酪酸梭菌对炎症性肠病小鼠肠黏膜屏障保护机制的研究

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目的:  炎症性肠病(IBD)的发病机制尚未完全清楚。最近的研究认为,IBD的发病可能与肠粘膜屏障破坏有关。IBD在治疗方面多采用类固醇激素、免疫抑制剂及5-氨基水杨酸(5-ASA)类药物,但此类药物不良反应较多且疗效不佳。微生态制剂酪酸梭菌在治疗IBD动物实验和人类UC中均取得了良好的疗效,分析其机制可能与益生菌参与肠道粘膜屏障的保护作用有关。  随着微生物学的发展,应用益生菌(probiotics)治疗或辅助治疗IBD已成为一个新的研究热点。酪酸梭菌属于梭菌属的革兰阳性专性厌氧芽胞杆菌,临床实践证明酪酸梭菌在治疗肠道疾病方面的效果显著,然而其确切的作用机制尚不十分清楚。为明确酪酸梭菌对肠黏膜屏障是否具有保护作用及其机制,本研究应用葡聚糖硫酸钠(DSS)建立IBD动物模型,观察酪酸梭菌对肠上皮细胞紧密连接蛋白(Claudin-1、Claudin-2、occludin和ZO-1)表达的影响,为酪酸梭菌用于IBD的治疗提供理论基础。  方法:  1、DSS诱导的结肠炎模型的建立与分组  50只BALB/c小鼠随机分为正常组、DSS模型组、酪酸梭菌组、5-ASA组、酪酸梭菌联合5-ASA组,每组10只。正常组自由饮水7天,其余四组给予5%DSS自由饮用7天。正常组不予干预,模型组每日给予相应药物灌胃。  2、疾病活动指数积分(DAI)  每日称量小鼠体重、观察大便性质和行隐血试验,按Hamamoto等标准进行DAI积分。  3、组织学损伤积分  应用HE染色观察小鼠结肠粘膜的改变。按照Dielemen积分标准进行组织学损伤积分。每个切片随机选取5个以上高倍视野(X200),取平均值作为组织学损伤积分。  4、肠道细菌培养  在无菌操作下,分别采取从大鼠肛门挤出的新鲜大便,接种到选择性培养基平板上,需氧菌在37℃培养48h,厌氧菌在37℃培养72h,进行活菌计数(cfu/g)。大肠杆菌,双歧杆菌,乳杆菌,肠球菌的培养分别用EMB,BBL,MRS,ES培养基。  5、免疫组化法检测紧密连接蛋白Claudin-1、Occludin、Claudin-2和ZO-1的表达  石蜡包埋块4μm连续切片,应用免疫组化SP法检测Claudin-1、Occludin、Claudin-2和ZO-1的表达,进行显微镜下观察染色的效果,显微镜下(×400)摄片。  6、Western blot法检测紧密连接蛋白Claudin-1、Occludin、Claudin-2和ZO-1的表达以及炎症因子IL-1β、IL-13、IL-10、TNF-α和NF-κB的表达  分别取正常组,DSS造模第3天组,DSS造模第7天组,5-ASA组,酪酸梭菌组以及S-ASA联合酪酸梭菌组小鼠中下1/3结肠组织,以Western blot法检测Claudin-1、Occludin、Claudin-2和ZO-1的表达以及炎症因子IL-1β、IL-13、IL-10、TNF-α和NF-κB的表达。  7、统计学处理  本实验所有数据用均数±标准差表示,利用SPSS17.0分析软件,采用ANOVE方差分析法中SNK和LSD法进行差异性分析,P<0.05提示有统计学意义。  结果:  1、酪酸梭菌对DSS诱导的结肠炎小鼠疾病活动指数及组织学损伤的影响  正常组小鼠一般情况良好,疾病活动指数积分(DAI)在零水平左右;其余4组小鼠在造模第3天出现体质量减轻,毛发无光泽,活动减少,精神萎靡,黏液便,部分小鼠大便尖端有脓等,DAI积分开始升高,并在第7天达到最高;给予5-ASA、酪酸梭菌和5-ASA联合酪酸梭菌治疗后,DAI积分从第5天起较DSS组有所改善(P<0.05),但各治疗组(5-ASA组、酪酸梭菌组和5-ASA联合酪酸梭菌组)之间无统计学差异。肉眼大体组织学观察显示结肠炎症改变从肛门向上呈连续性发展,黏膜可见散在浅溃疡,多位于左半结肠和直肠。  光镜下正常组小鼠结肠黏膜完整,腺体排列整齐,隐窝正常,无炎症细胞浸润和杯状细胞减少;DSS组黏膜缺损,上皮缺失,腺体大多数不完整,排列紊乱,隐窝破坏变形,广泛炎症细胞浸润,主要累及黏膜层,杯状细胞明显减少,组织学损伤积分较正常组明显升高,差异有明显统计学意义(P<0.01);各治疗组(酪酸梭菌组、5-ASA组和酪酸梭菌联合5-ASA组)黏膜缺损较DSS组轻,部分腺体不完整,炎症细胞减少,组织学损伤积分与DSS组相比下降,差异有明显统计学意义(P<0.01);治疗组中,组织学损伤积分分别为:5-ASA联合酪酸梭菌组高于5-ASA组高于酪酸梭菌组,且差异有统计学意义,(P<0.05)。  透射电镜下观察,正常组中紧密连接结构位于肠上皮细胞间顶端,为一致密的发箍样结构,给予DSS造模第3天,即可见紧密连接(TJ)结构模糊,造模7天后TJ出现不同程度的囊状扩张,数目减少,位于TJ下方的缝隙连接增宽,而给予治疗后TJ结构有所恢复,密度增加。  2、酪酸梭菌对DSS诱导的结肠炎小鼠肠道菌群的影响  给予5-ASA,酪酸梭菌和5-ASA联合酪酸梭菌治疗后,大肠杆菌、双歧杆菌无明显增加(P>0.05),而乳杆菌明显增加(P<0.01),肠球菌较DSS组下降(P<0.01)。提示酪酸梭菌有促进肠道内益生菌生长的作用。  3、免疫组化法检测酪酸梭菌对紧密连接蛋白Claudin-1、Occludin、Claudin-2和ZO-1表达的影响  Claudin-1,Claduin-2、occludin和ZO-1均在管腔上皮细胞和隐窝上皮细胞膜及上皮细胞连接处顶端表达,呈栅栏样,组化染色可见棕褐色颗粒沉积。Claudin-1在DSS造模第3天表达下降,在DSS造模第7天与正常组相比棕黄色颗粒明显减少,(P<0.05);给予5-ASA、酪酸梭菌及5-ASA联合酪酸梭菌治疗后,表达较DSS造模第7天组增加,(P<0.05)。Claudin-2在正常组中表达较少,给予DSS造模后第3天管腔上皮细胞和隐窝上皮细胞胞膜可见棕黄色颗粒沉积,DSS造模第7天(与正常组相比,P>0.05),棕黄色颗粒较正常组明显增多(与正常组相比,P<0.05),5-ASA组和酪酸梭菌组Claudin-2的表达较DSS造模第7天组无明显下降(P>0.05),但联合用药组蛋白表达下降,且差异有统计学意义(P<0.05)。Occludin在正常组和造模第3天组均有表达,造模第7天occludin的表达明显减少(P<0.05),5-ASA组、酪酸梭菌组和5-ASA联合酪酸梭菌组occludin表达较DSS造模第7天组增加(P<0.05),且联合用药组occludin出现异位表达,即在管腔上皮细胞和隐窝上皮细胞胞膜和胞浆中均有表达。ZO-1主要在管腔上皮细胞和隐窝上皮细胞胞膜表达,胞浆中亦有少量表达,给予DSS造模第3天,ZO-1的表达明显下降,至DSS造模第7天ZO-1极少表达(P<0.01),5-ASA组、酪酸梭菌组和5-ASA联合酪酸梭菌组表达明显增加(P<0.05)。  4、Western blot法检测酪酸梭菌对Claudin-1,Claudin-2,occludin和ZO-1的影响  Claudin-1在DSS造模第3天表达下降,在DSS造模第7天与正常组相比表达减少,(P<0.05);给予5-ASA、酪酸梭菌及5-ASA联合酪酸梭菌治疗后,表达较DSS造模第7天组增加,(P<0.05)。Claudin-2在正常组中表达较少,给予DSS造模后第3天表达增加,DSS造模第7天呈高表达,5-ASA组和酪酸梭菌组蛋白表达较DSS造模第7天组无明显下降,但联合用药组蛋白表达下降,且差异有统计学意义(P<0.05);Occludin在正常组和造模第3天组均有表达,造模第7天occludin的表达明显减少(P<0.05),5-ASA组、酪酸梭菌组和5-ASA联合酪酸梭菌组occludin表达较DSS造模第7天组增加(P<0.05)。DSS造模第3天,ZO-1的表达下降,至DSS造模第7天ZO-1表达明显下降(P<0.01),5-ASA组、酪酸梭菌组和5-ASA联合酪酸梭菌组表达明显增加(P<0.05)。  5、酪酸梭菌对DSS诱导的结肠炎小鼠结肠组织中细胞因子IL-1β、IL-10、IL-13和TNF-α以及核转录因子NF-κB表达的影响  给予DSS第7天,细胞因子IL-1β、IL-13、TNF-α和NF-κB较正常组均明显升高(P<0.01),而IL-10则较正常组明显下降(P<0.01)。给予5-ASA,酪酸梭菌和5-ASA联合酪酸梭菌治疗后,IL-1β、IL-13、TNF-α和NF-κB均较DSS组明显下降(P<0.01),而IL-10较DSS组升高(P<0.05)。  结论:  1、酪酸梭菌可以缓解DSS诱导的炎症性肠病小鼠急性期症状,修复结肠黏膜损伤。  2、酪酸梭菌可能通过增加紧密连接蛋白Claudin-1、occludin和ZO-1的表达,抑制肠道内炎症因子IL-1β、IL-13、TNF-α以及核转录因子NF-κB的表达,促进具有抗炎症作用的细胞因子IL-10的表达,增加肠道内乳杆菌的生长,抑制肠球菌的生长,从而起到调节肠道菌群的作用。  3、酪酸梭菌联合5-ASA治疗不但可以缓解IBD的症状,还可更好地促进急性期肠黏膜损伤的修复。
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