主题：【分享】人参不定根调节NLRP3炎症小体通路改善心肌缺血损伤作用

人参Ginseng Radix et Rhizoma是一种传统的名贵中药材，具有多种药理活性，如抗氧化、抗炎、抗癌、抗糖尿病、抗衰老和免疫调节作用，对于治疗心血管疾病也十分重要[1-2]。种植人参是一个缓慢的过程，5～7年才能收获成熟的人参根。此外，人参皂苷的含量还受到气候、土壤、环境污染和虫害的影响[3]。作为田间种植人参的替代方法，利用生物反应器技术培育的人参不定根培养物已被应用于人参的生产[4]。安全性研究表明，人参不定根没有明显的急性口服毒性、致突变毒性、致畸毒性和亚慢性口服毒性[5]。市售人参不定根产品作为健康食品、功能性食品和膳食补充剂越来越受欢迎[6]。以往的研究表明，人参对心肌缺血引起的损伤有保护作用[7-8]。然而，人参不定根对心肌缺血诱发损伤的保护作用及其潜在的分子机制尚不清楚。

心肌缺血是由冠状动脉闭塞引起的一种疾病，其特征是心肌缺血和缺氧，是导致全球死亡的主要原因之一[9]。再灌注即恢复缺血心肌的血流量，是临床上经常使用的一种治疗方法。然而，再灌注治疗可能会引发心肌缺血再灌注损伤[10]。因此，有必要找到有效的方法来改善心肌缺血引起的损伤。心肌细胞凋亡和心肌纤维化以及过度炎症是心肌缺血后心肌损伤的主要原因[11]。炎症是心肌缺血引起损伤的主要病理因素之一[12]。白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、IL-18和核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）等炎症因子会引发心肌凋亡、细胞外基质沉积和心肌纤维紊乱[13-14]。因此，探索抗炎药物是预防和治疗心肌缺血的重要策略。
多项研究表明，炎症因子风暴会通过激活先天性炎症信号通路之一的核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor pyrin domain containing 3，NLRP3）炎性小体通路引发不良的心肌重塑[15-16]。NLRP3炎症小体是一种细胞内多蛋白复合物，由NLRP3、凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein，ASC，包括一个Caspase激活和招募结构域）和半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-1前体（pro-cysteine-requiring aspartate protease-1，pro-Caspase-1）组成[17]。心肌损伤会促进炎症转录因子NF-κB的激活，从而增加NLRP3、pro-IL-1β和pro-IL-18的水平[18]。NLRP3炎性小体促进pro-Caspase-1转化为Caspase-1 cut，然后pro-IL-1β和pro-IL-18分别转化为成熟的IL-1β和IL-18[19]。IL-1β和IL-18通过调节免疫细胞募集、焦亡、细胞凋亡、细胞外基质积累和激活转化生长因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）通路，诱发炎症和心肌损伤[20-21]。本研究拟考察人参不定根对心肌缺血诱导的心肌细胞凋亡和心肌纤维化的影响及作用机制。
1 材料
1.1 动物
40只SPF级雄性C57BL/6小鼠，8周龄，体质量20～22 g，购自杭州医学院实验动物中心，生产许可证号SCXK（浙）2019-0002，合格证编号20220429Abzz0100018945。动物饲养于温度（22±1）℃、相对湿度（55±5）%的环境下，动物实验经杭州医学院伦理委员会批准（批准号2018-045）。
1.2 药材
人参不定根由大连普瑞康生物技术有限公司提供，经杭州医学院王茵教授鉴定为五加科植物人参Panax ginseng C. A. Mey.的不定根。这些不定根以长白山区的野生人参为种源，诱导产生人参愈伤组织细胞，筛选培养后进一步形成人参不定根，实验取材部位为整个不定根的全部组织，其外表形态为不规则根丝状，整体呈黄色，外表形态符合人参不定根的形态要求。
1.3 药品与试剂
肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、IL-6、IL-1β、IL-18 ELISA试剂盒（批号分别为EMC102a.96、EMC004.96、EMC001b.96、EMC011.96）购自上海欣博盛公司；BCA蛋白浓度测定试剂盒（批号E162-01）购自江苏凯基生物技术股份有限公司；异丙肾上腺素（isoproterenol，ISO，批号I5627）、二抗（羊抗鼠）Alexa Fluor 700（批号A-21036）、二抗（羊抗兔）Alexa Fluor 800（批号A32735）购自美国Sigma公司；TRIzol试剂（批号DP424）购自北京天根生物技术有限公司；反转录试剂盒（批号K1691）购自美国赛默飞公司；SYBR Green Mix（批号RR820A）购自日本Takara公司；B淋巴细胞瘤-2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）抗体（批号3498）、Bcl-2相关X蛋白（Bcl-2 associated X protein，Bax）抗体（批号2772）、Caspase-3抗体（批号9665）、硫氧还蛋白互作蛋白（thioredoxin interacting protein，TXNIP）抗体（批号14715）、Caspase-1抗体（批号24232）、IL-1β抗体（批号12242）、Caspase-1 cut抗体（批号89332）、IL-18抗体（批号57058）、NF-κB抗体（批号8242）、p-NF-κB抗体（批号3033）、核因子-κB抑制因子（inhibitor of NF-κB，IκB）抗体（批号9242）、p-IκB抗体（批号9246）购自美国CST公司；NLRP3抗体（批号BA3677）购自武汉博士德生物工程有限公司；I型胶原（collogen-Ⅰ，Col-Ⅰ）抗体（批号14695-1-AP）购自武汉三鹰生物技术有限公司；III型胶原（collogen-III，Col-III）抗体（批号ab184993）、TGF-β1抗体（批号ab215715）购自英国Abcam公司；甘油醛-3-磷酸脱氢酶（glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase，GAPDH）抗体（批号BK7021）购自杭州宝科生物科技有限公司。
1.4 仪器
1260型高效液相色谱分析仪（美国安捷伦科技公司）；iCAP-Q系列电感耦合等离子体质谱仪、5119670DP型多功能酶标仪、NanoDrop 2000型超微量核酸蛋白测定仪、A37834型Mini Amp PCR仪、QuantStudio3型实时荧光定量PCR系统（美国赛默飞公司）；BX3型显微镜（日本奥林巴斯公司）；ETH-256型心电图仪（美国iWorx公司）；NU-C200R-E型低温离心机（美国NUAIRE公司）；Licor Odyssey CLX-0657型双色红外激光成像系统（美国LI-COR公司）；Power Pac TM HC 043BR71015型蛋白电泳转印系统（美国Bio-Rad公司）。
2 方法
2.1 人参不定根提取物的制备
将人参不定根进行粉碎，过80目筛，取人参不定根粉末100 g，用70%乙醇2 L回流提取2 h，滤过，收集滤液。残渣加入70%乙醇2 L，回流提取2 h。合并2次滤液，真空旋蒸后得到人参不定根提取物。
2.2 人参不定根中人参皂苷含量的测定[22]
采用HPLC检测人参不定根中的主要人参皂苷含量。Sepax Bio-C18色谱柱（300 mm×4.6 mm，5 μm），流动相为甲醇（A）-超纯水（B），梯度洗脱：0～12 min，52% A；12～14 min，52%～57% A；14～17 min，57%～65% A；17～62 min，65% A；62～65 min，65%～100% A；65～83 min，100% A；83～85 min，100%～52% A。体积流量0.5 mL/min；柱温35 ℃；进样量5 μL。
2.3 iCAP-Q系列电感耦合等离子体质谱仪测定人参不定根的元素含量[23]
人参不定根提取物经王水处理后，使用iCAP-Q系列电感耦合等离子体质谱仪检测人参不定根中的元素含量。
2.4 动物模型的制备、分组和给药
40只C57BL/6小鼠随机分为对照组、模型组和人参不定根低、高剂量（500、1 000 mg/kg）组。各给药组ig相应药物，对照组和模型组ig双蒸水，1次/d，连续28 d。给药第27、28天，除对照组外，其余各组小鼠连续2 d每隔24 h sc 1次ISO（100 mg/kg），以诱导心肌缺血；对照组小鼠sc生理盐水。小鼠在首次注射ISO 48 h后，麻醉进行后续实验。
2.5 心电图检测
首次注射ISO 48 h后，用2%三溴乙醇麻醉小鼠。将心电图仪的针电极穿过小鼠皮肤插入导联III位置，使用心电图仪记录心电图。
2.6 心脏组织病理学变化观察
麻醉小鼠后，眼眶取血并分离血清，在冰上剖取小鼠心脏和肾脏，心脏组织、肾脏称定质量并记录，计算脏器指数。心脏组织在4%多聚甲醛中固定24 h，然后用石蜡包埋，切成4 μm的切片，分别进行Masson和苏木素-伊红（HE）染色，以观察心脏纤维化和心肌损伤。使用光学显微镜观察病理变化，使用Image-Pro Plus成像软件分析纤维化区域。
2.7 ELISA测定血清中IL-1β、IL-6、IL-18和TNF-α水平
使用ELISA试剂盒测定各组小鼠血清中IL-1β、IL-6、IL-18和TNF-α水平。
2.8 Western blotting测定心脏组织相关蛋白表达
用PBS溶液洗涤各组小鼠左心室，并在含1%蛋白酶抑制剂和磷酸酶抑制剂的RIPA裂解缓冲液中进行裂解，4 ℃、13 500 r/min离心30 min，使用BCA蛋白浓度测定试剂盒对总蛋白进行定量。蛋白样品经8%～15%十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳，转至PVDF膜，室温下用5%牛血清白蛋白阻断非特异性结合2 h后，分别加入Bcl-2抗体、Bax抗体、Caspase-3抗体、TXNIP抗体、Caspase-1抗体、IL-1β抗体、Caspase-1 cut抗体、IL-18抗体、Col-Ⅲ抗体、NF-κB抗体、p-NF-κB抗体、IκB抗体、p-IκB抗体、NLRP3抗体、Col-Ⅰ抗体、TGF-β1抗体和GAPDH抗体，4 ℃孵育过夜；用相应的荧光二抗在膜上孵育1 h，然后用Odyssey成像系统观察条带灰度值。
2.9 qRT-PCR测定心脏组织相关基因表达
按照试剂盒说明书提取各组小鼠心脏组织中总RNA并合成cDNA，进行qRT-PCR分析。Col-Ⅰ、Col-III、TGF-β1、基质金属蛋白酶2（matrix metallopeptidase，MMP2）、MMP9、纤连蛋白（fibronectin，Fn）引物序列见表1。

2.10 统计学分析
使用SPSS 22.0软件进行统计分析，结果以表示，多组间的分析采用单因素方差分析法。
3 结果
3.1 人参不定根中的人参皂苷含量
如表2所示，人参不定根中主要成分为人参皂苷Rg1、Rg2、Re、Rb1、Rc、Rb2和Rd。人参不定根中Rg1、Re、Rb1和Rb2的含量较高，其中Rg1＋Re的质量分数大于0.3%，Rb1的质量分数大于0.2%。根据《中国药典》2020年版的规定，人参中Rg1＋Re的质量分数不低于0.3%，Rb1的质量分数不低于0.2%，表明人参不定根中人参皂苷含量符合《中国药典》2020年版规定。
3.2 人参不定根中的主要元素含量
采用iCAP-Q系列电感耦合等离子体质谱仪测定人参不定根中74种元素的含量，表3列出了主要元素的含量，其中Na、Mg、P、K、Ca、Mn、Fe、Ni和Zn的含量较高。As和Hg的含量明显低于《中国药典》2020年版的限定含量。

3.3 人参不定根对心肌缺血小鼠心脏和肾脏指数的影响
如表4所示，与对照组比较，模型组小鼠心脏质量、肾脏质量、心脏指数和肾脏指数均显著升高（P＜0.01、0.001）；与模型组比较，人参不定根高剂量组小鼠心脏质量、心脏指数和肾脏指数均显著降低（P＜0.05、0.01）。各组小鼠体质量均无明显差异。

3.4 人参不定根对心肌缺血小鼠心电图的影响
如图1所示，对照组小鼠的心电图显示正常，模型组小鼠ST段明显增加，表明小鼠心肌缺血。与模型组比较，人参不定根高剂量组小鼠ST段显著下降。

3.5 人参不定根对心肌缺血小鼠心脏损伤的影响
如图2-A所示，HE染色显示对照组小鼠的心脏结构正常，模型组小鼠则出现心肌纤维排列不规则、断裂和溶解以及炎性细胞浸润，人参不定根高剂量组心脏组织病理学变化显著改善。如图2-B～D所示，与对照组比较，模型组心脏组织抗凋亡信号蛋白Bcl-2的水平显著降低（P＜0.05），而促凋亡信号蛋白Bax和Caspase-3 cut水平显著升高（P＜0.05）；与模型组比较，人参不定根高剂量组Bcl-2蛋白表达水平显著升高（P＜0.05），Caspase-3 cut蛋白表达水平显著降低（P＜0.05），人参不定根各剂量组Bax蛋白表达水平显著降低（P＜0.05、0.01）。

3.6 人参不定根对心肌缺血小鼠炎症反应的影响
心肌缺血引起的心肌损伤与血清和心肌中炎症因子水平的升高有关。如图3所示，与对照组比较，模型组小鼠血清中IL-1β、IL-6、IL-18和TNF-α水平明显升高（P＜0.01）；与模型组比较，人参不定根各剂量组IL-1β、IL-18和TNF-α水平明显降低（P＜0.05、0.01），人参不定根高剂量组IL-6水平显著降低（P＜0.001）。表明人参不定根能明显减轻心肌缺血小鼠的炎症反应。

3.7 人参不定根对心肌缺血小鼠心脏纤维化的影响
如图4-A所示，Masson染色结果表明，与对照组比较，模型组小鼠的心脏纤维化面积显著增加，而人参不定根可降低心肌缺血小鼠的心脏纤维化程度。如图4-B～G所示，各剂量的人参不定根显著降低心肌缺血小鼠心脏组织中促纤维化因子Col-I、Col-III、TGF-β1、Fn的mRNA表达水平（P＜0.05、0.01、0.001），高剂量的人参不定根显著降低心肌缺血小鼠心脏组织中MMP2、MMP9的mRNA表达水平（P＜0.05、0.01）。如图4-H、I所示，各剂量的人参不定根显著降低心肌缺血小鼠心脏组织中Col-I、Col-III蛋白表达水平（P＜0.05、0.01）。

3.8 人参不定根对心肌缺血小鼠心脏组织TGF-β1和NF-κB通路相关蛋白表达的影响
TGF-β1和NF-κB通路在心肌缺血诱发的心脏纤维化中发挥着重要作用。为了确定人参不定根是否通过下调TGF-β1和NF-κB通路来减轻心肌缺血诱导的损伤，采用Western blotting测定了心脏组织中TGF-β1、p-NF-κB和p-IκB的蛋白水平。如图5所示，与对照组比较，模型组小鼠心脏组织TGF-β1、p-NF-κB和p-IκB蛋白表达水平均显著升高（P＜0.05、0.01）；与模型组比较，人参不定根各剂量组p-NF-κB蛋白表达水平显著降低（P＜0.01），人参不定根高剂量组TGF-β1、p-IκB蛋白表达水平显著降低（P＜0.05）。表明人参不定根通过下调TGF-β1和NF-κB通路来减轻心肌缺血小鼠的心脏纤维化。

3.9 人参不定根对心肌缺血小鼠心脏组织NLRP3炎症小体通路相关蛋白表达的影响
如图6所示，与对照组比较，模型组小鼠心脏组织NLRP3、TXNIP、Caspase-1、Caspase-1 cut、IL-1β和IL-18的蛋白表达水平显著升高（P＜0.05、0.01、0.001）；与模型组比较，人参不定根各剂量组NLRP3、TXNIP、IL-1β和IL-18的蛋白表达水平显著降低（P＜0.05、0.01、0.001），人参不定根高剂量组Caspase-1、Caspase-1 cut的蛋白表达水平显著降低（P＜0.05、0.01）。表明人参不定根可通过降低NLRP3炎性小体的活性，从而保护心肌缺血诱导的损伤。

4  讨论
人参不定根是利用生物反应器技术精心培育的组织培养物。目前，研究已经证实，与天然人参相比，人参不定根具有同等的安全性[24]，并且含有相似的皂苷成分[25]，如人参皂苷Rg1、Rg2、Re、Rb1、Rc、Rb2。值得注意的是，在检测中发现，人参不定根中的Rb1、Rb2、Rd、Rg1＋Re含量均超过了正常人参，这充分表明人参不定根在质量与品质上相较于普通人参具有更显著的优势。这一发现为人参不定根的进一步应用与开发提供了有力支持。
人参作为一种传统的名贵药材，现代医学已经证实其具有抗肿瘤、抗炎、抗氧化和抗衰老等多种功能[26-28]。目前不同的研究团队也对人参不定根的药理作用进行了研究，许多结果显示人参不定根具有与正常人参相似的化学成分和药用价值，人参不定根同样能够发挥降血糖[29]、抗纤维化活性[30]、抗氧化活性和抗疲劳[31]等多种作用。与人参相似，有研究表明人参不定根能明显增加迟发性过敏反应的发生率，并能轻微增加脾淋巴细胞的增殖[32]。An等[33]发现野山参的不定根能显著缩短小鼠逃离平台的潜伏期，减少小鼠游向平台的距离，并改善记忆力。Murthy等[25]发现，人参不定根提取物能显著降低糖尿病大鼠的血糖浓度。然而，人参不定根对心肌缺血所致损伤的影响及其内在机制尚未见报道。
本研究发现人参不定根能有效抑制ISO处理小鼠的心肌凋亡、心脏纤维化和炎症细胞因子水平。人参不定根可通过减少TGF-β1、NF-κB和NLRP3炎症小体通路的活化来提供心肌保护。这些结果表明，对于心肌缺血引起的损伤患者来说，人参不定根是一种很有前景的人参替代品。
在心肌缺血的发病过程中，炎症因子在心肌细胞凋亡和坏死中起着至关重要的作用。心肌缺血会导致线粒体功能障碍，并伴随着活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平的显著增加[34]。过量产生的ROS会导致炎症细胞因子释放和炎症细胞浸润，促进心肌凋亡和细胞外基质沉积[35]。在本研究中，人参不定根能明显抑制炎症反应，降低IL-1β、IL-6、IL-18和TNF-α水平；人参不定根还具有抗凋亡作用，可降低Bax和Caspase-3蛋白水平。此外，使用人参不定根治疗的心肌缺血小鼠的细胞外基质成分如Col-I、Col-III、MMP2、MMP9、TGF-β1和Fn的表达明显下降。
人参皂苷是人参的主要功能成分，多项研究表明人参皂苷具有保护心脏的作用。研究结果表明，人参不定根中的人参皂苷主要有人参皂苷Rg1、Rg2、Re、Rb1、Rc、Rb2和Rd。人参皂苷Rb2在人参不定根中的含量相对较高。Xue等[36]发现人参皂苷Rb2通过上调Sirtuin 1的表达、抑制炎症反应和减轻氧化应激减轻心肌梗死/再灌注损伤。人参皂苷Rg2可下调心肌缺血小鼠心肌纤维化相关基因的表达水平，并改善其心脏功能[37]。研究表明，人参不定根能减轻ISO诱导的心肌缺血损伤，而人参不定根中的人参皂苷可能在这些保护作用中发挥了重要作用。
人参不定根含有丰富的元素，包括K、Mg、P、Ca、Zn和Mn。许多研究表明，这些元素对心脏病有益。对心肌梗塞患者补充K可预防或改善心肌梗塞引起的损伤[38]。Zn和Mn是超氧化物歧化酶的核心成分[39]，超氧化物歧化酶是一种重要的抗氧化酶，可降低心肌缺血损伤诱导的ROS水平[40]。低镁患者补充镁有利于减轻糖尿病心肌病损伤[41]。
越来越多的证据表明，TGF-β1信号通路的异常激活是心脏纤维化的主要原因[42]。在心肌缺血的小鼠中，TGF-β1可使TGF-β II型受体（TGF-β type II receptor，TβRII）和I型受体（TGF-β type I receptor，TβRI）磷酸化。TβRI和TβRII的异四聚体复合物可促进Smad2/3磷酸化，从而可能导致纤维化相关基因的转录[43]。本研究结果表明，人参不定根干预的心肌缺血小鼠TGF-β1蛋白水平明显下降，表明人参不定根能够抑制TGF-β1信号通路。NF-κB信号通路对炎症反应有重要影响[44]。本研究结果显示，人参不定根能显著降低缺血心脏中IκB和NF-κB的磷酸化。
心肌缺血的早期阶段会引发由损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs）介导的急性炎症反应[45]。DAMPs可提高促炎趋化因子和细胞因子的水平，导致炎症细胞聚集和一系列炎症反应。DAMPs还可能触发NLRP3炎性体的激活。NLRP3炎性小体是一个多蛋白复合物，包括NLRP3、TXNIP、ASC和Caspase-1，能够触发活性IL-1β和IL-18的产生[46]。此外，活化的IL-1β和IL-18会导致心肌炎症，从而促进心肌凋亡和心脏纤维化[47]。因此，抑制心肌缺血后的心肌炎症对于缓解心肌凋亡和心脏纤维化至关重要。本研究结果表明，人参不定根能有效降低心肌缺血小鼠血清中的炎症因子水平。蛋白免疫印迹分析表明，人参不定根抑制了NLRP3、TXNIP、Caspase-1、Caspase-1 cut、IL-1β和IL-18的上调。这些发现表明，人参不定根通过抑制NLRP3炎性体诱导的炎症反应，对心肌缺血诱导的损伤具有保护作用。
综上，本研究发现人参不定根可通过抑制TGF-β1、NF-κB信号通路和NLRP3炎性小体的活性来减轻心肌缺血引起的损伤。