肥胖相关性肾病大鼠模型的超声表现及乙酰化修饰在肾脏脂毒性中的作用

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第一部分:肥胖相关性肾病大鼠模型的超声表现
  研究背景:
  随着经济的快速发展和人们生活方式的改变,肥胖人口在全球范围内急剧增长,肥胖症的流行导致肥胖相关性肾病(ORN)的发病率逐年增加。尽管该病病情进展缓慢,但仍有约1/3的ORN患者会出现进行性肾功能衰竭,最终发展为终末期肾病(ESRD)。
  早期发现与干预对ORN的远期转归具有重要影响,但该病起病隐匿,早期临床症状不典型。目前ORN主要的筛查手段是通过尿常规检测尿蛋白,优点是简单易行,缺点是敏感性不高;肾活检虽然可以明确肾脏的病理损伤,但因其创伤性,大多数患者难以接受。因此,早期诊断ORN具有挑战性,目前临床亟需一种安全、便捷、敏感的检查方法用于ORN的辅助诊断。
  超声是一种安全、便捷、无创且成熟的检查手段,可以敏锐地发现肾脏形态及血流灌注的变化,已被广泛用于各种肾脏疾病的诊断。它提供的信息不仅可以用于临床决策,还可以用于治疗方案的选择。肥胖引起的肾脂质异位积聚及肾小球高滤过是导致ORN发病的重要机制,二者可改变肾脏的形态及血流动力学,因此能否通过超声技术检测肾脏形态及血流的变化用于辅助诊断ORN值得深入探究。
  研究目的:
  采用高脂饮食建立ORN大鼠模型,利用超声技术获取大鼠肾脏二维及血流动力学参数,分析其声像图变化,筛选预测ORN的超声参数,探讨超声在辅助诊断ORN中的价值。
  研究方法:
  1、动物饲养及造模:4周龄的雄性SD大鼠,20只,适应性喂养两周,随机分为两组:正常饮食组(Chow组,n=8)及高脂饮食组(HFD组,n=12)。Chow组始终给予普通饲料(含10%脂肪),喂养20周。HFD组高脂饲料(含60%脂肪)喂养8周后,根据体重增长排序,剔除下1/3大鼠,留取上2/3大鼠,继续高脂饲料喂养12周。密切观察大鼠精神,体态等一般情况的变化。
  2、超声图像及数据采集:喂养至26周龄,深度麻醉大鼠,背部备皮,取俯卧位行超声检查。采集左肾二维图像,应用imageJ软件分析两组大鼠肾脏实质的回声差异。测量肾脏长径、宽径、厚径。按椭球体积公式计算大鼠左肾体积:V=π/6×长径×宽径×厚径。应用彩色多普勒超声观察肾动脉主干及肾内动脉的走行、分布及充盈状况。频谱多普勒采集肾动脉主干及叶间动脉血流频谱,测量收缩期最大流速(PSV)、舒张末期流速(EDV)、阻力指数(RI)。数值测量三次,取平均值,并记录。所有操作均由同名超声主治医师完成。
  3、标本收集及检测:超声检查次日,将大鼠置于代谢笼中,禁食不禁水,收集24小时尿液,记录尿量。应用BA400全自动特定蛋白分析仪测定24小时尿白蛋白。使用动物无创血压计,采用尾压法(tail-cuff法)测量大鼠收缩压(SBP)及舒张压(DBP),测量三次取平均值。麻醉大鼠,称量终末体重(W),测量体长(鼻尖至肛门,L)。计算体重指数:Lee指数=W1/3(g)/L(cm)。于大鼠右心耳取血,分离血清。应用罗氏8000全自动生化分析仪测定空腹血糖、血肌酐、尿素氮、总胆固醇(TC)、甘油三酯(TG)。大鼠心脏灌注后,迅速分离两侧肾脏。4%多聚甲醛固定左侧肾脏,常规包埋切片后PAS染色,行肾组织形态学检查,采集肾小球、肾小管图像,应用imageJ软件测量两组大鼠肾小球直径。右侧肾脏组织冻存于-80℃冰箱,为蛋白印迹法备用。
  研究结果:
  1、大鼠一般生理状况和实验室检查结果
  Chow组大鼠体型匀称,精神状态良好;HFD组大鼠体型肥胖,活动度和反应较Chow组不同程度降低。喂养满20周,HFD组大鼠体重均值较Chow组高约31%,两组大鼠间体重差异有统计学意义(P<0.001)并且HFD组大鼠Lee指数大于Chow组(P<0.05),证实大鼠肥胖模型造模成功。HFD组大鼠血总胆固醇、甘油三酯较Chow组升高(P均<0.01);HFD组大鼠24小时尿白蛋白定量高于Chow组(P<0.05);但两组在血肌酐、尿素氮、血糖、血压方面无统计学差异(P均>0.05)。
  2、大鼠肾脏的病理改变
  PAS染色显示,HFD组大鼠的肾皮质、髓质区诱发了明确的肾病。病变以肾小球损害为特征,表现为肾小球肥大,肾小球直径较对照组明显增大(P<0.01);系膜细胞及系膜外基质增多;近端小管上皮细胞内脂质空泡形成。证实大鼠ORN模型造模成功。
  3、大鼠肾脏超声检查结果
  (1)灰阶超声:两组大鼠肾脏超声表现为“蚕豆样”,包膜完整,肾皮质回声较正常肝和脾回声低,肾窦呈稍高回声,实质与集合系统分界清晰。灰度分析显示,两组大鼠肾脏实质回声间的差异没有统计学意义(P>0.05)。HFD组大鼠肾脏体积较Chow组增大(P<0.05)。进一步分析显示HFD组大鼠肾脏的宽径及厚径增大(P<0.05,0.01);然而两组大鼠肾脏长径间的差异不显著(P>0.05)。
  (2)彩色多普勒超声:可以观察到两组大鼠的肾动脉主干及呈“树枝状”分布的肾内动脉。可以清晰显示段动脉及叶间动脉的血流灌注情况,但弓形动脉及小叶间动脉显示欠清晰。
  (3)频谱多普勒超声:与Chow组大鼠相比,HFD组大鼠肾动脉主干及叶间动脉EDV的流速减低(P均<0.05),但PSV之间的差异无统计学意义(P均>0.05)。HFD组大鼠肾动脉主干及叶间动脉的RI分别高于Chow组,两组间的差异有统计学意义(P均<0.05)。
  4、各超声参数预测ORN的准确性
  采用受试者工作特征曲线(ROC)评估各超声参数预测ORN的准确性:采用ROC评估肾宽径的曲线下面积(AUC)为0.758(P<0.01),取最佳临界点1.30时,敏感度、特异度、Youden指数分别为62.5%、87.5%、0.50。肾厚径的AUC为0.853(P<0.01),取最佳临界点1.26时,敏感度、特异度、Youden指数分别为69.6%、87.0%、0.57。肾动脉主干RI的AUC为0.82(P<0.01),取最佳临界点0.55时,敏感度、特异度、Youden指数分别为70.8%、83.3%、0.54。叶间动脉RI的AUC为0.81(P<0.01),取最佳临界点0.48时,敏感度、特异度、Youden指数分别91.7%、75.0%、0.67。
  研究结论:
  1、大鼠ORN模型的主要超声表现:形态学方面为宽径和厚径增加导致的肾脏体积增大,血流动力学方面为舒张期末期流速降低造成的肾动脉阻力指数增高。
  2、肾厚径、宽径、肾动脉主干及叶间动脉RI可作为预测ORN的超声参数,对辅助诊断ORN有较高价值。
  第二部分:GCN5L1介导的乙酰化修饰在肾脏脂毒性中的作用
  研究背景:
  脂毒性是ORN重要的发病机制。当线粒体β-氧化能力绝对或相对不足时,脂肪酸在细胞内无法经代谢产生ATP,只能转向酯化。脂质酯化过程的多种中间产物(二脂酰甘油,神经酰胺等)及终产物(甘油三酯、磷脂等)在细胞内积聚进而引发下游一系列致病因子的激活,最终导致细胞功能和结构异常。在此过程中FAO功能的异常是导致脂毒性的关键因素。然而导致FAO受损的上游机制尚不完全清楚。
  FAO速率受线粒体代谢酶活性的影响。赖氨酸乙酰化是一种可逆的翻译后修饰,参与多种线粒体代谢酶活性的调节,研究表明营养状态可以影响线粒体代谢酶的乙酰化水平,ORN即是一种营养过剩的病理状态,因此乙酰化修饰可能参与了ORN的病理过程。
  GCN5L1是一种新发现的线粒体乙酰转移酶,它被证明可以调节多种线粒体蛋白质乙酰化水平,在线粒体能量代谢调控中发挥重要的作用。GCN5L1是否参与FAO关键酶的乙酰化修饰,其在肾脏脂毒性中的作用尚待研究。
  研究目的:
  通过研究乙酰化修饰对FAO酶活性的影响,明确高脂对FAO的调控机理,探讨GCN5L1介导的乙酰化修饰在ORN致病机制中的作用。
  研究方法:
  1、人近端肾小管上皮细胞(HK-2)培养于37℃、含5%CO2的细胞培养箱中,用含10%胎牛血清的DMEM培养。隔天换液,2~3天传代一次。分为PA组(棕榈酸,200μM)、BSA组(牛血清白蛋白,200μM)、GCN5L1小RNA干扰对照+PA/BSA组(CTR+PA/BSA)、GCN5L1小RNA干扰+PA/BSA组(KD+PA/BSA)。动物饲养及造模同第一部分。
  2、采用免疫组化检测HFD组和Chow组大鼠肾组织切片中赖氨酸乙酰化水平及GCN5L1的表达;采用免疫印迹法(Western Blot)检测不同刺激后HK-2细胞赖氨酸乙酰化水平、GCN5L1及上皮细胞间充质转化(EMT)相关指标E-cadherin和Vimentin的变化。
  3、应用siRNA干扰HK-2细胞,降低肾小管上皮细胞(TECs)中GCN5L1的表达,采用RT-qPCR、Westernblot检测干扰效率。
  4、采用免疫沉淀法(IP)测定不同刺激后HK-2细胞内LCAD和β-HAD的乙酰化表达。
  5、用试剂盒测定不同刺激后HK-2细胞内脂肪酸β-氧化速率、甘油三酯(TG)含量、ac-CoA含量、LCAD和β-HAD酶活性。
  6、油红O染色鉴定不同刺激后TECs中脂质沉积情况。
  研究结果:
  1、体内、外实验显示高脂环境下TECs内赖氨酸乙酰化的表达增加:免疫组化结果显示,HFD组大鼠肾组织泛乙酰化水平较chow组表达增加,WesternBlot显示PA培养的HK-2细胞,线粒体蛋白泛乙酰化水平较对照组升高(P<0.01)。
  2、PA诱导LCAD和β-HAD发生了高乙酰化,降低了酶活性,降低了FAO速率和ac-CoA含量:IP及WesternBlot显示,PA组线粒体内ac-LCAD和ac-βHAD的表达较BSA组均升高(P<0.05,0.01),采用试剂盒检测PA组LCAD和β-HAD酶活性、β-脂肪酸氧化速率及ac-CoA含量均较BSA组降低(P<0.05,0.05,0.01,0.01)。
  3、体内、外实验显示高脂环境下TECs内GCN5L1的表达增加:免疫组化和WesternBlot显示HFD组大鼠TECs内GCN5L1的表达较chow组升高(P<0.05),PA组HK-2GCN5L1的表达较BSA组增加(P<0.05)。
  4、siRNA下调GCN5L1的表达:用GCN5L1特异性siRNA处理HK-2后,采用RT-qPCR、WesternBlot检测GCN5L1的干扰效率,数据显示GCN5L1在mRNA水平敲降效率约为70%,在蛋白水平敲降效率约为70%。
  5、高脂环境下敲降GCN5L1导致LCAD和β-HAD的去乙酰化和活化,进而增加FAO速率,减少脂质沉积:IP及WesternBlot显示,KD+PA组较CTR+PA组ac-LCAD和ac-βHAD的表达水平降低(P<0.05,0.05)。试剂盒检测显示KD+PA组较CTR+PA组LCAD和β-HAD酶活性增加(P<0.05,0.05),β-脂肪酸氧化速率提高(P<0.01),ac-CoA含量增加(P<0.05)。油红O显示KD+PA组较CTR+PA组脂质沉积减轻。
  6、在PA处理的HK-2中下调GCN5L1减轻上皮细胞间充质转化(EMT):WesternBlot显示显示KD+PA组较CTR+PA组E-cad的表达上升(P<0.05),Vimentin的表达降低(P<0.01)。敲降GCN5L1抑制了PA对E-cadherin和Vimentin在HK-2中表达的影响,提示GCN5L1的抑制可以保护TECs免受PA诱导的纤维化。
  研究结论:
  1、线粒体蛋白乙酰化是调节肾脏FAO的重要机制。
  2、抑制GCN5L1表达可以逆转高脂导致的线粒体酶LCAD和β-HAD乙酰化,上调FAO速率,减轻脂毒性。
  3、GCN5L1可能成为通过调控脂毒性治疗ORN的潜在靶点。
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