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米諾環素滴眼液對小鼠干眼的療效及機制研究

2015-12-07 08:11:18肖啟國周靜周芳李嫻李潔唐羅生劉祖國
中國現代醫學雜志 2015年25期
關鍵詞:小鼠

肖啟國,周靜,周芳,李嫻,李潔,唐羅生,劉祖國

(1.南華大學附屬第二醫院眼科,湖南 衡陽 421001;2.中南大學湘雅二醫院眼科,湖南 長沙 410011;3.廈門大學眼科研究所,福建 廈門 361102)

·論著·

米諾環素滴眼液對小鼠干眼的療效及機制研究

肖啟國1,周靜1,周芳1,李嫻1,李潔1,唐羅生2,劉祖國3

(1.南華大學附屬第二醫院眼科,湖南 衡陽 421001;2.中南大學湘雅二醫院眼科,湖南 長沙 410011;3.廈門大學眼科研究所,福建 廈門 361102)

目的探討米諾環素滴眼液對苯扎氯銨誘導的小鼠干眼的療效及可能機制。方法BALB/c雄性小鼠50只(100眼)使用0.2%的苯扎氯銨滴眼液滴眼誘導干眼。選擇嚴重程度相似的干眼小鼠隨機分為A、B、C、D 4組,分別為0.1%米諾環素滴眼液組、0.5%米諾環素滴眼液組、溶劑組及空白組。在治療前及治療后第1、3及5天,行淚膜破裂時間(BUT)、角膜炎癥指數、角膜上皮熒光素鈉染色檢查。治療結束后摘取小鼠眼球,行HE及過碘酸-希夫染色(PAS),免疫組織化學及免疫熒光檢測角膜組織角蛋白10(K10)的表達,Western blot檢測角組織中白細胞介素-1β(IL-1β)及腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的表達水平,并分析各組的差異。結果共40只小鼠(80眼)入選進行治療實驗,每組10只(20眼)。用藥前各組小鼠BUT、角膜炎癥指數、角膜上皮熒光素鈉染色差異無統計學意義(F=0.19、0.24和0.81;P=0.902、0.869和0.493)。用藥后第3天及第5天,A、B組較C、D組角膜炎癥程度明顯減輕(F=6.57及10.17;P=0.001和0.000),淚膜破裂時間延長(F= 5.71及5.36;P=0.003及0.004)。治療第3天,A、B組較C、D組角膜熒光素鈉染色輕(F=4.42,P=0.009)。HE染色結果顯示A、B組角膜上皮細胞形態較C、D組規整。PAS染色顯示A、B組杯狀細胞數量多于C、D組(F =15.36,P=0.007)。免疫組織化學及免疫熒光結果均顯示A、B組較C、D組K10表達減少(F=162.50,P= 0.000)。Western blot顯示A、B組較C、D組IL-1β、TNF-α表達明顯降低(F=6.84及11.60;P=0.006及0.001)。結論米諾環素對苯扎氯銨誘導的小鼠干眼有一定的治療作用,其機制可能與其抑制眼表炎癥及鱗狀上皮化生有關。

干眼;米諾環素;小鼠;炎癥;鱗狀上皮化生

干眼是一種常見的淚液與眼表多因素疾病,患病率達5%~34%[1]。輕度干眼可引起眼部干澀、燒灼、疼痛、易疲勞等眼部刺激癥狀,若無規范治療,進一步發展可導致角膜上皮持續損害、角膜新生血管形成及眼表鱗狀上皮化生等眼表異常,從而產生視力障礙,甚至致盲[2]。

大量的研究已經證實,眼表炎癥是干眼發病的關鍵環節,抗炎已經成為治療干眼(尤其是中重度干眼)的重要手段[1]。目前治療干眼常用的抗炎藥物主要有皮質類固醇或環孢素A滴眼液等,然而長期使用皮質類固醇滴眼液存在誘發青光眼及白內障的潛在風險,而環孢素滴眼液則存在降低眼表免疫力及刺激性強等缺點[2-3],因此,開發新的安全有效的治療干眼的局部抗炎藥物具有重要的臨床意義。

米諾環素屬第二代半合成長效四環素衍生物,是一種廣譜抗生素,此外,米諾環素還具有抗炎、抑制細胞凋亡、保護神經等多種特性[4-5],尤其是其抗炎特性近年來越來越受重視。目前米諾環素的抗炎作用已被用于治療多種免疫及炎性相關疾病,如類風濕性關節炎、大皰性皮膚病、炎癥性腸炎等[6-8]。在眼部也有報道米諾環素可以抑制視神經炎模型小鼠炎癥基因的表達、減少白細胞粘附及趨化的作用[9]。這些研究表明,米諾環素可對多種組織發揮抗炎作用。然而,米諾環素對干眼的抗炎及治療是否起作用至今未見報道。本研究通過建立苯扎氯銨誘導的小鼠干眼模型,探討米諾環素滴眼液對小鼠干眼的治療效果和可能機制,以便為臨床上開發新的治療干眼的藥物提供理論依據。

1 材料與方法

1.1主要材料與試劑

BALB/C小鼠(上海SLAC實驗動物中心),米諾環素粉劑(Sigma,美國),苯扎氯銨粉劑(Sigma,美國),熒光素鈉液(天津晶明新技術開發有限公司),蘇木素染色試劑(Solarbio,美國),伊紅染色試劑(Solarbio,美國),PAS染色劑(Promega,美國),IL-1β抗體(Abcam,美國),TNF-α抗體(Abcam,美國),K10抗體(Abcam,美國),GADPH抗體(Abcam,美國),熒光二抗FITC(Dako,美國),熒光二抗AlexaFluo488(Dako,美國),蛋白定量試劑盒(BIO-RAD,美國),Westernblot顯色反應劑化學發光法(ECL)試劑盒(BIO-RAD,美國)。

1.2苯扎氯銨溶液及米諾環素滴眼液的配制

1.2.1苯扎氯銨溶液配制簡要步驟稱取0.2 g苯扎氯銨粉末,加入99.8 ml去離子水中,攪拌后放置24 h,待苯扎氯銨粉末完全溶解后,用EP管分裝,置于常溫下保存備用。

1.2.2米諾環素滴眼液配制簡要步驟將等量的去離子水及甘油混勻,根據滴眼液所需濃度不同稱取不同量米諾環素粉末加入到100 ml去離子水及甘油混合液中,充分攪拌溶解,加入磷酸緩沖對調節pH值,使米諾環素滴眼液終濃度分別為0.1%及0.5%。用EP管分裝,置于4℃冰箱避光保存。

1.3實驗過程

1.3.1小鼠干眼模型的構建雄性BALB/c小鼠60只(共120眼),體重18~20 g,健康且無眼表異常。飼養環境:溫度(25±1)℃,相對濕度(60±10)%,模擬燈光晝夜更替(9 AM~9 PM)。其中50只小鼠(100眼)予以0.2%苯扎氯銨溶液滴眼,2次/d(早8∶00,晚18∶00),5μl/次,持續14 d誘導干眼模型[10],剩余10只(20眼)不作任何處理,作為基線對照。

1.3.2小鼠干眼模型的評價及篩選用藥第15天根據淚膜破裂時間淚膜破裂時間(break-up time,BUT)、角膜熒光素鈉染色及角膜炎癥指數評分篩選干眼模型,BUT:在小鼠結膜囊內滴入1%的熒光素鈉溶液1μl,將其瞬目3次后,張大瞼裂,秒表計時,記下最后1次瞬目到角膜出現第1個黑斑的時間。重復3次,取平均值。篩選條件:BUT(2.5±0.5)s。

角膜熒光素鈉染色:小鼠結膜囊內滴入1%的熒光素鈉溶液1滴,1 min后,裂隙燈顯微鏡鈷藍光下觀察角膜上皮熒光素鈉染色情況。評分參照Pauly A等的標準[11],角膜分為4個象限,每象限0~4分,總分為16分。0分:無著染;1分:點狀著染,但少于30個;2分:著染點數多于30個,但不彌散;3分:明顯彌散著染但無斑塊狀染色;4分:斑塊狀染色。篩選條件:角膜熒光素染色總分12分以上。

角膜炎癥指數評分:角膜炎癥指數由3個參數定量組成[12]:中央角膜水腫(0分:無水腫;1分:輕度水腫,虹膜紋理清晰;2分:中度水腫,虹膜紋理不清;3分:嚴重水腫,虹膜瞳孔窺不見);周邊角膜水腫(評分標準同中央角膜水腫);睫狀充血(0分:無充血;1分:有充血帶但其寬度小于1 mm;2分:充血帶寬度在1~2mm之間;3分:充血帶寬度大于2 mm)。分別評分后將3部分指數相加并除以系數9,即為該眼角膜炎癥指數。篩選條件:炎癥指數大于5/9。1.3.3干眼模型的分組及處理根據上述指標選出符合條件的干眼模型小鼠40只(80眼),隨機分為A、B、C及D 4組。其中A組滴用0.1%米諾環素滴眼液,3次/d;B組滴用0.5%米諾環素滴眼液,3次/d;C組滴用不含米諾環素的溶劑(溶劑組),3次/d;D組不予任何處理(空白組)。治療后第1、3及5天分別行BUT、角膜熒光素鈉染色及角膜炎癥指數評分檢查(方法同前),治療5天后處死實驗小鼠,立即摘除眼球,取下相應組織行實驗室檢查。

1.4實驗室檢查

1.4.1HE及PAS染色按照常規病理染色操作。

1.4.2K10免疫組織化學(免疫組化)染色石蠟切片加3%過氧化氫室溫下孵育,以阻斷內源性過氧化氫酶活性,PBS液沖洗;加人一抗K10(1∶300),4℃過夜;PBS液沖洗,加入二抗,室溫下孵育,DAB

顯色,蘇木素復染后封片。

1.4.3K10免疫熒光染色取新鮮眼球組織OCT包埋,液氮預冷后置于-80℃冰箱保存。冷凍切片,冷丙酮固定,PBS洗滌,0.1%TritonX-100透膜;PBS浸洗,5%BSA常溫下封閉;加一抗K10(1∶400),4℃過夜;PBS浸洗,加熒光二抗,室溫濕盒內避光孵育;PBS浸洗,DAPI復染并封片。

1.4.4Western blot蛋白檢測角膜組織充分剪碎勻漿,加入RIPA裂解液裂解,4℃下高速離心,取上清液BIO-RAD蛋白定量試劑盒進行蛋白定量。制備電泳凝膠,加入樣品及Marker,SDS電泳,濕轉法轉膜,脫脂牛奶封閉,加一抗TNF-α抗體(1∶500),IL-1β抗體(1∶500),GADPH抗體(1∶10 000)孵育,4℃低頻搖晃過夜,漂洗濾膜,加入二抗(1∶2 000),常溫下孵育后PBST浸洗,ECL顯影。

1.5統計學方法

使用GraphPad Prism5.01進行數據分析。各個時間點進行組間比較應用單因素方差分析,滿足方差齊性時,采用Tukey顯著性檢驗進行多重比較,非方差齊性時,采用Dunnet-t檢驗進行多重比較。計量資料用均數±標準差(±s)表示,P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1治療前各組小鼠臨床指標情況

治療前A、B、C及D組的眼表炎癥評分、淚膜破裂時間及角膜上皮熒光素鈉染色評分差異均無統計學意義(均P>0.05)。

圖1 用藥3 d后各組干眼小鼠角膜上皮熒光素鈉染色代表性圖片

2.2治療后各組小鼠臨床指標的變化

治療第1天,各組小鼠淚膜破裂時間、角膜熒光素染色及炎癥指數評分差異無統計學意義(均P>0.05)。治療第3及5天,A、B組較C、D組炎癥指數評分降低(F=6.57及10.17;P=0.001,0.000),淚膜破裂時間明顯延長(F=5.71,5.36;P=0.003,0.004)。治療第3天,A、B組較C、D組角膜熒光素鈉染色輕(F=4.42,P=0.009)(見圖1),治療第5天各組差異無統計學意義(F=1.89,P=0.146)。治療第3及5天,A組與B組及C組與D組之間淚膜破裂時間、角膜熒光素染色及炎癥指數評分差異均無統計學意義(均P>0.05)。

2.3治療后各組小鼠角膜HE染色情況

HE染色結果顯示,空白組及溶劑組角膜上皮細胞層出現異常增大的空泡樣細胞,表層上皮欠光滑,角膜基質內見少許炎癥細胞。米諾環素滴眼液治療組角膜上皮相較于空白組及溶劑組角膜上皮細胞形態更規整(見圖2)。

圖2 治療第5天后角膜HE染色圖(×400)

圖3 治療第5天后角膜IL-1β、TNF-αwestern blot檢查結果

圖4 治療第5天各組結膜杯狀細胞密度

2.4米諾環素滴眼液對干眼小鼠角膜TNF-α、IL-1β表達的影響

Western blot結果顯示苯扎氯銨誘導的干眼小鼠角膜炎癥因子TNF-α、IL-1β較正常小鼠明顯增多,而經米諾環素滴眼液治療后,TNF-α、IL-1β表達降低,差異具有統計學意義(F=6.84及11.6;P=0.006及0.001)(圖3)。

2.5米諾環素滴眼液對小鼠干眼眼表鱗狀上皮化生的影響

2.5.1結膜杯狀細胞數量的變化結膜穹隆部石蠟切片行PAS染色顯示,空白組及溶劑組結膜杯狀細胞明顯少于正常結膜,經米諾環素滴眼液治療后結膜杯狀細胞數量增加,差異有統計學意義(F=15.36,P=0.007)(圖4)。

2.5.2K10表達的變化免疫組織化學及免疫熒光染色結果均顯示,正常組角膜上皮基本不表達K10,而空白組及溶劑組小鼠角膜上皮均可見K10的表達,米諾環素滴眼液治療組K10表達少于空白組及溶劑組(F=162.50,P=0.000)(圖5)。

圖5 治療第5天后角膜上皮K10表達情況

3 討論

苯扎氯銨是臨床滴眼液中常用的防腐劑,也是臨床上引起干眼的常見因素。苯扎氯銨誘導的小鼠干眼模型不僅臨床表現類似于人類干眼,而且病理改變也與人類干眼十分相似,包括眼表炎癥、角膜上皮細胞凋亡與鱗狀上皮化生、杯狀細胞的丟失、淚膜穩定性受損等[10]。故本實驗采用苯扎氯銨滴眼液誘導的小鼠干眼模型來探討米諾環素滴眼液對干眼的治療作用及可能機制。

筆者通過對小鼠滴用苯扎氯銨滴眼液14 d,成功地誘導了與LIN等[10]報道類似的小鼠干眼的發生。通過對這些干眼小鼠使用米諾環素滴眼液進行治療,筆者發現米諾環素滴眼液能夠延長干眼小鼠的淚膜破裂時間、減輕角膜上皮熒光素鈉染色及降低角膜炎癥指數評分,證明米諾環素滴眼液對苯扎氯銨滴眼液誘導的小鼠干眼具有一定的治療作用。為進一步證實米諾環素對小鼠干眼的治療作用并探討其可能的機制,筆者從組織病理學及分子生物學水平研究了米諾環素滴眼液對干眼小鼠角膜上皮細胞形態、眼表炎癥及鱗狀細胞化生等的影響。

眼表上皮與淚膜互相依賴和影響。眼表上皮受損不僅是干眼的表現,它反過來又可以加重干眼的發展。本實驗結果顯示,滴用米諾環素滴眼液后,不僅干眼小鼠角膜上皮熒光素鈉染色減輕,而且HE染色發現角膜上皮形態更加規整,說明米諾環素滴眼液可以減輕干眼小鼠角膜上皮的損傷,從而對干眼產生治療作用。

炎癥是干眼發病的關鍵因素。IL-1β與TNF-α是干眼發病中十分常見而重要的炎癥因子。既往的研究已經證實,IL-1β與TNF-α在各種類型的干眼患者及動物模型中均呈現高表達[13]。干眼的結膜及角膜上皮本身均可以產生IL-1β和TNF-α,它們不僅對干眼眼表炎癥的發生及發展具有重要作用,而且其表達水平與干眼的嚴重程度成正相關[14]。這些發現使得IL-1β及TNF-α成為能夠準確反應干眼慢性眼表炎癥的代表性因子。本實驗研究顯示,經苯扎氯銨滴眼液誘導的小鼠干眼角膜中IL-1β及TNF-α表達明顯增加,而米諾環素滴眼液能夠顯著抑制干眼小鼠IL-1β及TNF-α的表達,這與臨床指標檢查米諾環素滴眼液治療組小鼠角膜炎癥指數評分減輕一致。這些數據表明米諾環素滴眼液能夠抑制苯扎氯銨滴眼液誘導的小鼠干眼模型的炎癥反應,其機制可能與米諾環素滴眼液抑制IL-1β、TNF-α等炎癥因子的產生相關,但確切的信號通路尚需進一步研究。

眼表鱗狀上皮化生是中、重度干眼常見的病理改變,也是干眼病情惡化的表現。有研究表明眼表鱗狀上皮化生分為3個階段:①杯狀細胞丟失;②細胞層數增多或表皮細胞增大;③角質化[15]。鱗狀上皮化生從杯狀細胞丟失的基礎上進展而來,最后的結果是使具有分泌功能的非角化上皮化生為無分泌功能的角化上皮。本實驗結果顯示,通過苯扎氯銨滴眼液誘導的干眼小鼠角膜上皮細胞層出現異常增大的空泡樣細胞,結膜杯狀細胞密度明顯降低,反應上皮角化的特異性標志物K10表達陽性[16],說明苯扎氯銨滴眼液誘導的干眼小鼠眼表上皮發生了明顯的鱗狀上皮化生。而滴用米諾環素滴眼液后,角膜上皮細胞形態更加規整,杯狀細胞數目顯著增多,K10的表達明顯減少,表明米諾環素滴眼液能抑制干眼小鼠的眼表鱗狀上皮化生。由于干眼眼表鱗狀上皮化生與眼表長期的炎癥密切相關[17],而米諾環素滴眼液具有抑制干眼眼表炎癥的作用,因此,筆者推測米諾環素滴眼液抑制干眼眼表鱗狀上皮化生,可能與米諾環素滴眼液能夠抑制干眼眼表炎癥有關。

值得注意的是,治療后第5天,米諾環素治療組與空白及溶劑對照組角膜熒光素鈉染色并無差異,可能與小鼠角膜上皮具有較強的自我修復功能,使得隨著時間推移,各組間的角膜熒光素鈉染色差異逐漸不明顯有關。此外,整個實驗中,0.5%米諾環素滴眼液并未表現出比0.1%米諾環素滴眼液更強的治療作用及抗炎效果,可能與本實驗使用滴眼液的制劑工藝不足有關。因為米諾環素是一種呈酸性的脂溶性抗生素,隨著藥物配制濃度的增加,可能存在藥物溶解不充分及藥物的pH值下降,從而降低了藥物的有效治療濃度,增加了藥物對眼表的刺激。因此,改進米諾環素滴眼液的制劑工藝,是接下來亟需研究的課題。

總之,筆者的研究表明,米諾環素滴眼液對苯扎氯銨誘導的小鼠干眼模型具有一定的治療作用,其機制可能與米諾環素能抑制干眼眼表炎癥及減輕眼表鱗狀上皮化生有關。這一結果為開發新的治療干眼的藥物提供了一定的依據。

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(王榮兵 編輯)

Therapeutic effects and mechanism of minocycline eye drops in a murine model of dry eye

Qi-guo XIAO1,Jing ZHOU1,Fang ZHOU1,Xian LI1,Jie LI1,Luo-sheng TANG2,Zu-guo LIU3
(1.Department of Ophthalmology,the Second Affiliated Hospital of University of South China, Hengyang,Hunan 421001,P.R.China;2.Department of Ophthalmology,the Second Xiangya Hospital of Central South University,Changsha,Hunan 410011,P.R.China;3.Eye Institute of Xiamen University,Xiamen,Fujian 361102,P.R.China)

【Objective】To investigate the effects of minocycline eye drops on dry eye in a mouse model induced by topical benzalkonium chloride(BAC)and outline the mechanism.【Methods】Fifty male BALB/c mice were treated with topical administration of 0.2%BAC to induce dry eye.According to clinical evaluations including tear break-up time(BUT),corneal fluorescein staining scores and inflammation index on day(D)15 after the BAC treatment,the similar severity dry eye mice(80 eyes)were selected and randomly divided into four groups:A(0.1% minocycline-treated group),B(0.5%minocycline-treated group),C(solvent-treated group),and D(blank group). Clinical evaluations including BUT,corneal fluorescein staining,and inflammatory index were performed on D1,D3 and D5 after treatment.Eyeballs were collected on D5 and evaluated by histologic investigation,immunostaining using antibodies against cytokeratin 10 in the cornea was performed,and goblet cells were detected by the periodic acid-Schiff(PAS)assay.The levels of IL-1β,TNF-α were measured by Western blot.【Results】Eighty eyes wereincluded in the sequential experiment,20 eyes for each group.There were no clinical differences among the groups before the treatment.Lower inflammatory index scores and longer BUT were recorded on D3 and D5 in minocyclinetreated eyes,and lower corneal fluorescein staining scores were recorded on D3 in minocycline-treated eyes.The expression of cytokeratin 10 was reduced in minocycline-treated eyes.The expressions of IL-1β,TNF-α were inhabited in minocycline-treated eyes.In addition,minocycline relatively increased the number of goblet cells.【Conclusion】Topical minocycline application produced improvements in dry eye,most likely by inhibiting inflammation and squamous metaplasia.

dry eye;minocycline eye drops;mice;inflammation;squamous metaplasia

R772.2;R777.3

A

1005-8982(2015)25-0001-07

2015-05-18

國家自然科學基金(No:81270978);湖南省衛生計劃生育委員會基金(No:2015-57)

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