Calpains對(duì)機(jī)械通氣肺損傷早期炎性反應(yīng)的作用及機(jī)制研究
本文選題:急性肺損傷 切入點(diǎn):中性粒細(xì)胞 出處:《山東大學(xué)》2013年博士論文
【摘要】:研究背景與目的 對(duì)于呼吸功能嚴(yán)重受損的患者,機(jī)械通氣是必不可少的治療手段。然而機(jī)械通氣是把雙刃劍,在提供有效呼吸支持的同時(shí),還能導(dǎo)致肺部嚴(yán)重?fù)p傷,即機(jī)械通氣所致肺損傷(ventilator-induced lung injury VILI).這是機(jī)械通氣最嚴(yán)重的并發(fā)癥,易誘發(fā)炎癥反應(yīng)綜合征(SIRS)和多器官功能衰竭(MSOF),死亡率近50%。 肺牽張是VILI的主要原因。機(jī)械牽張可使氣道上皮屏障功能降低,肺泡毛細(xì)血管通透性增強(qiáng),中性粒細(xì)胞遷移浸潤(rùn)。而機(jī)體如何將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)為生物信號(hào)并釋放各種致炎因子促進(jìn)中性粒細(xì)胞(PMN)浸澗肺,最終導(dǎo)致SIRS及MSOF,其早期機(jī)制仍未知,因此闡明VILI的早期機(jī)制,了解起始免疫反應(yīng),有助于VILI的早期治療,意義重大。 Calpains是存在于細(xì)胞漿的Ca2+依賴性半胱氨酸蛋白酶(蛋白水解酶),自從1964年由Guroff第一次將Calpain描述為鈣激活的中性蛋白酶,關(guān)于其形態(tài)、結(jié)構(gòu)、活性、位置、生理及病理作用已經(jīng)被越來(lái)越多的闡述。到目前,哺乳動(dòng)物中已被識(shí)別的Calpain蛋白酶家族成員有15個(gè),基于其組織表現(xiàn)形式不同分為普遍存在型和組織特異型。其中Calpain1、Calpain2、Calpain10存在于所有哺乳動(dòng)物細(xì)胞中Calpain3(肌肉P94)、Calpain8(胃nCL-2)是組織特異表達(dá)型。Calpain1和Calpain2是最主要的兩種亞型,它們由兩種不同的催化亞基(80KDa)和一種相同的調(diào)節(jié)亞基(28KDa)組成,兩者的激活分別需要微摩爾和毫摩爾的Ca2+濃度來(lái)活化,所以又分別被稱為u-Calpain和m-Calpain。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度超過(guò)各亞型所需閾濃度時(shí),其兩種亞基產(chǎn)生催化、自溶反應(yīng),使其構(gòu)象改變從而產(chǎn)生了活性。 目前Calpains的生理作用還未完全闡明,但研究表明Calpains參與了細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、凋亡、炎癥等過(guò)程。短暫的Calpains活性參與細(xì)胞信號(hào)和蛋白逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程,而持續(xù)的Calpains活性與急性神經(jīng)系統(tǒng)損傷和阿爾茨海默病有關(guān)。Calpainl基因缺失小鼠將導(dǎo)致血小板功能障礙,Calpainl和Calpain2基因缺失小鼠將導(dǎo)致胚胎死亡。Calpainl調(diào)節(jié)了膿毒血癥中肺血管內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡,Calpain抑制劑降低了酵母多糖所致的多器官功能衰竭和出血性休克大鼠的多器官損傷和NF-kB活性。 目前Calpain在VILI的作用及調(diào)節(jié)機(jī)理,未見(jiàn)報(bào)道。 本研究顯示大潮氣量機(jī)械通氣早期即誘發(fā)了迅速的Caiapain活性和以中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)、肺毛細(xì)血管通透性增高、肺水腫形成為特征的炎性反應(yīng):分別以體內(nèi)轉(zhuǎn)染小干擾RNA基因沉默技術(shù)和藥物途徑干預(yù)Calpain表達(dá)后,降低了支氣管灌洗液(BAL)內(nèi)中性粒細(xì)胞數(shù)和蛋白含量、同時(shí)TNF-a、IL-6降低,肺毛細(xì)血管外肺水含量(ELW)減少、肺MPO活性降低,說(shuō)明Calpain在VILI發(fā)病機(jī)理中起關(guān)鍵性作用,是機(jī)械通氣肺損傷早期炎性反應(yīng)發(fā)病機(jī)理的關(guān)鍵因素。進(jìn)‘步的研究顯示,大潮氣量機(jī)械通氣誘發(fā)Calpain活性后,介導(dǎo)了NOS-3磷酸化,使NOS-3磷酸化來(lái)源的N()產(chǎn)物聚集增多,后者刺激細(xì)胞粘附因子ICAM-1磷酸化,使P-ICAM-1蛋白表達(dá)增高,刺激PMN浸潤(rùn)入肺產(chǎn)生VILI。提示由大潮氣量機(jī)械通氣刺激Calpain活性增高觸發(fā)的早期肺炎性反應(yīng)是通過(guò)Akt_P-NOS3_NO_Src_P-ICAM1_PMN途徑而產(chǎn)生的。 研究方法 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。 本研究分四部分 第一部分小鼠機(jī)械通氣肺損傷模型的建立及大潮氣量機(jī)械通氣肺炎性反應(yīng) 1.小鼠機(jī)械通氣肺損傷模型:育齡8-12周、體重25-30克重的雄性C57BL/6J小鼠,以氯胺酮腹腔注射麻醉(75mg/kg),后行氣管切開(kāi),分別以大潮氣量(28ml/kg、呼吸頻率60次/分鐘)和普通潮氣量(7ml/kg、呼吸頻率120次/分鐘)行機(jī)械通氣。1%異氟醚與空氣混合維持麻醉。機(jī)械通氣維持呼氣末二氧化碳35-45cmH2O、保溫?zé)艟S持體溫37-38℃。(Fig1) 2.大潮氣量機(jī)械通氣肺炎性反應(yīng):機(jī)械通氣2小時(shí)后分別測(cè)定支氣管肺泡灌洗液(BAL)內(nèi)的蛋白含量、中性粒細(xì)胞數(shù)目、TNF-a、IL-6、肺毛細(xì)血管外肺水(ELW)、肺MPO活性測(cè)定。每種檢測(cè)指標(biāo)需要小鼠6-8只。 第二部分Calpain活性分析及Calpain抑制劑對(duì)VILI的作用 1.Calpain活性測(cè)定:分別取大潮氣量機(jī)械通氣15分鐘、30分鐘、60分鐘、120分鐘肺組織,測(cè)定Calpain活性。每組3-4只,數(shù)據(jù)取其平均值。 2. Calpain抑制劑對(duì)其活性的影響:Calpain抑制劑Ⅰ分別以0、5mg/kg、10mg/kg、20mg/kg于機(jī)械通氣前1小時(shí)行腹腔注射,機(jī)械通氣2小時(shí)后測(cè)定Calpain活性。每組3-4只,數(shù)據(jù)取其平均值。 3.Calpain抑制劑對(duì)VILI的作用:Calpain抑制劑10mg/kg使用前后觀察機(jī)械通氣對(duì)支氣管肺泡灌洗液(BAL)內(nèi)的蛋白含量、中性粒細(xì)胞數(shù)目、TNF-a、 IL-6、肺毛細(xì)血管外肺水(ELW)、肺MPO活性的影響 第三部分脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染Calpain1/2siRNA基因模型的建立及Calpain1/2基因knockdown對(duì)VILI的作用 1.采用新鮮制備的脂質(zhì)體介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)染法。新鮮制備脂質(zhì)體,將脂質(zhì)體與Calpain1或Calpain2siRNA以一定比例混勻,于機(jī)械通氣前48小時(shí)行尾靜脈注射,Calpain scsiRNA相同比例與脂質(zhì)體混合作為對(duì)照。Calpain1或Calpain2siRNA是否成功轉(zhuǎn)染由Western blotting分析驗(yàn)證。 2. Calpain1/2基因knockdown對(duì)VILI的作用:Calpain1/2基因knockdown后對(duì)ELW、BAL內(nèi)(蛋白含量、PMN數(shù)目、TNF-a、IL-6)、肺MPO活性的作用。小鼠分普通潮氣量機(jī)械通氣、大潮氣量機(jī)械通氣Sc siRNA、Calpainl siRNA、Calpain2siRNA共四組,每組6只,取均值。于機(jī)械通氣48小時(shí)前行尾靜脈注射Sc siRNA或Calpainl/2siRNA,后行Western blotting分析,確定成功轉(zhuǎn)染的標(biāo)本保留其ELW、BAL內(nèi)(蛋白含量、PMN數(shù)目、TNF-a、IL-6)、肺MPO活性數(shù)據(jù),未轉(zhuǎn)染者剔除。 第四部分Calpain對(duì)VILI的作用機(jī)制 1. Calpain活性對(duì)P-ICAM-1、CAM-1蛋白表達(dá)的影響 2. Calpain活性對(duì)NO產(chǎn)物的影響 3.NOS抑制劑L-NAME對(duì)P-ICAM-1蛋白表達(dá)的影響 4.ICAM-1在Tyr518位點(diǎn)磷酸化抑制劑Genistein對(duì)P-ICAM-1蛋白表達(dá)的影響和對(duì)BAL內(nèi)PMN數(shù)目的影響 5.Calpain活性對(duì)P-NOS-3、NOS3、NOS2蛋白表達(dá)的影響 6.Calpan活性對(duì)P-Akt、Akt蛋白表達(dá)的影響 結(jié)果 1與普通潮氣量機(jī)械通氣相比,大潮氣量機(jī)械通氣2小時(shí)產(chǎn)生了以肺泡-毛細(xì)血管通透性增強(qiáng)、肺水腫形成、中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)入肺為特征的VILI 使ELW增加三倍、BAL的中性粒細(xì)胞數(shù)目由正常的幾乎為零上升到8.5*105、BAL的總蛋白含量增加5倍、肺組織MPO活性增加4倍、BAL內(nèi)IL-6、 TNF-a由正常的幾乎為零分別上升到110pg/ml和360pg/ml。(Fig2) 2大潮氣量機(jī)械通氣產(chǎn)生了迅速的Calpain活性,Calpain抑制劑顯著降低VILI(Fig3.4) 大潮氣量機(jī)械通氣15分鐘即引起Calpain活性加倍并維持至2小時(shí),而普通潮氣量機(jī)械通氣2小時(shí)Calpain活性不變。Calpain抑制劑降低其活性呈劑量依賴性,10mg/kg濃度的抑制劑即可完全阻滯其活性。 Calpain抑制劑減輕了機(jī)械通氣肺炎性反應(yīng):提示藥物抑制Calpain活性對(duì)減輕VILI有顯著作用。 3Calpainl或Calpain2基因knockdown降低了VILI(Fig5) 提示以基因沉默技術(shù)干預(yù)Calpainl或Calpain2蛋白表達(dá)對(duì)減輕VILI有顯著作用。兩種亞型對(duì)VILI的作用無(wú)顯著差異,提示兩種亞型在VILI中發(fā)揮相同作用 4.1Calpain活性在VILI中通過(guò)調(diào)節(jié)ICAM-1磷酸化發(fā)揮作用(Fig6) 最近的研究顯示ICAM-1位于絡(luò)氨酸的磷酸化介導(dǎo)了早期炎性反應(yīng)的白細(xì)胞的遷移。本實(shí)驗(yàn)我們假定大潮氣量機(jī)械通氣通過(guò)Calpain活性誘發(fā)ICAM-1磷酸化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示大潮氣量機(jī)械通氣15分鐘ICAM-1磷酸化開(kāi)始發(fā)生于Tyr518位點(diǎn)并持續(xù)至機(jī)械通氣2小時(shí)。Calpain抑制劑顯著降低了機(jī)械通氣誘發(fā)的ICAM-1tyrosine的磷酸化:與此相似,Calpainl或Calpain2knockdown也明顯降低了VILI的ICAM-1磷酸化。Calpain抑制劑或Calpainl、Calpain2siRNA本身對(duì)ICAM-1磷酸化沒(méi)有影響。數(shù)據(jù)還顯示:2小時(shí)的機(jī)械通氣沒(méi)有改變ICAM-1的蛋白表達(dá)。 以上結(jié)果顯示Calpain介導(dǎo)了ICAM一1的tyrosine磷酸化。 4.2Calpain活性介導(dǎo)了NO產(chǎn)物的形成刺激ICAM-1磷酸化從而引起PMN浸潤(rùn)入肺(Fig7) 體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)肺炎性反應(yīng)中NO來(lái)源于NOS-2和NOS-3兩種途徑,NO在VILI的發(fā)病機(jī)制中起重要作用。本研究數(shù)據(jù)顯示:與自主呼吸相比,機(jī)械通氣15分鐘NO即升高3倍并在2小時(shí)的機(jī)械通氣中繼續(xù)緩慢升高至4倍,Calpain抑制劑阻滯了這種表現(xiàn),而Calpain抑制劑本身沒(méi)有改變基礎(chǔ)NO濃度;與此相同,Calpainl或Calpain2基因knockdown也顯著抑制了機(jī)械通氣NO濃度的升高。 4.3NO刺激了一系列蛋白的磷酸化(Fig8) 本實(shí)驗(yàn)我們重點(diǎn)判定在小鼠肺內(nèi),大潮氣量機(jī)械通氣誘發(fā)的ICAM-1磷酸化和相應(yīng)的PMN浸潤(rùn)是否為NO依賴機(jī)制。數(shù)據(jù)顯示:非特異性NOS抑制劑L-NAME消除了ICAM-1在Tyr518位點(diǎn)的磷酸化并使BAL內(nèi)PMN顯著降低。 4.4ICAM-1tyrosine磷酸化在肺PMN浸潤(rùn)的作用 我們采用tyrosine特異性抑制劑genistein預(yù)先于機(jī)械通氣1小時(shí)前腹腔注射,顯著消除了ICAM-1在Tyr518位點(diǎn)的磷酸化并顯著減輕了肺內(nèi)PMN浸潤(rùn)(Fig8)。 4.5Calpain活性上調(diào)了NOS-3磷酸化水平,使NOS-3來(lái)源而非NOS-2來(lái)源的NO產(chǎn)物增加 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示:大潮氣量機(jī)械通氣誘導(dǎo)產(chǎn)生的NO產(chǎn)物來(lái)自于NOS-3磷酸化和NOS-2兩種途徑。如圖7所示:機(jī)械通氣15分鐘,NOS-3磷酸化提高2.5倍并持續(xù)維持高水平至2小時(shí),NOS-2蛋白表達(dá)增高,NOS-3蛋白表達(dá)不變;Calpain抑制劑顯著降低NOS-3磷酸化而對(duì)NOS-2蛋白表達(dá)沒(méi)有影響;與此相似,Calpainl或Calpain2基因knockdown后也顯著降低NOS-3磷酸化而對(duì)NOS-2蛋白表達(dá)沒(méi)有影響。這些結(jié)果說(shuō)明大潮氣量機(jī)械通氣時(shí),Calpain通過(guò)NOS-3磷酸化途徑而非NOS-2途徑介導(dǎo)NO產(chǎn)物增加(Fig9)。 4.6為了明確Calpain對(duì)NOS-3活化(磷酸化)的作用,我們觀察了Calpain對(duì)NOS-3上游信號(hào)AKt磷酸化的作用 結(jié)果顯示:Akt磷酸化程度在大潮氣量機(jī)械通氣的增強(qiáng)是時(shí)間依賴性的,機(jī)械通氣1小時(shí),達(dá)到最高,2小時(shí)較1小時(shí)下降。Calpain抑制劑或Calpain knockdown后,AKt磷酸化活性也降低。說(shuō)明Calpain在VILI使NOS-3磷酸化是通過(guò)活化其上游信號(hào)Akt而產(chǎn)生的(Fig9)。 結(jié)論 1大潮氣量機(jī)械通氣產(chǎn)生了迅速的Calpain(?)舌性 2Calpain活性誘發(fā)了以中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)、肺泡-毛細(xì)血管通透性增高、肺水腫形成為特征的炎性反應(yīng);運(yùn)用脂質(zhì)體介導(dǎo)小干擾RNA體內(nèi)轉(zhuǎn)染基因沉默技術(shù)和藥物干預(yù)Calpain表達(dá)后,炎性反應(yīng)降低,產(chǎn)生了一系列肺保護(hù)作用。 3機(jī)械通氣早期Calpain1/2都被激活,兩種亞型在VILI中具有相同作用 4Calpain活性增高介導(dǎo)的早期肺部炎性反應(yīng)是通過(guò)Akt-P-NOS3-NO-Src-P-ICAM1-PMN途徑而產(chǎn):生的。(Fig10) 意義 首次探討Calpain在機(jī)械通氣肺損傷早期炎性反應(yīng)的發(fā)病機(jī)理中起決定性作用,是治療機(jī)械通氣肺損傷的關(guān)鍵靶點(diǎn);虺聊夹g(shù)或藥物干預(yù)Calpain活性、對(duì)VILI的早期治療有重要意義,為VILI的早期治療提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】:山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2013
【分類號(hào)】:R563.8
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3 賈寶成;風(fēng)濕性心臟病心房顫動(dòng)的電生理機(jī)制及Calpain Ⅰ的作用機(jī)制研究[D];第二軍醫(yī)大學(xué);2004年
4 程曉剛;Calpain inhibitor I對(duì)創(chuàng)傷應(yīng)激相關(guān)功能調(diào)控的實(shí)驗(yàn)研究[D];第三軍醫(yī)大學(xué);2004年
5 郁莉斐;Calpain活化對(duì)跨膜AMPA受體調(diào)節(jié)蛋白的影響及其作用機(jī)制研究[D];復(fù)旦大學(xué);2011年
6 張?jiān)圃?實(shí)驗(yàn)性糖尿病性多發(fā)性神經(jīng)病CGT、calpainⅡ的表達(dá)及人神經(jīng)生長(zhǎng)因子的干預(yù)作用[D];復(fù)旦大學(xué);2003年
7 張子峰;抑制鈣蛋白酶活性對(duì)大鼠脊髓缺血再灌注損傷的保護(hù)作用[D];第二軍醫(yī)大學(xué);2004年
8 陳琳;Caspase-3在雞肉成熟過(guò)程中的作用以及與calpain的交互關(guān)系研究[D];南京農(nóng)業(yè)大學(xué);2011年
9 王建春;鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶信號(hào)通路在心肌肥厚和心衰發(fā)生機(jī)制中的研究[D];山東大學(xué);2005年
10 董春山;異丙酚對(duì)機(jī)械通氣肺損傷影響的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究[D];新疆醫(yī)科大學(xué);2006年
相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條
1 李明輝;Calpain在急性病毒性心肌炎發(fā)病中的作用研究[D];復(fù)旦大學(xué);2010年
2 李全;Calpain介導(dǎo)萎縮比目魚(yú)肌強(qiáng)直收縮損傷[D];第四軍醫(yī)大學(xué);2010年
3 李耕;補(bǔ)充活性肽對(duì)骨骼肌Calpain基因表達(dá)的影響[D];北京體育大學(xué);2012年
4 謝曉麗;胡黃蓮苷Ⅱ?qū)δX缺血損傷后細(xì)胞凋亡及CytC和Calpain基因表達(dá)的影響[D];青島大學(xué);2012年
5 褚志華;TNFα和Calpain10基因多態(tài)性與新疆維吾爾族T2DM的相關(guān)性研究[D];石河子大學(xué);2009年
6 錢(qián)紅;慢性酒精中毒腦病理形態(tài)變化及m-Calpain、Calpastatin表達(dá)與TSAH死亡機(jī)制的關(guān)系研究[D];汕頭大學(xué);2011年
7 馮燁;氧化應(yīng)激中calpain對(duì)GSK-3β的片段化在其活性調(diào)節(jié)中的作用及機(jī)制[D];華中科技大學(xué);2012年
8 劉待見(jiàn);COPD模型大鼠骨骼肌中Calpains蛋白及mRNA表達(dá)的研究[D];鄭州大學(xué);2012年
9 羅濤;Calpain介導(dǎo)缺血—再灌注心肌細(xì)胞凋亡機(jī)制研究[D];川北醫(yī)學(xué)院;2012年
10 曹俊;Calpain切割修飾和蛋白質(zhì)磷酸化綁定的生物信息學(xué)分析[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年
,本文編號(hào):1711641
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