Gas6/Mer通路在石英致小鼠肺部炎症及纤维化中的作用及机制研究

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长期吸入石英粉尘是职业病矽肺的病因,但其致病机制仍不十分清楚。石英粉尘吸入体内后,可引起肺组织的持续性炎性反应,并且随着暴露时间延长,引起肺组织弥漫性纤维化病变,最终形成矽肺。本课题组前期研究发现,生长停滞特异性蛋白6(Growth arrest-specific protein 6, Gas6)及其酪氨酸激酶受体TAM家族(Mer,Axl和Tyro3)参与调节石英引起的肺组织炎症和纤维化病变,结果提示Gas6/TAM通路可能在矽肺病程中起到关键性的作用。本实验在分析石英染尘后小鼠肺部和外周血中Gas6水平变化的基础上,通过基因敲除技术分别建立Gas6和Mer受体基因敲除小鼠的石英染尘模型,分析Gas6和Mer受体缺失对石英引起的肺部炎性因子和纤维化相关蛋白表达水平的影响,阐明Gas6/Mer通路在石英导致的肺部炎性反应和纤维化病理过程中的作用机制,为防控矽肺发病和治疗寻找新的作用靶点。
  第一部分石英暴露对小鼠肺泡灌洗液和外周血清中Gas6表达水平的影响
  目的:探讨石英对染尘后不同时间点的野生型(Wild type, WT)小鼠肺泡灌洗液(Bronchoalveolar lavage fluid, BALF)和外周血清中Gas6水平的影响。
  方法:采用单次石英粉尘悬液气管内滴注的方式建立小鼠石英染尘模型。将48只体重18-22g的雄性WT小鼠随机分为两组,每组24只。两组分别为:对照组,滴注无菌生理盐水;石英组,滴注等体积石英粉尘悬液。在染尘后第7d、28d和84d,随机选取8只小鼠处死,并收集外周血和BALF。用酶联免疫吸附试验法(Enzyme-linked immuno sorbent assay, ELISA)测定血清和BALF中Gas6的水平。
  结果:在染尘后第7d,BALF中Gas6水平(6887.15 pg/ml)显著高于其对照组(3441.45 pg/ml),差异有统计学意义(P<0.05),并且Gas6的水平随着染尘后时间延长基本维持不变。在染尘后第7d,石英组小鼠血清中Gas6的水平(1317.81 pg/ml)相较于对照组(473.95 pg/ml)明显上升,差异有统计学意义(P<0.05);在染尘后第28d和84d,血清中Gas6的水平相较于染尘后第7d有所下降,但仍然高于相同时间点对照组,且差异有统计学意义(P<0.05)。
  结论:单次石英暴露可引起小鼠肺组织局部Gas6水平持续升高,提示Gas6可能在石英所致矽肺病程中发挥了重要作用。
  第二部分Gas6基因敲除对石英致小鼠肺损伤、炎症和纤维化的影响及其机制研究
  目的:探究小鼠Gas6基因敲除对石英致肺损伤、肺部炎性反应和纤维化的影响及其相关机制。
  方法:采用单次气管内滴注石英粉尘悬液的方式进行小鼠石英染尘。用Gas6基因杂合子(Gas6+/-)小鼠雌雄交配,对子代小鼠进行基因型鉴定,得到Gas6基因敲除(Gas6-/-)小鼠及其同窝WT小鼠用于实验。WT小鼠和Gas6-/-小鼠各48只,随机分为对照组和石英组,分别滴注等体积的生理盐水和石英粉尘悬液,具体组别为:WT对照组、WT石英组、Gas6-/-对照组、Gas6-/-石英组。在染尘后第7d、28d和84d,随机选取8只小鼠处死采样,检测以下指标:
  I.用微量酶标法检测BALF中总蛋白(Total protein, TP)、乳酸脱氢酶(Lactate dehydrogenase, LDH)、碱性磷酸酶(Alkaline phosphates, AKP)和酸性磷酸酶(Acid phosphatase, ACP)水平,观察石英对肺组织和细胞结构的损伤程度。
  II.对BALF中的炎性因子白介素(Interleukin, IL)-1β、肿瘤坏死因子(Tumor necrosis factor, TNF)-α和单核细胞趋化蛋白(Monocyte chemoattractant protein, MCP)-1表达水平进行ELISA检测,结合肺组织苏木精-伊红(Haematoxylin-eosin, H&E)染色和炎性评分,评价肺组织炎性反应;通过肺组织免疫组化(Immunohistochemistry, IHC)染色、实时荧光定量PCR(Real-time quantitative PCR, RT-PCR)和蛋白质印迹法(Western blot, WB)的方法,检测F4/80表达水平来观察肺组织中巨噬细胞数量。
  III.肺组织病理切片后进行Masson染色并对染色进行纤维化评分,观察肺组织胶原沉积程度;在mRNA和蛋白水平上检测纤维化相关因子(Fibronectin和Collagen?)的表达水平,用于评价肺纤维化水平;测定上皮-间质转化(Epithelial-mesenchymal Transition, EMT)相关因子(TGF-β、E-cadherin和α-SMA)的mRNA和蛋白水平,探寻Gas6对石英粉尘所致肺纤维化的影响。
  IV.对各组小鼠肺组织TAM受体(Mer、Axl和Tyro3)的mRNA和蛋白水平进行RT-PCR和WB检测,探讨Gas6基因敲除对石英染尘小鼠肺组织TAM受体的影响。
  结果:
  I.Gas6基因敲除对石英引起的肺损伤的影响:与WT对照组相比,WT石英组小鼠BALF中TP、LDH、AKP和ACP水平在染尘后第7d、28d和84d均显著升高,差异有统计学意义(P<0.05)。Gas6-/-石英组小鼠BALF中TP、LDH、AKP和ACP水平随着染尘后时间延长维持在较低水平,与WT石英组相比,差异有统计学意义(P<0.05)。
  II.Gas6基因敲除对石英引起的肺部炎症的影响:(1)肺组织H&E染色显示,WT石英组小鼠肺组织在染尘后第7d、28d和84d均出现不同程度的炎性细胞浸润和肉芽肿,其评分高于WT对照组,且差异有统计学意义(P<0.05);Gas6-/-石英组小鼠的炎性病变和评分在染尘后3个时间点均低于同期WT石英组,差异有统计学意义(P<0.05)。(2)与WT对照组相比,WT石英组小鼠BALF中IL-1β、TNF-α和MCP-1含量在染尘后第7d、28d和84d均显著升高,差异有统计学意义(P<0.05);与WT石英组相比,Gas6-/-石英组小鼠IL-1β和TNF-α含量在染尘后第28d和84d显著降低,MCP-1含量在染尘后第7d和28d显著降低,差异均有统计学意义(P<0.05)。(3)肺组织IHC染色及定量显示,WT石英组小鼠肺组织巨噬细胞标志物F4/80水平在染尘后3个时间点上较同期对照组显著升高,差异有统计学意义(P<0.05);Gas6-/-石英组小鼠F4/80水平在染尘后3个时间点上较同期WT石英组下降,差异有统计学意义(P<0.05)。同时,WT石英组小鼠F4/80的mRNA水平在染尘后第7d和28d显著升高,与WT对照组相比,差异有统计学意义(P<0.05);Gas6-/-石英组小鼠F4/80的mRNA水平在3个时间点上较同期WT石英组明显下降,差异有统计学意义(P<0.05)。WB结果显示,WT石英组小鼠F4/80的蛋白表达水平在染尘后第7d、28d和84d显著升高,与WT对照组相比,差异有统计学意义(P<0.05);Gas6-/-石英组小鼠F4/80蛋白表达水平在3个时间点上较同期WT石英组明显下降,差异有统计学意义(P<0.05)。
  III.Gas6基因敲除对石英引起的肺部纤维化的影响:(1)小鼠肺组织病理切片Masson染色显示,WT小鼠在染尘后第28d和84d有明显的胶原沉积,其纤维化评分明显高于WT对照组,且差异有统计学意义(P<0.05);Gas6-/-石英组小鼠的上述病变较同期WT石英组小鼠明显减轻,差异有统计学意义(P<0.05)。(2)WT石英组小鼠Fibronectin的mRNA水平在染尘后3个时间点上显著升高,Collagen?的mRNA水平在染尘后第7d和84d显著升高,与同期WT对照组相比,差异均有统计学意义(P<0.05);Gas6-/-石英组的以上2个指标mRNA水平较同期WT石英组显著降低,差异有统计学意义(P<0.05)。石英组(WT小鼠、Gas6-/-小鼠)小鼠肺组织Fibronectin和Collagen?的蛋白水平在染尘后第28d和84d显著高于相应对照组,差异有统计学意义(P<0.05);Gas6-/-石英组的以上2个指标蛋白水平较WT石英组明显下降,差异有统计学意义(P<0.05)。(3)EMT相关指标结果显示,WT石英组小鼠TGF-β和α-SMA的mRNA和蛋白水平随着染尘后时间延长而上升,E-cadherin的mRNA和蛋白水平随着时间延长下降,并在染尘后第28d和84d与同期WT对照组相比,差异均有统计学意义(P<0.05);Gas6-/-石英组小鼠的上述EMT相关指标的表达水平明显逆转,TGF-β和α-SMA水平下降,E-cadherin水平升高,并在染尘后第28d和84d与WT石英组相比,差异均有统计学意义(P<0.05)。
  IV.Gas6基因敲除对石英染尘小鼠肺部TAM受体表达水平的影响:WT小鼠在染尘后第7d、28d和84d肺组织中Mer的mRNA和蛋白水平均显著高于其对照组,而Gas6-/-石英组小鼠Mer的mRNA和蛋白水平在染尘后3个时间点上与同期WT石英组相比明显下降,差异均有统计学意义(P<0.05)。此外,各组小鼠肺组织Axl和Tyro3的mRNA和蛋白水平无明显差异。
  结论:Gas6基因敲除可明显缓解石英引起的小鼠肺损伤、肺组织炎性反应和纤维化病变,可能机制是抑制石英对肺内巨噬细胞募集过程并且抑制石英导致的肺组织EMT过程;Gas6基因敲除可明显抑制石英引起的肺组织Mer受体过表达,表明Gas6具备一定调节Mer受体表达的作用,因此,我们下面通过基因敲除Mer受体探讨其在石英致小鼠肺部炎症和纤维化中的作用。
  第三部分Mer受体基因敲除对石英致小鼠肺损伤、炎症和纤维化的影响及其机制研究
  目的:探究Mer受体基因敲除对石英致小鼠肺组织和细胞结构损伤、肺部炎症和纤维化的作用及其机制。
  方法:采用Mer基因杂合子(Mer+/-)小鼠雌雄交配,对子代小鼠进行基因型鉴定,得到Mer基因敲除(Mer-/-)小鼠和同窝WT小鼠进行实验。WT小鼠和Mer-/-小鼠各48只,随机分为对照组和石英组,分别滴注等体积的生理盐水和石英粉尘悬液,具体组别为:WT对照组、WT石英组、Mer-/-对照组、Mer-/-石英组。在染尘后第7d、28d和84d,每组随机选取8只小鼠处死取样。检测各组小鼠BALF中TP、LDH、AKP和ACP水平,观察Mer基因敲除对石英致肺损伤的影响。检测各组小鼠炎性相关指标(H&E染色及炎性评分、BALF中IL-1β、TNF-α和MCP-1浓度,以及肺组织中F4/80的IHC、mRNA和蛋白水平),评价肺组织炎性反应。利用Masson染色及其评分、检测肺组织中Fibronectin和Collagen?的mRNA和蛋白水平,评价各组小鼠肺组织纤维化程度;检测TGF-β、E-cadherin和α-SMA的mRNA和蛋白水平,探讨Mer基因敲除后对EMT通路的影响。检测方法同第二部分。
  结果:
  I.Mer基因敲除对石英引起的肺损伤的影响:在染尘后第7d、28d和84d,WT石英组小鼠BALF中TP、LDH、AKP和ACP水平显著高于同期WT对照组,差异有统计学意义(P<0.05);Mer-/-石英组小鼠的以上4个指标的表达水平在染尘后3个时间点低于同期WT石英组,差异有统计学意义(P<0.05)。
  II.Mer基因敲除对石英引起的肺部炎症的影响:(1)H&E染色显示,WT石英组小鼠在染尘后第7d、28d和84d肺组织均出现明显的炎性病变,且3个时间点的炎性评分高于同期WT对照组,差异有统计学意义(P<0.05);Mer基因敲除可显著减轻石英引起的炎性病理改变,且Mer-/-石英组小鼠炎性评分低于同期WT石英组,差异有统计学意义(P<0.05)。(2)ELISA结果显示,WT石英组小鼠BALF中IL-1β、TNF-α和MCP-1水平在染尘后3个时间点均显著高于同期WT对照组;与WT石英组相比,Mer-/-石英组小鼠IL-1β水平在染尘后3个时间点均显著降低,TNF-α水平在染尘后第28d和84d显著降低,MCP-1水平在染尘后第7d和28d显著降低,差异均有统计学意义(P<0.05)。(3)各组小鼠肺组织F4/80的IHC染色及WB结果显示,WT石英组小鼠F4/80水平在染尘后3个时间点均高于WT对照组,且在染尘后第28d最高,差异有统计学意义(P<0.05);Mer-/-石英组小鼠F4/80水平在染尘后3个时间点均低于同期WT石英组,差异有统计学意义(P<0.05)。
  III.Mer基因敲除对石英引起的肺部纤维化的影响:(1)在染尘后第28d和84d,WT石英组小鼠肺组织病理染色可见明显胶原沉积,与WT对照组相比,其纤维化评分明显升高,差异有统计学意义(P<0.05);该病理改变在Mer-/-石英组小鼠中减轻,且评分低于WT石英组,差异有统计学意义(P<0.05)。(2)在染尘后第28d和84d,与相应对照组相比,WT石英组小鼠肺组织中Fibronectin和Collagen?的蛋白水平显著升高,差异有统计学意义(P<0.05);与WT石英组相比,Mer-/-石英组以上2个指标的表达水平下降,差异有统计学意义(P<0.05)。(3)石英可诱发WT小鼠肺组织EMT,表现为WT石英组小鼠在染尘后第28d和84d肺组织TGF-β和α-SMA的mRNA和蛋白水平升高、E-cadherin的mRNA和蛋白水平下降,与WT对照组相比,差异有统计学意义(P<0.05);Mer基因敲除可明显逆转石英引起的EMT,在染尘后第28d和84d,以上3个指标的mRNA和蛋白水平与WT石英组相比,差异有统计学意义(P<0.05)。
  结论:Mer基因敲除可显著改善石英粉尘引起的肺部细胞损伤、炎性反应和纤维化病变;Mer受体与其配体Gas6在石英致小鼠肺部炎性和纤维化中具有类似的作用,Gas6或Mer基因敲除可能通过抑制巨噬细胞聚集和EMT过程,发挥其抑制炎性反应和纤维化的作用。
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