奎寧和甘珀酸對豚鼠腸系膜動脈平滑肌細胞間縫隙連接通道的影響*

張治平，司軍強，李新芝，李麗，魏麗麗，馬克濤

(石河子大學醫學院 1.生理學教研室;2.病理生理學教研室，石河子 832000)

·藥物研究·

奎寧和甘珀酸對豚鼠腸系膜動脈平滑肌細胞間縫隙連接通道的影響*

張治平1，司軍強1，李新芝2，李麗1，魏麗麗1，馬克濤1

(石河子大學醫學院 1.生理學教研室;2.病理生理學教研室，石河子 832000)

目的 觀察奎寧和甘珀酸對腸系膜動脈平滑肌細胞間縫隙連接通道的影響,為探索強效縫隙連接阻斷藥提供實驗依據。方法采用全細胞膜片鉗技術探討奎寧和甘珀酸對豚鼠腸系膜動脈段上平滑肌細胞膜電容、細胞膜電導或細胞膜電阻的影響。結果腸系膜動脈段上平滑肌細胞膜電容和細胞膜電導大約是消化的單個細胞的10倍,提示細胞間存在豐富的縫隙連接通道。奎寧和甘珀酸能夠濃度依賴地減少腸系膜動脈段上平滑肌細胞膜電容和膜電導,抑制細胞膜電導的半數抑制濃度分別為1.56和0.13 mmol·L-1,當奎寧≥3 mmol·L-1或者甘珀酸≥0.3 mmol·L-1時,腸系膜動脈段上平滑肌細胞的膜電容、膜電導或膜電阻與單個細胞的數值十分接近。提示奎寧和甘珀酸能夠完全阻斷細胞間縫隙連接通訊。結論奎寧和甘珀酸能夠濃度依賴地阻斷腸系膜動脈細胞間縫隙連接通道,甘珀酸的抑制效力更強。

奎寧；甘珀酸；腸系膜動脈；縫隙連接；膜片鉗

縫隙連接廣泛存在于多種組織和器官,是細胞間電化學信息傳遞直接通路[1-2]。縫隙連接的基本構成單位是連接子,由6個不同或相同的連接蛋白(connexin,Cx)亞單位環繞,形成一個中心約1.5 nm的孔道,相鄰細胞膜上的兩個連接子對接便形成一個縫隙連接通道。縫隙連接可以允許相對分子質量＜1 000的分子通過。目前發現超過20種連接蛋白表達在不同的組織和器官[1,3],其中在血管微動脈主要表達Cx37、Cx40、Cx43和Cx45[4]。縫隙連接在維持生理功能中發揮著重要作用,尤其在血管舒縮運動的調節中更為突出[4-8]。血管平滑肌細胞和內皮細胞同步化以及血管舒縮信號在內皮細胞和平滑肌細胞之間傳遞都依賴細胞間縫隙連接的完整性[5,9]。為了研究縫隙連接在生理和病理生理狀態下所扮演的角色,需要有特異性縫隙連接阻斷藥。前期研究發現,奎寧和甘珀酸分別可以阻斷培養的神經瘤母細胞和人突變成纖維細胞間的縫隙連接[10-12],但在急性分離的血管微動脈標本上尚無類似研究。本實驗在豚鼠急性分離的腸系膜動脈(mesenteric artery,MA)上應用全細胞膜片鉗技術,觀察奎寧和甘珀酸對血管微動脈平滑肌細胞間縫隙連接的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料 實驗豚鼠,雌雄不拘,新疆維吾爾自治區疾病控制中心動物飼養科提供,動物質量符合一級標準,體質量200～300 g,麻醉狀況下處死后取出腸系膜并置于生理鹽溶液中。生理鹽溶液包括:氯化鈉(NaCl) 138 mmol·L-1,氯化鉀(KCl)5 mmol·L-1,氯化鈣(CaCl2)1.6 mmol·L-1,氯化鎂(MgCl2)1.2 mmol·L-1, 4-羥乙基哌嗪乙磺酸[4-(2-hydroxyerthyl)piperazine-1-erhaesulfonic acid,Na-HEPES]5 mmol·L-1,N-(2-羥乙基哌嗪-N′-(Z-乙磺酸)鈉鹽[N-2(hydroxyethyl)piperazine-N′-2-ethanesulfonicacid,sodiumsalt,HEPES] 6 mmol·L-1,葡萄糖7.5 mmol·L-1。在生理鹽溶液中,迅速取出腸系膜動脈及其分支。

動脈段標本的制備:動脈段標本直徑約100 μm,長約0.4 mm,兩端用細鉑金片固定在培養皿底部,在37℃溫箱中用含1.5 mg·mL-1膠原酶A的生理鹽溶液消化15 min,然后用不含膠原酶的生理鹽溶液置換2次,體顯微鑷下去除結締組織后進行微動脈段全細胞膜片鉗。

單個平滑肌細胞的制備:微動脈置于細胞分離液中20 min,細胞分離液包括:NaCl 142 mmol·L-1,KCl 5mmol·L-1,CaCl20.05mmol·L-1,MgCl21 mmol·L-1,Na-HEPES4mmol·L-1,HEPES 5 mmol·L-1,葡萄糖7.5 mmol·L-1。將微動脈剪成幾段放入消化液后,在37℃溫箱中消化20～25 min,消化液包括:木瓜蛋白酶0.75 mg·mL-1,膠原酶IA 1 mg·mL-1,二硫蘇糖醇0.3 mg·mL-1,牛血清清蛋白3.75 mg·mL-1。1 000 r·min-1離心6 min后棄上清液,加入細胞分離液制成細胞懸浮液,反復替換3次后將液體移至用多聚賴氨酸處理過的培養皿內,靜置30 min使細胞貼壁后進行全細胞膜片鉗實驗。

1.2 全細胞膜片鉗記錄 室溫下進行全細胞膜片鉗實驗。記錄電極阻抗約為5 MΩ,由P-97拉制儀拉制。電極內液包括:K-gluconate 130mmol·L-1,NaCl 10 mmol·L-1,CaCl22.0mmol·L-1,MgCl21.2 mmol·L-1,HEPES 10 mmol·L-1,乙二醇雙(2-氨基乙基醚)四乙酸[Ethylenebis(oxyethylenenitrilo)tetraaceticacid,EGTA]5 mmol·L-1,葡萄糖7.5 mmol·L-1。通過微操縱器觸及到細胞膜后給予負壓形成GΩ封接。補償電極電容后給予瞬時電刺激或者負壓擊破細胞膜,形成全細胞膜片鉗,膜電流用10 kHz低頻濾過[13]。

1.3 實驗藥物 實驗藥物用生理鹽溶液配制,通過開關控制藥物灌流標本,保持灌流速度、溫度和其他成分不變。奎寧和甘珀酸由Sigma公司提供,其余試劑均為國產分析純試劑。

1.4 統計學方法 應用SPSS16.0版統計軟件進行統計學處理,以均數±標準差(±s)表示,組間比較采用t檢驗,以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 動脈段上平滑肌細胞間存在縫隙連接 腸系膜動脈段和單個平滑肌細胞的膜電容、膜電導和膜電阻見表1。動脈段標本上平滑肌細胞膜電容和膜電導大約是消化分離的單個平滑肌細胞的10倍,提示微動脈段標本上平滑肌細胞間存在著縫隙連接通道。

表1 微動脈段上和單個平滑肌細胞的膜電生理特性比較Tab.1 Comparison of character of membrane electrophysiology between arteriole and the dispersed smooth muscle cell ±s

表1 微動脈段上和單個平滑肌細胞的膜電生理特性比較Tab.1 Comparison of character of membrane electrophysiology between arteriole and the dispersed smooth muscle cell ±s

與動脈段標本比較,*1P＜0.01Compared with arteriole samples,*1P＜0.01

膜電生理特性例數膜電阻/MΩ膜電導/nS膜電容/pF動脈段標本12 380±613.17±0.44149.00±23.00單個平滑肌細胞16 2 759±293*10.48±0.045*113.20±0.98*1

2.2 奎寧和甘珀酸抑制動脈段上平滑肌細胞間的縫隙連接 圖1顯示,0.3 mmol·L-1甘珀酸和3 mmol·L-1奎寧都能夠顯著抑制微動脈段上平滑肌細胞的膜電導和膜電容。甘珀酸使細胞膜電導分別從2.43 nS降至0.20 nS,膜電容從97 pF降至12.6 pF;奎寧使細胞膜電導分別從4.68 nS降至0.45 nS,膜電容從132 pF降至14.3 pF。應用單指數方程分別對施加奎寧和甘珀酸前后擬合發現,未應用奎寧和甘珀酸前擬合效果較差(r≤0.90),應用奎寧和甘珀酸后擬合效果很好(r＞0.98),且細胞膜充放電的時間常數也顯著降低。表2總結了應用甘珀酸和奎寧對細胞膜電容、膜電阻和膜電導的影響,結果顯示應用0.3 mmol·L-1甘珀酸和3 mmol·L-1奎寧后上述電生理參數與表1中單個平滑肌細胞的數值十分接近,提示甘珀酸和奎寧可以完全阻斷細胞間的縫隙連接。

此外,給予Ramp電壓刺激發現奎寧和甘珀酸凈電流I/V曲線為線性,且凈電流翻轉電位與細胞靜息電位十分接近(圖2)。提示奎寧和甘珀酸主要抑制細胞間的縫隙連接,減少細胞的膜電導。

圖1 甘珀酸(A)和奎寧(B)對微動脈平滑肌細胞間縫隙連接的抑制作用Fig.1 Inhibition of carbenoxolone(A)and quinine(B)on gap junction channel of arterial smooth muscle cells

表2 奎寧和甘珀酸對動脈段上平滑肌細胞膜電生理特性的影響Tab.2 Effect of quinine and carbenoxolone on electrophysiological characteristics of arterial smooth muscle cells ±s

表2 奎寧和甘珀酸對動脈段上平滑肌細胞膜電生理特性的影響Tab.2 Effect of quinine and carbenoxolone on electrophysiological characteristics of arterial smooth muscle cells ±s

與奎寧對照組比較,*1P＜0.01Compared with quinine control group,*1P＜0.01

藥物與分組例數膜電阻/MΩ膜電導/nS膜電容/pF奎寧對照組6452.00±90.002.79±0.62120.00±11.00處理組62 322.00±551.00*10.58±0.17*115.80±0.69*1甘珀酸對照組6383.00±52.003.74±0.55179.00±44.00處理組62 062.00±622.00*10.60±0.19*117.30±0.93

2.3 奎寧和甘珀酸濃度依賴抑制腸系膜動脈平滑肌細胞間縫隙連接通道 奎寧和甘珀酸對微動脈平滑肌細胞間縫隙連接通道的抑制具有濃度依賴性(圖3), 0.01～3 mmol·L-1奎寧和甘珀酸可以濃度依賴地降低腸系膜動脈段上平滑肌細胞膜電導。奎寧和甘珀酸抑制腸系膜動脈微動脈段上平滑肌細胞膜電導的半數抑制濃度分別是1.56和0.13 mmol·L-1。甘珀酸對微動脈細胞間縫隙連接的抑制效力更強。

3 討論

筆者在本實驗中發現,奎寧和甘珀酸能夠濃度依賴地抑制豚鼠腸系膜動脈段上平滑肌細胞間縫隙連接通道。此結果由以下兩點證實:①奎寧和甘珀酸能夠使微動脈段上平滑肌細胞膜電導和膜電容減少至單個細胞水平;②由Step電壓刺激引起的細胞膜充放電由單指數方程去擬合效果較差,提示更多的細胞通過縫隙連接通道參與了記錄平滑肌細胞膜的充放電過程,而給予奎寧和甘珀酸后記錄細胞與相鄰細胞間的縫隙連接通訊被阻斷后單指數方程則擬合很好[14-15]。

圖2 甘珀酸(A)和奎寧(B)凈電流I/V曲線a,c為未使用甘珀酸和奎寧下平滑肌細胞的I/V曲線;b,d為應用甘珀酸和奎寧后平滑肌細胞的I/V曲線Fig.2 Carbenoxolone(A)and quinine(B)-induced net current I/V curvesa,c.the I/V curves of smooth muscle cells in the absence of carbenoxolone and quinine;b,d.the I/V curves of smooth muscle cells in the presence of carbenoxolone and quinine

圖3 甘珀酸(A)和奎寧(B)濃度依賴的抑制腸系膜動脈段上平滑肌細胞膜電導

前期有報道稱在培養的神經瘤母細胞上奎寧能夠選擇性和可逆的阻斷分別由Cx36和Cx50構成的縫隙連接通道,半數抑制濃度分別為32和73 μmol·L-1。高濃度的奎寧(300 μmol·L-1)亦可阻斷表達Cx45的神經瘤母細胞間縫隙連接通訊。但是對由Cx26、Cx32、Cx40或Cx43組成的縫隙連接通道沒有影響[10-11]。在人突變成纖維細胞系上甘珀酸能夠阻斷細胞間縫隙連接[12]。本研究發現奎寧和甘珀酸能夠濃度依賴和可逆的阻斷腸系膜動脈細胞間縫隙連接通訊,進一步驗證了以上結果。此外,前期的研究結果主要在培養的細胞上進行,所得實驗結果并不能一定適用于在體標本,并且由于不同部位表達連接蛋白的種類和功能存在差異,因此前期所獲結果并不能適用于血管標本。血管微動脈表達Cx37、Cx40、Cx43和Cx45等4種連接蛋白,其中內皮細胞主要表達Cx37、Cx40和Cx43,平滑肌細胞上主要表達Cx37、Cx43和Cx45[4]。結合本實驗結果,筆者推測在腸系膜動脈平滑肌細胞間主要表達由Cx45構成的縫隙連接,傳遞細胞間的電化學信息,保證血管舒縮同步。

縫隙連接是細胞間進行直接物質交換和信息通訊的唯一途徑,能夠允許Na+、K+、Ca2+、H+以及相對分子質量＜1 000的分子(cAMP、Ca2+、IP3)[16]等自由通過。縫隙連接參與了多種正常生理功能,如個體發育、形態發生、細胞增殖/分化/凋亡、細胞周期和信號轉導等。縫隙連接也與血管緊張度的調節密切相關[5],通過縫隙連接電化學信號的直接交流,使血管能夠保持電和機械活動的同步性,對刺激信息作出統一的反應,保證血管功能的穩定和一致。病理情況下,傷害性信息也可通過縫隙連接傳遞至正常細胞引起病理性改變[5],縫隙連接阻斷藥能夠阻止其發生。SALTMAN等[17]報道應用縫隙連接阻斷藥庚醇通過阻斷心肌細胞間的縫隙連接通訊,能夠顯著減少梗死面積。因此,縫隙連接阻斷藥在治療心血管疾病中將會是非常重要的工具。

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DOI 10.3870/yydb.2014.03.002

Effect of Quinine and Carbenoxolone on Gap Junction of Vascular Smooth Muscle Cells in Guinea Pig

ZHANG Zhi-ping1,SI Jun-qiang1,LI Xin-zhi2,LI Li1,WEI Li-li1,MA Ke-tao1
(1.Department of Physiology; 2.Department of Pathophysiology,School of Medicine,Shihezi University,Shihezi 832000,China)

Objective To investigate the influence of quinine and carbenoxolone on gap junction channel in vascular smooth muscle cells of acutely isolated mesenteric artery(MA)segments in support of the development of gap junction inhibitors.MethodsThe whole-cell patch clamp was used to study the effect of quinine and carbenoxolone on membrane input capacitance (Cinput),membrane input conductance(Ginput)or membrane input resistance(Rinput)of vascular smooth muscle cells embedded in arteriole segments.ResultsThe Cinput and Ginput of in situ cells of MA were about 10 times of the dispersed cell.Quinine and carbenoxolone concentration-dependently and reversibly suppressed Ginput or increased Rinput,with a half maximal inhibitory concentration(IC50)of 1.56 mmol·L-1and 0.13 mmol·L-1in acutely isolated MA segments,respectively.After application of quinine(≥3 mmol·L-1)or carbenoxolone(≥0.3 mmol·L-1),the Cinput,Ginput and Rinput of the in situ cells were very close to the single dispersed cell in MA.ConclusionQuinine and carbenoxolone inhibit gap junction channel in vascular smooth muscle cells of MA in a concentration-dependent manner,in which carbenoxolone is more powerful than quinine.

Mesenteric artery;Quinine;Carbenoxolone;Gap junction;Patch clamp

R331.3;R965

A

1004-0781(2014)03-0279-05

2013-05-14

2013-06-20

*國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(2012CB526600);國家自然科學基金資助項目(31100829, 31260247,81260519,81000411)

張治平(1977-),男,甘肅定西人,主治醫師,碩士,研究方向:循環生理。電話:0993-2858458,E-mail：746691675@qq.com。

馬克濤(1979-),男,河北唐山人,副教授,博士,研究方向:循環生理。電話:0993-2057137,E-mail：maketao@hotmail.com。