脂联素基因修饰的脂肪干细胞对野百合碱诱导的肺动脉高压大鼠代谢模式的影响
2016-10-26郑武洪练桂丽谢良地
罗 莉 郑武洪 李 玲 练桂丽 谢良地
(福建医科大学附属第一医院干部病房,福建 福州 350005)
·基础研究·
脂联素基因修饰的脂肪干细胞对野百合碱诱导的肺动脉高压大鼠代谢模式的影响
罗莉郑武洪1李玲1练桂丽2谢良地
(福建医科大学附属第一医院干部病房,福建福州350005)
目的探讨脂联素(APN)基因修饰的脂肪干细胞(ADSCs)移植对肺动脉高压(PAH)大鼠代谢模式的影响。方法40只SD大鼠,随机分为正常对照组(NC组)、PAH组、ADSCs组、导入空载慢病毒的脂肪干细胞治疗组(ADSCs-V组)和APN基因修饰的脂肪干细胞治疗组(ADSCs-APN组)。野百合碱(MCT)腹腔注射构建大鼠PAH模型,建模成功后14 d ADSCs组、ADSCs-V组和ADSCs-APN组分别经颈外静脉注射1 ml浓度为1×106cells/ml的ADSCs、ADSCs-V和ADSCs-APN。其他两组注射等量PBS。治疗3 w后分别收集各组大鼠血清,采用磁共振(NMR)技术进行血清NMR氢谱检测分析各组代谢物浓度。采用Chenomx NMR Suite 8.0软件对NMR数据进行PCA、PLS-DA统计分析,利用排列检测方法评价PLS-DA模型的质量。结果PAH组较正常对照组大鼠血清代谢物中血清葡萄糖、乳酸浓度明显升高,血清丙氨酸浓度明显降低。ADSCs-APN移植治疗能降低PAH大鼠血清葡萄糖、乳酸浓度,升高血清丙氨酸浓度。单纯ADSCs移植治疗不能明显改变PAH大鼠代谢模式。结论APN基因修饰ADSCs移植治疗可以改善MCT诱导的PAH大鼠的Warburg效应和丙氨酸代谢异常,这是其进一步降低肺动脉压和改善血管重构的重要机制。单纯ADSCs移植治疗对PAH大鼠的代谢模式影响不明显。
野百合碱;肺动脉高压;脂联素;脂肪干细胞
肺动脉高压(PAH)发病机制复杂,涉及多种基因突变、炎症、血流动力学的改变、受体及其信号通路的异常等〔1〕,其发病机制至今尚未阐明。研究表明,能量代谢紊乱是PAH重要的发病机制之一〔2〕。本课题组先前曾运用基于磁共振(NMR)技术的代谢组学方法发现野百合碱(MCT)诱导的PAH大鼠出现明显的代谢模式改变〔3〕,且发现脂联素(APN)能有效降低肺动脉压,而APN是脂肪细胞分泌的一种脂肪因子,它在调节代谢方面具有很强的生物学作用。本研究在先前研究的基础上利用基于NMR的代谢组学技术,采用ADSCs作为APN基因的载体,将APN基因修饰的脂肪干细胞(ADSCs)移植治疗PAH大鼠,观察其对血清代谢组学变化的影响,并探讨可能的机制。
1 材料与方法
1.1对象及试剂实验动物:选取8周龄雄性Sprague-Dawley(SD)大鼠80只,体重200~230 g,购自上海斯莱克实验动物有限责任公司,许可证号:SCXK(沪)2012。饲养条件:恒温(22±2℃)、恒湿、人工光照明暗各12 h,24 h自由取食和饮水。实验动物随机分为正常对照组(NC组)、PAH组、ADSCs组、空载慢病毒的脂肪干细胞移植治疗组(ADSCs-V组)和APN基因修饰的脂肪干细胞移植治疗组(APDSCs-APN组),每组8只。
实验试剂:液体石蜡、松节油、梯度乙醇溶液(上海谱振生物科技有限公司,中国);盐酸乙醇分化液(南京森贝伽生物科技有限公司,中国);稀氨水(济南鑫利化工有限公司,中国);二甲苯溶液(上海研域生物科技有限公司,中国);重水(99.9%氘代)、25%氘代甲醇、75%氘代氯仿(Cambridge Isotopic Laboratory,英国);磷酸氢二钠、柠檬酸钠、柠檬酸(上海国药集团化学试剂有限公司,中国);MICRO 22R Hettich 离心机(Hettich公司,德国);安捷伦核磁共振波谱仪(安捷伦公司,美国)。
1.2实验方法模型制备:本研究小组前期采用MCT腹腔注射方法成功构建PAH模型〔4〕:PAH组、ADSCs组、ADSCs-V组和ADSCs-APN组均给予一次性腹腔注射野百合碱,MCT量按照40 mg/kg建立PAH模型,对照组给予同等剂量的生理盐水腹腔注射。其中ADSCs-V组、ADSCs-APN组建模过程中分别有1、2只鼠死亡,建模成功率为93.89%。ADSCs组:MCT 注射后14 d,经左颈外静脉一次性注射入1 ml含有1×106cells/ml ADSCs的细胞悬液;ADSCs-V 组:MCT 注射后14 d,经左颈外静脉一次性注射入1 ml含有1×106个空载慢病毒ADSCs细胞悬液;ADSCs-APN组:MCT 注射后14 d,经左颈外静脉一次性注射入1 ml含有1×106个携带APN基因的ADSCs 细胞悬液。NC 组和PAH 组经左颈外静脉一次性给予相同体积的细胞培养基。各组分别于细胞移植后3 w检测血清代谢物指标。
样本准备与磁共振谱采集:经大鼠腹主动脉采集各组大鼠的血清样本,静置离心后吸取上清,-80℃储存备用;将备用血清于4℃、13 000 r/min再次离心30 s,去除残留少量血细胞、细胞碎片,取上层血清样本置于超滤膜中,置于离心机中于4℃,13 000 r/min离心过滤30 min;从每个离心过滤后的样本中取滤液450 μl置于各自编号的离心管中,每个离心管中再各加入50 μl DSS,混匀、离心后加到核磁管中,上机采集各组磁共振图谱。
1.3NMR谱处理与模式识别分析各血清采集参数及其具体数据设置:Temperature(K):298.15;Magnet Frequency(MHz):599.83;Transients/Scans:64;Frequency Domain Size:65 536;Spectral Width:7 225.434;Time Domain Size:28 902;Pulse Sequence:metnoesy。
数据处理:为确定NMR谱中所有代谢物的信息,将1H NMR自由感应衰减(FID)信号导入到Chenomx NMR suit(version 8.0,Chenomx,Edmonton,Canada)软件中〔5〕,经傅立叶转换,调整相位及校正基线。以DSS-d6峰(0.0 ppm)作为全部NMR谱图化学位移的标准,并对其进行反转卷积操作,调整谱图峰形(CSI)。根据1H NMR谱图中信号的相关信息将代谢物和相应的绝对浓度值导出到EXCEL表格中,得到血清样本的变量矩阵。通过已知的 DSS 内标的浓度及其在磁共振谱图上的峰面积,再结合不同代谢物在核磁谱图上的峰面积,经由公式换算得到代谢物的绝对浓度。
数据分析:将变量矩阵作为源数据。首先,用主成分分析(PCA)区分不同组别的代谢模式,而后进行偏最小二乘判别分析(PLS-DA)。PCA 和 PLS-DA 分别通过R语言中PCA methods Bioconductor 包和PLS包完成数据分析,最后通过 ggplot2 包进行可视化作图。
1.4统计学方法采用Chenomx NMR Suite 8.0软件对NMR数据进行PCA、PLS-DA统计分析,利用排列检测方法评价PLS-DA模型的质量,P<0.001表示模型建立水平很好。用SPSS19.0软件对所测具体代谢物浓度数据进行分析,组间比较采用单因素方差分析(One-way ANOVA)。
2 结 果
2.1代谢物归属谱图所检测大鼠动脉血清样本的信号归属片段归属范围示意图。见图1。
A:归属范围0.0~3.0 ppm;B:归属范围3.0~5.0 ppm;C:归属范围5.0~10.0 ppm;归属的代谢物编号标识:1:2-羟基丁酸;2:2-羟基异丁酸;3:羟基苯丙酮异戊酸盐;4:羟基戊酸乙酯;5:戊邻酮二酸盐;6:3-羟基丁酸酯;7:醋酸盐;8:乙酰乙酸盐;9:丙酮;10:丙氨酸;11:精氨酸;12:抗坏血酸盐;13:天冬氨酸盐;14:甜菜碱;15:丁酸盐;16:肉毒碱;17:胆碱;18:柠檬酸盐;19:瓜氨酸;20:肌酸;21:肌酐;22:胞嘧啶核苷:23:二甲胺;24:乙醇;25:甲酸盐;26:海藻糖;27:延胡索酸盐;28:葡萄糖;29:谷氨酸盐;30:谷氨酸盐;甘油;31:氨基乙酸;32:醋酸盐硝酸胍;33:异丁酸盐;34:异亮氨酸;35:乳酸盐;36:亮氨酸;37:赖氨酸;38:丙二酸盐;39:甘露糖;40:甲醇;41:蛋氨酸;42:乙基琥珀酸盐;43:苯基丙氨酸;44:脯氨酸;45:丙二醇;46:丙酮酸盐;47:琥珀酸盐;48:葫芦巴碱;49:色氨酸;50:酪氨酸;51:丙三氧基胆碱磷酸;52:尿素;53:缬氨酸;54:肌醇图1 大鼠动脉血清样本的信号归属片段
2.2APN基因修饰的ADSCs PAH大鼠代谢模式的变化PCA分析:对大鼠动脉血清样本进行统计学分析,采集 NMR 谱图,通过 Chenomx NMR Suite 8.0对样本进行分析,确定了样本中代谢物的种类和浓度。样本的数据使用 Pareto Scaling 法进行归一化,通过使用 PCA 分析得到相应的得分图和载荷图见图2。PCA得分图中不同颜色代表不同的样本组,样本的团聚与离散一方面表现了样本的重复性,另一方面也体现了样本组间的代谢轮廓相似性,五组样本有分开趋势。载荷图反映导致样本在 PC 方向上分开的差异代谢物,图中离中心点越远,对区分样本所做的贡献也越大。因此可以看出,葡萄糖(Glucose)、乳酸(Lactate)、尿素(Urea)、琥珀酸盐(Succinate)、丙酮酸(Pyruvate)等多个代谢物对样本间的区分做出了重要贡献。
PLS-DA分析:PLS-DA得分图中,不同颜色代表不同的样本组。样本的团聚与离散一方面表现了样本的重复性,另一方面也体现了样本组间的代谢轮廓相似性。NC组、ADSCs-APN组样本的代谢轮廓与PAH、ADSCs和ADSCs-V组是可以区分的,NC组与PAH、ADSCs和ADSCs-V组的代谢轮廓能够很好地区分,与ADSCs-APN组的代谢轮廓靠近;PAH组与ADSCs和ADSCs-V组的代谢轮廓基本重叠在一起而不能区分,与ADSCs-APN组的代谢轮廓能够很好的区分;ADSCs组与ADSCs-V组的代谢轮廓基本重叠在一起而不能区分,与ADSCs-APN组的代谢轮廓能够很好的区分;ADSCs-V组与ADSCs-APN组的代谢轮廓能够很好的区分。与得分图对应的载荷图可以看出,Glucose、Lactate、Alanine等代谢物离中心点越远,对样本间的区分的贡献也越大。见图3。
A:ADSCs组;B:PAH组;C:ADSCs-V组;D:NC组;E:ADSCs-APN组;下图同图2 ADSCs和APN基因修饰的ADSCs移植治疗后PAH大鼠动脉血清样本PCA得分图及载荷图
图3 ADSCs和APN基因修饰的ADSCs移植治疗后PAH大鼠动脉血清样本PLS-DA得分图及载荷图
表1列出了前26位代谢物的Component 1 的 VIP(Variable Importance in Projection)值,可以看出Glucose、Lactate和Alanine在这五组标本中有明显差异。VIP是变量权重重要性排序,用以提供最主要的变量以及它们在各组里面的重要程度。VIP 值越大说明它们在样本的区分中所作的贡献越大,一般默认VIP>1的变量具有显著性差异。
表1 Component 1 的 VIP值
2.3APN基因修饰的APSCs PAH大鼠代谢模式的变化通过对第一主成分上的变量计算变量权重重要性排序值,从中筛选出VIP值>1的变量并进行指认,找出造成这些组间代谢模式差异的代谢物:与NC组〔(5.88±1.12)mmol/L、(3.84±0.58)mmol/L〕相比,PAH组〔(7.98±1.16)mmol/L、(5.14±1.54)mmol/L〕、ADSCs组〔(8.80±2.78)mmol/L、(4.97±1.30)mmol/L〕和ADSCs-V组〔(7.68±0.76)mmol/L、(6.02±0.74)mmol/L〕的血清葡萄糖〔(5.78±1.08)mmol/L〕和乳酸〔(3.59±0.53)mmol/L〕浓度显著增高(P<0.05),ADSCs-APN组血清葡萄糖和乳酸浓度变化不明显(P>0.05);与PAH组相比,ADSCs组和ADSCs-V组的血清葡萄糖和乳酸浓度无明显变化(P>0.05),ADSCs-APN组的血清葡萄糖和乳酸浓度显著降低(P<0.05);与ADSCs组相比,ADSCs-V组的血清葡萄糖和乳酸浓度无明显变化(P>0.05),ADSCs-APN组的血清葡萄糖和乳酸浓度明显降低(P<0.05);与ADSCs-V组相比,ADSCs-APN组的血清葡萄糖和乳酸浓度明显降低(P<0.05)。
与NC组〔(0.42±0.09)mmol/L〕相比,PAH组〔(0.31±0.07)mmol/L〕、ADSCs组〔(0.27±0.07)mmol/L〕和ADSCs-V组〔(0.32±0.05)mmol/L〕的血清丙氨酸浓度〔(0.43±0.08)mmol/L〕显著降低(P<0.05),ADSCs-APN组血清丙氨酸浓度变化不明显(P>0.05);与PAH组相比,ADSCs组和ADSCs-V组的血清丙氨酸浓度变化不明显(P>0.05),ADSCs-APN组的血清丙氨酸浓度明显升高(P<0.05);与ADSCs组相比,ADSCs-V组血清丙氨酸变化不明显(P>0.05),ADSCs-APN组的血清丙氨酸浓度明显升高(P<0.05);与ADSCs-V组相比,ADSCs-APN组的血清丙氨酸浓度明显升高(P<0.05)。
3 讨 论
自我增殖能力和细胞能量异常是肿瘤细胞非常重要的2个特征〔6〕。研究发现PAH〔7〕,从细胞增殖模式及代谢表型方面均与肿瘤发生发展过程有相似之处,例如血管壁细胞过度增殖和凋亡减少〔8〕以及细胞能量代谢的异常〔9〕。德国学者Warburg等〔10〕提出肿瘤细胞能量代谢特性,他指出肿瘤细胞能量代谢的方式极为特别,即使在氧充足的条件下,肿瘤细胞仍通过很不经济的能量供给方式(糖酵解)作为自身供能,这就是著名的“Warburg 效应”。PAH 的血管细胞摄取能量的方式与肿瘤细胞极为类似,也主要是通过糖酵解而不是氧化磷酸化来产生能量的〔9〕。有研究利用氟化去氧葡萄糖正电子摄影断层扫描技术发现,在 PAH 患者肺组织的葡萄糖摄取量增加,Warburg 效应增强〔11〕。这种产能效率相对较低的能量代谢模式却是细胞异常增殖所必需的,它不仅提供细胞快速增殖所必需的能量,还为它们提供了细胞合成所需的原料。因此这种与肿瘤细胞类似的增殖模式和代谢表型也被称之为 PAH的肿瘤性。
本研究前期阶段证实了MCT诱导的PAH大鼠存在Warburg效应,且在用药物改善了Warburg效应后肺小动脉重塑也随之改善,表明Warburg效应可能是肺小动脉重塑的重要因素之一〔3〕。这可能是由PAH时肺动脉细胞异常增殖造成的能量高消耗高需求,而Warburg效应能够提供这种能量需求决定的。因此,一旦通过某种外来干预因素改善或消除Warburg效应,异常增殖的肺动脉细胞将由此失去充足的能量供应而导致增殖减缓甚至停止,从而改善肺血管重构而达到抗肺动脉高压的作用。机体的疾病状态会使体内的代谢物发生变化,代谢组学试图通过研究比较体内生理与疾病状态下的代谢产物的变化,从而发现能够反映这些疾病代谢表征的变化。本研究采用基于NMR的代谢组学方法研究,发现NC组和PAH组的代谢轮廓明显不同,共涉及50多种异常的糖、脂及氨基酸代谢物,对代谢物经过PCA和PLS-DA分析后发现,PAH大鼠血清葡萄糖,乳酸含量明显升高,推测可能PAH时肺血管细胞的异常增殖状态造成对葡萄糖的需求增加,糖酵解产物乳酸堆积增多,从而再次证实PAH大鼠存在Warburg效应。
本文观察到PAH组与ADSCs和ADSCs-V组的代谢轮廓相似,在PLS-DA得分图第一主成分上三者基本重叠在一起而不能区分的开,提示ADSCs、ADSCs-V移植治疗不能明显改善PAH的异常代谢模式,且说明ADSCs、ADSCs-V可能是通过独立于代谢组学的其他途径,比如增加内皮细胞eNOS的表达,促进内皮细胞的修复,从而发挥保护血管的生物学效应;另一方面,ADSCs和ADSCs-V组代谢轮廓的相似性则表明了慢病毒作为一种载体,本身不会影响宿主的代谢,说明慢病毒是一种比较安全有效的基因治疗载体和研究外源基因导入的可靠、稳定、实用的科研工具〔12〕。
在本研究中,还发现ADSCs-APN组与PAH、ADSCs和ADSCs-V组的代谢轮廓能够很好地区分,而NC组的代谢轮廓则相互靠近,提示ADSCs-APN移植可能改善PAH异常的代谢谱使其朝着正常的代谢模式转变。近年发现代谢紊乱状态如代谢综合征、胰岛素抵抗等在PAH的发生发展中发挥重要作用,脂肪组织及其分泌的脂肪因子特别是APN、过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)γ等的相互作用能够通过影响PAH的糖脂代谢而参与其转归〔13〕。本研究发现ADSCs-APN组的血清APN水平显著升高。APN具有胰岛素促敏、调节糖脂代谢、促进代谢优化等重要作用,能够调节代谢综合征中恶性循环相互作用的各个环节,从而起到抗糖尿病、抗炎、抗氧化应激等心血管系统保护效应。在这些效应中,代谢调节是关键〔14〕。因此,血清中显著增高的APN水平能够调节PAH时异常的血清代谢谱使其得到明显的改善,这可能是ADSCs-APN移植治疗能够显著改善PAH大鼠异常血清代谢谱的重要机制。
目前,有诸多关于ADSCs对MCT诱导PAH大鼠代谢、功能的研究,并发现ADSCs因其具有多向分化潜能及分泌功能、并能分泌促血管形成物质,有效促进血管形成,改变肺部血流,有效降低MCT诱发的大鼠ADSCs血清IL-6、TNF-α等炎性介质的水平,并抑制血管的重构、减少右心肥大,而且还发现ADSCs降低肺动脉压可能与钙离子通道变化有关〔4,15〕;本研究中通过采用APN基因修饰的脂肪干细胞对MCT诱导APN大鼠进行干预,因APN具有胰岛素促敏、调节糖脂代谢、促进代谢优化等重要作用,因此,与以往研究侧重于损伤后的修复机制不同,其机制在于APN基因修饰的脂肪干细胞是从基因水平上调节MCT诱导的代谢综合征恶性循环的各个环节,使其代谢谱向正常模式转变,更能有效改善PAH大鼠代谢机制。
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〔2016-02-11修回〕
(编辑袁左鸣)
Effect of adipose stem cells and APN gene-modified adipose stem cells transplantation on the metabolic profiles in MCT induced PAH rats
LUO Li,ZHENG Wu-Hong,LI Ling,et al.
Cadre Ward,the First Hospital Affiliated to Fuzhou Medical University,Fuzhou 350005,Fujian,China
ObjectiveTo observe the effect of adipose stem cells (ADSCs) and APN gene-modified ADSCs transplantation on the metabolic profiles in MCT induced PAH rats.MethodsForty SD rats were randomly divided into normal control (NC group),pulmonary hypertension group (PAH group),ADSCs therapy group (ADSCs group),empty lentiviral vector infected ADSCs group (ADSCs-V group) and APN gene modified ADSCs (ADSCs-APN group).1.0×106cells/ml suspension,including with ADSCs,empty lentiviral vector infected ADSCs or APN gene modified ADSCs,were injected into ADSCs group,ADSCs-V group or ADSCs-APN group through left jugular vein,respectively.Three weeks after cells transplantation,the serum was collected and the differences of plasma metabolites were detected by NMR-based metabonomics technology.Chenomx NMR Suite 8.0 software was used,the data of metabolites were analyzed by principal components analysis (PCA) and partial least squares-discriminate analysis (PLS-DA).The quality of PLS-DA model was evaluated by arrangement detection test (Permutation test) method.ResultsThe levels of serum glucose and serum lactate were significantly elevated,and the levels of serum alanine were significantly reduced in PAH rats.Transplantation of APN gene-modified ADSCs could significantly decrease the levels of serum glucose and serum lactate and increase the levels of serum alanine.ADSCs transplantation therapy alone did not significantly alter the metabolic profiles in PAH rats.ConclusionsThe transplantation of APN gene-modified ADSCs could improve Warburg effect and alanine metabolism in PAH rats,which is an important mechanism to further reduce pulmonary artery pressure and improve vascular remodeling.ADSCs transplantation obviously has no effect on metabolism profiles in PAH rats.
Monocrotaline;Pulmonary hypertension;Adiponectin;ADSCs
国家自然科学基金项目(81270111/H0109);国家自然科学基金青年科学基金项目(81400189);福建省卫生系统中青年骨干人才培养项目资助计划(No.2013-ZQN-JC-21)
谢良地(1962-),男,教授,博士,主要从事心血管疾病研究。
罗莉(1975-),女,硕士,副主任医师,主要从事内分泌代谢方面的研究。
R543.2
A
1005-9202(2016)17-4137-05;doi:10.3969/j.issn.1005-9202.2016.17.001
1福建医科大学2福建医科大学附属第一医院高血压研究所