基于“血-脉-心-神”一体观理论指导下的益气活血方调控心力衰竭大鼠心肌线粒体功能的实验研究

来源 :天津中医药大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lrg123
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背景:
  心力衰竭是多种心血管疾病引起的心脏功能与结构异常,最终导致心室舒缩功能障碍的一种临床综合征。临床中运用“血-脉-心-神”一体观,认识心力衰竭,指导临床分期治疗,其中益气活血法贯穿于心力衰竭发生发展的始终。心力衰竭进展过程中,出现病理性心肌代谢重构,心肌细胞线粒体机能损伤,心肌中底物利用和能量代谢改变,线粒体呼吸链功能异常,产生大量的ROS,线粒体动力学适应性改变,线粒体自噬水平改变。线粒体自噬在维持线粒体动力学中扮演着重要的角色,也是心肌细胞“能量饥饿”与“氧化应激”的平衡器,调控线粒体自噬可能发挥双向调节作用,可显著改善心肌细胞的状态,延缓心肌能量代谢重构的进展。深入研究线粒体自噬关键信号途径在心力衰竭中的作用,有望改善心力衰竭的发生发展过程。
  目的:
  在“血-脉-心-神”一体观指导下,进行益气活血法干预心力衰竭的理论研究;观察益气活血法干预心力衰竭的效应,并以线粒体动力学改变和线粒体自噬为切入点,进一步探讨其起效的机制和靶点。
  方法:
  1.本研究基于“血-脉-心-神”一体观认识,探讨益气活血法干预心力衰竭的理论,并进行病案分析。2.运用整合药理学平台(http://www.tcmip.cn/)中药材数据库,检索、收集药物化学成分,建立益气活血方的化学成分数据库;根据疾病名称检索、核实所有靶标并保存作为候选疾病靶标;运用中药靶标预测界面对所建立的药物化学成分库中的成分进行靶标预测,选取相似性分数大于等于0.8的成分预测靶标作为候选;利用OpenBabel软件提取化学成分MACCS分子指纹,通过分析益气活血方中化学成分二维结构与DrugBank中认证药物进行化学指纹特征比对,选择Tanimoto系数相似性打分大于0.8的相似性药物作用靶标为益气活血方作用的潜在靶标;进行益气活血方潜在靶标与疾病靶标之间的PPI分析;构建“中药方剂-中药材-化学成分-核心靶标-关键通路”的多层次关联网络和关键靶标网络与多层次关联可视化网络。3.采用SD大鼠左冠状动脉结扎模型为研究对象,4周后评价心力衰竭模型成立,随机分为假手术组、模型组、卡托普利组、益气活血方低剂量组、益气活血方中剂量组、益气活血方高剂量,干预给药鼠8周。彩色多普勒超声检测大鼠心脏结构和心功能;取大鼠血清检测NT-proBNP判定大鼠心衰程度;利用HE、Masson等染色技术,观察心肌组织炎症、纤维化等病理改变;检测心肌组织胶原蛋白I、IIImRNA的表达,探讨益气活血方干预SD大鼠心梗后心衰模型的效应情况。进一步围绕线粒体功能,运用透射电镜观察心肌组织中线粒体结构和形态,检测线粒体膜电位、线粒体膜通道转换孔开放程度,心肌能量代谢ATP含量、氧化应激产生ROS活性氧含量;采用RT-PCR和WesternBlotting方法,观察线粒体融合基因和蛋白Mfn1、Mfn2、OPA1和分裂相关基因和蛋白Drp1、Fis1的水平,检测自噬蛋白LC3B和PINK1、Parkin基因和蛋白表达情况。
  结果:
  1.“血-脉-心-神”一体观是心力衰竭的治疗大法,是该病全程的治疗理念;突出疾病不同时期的证候特点,分期论治;强调“血-脉-心-神”一体观的时间整体性和空间序惯性。益气活血法是治疗心力衰竭的具体治则之一。
  2.运用中药整合药理学平台,通过TCMIP相关数据库,收集黄芪、丹参、三七、降香化学成分个数分别为29、96、95、34个,共预测出他们的作用潜在靶标依次是230个、224个、358个、138个。根据网络分析模块,构建益气活血方化合物靶标与疾病靶标网络。筛选出关键靶标174个,最主要的3个疾病与药物共有靶点,分别为pPKAA2、TP53、NFκB1A。通过GO、KEGG数据库进行基因分析和功能分析显示,益气活血方药物靶标与疾病靶标基因功能分析和通路富集中,对心肌保护的干预作用可能与线粒体、线粒体电子传递、ATP生物合成和内分泌代谢、能量代谢、脂质代谢、抗细胞凋亡、抑制炎症损伤等多个代谢通路有关。
  3.益气活血方对心力衰竭模型大鼠心功能的影响
  造模4周后,空白对照组和假手术组相比心脏结构、EF和FS无明显差异,与假手术组比较,模型组心室腔增大,室壁运动减弱,EF和FS明显降低(P<0.01)。药物干预8周后,模型组心室腔继续扩张,室壁运动减弱,收缩力下降;各用药组与模型组相比,左室室壁运动增强,收缩力提高。与假手术组比较,模型组大鼠的EF和FS明显降低(P<0.01);与模型组比较,卡托普利组、曲美他嗪组和YQHX低中高剂量组中的EF、FS出现不同程度增加,具有统计学意义(P<0.01)。与卡托普利组比较,YQHX低剂量组存在显著差异(P<0.01);YQHX中剂量组的EF值存在差异(P<0.05),FS无统计学差异;曲美他嗪组和YQHX高剂量组较为接近。与假手术组比较,模型组大鼠的每搏输出量(LVSV)显著降低,具有统计学意义(P<0.01);与模型组比较,卡托普利组、曲美他嗪组和YQHX中剂量组,LVSV明显提高,具有统计学意义(P<0.01);YQHX高剂量组具有统计学意义(P<0.05)。
  各组实验大鼠在第12周末的心脏结构变化显著,与假手术组比较,模型组大鼠心脏结构改变明显,LVIDd、LVIDs显著增大,以左室收缩内径增大更为明显,有统计学意义(P<0.01);LVSd、LVSs、LVPWs显著减小,均有统计学意义(P<0.01);LVPWd减小,有统计学意义(P<0.05)。与模型组组比较,各给药组能使扩张的左心室受到抑制,卡托普利组、曲美他嗪组能降低LVIDd,具有统计学意义(P<0.05);卡托普利组、曲美他嗪组、益气活血方中、高剂量组明显降低LVIDs,具有显著性差异(P<0.01);卡托普利组、益气活血方中高剂量组能改善收缩期室间隔厚度(IVSs),具有显著性差异(P<0.05);用药各组与模型组相比能够改善LVSd、LVPWd、LVPWs,但无显著性差异。与卡托普利组比较,益气活血方低剂量组改善LVIDd、IVSs效果不明显,具有显著性差异(P<0.05)。
  第4周末,各造模实验组大鼠血清NT-proBNP均明显高于假手术组,有显著差异(P<0.01)。经过8周给药,至第12周末时,各组血清NT-proBNP浓度进一步升高。与假手术组相比,模型组显著升高,有统计学差异(P<0.01);与模型组相比,用药后各组均能够降低血清NT-proBNP水平,卡托普利组、曲美他嗪组、益气活血方中高剂量组,具有统计学差异(P<0.01);其中益气活血方低剂量组降低NT-proBNP浓度较少,无统计学差异(P>0.05)。与卡托普利组相比,益气活血方低剂量组有统计学差异(P<0.05)。
  4.益气活血方对心力衰竭大鼠心肌病理形态的影响
  (1)HE染色观察结果如下:假手术组心肌细胞形态正常,细胞核呈圆形或椭圆形,肌丝排列整齐有序,横纹清晰高倍镜下可见,心肌纤维着色均匀,无细胞水肿,无纤维断裂,细胞间质未见炎性细胞浸润。模型组心肌细胞形态不规则,梗死灶分布广泛,散在片状存活心肌细胞,细胞核皱缩溶解消失,细胞水肿,有部分细胞核坏死,心肌纤维排列紊乱、不规则,甚至可见心肌纤维断裂,细胞间质增宽,存在大量炎性细胞浸润,成纤维细胞减少。卡托普利组、曲美他嗪组、益气活血法低、中、高剂量组心肌细胞病变较模型组明显减轻,梗死灶范围较模型组减小,心肌纤维呈不规则排列,或排列尚规整,可见部分出现断裂和细胞核水肿、坏死,间质増宽,炎性细胞浸润较模型组明显减少,成纤维细胞增生较模型组增多。心肌损伤程度轻于模型组。
  (2)Masson染色观察结果如下:假手术组心肌细胞排列整齐,血管周围见蓝色胶原纤维,细胞间质未见明显蓝色胶原纤维;模型组显示在心肌梗死边缘区心肌细胞排列紊乱、心肌细胞肥大,有大量蓝色胶原纤维沉积,梗死边缘区纤维化面积较大;卡托普利组、曲美他嗪组及益气活血方低中高剂量组显示蓝色胶原纤维多呈分枝状分布,蓝染面积较模型组都有不同程度的减少,尤其是益气活血方高剂量组较为显著。
  (3)CollagenⅠ、CollagenⅢmRNA表达情况如下:与假手术组相比,模型组胶原表达量增加,CollagenⅠ和CollagenⅢmRNA表达显著增加(P<0.01),用药后,各组与模型组相比均能降低CollagenⅠ、CollagenⅢ的基因表达。其中,卡托普利和益气活血方中剂量、高剂量组,能显著改善CollagenⅠ的基因表达情况,有显著差异(P<0.01);曲美他嗪组与益气活血方低剂量组,无明显差异(P>0.05)。与模型组相比,各用药组均能降低CollagenⅢ,具有显著差异。与卡托普利组相比,曲美他嗪组、益气活血方低、中剂量组,胶原表达量存在差异(P<0.05),益气活血方高剂量组,无明显差异(P>0.05)。
  (4)TUNEL染色观察结果如下:假手术组大鼠心脏中心肌细胞凋亡率较低;与假手术组比较,模型组大鼠心肌细胞凋亡率明显增高,心肌细胞凋亡活跃、程度高,具有统计学差异(P<0.01);与模型组比较,各用药组凋亡细胞明显减少,心肌细胞凋亡率得到有效抑制,具有统计学差异(P<0.01)。益气活血方低剂量组仍存在较高凋亡水平,与卡托普利组和曲美他嗪组比较,都有显著差异(P<0.01)。
  5.益气活血方干预心力衰竭大鼠心肌线粒体结构和功能的影响
  (1)心肌超微结构的观察如下:假手术组大鼠,心肌结构良好,肌丝排列规则有序,肌节整齐,横纹清楚,线粒体形态正常,分布规律,单个呈椭圆形或圆形,线粒体膜结构清晰,结构完整,内部排列紧密,体嵴排列有序,未见肿胀、空泡。模型组大鼠,心肌受损严重,肌丝排列疏松、断裂,肌节欠完整,横纹欠清晰,线粒体排列松散、紊乱、无规则,部分线粒体肿胀、破裂,可见双层膜融合,模糊不清,并出现空泡,线粒体崎断裂、融合或消矢。心肌线粒体呈现碎小和片段化状态。卡托普利组、曲美他嗪组、益气活血方低、中、高剂量组:肌丝排列较整齐,局部见肌丝紊乱疏松,肌节尚规则,横纹稍模糊,线粒体排列紧密,肿胀较模型组明显减轻,空泡明显减少,崎结构较清晰。
  (2)线粒体功能变化如下:
  与假手术组比较,线粒体JC-1值显著降低(P<0.01),表明心衰大鼠心肌组织线粒体发生损伤,膜电位降低。卡托普利组、曲美他嗪组和益气活血方低中高剂量组大鼠心肌线粒体膜电位与模型组相比,存在不同程度的上升。其中卡托普利组、曲美他嗪组和益气活血方高剂量组与模型组相比,明显升高,具有统计学意义(P<0.05,P<0.01);益气活血方中低剂量组与模型组相比线粒体膜电位升高不明显,没有统计学差异(P>0.05)。曲美他嗪组与卡托普利组相比,线粒体膜电位升高,具有显著差异(P<0.01)。
  与假手术组比较,模型组ΔA显著增加,mPTP开放程度大,具有统计学意义(P<0.01);与模型组比较,曲美他嗪组和益气活血中高剂量组ΔA值显著减少(P<0.01),mPTP开放程度明显受到抑制,开放速度明显降低。结果显示,益气活血方可以明显抑制心衰大鼠心肌mPTP开放的程度。
  与假手术组比较,模型组心肌线粒体ATP含量明显降低,有统计学差异(P<0.01);与模型组相比,卡托普利组、曲美他嗪组和益气活血方高剂量组线粒体ATP水平较模型组显著升高,有统计学差异(P<0.01);与益气活血方低、中剂量组比较,高剂量组更能提高ATP生成水平,且益气活血方高剂量组与曲美他嗪组相比,效果相当,无统计学差异(P>0.05)。
  与假手术组比较,模型组大鼠心肌线粒体中ROS的生成显著增加,有显著统计学意义(P<0.01);卡托普利组、曲美他嗪组和益气活血方低中高剂量组大鼠心肌线粒体ROS生成则明显要低于模型组,有显著统计学意义(P<0.01);与曲美他嗪组比较,益气活血方中、低剂量组,改善不明显有显著统计学差异(P<0.01),而高剂量组ROS水平,与曲美他嗪组接近。
  6.益气活血方干预心力衰竭大鼠心肌线粒体的机制研究
  (1)对线粒体动力学的影响:与假手术组比较,模型组大鼠心肌中Mfn1表达水平降低,无统计学差异(P<0.01),Mfn2表达水平降低(P<0.05),OPA1表达水平显著降低(P<0.01)。与模型组比较,各给药组Mfn1基因表达水平均能升高,其中曲美他嗪组、益气活血方低中高剂量组,能显著提升Mfn1基因表达水平(P<0.05,P<0.01)。与曲美他嗪组比较,益气活血方组升高Mfn1基因表达水平的作用更加显著,有统计学意义(P<0.05)。结果提示:益气活血方能够升高Mfn1基因表达水平,从而有效改善线粒体融合降低的状态,且其作用优于曲美他嗪。与模型组比较,曲美他嗪组、益气活血方低、中、高剂量组,均能Mfn2基因表达水平均升高(P<0.05);各用药组间,无显著差异。与模型组比较,各给药组OPA1基因表达水平均升高,其中曲美他嗪组、益气活血方高剂量组能显著升高,有统计学意义(P<0.01)。与曲美他嗪组比较,益气活血方高剂量更能升高OPA1基因表达水平。
  与假手术组比较,模型组大鼠心肌中线粒体分裂基因Drp1、Fis1表达水平显著升高(P<0.01)。与模型组比较,卡托普利组、曲美他嗪组、益气活血方中高剂量组Drp1基因表达水平均显著降低(P<0.01);各用药组间,无显著差异。与模型组比较,仅益气活血方高剂量组Fis1基因表达水平均显著降低(P<0.01)。
  与假手术组比较,模型组大鼠心肌中线粒体融合蛋白Mfn1、Mfn2、OPA1表达水平显著降低(P<0.01)。与模型组比较,各给药组Mfn1、Mfn2、OPA1蛋白表达水平均能显著升高(P<0.01)。各用药组间,Mfn1无显著差异。益气活血方中剂量组Mfn2蛋白表达水平明显高于卡托普利组和曲美他嗪组,有统计学差异(P<0.05)。益气活血方高剂量组与卡托普利组、曲美他嗪组比较,更能升高OPA1基因表达水平。
  与假手术组比较,模型组大鼠心肌中线粒体分裂基因Drp1表达水平显著升高(P<0.01)。与模型组比较,各用药组Drp1蛋白表达水平均显著降低(P<0.01);各用药组之间比较,卡托普利组更能降低Drp1蛋白的表达(P<0.01)。
  (2)对线粒体自噬的影响:与假手术组比较,模型组大鼠心肌中LC3-II/LC3-I比值显著减低(P<0.01),自噬水平降低。与模型组比较,各给药组LC3-II/LC3-I比值显著增大(P<0.01)。检测线粒体自噬经典通路PINK1/parkin发现,用药组能上调PINK1和parkin的表达水平,结果提示:Pink1/Parkin介导的线粒体自噬水平下降可能参与了心力衰竭的发生。益气活血方能够上调自噬蛋白LC3-II/LC3-I的表达水平,增加心肌细胞内自噬,并可能通过Pink1/Parkin信号通路调控。
  结论:
  1.“血-脉-心-神”一体的治疗观,是基于心力衰竭发病和康复过程中的中医证候特点的高度概括,突出强调了心力衰竭不同时段的血、脉、心、神影响,具有时间整体性和空间续惯性。益气活血法是治疗心力衰竭的具体治则。
  2.运用中药整合药理学平台,发现益气活血方对心肌保护的干预作用主要与线粒体相关因素有关。
  3.益气活血法可以通过调节PINK1/Parkin信号通路,调节线粒体自噬,维持线粒体动力学稳定,平衡“能量饥饿”与“氧化应激”可显著改善心肌细胞的状态,延缓心肌能量代谢重构的进展。
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