Drp1介導(dǎo)線粒體能量代謝拮抗大鼠缺血再灌注腎損傷

陳思奇 彭榮東 徐嘉琪 馮俊霞 周曉瑩 張?jiān)品?4 蘇妍妍

1南方醫(yī)科大學(xué)附屬花都醫(yī)院 廣州市花都區(qū)人民醫(yī)院腎病學(xué)科，廣州 510800；2廣州市花都區(qū)清布社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心綜合科，廣州 510800；3南方醫(yī)科大學(xué)附屬花都醫(yī)院 廣州市花都區(qū)人民醫(yī)院腎病實(shí)驗(yàn)室，廣州 510800；4南方醫(yī)科大學(xué)第三臨床學(xué)院，廣州 510515

急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）嚴(yán)重危害人類健康，由其引起的高病死率和嚴(yán)重并發(fā)癥越來(lái)越受到關(guān)注［1］。AKI 發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，缺血再灌注、氧化應(yīng)激、炎癥、血管收縮和細(xì)胞凋亡等多種病理因素參與AKI的發(fā)生、發(fā)展，腎缺血再灌注被認(rèn)為是AKI 發(fā)展的重要原因之一［2-3］。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，阿托伐他汀、黃芪、全反式維甲酸等藥物對(duì)腎臟缺血再灌注損傷有保護(hù)作用，但具體的分子機(jī)制仍有待進(jìn)一步闡明［4-7］。腎臟是機(jī)體排泄代謝廢物、重吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、維持水、電解質(zhì)和酸堿平衡的重要器官，其功能的維持依賴于組織細(xì)胞線粒體提供的能量。由線粒體分裂、融合和線粒體自噬組成的線粒體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài)是維持線粒體正常功能的重要保障，線粒體穩(wěn)態(tài)受損會(huì)引起線粒體功能障礙，導(dǎo)致ATP 生成減少，進(jìn)而引起細(xì)胞正常結(jié)構(gòu)和功能喪失［8］。例如，在AKI 和糖尿病腎病中存在持續(xù)性的線粒體功能障礙，因此線粒體功能障礙被認(rèn)為是AKI 啟動(dòng)和發(fā)展的重要原因［9-10］。線粒體分裂異常是引起線粒體功能障礙的一個(gè)重要因素，正常的線粒體分裂有賴于線粒體動(dòng)力相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）和線粒體分裂因子（mitochondrial fission factor，Mff）這2種蛋白的參與［8］。本課題組先前研究結(jié)果顯示，Drp1 通過(guò)磷酸化促進(jìn)其從細(xì)胞質(zhì)向線粒體表面轉(zhuǎn)位，激活并促使線粒體分裂及碎片化，促進(jìn)缺血再灌注腎損傷［11］。基于此，本研究進(jìn)一步探討選擇性抑制Drp1 蛋白是否參與線粒體能量代謝，并改善缺血再灌注誘導(dǎo)的AKI。

材料與方法

1.材料

1.1.實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 雄性Wistar 大鼠20 只，8～10 周齡，體質(zhì)量0.25～0.30 kg，購(gòu)自中山大學(xué)（實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心東校園），實(shí)驗(yàn)動(dòng)物許可證號(hào)：scxk（粵）2016-0029。飼養(yǎng)于SPF級(jí)，溫度（72±3）℉和空氣（50±20）%相對(duì)濕度控制的動(dòng)物房中，按照12 h光照/黑暗循環(huán)，并給予標(biāo)準(zhǔn)飲食和飲水。

1.2.儀器與試劑 超凈工作臺(tái)（蘇州凈化設(shè)備公司）；5840R 低溫高速離心機(jī)（德國(guó)eppendorf）；5200 凝膠成像系統(tǒng)（Tanon）；IX53 正置顯微鏡（日本奧林巴斯）；血肌酐酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)（ELISA）試劑盒（晶美公司，JM-10435R1）；ATP 酶檢測(cè)試劑盒（南京建成，A016-1）；兔抗大鼠Drp1（英國(guó)Abcam 公司，ab184247）；線粒體提取試劑盒（Solarbio 公司，SM0020）；流式細(xì)胞檢測(cè)儀（美國(guó)BD 公司，F(xiàn)ACSCalibur）；全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀（Multiskan GO，美國(guó)賽默飛）。

2.1.大鼠缺血再灌注腎損傷模型的建立、分組及給藥 8～10 周齡雄性Wistar 大鼠隨機(jī)分為4 組，分別為正常對(duì)照組、假手術(shù)組、模型組和Drp1 抑制劑組，每組5 只。大鼠腹腔注射戊巴比妥鈉（Sigma-Aldrich，P3761）（50 mg/kg 體質(zhì)量）進(jìn)行麻醉，平躺固定后，切開(kāi)皮膚并逐層分離打開(kāi)腹腔，切除右腎，暴露左腎動(dòng)脈后，利用動(dòng)脈夾夾閉，血液逐漸變暗紅，60 min 后松開(kāi)恢復(fù)腎臟血流灌注，觀察腎臟由暗紅變?yōu)轷r紅，表明再灌注成功。Drp1抑制劑組中，參考文獻(xiàn)［12］給 藥 劑 量 ，夾 閉 腎 動(dòng) 脈 前 2 h 腹 腔 注 射Mdivi-1（MedChemExpress，CS-2462）（20 mg/kg 體質(zhì)量），隨后夾閉左腎動(dòng)脈60 min 后松開(kāi)恢復(fù)腎臟血流灌注，而模型組的大鼠夾閉腎動(dòng)脈前用生理鹽水腹腔注射作為對(duì)照；假手術(shù)組大鼠行同樣開(kāi)腹操作，但不夾閉腎動(dòng)脈。關(guān)腹待大鼠腎臟再灌注24 h 后，處死大鼠并留取腎臟組織標(biāo)本和血清標(biāo)本。正常組大鼠不做處理。

2.2.鼠腎臟功能及組織學(xué)評(píng)估 采取鼠尾刺血法對(duì)大鼠尾靜脈取血，離心有效半徑15 cm，3 000 r/min，10 min離心獲得血清，ELISA 測(cè)定血清肌酐水平來(lái)反映各組大鼠腎功能。蘇木精-伊紅（HE）染色用于大鼠腎臟組織學(xué)評(píng)估，即在大鼠麻醉后處死留取0.2 μm 厚腎臟組織依次用4%多聚甲醛（廣州化學(xué)試劑廠，20150101-1）固定，脫水后石蠟包埋，切成0.3 μm 切片，二甲苯脫蠟2 次（10 min/次）；依次用100%、95%、85%、70%梯度乙醇和去離子水去除二甲苯及覆水，每步浸泡5 min，接著用蘇木素和伊紅染色，然后用70%、85%、95%、100%乙醇和二甲苯進(jìn)行脫水通透，通風(fēng)柜中晾干，隨后中性樹(shù)膠封片，最后顯微鏡下觀察。對(duì)腎組織的腎小管損傷情況采用Paller 法評(píng)分法評(píng)估，每個(gè)腎臟HE 染色片子高倍鏡下隨機(jī)選擇10個(gè)視野，按以下標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分：腎小管明顯擴(kuò)張、細(xì)胞扁平1分；刷狀緣損傷1分；刷狀緣脫落2分；腎小管管型2分；腎小管官腔有脫落、壞死細(xì)胞，未成管型1分。

2.3.DNA 斷裂原位末端標(biāo)記法（TUNEL 法）檢測(cè)細(xì)胞凋亡 大鼠腎臟組織石蠟切片，按常規(guī)方法進(jìn)行脫蠟步驟。依據(jù)TUNEL 凋亡檢測(cè)試劑盒（ABP，A050-50T）說(shuō)明書(shū)的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行染色。隨機(jī)選取高倍鏡下10個(gè)視野，統(tǒng)計(jì)被染成綠色細(xì)胞的總數(shù)，結(jié)果表示為凋亡細(xì)胞數(shù)/HPF（放大200倍）。

2.4.腎組織細(xì)胞線粒體形態(tài)學(xué)檢測(cè) 取大鼠新鮮腎組織切成<1 mm 薄片，利用透射電鏡觀察腎小管上皮細(xì)胞中線粒體形態(tài)學(xué)變化。留取新鮮腎組織薄片后用2.5%的戊二醛溶液4 ℃過(guò)夜固定，包括部分腎皮質(zhì)和髓質(zhì)，經(jīng)過(guò)脫水、包埋、固化、切片和3%醋酸鈾-枸櫞酸鉛雙染色后，利用JEM-2100F 透射電子顯微鏡（日本電子株式會(huì)社，JEM-1400PLUS）觀察拍照。

2.5.腎組織細(xì)胞線粒體ATP 酶活力測(cè)定 取大鼠少許新鮮腎組織置于冰上勻漿器內(nèi)，加入1 ml 預(yù)冷裂解液并將組織研磨成勻漿，依據(jù)線粒體提取試劑盒操作步驟經(jīng)多次離心后取得線粒體懸液，BCA 法計(jì)算線粒體蛋白含量。按照ATP 酶活性檢測(cè)試劑盒步驟處理樣本，并在酶標(biāo)儀上檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)磷和待測(cè)樣本在660 nm 的OD 值，校正待測(cè)樣本背景后進(jìn)行計(jì)算Na+-K+-ATP 酶活力。組織線粒體中ATP 酶活力計(jì)算公式：組織中ATP 酶活力（U/mg prot）=（測(cè)定OD值-對(duì)照OD 值）/（標(biāo)準(zhǔn)OD 值）×標(biāo)準(zhǔn)品濃度×樣本測(cè)試前稀釋倍數(shù)×6/待測(cè)樣本蛋白濃度。

2.6.細(xì)胞培養(yǎng)處理和線粒體膜電位檢測(cè) HK-2 細(xì)胞（Chinese Academy of Sciences）培養(yǎng)于37 ℃，5% CO2的細(xì)胞培養(yǎng)箱中，利用含有10% FBS 的DMEM/F12（Hyclone，SH30023.01）培養(yǎng)和接種，培養(yǎng)至匯合率90%后，按照5 ×105細(xì)胞/孔數(shù)量接種于6 孔板中，過(guò)夜待細(xì)胞充分貼壁。正常組細(xì)胞在完全培養(yǎng)液中培養(yǎng)，不作其他改變；對(duì)照組細(xì)胞在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中培養(yǎng)24 h，隨后在完全培養(yǎng)基中繼續(xù)培養(yǎng)2 h，其他條件不作改變；Drp1 抑制劑組細(xì)胞在缺氧之前在含有5 μM Mdivi-1 的基礎(chǔ)培養(yǎng)基中預(yù)處理2 h，隨后Drp1 抑制劑組和模型組細(xì)胞分別更換成基礎(chǔ)培養(yǎng)基后，置于1% O2、5% CO2、94% N2的低氧培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，然后更換成完全培養(yǎng)基中并轉(zhuǎn)移到正常培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)2 h；細(xì)胞經(jīng)上述處理后，用PBS 洗滌2 次，胰酶消化后形成細(xì)胞懸液，按照線粒體膜電位檢測(cè)試劑盒步驟進(jìn)行JC-1 染色，隨后在流式細(xì)胞儀上進(jìn)行分析。

3.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

對(duì)照組采用0.7mm×19mm蝶翼針頭穿刺，直接至患者床旁工作，抽有造影劑高壓注射器（美國(guó)數(shù)控注射器，型號(hào)：MEDRADENVISON CTTM）上連接蝶翼針，排盡注射器內(nèi)空氣實(shí)施常規(guī)靜脈穿刺即可。研究組采用24Gx0.75靜脈留置針（生產(chǎn)企業(yè)：蘇州碧迪醫(yī)療器械有限公司）穿刺，首先穿刺前盡量選擇粗直靜脈血管，同時(shí)穿刺部位上方需加止血袋，常規(guī)局部消毒，保持15～30°角逐步穿刺至患者血管，見(jiàn)回血將套管逐步進(jìn)入血管內(nèi)部，針頭固定且將針芯抽出，最后適量注入生理鹽水即可[1]。

采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量資料符合正態(tài)分布，以（±s）表示，多組間比較用方差分析，以P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.抑制Drp1降低缺血再灌注大鼠血肌酐（圖1）

圖1 抑制Drp1降低缺血再灌注大鼠血肌酐

模型組血肌酐水平［（48.68±2.065）μmol/L］明顯高于正常對(duì)照組［（36.26±4.124）μmol/L］和假手術(shù)組［（41.12±1.895）μmol/L］（P<0.05），這表示大鼠腎臟缺血再灌注造模成功；Drp1 抑制劑組血肌酐水平［（43.28±0.895）μmol/L］低于模型組［（48.68±2.065）μmol/L］（P<0.05）。

2.各組大鼠腎組織病理學(xué)觀察（圖2）

圖2 Drp1抑制劑改善缺血再灌注大鼠病理?yè)p傷。A為HE染色檢測(cè)大鼠腎臟組織病理變化；B為Paller評(píng)分法評(píng)價(jià)腎臟損傷得分情況

光鏡下可見(jiàn)模型組大鼠腎小管上皮細(xì)胞變性、壞死，刷狀緣脫落，管型形成，組織間質(zhì)炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)顯著增加。Drp1抑制劑組病理?yè)p害有所改善。模型組腎小管損傷評(píng)分（Paller 評(píng)分）［（6.50±0.577）分］高于正常對(duì)照組［（1.25±0.500）分］和假手術(shù)組［（1.29±0.426）分］（P<0.05）；Drp1 抑制劑組腎小管損傷評(píng)分［（4.50±0.578）分］低于模型組［（6.50±0.577）分］（P<0.05）。

3.抑制Drp1 減輕腎臟組織細(xì)胞凋亡（每高倍鏡下綠色熒光陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)量）（圖3）

圖3 抑制Drp1減輕腎臟組織細(xì)胞凋亡。A為T(mén)UNEL法檢測(cè)大鼠腎臟組織細(xì)胞凋亡情況；B為每高倍鏡下綠色熒光陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)量

模型組每高倍鏡視野下大鼠腎組織細(xì)胞凋亡數(shù)量［（10.20±1.095）個(gè)］明顯高于正常對(duì)照組［（1.80±0.837）個(gè)］和假手術(shù)組［（2.40±0.547）個(gè)］（P<0.001）；Drp1 抑制劑組每高倍鏡視野下細(xì)胞凋亡數(shù)量［（6.60±1.140）個(gè)］低于模型組［（10.20±1.095）個(gè)］（P<0.05）。

4.電鏡觀察各組腎組織細(xì)胞線粒體結(jié)構(gòu)（圖4）

圖4 透射電鏡觀察大鼠腎臟組織細(xì)胞線粒體結(jié)構(gòu)（紅色箭頭標(biāo)示線粒體位置）

與正常對(duì)照組和假手術(shù)組相比，模型組中線粒體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯損傷，如線粒體空泡、腫脹、嵴斷裂等，而Drp1 抑制劑組線粒體的形態(tài)損傷減輕。

5.腎組織細(xì)胞線粒體ATP酶活力比較（圖5）

圖5 大鼠腎臟組織細(xì)胞線粒體ATP酶活力比較

腎組織細(xì)胞線粒體ATP 酶活力比較中，正常對(duì)照組［（6.49±0.120）U/mg prot］和假手術(shù)組［（6.38±0.321）U/mg prot］高于模型組［（4.18±0.198）U/mg prot］、Drp1 抑制劑組［（5.16±0.628）U/mg prot］，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P<0.05）；與模型組［（4.18±0.198）U/mg prot］比較，Drp1 抑制劑處理后明顯升高了ATP 酶活力［（5.16±0.628）U/mg prot］，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P<0.05）。

6.抑制Drp1降低細(xì)胞線粒體膜電位損傷（圖6）

圖6 抑制Drp1降低細(xì)胞線粒體膜電位損傷

線粒體功能有賴于線粒體膜電位的維持，線粒體膜電位下降是細(xì)胞凋亡早期的一個(gè)標(biāo)志性事件［8］。在體外建立HK-2細(xì)胞缺氧復(fù)氧模型中，Drp1抑制劑干預(yù)處理后得到的結(jié)果和體內(nèi)腎組織細(xì)胞線粒體ATP 酶活力結(jié)果類似，與正常對(duì)照組和假手術(shù)組相比，模型組線粒體膜電位降低的細(xì)胞比例明顯增多，JC-1 標(biāo)記的綠紅熒光比值最高，而Drp1抑制劑組較模型組降低（P<0.05）。

討 論

腎臟的耗氧量和線粒體含量?jī)H次于心臟，是機(jī)體能量需求量最大的器官之一［13-15］。腎臟缺血再灌注后發(fā)生的線粒體功能障礙是促進(jìn)AKI進(jìn)一步發(fā)展的重要因素［10］。本研究結(jié)果表明，動(dòng)物體內(nèi)使用Mdivi-1 選擇性抑制Drp1 可以明顯減輕缺血再灌注引起的腎損傷，大鼠血清肌酐降低，腎小管損傷緩解，細(xì)胞凋亡減少，這與其抑制Drp1 保護(hù)線粒體結(jié)構(gòu)，減輕線粒體膜電位損傷的作用有關(guān)。

線粒體的分裂、融合和自噬組成的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài)是維系線粒體功能的基礎(chǔ)，線粒體的功能與其形態(tài)密切相關(guān)［8］。課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，Drp1 磷酸化過(guò)程參與了缺血再灌注的腎損傷，本研究中，大鼠腎臟缺血再灌注的過(guò)程中選擇性抑制Drp1 保護(hù)了線粒體形態(tài)及功能，相較于模型組的血清肌酐水平最高，Drp1 抑制劑組的血清肌酐水平及電鏡下線粒體損傷程度明顯較模型組大鼠降低，這些表明在腎臟發(fā)生缺血再灌注的外在因素作用下，保持線粒體的形態(tài)及動(dòng)力學(xué)的穩(wěn)態(tài)減輕了腎臟的結(jié)構(gòu)損傷［11］。在模擬體內(nèi)缺血再灌注過(guò)程的缺氧復(fù)氧細(xì)胞模型中進(jìn)一步證實(shí)了該點(diǎn)，即HK-2細(xì)胞在缺氧復(fù)氧后出現(xiàn)線粒體跨膜電位的損傷，而選擇性抑制Mdivi-1 后HK-2 細(xì)胞線粒體膜電位得以部分恢復(fù)。這些結(jié)果與在其他臟器如腦組織和心肌缺血再灌注損傷中觀察到的情形相似［16-17］。

Drp1 不僅是線粒體分裂的重要參與者，還參與了程序性細(xì)胞的死亡途徑，如caspase 依賴性凋亡和調(diào)控性壞死［18-19］。TUNEL 染色陽(yáng)性細(xì)胞是典型的凋亡細(xì)胞，本研究中選擇性抑制Drp1 后大鼠的腎臟組織切片TUNEL 陽(yáng)性染色的細(xì)胞明顯比模型組大鼠的要減少，這可能和其直接抑制Drp1 參與的程序性細(xì)胞凋亡有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)調(diào)控性壞死也參與了AKI 的過(guò)程，但調(diào)控性壞死的機(jī)制及途徑尚不十分清楚，目前認(rèn)為在發(fā)生壞死的過(guò)程中，絲氨酸-蘇氨酸激酶被激活，導(dǎo)致混合譜系激酶域樣蛋白（MLKL）和磷酸甘油酸突變酶家族成員-5（PGAM5）被招募至線粒體表面并激活了Drp1，導(dǎo)致線粒體破碎和細(xì)胞死亡［19-20］。本研究中大鼠腎臟缺血再灌注過(guò)程中選擇性抑制Drp1 后，碎片化的線粒體數(shù)量明顯減少也可能和其減少調(diào)控性壞死的途徑有關(guān)。也有研究認(rèn)為Drp1 和調(diào)控性壞死的相關(guān)性不強(qiáng)，缺血再灌注損傷過(guò)程中鈣超載和親環(huán)素D 介導(dǎo)了線粒體通透性轉(zhuǎn)變孔隙（mPTP）的開(kāi)放，導(dǎo)致了線粒體的碎片化［21］。這些看似相反的觀點(diǎn)提示了腎臟缺血再灌注中線粒體損傷確切的機(jī)制仍有待進(jìn)一步去研究。本實(shí)驗(yàn)使用的選擇性Drp1 抑制劑Mdivi-1 在相關(guān)報(bào)道中有提示其會(huì)抑制電子呼吸鏈復(fù)合體1，從而可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生偏倚。

本研究結(jié)果說(shuō)明了在腎臟發(fā)生缺血再灌注的過(guò)程中，選擇性抑制Drp1 蛋白可減輕線粒體膜電位損傷，保護(hù)線粒體的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)，改善能量代謝障礙，減少細(xì)胞凋亡，減輕腎缺血再灌注損傷。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻(xiàn)聲明陳思奇：實(shí)施研究、采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、起草文章；彭榮東、周曉瑩：實(shí)施研究及數(shù)據(jù)采集；徐嘉琪、馮俊霞：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及對(duì)文章內(nèi)容評(píng)閱；張?jiān)品迹涸O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、行政及材料支持；蘇妍妍：文章撰寫(xiě)、對(duì)文章內(nèi)容審閱、統(tǒng)計(jì)分析、獲取研究經(jīng)費(fèi)、指導(dǎo)