Protective Effect of Polysaccharide from Gastrodia elata Blume on Non-alcoholic Fatty Liver Induced by High Fat Diet
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摘要: 目的:探讨天麻多糖对非酒精性脂肪肝的保护和延缓作用及其相关分子机制。方法:将60只ICR小鼠随机分成正常组、模型组、天麻多糖给药组(50、100和200 mg/kg),除正常组给予普通饲料外,其余各组给予高脂饲料以诱导模型。同时,按剂量给予相应的药物,每 d 1次,持续10周。末次给药后30 min,记录小鼠体重及脏器指数,通过组织病理学方法评估肝脏组织的病理变化,分别测定小鼠血清天冬氨酸氨基转移酶(Aspartate amino transferase,AST)、丙氨酸氨基转移酶(Alanine amino transferase,ALT)活力,并同时检查与氧化应激损伤和脂质代谢相关的信号转导途径。结果:与模型组相比,天麻多糖可显著降低血清中AST和ALT活性(P<0.05),减轻脂肪肝组织病理损伤症状,同时调节多种与脂质积累相关的基因表达水平改善脂质代谢(P< 0.05);此外,天麻多糖还通过上调Nrf2/GPx信号途径改善氧化应激损伤(P<0.05),抑制肝组织中NF-κB、TNF-α、IL-1β以及与炎症反应相关的iNOS和COX-2蛋白表达(P<0.05),并同时可抑制Bax表达,上调Bcl-2因子(P<0.05)。结论:天麻多糖可以改善小鼠的肝功能,调节脂质代谢水平减少脂肪堆积,同时缓解肝脏氧化应激损伤和抑制炎症来保护和延缓高脂饮食引起的非酒精性脂肪肝症状。Abstract: Objective: To investigate the protective and delayed effects of Gastrodia elata polysaccharide on non-alcoholic fatty liver (NAFLD) and its molecular mechanism. Methods:60 ICR mice were randomly divided into normal group, model group and Gastrodia elata polysaccharide group (50, 100 and 200 mg/kg). Except the normal group, the other groups were given high-fat diet to induce NAFLD model. At the same time, the corresponding drugs were given once a day for 10 weeks. At 30 min after the last administration, the body weight and organ index of mice were recorded, the pathological changes of liver tissue were evaluated by histopathology. At the same time, the activity of serum aspartate amino transferase (AST) and alanine amino transferase (ALT) were measured, and the related signal transduction pathways were examined including oxidative stress injury and lipid metabolism. Results:Compared with the model group, the activity of AST and ALT in serum were significantly decreased (P<0.05), and the pathological symptoms of fatty liver tissue was alleviated, and the level of genes expression related to lipid accumulation were regulated to improve lipid metabolism (P<0.05); In addition, Gastrodia elata polysaccharide also improved oxidative stress injury by upregulating Nrf2/GPX signaling pathway (P<0.05), inhibited the expression of NF-κB, TNF-α, IL-1β, iNOS and COX-2 proteins related to inflammatory response (P<0.05), and inhibited the expression of Bax and upregulated Bcl-2 proteins (P<0.05). Conclusion: Gastrodia elata Blume polysaccharide (GBP) can improve the liver function of NAFLD model mice, regulate the level of lipid metabolism and reduce the accumulation of fat, alleviate the oxidative stress injury of liver and inhibit inflammation to protect and delay NAFLD symptoms caused by high fat diet.
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近年来大量的研究表明,过量的脂肪摄入会导致机体增加罹患非酒精性脂肪肝和糖尿病的风险,严重威胁了公众健康[1-2]。非酒精性脂肪肝(Non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)是由脂质代谢异常和脂肪过度堆积而引起的肝脏代谢紊乱性综合征[3-4],是一种临床常见的慢性疾病[5],并且患病率在全球范围内逐年上升,已经成为威胁人民健康的最常见的三大肝病之一[6-7]。目前,NAFLD的发病机制并不是完全清楚,有学者提出的“二次打击”学说已经得到普遍认同[8],即不健康的生活方式和饮食习惯会引起肝部脂肪积聚,导致肝细胞脂肪变性及细胞持续损伤(一次打击),进而诱发炎性细胞因子、线粒体功能障碍和氧化应激的相互作用,最终导致肝细胞损伤和脂肪性肝炎(二次打击),并且已经证明了氧化应激、脂质在肝部过度贮积及炎症反应等方面与NAFLD的发病密切相关[9-10]。研究表明,NAFLD若不及时干预,严重时会进一步发展为肝硬化和肝癌,然而目前尚缺乏明确的药物治疗手段。因此,寻找高效治疗NAFLD病症的药物是全人类健康事业的共同挑战。
天麻(Gastrodia elata Blume)又名赤箭、独摇芝、离母等[11],为兰科(Orchiidaceae)植物天麻的干燥块茎,被《神农本草经》列于上品,是我国传统名贵中药,主要分布于四川、陕西、河南等地。我国传统中医认为天麻具有平肝熄风、镇静安眠的功效[12],并且现代药理学研究证明,天麻具有强效的镇静、抗惊厥、改善血管微循环及增强机体免疫力等作用[13-17],因而天麻具有广泛的药用价值。此外,天麻还是重要的药食两用资源,已被我国食品药品监督管理局(CFDA)列入可用于保健食品的名录[18]。值得一提的是,我国民间自古以来就有食用天麻的习惯,传统食用方式主要是作为煲汤或蒸煮直接食用。随着生活水平的提高和人们健康意识的增强,以天麻为主要原料的高档补益和保健产品已被广泛研究和开发。目前,市场上销售的天麻保健品多种多样,被CFDA批准的保健食品达30余个品种,主要有复方的保健品和营养液,其他剂型主要有胶囊剂、颗粒剂、片剂和散剂等[19]。此外,天麻加工食品主要有蜜饯片、咀嚼片和天麻果脯等,许多已获得国家发明专利,市场前景非常广阔。
天麻的主要成分为天麻素、酚类、有机酸类、多糖类及甾体类等[20],但目前大多数对天麻的研究主要集中在天麻素及其苷类和酚类成分[21],对天麻多糖及其组分研究报道甚少。天麻中多糖含量丰富,占天麻中总成分的25%[22]。近年来,大量的研究已经证明,天麻多糖具有多种药理活性,如抗炎、抗氧化、抗衰老、调节免疫功能、保肝及降血脂等重要的药理作用[23-27]。然而,到目前为止并未见天麻多糖对高脂饮食诱导的NAFLD的改善研究。同时,由于NAFLD发病常会伴随机体炎症反应、氧化应激损伤和细胞凋亡加剧[28],因此本项研究建立在天麻多糖多种药理作用的基础上,以高脂饮食诱导的NAFLD模型为研究对象,研究天麻多糖对NAFLD小鼠炎症反应、氧化应激损伤及细胞凋亡的调节作用,探索天麻多糖改善NAFLD症状的可能机制,同时评价天麻多糖的保肝效果,以期为开发治疗NAFLD的新药和保健产品提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
天麻药材 河北安国药材市场,经辽宁中医药大学药学院马国华副教授鉴定为兰科植物天麻的干燥块茎;60只ICR雄性小鼠(6~8周龄),体重在18~22 g 由辽宁中医药大学实验动物中心提供,动物许可证号:SYXK(辽)2020-0001;谷丙转氨酶(ALT)、谷草转氨酶(AST)、总超氧化物歧化酶(SOD)、丙二醛(MDA)、还原性谷胱甘肽(GSH)、高密度脂蛋白(HDL-C)、低密度脂蛋白(LDL-C)、过氧化氢酶(CAT)、甘油三酯(TG)、总胆固醇(TC)、白细胞介素-1β(IL-1β)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、无毒环保苏木素-伊红染液(H&E)测定试剂盒 南京建成生物公司研究所提供;兔源单克隆抗体一氧化氮合成酶(iNOS)、环氧合酶-2(COX-2)、B-相关X(Bax)、B-淋巴细胞瘤-2(Bcl-2)、考马斯亮蓝蛋白测定试剂盒 北京索莱宝科技有限公司;白介素-1β(IL-1β)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、核转录因子(NF-κB)、过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPAR-γ)、胆固醇调节元件结合蛋白1c(SREBP-1c)、脂肪酸合成酶(FAS)、核因子E2相关因子2 (Nrf2)、谷胱甘肽过氧化物酶1/2(GPx1/2)、谷胱甘肽还原酶(GR)、腺苷酸活化蛋白激酶α2(AMPKα2)、羟甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶(HMGCR)引物 TaKaRa公司设计;UNIQ-10柱式Ttizol总RNA提取试剂盒 生工公司;Tap PCR Master Mix(2ˣ, blue dye)、Prime Script TM RT reagent Kit with gDNA Eraser、SYBR® Premix Ex Taq TM II TaKaRa公司;其他试剂 均为分析纯,北京化工厂。
SpectraMax M2型酶标仪 美国Molecular Devices;Mx3000P型荧光定量PCR仪 美国Aligent公司;Fresco 21型微量离心机、NanoDrop 2000型核酸/蛋白定量仪 美国Thermo公司;BUCHI R300型旋转蒸发仪、AOD-756PC型紫外分析仪、B-585型真空冷冻干燥机 瑞士步琪(Buchi)有限公司;Olympus BX-60型光学显微镜 日本Tokyo公司。
1.2 实验方法
1.2.1 供试药液的制备
称取天麻样品粉末药材100.10 g,加入5倍体积的70%乙醇溶液,常温条件下搅拌提取3 h,8000 r/min离心15 min。去除上清液,取沉淀,加入8倍体积的水,90 ℃水浴2 h,间歇搅拌,待冷却后,于8000 r/min离心45 min。取上清液进行浓缩,浓缩液加入3倍体积的无水乙醇进行醇沉,静置过夜,8000 r/min离心30 min,取沉淀并冻干,得到天麻多糖样品,备用。采用刘涛等[29]方法,以葡萄糖为标准品通过苯酚-浓硫酸法于490 nm处测定吸光度值建立多糖标准曲线,利用回归方程y=0.0037x+0.0471 (R2=0.9954)计算得天麻多糖的含量为86.4%。
1.2.2 分组及处理
所有实验程序经辽宁中医药大学附属第二医院实验动物伦理委员会批准执行。所有动物饲养在具备动物饲养标准许可的专业动物房内,在特定的无病原体条件下(控制温度18~28 ℃,湿度30%~80%),每笼饲养4~5只,并饲喂标准实验室食品且保证自由饮水喂食。
所有实验小鼠适应性饲养7 d,随机分为正常组(Normal)、脂肪肝模型组(Model)、天麻多糖低剂量组(50 mg/kg,GBP-L)、天麻多糖中剂量组(100 mg/kg,GBP-M)、天麻多糖高剂量组(200 mg/kg,GBP-H),每组12只[30-31]。除正常组小鼠给予标准饲料(玉米粉27%、麸皮19%、大米16%、豆饼16%、鱼粉13%、钙粉3%、骨粉3%、酵母粉2.3%、食盐0.5%、复合维生素0.1%、微量元素0.1%)外,其余各组小鼠给予高脂饲料(10.0%猪油、20.0%蔗糖、10.0%蛋黄粉、0.5%胆酸钠和59.5%常规饲料)饲养。同时,各给药组小鼠以灌胃给药的方式给予相应剂量的药物(灌胃体积为0.1 mL/10 g),正常组及模型组小鼠均以相同的给药方式给予0.9%生理盐水,每 d给药1次,连续10周。
末次给药30 min后,称取小鼠体质量,之后将所有小鼠脱颈椎处死,收集血液,4 ℃、4000 r/min离心10 min,分取血清,按照试剂盒说明书方法测定生化指标。同时,迅速将收集的肝脏,脾脏及肾脏用生理盐水冲洗,滤纸吸干,称重,用于计算各脏器指数。并从每只小鼠肝左叶的相同部分切除一小块肝组织,然后固定于10%的福尔马林溶液中用于病理学染色分析。剩下的肝脏样本彻底洗净后保存于−80 ℃,用于匀浆制备和蛋白质印迹分析[32]。
1.2.3 组织病理学检查
将肝脏样品用10%甲醛缓冲液固定24 h以上。用石蜡包埋后切片成5 μm厚的切片,常规H&E染料对肝组织进行染色并使用光学显微镜进行形态学观察。通过Ridit分析法来分析肝细胞坏死程度[33]。
1.2.4 生化指标的检测
依据生化试剂盒说明书测定血清中两个重要的肝功能指标:ALT和AST;同时测定血清中脂质代谢水平,包括TC、TG、HDL-C和LDL-C 四个生物活性指标。
使用商业试剂盒测定肝组织中氧化应激指标SOD、CAT和GSH,从−80 ℃取出肝脏样本,并用冰冷的0.1 mol/L磷酸盐缓冲液(pH7.4)进行匀浆,然后在4 ℃下离心10 min,利用上清测定SOD、CAT和GSH水平[34]。此外,匀浆液用于测定MDA含量。
1.2.5 实时荧光定量PCR测定肝脏中NF-κB, TNF-α和IL-1β
称取小鼠肝组织50 mg,置于经过高压灭菌的研钵中,加入液氮进行充分研磨;将研磨好的粉末分取放入1.5 mL离心管中,静置5 min,加入1 mL的裂解液裂解1 min,再按照提取总RNA试剂盒提取组织中RNA;分取1 μL总RNA加入逆转录反应体系,合成cDNA模版,并以此为模版利用SYBR® Premix Ex Taq TM II试剂盒进行扩增。RT-PCR反应所使用的引物序列如表1,反应条件在95 ℃预变性30 s,95 ℃变性5 s,退火温度为55 ℃、30 s,并进行40个循环。相对mRNA表达=2−△△Ct。
表 1 引物序列Table 1. Sequence of the primes for RT-PCR amplification基因 引物序列 NF-κB 上游引物 5'-TCTGACCTTGCCTATCTAC-3' 下游引物 5'-GTTCTGTCCATTCTTACGATC-3' Nrf2 上游引物 5'-AGCACATCCAGACAGACACCAGT-3' 下游引物 5'-TTC AGC GTG GCT GGG GAT AT-3' GPx-1 上游引物 5'-ATCATTTGGTCTCCGGTGTG-3' 下游引物 5'-TTCGATGTCGATGGTACGAA-3' GPx-2 上游引物 5'-TGCAACCAGTTCGGACATCA-3' 下游引物 5'-TGCAACCAGTTCGGACATCA-3' GR 上游引物 5'-CGGCGATCTCCACAGCAATG-3' 下游引物 5'-ACCGCTCCACACATCCTGATTG-3' AMPKα2 上游引物 5'-GAGAGAGGACTCGGCATCAATAA-3' 下游引物 5'-AAGGAAACAGGCAGATACCAACA-3' PPARγ 上游引物 5'-GAAAGACAACGGACAAATCAC-3' 下游引物 5'-GAAACTGGCACCCTTGAA-3' SREBP 1c 上游引物 5'-CTTCTGGAGACATCGCAAAC-3' 下游引物 5'-GGTAGACAACAGCCGCATC-3' FAS 上游引物 5'-CTTGGGTGCTGACTACAACC-3' 下游引物 5'-GCCCTCCCGTACACTCACTC-3' HMGCR 上游引物 5'-TTCTGCTCTTGATTGACCTTTC-3' 下游引物 5'-TTTCCCTTACTTCATCCTGTGA-3' IL-1β 上游引物 5'-TCCAGGATGAGGACATGAGCAC-3' 下游引物 5'-GAACGTCACACACCAGCAGGTTA-3' TNF-α 上游引物 5'-TGGCAAATGTGAGAAACGAG-3' 下游引物 5'-AAACCAGAACAGACCCAACG-3' β-actin 上游引物 5'-GTGCTATGTTGCTCTAGACTTCG-3' 下游引物 5'-ATGCCACAGGATTCCATACC-3' 1.2.6 免疫印迹分析
称取部分肝组织,加入RIPA裂解液(1:10,m/v)对肝组织进行匀浆,离心,提取总蛋白。再利用BCA蛋白质测定试剂盒测量蛋白质浓度并统一至5 mg/mL。上样量为20 μL,转膜后用含有5%的脱脂奶粉封闭至少1 h。将膜于4 ℃下用一抗iNOS(1:3000),COX-2(1:2000),Bax(1:2000),Bcl-2(1:2000)和β-action(1:2000)孵育过夜[32]。然后,于二抗中在室温下孵育1 h。使用ECL发光液检测信号,条带的强度通过光密度进行分析。
1.3 数据处理
使用SPSS 24.0软件进行统计,采用t检验对各组数据的差异性进行比较,P<0.05表示差异显著,所得数据以平均值±标准误(Mean±SEM)表示。结果数据图表用(GraphPad Prism 6.0(ISI®, USAISI®, USA)制作。
2. 结果与分析
2.1 天麻多糖对小鼠体重及脏器指数的影响
如表2所示,与正常组相比,模型组小鼠体重显著升高(P<0.01)。但是,经天麻多糖(GBP)治疗后,各给药组小鼠体重明显减轻并趋于正常组,其中GBP-高剂量组极显著(P<0.01)。同时,与正常组相比,模型组小鼠的肝脏和脾脏指数均显著升高(P<0.05)。然而,在经三个给药治疗组(50、100和200 mg/kg)改善治疗后,虽然小鼠的肝脏和脾脏指数与模型组相比有一定程度地降低,但结果并不显著。这些结果表明,天麻多糖对非酒精性脂肪肝小鼠的肝脏和脾脏具有保护作用。
表 2 天麻多糖对小鼠体重及脏器指数的影响Table 2. Effect of GBP on body weights and organ indices in mice组别 剂量(mg/kg) 体重(g) 脏器指数 初始 最终 肝脏指数(mg/g) 脾脏指数(mg/g) 正常组 − 21.16±2.14 38.76±4.33 4.16±1.36 0.46±0.69 模型组 − 22.20±1.08 48.12±4.06# 5.72±0.77# 0.85±0.38# GBP-低剂量 50 20.47±1.53 43.56±3.46 5.44±0.69 0.79±0.39 GBP-中剂量 100 21.50±1.74 42.95±3.76 5.25±0.95 0.65±0.35 GBP-高剂量 200 22.31±0.96 41.22±2.93** 4.77±1.21* 0.54±0.71 注:与正常组相比##P < 0.01, # P < 0.05;与模型组相比**P < 0.01, *P < 0.05;表3同。 2.2 天麻多糖对小鼠肝组织病理学的影响
通过H&E染色对NAFLD模型肝脏组织切片进行分析检查。如图1和表3所示,正常组小鼠肝脏组织结构清晰、完整。肝细胞规则排列,细胞核形态无异常且位于细胞中央,胞浆完整均匀。然而模型组小鼠肝细胞有轻度水肿,轻度脂肪变性和少量炎性浸润,细胞质内有大量的脂滴空泡现象,还有少数的细胞核消失,这些典型的病理特征证实了长期高脂诱导非酒精性脂肪肝模型的成功建立。经天麻多糖高、中、低三个剂量组治疗的肝脏结构清晰,排列较为整齐,水肿和脂滴空泡现象均有不同程度的改善。同时,结合表3的组织损伤等级评分和Ridit分析,结果均表明天麻多糖治疗后显著改善了肝脏病理学损伤,进一步证实了天麻多糖对NAFLD模型肝脏损伤的改善作用。
表 3 肝脏的病理学改变及Ridit分析Table 3. Pathological changes in the liver and Ridit analysis组别 剂量(mg/kg) 损伤等级(n=12) 0 1 2 3 评分 Ridit 正常组 − 12 0 0 0 0 0.22 模型组 − 0 1 4 7 30 0.94## GBP-低剂量 50 8 3 6 3 24 0.55** GBP-中剂量 100 6 4 6 2 22 0.51** GBP-高剂量 200 3 7 3 2 19 0.48** 注:分级标准:0级表示没有坏死细胞,肝细胞中正常;1级表示含有不超过1/4的坏死肝细胞;2级表示含有不超过1/2的坏死肝细胞;3级表示几乎全部是坏死性细胞。等级0级计算0分;1级计算1分;2级计算2分;3级计算3分。 2.3 天麻多糖对血清生化指标的影响
为评估天麻多糖(GBP)对NAFLD小鼠肝功能的影响,本研究检测了血清中两种重要肝损伤标志物酶(ALT和AST)的水平。如图2A和B所示,与正常组相比,持续高脂饲料诱导后ALT和AST活力极显著上升(P<0.01),这说明NAFLD模型小鼠肝部受损严重;与脂肪肝模型组相比,用天麻多糖(GBP)处理能显著缓解这两个指标的增加(P<0.05、P<0.01),表明天麻多糖(GBP)能有效改善高脂诱导的NAFLD模型肝功能损伤。同时,为考察NAFLD模型小鼠脂质代谢水平,本研究还测定了TG、TC、HDL-C和LDL-C的含量。由图2C~F可知,与正常组相比,模型组小鼠血清中TG、TC和LDL-C的含量均极显著升高(P<0.01),而HDL-C含量则极显著降低(P<0.01)。然而,与脂肪肝模型组相比,天麻多糖各剂量组(50、100和200 mg/kg)可显著降低TG、TC和LDL-C的含量(P<0.05),同时显著升高HDL-C含量(P<0.05),并且天麻多糖高剂量组(200 mg/kg)具有更好的效果。
2.4 天麻多糖对氧化应激指标的影响
NAFLD模型肝组织中会发生氧化应激损伤,如图3 A~D研究结果表明,高脂诱导的NAFLD模型会导致小鼠肝脏组织中GSH的消耗,降低SOD和CAT活性,并使MDA水平极显著升高(P<0.01),而用天麻多糖(GBP)处理后,肝脏中SOD、CAT活性和GSH含量显著升高(P<0.05),MDA水平则显著降低(P<0.05)。
另外,已经证明持续性高脂饮食诱导的NAFLD模型引发的肝毒性疾病中,线粒体功能和过氧化物酶体氧化不饱和脂肪过程中会引起活性氧(ROS)的过度激活,同时还会产生大量自由基,并与氧化磷酸化特定位点结合,加剧肝细胞中氧化应激损伤[9]。因此,本研究评估了天麻多糖(GBP)对几种氧化应激和线粒体功能障碍标志物mRNA表达的影响,如图4 A~D所示,与模型组相比,天麻多糖(GBP)预处理会显著增加Nrf2、GPx1、GPx2和GR mRNA表达量(P<0.05)。这些数据表明,天麻多糖具有明显的抗氧化应激损伤的作用。
2.5 天麻多糖对脂质代谢水平的影响
为进一步证明天麻多糖(GBP)对脂肪沉积清除和改善能力的分子机制,对NAFLD模型小鼠脂肪肝相关信号分子的mRNA表达进行检测。如图5 A~E所示,与正常组相比,模型组中PPARγ、SREBP 1c、FAS、HMGCR mRNA表达水平极显著升高(P<0.01),AMPKα2
则极显著降低(P<0.01)。相比之下,经天麻多糖(GBP)灌胃后,PPARγ、SREBP 1c、FAS、HMGCR mRNA表达量则极显著下调(P<0.01),并且AMPKα2 基因表达显著上调(P<0.05)。这表明,天麻多糖(GBP)通过调节多种与脂质积累相关的基因表达水平改善了脂质代谢水平,从而缓解了脂肪肝疾病。 2.6 天麻多糖对小鼠肝部炎症因子的影响
研究表明,NAFLD模型引起肝细胞脂肪变性及损伤,进而诱发炎症因子表达。在目前的研究中,通过RT-PCR分析肝组织中促炎因子NF-κB、TNF-α和IL-1β mRNA的表达,结果发现高脂诱导的NAFLD模型会导致NF-κB、TNF-α和IL-1β mRNA表达极显著升高(P<0.01),而通过GBP灌胃后则显著(P<0.05)抑制NF-κB、TNF-α和IL-1β的过渡表达(图6A、B和C)。重要的是,为进一步检测天麻多糖对NAFLD模型的抗炎作用,本实验采用Western-blotting来检测肝组织中促炎因子iNOS和COX-2蛋白表达水平。如图6 D~F所示,脂肪肝模型组小鼠肝脏中iNOS和COX-2蛋白表达极显著升高(P<0.01)。然而,给予50 、 100和200 mg/kg剂量的天麻多糖可使肝组织中iNOS和COX-2的表达显著降低(P<0.05)。这些研究结果说明,天麻多糖(GBP)的保肝作用也可能在一定程度上与其抗炎作用有关。
2.7 天麻多糖对小鼠肝细胞凋亡的影响
为进一步分析脂肪肝细胞变性和凋亡程度的影响,采用Western-blotting分析方法测定凋亡因子Bax和抗凋亡因子Bcl-2表达。如图7A~C所示,脂肪肝模型组肝脏中的Bax蛋白表达极显著升高(P<0.01),天麻多糖给药组中的Bax表达则显著低于模型组(P<0.05),而抗凋亡因子Bcl-2的表达则与Bax相反。这些数据表明,天麻多糖对NAFLD模型引起肝细胞凋亡具有明显的改善作用。
3. 讨论与结论
非酒精性脂肪肝病(NAFLD)是一种代谢紊乱性疾病,在世界范围内都具有极高的发病率,但又因其发病机制较复杂且尚未完全阐明,目前尚缺乏明确的药物治疗策略[35]。近年来,大量的研究者通过高脂饮食诱导建立的非酒精性脂肪肝动物模型,具有成模率高、稳定性好和死亡率低等优点[36-36]。在本研究中,长期饲喂高脂饲料导致小鼠肥胖,肝脂肪变性和脂代谢异常,氧化应激损伤和线粒体功能障碍,并伴随着炎症因子分泌增加,炎症因子通过刺激肝脏发生炎症,引起肝细胞坏死和凋亡,在NAFLD的发生发展中起到重要作用[37-38],这些组织病理学特征类似于NAFLD患者的临床表现。而天麻多糖作为天麻中重要的活性成分,药理学研究表明其具有抗炎、抗氧化、降血脂及保肝作用,但相关机制尚未阐明,因此,本文评估了天麻多糖对高脂诱导的NAFLD小鼠的保肝作用及其机制。在研究中,高脂饮食持续造模10周,结果表明高剂量天麻多糖能极显著降低NAFLD小鼠的体重(P<0.01)。组织病理学显示模型组小鼠肝细胞明显变性和炎症细胞明显增多;肝小叶边界不清楚,肝索结构紊乱,肝组织呈弥漫性并空泡和气球状,肝组织损伤明显和肝细胞的凋亡数量加剧。经天麻多糖治疗后能够显著降低凋亡细胞的数量和炎症水平(P<0.05)。
NAFLD是一种与血脂异常密切相关的代谢紊乱性肝损伤病,而高脂血症是脂肪肝危害健康的重要因素,90%左右的高脂血症患者患有脂肪肝[39]。因此血清TG、TC、HDL-C、LDL-C水平与脂肪肝密切相关。研究结果表明,模型组小鼠的血清中AST、ALT活性及LDL-C、TG、TC含量与正常组相比极显著增加(P<0.01),HDL-C含量极显著降低(P<0.01),而天麻多糖则显著改善了这种改变,表明天麻多糖对脂肪肝损伤具有显著的保护作用,并有积极的降血脂作用,改善脂质代谢,保护肝细胞质膜。
此外,NAFLD的严重程度和氧化应激相关标志物在肝脏中的异常表达密切相关[40],这也是NAFLD的发病机制之一[41]。GPx是抗氧化系统的重要组成部分,其在肝组织中的活性最高,可以清除ROS和防止氧化应激性肝损伤。Nrf2可调节SOD、CAT、GPX、GR等多种抗氧化酶的表达,CAT、GPx与SOD是机体内重要的细胞保护酶,在细胞内协调工作,共同构建了细胞抗氧化防御系统,可防止细胞内活性氧升高。本文的结果显示,天麻多糖预处理可有效地减缓肝组织中SOD、GSH和CAT活性的降低,并降低MDA的含量,同时调节Nrf2及其下游靶基因GPx、GR mRNA的表达,表明天麻多糖可能是通过上调Nrf2/GPx信号途径改善氧化应激损伤、提高机体的抗氧化酶活性和抑制氧化应激损伤对NAFLD的发生形成保护作用。
在以往的研究中发现,参与脂肪肝形成的大多数基因与PPAR信号通路相关,并参与到脂肪细胞分化[42]。脂联素已被证明激活了几乎所有主要类型的靶组织,包括骨骼肌、肝脏、和大脑中的AMPK基因家族等[43]。有研究表明,AMPKα2
活化直接磷酸化SREBP-1c,从而抑制SREBP-1c前体的裂解和核移位,进而抑制SREBP-1c介导的脂肪生成[44-45]。SREBP-1c主要参与脂肪酸代谢和葡萄糖代谢。葡萄糖经糖酵解转化为乙酰辅酶a,再转化为丙二酰辅酶a。最后,在FAS的作用下,乙酰辅酶a和丙二酰辅酶a催化生成脂肪酸,脂肪酸经酯化合成甘油三酯,进而加速脂肪生成。胆固醇主要是由一系列以乙酰辅酶a为底物的酶反应在肝脏中合成的。HMGCR是合成反应中的限速酶[46]。本研究结果显示,天麻多糖下调SREBP-1c,以及其下游靶基因FAS和HMGCR的RNA表达,通过抑制HMGCR达到降胆固醇的作用,表明天麻多糖可通过调节脂代谢水平改善NAFLD。 炎症反应在NAFLD中起着重要的作用。核转录因子-κB(NF-κB)作为一种广泛存在于机体各种细胞的诱导性核转录因子,当受到外界刺激时可被激活,进入细胞核参与炎性反应[47]。当NF-κB被激活后,可加强TNF-α和IL-1β等基因转录,致使其产生、释放增加,最终使炎症反应加剧[48]。目前,NF-κB被认为是应激反应尤其是炎症过程中关键性调控因子[49]。研究发现,作为重要的前炎症基因的转录调控因子NF-κB,氧化应激、炎性反应、细胞凋亡与再生在肝组织中起着重要作用[50]。近年来,国内外研究发现,抑制NF-κB信号通路以改善肝细胞脂肪性炎性可能。反之,活化NF-κB亦可进一步加重脂肪性肝炎的形成。而TNF-α、IL-1β作为重要的促炎因子,在加剧慢性炎症恶性循环的同时,对维持和延续炎症反应起到重要作用[51-53]。在本研究中,通过RT-PCR分析显示,天麻多糖能显著抑制NAFLD引起的炎症细胞因子NF-κB、TNF-α和IL-1β的过度表达,这表明天麻多糖在高脂饮食诱导的脂肪肝毒性中具有潜在的抗炎作用。此外,免疫印迹(Western-blotting)分析结果还表明,天麻多糖预处理可有效抑制iNOS和COX-2的过度表达,这与上述研究结论相一致。
通常,细胞凋亡是平衡人体生理功能的最基本特征之一[54-55]。因此,Western-blotting分析用于证实天麻多糖的抗凋亡作用。结果显示,天麻多糖治疗后脂肪肝组织中Bax蛋白水平明显下降,而Bcl-2蛋白表达相对升高,以上数据表明,天麻多糖能明显抑制高脂饮食引起NAFLD肝细胞凋亡。
综上所述,本研究结果清晰地表明,天麻多糖通过调节NF-κB介导的炎症小体通路及降低TNF-α和IL-1β促炎因子的表达水平来减轻炎症损伤,并通过上调抗凋亡因子Bcl-2及抑制Bax蛋白表达水平来抑制肝细胞凋亡,同时上调Nrf2/GPx信号途径缓解氧化应激损伤来保护和延缓高脂饮食引起的NAFLD症状,具有明显的肝脏保护作用。更重要的是,这些数据也为天麻多糖用于临床上脂肪肝疾病的治疗以及开发护肝保健药物提供理论依据。
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表 1 引物序列
Table 1 Sequence of the primes for RT-PCR amplification
基因 引物序列 NF-κB 上游引物 5'-TCTGACCTTGCCTATCTAC-3' 下游引物 5'-GTTCTGTCCATTCTTACGATC-3' Nrf2 上游引物 5'-AGCACATCCAGACAGACACCAGT-3' 下游引物 5'-TTC AGC GTG GCT GGG GAT AT-3' GPx-1 上游引物 5'-ATCATTTGGTCTCCGGTGTG-3' 下游引物 5'-TTCGATGTCGATGGTACGAA-3' GPx-2 上游引物 5'-TGCAACCAGTTCGGACATCA-3' 下游引物 5'-TGCAACCAGTTCGGACATCA-3' GR 上游引物 5'-CGGCGATCTCCACAGCAATG-3' 下游引物 5'-ACCGCTCCACACATCCTGATTG-3' AMPKα2 上游引物 5'-GAGAGAGGACTCGGCATCAATAA-3' 下游引物 5'-AAGGAAACAGGCAGATACCAACA-3' PPARγ 上游引物 5'-GAAAGACAACGGACAAATCAC-3' 下游引物 5'-GAAACTGGCACCCTTGAA-3' SREBP 1c 上游引物 5'-CTTCTGGAGACATCGCAAAC-3' 下游引物 5'-GGTAGACAACAGCCGCATC-3' FAS 上游引物 5'-CTTGGGTGCTGACTACAACC-3' 下游引物 5'-GCCCTCCCGTACACTCACTC-3' HMGCR 上游引物 5'-TTCTGCTCTTGATTGACCTTTC-3' 下游引物 5'-TTTCCCTTACTTCATCCTGTGA-3' IL-1β 上游引物 5'-TCCAGGATGAGGACATGAGCAC-3' 下游引物 5'-GAACGTCACACACCAGCAGGTTA-3' TNF-α 上游引物 5'-TGGCAAATGTGAGAAACGAG-3' 下游引物 5'-AAACCAGAACAGACCCAACG-3' β-actin 上游引物 5'-GTGCTATGTTGCTCTAGACTTCG-3' 下游引物 5'-ATGCCACAGGATTCCATACC-3' 表 2 天麻多糖对小鼠体重及脏器指数的影响
Table 2 Effect of GBP on body weights and organ indices in mice
组别 剂量(mg/kg) 体重(g) 脏器指数 初始 最终 肝脏指数(mg/g) 脾脏指数(mg/g) 正常组 − 21.16±2.14 38.76±4.33 4.16±1.36 0.46±0.69 模型组 − 22.20±1.08 48.12±4.06# 5.72±0.77# 0.85±0.38# GBP-低剂量 50 20.47±1.53 43.56±3.46 5.44±0.69 0.79±0.39 GBP-中剂量 100 21.50±1.74 42.95±3.76 5.25±0.95 0.65±0.35 GBP-高剂量 200 22.31±0.96 41.22±2.93** 4.77±1.21* 0.54±0.71 注:与正常组相比##P < 0.01, # P < 0.05;与模型组相比**P < 0.01, *P < 0.05;表3同。 表 3 肝脏的病理学改变及Ridit分析
Table 3 Pathological changes in the liver and Ridit analysis
组别 剂量(mg/kg) 损伤等级(n=12) 0 1 2 3 评分 Ridit 正常组 − 12 0 0 0 0 0.22 模型组 − 0 1 4 7 30 0.94## GBP-低剂量 50 8 3 6 3 24 0.55** GBP-中剂量 100 6 4 6 2 22 0.51** GBP-高剂量 200 3 7 3 2 19 0.48** 注:分级标准:0级表示没有坏死细胞,肝细胞中正常;1级表示含有不超过1/4的坏死肝细胞;2级表示含有不超过1/2的坏死肝细胞;3级表示几乎全部是坏死性细胞。等级0级计算0分;1级计算1分;2级计算2分;3级计算3分。 -
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