GHK-Cu螯合物通過減輕上皮細胞損傷對博來霉素誘導肺纖維化的保護性作用

王鈺 馬文會 周曉明 侯剛 王秋月

1中國醫科大學附屬第一醫院呼吸與危重癥醫學科,沈陽 110001;2中國醫科大學附屬第四醫院呼吸與危重癥醫學科,沈陽 110001;3中日友好醫院呼吸與危重癥醫學科,北京 100020

特發性肺纖維化是一種原因不明的慢性進行性纖維化間質性肺疾病,表現為進行性呼吸困難和肺功能損傷,最終導致死亡[1]。迄今為止,特發性肺纖維化尚無治愈方法,因此在肺纖維化預防和治療中發揮保護和治療作用的新型藥物的研究顯得尤為重要。肺纖維化的發病機制包括炎癥、上皮細胞損傷、上皮-間充質轉化、細胞外基質降解和膠原沉積失衡、氧化應激等[2-4]。其中上皮損傷和功能障礙的肺泡上皮和相鄰間充質之間的串擾導致組織修復途徑的異?；虺掷m激活。有研究表明肺上皮細胞損傷會導致一部分的自發性肺纖維化,肺上皮在驅動早期纖維化發病機制中起著重要作用[5]。另一方面,轉化生長因子β1 (transforming growth factor-β1,TGF-β1)在促進肺纖維化中發揮關鍵作用。在激活上皮-間充質轉化的細胞外細胞因子中,TGF-β1是促進肺泡上皮細胞上皮-間充質轉化和成纖維細胞分化的主要誘導因子[6],也是參與肺纖維化發病機制的主要促纖維化細胞因子之一[7]。

甘氨酸-組氨酸-賴氨酸 (glycyl-L-histidyl-Llysine,GHK)是一種人血漿銅結合肽,GHK 在皮膚、毛囊、胃和腸內層、骨組織中有促進傷口愈合和組織再生的作用[8-9]。增加膠原蛋白、核心蛋白聚糖、血管生成和神經生長,具有抗氧化、抗炎、鎮痛和抗焦慮的作用,并且能促進間充質干細胞分泌營養因子[10]。GHK 已被推薦為轉移性癌癥、COPD、炎癥、急性肺損傷的治療方法[11-12]。它對銅有很強的親和力,很容易形成螯合物GHKCu,從而提高GHK 的生物利用度[13-14]。因此,本研究旨在探討GHK-Cu 螯合物對博來霉素(bleomycin,BLM)誘導肺纖維化的保護作用,以及對TGF-β1 通路的作用機制,為臨床研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑 實驗性研究。主要試劑:BLM 購自大連美倫生物科技有限公司,GHK-Cu(純度＞95%)購自上海強耀生物科技有限公司,E-cadherin 抗 體、α-平 滑 肌 肌 動 蛋 白 (alpha smooth muscle actin,α-SMA)抗體、β-actin購自美國Cell Signaling Technology 公 司,TGF-β1 抗體購自美國Abcam 公司,山羊抗兔IgG、山羊抗大鼠IgG 購自北京中杉金橋生物技術有限公司,TGF-β1酶 聯 免 疫 吸 附 試 驗 (enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)試劑盒購自武漢云克隆科技股份有限公司;BCA 蛋白測定試劑盒、SDS-PAGE凝膠配置試劑盒、ECL 發光液購自上海碧云天生物技術有限公司,免疫組織化學試劑盒(鼠/兔)、DAB 顯色試劑盒、Masson染色試劑盒購自福州邁新生物技術開發有限公司,HE 染色試劑盒購自大連美倫生物科技有限公司。

1.2 檢測儀器 Leica輪轉式自動脫水機,Carl Zeiss Microscopy Gmb H 生物顯微鏡,Axio-Observer A1生物顯微鏡,Infinite M200 Pro多功能酶標儀,DNR Bio-imaging system 凝膠成像儀。

1.3 方法

1.3.1 小鼠分組造模給藥 選取健康雄性SPF級C57BL/6小鼠32只,體質量18～22 g,購自遼寧長生生物技術有限公司。隨機分為4 組 (每組8只):(1)正常對照組;(2)BLM 組;(3)BLM+0.2μg·g-1·d-1GHK-Cu 組 (低劑量GHK-Cu組);(4)BLM+20μg·g-1·d-1GHK-Cu組 (高劑量GHK-Cu組)。將3 mg/kg BLM 注入50μl磷酸緩沖鹽溶液中,通過氣管灌注到小鼠中,以制備肺纖維化模型。正常對照組小鼠經氣管灌注等體積的磷酸緩沖鹽溶液。于造模后第4天開始進行腹膜內注射給藥,使用磷酸緩沖鹽溶液作為溶劑。在BLM+GHK-Cu治療組中,隔天腹膜內注射給藥1次;正常對照組小鼠腹膜內注射等體積的磷酸緩沖鹽溶液。GHK-Cu 的選定劑量基于人體血漿中GHK 的濃度含量以及先前的研究。第21 天對小鼠實施安樂死。將部分左肺固定在4%多聚甲醛中,用于HE和Masson染色。收集部分右肺使用冷凍包埋劑固定,用于隨后的免疫熒光染色。并將部分右肺保存于-80 ℃,用于隨后的蛋白質印跡及ELISA。

1.3.2 HE染色 將肺組織用多聚甲醛固定24～48 h后流水沖洗6 h,脫水、包埋并切成4μm 切片,放入烤箱烘干。將切片先放置于二甲苯中脫蠟,然后依次放入無水乙醇、95%、90%、80%、70%、50%酒精中脫水,經過蒸餾水水化后分別將切片放入蘇木素、鹽酸酒精,伊紅中進行染色,再經蒸餾水沖洗后入50%、70%、80%、90%酒精,無水乙醇,最后經二甲苯透明處理,取出后在載玻片中央滴入一滴中性樹膠后用蓋玻片封片,晾干后放在顯微鏡下進行觀察。

1.3.3 Masson染色 將肺組織用多聚甲醛固定24～48 h后流水沖洗6 h,脫水、包埋并切成4μm切片,放入烤箱烘干?？鞠渲锌? h后將切片放置于二甲苯中脫蠟,然后依次放入無水乙醇、95%、90%、85%、75%酒精中脫水,經過蒸餾水水化后,分別用Masson 復合染色液、磷鉬酸、苯胺藍、分化液進行染色,再入75%、85%、90%、95%酒精、無水乙醇,最后經二甲苯透明處理,取出后在載玻片中央滴入一滴中性樹膠后用蓋玻片封片,晾干后放在顯微鏡下進行觀察。

1.3.4 免疫組織化學染色 將肺組織用多聚甲醛固定24～28 h 后流水沖洗6 h,脫水、包埋成蠟塊,并切成4μm 切片,放入烤箱烘干?？鞠渲锌? h后放置于二甲苯中脫蠟,然后依次放入無水乙醇、95%、90%、85%、75%酒精中脫水,經過蒸餾水水化后,應用檸檬酸鹽緩沖液進行抗原修復,微薄修復30 min后,自然冷卻至室溫,根據說明書應用免疫組織化學試劑盒進行染色,應用DAB顯色試劑盒進行顯色,顯微鏡下實時觀察。應用蘇木素對細胞核進行染色。應用光學顯微鏡對切片觀察。

1.3.5 蛋白質印跡 將收集的小鼠肺組織于冰上剪碎后加RIPA 裂解液,制成肺組織勻漿,使用BCA 蛋白測定試劑盒測定蛋白濃度。應用SDSPAGE凝膠對蛋白樣品進行分離,將分離后的蛋白轉移至PVDF膜上,用5%脫脂奶粉室溫封閉2 h,分別用抗體4℃過夜。次日,山羊抗兔或抗大鼠的二抗室溫孵育1 h。ECL 發光,應用Image J對所獲得的條帶進行分析。

1.3.6 ELISA 將收集的小鼠肺組織于冰上剪碎后加裂解液,制成肺組織勻漿。應用ELISA 試劑盒,嚴格按照說明書操作,采用雙抗體夾心法。根據樣品OD 值,由標準曲線算出所測樣品濃度。

1.4 統計學分析 應用Graph Pad Prism 5軟件進行統計分析。所有數據以±s表示,兩組間比較采用t檢驗。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 各組小鼠體質量的變化 與正常對照組相比,BLM 顯著降低了小鼠的體質量。GHK-Cu預處理組可減輕小鼠的體質量的下降。見圖1。

圖1 GHK-Cu對博來霉素誘導纖維化小鼠體質量的影響

2.2 各組小鼠肺組織病理及肺損傷程度的改變觀察各組小鼠肺組織的組織病理學變化 (圖2),可見正常對照組肺泡組織結構完整,肺泡壁薄而透明,無明顯炎癥細胞浸潤;BLM 組的肺泡結構被破壞,肺泡空間增大,嚴重變形增厚,肺泡壁增厚,肺泡骨架受損,呈現出扭曲的肺部結構,肺泡腔內可見炎性細胞和成纖維細胞浸潤;在GHKCu預處理組中,隨著炎癥細胞的減少和肺泡結構的恢復,炎癥改變被部分逆轉。同時與正常對照組相比,BLM 組小鼠有明顯的肺損傷,GHK-Cu預處理減輕了小鼠的肺損傷程度(圖3)。依據Smith評分,GHK-Cu預處理組的肺組織纖維化評分較BLM 組明顯減低(圖4)。高、低2個劑量組相比較肺損傷程度不存在劑量依賴性。

圖2 各組小鼠肺組織的組織病理學 A、E、I:正常對照組;B、F、J:博來霉素組;C、G、K:低劑量GHK-Cu組;D、H、L:高劑量GHK-Cu組 ×40 (A～D) ×100 (E～H) ×200 (I～L)

圖4 各組小鼠肺組織纖維化評分

2.3 各組小鼠肺組織膠原蛋白沉積的改變 在BLM 組中,扭曲的肺部結構被Masson染色藍染,而在正常對照組中,完整的肺部結構未呈現藍色膠原蛋白染色。相比之下,GHK-Cu 預處理組小鼠的肺部Masson 染色切片顯示,膠原蛋白沉積減弱,并伴有肺形態的部分恢復。見圖5。

圖5 各組小鼠肺組織膠原蛋白沉積的改變 A:正常對照組;B:博來霉素組;C:低劑量GHK-Cu組;D 高劑量GHK-Cu組Masson ×100

2.4 各組小鼠肺組織E-cadherin 和α-SMA 表達的比較 免疫組織化學染色結果顯示,BLM 組上皮標志物E-cadherin與正常對照組相比明顯減少,GHK-Cu預處理一定程度上減弱了上皮標志物Ecadherin的減少(圖6)。蛋白質印跡結果 (圖7)顯示,對照組相比,BLM 組中上皮標志物Ecadherin表達下降,間充質標志物α-SMA 表達增加,GHK-Cu 的預處理可以增加E-cadherin 的表達同時減少α-SMA 的表達,這與E-cadherin免疫組織化學染色結果基本一致。GHK-Cu 的高、低劑量預處理組間不存在劑量依賴性。

圖6 各組小鼠肺組織E-cadherin表達 A:正常對照組;B:博來霉素組;C:低劑量GHK-Cu組;D:高劑量GHK-Cu組 免疫組織化學染色 ×200

圖7 蛋白質印跡檢測各組小鼠肺組織中E-cadherin、α-SMA 的蛋白表達水平 A:電泳圖;B:E-cadherin 蛋白相對表達;C:α-SMA蛋白相對表達

2.5 各組小鼠肺組織TGF-β1的比較 結果 (圖8)顯示BLM 組小鼠肺勻漿中TGF-β1的表達與正常對照組相比明顯增高,GHK-Cu 預處理組小鼠TGF-β水平與BLM 組相比減低。同時通過蛋白質印跡方法檢測結果 (圖9)發現BLM 組小鼠肺組織中TGF-β1的蛋白表達明顯增加,經過GHK-Cu預處理后TGF-β1的蛋白表達減少,這與ELISA得到的實驗結果基本一致。但GHK-Cu高劑量組和低劑量組間不存在劑量依賴性。

圖8 蛋白質印跡檢測各組小鼠肺組織中TGF-β1 的蛋白表達水平 A:電泳圖;B:柱狀圖

圖9 酶聯免疫吸附試驗檢測各組小鼠肺組織勻漿中TGF-β1的水平

3 討論

特發性肺纖維化是一種肺部異常的纖維增生性肺疾病,導致肺泡變形,肺功能喪失,患者確診后的病死率依舊居高不下[15],并且特發性肺纖維化的致病機制尚不清楚。用于治療白血病和睪丸癌等多種癌癥的BLM 已被廣泛用于誘發動物肺纖維化,是評價候選藥物抗纖維化作用最常用的小鼠模型[16-17]。本研究擬探索一種新的治療方法,通過改善COPD 患者上皮-間充質轉化現象來改善纖維化。

近年來,小分子肽在藥物發現方面受到了廣泛的關注。GHK 是人體血漿中的正常組分,存在于人體血漿、唾液和尿液中[18]。筆者前期研究中發現GHK 通 過TGF-β1和IGF-1 途 徑 抑 制BLM 致肺纖維化進程、炎癥反應[19]。GHK 螯合物GHKCu可以提高其生物利用度,加速再生過程,促進傷口愈合,增強其抗氧化和抗炎作用[20]。因此,筆者通過實驗來研究GHK-Cu對BLM 誘導的肺纖維化的保護作用。研究結果證實通過給予GHKCu干預BLM 致肺纖維化小鼠,發現GHK-Cu可以減少肺泡結構破壞,減輕肺纖維化、肺損傷程度,并且可以減輕炎癥程度。

在脂多糖誘導的急性肺損傷小鼠模型中,GHK-Cu 通過抑制急性肺損傷體內和體外NF-κBp65和p38 MAPK 信號傳導,降低了活性氧的產生,增加了超氧化物歧化酶的活性,同時降低了TNF-α和IL-6的產生。此外,GHK-Cu減弱了脂多糖誘導的小鼠急性肺損傷的肺組織學改變,抑制了炎癥細胞向肺實質的浸潤。GHK-Cu 通過抑制過度的炎癥反應而在脂多糖誘導的急性肺損傷中具有保護作用[21]。本研究給予GHK-Cu干預BLM致肺纖維化小鼠,觀察上皮細胞標志物Ecadherin,實驗數據表明GHK-Cu 可以增加Ecadherin的表達同時減少α-SMA 的表達,亦證實了GHK-Cu對肺上皮細胞的保護性作用。在大鼠腎小球腎炎模型中,GHK 已被證實可以改善纖維性組織損傷[22]。筆者前期的研究中也發現GHK可能通過IGF-1和TGF-β1 信號通路增加BLM 致肺纖維化中的E-cadherin 及減少α-SMA 的表達[19]。研究表明,GHK-Cu可能是通過提供銅來提高GHK 抗氧化酶水平和超氧化物歧化酶的活性[23]。另一方面GHK-Cu還可以與鐵釋放的鐵蛋白通道結合,在物理上阻止鐵的釋放。從而抑制受損組織中的鐵蛋白釋放,減輕炎癥和預防微生物感染,因此GHK-Cu在創傷中顯示出更強的抗氧化的功能[24]。與其他的研究結果一致,筆者發現GHK-Cu的治療能顯著抑制BLM 誘導的慢性肺炎癥和纖維化,并增加BLM 致肺纖維化中的Ecadherin及減少α-SMA 的表達。并且這些改變程度與GHK-Cu劑量不相關。筆者所在團隊首次將GHK-Cu作為抗纖維化治療藥物應用于BLM 致小鼠肺纖維化的研究中,實驗證明了GHK-Cu對肺纖維化的保護作用,并為GHK-Cu對纖維化疾病的潛在治療作用提供了新的證據。

許多研究表明,根據細胞環境的不同,TGF-β1通路在創面愈合和器官纖維化中發揮重要作用[25-26]。TGF-β1信號是特發性肺纖維化中細胞外基質過量產生、沉積、成纖維細胞增殖和向肌成纖維細胞分化的主要誘導因子。有研究發現,用GHK 處理COPD 患者的成纖維細胞可以減少TGF-β1的產生[12]。本研究顯示氣管灌注BLM 21 d后肺組織中TGF-β1的蛋白水平顯著提高,GHK-Cu的治療可以減少TGF-β1 的表達。與先前的研究結果一致,GHK-Cu對TGF-β1的表達有抑制作用。GHK-Cu對肺組織中TGF-β1 蛋白水平的影響與其對肺組織病理改變的影響是一致的。這些發現表明,GHK-Cu可以通過TGF-β1途徑減輕肺上皮細胞損傷,從而減少上皮細胞向產生膠原的肌成纖維細胞轉變。本研究首次揭示了GHK-Cu可能通過影響TGF-β1信號通路來預防肺纖維化。

綜上所述,GHK-Cu螯合物可以減輕BLM 誘導的小鼠肺組織纖維化,能減輕肺部損傷及炎癥浸潤、膠原沉積及肺上皮細胞損傷,這一作用可能與抑制TGF-β1信號通路相關。提示GHK-Cu 螯合物對BLM 誘導的小鼠肺纖維化具有保護作用。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突