基于TXNIP介导的线粒体氧化磷酸化探讨GIO发病机制及丹参素的干预作用

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[目的]
  糖皮质激素性骨质疏松症(GIO)是临床最常见的继发性骨质疏松症,其发生机制尚未完全阐明。近年研究发现,GIO的发病与线粒体氧化应激存在密切关系,氧化应激的调节与机体的抗氧化系统密不可分。硫氧还原蛋白相互作用蛋白(TXNIP)作为调控硫氧还原蛋白抗氧化系统的一个重要蛋白,在大量糖皮质激素作用下,有可能通过调节线粒体氧化磷酸化(MOP)信号通路上的相关蛋白,进而引起骨量丢失,最终导致GIO。因此,进一步探索TXNIP介导的线粒体氧化磷酸化与GIO之间的关系,这将为GIO的发病机制提供新的理论依据和药物作用新靶点。本研究同时给予天然抗氧化活性药物丹参素进行预防治疗,观察其对GIO预防的作用及机制,为防治GIO提供新的思路。
  [方法]
  建立GIO实验性大鼠模型,采用Micro-CT三维重建、骨生物力学、骨形态学等方法观察糖皮质激素对骨组织的影响以及丹参素的干预作用;在细胞层面,使用透射电子显微镜观察皮质骨中骨细胞线粒体的形态学变化;在分子层面,通过ELISA检测血清中TXNIP的表达以及使用普通westernblot方法检测骨组织中TXNIP蛋白的表达,同时采用全自动蛋白免疫印迹分析方法(simplewesternblot)检测骨组织中MOP信号通路上相关蛋白表达,以阐明GIO的发病机制与TXNIP、线粒体氧化磷酸化之间的关系及丹参素的干预作用机制。为进一步明确TXNIP基因与GIO之间的关系,本研究还建立TXNIP基因敲除实验小鼠模型并给予糖皮质激素干预,使用iTRAQ方法对小鼠骨组织进行蛋白组学的检测并分析不同组之间的差异蛋白,再采用simplewesternblot方法检测MOP信号通路上相关蛋白的表达,以探究TXNIP介导的线粒体氧化磷酸化在GIO发病机制中的调控作用。
  [结果]
  1.TXNIP与线粒体氧化应激在实验性GIO大鼠模型的机制研究及丹参素干预作用
  1.1GIO大鼠骨量与骨结构的变化Micro-CT的结果显示,与正常对照组(Con)相比,给予糖皮质激素干预的GIO模型组大鼠(GC)股骨远端松质骨的相对密度(vBMD)、骨体积比率(BV/TV)、单位骨小梁数量(Tb.N)显著下降(p<0.05),而骨小梁分离度(Tb.SP)明显增加(p<0.05)。
  1.2GIO大鼠骨生物力学的变化骨生物力学结果显示,与Con组比较,GC组的最大载荷(Maximumload)、刚度系数(Stiffness)、断裂载荷(Fractureload)均明显降低(p<0.05)。Micro-CT与骨生物力学的结果显示,本研究较好的建立了GIO实验大鼠模型,大剂量给予糖皮质激素会导致实验动物骨量丢失、骨微结构改改变及骨生物力学下降。
  1.3GIO大鼠骨组织二维形态计量学的变化骨组织二维形态计量学结果显示,与Con组相比,GC组大鼠胫骨上段松质骨静态参数结果显示,GC组大鼠胫骨上段松质骨骨小梁面积百分数(%Tb.Ar)、骨小梁厚度(Tb.Th)和骨小梁数量(Tb.N)明显减少(p<0.05),Tb.SP明显增加(p<0.05);GC组大鼠胫骨上段松质骨动态参数结果显示,GC组荧光标记周长百分数(%L.Pm)、骨表面新骨形成率(BFR/BS)和新骨年形成率(BFR/TV)明显降低(p<0.05),骨矿化沉积率(MAR)和骨转换率(BFR/BV)有下降趋势但差异无统计学意义;GC组大鼠胫骨上段松质骨成骨、破骨细胞周长百分率的结果显示,GC组成骨细胞周长百分率(%Ob.Pm)、破骨细胞数量(OC.N)增加(p<0.05),%Ob.Pm减少(p<0.05);GC组大鼠胫骨中段皮质骨静态参数的结果显示,GC组大鼠胫骨中段皮质骨面积(Ct.Ar)、皮质骨面积百分数(%Ct.Ar)和骨髓腔面积百分数(%Ma.Ar)均无统计学差异;GC组大鼠胫骨中段骨皮质骨动态参数的结果显示,GC组骨外膜荧光标记周长百分数(%P-L.Pm)明显降低(p<0.05),骨外膜骨矿化沉积率(P-MAR)、骨外膜形成率(P-BFR/BS)和骨内膜荧光标记周长百分数(%E-L.Pm)有降低的趋势但差异无统计学意义。
  1.4GIO大鼠皮质骨骨细胞线粒体形态的变化采用透射电子显微镜观察GIO大鼠皮质骨骨细胞中线粒体的形态,结果显示,与Con组相比,GC组实验大鼠皮质骨骨细胞内的线粒体数量明显减少,甚至出现水肿、空泡等现象。
  1.5GIO大鼠血清中TXNIP及骨代谢标志物的变化采用ELISA方法检测GIO大鼠血清,TXNIP的结果显示,与Con组相比,GC组血清中TXNIP的表达明显升高,这显示TXNIP的表达与骨吸收、骨形成密切相关。骨形成与骨吸收标志物的结果显示,与Con组相比,GC组骨形成标志物(P1NP)明显下降,骨吸收标志物(CTX-1)的表达明显升高。
  1.6GIO大鼠骨组织中TXNIP的变化采用WesternBlot方法检测骨组织中TXNIP的表达,结果显示,与Con组相比,GC组骨组织中TXNIP的表达明显升高,这显示TXNIP的高表达与GIO的发病机制密切相关。
  1.7GIO大鼠MOP信号通路的变化采用Simplewesternblot方法检测GIO大鼠骨组织中MOP信号通路上的相关蛋白,结果显示,与Con组相比,GC组的MOP信号通路相关蛋白表达(Ndufs3、SDHD、CytB、COXIV、ATPB)呈上升趋势,但未达到统计学差异,这显示线粒体氧化磷酸化与GIO的发病机制之间有着潜在关系。
  1.8丹参素对GIO大鼠的干预作用
  1.8.1丹参素对GIO大鼠骨量与骨结构的干预作用与GC组相比,给予丹参素干预的实验大鼠组(GC+Tan)的相对骨密度(vBMD)、骨体积百分数(BV/TV)、骨连接密度(Conn-D)等参数明显增加,骨小梁分离度(Tb.SP)明显降低。
  1.8.2丹参素对GIO大鼠骨生物力学的干预作用与GC组相比,GC+Tan组其股骨生物力学指标的最大载荷(Maximumload)、弹性载荷(Elasticload)、断裂载荷(Fractureload)和刚度系数(Stiffness)其数值仅有轻微提高而无统计学差异。
  1.8.3丹参素对GIO大鼠骨组织二维形态计量学的干预作用与GC组相比,GC+Tan组胫骨上段松质骨静态参数结果显示,GC+Tan组大鼠骨小梁数量(Tb.N)增加、骨小梁分离度(Tb.SP)减少,骨小梁面积百分数(%Tb.Ar)和骨小梁厚度(Tb.Th)有增加的趋势,但差异无统计学差异;GC+Tan组胫骨上段松质骨动态参数结果显示,GC+Tan组荧光标记周长百分数(%L.Pm)明显增加,而骨矿化沉积率(MAR)、骨表面新骨形成率(BFR/BS)、骨转换率(BFR/BV)和新骨年形成率(BFR/TV)有上升趋势但无统计学差异;GC+Tan组胫骨上段松质骨成骨细胞、破骨细胞周长百分率的结果显示,GC+Tan组破骨细胞表面占骨小梁周长的百分比(%Oc.Pm)和破骨细胞数量(OC.N)明显减少,成骨细胞周长百分率(%Ob.Pm)有增加的趋势,但差异无统计学差异(p>0.05);GC+Tan组胫骨中段骨皮质骨静态参数的结果显示,GC+Tan组胫骨中段皮质骨面积(Ct.Ar)、皮质骨面积百分数(%Ct.Ar)和骨髓腔面积百分数(%Ma.Ar)均无统计学差异;GC+Tan组胫骨中段骨皮质骨动态参数的结果显示,与GC组相比,GC+Tan组大鼠动态参数骨内膜荧光标记周长百分数(%E-L.Pm)和骨外膜形成率(P-BFR/BS)明显上升(p<0.05),骨外膜荧光标记周长百分数(%P-L.Pm)有上升趋势但差异无统计学意义。
  1.8.4丹参素对GIO大鼠皮质骨骨细胞线粒体形态的干预作用与GC组相比,透射电子显微镜结果显示GC+Tan组的线粒体虽然存在有水肿或空泡现象,但数量增多,显示丹参素起到一定的改善作用。
  1.8.5丹参素对GIO大鼠血清中TXNIP及骨代谢标志物的干预作用与GC组相比,GC+Tan组血清中TXNIP水平明显降低,骨形成标志物P1NP明显上调,而骨吸收标志物CTX-1明显下调。
  1.8.6丹参素对GIO大鼠骨组织中TXNIP的干预作用与GC组相比,GC+Tan组骨组织中TXNIP的表达明显下调。
  2.TXNIP介导的线粒体氧化磷酸化在GIO发病机制中的作用
  2.1TXNIP基因敲除对实验小鼠骨组织结构和MOP的影响
  2.1.1TXNIP基因敲除实验小鼠骨量与骨微结构的变化Micro-CT结果显示,与野生型小鼠(WT)组比较,TXNIP基因敲除(TX-KO)组的vBMD稍微增加但无统计学意义,Tb.N、Tb.Th、Tb.SP这三个参数几乎没有变化;与WT组比较,给予糖皮质激素干预的野生型小鼠(WT_P)组实验大鼠股骨远端松质骨的vBMD、Tb.Th显著下降(p<0.05),Tb.N、Tb.SP呈下降趋势但无统计学差异。
  2.1.2TXNIP基因敲除实验小鼠骨生物力学的变化骨生物力学结果显示,与WT组比较,TX-KO组的Maximumload、Fractureload、Elasticload、Stiffness几乎无差别;WT_P组的Elasticload明显下降(p<0.05),而Maximumload、Stiffness、Fractureload呈降低趋势,但无统计学差异。
  2.1.3TXNIP基因敲除实验小鼠血清骨代谢标志物的变化血清结果显示,与WT组相比,TX-KO组的骨形成标志物P1NP、骨吸收标志物CTX-1明显下降,具有统计学差异(p<0.05);与WT组相比,WT_P组的骨形成标志物P1NP 血清水平明显降低(p<0.05),而骨吸收标志物CTX-1血清水平呈增加趋势但无统计学差异;
  2.1.4TXNIP基因敲除对实验小鼠MOP相关基因、蛋白富集的影响采用iTRAQ方法对实验小鼠骨组织进行蛋白组学检测,找出具有表达差异的蛋白,在基因、蛋白水平进行GO(基因本体论)及KEGGPathway(KEGG数据库信号通路)富集分析。结果显示,从基因本体论(GO)富集方面来说,TX-KO与WT相比,与MOP信号通路相关的细胞组分、分子功能、生化过程的簇频方面在某些指标有差异,但总体上相差不大;WT_P与WT相比,在细胞组分、分子功能、生化过程的簇频方面有显著差异。从信号通路(Pathway)富集方面来说,TX-KO组与WT组相比,MOP信号通路有差异(p=0.0256);WT_P组与WT组相比,MOP信号通路有显著差异(p=0.0001)。
  2.1.5TXNIP基因敲除对实验小鼠MOP相关蛋白表达的影响与WT组相比,TX-KO组中MOP信号通路相关蛋白Ndufs3、SDHD、CytB、COXIV和ATPB的表达都呈下降趋势,除了SDHD无统计学差异之外,Ndufs3、CytB、COXIV和ATPB蛋白的表达具有统计学差异。
  2.2糖皮质激素对TXNIP基因敲除实验小鼠骨组织与MOP信号通路相关蛋白的影响
  2.2.1GC对TXNIP基因敲除实验小鼠骨量与骨微结构的影响与TX-KO组比较,给予糖皮质激素干预的TXNIP基因敲除实验小鼠(TX-KO_P)组的vBMD、Tb.N、Tb.Th、Tb.SP几乎没有变化,无统计学差异。
  2.2.2GC对TXNIP基因敲除实验小鼠骨生物力学的影响与TX-KO组相比较,TX-KO_P组的Maximumload、Fractureload、Elasticload、Stiffness几乎没有变化,无统计学差异。
  2.2.3GC对TXNIP基因敲除实验小鼠血清骨代谢标志物的影响与TX-KO组相比较,TX-KO_P组的P1NP、CTX-1血清水平无明显变化。
  2.2.4GC对TXNIP基因敲除实验小鼠MOP相关基因、蛋白富集的影响从基因本体论(GO)富集方面来说,TX-KO_P与TX-KO相比,与MOP信号通路相关的细胞组分、分子功能、生化过程的簇频方面,几乎没有区别。从信号通路(Pathway)富集方面来说,TX-KO_P组与TX-KO组相比,MOP信号通路无差异。
  2.2.5GC对TXNIP基因敲除对实验小鼠MOP相关蛋白表达的影响与TX-KO组相比较,TX-KO_P组Ndufs3、SDHD、CytB、COXIV和ATPB这5个蛋白的表达无显著变化,无统计学差异。
  [结论]
  1.长期大剂量使用GC可以导致野生型实验大鼠、小鼠骨量丢失,骨微结构改变,线粒体功能改变,骨生物力学降低,骨吸收功能增强而骨形成功能减弱,最终形成GIO。
  2.长期大剂量使用GC可以导致野生型大鼠血清及骨组织高表达TXNIP,并有上调骨组织MOP信号通路的趋势。TXNIP的高表达有可能上调MOP信号通路并引起线粒体氧化应激,干扰骨代谢平衡,最终导致GIO。
  3.丹参素具有拮抗GC,下调TXNIP的表达,减缓线粒体氧化应激,抑制破骨细胞骨吸收、促进成骨细胞骨形成的作用,起到拮抗GC对骨结构破坏的作用,发挥防治GIO的效果。
  4.长期大剂量使用GC能使野生型小鼠发生骨量丢失、骨生物力学改变等GIO症状。与野生型小鼠比较,TXNIP基因敲除小鼠并没有出现显著的骨量丢失,骨微结构改变,骨生物力学下降等GIO症状。
  5.长期大剂量使用GC并不能使TXNIP基因敲除小鼠产生显著的骨量丢失,骨微结构改变,骨生物力学下降等GIO症状。敲除TXNIP基因,可以下调MOP信号通路,缓解线粒体氧化应激,减弱GC的作用,有一定预防GIO的作用。
  6.TXNIP介导的MOP信号通路参与GIO的发病机制。
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