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医学科学杂志。2020; 第26页:e924544-1–e924544–10。
2020年8月22日在线发布。2020年6月22日在线预发布。 数字对象标识:10.12659/MSM.924544
PMCID公司:PMC7461657号
PMID:32826847

Sirtuin-1在新生儿缺氧缺血性脑病中的作用及其机制

Zhen Zhang先生,1,A、,B、,C、,D、,E、,F、,G、,* Xin Chen(新晨),1,A、,B、,C、,D、,E、,F、,G、,*刘思晨通讯作者2,B、,C、,E、,F、,G公司

摘要

背景

新生儿缺氧缺血性脑病(HIE)是一种可怕的疾病,也是新生儿严重神经功能障碍的主要原因之一。本研究探讨Sirtuin-1(SIRT1)在新生儿HIE中的作用。

材料/方法

制作HIE新生大鼠模型,测定脑组织中SIRT1水平。流式细胞术和MTT法检测细胞凋亡和细胞活力。qRT-PCR和Western blot分析用于评估基因mRNA和蛋白质水平。随后,研究了SIRT1对HIE的影响体外通过构建氧-葡萄糖剥夺(OGD)细胞模型。

结果

脑细胞凋亡增强和HIE相关分子标记物(包括S100钙结合蛋白B(S100B)和神经元特异性烯醇化酶(NSE))表达增加证实了HIE大鼠模型的有效构建。SIRT1在HIE大鼠脑组织中表达下调。这些发现表明,接受OGD的神经元细胞中SIRT1下调。此外,观察到细胞活力增强和细胞凋亡减少,表明SIRT1过度表达减轻了OGD诱导的神经细胞损伤。SIRT1-siRNA转染进一步增加了OGD诱导的神经细胞损伤,表现为细胞活力降低和细胞凋亡增强。最后,SIRT1过度表达显著下调了p-p65蛋白的表达。

结论

我们的研究结果表明SIRT1可能是HIE治疗的一个新的、有前途的治疗靶点。

MeSH关键词:缺氧缺血性,脑;神经元;Sirtuin 1型

背景

HIE是由各种围生期脑缺氧或缺血因素引起的常见脑损伤类型[1,2]. HIE主要导致神经元和白质损伤,从而对发育中婴儿的大脑产生不利影响[]. HIE是婴儿死亡的主要原因之一,也是新生儿癫痫最常见的原因[46]. 此外,HIE死亡率高,发病时间长,预后差,发病机制复杂。此前的研究报告称,发达国家HIE发病率为每1000名活产1.5例,中低收入国家为每1000例活产10-20例[7,8]. 约24%的HIE患者死于新生儿重症监护室(NICU)。在存活的新生儿中,脑瘫(10-20%)、听觉和视觉问题(约40%)以及运动和行为障碍,如整体发育迟缓、癫痫和自闭症[911]被诊断。医学标准的进步加深了对胎儿病理生理学的理解。然而,HIE仍然是成熟婴儿的严重并发症,需要进一步研究以改进HIE治疗。

Sirtuin-1(SIRT1)是一种NAD依赖的赖氨酸脱乙酰酶,在各种细胞类型的应激下受到刺激[12]. SIRT1保护心脏免受衰老、肥大和心肌梗死[1315]. Sun等人指出SIRT1通过调节细胞增殖和细胞周期参与血管系统[16]. 核因子κB(NF-κB)被SIRT1去乙酰化。此外,许多研究报告称,SIRT1在各种生物过程中是一个重要的调节器,包括顺铂(CDDP)诱导的氧化应激和炎症反应,通过转录水平下游基因的激活,如核相关因子2(Nrf2)和NF-κB[17,18]. 然而,SIRT1是否在新生儿HIE中发挥作用尚不清楚。

本研究旨在评估SIRT1在新生儿HIE中的作用,并探讨其潜在机制。

材料和方法

动物

昆明医科大学实验动物中心提供了10只雄性Sprague-Dawley大鼠(7天龄,体重18-20 g)。所有动物均置于受控环境(22–25°C,40–50%湿度)和12小时光/暗循环中随意获得食物和水。所有实验程序均由蚌埠医学院第一附属医院动物护理与使用委员会批准,并按照《国家卫生研究院实验动物护理和使用指南》进行。

大鼠HIE模型传导

我们在手术前用异氟烷麻醉7天大鼠(4%诱导和1.5%维持)。左颈总动脉两端用6-0丝线结扎,沿中间切开。恢复1.5小时后,将大鼠置于缺氧密封室(N2和8%O2在37°C下平衡)2.5小时。麻醉假手术大鼠,暴露左侧颈总动脉,但不结扎。用丙基硫氧嘧啶注射液(40 mg/kg)麻醉大鼠,然后在缺氧72小时后通过颈椎脱位杀死大鼠(心脏和呼吸停止的大鼠被确认为死亡),以进行进一步的实验。在整个实验过程中,所有的努力都是为了减轻大鼠的疼痛。此外,当大鼠体重减轻15%以上时,所有实验都停止了。

细胞培养和转染

从新生大鼠中分离出原代神经元细胞。简单地说,这些大鼠被麻醉,然后死于颈椎脱位。收集海马组织,用0.05%胰蛋白酶(Gibco;Thermo Fisher Scientific,Inc.)消化,然后离心。随后,将沉积物重新悬浮在补充有5%血清的DMEM培养基(Gibco;Thermo Fisher Scientific,Inc.)中。

按照制造商的说明,使用脂质体2000(Invitrogen;Thermo Fisher Scientific,Inc.)将0.2μM SIRT1-siRNA、0.2μM对照siRNA、1μg SIRT1-质粒或1μg对照质粒转染大鼠原代神经元48 h。转染效率在细胞转染后48小时使用qRT-PCR和蛋白质印迹测定法测定。实验重复3次。

OGD模型建立

原代大鼠神经元在无葡萄糖的DMEM(不含FBS和葡萄糖)中生长,然后在含95%N的潮湿环境中培养2和5%CO2随后,在OGD完成之前,用完整的培养基替换细胞培养基。然后将细胞放入正常培养箱中再培养24小时。正常氧下的正常培养基作为对照。

MTT分析

将SIRT1-siRNA、对照siRNA、SIRT1-质粒或对照质粒转染大鼠原代神经元48小时,然后进行OGD治疗。接下来,用20μl MTT试剂(Solarbio)刺激细胞,并在37°C下再培养4小时。将二甲基亚砜(150μl)添加到每个孔中并摇晃15分钟。用微孔板阅读器在570 nm处检测光密度(OD)。实验重复3次。

细胞凋亡测定

根据制造商的说明,使用Annexin V-FITC/碘化丙啶(PI)凋亡检测试剂盒(MultiSciences Biotech Co.)分析神经细胞凋亡。简而言之,使用Annexin V-FITC和PI在黑暗中对神经元细胞染色30分钟。使用流式细胞仪(BD Biosciences)测量凋亡细胞,并使用WinMDI软件(2.5版;普渡大学细胞测定实验室)分析数据。实验重复3次。

用200米筛将大鼠脑组织机械分离成单细胞悬浮液,以研究HIE大鼠的细胞凋亡。随后,将细胞悬浮液在4°C下离心(670.8×g)5分钟,并丢弃上清液。如前所述,对细胞凋亡进行分析。

qRT-PCR分析

根据制造商的方案,用Trizol(Takara Biotechnology Co.)处理脑组织和神经细胞的总RNA。然后,根据制造商的协议,使用逆转录试剂盒(Vazyme)从总RNA合成cDNA。反应体积为20μl,反转录反应条件为70°C 5分钟、37°C 5 min和42°C 60分钟。使用SYBR试剂盒(Vazyme)进行qRT-PCR。采用以下参数进行qPCR反应:95°C 3 min,40次95°C循环30 s,56°C循环30s,72°C循环30min-ΔΔCt方法。

蛋白质印迹分析

RIPA裂解缓冲液(Beyotime,中国)和蛋白酶抑制剂用于从神经细胞或脑组织中分离总蛋白。培养细胞30分钟,然后用裂解液重新悬浮。离心细胞悬浮液,并在使用前储存含有蛋白质的上清液。蛋白质浓度由BCA分析试剂盒测定。随后,对30μg蛋白质提取物进行12%SDS-PAGE电泳,并转移至PVDF膜(EMD-Millipore)。将膜在室温下与添加0.1%吐温的TBS中的5%无脂牛奶孵育1.5h。最后,将膜在4°C的一级抗体中培养过夜,然后在室温下将膜与HRP结合的二级抗体孵育1h。蛋白质带通过增强化学发光法(ECL,EMD Millipore)定量。GAPDH蛋白表达水平作为正常化的负荷控制。

从Cell Signaling Technology中获得抗Bcl-2、抗Bax、抗SIRT1、抗p65、抗p-p65、反GAPDH的一级抗体和山羊的二级抗兔抗体。

统计分析

结果表示为三次试验的平均值±SD。统计分析使用GraphPad 6.0软件。这个t吨分别进行测试和单因素方差分析,然后进行Tukey检验,以评估两组和多组之间的统计显著性差异。P<0.05表明差异具有统计学意义。

结果

SIRT1在HIE大鼠脑组织中的表达水平

建立新生HIE大鼠模型三天后,分离脑组织,用流式细胞仪检测脑细胞凋亡。我们发现HIE组大鼠脑组织中的凋亡细胞比对照组多(图1A、1B). 随后,参与HIE进展的相关分子标记S100B和NSE的水平[1922]检测到个。Western blot分析显示HIE组S100B和NSE蛋白水平显著高于对照组(图1C). 采用Western blot和qRT-PCR方法检测SIRT1在HIE新生大鼠脑组织中的表达。如所示图1D和1E与对照组相比,HIE组大鼠脑组织中SIRT1水平明显降低。

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SIRT1在HIE大鼠脑组织中表达下调。()用流式细胞术分析大鼠脑组织细胞凋亡。(B类)计算并显示细胞凋亡率(n=5)。(C类)Western blot检测HIE发生过程中相关分子标志物S100B和NSE的水平。(D类)SIRT1水平的Western blot分析。(E类)SIRT1 mRNA水平的qRT-PCR分析(n=5)。结果显示为平均值±标准偏差。**P<0.01与。对照组。SIRT1–sirtuin-1;缺氧缺血性脑病;NSE–神经元特异性烯醇化酶;S100B–S100钙结合蛋白B。

OGD模型中SIRT1的级别

OGD细胞模型建立体外将原代大鼠神经元细胞暴露于OGD(95%N2和5%CO2)48小时的Western blot分析表明,OGD处理显著提高了培养神经元中S100B和NSE蛋白的水平(图2A). Western blot分析和qRT-PCR检测SIRT1的表达水平。OGD组SIRT1 mRNA水平和蛋白表达明显低于对照组(图2B、2C).

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OGD诱导的大鼠原代神经元中SIRT1表达下调。()Western blot检测HIE发生过程中相关分子标记S100B和NSE的蛋白表达水平。(B类)用Western blot法测定SIRT1蛋白水平。(C类)通过qRT-PCR测定SIRT1 mRNA基因表达。对照组:未经任何处理的细胞;OGD:用OGD刺激细胞。结果显示为平均值±SD。**P<0.01与。对照组。SIRT1–sirtuin-1;OGD–缺氧缺糖。

SIRT1质粒/SIRT1-siRNA在原代大鼠神经元细胞中的转染效率

为了评估SIRT1在HIE中的作用,我们首先测定了SIRT1过度表达/沉默在原代大鼠神经元细胞中的转染效率。将SIRT1-siRNA、对照siRNA、SIRT1-质粒或对照质粒转染原代大鼠神经元细胞48 h,并使用qRT-PCR和Western blot分析SIRT1水平。结果表明,SIRT1质粒转染大鼠原代神经元细胞(图3A、3B)和SIRT1-siRNA(图3C,3D)与对照组相比,SIRT1的表达水平分别升高和降低。

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SIRT1过表达(SIRT1-质粒)或沉默(SIRT1-siRNA)在原代大鼠神经元细胞中的转染效率。通过以下方法测定转染SIRT1质粒或对照质粒48 h的原代大鼠神经元细胞中SIRT1蛋白水平和mRNA基因表达()Western blot和(B类)分别进行qRT-PCR分析。通过以下方法测定转染SIRT1-siRNA或对照siRNA 48 h的原代大鼠神经元细胞中SIRT1蛋白水平和mRNA基因表达(C类)Western blot和(D类)qRT-PCR分析。对照组——未经任何处理的细胞;Control-plasmid:用Control-prasmid转染细胞;SIRT1质粒:细胞转染SIRT1载体;Control-siRNA:细胞转染Control-siRNA;SIRT1-siRNA:用SIRT1-siRNA转染细胞。结果显示为平均值±SD。**P<0.01与。对照组。SIRT1–sirtuin-1。

SIRT1过度表达减轻OGD治疗的神经细胞损伤

为了进一步探讨SIRT1过表达(SIRT1质粒)对OGD诱导的神经细胞损伤的影响,分别采用MTT和流式细胞术评估细胞活力和凋亡。我们的数据表明,OGD组的细胞活力明显低于对照组。此外,与OGD组相比,SIRT1过度表达增加了神经元细胞的存活率(图4A). 与对照组相比,OGD组的细胞凋亡较高,而SIRT1过度表达降低了神经元细胞凋亡(图4B、4C). 此外,Western blot分析显示,OGD组Bax和Bcl-2的表达水平分别升高和降低。与OGD组相比,SIRT1过表达抑制Bax并诱导Bcl-2蛋白表达(图4D–4F). 这些结果表明SIRT1过度表达可以减少OGD诱导的细胞损伤。

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SIRT1过度表达增加了OGD诱导的原代大鼠神经元细胞的细胞活力并减少了细胞凋亡。将SIRT1质粒或对照质粒转染原代大鼠神经元细胞48 h,然后将细胞暴露于OGD中48 h()用MTT法评估细胞增殖。(B类)流式细胞术检测凋亡细胞。(C类)凋亡细胞的定量。(D类)用Western blot法测定Bax和Bcl-2蛋白水平。(E、 F类)计算并给出了Bcl-2/GAPDH和Bax/GAPDH的比值。对照组:未经任何处理的细胞;OGD:细胞接受OGD处理;OGD+control-plasmid:用control-prasmid转染细胞,然后进行OGD处理;OGD+SIRT1质粒:将SIRT1载体转染细胞,然后进行OGD处理。结果显示为平均值±SD。**P<0.01与。对照组;##P<0.01与。OGD组。OGD——缺氧缺糖;SIRT1–sirtuin-1。

SIRT1沉默进一步加重OGD诱导的神经细胞损伤

随后,研究了SIRT1沉默(SIRT1-siRNA)对OGD诱导的神经细胞损伤的影响。MTT分析显示,与对照组相比,OGD组的细胞存活率降低。此外,与OGD组相比,SIRT1沉默进一步降低了神经元细胞的存活率(图5A). OGD治疗比对照组促进了更多的凋亡细胞,而SIRT1下调进一步促进了神经元细胞凋亡(图5B、5C). 最后,Western blot分析显示OGD组Bax表达增加,Bcl-2表达降低。然而,SIRT1沉默分别显著增加和减少Bax和Bcl-2的表达(图5D). 这些结果表明SIRT1下调进一步加剧了OGD诱导的神经元损伤。

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SIRT1沉默降低OGD诱导的原代大鼠神经元细胞的存活率并增加细胞凋亡。将SIRT1-siRNA或对照siRNA转染原代大鼠神经元细胞48 h,然后用OGD处理细胞48 h()MTT法测定细胞活力。(B、 C类)流式细胞术检测细胞凋亡。(D类)通过蛋白质印迹法测定Bax和Bcl-2蛋白水平。对照组:未经任何处理的细胞;OGD:细胞接受OGD处理;OGD+control-siRNA:用control-si RNA转染细胞,然后进行OGD处理;OGD+SIRT1-siRNA:用SIRT1-siRNA转染细胞,然后进行OGD处理。结果显示为平均值±标准偏差。**P<0.01与。对照组;##P<0.01与。OGD组。OGD——缺氧缺糖;SIRT1–sirtuin-1。

SIRT1表达对OGD诱导的神经细胞NF-κB信号通路的影响

最后,我们研究了SIRT1对OGD诱导的神经元细胞的特异性潜在机制。通过测量p-p65和p65的蛋白水平分析NF-κB信号通路活性。与对照组相比,OGD组p-p65蛋白表达和p-p65/p65比值显著增加。此外,SIRT1过度表达(图6A、6B)和沉默(图6C、6D)p-p65蛋白表达和p-p65/p65比值分别显著降低和升高。

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SIRT1对OGD诱导的神经元细胞NF-κB信号通路的影响。将SIRT1-plasma/SIRT1-siRNA或control-plasmid/control-siRNA转染原代大鼠神经元细胞48h,然后用OGD处理细胞48h()用Western blot法检测转染SIRT1质粒或对照质粒48h后神经元的p-p65和p65蛋白水平。(B类)计算并给出了转染SIRT1质粒或对照质粒48h神经元中p-p65/p65的比值。(C类)用Western blot法检测转染SIRT1-siRNA或对照siRNA 48 h神经元的p-p65和p65蛋白水平。(D类)计算并给出了转染SIRT1-siRNA或对照siRNA 48 h的神经元中p-p65/p65的比率。对照组:未经任何处理的细胞;OGD:细胞接受OGD处理;OGD+control-plasmid:用control-prasmid转染细胞,然后进行OGD处理;OGD+SIRT1质粒:用SIRT1质粒转染细胞,然后进行OGD处理;OGD+control-siRNA:用control-si RNA转染细胞,然后进行OGD处理;OGD+SIRT1-siRNA:用SIRT1-siRNA转染细胞,然后进行OGD处理。结果显示为平均值±标准偏差。**P<0.01与。对照组;#P<0.05,##P<0.01与。OGD组。OGD——缺氧缺糖;SIRT1–sirtuin-1。

讨论

在本研究中,我们构建了新生HIE大鼠模型,以测定SIRT1的表达。第三天,处死大鼠并收集脑组织。结果显示,与对照组相比,HIE组的细胞凋亡率以及S100B和NSE的表达显著增加,而SIRT1的表达明显降低。随后,建立OGD细胞模型以阐明SIRT1表达对HIE的影响体外结果表明,OGD诱导的细胞中SIRT1下调。此外,SIRT1过度表达和沉默分别减轻和加重了OGD诱导的神经细胞损伤。

Levene等人证明,3–5/1000名新生儿患有HIE[23]. 以前的研究表明HIE是高发病率和死亡率的主要原因[24]. HIE的病理生理学包括几个不同的事件(线粒体功能障碍、钙浪涌、兴奋性毒性、活性氧累积和炎症),这些事件是紧密相连的[25]. 在缺氧缺血性疾病的发病机制中,损伤时间和治疗时机起着关键作用[26]. 治疗性低温(TH)已成为HIE的标准治疗方法,可降低婴儿死亡率和神经发育障碍[2731]. 以往的报道表明,TH可以提高HIE新生儿的存活率并降低其致残率,但HIE新生儿死亡率和致残率仍然很高(40-50%)[3234]. 近年来,对TH的辅助治疗进行了研究,包括促红细胞生成素和干细胞治疗[35,36]. 此外,一些新型神经保护剂已被证明通过调节氧化应激、炎症反应、谷氨酰胺能兴奋性毒性和凋亡在HIE治疗中具有重要价值[37,38]. HI事件发生后,路径再生增加,这可能会通过新的治疗得到加强[39]. 最近,基于干细胞的治疗被发现有可能挽救和替换HI引起的缺血性组织,并可能促进内源性脑修复[40]. 然而,我们对内源性神经保护和神经再生机制的病理生理学和时机的认识仍存在一些差距。探索HIE的发病机制和治疗策略仍然是当务之急。

SIRT是一种III类组蛋白脱乙酰酶(HDAC),包括SIRT1-SIRT7。SIRT依赖于NAD+,表明sirtuin活性可调节NAD+/NADH细胞的溶质比,从而将sirtuim活性与细胞代谢和能量状态直接联系起来[41,42]. SIRT1是沉默信息调节器2(Sir2)家族的成员,据报道参与肿瘤的发生和发展[43,44]. 此外,SIRT1是作为肿瘤抑制蛋白还是肿瘤启动蛋白取决于细胞类型[45]. 越来越多的证据表明SIRT1与缺氧有关。SIRT1调节的HMGB1的产生与TLR4信号相关,是白藜芦醇在新生儿缺氧缺血性脑损伤中的一种可能的抗炎机制[46]. 据报道,SIRT1参与ghrelin在新生HIE大鼠模型中调节氧化应激和神经元凋亡的作用[47]. 地衣醇A通过SIRT1/Nrf2通路对OGD/R处理的大鼠皮层神经元具有神经保护作用[48]. 在本研究中,我们制作了一个HIE大鼠模型,以研究SIRT1在新生儿HIE中的作用并阐明其潜在机制。然而,我们的研究有一定的局限性。Western blot分析证实了HIE发展过程中相关分子标记S100B和NSE的表达水平,但HE染色的结果更具说服力。采用Western blot和qRT-PCR检测HIE大鼠脑组织中SIRT1的水平,而非IHC。

我们发现HIE组SIRT1表达下调。Laemmle等人表示,缺氧细胞中SIRT1明显上调[48]. 此外,据报道SIRT1在各种肿瘤细胞和组织中过度表达[4951]. 此后,体外进行了实验。同样,OGD诱导的细胞中SIRT1下调。SIRT1过度表达和沉默分别减轻和加重了OGD诱导的神经细胞损伤。先前的研究表明,SIRT1通过NF-κB信号通路调节内皮素B型受体[52]. SIRT1过表达保护小鼠成骨细胞免受TNF-α诱导的损伤体外通过抑制NF-κB信号通路[53]. 在本报告中,我们的研究结果表明,SIRT1影响OGD诱导的神经元中NF-κB信号通路的激活。

结论

SIRT1可以通过抑制NF-κB信号通路的激活来保护神经元免受缺血和缺氧的影响,从而对HIE表现出保护作用。我们的观察表明,SIRT1可能成为HIE治疗的一个新的有效治疗靶点。然而,本研究只是对SIRT1在HIE中作用的初步研究。为了阐明SIRT1在HIE中的作用和机制,需要进一步深入研究。例如,SIRT1在缺氧缺血性脑病中是否直接或间接调节NF-κB尚未研究,需要进一步研究。SIRT1在HIE患者中的表达有待确认,SIRT1的表达与HIE患者临床病理特征的关系有待研究。我们计划在未来解决所有这些主题。

脚注

利益冲突

没有。

支持来源:本研究得到了蚌埠医学科学技术发展学院基金项目(批准号:BYKF1867)和安徽省高校自然科学重点项目(批准编号:KJ2019A0378)的支持

工具书类

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