NLRP3炎性復(fù)合體在大鼠創(chuàng)傷性腦損傷后表達(dá)及作用機制研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、創(chuàng)傷性顱腦損傷(traumatic brain injury,TBI)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的常見病和多發(fā)病,其可直接破壞顱內(nèi)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致患者神經(jīng)系統(tǒng)功能嚴(yán)重受損,甚至可出現(xiàn)植物生存狀態(tài)或危及生命。尤其是中、重型顱腦外傷對患者的生存時間、神經(jīng)功能的影響巨大。隨著經(jīng)濟及交通的發(fā)展,創(chuàng)傷性顱腦損傷的發(fā)生率逐年上升,較高的致殘率和死亡率已使其成為影響人類健康的首要因素,并越來越多的引起臨床醫(yī)生及科研學(xué)者的重視。近年來,科研工作者們從不同角度對顱腦損傷的

2、發(fā)生原因、生物力學(xué)機制、病理生理學(xué)、病理形態(tài)學(xué)及分子病理學(xué)變化等方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究,并取得了很大的進(jìn)步,新的理論不斷產(chǎn)生和發(fā)展,但是目前仍然沒有明顯有效的治療措施能減少死亡率和致殘率。
   TBI后的復(fù)雜的病理生理過程及其精確的調(diào)控機制至今仍然不完全清楚。目前認(rèn)為,TBI后腦的損傷可分為原發(fā)性腦損傷和繼發(fā)性腦損傷。原發(fā)性腦損傷主要包括:腦震蕩、彌漫性軸索損傷、腦挫裂傷、外傷性蛛網(wǎng)膜下腔出血(Traumaticsubar

3、achnoid hemorrhage,tSAH)等。另外,繼發(fā)性腦損傷已經(jīng)被證明在外傷后的一系列病理過程中起著關(guān)鍵作用。盡管二次腦損傷的精確機制尚未完全研究清楚,但炎癥反應(yīng)已經(jīng)被證實在繼發(fā)性腦損傷中起著關(guān)鍵作用。
   細(xì)胞因子是由活化細(xì)胞產(chǎn)生和分泌的能夠影響其他細(xì)胞或分泌細(xì)胞自身生長、分化和增值,并且與免疫活化和炎癥反應(yīng)具有重要關(guān)系的一類可溶性多肽遞質(zhì),它包括白細(xì)胞介素(ILs)、趨化因子、腫瘤壞死因子(TNF)、干擾素(IN

4、F)、集落刺激因子(CSF)、生長因子(GH)、神經(jīng)營養(yǎng)因子(NFS)、神經(jīng)生成素等。正常情況下,其含量極微,但在各種因素刺激下表達(dá)可急劇增加。細(xì)胞因子IL-1β作為一種免疫反應(yīng)的使動因子,已經(jīng)被證明在腦外傷后的炎癥級聯(lián)反應(yīng)的產(chǎn)生和發(fā)展中扮演著重要角色。IL-1β的損傷作用不僅僅是表現(xiàn)在它自身,更重要的是IL-1β能激活其他促炎反應(yīng)通路,產(chǎn)生大量炎癥因子,如TNF-α。大量的研究已經(jīng)證實無論是在人類還是嚙齒動物中,早期腦損傷后的腦脊液及

5、腦實質(zhì)中IL-1β的表達(dá)量明顯升高。而相關(guān)證據(jù)顯示IL-1β主要由免疫系統(tǒng)激活生殖系編碼的模式識別受體(Pattern Recognition Receptors,PRRs)產(chǎn)生。
   PRRs不僅存在于經(jīng)典的免疫細(xì)胞內(nèi),同時也在存在于一些非免疫細(xì)胞中。它能夠識別一系列的分子模式產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。這些分子模式主要分為兩大類:病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMP

6、s),如脂多糖(LPS),肽聚糖(PGN),鞭毛蛋白和微生物的核酸等;以及危險相關(guān)分子模式(danger-associated molecular patterns,DAMPs),如與組織、細(xì)胞損傷等密切相關(guān)的內(nèi)源性危險信號。目前認(rèn)為PRRs家族的成員可分為四類:Toll樣受體家族,TLRs(the toll-like receptor system)pRIG樣受體家族,RLRs(the RIG-I-likereceptors);C型凝

7、集素受體家族,CLRs(the C-type lectin receptors); NOD樣受體家族,NLRs(nucleotide-binding domain leucine-rich repeats)。
   NLRs是一組存在于胞內(nèi)的特殊蛋白質(zhì),對炎癥反應(yīng)和免疫反應(yīng)起關(guān)鍵作用。NLRs家族的一些成員可以聚合形成被稱作“炎性復(fù)合體”的多蛋白復(fù)合物。炎性復(fù)合體能夠活化半胱氨酸蛋白酶-1(Cysteine—requiring

8、Aspartate protease1,Caspase-1)。眾所周知,半胱氨酸蛋白酶或稱半胱天冬蛋白酶,是調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)以及細(xì)胞凋亡的一類蛋白酶家族。正常情況下,它以一種無活性的前體形勢存在,其激活依賴于炎性復(fù)合體被外源入侵微生物或者由組織損傷產(chǎn)生的內(nèi)源性危險信號激活后將無活性pro-caspase-1轉(zhuǎn)變成有活性的caspase-1,從而使促炎細(xì)胞因子IL-1β成熟并分泌,參與炎癥反應(yīng)。
   NLRP3(Nucleotide

9、-binding domain, leucine-rich repeat, pyrin domaincontaining3)炎性復(fù)合體是NLRs家族中被研究最廣泛的成員之一,它的構(gòu)成包括:NLRP3骨架、凋亡相關(guān)斑點樣蛋白(apoptotic speck-containing protein,ASC)、Pro-easpase-1。有研究顯示NLRP3炎性復(fù)合體可被多種DAMP及PAMP激活并與包括阿爾茲海默病(Alzheimer's d

10、isease,AD)、亨廷頓氏舞蹈病(Huntington'sdisease,HD)、肺炎球菌性腦膜炎在內(nèi)的多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān),而NLRP3炎性復(fù)合體在星形膠質(zhì)細(xì)胞及小膠質(zhì)細(xì)胞中存在。星形膠質(zhì)細(xì)胞及小膠質(zhì)細(xì)胞對維持腦組織正常生理功能,應(yīng)對損傷或疾病方面起著重要作用。在病理情況下,IL-1β被星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞迅速的合成、釋放。然而,有研究表明神經(jīng)元同樣與腦外傷后涉及IL-1β的炎癥反應(yīng)有所牽連。Keane RW等人已經(jīng)報道了

11、NLRP1炎性復(fù)合體在腦外傷神經(jīng)元細(xì)胞中的表達(dá)及其可能的作用。因此,我們假設(shè)NLRP3炎性復(fù)合體可能參與了TBI后炎癥反應(yīng)的發(fā)生于調(diào)控。據(jù)我們所知,目前NLRP3炎性復(fù)合體在TBI后腦組織中的表達(dá)尚未有文獻(xiàn)報道,基于此,我們設(shè)計了本項課題,通過建立大鼠TBI模型,及雙氧水(H2O2)刺激星形膠質(zhì)細(xì)胞的體外細(xì)胞損傷模型,來研究TBI后NLRP3炎性復(fù)合體的表達(dá),并闡明其在二次腦損傷中潛在的作用機制。
   目的:
   1

12、.體內(nèi)實驗:
   通過建立大鼠TBI模型,測定創(chuàng)傷后皮層NLRP3、ASC、Caspase-1的表達(dá)量,觀察創(chuàng)傷皮層組織形態(tài)學(xué)改變及NLRP3炎性復(fù)合體的細(xì)胞定位,檢測下游IL-1β的水平,闡明NLRP3在TBI后炎癥反應(yīng)中的作用。
   2.體外實驗:
   原代培養(yǎng)星形膠質(zhì)細(xì)胞,以雙氧水刺激,建立細(xì)胞損傷模型,檢測NLRP3炎性體在體外細(xì)胞中的表達(dá),結(jié)合體內(nèi)實驗,明確NLRP3炎性體在神經(jīng)細(xì)胞炎癥反應(yīng)中的潛

13、在作用。
   方法:
   1.體內(nèi)實驗部分
   1.1分組及模型
   SD成年雄性大鼠(250-300g)72只,采用改進(jìn)的Feeney's自由落體撞擊方法制作重型TBI模型。將大鼠以每千克體重50毫克計量的戊巴比妥鈉腹腔注射麻醉,切開頭皮,在右側(cè)頂骨處以牙鉆打開一個直徑約5mm的骨窗,同時保證硬腦膜的完整。骨窗的中心點位置在前囪后1.5mm,中線旁開2.5mm處。然后把大鼠固定住立體定位儀上,以

14、40克圓柱形撞擊錘從25cm高度沿垂直金屬桿自由下落,建立損傷模型。同時假手術(shù)組僅僅打開骨窗。
   將72只SD大鼠隨機分為6組(每組12只):正常對照組(normal group)、假手術(shù)組(sham group)、創(chuàng)傷性腦損傷組(TBI組)。其中TBI組又按時間點分為:6小時組、1天組、3天組、7天組。在對應(yīng)的時間點給予SD大鼠戊巴比妥鈉腹腔注射麻醉,以預(yù)冷的磷酸鹽緩沖鹽水進(jìn)行左心室灌注,然后斷頭,收集挫傷周圍的腦組織并立

15、即保存在液氮中,存放于-80℃直到使用為止。依據(jù)之前的實驗分析,假手術(shù)組在任何時間點的取材其待測變量變化無明顯統(tǒng)計學(xué)差異,所以我們統(tǒng)一在大鼠開骨窗后6小時取材,并設(shè)為假手術(shù)組。
   1.2全蛋白提取及Western Blot檢測NLRP3,ASC,Caspase1表達(dá)
   將所有標(biāo)本以預(yù)冷的PBS沖洗干凈。分別加入RIPA緩沖液(1% NP40,0.5%sodium deoxycholate,0.1% SDS,1mM

16、 EDTA,1mM EGTA,1 mM Na3VO4,20mMNaF,0.5 mM DTT,1 mM PMSF, and protease inhibitor cocktail in PBS pH7.4)在冰上進(jìn)行勻漿。4℃,12000g,離心15分鐘,取上清液進(jìn)行蛋白定量,加入凝膠電泳上樣緩沖液95℃變性5分鐘。選用10% SDS-PAGE凝膠,每孔上樣100μg。凝膠電泳(濃縮膠120 V,分離膠60 V)后,轉(zhuǎn)印到PVDF膜上(1

17、00 V,90 min)。甲醇浸泡1分鐘后,5%脫脂奶粉(TBST稀釋)室溫下封閉2h,加入兔抗大鼠NLRP3、ASC、Caspase-1抗體(1/200)、兔抗大鼠β-actin單克隆抗體(1/2000)4℃孵育過夜。洗脫,用HRP標(biāo)記的二抗(1/5000)室溫孵育1小時。使用ECL(1/1)化學(xué)發(fā)光檢測,曝光、顯影、定影。
   1.3免疫共沉淀測定ASC與NLRP3的結(jié)合
   依據(jù)上述方法提取全蛋白。取100μg

18、蛋白加入兔抗大鼠ASC抗體(1-2μg/100-500μg蛋白),4℃孵育過夜。加入40μl蛋白G,在水平搖床上,4℃,孵育3小時。1000g離心5分鐘,棄去上清。以免疫沉淀緩沖液洗蛋白G連接的抗原抗體復(fù)合物,離心2-3分鐘,棄上清。重復(fù)此步驟至少5次。以50μl免疫共沉淀洗脫液將抗原抗體復(fù)合物從蛋白G上洗脫下來,離心,收集上清。另用50μl洗脫液孵育膠5分鐘,離心,收上清。將兩個上清混合。跑電泳,轉(zhuǎn)膜,并以兔抗NLRP3抗體檢測。反之

19、,以NLRP3抗體拉沉淀,后用ASC抗體檢測目標(biāo)蛋白。同時以免疫前血清作為對照。
   1.4實時定量PCR(Quantitative real-time PCR)檢測NLRP3、ASC、Caspase-1表達(dá)水平
   按每50~100mg腦組織加1ml Trizol試劑進(jìn)行組織勻漿,在去RNA酶環(huán)境下提取總RNA后,用核酸測定儀檢測RNA濃度(OD260/280比值),提取的RNA經(jīng)反轉(zhuǎn)錄儀逆轉(zhuǎn)錄成eDNA,-20℃

20、保存。以20μl反應(yīng)體系(2μl cDNA,0.4μl ROXReference Dye,10μl SYBR Green I,1μl引物,余為DDH2O)進(jìn)行實時定量PCR。最佳的反應(yīng)條件是反應(yīng)40個循環(huán),每個循環(huán)各期時間為:95℃,30秒;60℃,32秒;72℃,30秒。實驗一主孔兩副孔,以CT值為衡量指標(biāo),以每個目的基因與β-actin基因的比值得出不同時間點各個目的基因相對表達(dá)水平。公式為:R=2[△Ct target(Norma

21、l-TBI)-△Ct actin(Normal-TBI)]。
   1.5免疫組織化學(xué)(immunohistochemistry,IHC)檢測NLRP3、ASC、Caspase-1的表達(dá)及細(xì)胞定位
   10%福爾馬林溶液浸泡的腦組織,以損傷灶為中心,常規(guī)石蠟包埋后進(jìn)行連續(xù)切片,切片厚度4μm,脫蠟,水化,抗原修復(fù)后,正常動物非免疫血清封閉。加入兔抗大鼠NLRP3、ASC、Caspase-1一抗4℃孵育過夜(一抗稀釋比例

22、1/50),洗片后加入1.6%H2O2封閉10分鐘,再加入HRP標(biāo)記二抗室溫下孵育60分鐘后,DAB顯色。
   1.6免疫熒光雙標(biāo)(Immunofluorescent Double Labeling)檢測NLRP3、ASC、Caspase-1的表達(dá)及細(xì)胞定位
   4%的多聚甲醛浸泡腦組織,然后分別用20%及30%的蔗糖溶液脫水。OCT膠包埋后連續(xù)切片,厚度為4μm。0.1% Triton x-100室溫孵育1小時,5

23、%胎牛血清封閉1小時。后用封閉液稀釋的兔抗大鼠NLRP3、ASC、Caspase-1抗體(1∶50)p小鼠抗大鼠NeuN、GFAP、Iba1抗體(1∶100)4℃孵育過夜。PBS輕輕洗到一抗,同時加入Alexa Fluor594山羊抗大鼠二抗(1∶200); Alexa Fluor488山羊抗小鼠二抗(1∶200)室溫孵育1小時。另外加入DAPI對細(xì)胞核進(jìn)行染色。用不加一抗的封閉液作為陰性對照。所有實驗步驟避光操作。熒光顯微鏡觀察并拍照

24、。
   1.7酶聯(lián)免疫吸附測定(Enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)細(xì)胞因子IL-1β水平
   依據(jù)1.2方法提取全蛋白,進(jìn)行蛋白定量,依據(jù)ELISA試劑盒說明書操作。加樣:每孔各加入標(biāo)準(zhǔn)品或待測樣品100ul,將反應(yīng)板充分混勻后置37℃,120分鐘。洗板:用洗滌液將反應(yīng)板充分洗滌4-6次,向濾紙上印干。每孔中加入第一抗體工作液100ul。將反應(yīng)板充分混勻后置37℃60分鐘

25、。洗板:同前。每孔加酶標(biāo)抗體工作液100ul。將反應(yīng)板置37℃30分鐘。洗板:同前。每孔加入底物工作液100ul,置37℃暗處反應(yīng)15分鐘。每孔加入100ul終止液混勻。30分鐘內(nèi)用酶標(biāo)儀在450nm處測吸光值。繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,以測得OD值,參考標(biāo)準(zhǔn)曲線計算IL-1β含量。以皮克每克蛋白質(zhì)表示其含量。
   1.8統(tǒng)計學(xué)分析
   采用SPSS16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。定量資料結(jié)果以例數(shù)、均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差((x)±sd)表示

26、。采用單因素方差分析,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義時進(jìn)行兩兩組間多重比較,若方差齊性,采用LSD檢驗,若方差不齊用Dunnett's T3檢驗。以P≤0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
   2.體外實驗部分
   2.1星形膠質(zhì)細(xì)胞原代培養(yǎng)
   取出生后1天的SD大鼠,斷頭,取雙層大腦皮層,去除軟腦膜和血管,然后將腦組織剪碎,并以0.5%的胰酶,37℃,孵育5分鐘。用含有10%胎牛血清的DMEM/F12培養(yǎng)基終止消化,離心

27、,去除上清,以含20%胎牛血清,1%雙抗的DMEM/F12培養(yǎng)基重懸細(xì)胞沉淀,37℃,5%二氧化碳孵箱中培養(yǎng)。1小時后,將上層培養(yǎng)液轉(zhuǎn)移至新的培養(yǎng)瓶中培養(yǎng),可去除大部分雜細(xì)胞。然后每2-3天換半液,7-10天后細(xì)胞發(fā)生融合。在37℃恒溫?fù)u床中,以150g/分鐘速度振蕩6小時。棄去上清,將余下的貼壁細(xì)胞消化后傳代培養(yǎng),此時絕大多數(shù)細(xì)胞為星形膠質(zhì)細(xì)胞。細(xì)胞傳代2-3次后,即可使用。
   2.2以雙氧水刺激細(xì)胞損傷模型
  

28、 隨機將培養(yǎng)的細(xì)胞分為6組,正常對照組不加H2O2刺激,H2O2組以100μMH2O2刺激細(xì)胞,并分為:1小時、6小時、12小時、24小時、36小時組。在37℃,5%CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。
   2.3全蛋白提取及Western Blot檢測NLRP3,ASC表達(dá)
   方法同體內(nèi)實驗部分1.2
   2.4實時定量PCR(Quantitative real-time PCR)檢測NLRP3、ASC、Caspa

29、se-1表達(dá)水平
   方法同體內(nèi)實驗部分1.4
   2.5免疫熒光(Immunofluorescent)檢測NLRP3、ASC、Caspase-1的表達(dá)
   將透明玻璃片放入培養(yǎng)板中進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng),制作細(xì)胞爬片。4%的多聚甲醛孵育細(xì)胞爬片10分鐘。0.1% Triton x-100室溫孵育15分鐘,1%胎牛血清封閉1小時。用封閉液稀釋的兔抗大鼠NLRP3、ASC、Caspase-1抗體(1∶50);小鼠抗大鼠

30、GFAP抗體(1∶100)孵育2小時。PBS輕輕洗到一抗,加入Alexa Fluor594山羊抗大鼠二抗(1∶200),室溫孵育1小時。另外加入DAPI對細(xì)胞核進(jìn)行染色,不超過1分鐘。用不加一抗的封閉液作為陰性對照。所有實驗步驟避光操作。熒光顯微鏡觀察并拍照。
   結(jié)果:
   1.體內(nèi)實驗部分:
   1.1挫傷周圍腦組織NLRP3、ASC、Caspase-1的mRNA表達(dá)水平
   NLRP3的mR

31、NA水平在損傷后6小時迅速升高,24小時下降,然后逐漸增高并在7天達(dá)到最高。ASC的mRNA水平在損傷后逐漸升高,于第3天達(dá)到頂峰,隨后下降。Caspase-1的mRNA水平在損傷后逐漸升高,在第7天達(dá)到頂峰。
   1.2挫傷周圍腦組織NLRP3、ASC、Caspase-1的蛋白表達(dá)水平
   NLRP3、ASC、Caspase-1-10、Caspase-1-45的蛋白水平損傷后均逐漸升高,并在第7天表達(dá)最高。

32、   在損傷后第3天,免疫共沉淀結(jié)果顯示ASC與NLRP3復(fù)合物的存在。
   1.3免疫組化分析NLRP3、ASC、Caspase-1
   損傷后第3天腦組織免疫組織化學(xué)結(jié)果顯示,損傷側(cè)挫傷灶周圍腦組織中表達(dá)NLRP3、ASC、Caspase-1的陽性細(xì)胞數(shù)明顯多于對側(cè)腦組織細(xì)胞。陽性細(xì)胞主要為神經(jīng)元樣細(xì)胞以及膠質(zhì)樣細(xì)胞。
   1.4免疫熒光分析NLRP3、ASC、Caspase-1
   損傷后

33、第3天腦組織免疫熒光雙標(biāo)結(jié)果顯示,損傷側(cè)挫傷灶周圍神經(jīng)元細(xì)胞數(shù)量較對側(cè)明顯減少;損傷側(cè)星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞較對側(cè)增生、肥大,熒光強度較高。NLRP3、ASC、Caspase-1在神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞中均有表達(dá)。其損傷側(cè)表達(dá)量均較對側(cè)腦組織明顯增多,其中NLRP3及ASC主要在包漿中表達(dá),而Caspase-1在包漿及胞核中均有表達(dá)。
   1.5酶聯(lián)免疫吸附測定挫傷周圍腦組織IL-1β含量
   損傷后挫傷

34、周圍腦組織中IL-1β表達(dá)量在短時間內(nèi)迅速升高,6小時達(dá)到高峰,然后開始逐漸降低,7天時IL-1β表達(dá)量與正常對照組相比無統(tǒng)計學(xué)差異。
   2.體外實驗部分
   2.1 H2O2誘導(dǎo)膠質(zhì)細(xì)胞損傷后NLRP3、ASC蛋白水平變化
   雙氧水刺激后,NLRP3的蛋白水平在損傷后逐漸升高,于第6小時達(dá)到項峰,隨后下降。但各時間點蛋白表達(dá)水平均較對照組顯著增高。
   雙氧水刺激后,ASC的蛋白水平在損傷后

35、逐漸升高,于第12小時達(dá)到頂峰,隨后下降。但各時間點蛋白表達(dá)水平均較對照組顯著增高。
   2.2 H2O2誘導(dǎo)膠質(zhì)細(xì)胞損傷后NLRP3、ASC、Caspase-1 mRNA水平變化
   雙氧水刺激后,NLRP3mRNA水平在損傷后逐漸升高,于第12小時達(dá)到頂峰,隨后下降。但各時間點mRNA表達(dá)水平均較對照組顯著增高。而ASC、Caspase-1水平損傷逐漸升高,在6小時達(dá)到高峰,隨后逐漸下降,各時間點mRNA水平均明

36、顯高于對照組。
   2.3細(xì)胞免疫熒光觀察NLRP3炎性復(fù)合體表達(dá)
   免疫熒光結(jié)果顯示,損傷組NLRP3、ASC、Caspase-1熒光表達(dá)強度均高于對照組。其中NLRP3及ASC在包漿表達(dá),胞核不表達(dá);Caspase-1主要在包漿表達(dá),胞核有部分表達(dá)。
   結(jié)論:在TBI后繼發(fā)性腦損傷中,免疫反應(yīng)與炎癥反應(yīng)具有重要作用。我們在大鼠挫傷周圍腦組織中發(fā)現(xiàn)NLRP3、ASC及Caspase-1的表達(dá)較對照組明

37、顯增高;外傷后NLRP3與ASC聚合形成復(fù)合體;Caspase-1在表達(dá)增高的同時發(fā)生裂解活化,生成10Kda片段;下游細(xì)胞因子IL-1β大量產(chǎn)生。另外我們發(fā)現(xiàn)NLRP3炎性體在腦神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞及小膠質(zhì)細(xì)胞中均有表達(dá),并通過體外原代培養(yǎng)星形膠質(zhì)細(xì)胞,建立雙氧水細(xì)胞損傷模型,發(fā)現(xiàn)NLRP3炎性復(fù)合體在膠質(zhì)細(xì)胞損傷后表達(dá)升高。綜合分激活了NLRP3,使NLRP3與ASC結(jié)合并募集無活性的Caspase-1前體,使其裂解為活化的Caspas

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