雷帕霉素对UUO大鼠细胞自噬及肾小管间质纤维化的影响

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目的:肾小管间质纤维化是由各种慢性进展性肾脏疾病不可避免的最终结局。肾间质纤维化的发生发展过程复杂,此过程涉及肾小管间质的损伤,炎性细胞的浸润,多种炎症介质的产生,纤维母细胞的增殖,细胞外基质积聚等过程,多种细胞因子参与其中。最近几年里,自噬在肾脏中的作用逐渐为人们所关注,一系列研究表明,自噬与多种肾脏疾病相关。既往研究显示,自噬功能增强通常对肾脏功能保护有益,然而,在某些情形下,过度的自噬可能造成细胞凋亡或死亡。近年来对肾脏有关自噬方面的研究多集中肾小球上皮细胞、肾脏系膜细胞方面,对于肾小管细胞的研究多限于缺血-再灌注损伤、药物性肾损害,而对于梗阻性肾病与自噬的相关研究较少。目前普遍认为,自噬的诱导由哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)所调控,mTOR是一种非典型的丝氨酸激酶,在进化上十分保守,广泛存在于各种哺乳动物中,可调节细胞增殖、生长以及自噬。当细胞处于营养充足或缺少应激信号的状态时,mTOR激活,自噬受到抑制。然而,一旦处于营养缺乏或者是应激状态,mTOR活性下降或受到抑制,自噬进程启动。细胞饥饿时诱导自噬的目的在于降解细胞内蛋白质,最终获得氨基酸再度为细胞供应新的能量来源。当mTOR活性下降时,自噬相关蛋白(Atg)13去磷酸化,允许其与另一个Atg形成活化聚合物Atg1。该聚合物启动了自噬体膜的形成,然后自噬体膜延伸包裹待降解的内容物。该膜的延展包括了多种Atg蛋白,其中最重要的是蛋白轻链(LC)3,LC3表达水平被普遍地用作自噬标记物,广泛地应用于免疫组化等实验方法中。转化生长因子β1(Transforming growth factor, TGF-β1)被认为是肾小管间质纤维化病理进程中的一个中心媒介。它可以促进细胞外基质成份大量生成,促进炎症细胞的活化和趋化活动,介导肾小管上皮细胞向间充质细胞转化,以及导致肾小球硬化及小管间质纤维化,最终发展至终末期肾衰竭。雷帕霉素,哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号转导通路抑制剂,是一种由链球菌属产生的大环内酯类抗免疫抗生素,目前主要应用于移植后抗排异反应。近年来研究发现,该物质在抑制肾间质纤维化方面有所成效,这可能与自噬有关。但目前尚未有研究证明雷帕霉素对梗阻性肾损伤中细胞自噬有何种程度的影响,梗阻后自噬水平与时间的变化有着何种关联,以及其与肾脏纤维化之间的关系。因此,本实验拟通过对SD大鼠建立单侧输尿管梗阻(unilateral urethralobstruction, UUO)模型,应用雷帕霉素进行干预,结合免疫组织化学等手段,观察不同实验组中,TGF-β1、LC3、mTOR表达随时间所发生的变化,探讨雷帕霉素对肾间质纤维化的潜在保护作用,探索肾间质纤维化治疗的新靶点,为肾间质纤维化的临床防治探索新的可能方向。方法:健康雄性SD大鼠,SPF级,体重(180±20)克,54只,经过1周适应性喂养后,进行随机分组如下:1、对照组(A组);2、UUO模型组(B组);3、雷帕霉素治疗组(C组);每组各18只。分别于术后第3、7、14天随机选取6只大鼠取出其梗阻侧肾脏组织,分别为D3、D7、D14组,每组各6只。手术过程:B、C组大鼠给予10%水合氯醛(0.1ml/kg)腹腔注射+2%盐酸利多卡因皮下麻醉。备皮消毒铺单后,给予左侧腹部纵形切口,暴露左肾下极后,沿之寻找左侧输尿管,在左侧输尿管中上1/3交界处的上下2处分别用丝线结扎,并从中上1/3交界处剪断,以避免逆行感染;而A组除了不结扎、剪断输尿管外,其余过程与B、C二组相同。给药:从手术前1天开始,给予各组大鼠每天灌胃1次,每周复查体重,根据体重变化调整给药量;治疗组以雷帕霉素2mg/kg/d剂量灌胃;A组及B组以等容的0.9%NaCl溶液替代雷帕霉素溶液灌胃。实验期间不限制食水。术后第3天、7天、14天,分别从A、B、C组中随机选取6只大鼠取出梗阻肾,4%多聚甲醛固定,石蜡包埋。之后HE染色、Masson染色,以观察各组大鼠梗阻肾组织病理变化,并采用免疫组织化学方法测定TGF-β1、mTOR及LC3表达水平,应用图像分析系统进行半定量分析。所有实验数据用SPSS20.0统计分析软件进行统计学处理,以均数±标准差(x±s)表示统计结果,应用单因素方差分析对数据进行分析, P<0.05表示结果有统计学意义。结果:光镜下HE染色:A组,未见明显异常;B组,在术后第3天,可见少量炎症细胞在肾间质局部浸润,肾小管有轻度扩张;第7天,可见肾间质大量炎症细胞浸润,肾间质宽度明显增加,肾小管明显扩张,肾小管上皮细胞变性、坏死;第14天,可见较多肾小管萎缩,肾小管基底膜有弥漫性增厚、皱缩;C组,术后肾小管间质病变随梗阻时间延长进行性加重,其程度较同时相B组的病变程度轻,但仍明显重于A组。Masson染色:A组,未见明显异常;B组,在术后第3天可见肾小管有轻度扩张,胶原纤维较A组有所增加;术后第7天及第14天,肾小管扩张程度进行性加重,胶原纤维显著增多,间质纤维化现象明显;C组,术后肾小管扩张程度、胶原纤维表达水平随梗阻时间延长进行性加重、增多,其较同时相B组的病变程度稍轻,但仍明显终于A组。免疫组织化学结果:(1)TGF-β1: A组,肾小管上皮细胞中可见少量表达; B组,肾小管上皮细胞中可见表达,随着梗阻时间的延长,其表达水平呈进行性升高,且与A组同时相相比较均有统计学差异(P<0.05); C组,TGF-β1的表达水平与同期B组表达水平相比较均有显著下降(P<0.05),但仍高于同期A组中(P<0.05)的表达水平。⑵LC3:A组,存在基础水平表达; B组,第3天时肾小管上皮细胞中出现广泛水平的表达,较A组显著增加(P<0.05),第7天时,其表达水平较第3天有所下降(P<0.05),第14天,其表达水平下降接近至基础水平;C组,第3天时肾小管上皮细胞中出现广泛水平的表达,且较同时期B组表达水平增高(P<0.05),第7天时有所下降,但仍高于同时期B组之表达水平(P<0.05),第14天时进一步下降,表达水平仍高于同时期B组(P<0.05)。⑶mTOR:A组,在肾小管上皮细胞中有一定水平的表达;B组,第3天时,表达水平较A组显著下降(P<0.05),第7天时表达水平较第3天升高(P<0.05),第14天时其表达水平进一步升高(P<0.05);C组,第3天时,其表达水平较A组显著下降(P<0.05),较B组同期有所下降,第7、14天时表达水平较第3天时上升(P<0.05),且随着梗阻时间延长进行性增高;同时相表达水平较B组同期下降。结论:(1)梗阻早期肾小管上皮细胞自噬水平显著增加,晚期显著减少,mTOR表达趋势与之相反。提示梗阻早期肾小管细胞受到轻度损伤时,可能通过抑制mTOR,增强了自噬活性对抗因梗阻所致的损伤,从而自我保护,而梗阻晚期,肾小管细胞损伤过于严重失代偿,mTOR抑制解除,自噬活性减弱,自我保护作用失能。(2)雷帕霉素干预后,整体自噬表达水平升高,mTOR表水平下降,TGF-β1表达明显减少,提示雷帕霉素可能通过阻断mTOR途径,增强自噬活性,进而减轻单侧输尿管梗阻大鼠肾小管间质纤维化的程度。
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