2. 武汉大学人民医院麻醉科,武汉 430060
2. Department of Anesthesiology, Renmin Hospital of Wuhan University, Wuhan 430060, China
研究发现缺血期间机体氧供不足可迫使细胞进行无氧代谢生成乳酸以提供维持机体基本生存所需的能量[1],但在恢复灌注后氧化磷酸化酶的活性仍被抑制而糖酵解依旧处于活跃状态致使乳酸持续升高[2]。正常情况下适量乳酸能增强神经元的兴奋性和可塑性并参与长期记忆的形成,但在病理状态下过量乳酸可酸化细胞微环境,诱导炎症因子浸润、促使氧自由基堆积并激活通透性转换通道的开放进而导致损伤进一步加重[3-4]。近期发现乳酸不仅是细胞能量代谢的产物,其还可通过乳酸化修饰影响信号传导和蛋白表达[5]。然而乳酸在CIRI中是否能通过乳酸化修饰发挥效应?其具体调控机制又是如何?本研究旨在探讨乳酸化修饰在脑缺血-再灌注损伤中的作用及其可能机制。
1 材料与方法 1.1 材料与模型清洁级雄性C57BL/6小鼠36只(8~10周龄),采用随机数字表法分为4组:假手术组(Sham组)、大脑中动脉闭塞/再灌注组(MCAO/R组)、大脑中动脉闭塞/再灌注+2-脱氧-D-葡萄糖组(MCAO/R+2-DG组)、大脑中动脉闭塞/再灌注+乳酸钠组(MCAO/R+Nala组)。MCAO/R组采用线栓法缺血1 h再灌注24 h制备小鼠大脑中动脉栓塞模型,MCAO/R+2-DG组于造模前90 min腹腔注射250 mg/kg 2-DG(Sigma, USA)[6];MCAO/R+Nala组造模前24 h行侧脑室定位注射100 mmol/L Nala(Sigma, USA) 2 μL[6]。
线栓法制备MCAO/R模型:小鼠麻醉后仰卧位固定,消毒颈部皮肤延正中线切开。显微镜下暴露左颈总动脉并在近心端结扎,分离结扎颈外动脉,动脉夹夹闭颈总动脉远端,在靠近结扎处剪一小口插入线栓,轻推线栓过颈总动脉分叉处直至稍感阻力随即打结固定。1 h后取出线栓进行再灌注。
1.2 检查方法乳酸试剂盒测定乳酸含量:将脑组织冰水浴下匀浆,2 500 r/min离心后取上清液为待测样本。严格按说明书配置工作液,利用酶标仪测量并计算乳酸浓度(南京建成)。
HE染色观察细胞形态:再灌注24 h处死小鼠,多聚甲醛固定后取出脑组织,脱水包埋,切片脱脂,苏木精染液浸泡,蒸馏水冲洗,伊红染液复染,显微镜下观察并拍照。
TUNEL检测细胞凋亡:4%多聚甲醛固定脑组织,石蜡包埋切片,透化,dUTP荧光染色,荧光显微镜下观察采集图像。
免疫荧光检测ROS:再灌注24 h处死小鼠,快速取脑置于液氮,制备冰冻切片,DCFH-DA孵育,DAPI染核,荧光倒置显微镜下观察并拍照。
Western blot检测:蛋白上样后电泳仪恒压80 V至溴酚蓝通过上层胶后恒压120 V继续电泳45 min,电转仪恒流200 mA使蛋白转至PVDF膜,封闭后摇床一抗孵育过夜[SOD2 (1:10 000, 武汉三鹰)、SOD2-K114la(1:500, HuaBio)、IRP2(1:1 000, 武汉三鹰)、TRF1(1:1 000, ABclonal)],含Tween-20的Tris缓冲溶液洗涤,孵育辣根过氧化物酶标记的山羊抗兔二抗,Tris缓冲溶液洗涤后ECL显影液显影。
1.3 统计学方法应用GraphPad Prism 8.0软件进行统计分析,计量资料以均数±标准差(x±s)表示,设置检验水准α=0.05,组间比较采用单因素方差分析,两两比较采用Turkey检验。以P < 0.05为差异有统计学意义。
2 结果 2.1 小鼠大脑皮质神经元形态、细胞凋亡及ROS的比较与Sham组相比,MCAO/R组小鼠大脑皮质HE染色可见细胞排列疏松紊乱、数量减少、胞核固缩、形态异常、间质可见明显水肿、空泡化改变,TUNEL染色可见大量凋亡细胞同时ROS荧光强度增强;与MCAO/R组相比,MCAO/R+2-DG组细胞损伤减轻,凋亡减少,ROS荧光强度减弱;与MCAO/R组相比,MCAO/R+Nala组细胞损伤加重,凋亡增多,ROS荧光强度增强。见表 1。
组别 | TUNEL positive rate (%) | ROS (fold to Sham) |
Sham组 | 0.294±0.147 | 1.166±0.155 |
MCAO/R组 | 35.420±2.832a | 3.415±0.229a |
MCAO/R+2-DG组 | 23.800±3.168ab | 2.640±0.213ab |
MCAO/R+Nala组 | 53.430±3.551ab | 4.687±0.253ab |
F值 | 193.8 | 140.0 |
P值 | <0.0001 | <0.0001 |
注:与Sham组相比,aP<0.05;与MCAO/R组相比,bP<0.05 |
与Sham组相比,MCAO/R组小鼠乳酸、SOD2-K114la升高,SOD2降低(P < 0.05);与MCAO/R组相比,MCAO/R+2-DG组乳酸、SOD2-K114la降低,SOD2升高(P < 0.05);与MCAO/R组相比,MCAO/R+Nala组乳酸、SOD2-K114la升高,SOD2降低(P < 0.05)。见表 2。
组别 | 乳酸(mmol/gprot) | SOD2 | SOD2-K114la |
Sham组 | 0.376±0.030 | 1.082±0.088 | 1.009±0.073 |
MCAO/R组 | 0.608±0.064a | 0.545±0.062a | 2.311±0.146a |
MCAO/R+2-DG组 | 0.453±0.047ab | 0.727±0.026ab | 1.764±0.188ab |
MCAO/R+Nala组 | 1.021±0.051ab | 0.286±0.040ab | 3.479±0.275ab |
F值 | 101.1 | 97.3 | 94.4 |
P值 | <0.0001 | <0.0001 | <0.0001 |
注:与Sham组相比,aP<0.05;与MCAO/R组相比,bP<0.05 |
与Sham组相比,MCAO/R组IRP2、TFR1增多(P < 0.05);与MCAO/R组相比,MCAO/R+2-DG组IRP2、TFR1减少(P < 0.05);与MCAO/R组相比,MCAO/R+Nala组IRP2、TFR1增多(P < 0.05)。见表 3。
组别 | IRP2 | TFR1 |
Sham组 | 1.000±0.000 | 1.000±0.000 |
MCAO/R组 | 1.735±0.125a | 1.611±0.058a |
MCAO/R+2-DG组 | 1.463±0.055ab | 1.252±0.081ab |
MCAO/R+Nala组 | 2.463±0.117ab | 2.209±0.094ab |
F值 | 138.3 | 159.4 |
P值 | <0.0001 | <0.0001 |
注:与Sham组相比,aP<0.05;与MCAO/R组相比,bP<0.05 |
缺血性脑卒中作为全球第二大致死、致残性疾病,严重威胁了我国居民的身体健康[7]。早期恢复脑血流是目前治疗缺血性脑卒中的主要方法[8],但在恢复血供后常伴随着乳酸等大量酸性代谢产物的释放、进而引起氧化应激增强,血脑屏障破坏等一系列病理现象[3],导致神经损伤不但未能减轻反而会加速诱导细胞结构破坏甚至死亡即脑缺血-再灌注损伤。
既往研究认为乳酸作为能量载体可自由穿透血脑屏障,从血液进入脑组织以确保其在脑内的输送和利用[9]。但近期研究却发现缺血期间脑血流中断,神经元无法获得足够的氧气和营养物质,从而迫使其能量代谢转变为无氧糖酵解以维持基本生存所需的能量。在这一过程中细胞内乳酸浓度持续升高且再灌注后乳酸大量释放又能进一步酸化细胞内环境,促使pH值下降、导致线粒体通透性转换孔(mPTP)持续开放,加剧细胞损害[10-11]。以上论述表明乳酸在机体内可能发挥了截然不同的作用。
SOD2作为机体内最为重要的抗氧化酶,其可通过催化超氧自由基转化为氧气和过氧化氢以保护细胞免受损伤进而在多种疾病模型中发挥抗氧化作用[12-13]。本研究结果证实再灌注后SOD2降低,ROS荧光强度增加,同时细胞凋亡增多,抑制乳酸生成后SOD2升高,ROS荧光强度降低,细胞凋亡减少。提示CIRI期间SOD2降低可促使ROS增多导致细胞损伤。那么SOD2又是如何减少的呢?其是否和乳酸有关?课题组前期通过乳酸化组学联合生信分析发现再灌注损伤与细胞能量代谢和氧化应激密切相关,并筛选出SOD2-K114为其乳酸化修饰位点。进一步发现再灌注后MCAO/R组小鼠乳酸、SOD2-K114la升高,脑组织损伤加重,当给予2-DG抑制乳酸生成后乳酸、SOD2-K114la降低,细胞损伤减轻。证实抑制乳酸生成可降低SOD2-K114的乳酸化水平减轻神经损伤。
既往研究显示SOD2降低可促进蛋白复合物中铁离子的释放,催化羟自由基形成进而造成细胞损害[14-15],同时另有报道证实SOD2升高能降低心脏、肝脏、肾脏和骨骼肌等组织中活性铁的水平[16]。同时游离铁和羟自由基的过度积累又会加剧氧化应激,诱导铁死亡的发生[17-18]。本研究证实CIRI后SOD2降低,同时铁代谢蛋白IRP2、TFR1增多,抑制乳酸生成后铁代谢相关蛋白下调,脑损伤减轻。表明SOD2的抗氧化效应可能与抑制机体铁代谢有关。
在上述研究中笔者还发现外源性给予乳酸可诱导损伤进一步加重,提示乳酸在CIRI中能加重神经损害,虽然有研究认为乳酸可为机体提供能量以保证机体的存活,但在临床工作中乳酸却是反应机体微循环是否良好、血液氧供与组织氧需是否达到平衡的重要指标,异常升高的乳酸是患者不良预后的先兆。本研究结果提示早期对乳酸进行干预可能有利于重症患者的恢复。
综上,本研究表明CIRI后乳酸增多进而SOD2乳酸化修饰增强导致损伤加重,抑制乳酸生成可减轻脑损伤,其机制可能与调控铁代谢有关。
利益冲突 所有作者声明无利益冲突
作者贡献声明 周昕祎:实验操作、文章撰写;齐雪、李亚男:数据统计分析、作图、数据整理;王伟、赵博:研究指导;宋文沁:实验设计、论文审阅
[1] | Arifianto MR, Ma'ruf AZ, Ibrahim A, et al. Role of hypertonic sodium lactate in traumatic brain injury management[J]. Asian J Neurosurg, 2018, 13(4): 971-975. DOI:10.4103/ajns.AJNS_10_17 |
[2] | Liang J, Han RR, Zhou B. Metabolic reprogramming: strategy for ischemic stroke treatment by ischemic preconditioning[J]. Biology (Basel), 2021, 10(5): 424. DOI:10.3390/biology10050424 |
[3] | Pan RY, He L, Zhang J, et al. Positive feedback regulation of microglial glucose Metabolism by histone H4 lysine 12 lactylation in Alzheimer's disease[J]. Cell Metab, 2022, 34(4): 634-648.e6. DOI:10.1016/j.cmet.2022.02.013 |
[4] | Steinman MQ, Gao V, Alberini CM. The role of lactate-mediated Metabolic coupling between astrocytes and neurons in long-term memory formation[J]. Front Integr Neurosci, 2016, 10: 10. DOI:10.3389/fnint.2016.00010 |
[5] | Chen AN, Luo Y, Yang YH, et al. Lactylation, a novel Metabolic reprogramming code: current status and prospects[J]. Front Immunol, 2021, 12: 688910. DOI:10.3389/fimmu.2021.688910 |
[6] | Xiong XY, Pan XR, Luo XX, et al. Astrocyte-derived lactate aggravates brain injury of ischemic stroke in mice by promoting the formation of protein lactylation[J]. Theranostics, 2024, 14(11): 4297-4317. DOI:10.7150/thno.96375 |
[7] | Saini V, Guada L, Yavagal DR. Global epidemiology of stroke and access to acute ischemic stroke interventions[J]. Neurology, 2021, 97(20 Suppl 2): S6-S16. DOI:10.1212/WNL.0000000000012781 |
[8] | Nie XM, Leng XY, Miao ZR, et al. Clinically ineffective reperfusion after endovascular therapy in acute ischemic stroke[J]. Stroke, 2023, 54(3): 873-881. DOI:10.1161/STROKEAHA.122.038466 |
[9] | Proia P, Di Liegro CM, Schiera G, et al. Lactate as a Metabolite and a regulator in the central nervous system[J]. Int J Mol Sci, 2016, 17(9): 1450. DOI:10.3390/ijms17091450 |
[10] | Yang WJ, Lei XX, Liu FY, et al. Meldonium, as a potential neuroprotective agent, promotes neuronal survival by protecting mitochondria in cerebral ischemia-reperfusion injury[J]. J Transl Med, 2024, 22(1): 771. DOI:10.1186/s12967-024-05222-7 |
[11] | Romero-Garcia S, Moreno-Altamirano MMB, Prado-Garcia H, et al. Lactate contribution to the tumor microenvironment: mechanisms, effects on immune cells and therapeutic relevance[J]. Front Immunol, 2016, 7: 52. DOI:10.3389/fimmu.2016.00052 |
[12] | Flynn JM, Melov S. SOD2 in mitochondrial dysfunction and neurodegeneration[J]. Free Radic Biol Med, 2013, 62: 4-12. DOI:10.1016/j.freeradbiomed.2013.05.027 |
[13] | 周刚, 李云曌, 吴辉, 等. 细胞FLICE样抑制蛋白激活Nrf2/HO-1信号通路抑制氧化应激减轻大鼠心肌缺血-再灌注损伤[J]. 中华急诊医学杂志, 2025, 34(1): 40-46. DOI:10.3760/cma.j.issn.1671-0282.2025.01.007 |
[14] | Sanz-Alcázar A, Britti E, Delaspre F, et al. Mitochondrial impairment, decreased sirtuin activity and protein acetylation in dorsal root Ganglia in Friedreich Ataxia models[J]. Cell Mol Life Sci, 2023, 81(1): 12. DOI:10.1007/s00018-023-05064-4 |
[15] | Henning Y, Blind US, Larafa S, et al. Hypoxia aggravates ferroptosis in RPE cells by promoting the Fenton reaction[J]. Cell Death Dis, 2022, 13(7): 662. DOI:10.1038/s41419-022-05121-z |
[16] | Ibrahim WH, Habib HM, Kamal H, et al. Mitochondrial superoxide mediates labile iron level: evidence from Mn-SOD-transgenic mice and heterozygous knockout mice and isolated rat liver mitochondria[J]. Free Radic Biol Med, 2013, 65: 143-149. DOI:10.1016/j.freeradbiomed.2013.06.026 |
[17] | Liu J, Kang R, Tang DL. Signaling pathways and defense mechanisms of ferroptosis[J]. FEBS J, 2022, 289(22): 7038-7050. DOI:10.1111/febs.16059 |
[18] | 田甜, 龚平. 铁死亡和铁代谢紊乱在心脏骤停后脑损伤机制中的研究进展[J]. 中华急诊医学杂志, 2024, 33(8): 1211-1214. DOI:10.3760/cma.j.issn.1671-0282.2024.08.027 |