靜脈,發揮防治移植靜脈病的作用。這一研究結果提示 AAV2/1 CGRP 基因治療有望得到臨床應用。
致謝 人 CT/CGRP 基因第 2、3、5 和 6 外顯子序列的 pcDNA3.1-CGRP 質粒由北京大學生理研究所王憲教授惠贈,rAAV2/1-CGRP 由北京本元正陽基因技術有限公司構建。
自體靜脈是動脈重建術的常用材料。然而,自體靜脈移植術后,由于自體靜脈經受缺血、損傷、炎癥反應和承受動脈血的高壓等因素,早期可出現栓塞、痙攣,隨后可產生移植靜脈內膜增生和粥樣硬化,偶見血管瘤,這些現象統稱為移植靜脈病,其嚴重影響著冠狀動脈旁路移植術(coronary artery bypass grafting,CABG)和外周血管疾病術后的臨床效果[1]。
降鈣素基因相關肽(calcitonin gene-related peptide,CGRP)是一種含有 37 個氨基酸的生物活性肽,含 CGRP 的神經包繞著大部分血管。研究表明 CGRP 可通過多種機制抑制炎細胞浸潤[2],具有保護血管內皮細胞的作用[3],抑制血管平滑肌細胞增生[4],CGRP 有可能從多方面逆轉移植靜脈引起的病理生理變化。我們構建了重組腺相關病毒 2/1 型載體(mosaic adeno-associated virus vector tipe 2/1,AAV2/1)包裝 CGRP(AAV2/1-CGRP),研究 CGRP 轉基因對移植靜脈病的防治作用。
1 材料與方法
1.1 實驗動物模型建立、基因轉染和標本留取
25 只雄性新西蘭白兔,體質量 2.5~3.0 kg(購自廣東省實驗動物中心)。將其隨機分為 3 組:實驗組 8 只、載體組 9 只和對照組 8 只,所有實驗動物使用 3% 戊巴比妥按 3 mg/kg 肌肉注射麻醉,采用同側頸靜脈到頸動脈端-側吻合移植建立實驗動物模型。給以靜脈注射 1 000 IU 肝素后,采用頸部正中切口,游離左側頸靜脈,選定長約 3.0 cm 的一段頸靜脈兩端予以結扎,其近端向外旁開 0.5 cm 再次結扎,在遠端內側用 1 ml 注射器吸凈血管內血液后,注入 0.4~0.6 ml AAV2/1-CGRP(5×1010 vg/ml,實驗組)、AAV2/1-LacZ(5×1010 vg/ml,載體組)或生理鹽水(對照組),以血管充盈為度,后在針孔內側結扎血管,在兩結扎線之間剪下靜脈,浸入裝有相同滴度的 2 ml AAV2/1-CGRP(實驗組)、AAV2/1-LacZ(載體組)或生理鹽水(對照組)的試管中,室溫放置 30 min。游離頸動脈,將頸靜脈反向端-側吻合植入頸動脈,用青霉素沖洗切口后,予以縫合。術畢,送動物中心飼養,青霉素 40 萬單位肌注,2 次/d,連續肌注 3 d 以預防術后感染。
實驗組、載體組和對照組分別死亡 1 只、2 只和 1 只,總死亡率 16%(4/25),術后 4 周取下植入靜脈(每組各 7 只),留取長 2.5 mm 的中段靜脈標本,用 10% 福爾馬林固定。各組中選擇 2 例再取長 2.5 mm 的中段標本及各組剩余標本收集到凍存管中,用液氮閃凍后,放入 –70℃ 冰箱凍存。
1.2 組織學研究
10% 福爾馬林固定的標本,經脫水、透明、石蠟包埋后,行連續切片,厚約 5 μm,分別行蘇木素伊紅(HE)染色和彈力 VG 染色(EVG),其中樣本經過 EVG 染色后中膜呈蘭色,用面積定量分析掃描程序分別測定中膜和內膜面積,并計算內膜面積/中膜面積比值。
1.3 β-半乳糖苷酶原位染色
取出載體組凍存組織,行全組織 β-半乳糖苷酶原位染色(GENMED,按說明書操作)后,制成蠟塊切片,切片厚 8 μm,在 200 倍顯微鏡下觀察 β-半乳糖苷酶染色情況,陽性細胞呈藍色。
1.4 免疫組化研究
切片脫蠟,3% 過氧化氫室溫孵育,水洗,抗原熱修復,滴加正常山羊血清封閉液,室溫孵育,滴加 CD68 一抗(Dako,抗體稀釋比例 1∶30),4℃ 過夜。滴加二抗,37℃ 孵育 1 h。加生物素標記的鏈霉卵白素(SABC),37℃ 孵育,磷酸緩沖液(PBS)充分漂洗,二氨基聯苯胺(DAB)顯色,光學顯微鏡下控制顯色時間。蘇木素復染。以 PBS 代替一抗作陰性對照。胞膜出現棕黃色為陽性細胞。
1.5 逆轉錄聚合酶鏈式反應和實時熒光定量聚合酶鏈式反應
用 trizol 提取總 RNA,行質控和濃度測定后,逆轉錄聚合酶鏈式反應(RT-PCR)觀測 CGRP 及內參 GADPH 基因表達,所用引物如表 1(引物設計參考文獻[5])使用一步法 RT-PCR 試劑盒(Invitrogen 公司,美國),條件均如下: 40℃ 保溫 1 h;94℃,5 min;94℃ 變性 30 s,58℃ 退火 45 s,72℃ 延伸1 min,循環 30 次;72℃ 再延伸 10 min。
使用兩步法 RT-PCR 試劑盒(Invitrogen 公司,美國),按試劑合操作說明行 cDNA 合成,cDNA 合成以后置于 –20℃ 保存待下游工作。使用 Power SYBR Green PCR Master Mix(ABI 公司,美國)試劑盒,按試劑盒操作說明分別對目標孔和內對照孔(均以 GADPH 為內對照)進行加樣,所用引物如表 1。使用美國 ABI 公司 7000 分析儀進行實時熒光定量聚合酶鏈式反應(real-time PCR)檢測,熱循環的條件為: Amp Erase UNG 50℃ 活化 2 min;AmpliTaq Gold DNA 聚合酶 95℃ 活化 10 min。PCR 擴增(40 個循環):95℃,15 s;60℃,1 min。待反應完畢,選擇目標孔和內對照探針孔,分析各個樣品的結果。

1.6 統計學分析
實驗所得數據應用 SPSS13.0 統計軟件進行處理,計量資料采用均數±標準差(
)表示,多組間均數比較采用方差分析。P<0.05 為差異有統計學意義。
2 結果
2.1 基因表達情況
在實驗組 AAV2/1-CGRP 病毒中 CGRP RT-PCR 檢測呈陽性,而載體組和對照組中 CGRP RT-PCR 檢測呈陰性,這說明僅在實驗組中有 CGRP 基因表達。β-半乳糖苷酶原位染色結果顯示載體組有 LacZ 基因表達;見圖 1。

2.2 CGRP 基因轉染對移植靜脈內膜增生的抑制作用
EVG 染色后,行內膜面積/中膜面積比值統計顯示,實驗組內膜面積/中膜面積比值與載體組和對照組相比顯著降低,是載體組和對照組的 37% 和 39%,這說明實驗組發揮了防治移植靜脈病的作用(圖 2,圖 3)。實驗組移植靜脈結構完好,管腔通暢,而載體組和對照組則出現大量炎細胞浸潤,血管壁結構增厚、破壞甚至閉塞;經巨噬細胞標志抗體 CD68 免疫組化研究證實,實驗組巨噬細胞很少,而載體組和對照組則出現大量巨噬細胞浸潤(圖 4)。


2.3 CGRP 對炎癥因子 MCP-1、TNF-α、iNOS、MMP-9 的抑制作用
實驗組 MCP-1 mRNA 與載體組和對照組相比顯著降低,是載體組和對照組的 0.21 倍(1.81/8.49)和 0.20 倍(1.81/9.04);實驗組 TNF-α mRNA 與載體組和對照組相比降低,是載體組和對照組的 0.48 倍(4.66/9.79)和 0.45 倍(4.66/10.47);實驗組 iNOS mRNA 與載體組和對照組相比降低,是載體組和對照組的 0.54 倍(5.40/10.08)和 0.51 倍(5.40/10.60);實驗組 MMP-9 mRNA 與載體組和對照組相比顯著降低,是載體組和對照組的 0.14 倍(1.05/7.29)和 0.12 倍(1.05/8.41);見圖 5。

3 討論
重組腺相關病毒載體源于非致病的野生型腺相關病毒,由于其安全性好、宿主細胞范圍廣(分裂和非分裂細胞)、免疫源性低,在體內表達外源基因時間長等特點,被視為最有前途的基因轉移載體之一,在世界范圍內的基因治療和疫苗研究中得到廣泛應用。Kilian 等[6]研究表明重組腺相關病毒載體可成功轉染移植靜脈,而經改造的重組腺相關病毒載體 1 型進一步提高了基因轉染效率[7]。Stachler 等[8]研究顯示嵌合型重組腺相關病毒載體 1 型 50~100 倍地增加了血管內皮細胞基因轉染效率,并建議嵌合型重組腺相關病毒載體 1 型很有希望進行血管基因轉染。本課題構建嵌合型重組腺相關病毒降鈣素基因相關肽基因載體(AAV2/1-CGRP),這一載體的構建國內外未見報道。通過 RT-PCR 檢測術后 4 周 CGRP 基因表達情況及 β-半乳糖苷酶原位染色檢測 LacZ 基因表達,顯示 AAV2/1-CGRP 和 AAV2/1-LacZ 有效地轉染了移植靜脈。實驗組內膜面積/中膜面積比率與載體組和對照組相比顯著降低,實驗組巨噬細胞浸潤與載體組和對照組相比顯著減少,這說明實驗組發揮了防治移植靜脈病的作用。研究中使用的轉基因方法簡便易行,可適用于臨床冠狀動脈外科手術操作。
正常血管很少表達 MCP-1,而在損傷和炎癥刺激下,血管內皮、血管平滑肌細胞和巨噬細胞均可表達 MCP-1[9-10]。研究顯示,巨噬細胞浸潤和 MCP-1 的增高與移植靜脈病密切相關,MCP-1 的增高在移植靜脈病形成過程中起關鍵作用[10-11],而抗 MCP-1基因治療可有效防治移植靜脈病[12]。有報道 CGRP 抑制 IL-1β 引起的 MCP-1 增高[2],抑制巨噬細胞[13],在本課題中 CGRP 基因轉染有效抑制了巨噬細胞浸潤和 MCP-1 的增高,所以,CGRP 可通過抑制巨噬細胞浸潤和 MCP-1 的途徑發揮防治移植靜脈病的作用。
巨噬細胞浸潤后釋放 TNF-α、iNOS,巨噬細胞轉化為泡沫細胞,泡沫細胞進一步釋放 MMP-9[14],MMP-9 與移植靜脈病中血管內膜增厚和血管平滑肌細胞增生有密切關系[15-16]。TNF-α 刺激 MMP-9 合成[17];而抑制 TNF-α,則可進一步抑制 MMP-9 介導的 VSMC 移行、增生[18-19]。iNOS 同樣可刺激 MMP-9 的合成和血管平滑肌細胞增生,iNOS 與血管粥樣硬化的形成有密切的關系[20-21]。研究顯示,CGRP 抑制巨噬細胞及巨噬細胞釋放 TNF-α、iNOS[22]。本研究中 CGRP 基因表達抑制了巨噬細胞浸潤,TNF-α、iNOS 表達也減少,顯著抑制了 MMP-9 合成,減少了 MMP-9 刺激引起的移植靜脈病。
總之,CGRP 基因表達抑制了巨噬細胞浸潤及炎癥因子 MCP-1、TNF-α、iNOS、MMP-9 的表達,通過多種機制保護移植靜脈,發揮防治移植靜脈病的作用。這一研究結果提示 AAV2/1 CGRP 基因治療有望得到臨床應用。
致謝 人 CT/CGRP 基因第 2、3、5 和 6 外顯子序列的 pcDNA3.1-CGRP 質粒由北京大學生理研究所王憲教授惠贈,rAAV2/1-CGRP 由北京本元正陽基因技術有限公司構建。