主题：【分享】基于PI3K/Akt信号通路探讨白芷颗粒对糖尿病视网膜病变的影响

糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy，DR）是糖尿病患者中最常见的眼部并发症，糖尿病相关眼病是导致全球中度至重度视力丧失和失明的第5大常见原因[1]。随着糖尿病发病率的增加，糖尿病视网膜病变发病率逐年升高[2]。目前，DR的防治方法主要有手术治疗如激光光凝术、药物治疗如抗血管内皮生长因子制剂等，但治疗成本高，疗效欠佳，并且存在一定的不良反应，尚缺乏有效的防治措施[3-4]。因此，积极寻找更安全有效的治疗药物尤为重要。
白芷为伞形科植物白芷Angelica dahurica (Fisch. ex Hoffm.) Benth. et Hook. f. 或杭白芷A. dahurica (Fisch. ex Hoffm) Benth. et Hook. f. var. formosana(Boiss.) Shan et Yuan的干燥根[5]。现代药理学研究表明，白芷主要含有香豆素类、挥发油类、生物碱类等多种化学成分，具有抗炎、抗氧化应激、抗肿瘤等作用[6-7]。糖尿病的各种慢性并发症以微血管病变为主，这种损害包括内皮细胞损伤、基底膜增厚、血管通透性增加等，影响了血管的正常结构和功能，炎症、氧化应激是其重要的发病机制[8-9]。本课题组前期研究发现，在糖尿病慢性溃疡中，白芷可以通过调节巨噬细胞极化，减少炎症从而促进伤口愈合，证明了白芷在糖尿病并发症中的抗炎作用[10]。白芷能够减轻糖尿病溃疡中微血管细胞的功能障碍，抑制细胞的凋亡及丢失，从而减轻血管的损伤[11]。此外，白芷中有效成分紫花前胡苷对蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）的磷酸化作用非常明显[12]。DR作为另一严重的糖尿病微血管并发症，主要表现也是血管功能的异常，因此提出白芷是否能够在一定程度上保护视网膜细胞从而延缓DR的发生和发展。本研究构建了DR动物模型和高糖诱导的视网膜细胞损害模型，拟从体内和体外实验2方面探讨白芷颗粒在DR中的保护作用和机制，以期为DR的防治提供新思路。

1  材料
1.1 动物
48只SPF级雄性SD大鼠，8周龄，购自斯贝福（北京）生物技术有限公司，动物许可证号SYXK（津）2020-0001，动物质量合格证号110324221106017247。大鼠饲养于天津医科大学朱宪彝纪念医院SPF级实验动物中心，动物房内保持22～25 ℃环境温度，50%～60%相对湿度，12 h明暗交替。本实验及相关实验操作已获得天津医科大学朱宪彝纪念医院动物实验伦理委员会批准（批准号DXBYY-IACUC-2022071）。
1.2 细胞
人视网膜上皮细胞（adult retinal pigment epithelial cell line-19，ARPE-19）购自北京北纳生物科技有限公司。
1.3 药品与试剂
白芷颗粒（批号A2110071，其中欧前胡素质量分数为0.12%）购自广东一方制药有限公司；羟苯磺酸钙（国药准字号H20030088）购自上海朝晖药业有限公司；链脲佐菌素（streptozotocin，STZ，批号572201）购自美国Sigma公司；柠檬酸钠缓冲液（批号C1013）、RIPA组织/细胞裂解液（批号R0010）、苏木素染色液（批号G1121）、伊红染色液（批号G1121）、高碘酸-席夫（PAS）染色试剂盒（批号G1281）购自北京索莱宝科技有限公司；NC膜（批号HATF00010）购自美国Millipore公司；ECL化学发光试剂盒（批号34095）购自美国Invitrogen公司；TUNEL检测试剂盒（批号C1090）购自上海碧云天生物技术股份有限公司；三色预染蛋白Marker（批号WJ102）、PAGE凝胶快速制备试剂盒（批号PG213）购自上海雅酶生物科技有限公司；剪切型半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3（cleaved cystein-asparate protease-3，cleaved Caspase-3）兔多克隆抗体（批号9661S）、磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）兔多克隆抗体（批号4292S）、p-PI3K兔多克隆抗体（17366S）、Akt兔多克隆抗体（批号9272S）、p-Akt兔多克隆抗体（批号4060S）购自美国CST公司；B淋巴细胞瘤-2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）兔多克隆抗体（批号26593-1-AP）、咬合蛋白（Occludin）兔多克隆抗体（批号27260-1-AP）、闭锁小带蛋白1（Zonula occluden-1，ZO-1）兔多克隆抗体（批号21773-1-AP）购自武汉三鹰生物技术有限公司；Bcl-2相关X蛋白（Bcl-2 associated X protein，Bax）兔多克隆抗体（批号A0207）购自武汉爱博泰克生物科技有限公司；PI3K抑制剂LY294002（批号HY-10108）购自美国MCE公司。
1.4 仪器
Tissuelyser组织研磨机（上海净信实业发展有限公司）；5425R型台式离心机（德国Eppendorf公司）；3K30型低温离心机（德国Heraeus公司）；PowerPac通用电泳仪、Mini-PROTEAN Tetra电泳槽（美国Bio-Rad公司）；eBlot L1型转膜仪（南京金斯瑞生物科技股份有限公司）；G BOX型凝胶成像系统（英国SYNGENE公司）；BX53型光学倒置相差显微镜（日本Olympus公司）；DM2500型荧光显微镜（德国Leica公司）。
2 方法
2.1 体内实验
2.1.1 动物模型制备、分组及给药 48只SD大鼠适应性饲养1周后，称定体质量，随机取12只作为对照组，36只作为造模组。禁食12 h后以ip STZ溶液（60 mg/kg）构建糖尿病模型，注射STZ 72 h后随机测得3次血糖值≥16.7 mmol/L时认为造模成功[13]，成模率为86.1%。将造模成功的31只大鼠称定体质量后随机分为模型组（n＝11）、白芷组（n＝10）、羟苯磺酸钙组（n＝10）。白芷组给药剂量参考课题组前期研究结果[11]，以1.25 g/(kg·d)剂量ig给药，羟苯磺酸钙以135 mg/(kg·d)剂量ig给药，连续给药12周，药物使用羟甲基纤维素钠溶液溶解。
2.1.2  视网膜组织病理学观察
（1）苏木素-伊红（HE）染色：末次给药后处死大鼠，摘眼球置于4%多聚甲醛溶液固定，石蜡包埋后切片进行HE染色，在显微镜下观察其病理学变化。
（2）PAS染色：显微镜下剥离视网膜后PBS摇洗3次，加入3%胰蛋白酶溶液，置于37 ℃恒温箱中消化视网膜；用吸管将消化好的血管脉络转移到干净的载切片上并晾干至完全干燥；干燥后的切片在自来水中冲洗3 min，过碘酸溶液氧化5 min，ddH2O浸洗2次；Schiff Ragent溶液染色5 min；自来水浸洗10 min，然后用苏木素溶液染细胞核2 min，ddH2O浸洗使其返蓝；依次放入70%乙醇1 min、80%乙醇1 min、90%乙醇1 min、无水乙醇3 min后，中性树胶封片并拍照保存。
2.1.3 TUNEL染色检测视网膜细胞凋亡情况  切片脱蜡脱水后滴加蛋白酶K，37 ℃孵育20 min；PBS洗涤3次，每次10 min；滴加50 μL TUNEL检测液，37 ℃避光孵育60 min；PBS洗涤3次，每次10 min；使用含DAPI抗荧光淬灭封片液封片后，在显微镜下观察拍照。
2.1.4 Western blotting检测视网膜组织Bax、Bcl-2、cleaved Caspase-3、Occludin、ZO-1、p-PI3K、PI3K、p-Akt、Akt蛋白表达 取各组视网膜组织，加入裂解液提取蛋白，蛋白样品经十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳，转至PVDF膜，于5%牛奶中封闭，室温摇床振荡1 h；TBST洗膜3次后加入一抗稀释液，4 ℃摇床孵育过夜；回收一抗，TBST清洗后加入二抗孵育1 h；弃二抗，TBST洗膜后使用ECL显影液曝光。
2.2 体外实验
2.2.1 细胞培养 ARPE-19细胞用含10%胎牛血清、100 μg/mL链霉素和100 μg/mL青霉素的DMEM/F12培养基，在37 ℃、5% CO2的培养箱中进行培养。
2.2.2 TUNEL染色检测ARPE-19细胞凋亡 取对数生长期的ARPE-19细胞，以1×105个/孔接种于24孔板中，培养24 h。设置对照组、高渗组、高糖组、白芷组和羟苯磺酸钙组。对照组在含5.5 mmol/L葡萄糖的培养基中培养；高渗组在含5.5 mmol/L葡萄糖和25 mmol/L甘露醇的培养基中培养；高糖组在含30 mmol/L葡萄糖的培养基中培养；白芷组在含30 mmol/L葡萄糖的培养基中加入白芷继续培养；羟苯磺酸钙组在含30 mmol/L葡萄糖的培养基中加入羟苯磺酸钙继续培养。通过CCK-8实验结果确定白芷给药浓度为150 μg/mL，羟苯磺酸钙给药浓度为20 μmol/L。各组细胞干预24 h后，PBS洗涤1次，加入4%多聚甲醛固定细胞30 min；用PBS洗涤后加入含0.3% Triton X-100的PBS，室温孵育5 min。滴加50 μL TUNEL检测液，37 ℃避光孵育60 min后PBS清洗3次；使用含DAPI的抗荧光淬灭剂封片，荧光显微镜下观察并拍照。
2.2.3 Western blotting检测ARPE-19细胞Bax、Bcl-2、cleaved Caspase-3、Occludin、ZO-1蛋白表达  按“2.2.2”项下方法处理细胞，收集细胞，提取蛋白，按“2.1.4”项下方法检测Bax、Bcl-2、cleaved Caspase-3蛋白表达。
2.2.4 免疫荧光检测ARPE-19细胞Occludin、ZO-1表达  按“2.2.2”项下方法处理细胞，PBS洗涤，每孔加入1 mL 4%组织细胞固定液，常温固定30 min。PBS洗涤后加入1%牛血清白蛋白封闭，于37 ℃恒温箱中孵育30 min；弃封闭液，PBS摇洗后每孔加入200 μL一抗（1∶500），4 ℃摇床孵育过夜。回收一抗，清洗细胞后每孔加入200 μL荧光二抗（1∶200），避光孵育1 h后弃二抗，每孔加入200 μL DAPI溶液避光染核15 min，显微镜下观察并拍照保存。
2.2.5 Western blotting检测PI3K抑制剂LY294002对Bax、Bcl-2、cleaved Caspase-3、PI3K/Akt通路蛋白表达的影响  设置对照组、高糖组、白芷（150 μg/mL）组和白芷（150 μg/mL）＋LY294002（10 μmol/L）组，给予药物干预24 h 后，收集细胞，提取蛋白，按“2.1.4”项下方法检测相关蛋白表达。
2.3 统计学分析
所有数据均采用Graphpad Prism 9.0软件进行统计学处理并作图，实验数据以表示。两组间的比较采用独立样本t检验，多组间的比较采用单因素方差分析。
3 结果
3.1 白芷颗粒对糖尿病大鼠视网膜病理学变化的影响
HE染色结果如图1所示，对照组大鼠视网膜组织结构清晰，神经节细胞排列紧密，内核层和外核层细胞结构完整、紧密；模型组大鼠视网膜组织毛细血管轻微扩张，内、外核层组织疏松、厚度变薄，细胞排列紊乱；与模型组比较，白芷组和羟苯磺酸钙组以上病理变化均有所缓解。
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PAS结果如图2所示，与对照组比较，模型组无功能毛细血管明显增加；与模型组比较，白芷组和羟苯磺酸钙组抑制了无功能毛细血管的形成。
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3.2 白芷颗粒对糖尿病大鼠视网膜细胞凋亡的影响
如图3所示，与对照组比较，模型组红色荧光明显增加，提示糖尿病大鼠视网膜细胞凋亡水平增加；与模型组比较，白芷组和羟苯磺酸钙组荧光强度明显减弱，提示药物治疗后可以减轻糖尿病大鼠视网膜细胞凋亡水平。
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3.3 白芷颗粒对糖尿病大鼠视网膜组织凋亡相关蛋白表达的影响
如图4所示，与对照组比较，模型组大鼠视网膜组织中Bax/Bcl-2、cleaved Caspase-3蛋白表达水平明显升高（P＜0.05）；与模型组比较，白芷组和羟苯磺酸钙组Bax/Bcl-2、cleaved Caspase-3蛋白表达水平明显降低（P＜0.05），提示白芷颗粒能够抑制糖尿病大鼠视网膜细胞的凋亡。
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3.4 白芷颗粒对糖尿病大鼠视网膜组织中Occludin、ZO-1蛋白表达的影响
如图5所示，与对照组比较，模型组大鼠视网膜组织中Occludin和ZO-1蛋白表达水平显著降低（P＜0.05）；与模型组比较，白芷组和羟苯磺酸钙组Occludin和ZO-1蛋白表达水平均显著升高（P＜0.05），提示白芷颗粒能够在一定程度上保护糖尿病大鼠视网膜屏障。
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3.5 白芷颗粒对糖尿病大鼠视网膜组织中PI3K/Akt通路相关蛋白表达的影响
如图6所示，与对照组比较，模型组大鼠视网膜组织中p-PI3K/PI3K、p-Akt/Akt显著降低（P＜0.05）；与模型组比较，白芷组和羟苯磺酸钙组鼠视网膜组织中p-PI3K/PI3K、p-Akt/Akt显著升高（P＜0.05），提示白芷颗粒可能通过调控PI3K/Akt信号通路减轻DR损伤。
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3.6 白芷颗粒对高糖诱导的ARPE-19细胞凋亡的影响
如图7所示，与对照组比较，高糖刺激显著增加了细胞凋亡（P＜0.05），红色荧光明显增多；与模型组比较，白芷组和羟苯磺酸钙组细胞凋亡率显著降低（P＜0.05），红色荧光明显减少。表明白芷颗粒可以抑制高糖环境下ARPE-19细胞的凋亡。
3.7 白芷颗粒对高糖诱导的ARPE-19细胞中凋亡相关蛋白表达的影响
如图8所示，与对照组比较，模型组细胞Bax/Bcl-2、cleaved Caspase-3蛋白表达水平明显升高（P＜0.05）；与模型组比较，白芷组和羟苯磺酸钙组Bax/Bcl-2、cleaved Caspase-3蛋白表达水平明显降低（P＜0.05），表明白芷颗粒能够在一定程度上抑制ARPE-19细胞凋亡从而减轻高糖环境下的视网膜损伤。
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3.8 白芷颗粒对高糖诱导的ARPE-19细胞中Occludin、ZO-1表达的影响
为了进一步验证白芷对视网膜屏障的保护作用，采用免疫荧光技术考察白芷对高糖诱导下ARPE-19细胞Occludin以及ZO-1表达的影响。如图9所示，与对照组比较，模型组细胞间连接被破坏，Occludin、ZO-1荧光强度明显降低（P＜0.05）；与模型组比较，白芷组和羟苯磺酸钙组细胞中紧密连接有所恢复，Occludin、ZO-1荧光强度显著增加（P＜0.05）。
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3.9 白芷颗粒对高糖诱导的ARPE-19细胞中紧密连接相关蛋白表达的影响
如图10所示，与对照组比较，模型组细胞Occludin、ZO-1蛋白表达水平明显降低（P＜0.05）；与模型组比较，白芷组和羟苯磺酸钙组Occludin、ZO-1蛋白表达水平明显升高（P＜0.05），与免疫荧光结果一致，说明白芷颗粒能够通过增强细胞间紧密连接从而保护高糖诱导的ARPE-19细胞损伤。
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3.10 白芷颗粒通过激活PI3K/Akt通路减轻细胞凋亡保护视网膜屏障损伤
如图11所示，与对照组比较，模型组p-PI3K/PI3K、p-Akt/Akt明显降低（P＜0.05），PI3K/Akt信号通路受到抑制；与模型组比较，白芷组p-PI3K/PI3K、p-Akt/Akt明显升高（P＜0.05）；给予PI3K抑制剂LY294002干预后，Akt磷酸化受到抑制（P＜0.05），Bax/Bcl-2、cleaved Caspase-3蛋白表达明显升高（P＜0.05），提示白芷颗粒可能通过PI3K/Akt通路抑制细胞凋亡从而减轻视网膜屏障损伤。
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4 讨论
DR是糖尿病患者中最常见的一种微血管并发症，其病理过程与血-视网膜屏障（blood retinal barrier，BRB）密切相关[14]。慢性高血糖会破坏视网膜屏障，引起毛细血管中周细胞的丢失以及基底膜增厚，从而使得视网膜中的血管通透性增加，最终导致BRB分解[15-16]。BRB主要包括内屏障和外屏障，其中外屏障主要由视网膜色素上皮（retina pigment epithelium，RPE）及其连接构成[17-18]。细胞间的连接是屏障功能正常发挥作用的基础，紧密连接主要由Occludin、ZO-1等组成[19]。在糖尿病患者中，Occludin与BRB损伤密切相关，高糖会使得Occludin表达选择性降低，BRB通透性增加。相关实验表明，STZ诱导的糖尿病大鼠模型在8周后采用伊文思蓝染色观察发现其渗漏量与对照组相比增加了10%，免疫荧光结果显示糖尿病大鼠中Occludin表达量明显降低[20]。ZO家族中，ZO-1位于上皮细胞和内皮细胞的封锁小带中[21]。在DR早期阶段，氧化应激及炎症等会诱导炎症因子和趋化因子上调，导致ZO-1表达降低，视网膜屏障被破坏，从而出现出血等症状[22]。本研究结果显示，与对照组比较，模型组大鼠Occludin、ZO-1表达明显降低，提示糖尿病大鼠视网膜组织中紧密连接被破坏，BRB受损；与模型组比较，白芷给药后Occludin、ZO-1表达量明显升高，表明白芷在一定程度上具有保护BRB功能的作用。在体外研究中，采用免疫荧光和Western blotting法观察ARPE-19细胞中紧密连接及其蛋白表达情况，结果发现白芷干预后可以增加细胞间Occludin、ZO-1表达，发挥保护ARPE-19细胞的作用。
高糖诱导的视网膜细胞凋亡是早期DR的重要发病机制之一[23-24]。线粒体中高血糖诱导的ROS积累可以使线粒体膜通透性增加，进而触发视网膜线粒体释放细胞色素C激活Caspase-9，然后通过一系列生物过程激活Caspase-3导致细胞凋亡[25]。PI3K/Akt信号通路在视网膜细胞凋亡过程中起着至关重要的作用[26]。活化的Akt会引起下游磷酸化级联反应，从而促进细胞存活[27]。在高糖环境下PI3K/Akt信号通路传导受阻，使促凋亡因子Bax表达上调，抗凋亡因子Bcl-2表达受到抑制，之后进一步激活Caspase3后导致细胞凋亡增加[28]。本研究发现，白芷颗粒可以降低糖尿病大鼠视网膜组织与ARPE-19细胞中Bax/Bcl-2、cleaved Caspase-3的蛋白表达，TUNEL染色也证实了这一表现。本研究进一步测定了ARPE-19细胞中PI3K/Akt信号通路及其下游凋亡相关蛋白表达情况，结果显示与高糖组比较，白芷干预后p-PI3K/PI3K、p-Akt/Akt蛋白表达水平明显增加。使用PI3K抑制剂LY294002后抑制了Akt的磷酸化过程，同时下游Bax/Bcl-2蛋白表达增加、cleaved Caspase-3蛋白表达升高，由此推测白芷颗粒可能通过PI3K/Akt通路抑制细胞凋亡。
综上，本研究发现白芷颗粒可能通过调控PI3K/Akt信号通路减轻视网膜细胞凋亡保护BRB损伤，从而延缓早期DR，为白芷治疗DR提供了潜在机制研究。