脓毒症肺损伤小鼠模型中肺组织lncRNA表达谱分析及GM33647在肺泡巨噬细胞中的功能研究

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目的脓毒症(sepsis)是一种由感染引起的免疫反应失调,导致危及生命的多器官功能障碍,主要表现为持续的过度炎症反应和免疫抑制。由于脓毒症早期缺乏特异性的症状,导致诊断和治疗延迟,尽管现代医疗的进步及新型药物的研发,改善了脓毒症相关的症状和预后,但是脓毒症在重症监护中仍然是患者死亡的主要原因之一。急性肺损伤(Acute Lung Injury,ALI)是脓毒症最常见的并发症,主要特征是肺顺应性降低、低氧血症和肺水肿,会导致脓毒症预后不良。探索脓毒症肺损伤相关生物标志物有助于脓毒症肺损伤的早期诊断和及早治疗,改善脓毒症患者预后;研究脓毒症肺损伤的发病机制有助于为治疗脓毒症肺提供理论基础和潜在的作用靶点。故脓毒症肺损伤模型的建立,可以为脓毒症肺损伤相关研究提供模型基础。方法以C57BL/6小鼠为研究对象,将6-8周龄C57BL/6小鼠40只随机分组,分为假手术组和脓毒症模型组,其中每组10只,用于生存率分析,余下每组10只小鼠用于脓毒症模型的标本采集。本研究采用盲肠结扎穿孔的方法建立脓毒症模型(cecal ligation and puncture,CLP)。假手术组除不进行结扎和穿孔,其余操作与脓毒症模型组一致。持续观察小鼠5天的存活数量,用于生存率分析,绘制生存率曲线。小鼠在手术24小时后采集标本:(1)用ELISA检测各组小鼠血清及肺泡灌洗液中炎症因子IL-6、IL-1β和IL-10的表达水平;用生化法检测血清中谷草转氨酶(AST)、谷丙转氨酶(ALT)、尿素氮(BUN)和肌酐(Cr)的表达水平;(2)用蛋白定量试剂盒(BCA法)检测蛋白质含量,肺泡灌洗液中的细胞数通过细胞计数评估。(3)收集小鼠肺组织、肝组织和肾组织,用苏木精-伊红染色(HE)对相应组织进行形态学分析。结果脓毒症模型组小鼠生存率在手术后12小时下降10%,24小时显著降低40%,24~48小时降低40%,5天生存率为10%,假手术组生存率为100%。(1)与假手术组对比,脓毒症模型组小鼠血清中的IL-6和IL-10表达水平显著升高;(2)与假手术组对比,脓毒症模型组小鼠肺泡灌洗液中IL-6、IL-1β和IL-10显著升高;蛋白质含量和细胞数显著升高;(3)与假手术组对比,脓毒症模型组小鼠血清中谷草转氨酶、谷丙转氨酶、尿素氮和肌酐的表达水平显著升高;(4)形态学分析发现在脓毒症模型组,小鼠肺组织肺泡壁显著增厚,出现大量炎症细胞浸润和肺泡腔出血;肝组织中存在大量肝细胞水肿,排列紊乱,细胞坏死和炎症细胞浸润;肾组织中肾小管刷状缘破裂消失,肾小管出血,肾小管细胞坏死,并伴随大量炎症细胞浸润。结论:本研究提示12~48小时脓毒症模型死亡率达80%,小鼠生存率显著下降,24小时生存率约60%。脓毒症建模手术后24小时的小鼠血清中炎症因子表达水平显著升高,肝组织和肾组织均表现出急性损伤的特点,血清中损伤相关蛋白显著提高,组织形态学异常,组织内炎症细胞大量浸润,细胞坏死,提示了多器官功能障碍的存在。同时,在脓毒症模型组小鼠肺肺泡灌洗液中炎症因子显著升高,蛋白含量增加,细胞渗出数量增加,肺组织形态学改变并伴随大量炎症细胞浸润,表明脓毒症肺损伤小鼠模型建立成功。目的脓毒症肺损伤的相关机制目前仍不清楚。相关研究指出长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)可能在脓毒症的发生发展过程中具有重要的调节作用。部分在其他领域已证实相关功能的lncRNA在脓毒症相关肝损伤、肾损伤及肺损伤中都具有调节功能。鉴于lncRNA在人体各组织和血液中的丰富度,lncRNA是一种适合作为疾病生物标志物的分子,也有研究表明lncRNA几乎涉及所有的生命活动,具有广泛的调节作用。然而,在脓毒症肺损伤中,肺组织中lncRNA的表达图谱仍未探索。LncRNA表达图谱分析可以为脓毒症肺损伤提供相关机制研究的理论依据,探索lncRNA的调控机制可以为脓毒症肺损伤的治疗提供潜在的作用靶点。因此,本研究拟通过芯片测序的方法探索lncRNA表达图谱,并通过生物信息学分析预测相关lncRNA潜在的生物功能和调控机制。方法本研究通过芯片测序的方法,对脓毒症肺损伤小鼠模型肺组织进行lncRNA和mRNA测序。(1)通过R语言,以差异倍数(FOLD change,FC)≥2和p<0.05作为标准,筛选差异性表达的lncRNA和mRNA,通过聚类分析,绘制火山图和热图。(2)对差异表达的lncRNA和mRNA进行GO和KEGG通路分析,预测lncRNA的潜在功能。(3)通过lncRNA和mRNA共表达分析,探索相关调控网络,并建立共表达关系网,找出潜在的核心lncRNA。(4)对核心lncRNA进行GO和KEGG通路分析,分析潜在的调控通路,为下一步验证提供依据。(5)采用qPCR方法验证芯片结果的可靠性。结果(1)测序结果表明共筛选差异性表达lncRNA353个,其中233个上调,120个下调;差异性表达mRNA 3116个,其中上调1378个,下调1738个;(2)差异表达的mRNA GO分析结果表明,主要富集于炎症反应过程,参与细胞因子激活的功能,KEGG通路分析富集于葡萄球菌感染、血细胞分群、细胞因子及其受体的相互作用通路等;差异表达的lncRNA GO分析表明富集于金属离子结合、转录调控等功能,参与转录,调控转录过程,KEGG通路分析富集于Notch通路,细胞黏附因子和mTOR信号通路等;(3)共表达关系网表明lncRNA GM33647可能是核心基因;(4)GM33647 GO分析富集于LPS相关反应、中性粒细胞趋化反应,炎症细胞迁移和炎症反应等;KEGG通路富集于TNF信号通路、PI3K-Akt信号通路和NF-kappa B信号通路等;(5)qPCR表明在脓毒症肺组织中验证差异表达lncRNA的结果与测序结果一致,芯片数据可靠。结论本研究探索了脓毒症肺损伤中lncRNA和mRNA表达图谱,筛选出了差异性表达的lncRNA和mRNA。在脓毒症肺损伤小鼠肺组织中,qPCR验证结果表明芯片结果可靠。GO和KEGG信号通路分析提示lncRNA可能涉及脓毒症肺损伤过程中的相关炎症通路,并进一步探索了共表达关系网,筛选lncRNAGM33647作为目的基因,进行下一步功能探索。目的研究表明在脓毒症发病发展过程中,巨噬细胞分泌大量炎症因子,引起组织细胞损伤,巨噬细胞的凋亡和焦亡都会对脓毒症预后产生不良影响,故脓毒症相关研究部分集中于巨噬细胞的相关功能。在脓毒症肺损伤过程中,肺泡巨噬细胞对肺泡细胞,肺组织成纤维细胞等都具有显著影响,其分泌的大量炎症因子持续对肺组织起损伤作用,因此在脓毒症肺损伤中,对肺泡巨噬细胞的相关机制研究是十分重要的。我们已经筛选了 lncRNA GM33647作为研究对象,为进一步探索它在脓毒症肺损伤的潜在功能,我们选取小鼠肺泡巨噬细胞系进行研究,拟确定lncRNA GM33647在脓毒症肺损伤中的功能和潜在机制。方法(1)利用LPS对小鼠肺泡巨噬细胞系(MH-s)进行刺激,建立脓毒症细胞模型,通过CCK8检测细胞增殖,qPCR检测IL-6表达水平,并观察细胞形态改变;(2)利用LPS和尼日利亚菌素盐共同刺激建立NLRP3炎症小体激活细胞模型,通过qPCR验证IL-1β、IL-18和Caspase-1;(3)在细胞模型中验证lncRNA GM33647的表达水平;(4)采用小RNA干扰方法对GM33647进行敲减,利用细胞荧光探索siRNA转染的最佳浓度及脂质体的最佳使用浓度;通过qPCR验证siRNA对GM33647的敲减效率,选取最佳siRNA;(5)在脓毒症细胞模型中敲减GM33647,用qPCR检测IL-6、IL-10和TNF-α表达水平,JC-1流式分析线粒体膜电位,细胞荧光共聚焦检测线粒体变化;(6)在NLRP3炎症小体激活细胞模型中,用qPCR检测IL-1 β、IL-18和Caspase-1的表达水平。结果(1)LPS刺激肺泡巨噬细胞后,IL-6表达水平显著升高;(2)在LPS/Nigericin刺激肺泡巨噬细胞,激活炎症小体后,qPCR结果表明IL-1β、IL-18和Caspase-1表达水平显著升高;(3)在LPS刺激肺泡巨噬细胞后,lncRNA GM33647的表达水平显著下降,与测序结果一致;在LPS/Nigericin刺激肺泡巨噬细胞,激活炎症小体后,lncRNA GM33647的表达水平显著升高;(4)siRNA浓度50nM和脂质体3μL/孔(6孔板)转染效率最佳,高于90%,且细胞状态较好,qPCR验证敲减水平大于70%,可以用于实验;(5)在脓毒症细胞模型中敲减GM33647,IL-6、IL-10和TNF-α表达水平显著升高,JC-1流式分析显示线粒体膜电位显著下降,ROS增加,细胞荧光共聚焦检测线粒体面积显著减少;(6)在NLRP3炎症小体激活细胞模型中,IL-1 β、IL-18和Caspase-1表达水平显著升高。结论敲减lncRNA GM33647可以上调LPS引起的炎症因子表达水平,并影响线粒体相关功能,线粒体生成减少,ROS增加,并使NLRP3炎症小体激活通路相关炎症因子和蛋白表达水平升高。在脓毒症肺损伤中GM33647下降,可能通过调控以上过程,加剧急性肺损伤,影响预后。
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