大气PM2.5干扰内皮细胞自噬及大蒜素的改善作用机制

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目的:1)研究大气PM2.5干扰人脐静脉内皮细胞(HUVECs)自噬的潜在分子机制,为科学评价大气PM2.5对人体心血管系统的影响提供理论依据;2)探究大蒜素改善由于大气PM2.5干扰HUVECs功能的作用及分子机制,为预防和改善大气PM2.5暴露影响人体心血管系统的健康提供新的思路和策略。方法:(1)用不同浓度的PM2.5(1,5,25μg/mL)处理HUVECs后,透射电子显微镜(TEM)观察PM2.5在细胞中的分布,以及自噬小体的形成;吖啶橙(AO)和单丹磺酰尸胺(MDC)染色观察酸性小泡;间接免疫荧光法(IF)检测LC3和p62 puncta水平;Western blot检测自噬蛋白(LC3 A、LC3 B、Beclin 1、p62、ATG3、ATG7、ATG5、ATG12、STX17)和溶酶体相关蛋白(CTSB、CTSD、LAMP1、LAMP2)的表达;并选择AKT、ERK1/2、TFEB信号通路来探讨其潜在的分子机制。(2)大蒜素(5,10,20μg/mL)与PM2.5(5μg/mL)联合暴露HUVECs后,乳酸脱氢酶(LDH)法检测细胞损伤;Hoechst 33258染色观察细胞(凋亡小体)形态;Annexin V-FITC/PI双染法流式细胞技术检测细胞凋亡率;TEM观察自噬小体;IF检测LC3和p62puncta水平;ELISA检测炎症因子(IL-1β、IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α)、趋化因子(MCP-1)和粘附分子(VCAM-1、sICAM-1);Western blot检测内皮功能相关蛋白(TF、PAI-1),凋亡蛋白(Bcl-2、Bax、caspase-3、Cleaved caspase-3、caspase-9、Cleaved caspase-9、PARP、Cleaved PARP),自噬蛋白(p62、Beclin 1、LC3 II/I)和氧化应激蛋白(Nrf2、HO-1、keap 1)以及NF-κB和MAPK信号通路(ERK1/2、p38、JNK1、JNK2)相关蛋白的表达。结果:(1)PM2.5内化入HUVECs后,主要位于细胞质内有被膜包裹的小囊中,表明PM2.5主要通过胞呑作用进入细胞,进而对细胞产生毒性效应;PM2.5暴露组HUVECs内,自噬小体、LC3 puncta和蛋白(LC3 II/I、Beclin 1、ATG3、ATG7、ATG5、ATG12)等升高,表明PM2.5使HUVECs内自噬泡增加;暴露组细胞内的p62 puncta和蛋白水平升高,表明自噬泡包裹的内容物(’cargo’)没有得到有效降解;暴露组细胞内的溶酶体数、溶酶体膜蛋白LAMP1和溶酶体标志性蛋白酶CTSB和CTSD均升高,以及上游调节因子ERK1/2和TFEB的磷酸化增加,表明细胞的溶酶体活性增强;暴露组细胞内STX17和LAMP2蛋白水平降低,表明自噬体与溶酶体融合受阻。同时,暴露组细胞的自噬上游调节因子AKT磷酸化增加,它可通过活化mTORC1蛋白复合物,而抑制细胞自噬过程。综上所述,PM2.5暴露通过活化AKT而抑制自噬泡的形成及其与溶酶体的融合,从而阻断了HUVECs细胞正常的自噬流(autophagic flux)。(2)与PM2.5单独暴露组相比,大蒜素与PM2.5联合暴露组,LDH活性明显降低,凋亡率下降,相应地,Bcl-2/Bax上调,caspase-3,caspase-9,PARP活性降低,表明大蒜素可在一定程度上保护PM2.5暴露对HUVECs的损伤,减少凋亡;同时,与PM2.5单独暴露组相比,大蒜素与PM2.5联合暴露组,TF、PAI-1表达也减少,促炎症因子(IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α、MCP-1、VCAM-1、sICAM-1)和NF-κB的磷酸化均降低,抑炎症因子IL-4升高,表明大蒜素通过抑制NF-κB活化而阻抑PM2.5诱导的细胞炎症反应。同样,与PM2.5单独暴露组比较,大蒜素与PM2.5联合暴露组细胞内自噬小体、LC3和p62 puncta及蛋白(p62、Beclin 1、LC3 II/I)均下降,表明大蒜素能恢复PM2.5对内皮细胞自噬的干扰;相反,与PM2.5单独暴露组比较,大蒜素与PM2.5联合暴露组细胞内,Nrf2磷酸化增加,HO-1升高,keap 1降低,表明大蒜素可改善PM2.5诱导的内皮细胞氧化损伤。大蒜素与PM2.5联合暴露组细胞内MAPK信号通路ERK1/2、p38、JNK的磷酸化均增加,表明大蒜素通过激活MAPK信号通路参与PM2.5对内皮细胞的调控。综上所述,大蒜素通过激活MAPK,使Nrf2磷酸化增加,抑制NF-κB活性,从而在一定程度上减少PM2.5诱导的内皮细胞凋亡、炎症反应、自噬和氧化应激,改善内皮细胞的功能。结论:(1)PM2.5通过激活AKT,使STX17和LAMP2表达降低,抑制自噬体与溶酶体的融合,阻断HUVECs正常的自噬流(autophagic flux)。(2)大蒜素可激活MAPK信号通路,促进Nrf2磷酸化,抑制NF-?B活化,一定程度上降低PM2.5诱导的内皮细胞氧化应激、炎症反应和凋亡,并恢复内皮细胞的自噬流和改善其功能。
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