引用本文: 張安兵, 李理, 袁偉鋒, 先俊, 黃文杰. 腫瘤壞死因子α中和抑制脂多糖誘導小鼠急性呼吸窘迫綜合征肺組織細胞凋亡的機制探討. 中國呼吸與危重監護雜志, 2014, 13(3): 246-249. doi: 10.7507/1671-6205.2014059 復制
急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)是世界性的公共衛生難題,其死亡率高達32%~55%[1]。其高死亡率源于疾病機制尚不完全清楚,缺乏特效治療措施。炎癥反應在ARDS的發生、發展中起重要作用。腫瘤壞死因子α(TNF-α)促發瀑布式炎癥級聯反應,導致過度放大的炎癥反應,這是ARDS的發病基礎[2]。ARDS的治療除了有效的抗感染外,還需對機體防御系統進行調控,下調過度炎癥反應,減少炎癥細胞、炎癥介質對肺組織結構細胞的破壞,維持呼吸系統功能。袁偉鋒等[3]采用TNF-α中和處理LPS誘導的小鼠ARDS,結果發現肺局部炎癥反應強度降低,肺組織細胞凋亡明顯減少。但對其具體機制未進一步探討,本研究將就其機制進行初步探討。
對象與方法
一 材料
1.實驗動物:從廣東省醫學實驗動物中心購買10周齡SPF級BALB/c小鼠36只,雌雄各半,體重23~25 g,小鼠隨機分為3組,動物合格證號:44007200003849。所有動物實驗操作均嚴格遵守《實驗動物管理條例》,且征得動物實驗倫理委員會許可。
2.試劑與儀器:脂多糖 (10 mg,德國Sigma公司);注射用依那西普(25 mg,S20100019,美國Immunex公司);2×Taq Master Mix(1 mL,CW0716,北京康為世紀公司);BCA蛋白濃度測定試劑盒(江蘇碧云天公司,P0012);RNAiso Plus(D9108,日本Takara公司);PrimeScript RT Master Mix(DRR036,日本Takara公司);抗Erk1/2抗體(4695S,美國CST公司),p-Erk1/2抗體(4370S,美國CST公司);NF-κB p65抗體(4764,美國CST公司),p-NF-κB p65抗體(3033,美國CST公司);Bcl-2抗體(2876,美國CST公司);Bax抗體(2772,美國CST公司);HRP標記抗兔二抗(7074,美國CST);HRP標記抗鼠二抗(5127,美國CST);抗β-actin抗體(BM0627,武漢博士德);PCR擴增儀(美國Bio-RAD公司);多功能酶標儀(美國Thermo Fisher公司);小鼠喉鏡及MicroSprayereTM霧化器(美國PENN-CENTURY公司)。
二 方法
1.動物模型復制:36只小鼠隨機分為對照組、LPS組和TNF-α中和組。LPS組小鼠腹膜腔注射0.08 mL水合氯醛麻醉后,將小鼠固定于操作臺,彎鑷夾住舌尖向右前方牽拉,喉鏡壓下舌根暴露聲門,霧化器從聲門插入氣管,快速推注LPS 0.1 mL(5 mg/kg),霧化后將小鼠在泡沫板上抖動數次,以利于LPS溶液均勻分布于肺組織內。TNF-α中和組于霧化LPS前24 h腹腔注射依那西普0.1 mL(0.4 mg/kg)。對照組小鼠麻醉后氣道霧化0.1 mL生理鹽水。在LPS或生理鹽水霧化后2 h處死小鼠獲取肺標本。
2.RT-PCR檢測肺組織NF-κB p65、Bax、Bcl-2 mRNA水平:按照RNAiso Plus說明書提取各組小鼠肺組織總RNA,紫外分光光度計定量后稀釋成500 ng/μL,按Prime Script RT Master Mix說明書將RNA逆轉錄為cDNA,取2 μL c DNA按2×Taq Master Mix說明書進行PCR擴增。NF-κB p65、Bax、Bcl-2引物由上海英俊生物技術有限公司設計并合成。引物序列分別為:NF-κB p65上游5′-ATGTGCA TCGGCAAGTGG-3′,下游5′-CAGAAGTTGAGTTTCG GGTAG-3′;Bax上游5′- CTGAGCTGACCTTGGAGC-3′,下游5′-GACTCCAGCCACAAAGATG-3′;Bcl-2上游5′-TACCGTCGTGACTTCGCAGAG-3′,下游5′-GG CAGGCTGAGCAGGGTCTT-3′。反應條件為95 ℃預變性5 min,95 ℃變性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,循環35次,72 ℃終延伸10 min。采用β-actin作為內參進行相對定量。
3.Western blot檢測NF-κB p65和Erk1/2及二者磷酸化、Bax、Bcl-2的蛋白水平:提取各組小鼠全肺總蛋白,BCA法蛋白定量后,取30~50 μg蛋白樣品與5×SDS上樣緩沖液混勻,95 ℃變性5 min,10%SDS-PAGE凝膠電泳后轉移至PVDF膜,含 5%脫脂奶粉的TBST室溫封閉1 h,TBST洗膜2次×2 min,1∶1000稀釋的一抗4 ℃孵育過夜,TBST洗膜3次×10 min,HRP標記抗兔IgG(1∶2000)37 ℃孵育1 h,TBST洗膜3次×10 min,ECL發光液孵育1 min,根據熒光強度進行X線片曝光、顯影、定影。Quantity One軟件分析條帶灰度值,采用目的蛋白與β-actin的比值進行相對定量。
4.肺組織濕干重比、病理及半定量評分:小鼠麻醉后腹主動脈充分放血,開胸取全肺,濾紙吸干表面液體,電子天平稱肺組織濕重;稱重后肺組織置70 ℃烘干48 h后稱干重,計算肺組織濕干重比。小鼠充分放血后取肺組織,生理鹽水漂洗,10%中性甲醛固定,常規脫水、石蠟包埋,2 μm層厚切片,常規HE染色。參照Mikawa等[4]的方法以4項指標進行肺損傷半定量評分:① 肺泡充血;② 出血;③ 間隙或血管壁中性粒細胞浸潤或聚集;④ 肺泡間隔增厚或透明膜形成。0分:極輕度損傷;1分:輕度損傷;2分:中度損傷;3:重度損傷;4分:嚴重損傷。4項指標得分相加作為總分。
三 統計學處理
應用SPSS 19.0軟件包進行統計學分析,計量資料以
結果
一 肺組織 NF-κB p65 、Bcl-2、Bax基因轉錄強度
LPS組與TNF-α中和組NF-κB P65 轉錄強度明顯高于對照組,LPS組明顯高于TNF-α中和組,差異均有統計學意義(P<0.05)。LPS組與TNF-α中和組Bcl-2/Bax均低于對照組,但TNF-α中和組高于LPS組,差異均有統計學意義(P<0.05)。結果見表 1。

二 肺組織NF-κB p65和Erk1/2及二者磷酸化、Bax、Bcl-2的蛋白水平
LPS組與TNF-α中和組NF-κB蛋白明顯高于對照組,LPS組明顯高于TNF-α中和組,差異均有統計學意義(P<0.05);磷酸化NF-κB與總NF-κB變化趨勢一致。LPS組與TNF-α中和組p-Erk1/2/Erk1/2蛋白明顯高于對照組,LPS組明顯高于TNF-α中和組,差異均有統計學意義(P<0.05)LPS組與TNF-α中和組Bcl-2/Bax均低于對照組,但TNF-α中和組高于LPS組,差異均有統計學意義(P<0.05)。結果見表 2。

三 肺組織濕干重比
LPS組(5.56±0.09)與TNF-α中和組(4.63±0.872)明顯高于對照組(3.59±0.173),LPS組明顯高于TNF-α中和組,差異均有統計學意義(P<0.05)。
四 肺組織病理及肺損傷半定量評分
小鼠肺組織病理切片行HE染色,對照組肺泡結構清晰可見,肺泡壁薄,間質未見炎癥細胞浸潤;LPS組小鼠肺泡壁破壞嚴重,間質可見大量炎癥細胞浸潤,血管床破壞伴出血;TNF-α中和組損傷程度較LPS組輕(圖 1)。LPS組(15.47±0.784)與TNF-α中和組肺損傷半定量評分(8.60±0.731)明顯高于對照組(0.56±0.091),LPS組明顯高于TNF-α中和組,差異均有統計學意義(P<0.05)。

討論
促炎/抑炎失衡在ARDS的發病機制中起重要作用。過度的炎癥反應使肺泡上皮細胞凋亡增加,會導致呼吸膜完整性破壞、血管內炎性細胞釋放出彈性蛋白酶分解肺表面活性物質相關蛋白A(SP-A)及清除凋亡細胞引起炎癥反應等促使肺泡萎陷、肺不張、肺水腫,加重肺損傷,導致通氣血流比例失調,引起難以糾正的低氧血癥[5]。TNF-α是啟動并二次放大炎癥反應的關鍵因子。在臨床和動物實驗中,觀察到TNF-α濃度和ARDS病情嚴重度、疾病進展、臨床預后密切相關[6-8]。炎癥反應是啟動細胞凋亡的一個重要因素,有研究表明抑制炎癥反應能明顯減輕ARDS肺組織的細胞凋亡。袁偉鋒等[3]中和TNF-α后觀察到ARDS小鼠肺組織細胞凋亡明顯減少。但對TNF-α中和減少ARDS小鼠肺組織細胞凋亡的具體機制未進一步探討。
在ARDS發生、發展過程中,TNF-α可直接損傷肺組織、破壞肺局部微環境[9]。TNF受體融合蛋白(TNFR-Fc),即TNFR與Ig G的Fc段形成的融合蛋白和人源化的抗TNF-α單抗,與TNF-α結合,抑制其與受體結合而中和其生物活性。TNFR-Fc通過中和TNF-α,抑制TNFR下游炎癥反應通路激活,減輕炎癥反應,肺組織細胞凋亡減少、組織破壞減輕,從而達到對肺組織的保護性作用。本研究采用TNFR-Fc中和過多游離TNF-α可在一定程度上抑制LPS誘導的小鼠肺部炎癥,有效降低ARDS小鼠肺組織濕/干重比。小鼠肺組織病理HE染色結果顯示,TNF-α中和能明顯減輕LPS對小鼠肺組織的損傷程度。
Bcl-2基因家族是NF-κB調控的靶基因之一,在細胞凋亡的基因調控過程中起著重要作用。該基因家族分兩類,一類抑制細胞凋亡,有Bax、Bcl-xl、Mcl-2等;一類促進凋亡,有Bax、Bcl-xs、Bad、Bak等。Bcl-2可和Bax結合成異構二聚體抑制細胞凋亡,Bax可拮抗Bcl-2而促進凋亡,二者的比值決定細胞是存活還是凋亡[10-11]。本研究采用LPS氣道霧化吸入復制小鼠ARDS模型,觀察到NF-κB表達水平增加且活化程度明顯增高,Erk磷酸化增加,同時Bcl-2與Bax比值明顯降低;而TNF-α中和組NF-κB表達水平及活化程度明顯低于LPS組,Erk磷酸化水平降低,Bcl-2與Bax比值明顯高于LPS組。TNF-α在LPS誘導的NF-κB二次活化中具有重要作用。LPS與巨噬細胞表面Toll樣受體4(TLR4)結合后,激活MyD88,再通過TRAF激活NF-κB,NF-κB活化后轉入核內,啟動TNF-α的合成與釋放。TNF-α釋放后,與巨噬細胞、淋巴細胞、中性粒細胞等免疫細胞表面的TNFR結合,通過活化TRAF2、IKK,而再次活化NF-κB。NF-κB活化后入核調控下游相關靶基因的表達,中和TNF-α后NF-κB活性受到抑制。TNF-α與其受體結合后還能引起Erk1/2磷酸化,活化后的Erk1/2激活IKK,繼而致NF-KB活化[12]。NF-κB與細胞凋亡關系密切,參與多種凋亡相關基因的調控,因細胞類型和刺激因素的不同而具有抑制和促進細胞凋亡的雙向作用[13]。
綜上所述,TNF-α中和抑制脂多糖誘導小鼠ARDS肺組織損傷,其機制與抑制Erk1/2、NF-κB活化,上調Bcl-2/Bax比值,最終減少細胞凋亡密切相關。由于凋亡途徑的網絡化、交互作用、共同激活等特點,對單一凋亡途徑進行研究,評估其最終生物學效應可能失之毫厘而謬以千里。不斷加強對凋亡相關基因、通路的研究,從不同時期和環節對肺泡上皮細胞凋亡進行合理干預,有望成為新的ARDS治療策略。
急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)是世界性的公共衛生難題,其死亡率高達32%~55%[1]。其高死亡率源于疾病機制尚不完全清楚,缺乏特效治療措施。炎癥反應在ARDS的發生、發展中起重要作用。腫瘤壞死因子α(TNF-α)促發瀑布式炎癥級聯反應,導致過度放大的炎癥反應,這是ARDS的發病基礎[2]。ARDS的治療除了有效的抗感染外,還需對機體防御系統進行調控,下調過度炎癥反應,減少炎癥細胞、炎癥介質對肺組織結構細胞的破壞,維持呼吸系統功能。袁偉鋒等[3]采用TNF-α中和處理LPS誘導的小鼠ARDS,結果發現肺局部炎癥反應強度降低,肺組織細胞凋亡明顯減少。但對其具體機制未進一步探討,本研究將就其機制進行初步探討。
對象與方法
一 材料
1.實驗動物:從廣東省醫學實驗動物中心購買10周齡SPF級BALB/c小鼠36只,雌雄各半,體重23~25 g,小鼠隨機分為3組,動物合格證號:44007200003849。所有動物實驗操作均嚴格遵守《實驗動物管理條例》,且征得動物實驗倫理委員會許可。
2.試劑與儀器:脂多糖 (10 mg,德國Sigma公司);注射用依那西普(25 mg,S20100019,美國Immunex公司);2×Taq Master Mix(1 mL,CW0716,北京康為世紀公司);BCA蛋白濃度測定試劑盒(江蘇碧云天公司,P0012);RNAiso Plus(D9108,日本Takara公司);PrimeScript RT Master Mix(DRR036,日本Takara公司);抗Erk1/2抗體(4695S,美國CST公司),p-Erk1/2抗體(4370S,美國CST公司);NF-κB p65抗體(4764,美國CST公司),p-NF-κB p65抗體(3033,美國CST公司);Bcl-2抗體(2876,美國CST公司);Bax抗體(2772,美國CST公司);HRP標記抗兔二抗(7074,美國CST);HRP標記抗鼠二抗(5127,美國CST);抗β-actin抗體(BM0627,武漢博士德);PCR擴增儀(美國Bio-RAD公司);多功能酶標儀(美國Thermo Fisher公司);小鼠喉鏡及MicroSprayereTM霧化器(美國PENN-CENTURY公司)。
二 方法
1.動物模型復制:36只小鼠隨機分為對照組、LPS組和TNF-α中和組。LPS組小鼠腹膜腔注射0.08 mL水合氯醛麻醉后,將小鼠固定于操作臺,彎鑷夾住舌尖向右前方牽拉,喉鏡壓下舌根暴露聲門,霧化器從聲門插入氣管,快速推注LPS 0.1 mL(5 mg/kg),霧化后將小鼠在泡沫板上抖動數次,以利于LPS溶液均勻分布于肺組織內。TNF-α中和組于霧化LPS前24 h腹腔注射依那西普0.1 mL(0.4 mg/kg)。對照組小鼠麻醉后氣道霧化0.1 mL生理鹽水。在LPS或生理鹽水霧化后2 h處死小鼠獲取肺標本。
2.RT-PCR檢測肺組織NF-κB p65、Bax、Bcl-2 mRNA水平:按照RNAiso Plus說明書提取各組小鼠肺組織總RNA,紫外分光光度計定量后稀釋成500 ng/μL,按Prime Script RT Master Mix說明書將RNA逆轉錄為cDNA,取2 μL c DNA按2×Taq Master Mix說明書進行PCR擴增。NF-κB p65、Bax、Bcl-2引物由上海英俊生物技術有限公司設計并合成。引物序列分別為:NF-κB p65上游5′-ATGTGCA TCGGCAAGTGG-3′,下游5′-CAGAAGTTGAGTTTCG GGTAG-3′;Bax上游5′- CTGAGCTGACCTTGGAGC-3′,下游5′-GACTCCAGCCACAAAGATG-3′;Bcl-2上游5′-TACCGTCGTGACTTCGCAGAG-3′,下游5′-GG CAGGCTGAGCAGGGTCTT-3′。反應條件為95 ℃預變性5 min,95 ℃變性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,循環35次,72 ℃終延伸10 min。采用β-actin作為內參進行相對定量。
3.Western blot檢測NF-κB p65和Erk1/2及二者磷酸化、Bax、Bcl-2的蛋白水平:提取各組小鼠全肺總蛋白,BCA法蛋白定量后,取30~50 μg蛋白樣品與5×SDS上樣緩沖液混勻,95 ℃變性5 min,10%SDS-PAGE凝膠電泳后轉移至PVDF膜,含 5%脫脂奶粉的TBST室溫封閉1 h,TBST洗膜2次×2 min,1∶1000稀釋的一抗4 ℃孵育過夜,TBST洗膜3次×10 min,HRP標記抗兔IgG(1∶2000)37 ℃孵育1 h,TBST洗膜3次×10 min,ECL發光液孵育1 min,根據熒光強度進行X線片曝光、顯影、定影。Quantity One軟件分析條帶灰度值,采用目的蛋白與β-actin的比值進行相對定量。
4.肺組織濕干重比、病理及半定量評分:小鼠麻醉后腹主動脈充分放血,開胸取全肺,濾紙吸干表面液體,電子天平稱肺組織濕重;稱重后肺組織置70 ℃烘干48 h后稱干重,計算肺組織濕干重比。小鼠充分放血后取肺組織,生理鹽水漂洗,10%中性甲醛固定,常規脫水、石蠟包埋,2 μm層厚切片,常規HE染色。參照Mikawa等[4]的方法以4項指標進行肺損傷半定量評分:① 肺泡充血;② 出血;③ 間隙或血管壁中性粒細胞浸潤或聚集;④ 肺泡間隔增厚或透明膜形成。0分:極輕度損傷;1分:輕度損傷;2分:中度損傷;3:重度損傷;4分:嚴重損傷。4項指標得分相加作為總分。
三 統計學處理
應用SPSS 19.0軟件包進行統計學分析,計量資料以
結果
一 肺組織 NF-κB p65 、Bcl-2、Bax基因轉錄強度
LPS組與TNF-α中和組NF-κB P65 轉錄強度明顯高于對照組,LPS組明顯高于TNF-α中和組,差異均有統計學意義(P<0.05)。LPS組與TNF-α中和組Bcl-2/Bax均低于對照組,但TNF-α中和組高于LPS組,差異均有統計學意義(P<0.05)。結果見表 1。

二 肺組織NF-κB p65和Erk1/2及二者磷酸化、Bax、Bcl-2的蛋白水平
LPS組與TNF-α中和組NF-κB蛋白明顯高于對照組,LPS組明顯高于TNF-α中和組,差異均有統計學意義(P<0.05);磷酸化NF-κB與總NF-κB變化趨勢一致。LPS組與TNF-α中和組p-Erk1/2/Erk1/2蛋白明顯高于對照組,LPS組明顯高于TNF-α中和組,差異均有統計學意義(P<0.05)LPS組與TNF-α中和組Bcl-2/Bax均低于對照組,但TNF-α中和組高于LPS組,差異均有統計學意義(P<0.05)。結果見表 2。

三 肺組織濕干重比
LPS組(5.56±0.09)與TNF-α中和組(4.63±0.872)明顯高于對照組(3.59±0.173),LPS組明顯高于TNF-α中和組,差異均有統計學意義(P<0.05)。
四 肺組織病理及肺損傷半定量評分
小鼠肺組織病理切片行HE染色,對照組肺泡結構清晰可見,肺泡壁薄,間質未見炎癥細胞浸潤;LPS組小鼠肺泡壁破壞嚴重,間質可見大量炎癥細胞浸潤,血管床破壞伴出血;TNF-α中和組損傷程度較LPS組輕(圖 1)。LPS組(15.47±0.784)與TNF-α中和組肺損傷半定量評分(8.60±0.731)明顯高于對照組(0.56±0.091),LPS組明顯高于TNF-α中和組,差異均有統計學意義(P<0.05)。

討論
促炎/抑炎失衡在ARDS的發病機制中起重要作用。過度的炎癥反應使肺泡上皮細胞凋亡增加,會導致呼吸膜完整性破壞、血管內炎性細胞釋放出彈性蛋白酶分解肺表面活性物質相關蛋白A(SP-A)及清除凋亡細胞引起炎癥反應等促使肺泡萎陷、肺不張、肺水腫,加重肺損傷,導致通氣血流比例失調,引起難以糾正的低氧血癥[5]。TNF-α是啟動并二次放大炎癥反應的關鍵因子。在臨床和動物實驗中,觀察到TNF-α濃度和ARDS病情嚴重度、疾病進展、臨床預后密切相關[6-8]。炎癥反應是啟動細胞凋亡的一個重要因素,有研究表明抑制炎癥反應能明顯減輕ARDS肺組織的細胞凋亡。袁偉鋒等[3]中和TNF-α后觀察到ARDS小鼠肺組織細胞凋亡明顯減少。但對TNF-α中和減少ARDS小鼠肺組織細胞凋亡的具體機制未進一步探討。
在ARDS發生、發展過程中,TNF-α可直接損傷肺組織、破壞肺局部微環境[9]。TNF受體融合蛋白(TNFR-Fc),即TNFR與Ig G的Fc段形成的融合蛋白和人源化的抗TNF-α單抗,與TNF-α結合,抑制其與受體結合而中和其生物活性。TNFR-Fc通過中和TNF-α,抑制TNFR下游炎癥反應通路激活,減輕炎癥反應,肺組織細胞凋亡減少、組織破壞減輕,從而達到對肺組織的保護性作用。本研究采用TNFR-Fc中和過多游離TNF-α可在一定程度上抑制LPS誘導的小鼠肺部炎癥,有效降低ARDS小鼠肺組織濕/干重比。小鼠肺組織病理HE染色結果顯示,TNF-α中和能明顯減輕LPS對小鼠肺組織的損傷程度。
Bcl-2基因家族是NF-κB調控的靶基因之一,在細胞凋亡的基因調控過程中起著重要作用。該基因家族分兩類,一類抑制細胞凋亡,有Bax、Bcl-xl、Mcl-2等;一類促進凋亡,有Bax、Bcl-xs、Bad、Bak等。Bcl-2可和Bax結合成異構二聚體抑制細胞凋亡,Bax可拮抗Bcl-2而促進凋亡,二者的比值決定細胞是存活還是凋亡[10-11]。本研究采用LPS氣道霧化吸入復制小鼠ARDS模型,觀察到NF-κB表達水平增加且活化程度明顯增高,Erk磷酸化增加,同時Bcl-2與Bax比值明顯降低;而TNF-α中和組NF-κB表達水平及活化程度明顯低于LPS組,Erk磷酸化水平降低,Bcl-2與Bax比值明顯高于LPS組。TNF-α在LPS誘導的NF-κB二次活化中具有重要作用。LPS與巨噬細胞表面Toll樣受體4(TLR4)結合后,激活MyD88,再通過TRAF激活NF-κB,NF-κB活化后轉入核內,啟動TNF-α的合成與釋放。TNF-α釋放后,與巨噬細胞、淋巴細胞、中性粒細胞等免疫細胞表面的TNFR結合,通過活化TRAF2、IKK,而再次活化NF-κB。NF-κB活化后入核調控下游相關靶基因的表達,中和TNF-α后NF-κB活性受到抑制。TNF-α與其受體結合后還能引起Erk1/2磷酸化,活化后的Erk1/2激活IKK,繼而致NF-KB活化[12]。NF-κB與細胞凋亡關系密切,參與多種凋亡相關基因的調控,因細胞類型和刺激因素的不同而具有抑制和促進細胞凋亡的雙向作用[13]。
綜上所述,TNF-α中和抑制脂多糖誘導小鼠ARDS肺組織損傷,其機制與抑制Erk1/2、NF-κB活化,上調Bcl-2/Bax比值,最終減少細胞凋亡密切相關。由于凋亡途徑的網絡化、交互作用、共同激活等特點,對單一凋亡途徑進行研究,評估其最終生物學效應可能失之毫厘而謬以千里。不斷加強對凋亡相關基因、通路的研究,從不同時期和環節對肺泡上皮細胞凋亡進行合理干預,有望成為新的ARDS治療策略。