DOI:10.20047/j.issn1673-7210.25080848
中图分类号:R259
刘珊珊, 刘永听, 刘正奇, 吴雪
| 【作者机构】 | 贵州中医药大学第二附属医院 |
| 【分 类 号】 | R259 |
| 【基 金】 | 贵州省科技计划基金项目[黔科合基础-ZK[2022]一般494]。 |
痛风性关节炎(gouty arthritis,GA)是由血清尿酸水平升高导致尿酸单钠(monosodium urate,MSU)晶体在关节及周围结构中沉积引发的炎症性关节病。目前痛风的发病机制尚不十分明确,现有治疗药物不良反应明显且患者依从性差,因此揭示痛风发病机制并有效防治其发作是临床重要任务之一。
痛风发作与MSU晶体刺激NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(Nod-like receptor 3,NLRP3)炎症小体激活密切相关[1]。MSU晶体导致嘌呤核苷酸分解代谢紊乱及半胱天冬酶-1(Caspase-1)依赖的巨噬细胞焦亡,阻止细胞焦亡已经成为一种治疗急性GA的有效策略[2]。P2Y14R是P2-嘌呤受体的一员,新型P2Y14R的拮抗剂显示出抗炎活性且保护巨噬细胞免受MSU诱导的炎症刺激作用的影响,cAMP-NLRP3炎症体通路是参与P2Y14R介导的炎症中最重要的信号传导机制之一[3]。
香豆素是植物中发现的一大类酚类物质,毒性低,价格低廉且分布广泛,研究发现香豆素及其衍生物具有抗炎镇痛、抗肿瘤、抗骨质疏松、抗菌等作用,目前关于痛风的多项研究已发现香豆素及其衍生物可显著抑制巨噬细胞炎症反应;促进尿酸排泄,阻止痛风急性发作,但具体机制仍有待研究[4-5]。本研究通过分子对接发现香豆素可与P2Y14R和NLRP3高亲和力的结合,且与已知P2Y14R抑制剂PPTN的结合力类似,因此,推测香豆素可能通过P2Y14R/cAMP/NLRP3通路来调节细胞焦亡,进而减轻痛风炎症反应,这项研究可能为香豆素治疗GA提供新的依据。
使用PubChem数据库(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)获取香豆素的3D结构式;Modeller软件搭建P2Y14R的三维空间结构,选取同源蛋白P2Y12R的晶体结构(ID:4PXZ)作为模板,拉曼图评估同源模建结构的合理性。使用Autodock 4.2将分子结构分别对接至P2Y14R的活性口袋中,采用Lamarckian Genetic Algorithm方法进行分子对接,当分子对接构象的结合能<-5 kcal/mol时,提示受体与配体之间结合力良好,结合能越低,对接效果越好。采用LigPlot软件对对接结果进行图形化呈现,标注配体小分子与受体蛋白相互作用的结合位点及其关键氨基酸残基。
THP-1细胞系购自中国武汉普诺赛生物有限公司(货号:CL-0233),将细胞培养在89%RPMI-1640培养基+10%胎牛血清+1%青霉素-链霉素双抗+0.1%β-巯基乙醇组成的完全培养基中,置于37 ℃,5%的CO2 培养箱中培养。
倒置显微镜[型号:IX71,奥林巴斯(中国)有限公司];多功能酶标仪(型号:VarioskanTM LUX,Thermo Scientific);荧光显微镜(型号:DW4B+DF7000T,德国徕卡公司);Western blot法分析系统(型号:ChemIDoc Tauch,美国BIO-RAD公司)。
香豆素(货号:HY-N0709,美国MCE公司);佛波醇12-十四酸酯13-乙酸酯(Phorbol 12-myristate 13-acetate,PMA)(货号:CM00437,美国Proteintech公司);尿酸钠盐(货号:HY-B2130A,美国MCE公司);PPTN(货号:HY-110322,美国MCE公司);胎牛血清(货号:C04001-500,上海逍鹏生物技术有限公司);β-巯基乙醇(货号:GUSA-R001,HyCyte公司);cAMP-GloTM测定试剂盒(货号:0000566703,美国Promega公司);人白细胞介素(interleukin,IL)-1β 酶联免疫吸附试验(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)试剂盒(货号:EHC002b.96,欣博盛生物科技有限公司);人IL-18 ELISA试剂盒(货号:EHC127.96,欣博盛生物科技有限公司);anti-NLRP3(货号:WL02635,沈阳万类生物科技有限公司);anti-NLRP3(货号:ab263899,英国Abcam公司);anti-Caspase-1(货号:ab207802,英国Abcam公司);anti-GSDMD(货号:ab210070,英国Abcam公司);anti-ASC(货号:ab151700,英国Abcam公司);二抗(货号:PMK-014-090M,武汉普美克生物技术有限公司)。
1.4.1 MSU混悬液的制备 称量合适重量的MSU,加入无菌PBS配置成50 mg/ml的MSU混悬液,超声下加热震荡混匀备用,现用现配。
1.4.2 分组及造模 实验分为6组,实验对象为THP-1源巨噬细胞;香豆素高、中、低浓度由CCK8实验结果确定。具体分组为空白组(完全培养基);模型组(完全培养基+250 μg/ml MSU);PPTN组(PPTN 10 μmol/L+完全培养基+250 μg/ml MSU);香豆素低浓度组(香豆素10 μmol/L+完全培养基+250 μg/ml MSU);香豆素中浓度组(香豆素50 μmol/L+完全培养基+250 μg/ml MSU);香豆素高浓度组(香豆素100 μmol/L+完全培养基+250 μg/ml MSU)。
体外痛风炎症模型是用PMA 100 ng/ml诱导THP-1细胞48 h,使其成为THP-1源巨噬细胞。然后用香豆素或PPTN预处理细胞1 h,模型组加入相同体积培养基;接着除空白组加入相同体积培养基外,其余各组均加入250 μg/ml MSU混悬液共刺激23 h进行造模[6]。
1.5.1 细胞活力测定 将THP-1细胞以3×105 个/ml的细胞密度接种在96孔板中,加入100 ng/ml PMA诱导其贴壁成为THP-1源巨噬细胞。无菌PBS洗孔2次,加入各浓度香豆素的完全培养基作为实验孔;空白孔无细胞,对照孔为THP-1源巨噬细胞,置于细胞培养箱中培养24 h。
THP-1细胞经100 ng/ml PMA诱导48 h,用不同浓度化合物预处理THP-1源巨噬细胞1 h,然后加入250 μg/ml MSU混悬液共刺激23 h(加药前充分混匀,保证各孔浓度均一)。
药物作用结束后,加入含10%CCK8试剂的完全培养基(10 μl CCK8试剂+90 μl培养基)避光孵育2~4 h,酶标仪检测A450nm 值。计算细胞存活率:细胞存活率(%)=[(实验孔吸光度-空白孔吸光度)/(对照孔吸光度-空白孔吸光度)]×100。重复实验3次。
1.5.2 ELISA检测细胞上清液中IL-1β、IL-18含量按照上述造模和分组方法给药后收集培养上清,使用ELISA试剂盒进行检测,反应终止后3 min内,在酶标仪上测量A450nm 值。重复实验3次。
1.5.3 免疫荧光法检测NLRP3蛋白表达和活性 将细胞以106/ml/孔种在放置了细胞爬片的6孔板中,100 ng/ml PMA诱导48 h,PPTN及香豆素预处理1 h后加入250 μg/ml MSU混悬液共同作用23 h。无菌PBS洗孔3次,5 min/次;4%多聚甲醛室温固定30 min,加入含0.2%Tritol X-100的PBS冰上静置30 min,5%BSA室温封闭1 h。一抗anti-NLRP3(1∶100稀释)孵育过夜。荧光二抗(1∶100稀释)避光孵育60 min;DAPI避光孵育5 min进行核复染,在荧光显微镜下观察NLRP3表达情况并进行图像采集,用Image J测定NLRP3平均荧光强度。重复实验3次。
1.5.4 Western blot法检测相关蛋白 细胞给药完成后加入含1%蛋白酶抑制剂和磷酸酶抑制剂的RIPA裂解液,冰上裂解离心取细胞上清;电泳、转膜和封闭后,依次孵育anti-NLRP3(1∶1 000);anti-Caspase-1(1∶1 000);anti-GSDMD(1∶1 000);anti-ASC(1∶1 000)过夜,使用β-actin(1∶5 000)作为内参蛋白。室温摇床孵育二抗(1∶20 000)1 h,TBST洗涤后ECL化学发光显影,曝光蛋白条带,使用Image J软件分析条带灰度值。重复实验3次。
1.5.5 细胞焦亡实验 使用FLICA 660 Caspase-1 Assay(Immunochemistry,货号:9122-Immunochemistry)进行检测。加入含295 μl完全培养基+5 μl 30×FLICA 660的工作液重悬细胞,在37 ℃恒温箱中避光孵育60 min。然后用1×清洗缓冲液进行清洗,3 000 r/min离心5 min。弃细胞上清液,将细胞重悬于清洗缓冲液中。最后向细胞悬浮液中加入PI试剂,5 min后使用流式细胞仪进行分析。圈出PI/Caspse-1双阳性的细胞,并计算比例。重复实验3次。
采用SPSS 26.0及GraphPad Prism 8.0软件进行数据统计及图像处理。计量资料采用均数±标准差(
)表示,多组间比较采用单因素方差分析,进一步两两比较采用LSD-t检验。以P<0.05为差异有统计学意义。
采用Ramachandran plot对同源模建的P2Y14R三维空间结构的合理性进行验证。结果显示P2Y14R模型结构中优先区域和允许区域的氨基酸残基数分别为93%和7%,异常区域和不允许区域的氨基酸残基数仅为0%,提示P2Y14R模型拥有合理的三维结构。见图1。
图1 P2Y14R模型合理性的拉曼图
A、B、L:最佳区域;a、b、l、p:额外允许区域;~a、~b、~l、~p:宽松允许区域。
P2Y14R与PPTN、香豆素之间的相互作用模式如图2所示,从图中可以看出,PPTN和香豆素均可很好地与P2Y14R的活性部位结合。PPTN与P2Y14R的His184、Asn188、Asn90形成氢键相互作用,与P2Y14R的Thr21、Ile25、Asp81、Val93、Cys94、Ala98、Tyr102、Cys172、Arg274、Tyr275、Lys277、Glu278形成疏水作用。香豆素与P2Y14R的Asn188形成氢键相互作用,与P2Y14R的Val99、Tyr102、Asn156、His184、Ser187、Phe191、Arg253形成疏水作用。PPTN与香豆素均与P2Y14R的Asn88形成氢键,与P2Y14R的Tyr102形成疏水作用。分子对接计算出香豆素的结合能为-5.43 kcal/mol,PPTN的结合能为-5.34 kcal/mol。
图2 分子对接可视化结果
A:PPTN与P2Y14R相互作用模式;B:香豆素与P2Y14R相互作用模式。
测得细胞活力如图3A所示,香豆素在10~500 μmol/L浓度下对细胞活力无影响(细胞存活率≥80%);如图3B所示,不同浓度香豆素对250 μg/ml MSU刺激的THP-1源巨噬细胞的活性影响,一定浓度下的香豆素能增加细胞活力,在浓度为100 μmol/L时细胞活力最佳,而50μmol/L时细胞活力显著上调,10μmol/L时细胞活力与250 μmol/L MSU刺激的细胞相当。因此,选择10、50和100 μmol/L作为香豆素低、中、高浓度组浓度。
图3 香豆素对MSU刺激的THP-1源巨噬细胞活力的影响(n=3)
与空白组比较,模型组IL-1β、IL-18含量升高(P<0.01);与模型组比较,香豆素低、中、高浓度组IL-1β和IL-18含量降低(P<0.01);香豆素高浓度组IL-1β、IL-18含量低于香豆素低浓度组(P<0.05)。见图4。
图4 各组细胞上清液中IL-1β、IL-18含量比较(n=3)
与空白组比较,aP<0.01;与模型组比较,bP<0.01;与香豆素低浓度组比较,cP<0.05。IL:白细胞介素。
正常培养的巨噬细胞NLRP3主要表达在胞浆,镜下呈红色荧光。与空白组比较,模型组NLRP3蛋白表达的红色荧光明显增强。与模型组比较,香豆素各浓度组细胞NLRP3红色荧光减弱。见图5A。与空白组比较,模型组细胞NLRP3平均荧光强度增强(P<0.01)。与模型组比较,香豆素各浓度组NLRP3平均荧光强度减少(P<0.01)。香豆素高浓度组NLRP3平均荧光强度低于香豆素低浓度组(P<0.01)。见图5B。
图5 各组NLRP3蛋白免疫荧光检测结果
A:化合物对THP-1源巨噬细胞中NLRP3表达影响的免疫荧光图(×100);B:各组NLRP3平均荧光强度(n=3)。与空白组比较,aP<0.01;与模型组比较,bP<0.01;与香豆素低浓度组比较,cP<0.01。NLRP3:NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3。
与空白组比较,模型组NLRP3、GasderminD、Cas pase-1、ASC蛋白表达水平升高(P<0.05)。与模型组比较,香豆素低、中、高浓度组NLRP3、GasderminD、Caspase-1、ASC蛋白表达有不同程度下调(P<0.05)。见图6。
图6 NLRP3、GasderminD、Caspase-1、ASC蛋白表达情况(n=3)
与空白组比较,aP<0.05;与模型组比较,bP<0.05。
软件CytExpert分析并导出流式检测结果见图7,各组Caspase-1/PI双阳性细胞比例见图8。与空白组比较,模型组Caspase-1/PI双阳性比例增加(P<0.01);与模型组比较,香豆素高、中、低浓度组双阳性细胞比例减少(P<0.05)。
图7 流式检测Caspase-1/PI双染细胞比例图
图8 不同组别细胞焦亡结果(n=3)
与空白组比较,aP<0.01;与模型组比较,bP<0.05。
GA是一种由MSU沉积导致的自身炎症性疾病,疼痛急性发作时会诱导巨噬细胞发生焦亡,细胞膜破裂释放细胞内物质及促炎性细胞因子引发一系列炎症级联反应,最终产生IL-1β、IL-18等炎症因子,导致关节红肿热痛,严重影响患者的生活[7]。
MSU晶体是一种损伤相关分子,刺激巨噬细胞促进炎症并激活免疫细胞,从而导致促炎介质和趋化因子的释放,驱动经典先天性炎症细胞的快速募集,从而导致痛风,故选择MSU晶体诱导构建体外痛风炎症模型。本研究的造模方案是通过查阅国内外痛风体外实验相关文献,以及根据预实验验证后确定的[1,8-12]。研究发现,MSU晶体刺激THP-1源巨噬细胞会导致NLRP3炎症小体形成,活化Caspase-1,促进IL-Iβ 和IL-18的成熟与释放,这与本研究结果相符[12]。使用MSU造模后,细胞上清液中IL-1β、IL-18表达明显增多,提示实验成功模拟体外痛风炎症模型。同时,模型组NLRP 3、Caspase-1、GSDMD、ASC蛋白及Caspase-1/PI双阳性比例均显著增高,也提示此体外痛风炎症模型模拟了痛风发作过程的炎症反应。
细胞焦亡是一种具有细胞膜破裂特征的炎症性程序性死亡形式,其发生机制主要涉及炎症小体的激活及下游效应蛋白gasdermin家族介导的细胞穿孔过程。Cookson和Brennan[13]发现沙门氏菌感染的巨噬细胞的细胞膜完整性被细胞肿胀破坏,因其与细胞凋亡方式不同,故命名为“细胞焦亡”,表现为细胞膜孔形成、细胞膜破裂、细胞肿胀和细胞内容物释放,细胞死亡过程中释放的因子,可放大炎症效应并激活免疫应答[14-15]。细胞焦亡启动中会激活炎症小体,炎症小体是响应病原体相关分子模式或非病原体相关损伤相关分子模式而组装的多蛋白质复合物,由细胞内模式识别受体、含有半胱天冬酶募集结构域的ASC和Caspase-1组成[16]。最常见的PRR包括核苷酸结合寡聚化结构域样受体,包括NLRP1、NLRP3和NLRC4。NLRP3炎症小体和IL-1β 通路的激活是痛风的经典炎症通路。在痛风发生过程中,MSU晶体被位于NLRP3分子C端的富含亮氨酸区域识别,通过其效应结构域PYD募集下游ASC与Caspase-1组装成NLRP3炎性体;Caspase-1被直接募集或通过ASC间接募集以组装Caspase-1依赖性炎性体,自切割激活Caspase-1。活性半胱天冬酶-1不仅驱动Caspase-1切割pro-IL-1β 和pro-IL-18,诱导促炎细胞因子分泌,还切割(GasderminD)以释放GasderminD-NT用于孔形成,最终导致炎症反应和焦亡[17]。
香豆素具有明确的抗炎活性,在炎症性疾病的治疗上具有很大的开发潜力。分子对接结果表明与已知P2Y14R拮抗剂PPTN比较,香豆素有类似的与P2Y14R结合的能力。体外实验结果表明,在特定浓度下,香豆素与PPTN具有类似的P2Y14R拮抗效应,能有效抑制MSU诱导产生的焦亡反应。ELISA及免疫荧光实验发现MSU可诱导THP-1源巨噬细胞激活NLRP3,产生炎症因子,且香豆素干预后可明显减轻炎症因子水平。为进一步阐明香豆素是否参与通过调控NLRP3炎症小体,抑制焦亡相关途径的炎症反应,本研究检测了经典焦亡过程中的关键蛋白:NLRP3、GasderminD、Caspase-1、ASC的表达水平,香豆素可不同程度下调其表达;此外,在细胞焦亡实验中发现香豆素减少了MSU相关细胞焦亡的发生。
本研究通过分子对接+体外实验验证发现,香豆素可能通过参与调控P2Y14R/cAMP/NLRP3信号通路减少MSU诱导的THP-1巨噬细胞焦亡,减轻GA炎症反应。进一步优化香豆素可以获得更有前途的P2Y14R拮抗剂,为相关炎症疾病药物研发提供新的思路,后续还需在动物实验中进行进一步验证,本研究对开发香豆素作为一种新的潜力药物治疗痛风性关节炎具有重要的理论指导意义。
利益冲突声明:本文所有作者均声明不存在利益冲突。
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Investigation of the effect of coumarin regulating macrophage pyroptosis on gout inflammatory response based on the P2Y14R/cAMP/NLRP3 pathway
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