随着饮食的改变,动脉粥样硬化性心血管疾病患病率保持着高增长率
[1]。高密度脂蛋白(high density lipoprotein,HDL)代谢紊乱是心血管疾病发生发展的重要始动因素之一,研究发现HDL的浓度降低与心血管疾病的发病率呈现负向关联,HDL通常参与体内胆固醇逆向转运(reverse cholesterol transport,RCT)过程,这可能是心血管系统中维持脂代谢平衡的关键所在
[2]。中医多认为血脂与膏脂类似
[3],脾有主运化水谷之功效,血脂代谢异常通常与脾失健运膏脂不能正常转输有关,脾气失运,膏脂容易堆积体内,进而减弱脾的运化功能,如此反复导致膏脂在体内难以运化为水谷为人体利用,进而堆叠累积引起血脂代谢异常,可见脾与HDL代谢之间存在一定关联。
肠道菌群源性代谢产物氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide,TMAO)近年来被视作多种心血管疾病发生的潜在关键生物标志物
[4],其含量与血脂代谢类异常疾病的发病率呈正相关
[5]。研究发现,关键受体蛋白激酶R样内质网激酶(protein kinase R-like ER kinase, PERK)与TMAO结合,选择性激活未折叠蛋白反应的PERK分支,以PERK依赖的方式诱导脂代谢疾病的关键转录因子FOXO1,形成干预代谢的TMAO/PERK/FOXO1轴
[6]。课题组前期基础研究表明,经典方剂香砂六君子汤能够显著干预脾虚高脂血症大鼠体内血脂和肝脏代谢紊乱的情况,并能改变TMAO、叉头转录因子-1(forkhead box 1, FOXO1)水平,同时发现FOXO1可以通过参与下游调控SR-BI、ApoA-I、HL因子的表达进而调节HDL代谢,提示香砂六君子汤可能参与了TMAO介导的通路
[7-8]。因此,通过靶向TMAO水平可能是预防HDL代谢异常发生发展的有效途径。但是肠道菌群代谢物形成的TMAO/PERK/FOXO1代谢轴如何对HDL代谢产生影响和香砂六君子汤是否靶向了TMAO进而参与代谢轴的调控进行干预还有待进一步探讨。为此,现以菌群代谢物形成的TMAO/PERK/FOXO1代谢轴为主要切入点,研究香砂六君子汤靶向肠道菌群代谢物信号轴调控下游HDL代谢的关键因子影响脾失健运膏脂转输障碍引起血脂代谢紊乱的关键作用机制,以期为中医药健脾降脂防治血脂代谢紊乱类疾病提供理论基础。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 实验动物
本次实验采用SPF级SD大鼠作为实验对象,大鼠均购买自辽宁长生生物技术股份有限公司,其实验动物生产许可证号为[SCXK(辽)2020-0001]。为了实验的可靠性和重复性,选取35只雄性6周龄SD(Sprague-Dawley)大鼠,体重均在180~220 g,确保实验动物的一致性。动物造模及饲养过程均在辽宁中医药大学动物实验室内进行[SYXK(辽)2024-0006],实验室内的环境条件为室温22~25 ℃,确保了实验动物在恒温恒湿的环境中生长。同时,饲养条件采取昼夜照明各半,以模拟自然界的光照条件,有利于大鼠的生理节律正常。日常饲养采用的饲料均购买自小黍有泰(北京)生物科技有限公司,饲料合格证书(SCXK(辽)2020-0001)。在本次实验造模取材的过程中,严格遵守辽宁中医药大学实验动物伦理委员会的要求,确保实验过程的人道性和科学性(伦理审批号:21000042022008)。
1.1.2 主要试剂与仪器
Anti-FOXO1(immunoway,yt1758,稀释倍数为1∶1 000);Anti-p-PERK、Anti-ApoA-I、Anti-LIPC(HL)、 Anti-SCARB1(SR-BI)、Anti-PERK(碧云天,bs-3330R、bs-0849r、bs-18288r、bs-23976r、bs-2469r,1∶1 000);3,3-二甲基-1-丁醇DMB(上海麦克林,D832026);4%多聚甲醛、油红O染液(上海碧云天P0099、C0158S);ApoA-I、ApoB ELISA试剂盒(上海江莱生物,JL12772-48T、JL11948-48T)。
实验仪器:高通量全自动生化分析仪(生产商:日本日立公司,型号:7180型)、酶标仪(生产商:美国MD公司,型号:SpectraMaxi3)、冰冻切片机(生产商:日本Leica公司,型号: CM1850);切片拍照扫描(生产商:德国Precipoint公司,型号:M8扫描切片显微系统);实时荧光定量PCR仪(生产商:美国Applied Biosystems,型号:ABI 7500)。
1.2 方法
1.2.1 动物分组及实验干预
大鼠在实验室内适应喂养1周后,进行随机分组,根据实验需要共分为5组:①正常组(Z组):饲喂正常饲料和普通饮水;②TMAO抑制剂DMB组(D组):前12周饲喂正常饲料和普通饮用水,后12周饲料不变,饮用水中加入TMAO抑制剂DMB(浓度1%),持续添加DMB4周;③脾失健运膏脂转输障碍模型组(PSJY组),模拟体内脾失健运引起的血脂代谢紊乱:模型组围绕课题组前期饲喂方法造模
[7],造模12周形成脾失健运膏脂转输障碍状态;④脾失健运膏脂转输障碍联合DMB组(PSJY+D组):造模方法同上,造模12周后,饮水时同时给予4周DMB(1% DMB放入饮用水中);⑤脾失健运膏脂转输障碍联合香砂六君子汤给药组(PSJY+XS组):造模方法同上,12周后灌胃4周香砂六君子汤[给药量:11.34 g生药/(kg/d)]
[9-10],每组7只。
1.2.2 取材
造模16周后进行麻醉取材工作:首先腹主动脉采血,取出的全血分别取血清和血浆备用(血清:静置后离心20 min,3 000 r/min,上清液备用;血浆:抗凝管采血,离心20 min,3 000 r/min取上清备用),取血后进行组织肝脏取材工作,肝脏分别固定液固定和进行低温冷冻保存。
1.2.3 全自动生化仪检测大鼠血清血脂变化
对各组大鼠血清进行全自动生物化学分析仪的上机操作处理,检测血脂变化。
1.2.4 油红O染色法观察大鼠肝变化
取肝组织进行包埋后上冰冻切片机进行切片(厚度6 μm),切片后立即采用油红O试剂盒进行染色操作,经洗涤液、染色液、洗涤液、苏木素染色液等步骤后封片进行拍照(40×)。
1.2.5 ELISA法检测大鼠血清内ApoA-I、ApoB含量
加入标准品和待测样品于反应孔内之后根据操作流程进行常规检测,最后检测完毕立即用酶标仪检测450 nm波长处各孔的A(吸光度)值。之后计算得到ApoA-I、ApoB含量。
1.2.6 LC-MS法检测各组大鼠血浆TMAO水平
实验中对样本溶液、标准溶液以及80%乙腈水溶液进行混合沉淀处理,混合沉淀处理完成后,取用25 μL的空白血浆(空白基质样本)加入25 μL的内标溶液以及50 μL的80%乙腈水溶液。操作完成后进行充分涡旋混匀。之后4 ℃条件下3 500 r/min离心30 min。最后提取上清液(50 μL)上机检测。
1.2.7 Western Blot检测各组大鼠肝脏PERK、p-PERK、FOXO1蛋白含量
提取蛋白后进行定量分析,之后按常规Western Blot检测步骤操作(上样、电泳、转膜、抗体孵育、曝光等)最后应用Image Studio软件进行半定量分析。
1.2.8 qRT-PCR法检测FOXO1介导的HDL代谢相关基因ApoA-I、SR-BI、HL表达水平
提取肝脏RNA后进行常规操作(反转录上机扩增),
GAPDH为本次实验内参,得到的Ct值应用2
-△△Ct法进行mRNA统计,本次实验的所有引物序列如
表1所示。
1.3 统计学分析
采用常规统计软件SPSS19.0对实验结果进行统计,以均值±标准差($\stackrel{-}{x}\pm s$)表示最终结果,组间比较应用单因素方差模式,结果中P<0.05表示具有统计学意义。
2 结果
2.1 各组大鼠血清中血脂含量变化
如
图1所示,与Z组比,PSJY组大鼠血清TC(
P<0.001)、TG(
P<0.000 1)、LDL-C(
P<0.01)含量明显增高,HDL-C含量明显降低(
P<0.01),D组中各血脂无明显差异变化;与PSJY组比,PSJY+D组TG明显降低(
P<0.01),TC、LDL-C降低趋势,HDL-C有升高趋势,但无明显差异性,PSJY+XS组大鼠血清中TC(
P<0.05)、TG(
P<0.01)、LDL-C(
P<0.05)含量降低显著,HDL-C含量升高明显(
P<0.05)。
2.2 各组大鼠肝脏脂质变化情况
油红O染色法观察肝脂质沉积,发现与Z组比较,D组大鼠肝脏组织细胞排列紧密无出现红色脂滴,PSJY组大鼠肝脏组织内细胞出现空泡化,出现大量红色脂滴;与PSJY组比较,PSJY+D组及PSJY+XS组大鼠肝内脂滴含量明显降低(
图2)。
2.3 各组大鼠血清中ApoA-I、ApoB含量变化
与Z组比较,PSJY组大鼠血清中ApoA-I含量明显降低(
P<0.001),ApoB含量增高明显(
P<0.01),而D组与Z组比较并无显著变化;与PSJY组比较,PSJY+D组及PSJY+XS组大鼠血清ApoA-I含量显著升高(
P<0.05,
P<0.01),ApoB含量显著降低(
P<0.05,
P<0.01),如
图3所示。
2.4 各组大鼠TMAO/PERK/FOXO1轴变化情况
2.4.1 各组大鼠血浆TMAO含量变化
与Z组相比,PSJY组大鼠血浆中TMAO水平变化显著增高(
P<0.001),而给抑制剂后D组水平降低明显(
P<0.001);与PSJY组相比,PSJY+D组、PSJY+XS组两组大鼠血浆TMAO含量均不同程度显著降低(
P<0.001),如
图4所示。
2.4.2 各组大鼠肝脏PERK、p-PERK、FOXO1蛋白表达变化
与Z组相比较,PSJY组大鼠肝脏FOXO1、p-PERK/PERK蛋白表达明显增高(
P<0.01),D组FOXO1、p-PERK/PERK蛋白表达没有差异性变化;与PSJY组相比,PSJY+XS组大鼠肝脏FOXO1、p-PERK/PERK蛋白表达降低明显(
P<0.05),PSJY+D组中FOXO1、p-PERK/PERK蛋白表达有一定的降低趋势,但无明显差异性(
图5、
表2)。
2.5 FOXO1介导的相关HDL代谢基因变化
2.5.1 各组大鼠肝脏中FOXO1介导的SR-BI、ApoA-I、HL mRNA变化
与Z组比较,PSJY组大鼠肝脏
SR-
BI、
ApoA-
I、
HL mRNA水平降低明显(
P<0.000 1),D组除
SR-
BI mRNA水平降低外(
P<0.01),其他基因无差异性变化,其他无明显变化;与PSJY组比较,PSJY+XS组大鼠肝脏
SR-
BI、
ApoA-
I、
HL水平均显著升高(
P<0.01,
P<0.000 1),PSJY+D组
ApoA-
I、
HL有升高趋势,但无明显差异性,
SR-
BI无变化(
图6)。
2.5.2 各组大鼠肝脏中FOXO1介导的SR-BI、ApoA-I、HL 蛋白表达变化
与Z组相比较,PSJY组大鼠肝脏内SR-BI、ApoA-I、HL蛋白表达明显降低降低(
P<0.01),D组中SR-BI、ApoA-I、HL蛋白表达无显著差异性;与PSJY组相比,PSJY+XS组大鼠肝脏SR-BI、ApoA-I、HL水平均显著升高(
P<0.01),PSJY+D组SR-BI、ApoA-I、HL蛋白水平同样有显著升高(
P<0.05,
P<0.01),如
表3、
图7所示。
3 讨论
高密度脂蛋白(HDL)代谢紊乱是高脂血症、动脉粥样硬化(AS)等心血管疾病发生的关键始动因素之一
[11],因此,调控HDL代谢、维持脂代谢稳态已成为心血管疾病防治领域亟待解决的重要问题。中医“膏脂”与西医“血脂”的内涵高度契合
[12],膏脂源于水谷精微,脾主运化输布水谷津液,《中西汇通医经精义》明确提出“脾生膏脂”,”膏脂的生成与输布依赖于脾的运化功能。若脾失健运,运化失司,水谷精微滞留营中,生湿成痰,无法正常输布,便会引发血脂异常,进而增加代谢性疾病的发病风险。《素问·经脉别论篇》记载:“饮入于胃,游溢精气,上输于脾。脾气散精,上归于肺,通调水道,下输膀胱,水津四布,五经并行。”这一论述系统阐释了脾在水谷精微运化输布中的核心作用
[13],进一步佐证了脾运化失常导致血中膏脂代谢紊乱是动脉粥样硬化等疾病发生的关键病机。香砂六君子汤是健脾益气、化痰降脂的经典方剂。课题组前期发现,该方剂对脾失健运引起的HDL代谢异常及肝脏脂质沉积具有一定的干预作用
[14-15],在脾虚型血脂异常的防治中具有重要价值;网络药理学研究也显示,香砂六君子汤可能通过多靶点、多通路发挥调节血脂的作用
[16]。然而,其具体机制仍有待深入挖掘。
肠道菌群源性代谢物氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide,TMAO)是肠菌与胆碱等物质作用产生三甲胺(trimethylamine,TMA)后在肝脏的含黄素单氧化酶 3(flavin-containing monooxygenase 3, FMO3)作用下生成。目前已有研究证实,TMAO可作为心血管疾病发生发展的潜在生物标志物
[17]。一项纳入4 000多名接受冠状动脉造影患者的前瞻性研究显示,血清TMAO水平升高与患者3年内发生心肌梗死、脑卒中或血管死亡的风险增加显著相关,风险升高幅度达2.5倍
[18]。Lin等
[19]在动脉粥样硬化小鼠模型中观察到,模型小鼠血浆内TMAO水平较对照组显著升高;而给予香叶素干预后,可通过抑制肠道微生物依赖性的TMAO代谢通路,显著减轻小鼠动脉粥样硬化病变程度,明确了香叶素的抗动脉粥样硬化作用机制。进一步机制研究表明,肠道菌群依赖性代谢物TMAO可通过活性氧(ROS)介导的氧化应激激活AMPK信号通路,进而促进动脉粥样硬化相关炎症反应的发生发展
[20]。除心血管疾病外,相关研究也发现TMAO与多种代谢性疾病的发生密切相关,如动脉粥样硬化
[21]、冠心病
[22]、2型糖尿病
[23]等,提示TMAO可能通过调控脂代谢紊乱参与上述疾病的病理生理过程。
本实验模型采用的动物模型参考课题组前期建立的模型制备方法
[8],在此基础上分别给予TMAO抑制剂(DMB)及健脾经典方剂香砂六君子汤干预,旨在观察在脾失健运膏脂转输障碍状态下TMAO/PERK/FOXO1信号通路的变化及其对下游HDL代谢相关基因的调控作用,并探讨香砂六君子汤健脾运化水谷缓解HDL代谢紊乱的效应机理。研究结果显示,脾失健运膏脂转输障碍模型大鼠的血清HDL-C水平、肝脏脂质沉积程度及血浆TMAO含量变化,与课题组前期发表的研究结果一致
[10]。给予DMB干预后,模型大鼠血浆TMAO水平显著降低,肝脏脂质沉积得到明显缓解,同时HDL代谢紊乱状态也得到有效改善。香砂六君子汤灌胃后可降低TMAO水平,减轻肝脂质沉积,并改善HDL代谢异常,其干预效应与TMAO抑制剂DMB相似。
FOXO1是叉头框(forkhead box FOX)家族中参与糖脂代谢的关键转录因子之一
[24],在心血管疾病的发生发展进程中发挥核心作用
[25]。Liu等
[26]研究证实,FOXO1可作为参与小鼠肝脂质沉积调控的关键靶点;同时,在非酒精性脂肪肝、动脉粥样硬化等心血管疾病的病理调节过程中,多条由FOXO1驱动的信号通路已被证实参与其中
[27]。研究表明,TMAO可与蛋白激酶R样内质网激酶(protein kinase R-like ER kinase, PERK)特异性结合,选择性激活未折叠蛋白反应的PERK分支,并以PERK依赖的方式诱导脂代谢疾病的关键转录因子FOXO1的表达
[6]。王茂泓等
[28]研究发现,PERK可能为治疗糖尿病等代谢性疾病的关键靶点,这提示TMAO/PERK/FOXO1可能作为参与脂代谢调控的关键作用通路。HDL是胆固醇逆转运途径(RCT)中关键脂质携带体,是维持心血管系统脂质平衡的关键要素。其通过启动 RCT过程,干预外周组织中过剩的脂质堆积
[29]。HDL的代谢受多种基因调控:清道夫受体B族I型(scavenger receptor class B type I, SR-BI)作为HDL的主要受体,参与RCT胆固醇流出及选择性摄取,介导细胞对HDL-胆固醇(HDL-C)选择性摄取,影响细胞胆固醇平衡,与抗AS作用密切相关
[30-31];载脂蛋白A-I(apolipoprotein A-I, ApoA-I) 是HDL重要的组成成分,是细胞内胆固醇流出的主要接受载体,参与新生HDL的形成
[32],同时ApoA-I在HDL与SR-BI结合过程中发挥关键作用,且已被证实与2型糖尿病等代谢性疾病的发生发展相关
[33];肝脂肪酶(hepatic lipase,HL)是HDL代谢的关键酶,对血浆中的HDL代谢及HDL-C具有明显调节作用,其可与SR-BI结合促进 HDL-C的摄取,进而参与RCT途径
[34]。已有研究证实,SR-BI
[35]、HL
[35]、ApoA-I
[36]均受FOXO1的靶向调控,提示FOXO1可通过对下游不同基因的靶向调控进而介导体内的HDL代谢。本次研究结果显示:与Z组相比,D组中除
SR-
BI mRNA含量降低外(这可能与组内样本量较小有关),其他各指标无明显差异,脾失健运膏脂转输障碍组大鼠肝脏TMAO/PERK/FOXO1代谢轴中FOXO1、p-PERK蛋白表达水平升高,FOXO1介导的下游相关HDL代谢基因
ApoA-
I、
SR-
BI、
HL mRNA以及蛋白表达水平降低,引起RCT受阻,HDL合成异常。给予DMB后,肝脏ApoA-I、SR-BI、HL蛋白表达水平显著升高,表明DMB可能通过RCT途径对HDL水平有影响;同样灌胃香砂六君子汤后肝脏FOXO1、p-PERK蛋白表达水平降低,ApoA-I、SR-BI、HL mRNA以及蛋白表达水平升高,HDL合成增加,与脾失健运膏脂转输障碍联合DMB组结果趋势一致。因此,香砂六君子汤可能通过靶向TMAO/PERK/FOXO1轴,改变FOXO1的变化进而介导下游
SR-
BI、
ApoA-
I、
HL基因改变干预HDL代谢紊乱,改善脾虚膏脂转输障碍。
4 结论
TMAO/PERK/FOXO1轴可介导下游SR-BI、ApoA-I、HL影响HDL代谢,香砂六君子汤可通过抑制TMAO水平,从而干预TMAO/PERK/FOXO1轴,影响下游SR-BI、ApoA-I、HL表达,进而改善HDL代谢紊乱现象。但研究也存在一定的局限性,香砂六君子汤是否可以从体外干预TMAO达到一定的效果仍需深入研究。