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耐力训练减轻高脂饮食相关非酒精脂肪肝大鼠肝脏炎症的内质网机制研究

2019-12-12江红轲邵长专池爱平

山东体育学院学报 2019年5期
关键词:炎症

江红轲 邵长专 池爱平

摘 要:目的:内质网稳态紊乱是炎症发生的关键机制;运动抗炎作用已取得广泛共识,然而运动改善非酒精性脂肪肝(NAFLD)炎症反应的内质网机制尚不清楚。通过高脂饮食(HFD)建立肥胖相关的NALFD模型,以跑台耐力训练为干预手段,监测HFD引起的肝脏炎症事件,并探讨运动抗炎的内质网机制。方法:Sprague-Dawley雄性大鼠80只,随机分成正常饮食组(CON)、正常饮食运动组(CON + AET)、高脂饮食组(HFD)和高脂饮食运动组(HFD + AET)。8周训练结束后采用O油红染色法观察肝脏形态学改变;ELISA法测定肝脏炎症标志物蛋白浓度;Western blot测定内质网稳态标志蛋白及相关炎症调控信号通路。结果:8周高脂饮食后,与对照组相比,模型动物肝细胞脂滴数量显著性增加;炎症趋化因子(IL-6,IL-18,IL-1β和TNF-ɑ)浓度均显著性升高;炎症转录调节因子NF-κB和AP1表达上调,炎症通路ATF6,IRE1α-XBP1/IKK,PERK和IRE1α-eIF2α/JNK被激活;内质网稳态蛋白GRP78和CHOP表达明显增加。相对地,运动干预可明显减少肝脏组织脂滴数量,降低IL-18、IL-1β和TNF-ɑ浓度,失活炎症通路蛋白及炎症转录因子水平,下调GRP78、CHOP蛋白表达。结论:高脂饮食可引起大鼠肝脏内质网稳态紊乱,激活炎症相关信号通路,触发炎症反应;运动干预可有效改善HFD后炎症事件;其中维持内质网稳态及失活相关炎症调节信号级联是其内在关键机制。

关键词:高脂饮食;炎症;内质网稳态/应激;耐力训练

非酒精性脂肪肝病(NAFLD)已跃居慢性肝病首位,且发病“时间窗”呈现前移/年轻化趋势,严重威胁着肥胖相关群体的健康[1]。NAFLD通常被认为是代谢综合征的肝脏组成部分,是由营养素过度摄入引起的“代谢性炎症”[2]。炎症相关因子在肥胖相关胰岛素抵抗的发展中起着核心作用,并与NASH进展直接相关[3]。因此,减轻炎症反应是NAFLD治疗的一个新方向。

缺血、钙离子紊乱、氧化应激、肥胖等因素引起的内质网稳态紊乱是(轻度持续性慢性)炎症发生的重要病理机制[4]。研究显示化學分子伴侣,如4-苯基丁酸钠盐、牛磺熊去氧胆酸通过抑制内质网应激,改善高脂饮食小鼠肝脏脂代谢紊乱及炎症水平[5]。因此,维持内质网稳态是实现NAFLD“细胞器”治疗的重要思路。

作为一种广谱“抗炎剂”,运动以多靶点、多途径、疗效确切、无副作用等特点日益受到关注和推崇。研究证实运动可以有效改善脂肪酸转运和利用[7],抑制线粒体相关的炎症信号通路[6]等。运动对NAFLD内质网影响的研究主要集中在抑制肝脏细胞凋亡[8],改善自噬[9]方面,而其对内质网介导的炎症事件的改善作用/机制则鲜有报道。

为研究运动对NAFLD的肝脏组织炎症病理进程的影响,本研究基于高脂饮食诱导建立肥胖相关的NAFLD大鼠模型,分别给予实验对象以高脂和标准饮食,同时进行跑台耐力训练干预。检测不同分组动物肝脏组织病理变化,炎症标志分子,内质网相关炎症信号通路的改变,初步探索运动抗炎的内质网机制。为NAFLD在亚细胞水平的治疗提供新思路,为其临床运动防治提供应用理论和实践依据。

1 材料和方法

1.1 实验试剂

抗核转录因子激活蛋白-1(AP1),核转录因子kappa B(NF-κB),X盒结合蛋白(XBP)1,c-Jun氨基末端激酶(JNK);磷酸化JNK;核因子κ-B激酶抑制剂(IKK)及磷酸化IKK购自于Santa Cruz Biotechnology(Santa Cruz,CA,USA);抗真核起始因子(eIF)2α,磷酸化p-IF2α,葡萄糖调节蛋白(GRP)78,C/EBP环磷酸腺苷反应元件结合转录因子同源蛋白(CHOP);甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH),羊抗兔和羊抗小鼠IgG(辣根过氧化物酶标记)二抗由Cell Signaling Technology(Danvers,MA,USA)提供。ELISA试剂盒(卡尔文生物,苏州);PVDF膜,ECL发光液体(Millipore,MA,USA);BCA蛋白定量试剂盒,显影及定影液(Beyotime,北京)。其余常用实验药品或试剂均由当地零售供应商。

1.2 实验动物及NAFLD模型建立

Sprague-Dawley(SD)雄性大鼠80只购自于复旦大学实验动物中心,许可证号:SYXK沪2014-0029。8周龄,体重185 ~ 210 g;饲养环境:温度:22℃~26℃;湿度:60%,分笼饲养(笼/8只);昼夜光变化周期:12 h光照,12 h黑暗;适应喂养期动物自由饮食。之后随机调整动物饲养方案,动物数量比为1 ∶ 1。具体饲养组分方案[10]参照见表1。

1.3 动物分组及运动干预

正常饮食方案大鼠分为对照组(CON)和正常饮食运动干预组(CON + AET);高脂饮食方案动物分为高脂模型组(HFD)和高脂饮食运动干预组(HFD + AET)。每组20只。CON + AET和HFD + AET组进行8周跑台训练。耐力训练方案参照我们之前的研究方法[11]。简要如下:大鼠先进行为期1周的适应性训练(15 m/min;6 d/w)进行动物运动能力评估,剔除不善运动的动物,之后进行正式实验。运动方案为:每周训练为6 d,跑台训练时间为1 h,速度为20~25 m/min;训练时间在每天08:00~10:00,坡度为5°。终末做力竭运动进行大鼠运动能力测试。

1.4 动物处死及取材

8周干预结束后,实验动物禁食过夜,次日上午8:00麻醉(2%戊巴比妥钠腹腔注射麻醉)颈椎脱臼法处死,采集肝脏组织并置于液氮冻藏待测。模型构建评价由专科医生通过组织病理学切片进行盲法判定。

1.5 动物肝脏形态学观察

随机选取不同饮食分组动物5只,处死后取出肝脏液氮冻存,-15℃恒温条件下制作冰冻切片(厚度:10 μm)。油红O脂类染色法进行肝组织脂滴分布检测。简要如下:切片干燥后用50%乙醇清洗,油红O染液(0.5 g油红O;50%乙醇100 ml)作用8~10 min;50%乙醇分化后,进行苏木素细胞核复染,经自来水返蓝后封片。200×光镜下随机选取6个视野,Image-Pro Plus 5.0图像处理和分析软件进行图像的半定量分析,计算出视野内平均脂滴光密度值(单位:AIOD.μm2),并用进行统计学分析。

1.6 炎症标志物蛋白浓度测定

肝脏组织的炎症标志物蛋白采用酶联免疫吸附(ELISA)试剂盒法检测。操作步骤简要如下:1)匀浆样本制备:随机剪取适量肝脏放入EP管并置于冰上,加入生理盐水后进行超声粉碎,离心10 min(3 000 rpm)并提取上清液;2)加样:在预先做好标记的样品孔中依次加入10 ul待测样品,40 ul稀释液和100 ul HRP抗体,密封后于37 °C恒温水浴温育1 h;3)倾弃板孔液,加入工作液并排干(重复3 ~ 5次);4)依次加入两种底物溶液,避光温育(37℃,15 min);5)加入终止液,用荧光酶标仪在450 nm波长处测定OD值并计算。

1.7 蛋白水平测定

样品组织用Western和IP裂解缓冲液进行裂解。组织匀浆在4℃下离心15 min,收集上清液,BCA蛋白检测试剂盒(Pierce,No. 23225)测定蛋白浓度。等量蛋白样品(20 μg)加入10%的SDS-PAGE凝胶上进行垂直电泳进行蛋白分离,之后转移至PVDF膜并置于含5%脱脂牛奶的TBST缓冲液进行封闭。抗AP1,P-JNK,JNK,XBP1(1 ∶ 2 000);NF-κB,XBP1,p-IF2α,P-IKK,IKK(1 ∶ 1 000);IF2α,GRP78,CHOP和GAPDH(1 ∶ 5 000)与对应目标蛋白4 °C孵育过夜后,再与对应的二抗室温下孵育(羊抗兔和羊抗小鼠IgG)1 h;PVDF膜经TBST洗脱(15 min×3)后,用ECL发光法进行蛋白水平测定。Quantity one(BIO-RED,USA)图像处理软件(建立高斯模型)测定图像灰度值测定。

1.8 統计分析

所有数据均以平均值 ± SEM表示。统计分析采用单因素方差分析(Students t-test or ANOVA)。在所有比较中显著性水平均设为P<0.05。数据统计分析软件为IBM SPSS for Windows 21.0,Graph Pad Software Prism 6.01用于实验结果作图。

2 结果

2.1 不同饮食方案及运动干预后大鼠肝组织形态学变化

8周不同饮食及运动干预后,油红O染色法进行肝组织脂滴分布检测。

图1显示,8周饮食及运动干预后安静组大鼠肝细胞仅有少量脂滴,NAFLD动物肝细胞脂滴显著性增加,且与对照组相比显著性增加(P<0.01);相对地,运动干预后,与CON大鼠相比,模型组动物肝脏组织脂滴数量明显减少(P<0.05),尽管与安静组相比仍处于较高水平。

肝脏对运动能力具有重要影响,且涉及多个方面,如能量合成、供给、乳酸清除等[12]。为了检测NAFLD及运动对大鼠肝脏的影响,首先对大鼠的运动能力进行了测定。如图2A所示,HFD大鼠运动能力较对照组相比呈现下降趋势,尽管并不具有统计学意义。高脂饮食大鼠经运动干预后,运动时间较HFD增加近17%(p<0.05)。炎症因子结果(图2B)表明,与同期对照组相比,HFD造成肝组织细胞炎症趋化因子(IL-6,IL-18,IL-1β和TNF-ɑ)浓度均明显升高(P<0.05);耐力训练后,除IL-6无明显变化外,IL-18,IL-1β和TNF-ɑ浓度较对照组均显著性降低(P<0.05)。

2.3 不同分组动物肝脏炎症相关调节蛋白及其上游信号通路的变化

NF-κB是炎症/趋化因子的重要调节蛋白,可高效诱导多种细胞因子,如IL-1、IL-6、IL-8、TNF-α等的基因表达;同时,NF-κB的激活也和氧化应激、炎症反应关系密切[13]。运动改善NAFLD大鼠炎症因子水平,可能与其失活NF-κB蛋白有关。如图3所示,与正常对照动物相比,HFD可显著增加NF-κB及AP1蛋白水平。新近研究证实XBP1,IKK,eIF2α三条信号通路参与了对NF-κB的调控作用[14]。然而,运动如何影响上述信号级联发挥其抗炎作用尚不清楚。图4蛋白印迹结果表明,HFD后参与NF-κB调控的信号通路eIF2α,IKK磷酸化水平升高,XBP1蛋白表达增加;经AET干预后上述病理性改变均得到有效改善(eIF2α,IKK磷酸化降低)。此外,AP1的调控蛋白JNK呈现相似的变化趋势。

3 分析与讨论

本研究结果表明,HFD触发大鼠肝脏炎症事件,内质网稳态失衡及相关下游炎症信号通路被激活;8周运动干预有效改善内质网稳态紊乱,减轻炎症反应。

3.1 HFD引起炎症反应的内质网机制

炎症既是人体多种疾病的“共同土壤”,与胰岛素抵抗(IR)、氧化应激及内质网应激关系密切。“初次打击”脂代谢异常可造成肝脏脂肪积聚/变性,增加肝组织对炎症的易感性[14]。本研究结果(图1)表明,HFD引起模型动物肝组织细胞脂滴数量显著性增加。李军汉研究显示,8周高脂饮食方案引起模型动物肝组织结构紊乱,肝细胞脂肪变性显著增加并产生大面积脂肪空泡,脂滴量明显增加[15]。Xuan等研究提示8周高脂饮食造成大鼠肝脏组织脂质大面积积聚[16]。提示,8周高脂饮食可成功复制NAFLD大鼠模型。然而,就目前研究来看,高脂饮食构建NAFLD动物病理模型尚存在较大差异。阮凌等指出16周高脂饲养后模型组动物肝脏形态结构异常,如肝小叶消失,脂肪空泡及炎症细胞浸润等[17]。赵军[18]和FAKHOURY[19]等报道高脂饮食喂养大鼠16周后形成NAFLD模型。因此,NAFLD的模型构建应综合考量(干预)饮食组分、时程及病理性评价指标方能确立统一标准。

尽管NALFD触发炎症的初期病理学机制目前尚不清楚,但胰岛素抵抗(IR),氧化应激及内质网稳态失衡被认为是关键因素。在IR阶段炎症可激活IKKβ、蛋白激酶B等,诱导胰岛素及其信号通路失活引起IR;后者反过来通过脂毒性加剧炎症反应[20]。“二次打击”中大量游离脂肪酸(FFA)进入线粒体后,脂肪酸(FA)合成甘油三酯引起的FA转运蛋白活化Toll样受体(TLR)4异常升高。Darkiane研究指出,TLR4在脂肪变性过程中发挥关键作用,降低其水平可有效提高肝脏脂肪酸氧化水平,防止甘油三酯积累[21]。此外,过量FA在线粒体β氧化时发生氧化应激事件,后者激活炎症通路丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)及IKKβ通路,促进NF-κB及AP1的活化及核转位;同时还通过正反馈机制提高NF-κB与DNA结合能力,增强NF-κB等的转录及合成[22]。G Panahi等研究显示,在高糖引起的炎症反应中,高糖可触发氧化应激损伤,活化氧化应激通路(JNK,P38,ERK)提高IKKα/IKKβ及NF-κB水平[23]。本研究(图2B)结果证实,8周高脂饮食可诱导大鼠肝脏组织炎症趋化因子(IL-6,IL-18、IL-1β和TNF-ɑ)浓度显著性升高。图3显示模型组动物AP1,NF-κB蛋白水平明显增加,IKK磷酸化提高。多种因素可引起内质网稳态失衡,如:钙离子转运紊乱,氧化应激等。由于线粒体—内质网结构偶联(MAMs)(线粒体和内质网发生交互作用的功能“协作”平台)及氧化应激与内质网应激之间的正反馈机制,线粒体功能紊乱会造成内质网稳态失衡[24],进而引起蛋白质毒性的风险及多种不利事件[25-26]。本研究(图6)结果证实8周高脂饮食可诱导大鼠肝脏组织内质网标志蛋白GRP78和CHOP表达增加,其下游通路蛋白ATF6,IREα及PERK磷酸化水平增加,这与之前的研究结论一致[27]。需要指出的是,与李军汉等研究结论不同,本研究结果(图5)显示,PERK/eIF-2a和IRE-1/XBP-1通路蛋白总量并无明显差异,但磷酸化水平升高。从功能学讲,蛋白磷酸化水平是其功能的客观反映。本研究及主流观点[28-29]认为,NAFLD后炎症通路蛋白的磷酸化水平提高,而总量蛋白无显著变化。

3.2 运动训练维持NAFLD內质网稳态抑制炎症事件的相关机制

NAFLD被认为是代谢的肝脏表现综合征,且与肥胖及运动缺乏关系密切。生活方式干预,如:饮食改良诱导减肥和运动可有效改善NAFLD代谢功能紊乱及其特定的组织学特征[12]。本研究结果(图1)也显示运动干预后实验动物肝脏组织脂滴量较模型组动物显著性降低;训练后炎症指标(图2B)得到显著性改善(IL-18、IL-1β和TNF-ɑ浓度显著性降低)。

运动改善NAFLD后炎症的研究国内外均有报道[7,30],主要集中在失活炎症信号通路及抑制关键炎症因子方面。Gabrielle da Luz指出游泳训练减少NAFLD大鼠脂肪细胞及肝脏组织炎症分子,减少内质网应激,如降低PERK和eIF2a磷酸化水平等[31]。Passos E研究表明,运动能够降低高脂饮食大鼠ERK和JNK磷酸化水平[32]。高珊珊的研究表明,运动影响脂联素及其受体后AMPKα、PPARα信号传导[33]。本研究结果(图5)证实运动可有效抑制炎症信号通路PERK-eIF2α,IRE1α及ATF6α的激活。Isabel Rada等研究显示,运动能够下调实验动物肝脏TLR2和TLR4蛋白水平,抑制NF-κB通路及细胞因子水平[34]。Linden,M A等研究表明不同运动强度均能降低NAFLD动物M1巨噬细胞极化标志蛋白(IL-1β)[35]。Kawanishi N等证实,16周运动干预后,肝脏炎症指标TNF-α及巨噬细胞浸润减少[36]。需要指出的是,运动对NAFLD影响存在运动方式的差异性。Ryuki Hashida指出阻抗训练比有氧训练更易改善NAFLD病人的心血管健康水平[37]。另外,运动改善其他细胞器如线粒体功能发挥抗炎效应也有报道。我们之前的研究证实,运动能够激活多种信号通路改善线粒体功能[38]。刘倩倩指出,有氧运动通过提高肝脏细胞内线粒体的数量、维持形态结构、功能,改善模型动物肝脏脂代谢紊乱[6]。此外,运动改善内质网相关通路[30,39,8]可能部分发挥了抗炎作用。

运动抑制NAFLD炎症机制可能涉及到以下三个方面:1)阻断“首次打击”期间IR与炎症的正反馈效应。我们证实[40]运动可有效提高胰岛素受体磷酸化水平,活化葡萄糖转运蛋白及生存通路,提高胰岛素敏感性,从而降低肝脏对炎症的易感性。2)减轻“二次打击”时的线粒体功能紊乱。运动通过提高线粒体增殖,改善FFA水平,降低氧化应激损伤,抑制炎症因子的ERS激活效应[41]。3)维持内质网稳态。运动可能通过改善线粒体与内质网的交互作用维持内质网稳态,尽管运动对MAMs的影响机制尚不清楚[42]。此外,新近研究指出GLP-1受体激动剂改善脂肪肝内质网应激[43],运动改善内质网紊乱是否也发挥了类似受体激动剂的效应需要进一步研究。

综上,NAFLD触发肝组织炎症反应。其中,内质网稳态紊乱及相关炎症通路/因子的激活是该事件的关键机制。耐力训练通过影响内质网稳态调控机制实现对炎症事件的“细胞器”治疗。

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