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. 2019 Dec 18;51(6):1036–1041. [Article in Chinese] doi: 10.19723/j.issn.1671-167X.2019.06.010

甲基丁香酚对变应性鼻炎大鼠鼻黏膜水通道蛋白5的影响

Effect of methyl eugenol on nasal mucosal aquaporin 5 in rats with allergic rhinitis

Nan WU 1, Xiu-li ZHANG 1, Yun HOU 2, Li-xing LIN 3,, Xiao-bing ZHANG 2,
PMCID: PMC7433607  PMID: 31848500

Abstract

Objective

To observe the effect of methyl eugenol on the expression of aquaporin (AQP) 5 in nasal mucosa of rats with allergic rhinitis and to explore its significance.

Methods

In the study, 128 Wistar rats were randomly divided into normal control group, AR model control group, budesonide positive control group, 80 mg/kg group, 40 mg/kg group, 20 mg/kg group and 10 mg/kg group, and ovalbumin (OVA) was used to establish the model of allergic rhinitis. After successful modeling, castor oil, budesonide and corresponding doses of methyl eugenol were given respectively. After 1, 2 and 4 weeks of administration, the distribution of AQP5 in nasal mucosa was observed by immunohistochemistry. The expression of AQP5 in nasal mucosa of each group was compared by Western blotting. The expression of AQP5 mRNA was compared with real-time PCR.

Results

AQP5 was mainly located in the glandular epithelium and ductal epithelial cell membrane and cytoplasm. The expression of AQP5 and AQP5 mRNA in nasal mucosa of the rats in the model control group was lower than that in the normal control group (P<0.05). AQP5 and AQP5 mRNA in nasal mucosa of the rats in each treatment group were higher than those in the model control group in varying degrees. The expression of AQP5 in the budesonide group was not significantly different from that in the normal control group 1, 2 and 4 weeks after drug intervention(P>0.05), but there was significant difference between the budesonide group and the model control group (P<0.05). The expression of AQP5 mRNA in the budesonide group was significantly different from that in the normal control group and the model control group (P<0.05).After 2 weeks of intervention, the expression of AQP5 in each dose group of methyleugenol was not significantly different from that in the budesonide group (P>0.05). After 1 week of intervention, there was no significant difference in AQP5 mRNA between the 20 mg/kg group and the normal control group (P>0.05), but there was significant difference between the 20 mg/kg group and the model control group (P<0.05).

Conclusion

Methyl eugenol may increase the degree of edema of the nasal mucosa by reducing the expression of AQP5 and reduce the secretion of glands, thus alleviating the symptoms of allergic rhinitis, sneezing and runny nose.

Keywords: Methyl eugenol, Aquaporin 5, Allergic rhinitis


变应性鼻炎(allergic rhinitis,AR)是IgE介导的Ⅰ型超敏反应,病理改变以黏膜水肿、毛细血管扩张及腺体增生为主,主要表现为鼻塞、鼻痒及大量清涕。由组氨酸脱羧基而成的组胺是参与变应性鼻炎发病机制的重要炎症介质之一[1]。甲基丁香酚作为细辛挥发油的主要成分之一,能直接抑制肥大细胞释放组氨酸和组氨酸脱羧酶的基因超表达,从而发挥其抗过敏作用[2]。水通道蛋白(aquporins,AQP)是一组与细胞内外水转运有关的小分子跨膜蛋白。目前在鼻腔黏膜中发现有 AQP1、AQP3、AQP4和AQP5, 其中AQP5在人类鼻黏膜组织中表达相当广泛,是黏膜下层浆液性腺体分泌的限速屏障。本研究旨在通过探讨甲基丁香酚对 AR 大鼠鼻部症状和鼻黏膜 AQP5 的影响,了解甲基丁香酚对于 AR 大鼠鼻黏膜的黏液代谢及水代谢的影响。

1. 材料与方法

1.1. 实验动物及分组

Wistar 大鼠126只,4~6周龄,160~170 g,由兰州大学基础医学院动物实验中心提供。利用随机数字表法将实验动物随机分为正常对照组18只,模型组 108只。模型组大鼠造模成功后,用随机数字表法将其随机分为AR模型对照组,布地奈德阳性对照组,甲基丁香酚80 mg/kg组、40 mg/kg组、20 mg/kg组及10 mg/kg组,每组18只。

1.2. 主要试剂及仪器

卵清蛋白(ovalbumin,OVA)购自美国Sigma公司,氢氧化铝[Al(OH)3]购自天津市致远化学试剂有限公司,布地奈德(budesonide)购自澳大利亚阿斯利康有限公司,甲基丁香酚购自上海生物科技有限公司,兔抗鼠AQP5多克隆抗体购自美国Sigma公司,二抗试剂盒购自北京中杉金桥生物技术有限公司,免疫组化DAB染色试剂盒购自北京中杉金桥生物技术有限公司,AQP5及GAPDH引物购自宝生物工程(大连)有限公司,RNAiso Plus购自日本Takara公司,PrimeScriptTMeRT reagent Kitwith gDNA Eraser购自日本的Takara公司,SYBR®Premix Ex TaqTMⅡ购自日本Takara公司,罗氏LightCycler 480 实时定量PCR仪购自美国Roche公司。

1.3. AR模型的建立

变应性鼻炎大鼠模型的建立分基础致敏及鼻腔激发两阶段。首先基础致敏阶段,即将0.3 mg OVA和30 mg Al(OH)3中加生理盐水配置成1 mL混悬液给予大鼠腹腔注射,隔日1次,共7次,14 d。然后进入鼻腔激发阶段,即在末次基础致敏后隔日开始,用2%(质量分数)OVA溶液对实验组大鼠双侧鼻腔滴鼻,50 μL/侧,每日1次,共7 d。每次鼻腔激发后即刻至30 min内,观察并记录大鼠搔鼻动作次数、喷嚏个数及流涕情况,进行症状学评分。正常对照组大鼠以生理盐水代替OVA,其余方法和步骤与模型组相同。造模成功后,为了维持动物模型,AR模型对照组,布地奈德阳性对照组,甲基丁香酚80 mg/kg组、40 mg/kg组、20 mg/kg组及10 mg/kg组大鼠继续给予2% OVA滴鼻,50 μL/侧,隔日1次,正常对照组大鼠以等量生理盐水替代。

1.4. 变应性鼻炎大鼠行为学评分标准

依据鼻痒、喷嚏、流涕等出现的时间长短、轻重程度、次数多少为评分标准[3]。鼻痒程度:轻擦鼻几次, 记1 分;抓挠鼻、面不止, 到处摩擦记2 分。喷嚏:1~3 个为1 分, 4~10 个为2 分, 11个以上为3 分。流涕:流至前鼻孔为1 分, 超过前鼻孔为2 分, 流涕满面为3 分。各症状记分叠加,总分数5 分者为模型建立成功。症状观察时间为每次给致敏物后30 min。

1.5. 给药干预

建模完成后,根据动物体表面积转换计算公式,即大鼠给药剂量(mg/kg)=人的给药剂量(mg/m2)/大鼠的体质量(kg)×大鼠的体表面积(m2)。布地奈德阳性对照组大鼠给予布地奈德混悬液0.05 mL每侧鼻腔,每日3次;甲基丁香酚因其脂溶性故以蓖麻油作为溶剂,各组按照设定剂量即80 mg/kg、40 mg/kg、20 mg/kg及10 mg/kg配置滴鼻剂,滴鼻剂量同布地奈德组即0.05 mL每侧鼻腔,每日3次;正常对照组和模型对照组以等量蓖麻油替代,每日3次。分别于给药干预1、2、4周的末次给药24 h后,随机选择每组6只大鼠,给予10%(质量分数)水合氯醛(3 mL/kg)腹腔注射麻醉,迅速取双侧鼻中隔黏膜。每周每组随机选择3只大鼠的一侧鼻黏膜放入4 ℃的4%(体积分数)多聚甲醛溶液中固定,用于免疫组织化学检测,另一侧于-80 ℃保存,用于实时荧光定量PCR(Real-time PCR)检测;其余3只大鼠鼻黏膜保存于-80 ℃冰箱,用于蛋白免疫印迹(Western blotting)检测。

1.6. 免疫组织化学检测

取出经4%多聚甲醛溶液固定的鼻黏膜,进行梯度酒精脱水,常规石蜡包埋,4 μm厚度连续切片。常规脱蜡、水化。采用链霉菌抗生物素蛋白-过氧化物酶连结(streptavidin-perosidase,SP)法染色,柠檬酸修复,其余步骤按照SP试剂盒说明书进行。AQP5一抗按照1 :400稀释。利用已知阳性片作为阳性对照,PBS代替一抗作为阴性对照。经3,3'-二氨基联苯胺(3,3'-diaminobenzidine,DAB)显色、苏木精复染、梯度乙醇溶液(酒精),脱水、二甲苯透明、中性树胶封片,光学显微镜下观察。

1.7. Western blotting检测

用裂解液提取各组大鼠鼻黏膜中总蛋白,BCA法测蛋白浓度。按照Western blotting实验步骤进行上样,SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE), 转膜,封闭,孵育一抗、二抗,显影,扫描获取图像。选取β-actin作为内参,其中AQP5的一抗为兔抗AQP5 IgG 抗体(1 :5 000), 二抗为FITC标记的羊抗兔IgG 抗体(1 :10 000);β-actin的一抗为小鼠抗β-actin IgG抗体(1 :4 000), 二抗为FITC标记的大鼠抗小鼠IgG 抗体(1 :5 000)。

1.8. Real-time PCR 检测

根据RNAiso Plus试剂说明书提取各组大鼠鼻黏膜中总mRNA,琼脂糖凝胶电泳法检测mRNA质量,将其中3 μL mRNA逆转录合成cDNA, 并取2 μL 进行扩增,获得目的产物, 选取GAPDH作为内参,在相同反应条件下进行扩增。使用引物序列如下:(1)GAPDH:上游5'-CGGAGTCAACGGATTTGGTCGTAT-3',下游5'-AGCCTTCTCCATGGTGGTGAAGAC-3'; (2)AQP5:上游5'-CCATGGTGGTGGAGTTAATCTTGA-3',下游5'-CATGGAACAGCCGGTGAAGTAG-3'。对所得CT值进行相对定量,获得2-ΔΔCt值。

1.9. 统计学分析

采用SPSS 20.0 软件,计量资料以使用均数±标准差表示,使用t检验进行正常对照组与模型组两组间行为学评分比较;使用单因素方差分析进行多组间AQP5 及AQP5 mRNA表达量的比较, P<0.05 认为差异有统计学意义。

2. 结果

2.1. 行为学评分

致敏15 d后, 模型组动物开始鼻腔激发, 行为学评分均超过5 分, 造模成功; 正常对照组仅少数动物出现轻抓鼻。正常对照组行为学评分为(0.56±0.17)分, 模型组为(6.70±0.09)分, 采用t检验,差异有统计学意义(P<0.01)。

2.2. AQP5在大鼠鼻黏膜的分布及表达

光学显微镜下鼻黏膜组织中AQP5阳性表达呈棕黄色或棕褐色(图1), AQP5 在各组的分布基本一致,主要位于鼻黏膜腺上皮及导管上皮细胞的胞膜和胞质。

1.

1

AQP5在大鼠鼻黏膜的分布(SP ×400)

The distribution of AQP5 in the nasal mucosa of rats (SP ×400)

Western blotting检测各组大鼠鼻黏膜中AQP5的表达量(图2)发现,模型对照组大鼠鼻黏膜的AQP5较正常对照组表达减少(P<0.05)。各甲基丁香酚组大鼠鼻黏膜AQP5的表达均较模型对照组有不同程度增高。药物干预1、2、4周,布地奈德阳性对照组与正常对照组比较,差异均无统计学意义(P均>0.05);与模型对照组比较,差异均有统计学意义(P均<0.05)。干预2周后,甲基丁香酚各剂量组与布地奈德阳性对照组比较,差异无统计学意义(P>0.05)。

2.

2

大鼠鼻黏膜AQP5的表达

2.3. 各组大鼠鼻黏膜中AQP5 mRNA的表达

Real-time PCR检测各组大鼠鼻黏膜中AQP5 mRNA(图3)发现,AR模型对照组大鼠鼻黏膜的AQP5 mRNA较正常对照组表达减少(P<0.05)。各甲基丁香酚组大鼠鼻黏膜AQP5 mRNA均较AR模型对照组有不同程度增高。药物干预1、2、4周,布地奈德阳性对照组分别与正常对照组及AR模型对照组比较,差异均有统计学意义(P均<0.05)。比较各甲基丁香酚组AQP5 mRNA发现,甲基丁香酚干预1周,20 mg/kg组与正常对照组比较,差异无统计学意义(P>0.05),与AR模型对照组比较,差异有统计学意义(P<0.05)。

3.

3

大鼠鼻黏膜AQP5 mRNA的表达

The expression of AQP5 mRNA in the nasal mucosa of rats

3. 讨论

变应性鼻炎是特应性个体接触变应原后由IgE介导的鼻黏膜变态反应性疾病,其病理生理改变包括鼻黏膜腺体的过度分泌,肥大细胞、嗜碱和嗜酸性粒细胞脱颗粒,炎性介质释放[4]等,引起鼻黏膜的高反应和高分泌,从而产生以鼻痒、喷嚏、流涕为主的鼻部症状。高分泌即腺体分泌过度,其发生机制多样,如各种炎症介质、细胞因子和神经递质通过不同途径直接或间接作用于鼻黏膜的腺细胞[5,6];P物质受体的参与[7];细胞内钙代谢异常[8]等。以往AR治疗上多使用以糖皮质激素为主的非特异性治疗,但因其作用机制复杂[9],故AR的特异性治疗研究进展尚不是很理想。

细辛为多年生草本马兜铃科植物北细辛、汉城细辛或华细辛的干燥根和根茎[10]。细辛挥发油具有抗炎、抑菌、解热镇痛、中枢抑制、催眠镇静及抗过敏等作用[11,12,13],其主要成分包括甲基丁香酚、细辛酮、桉油酚、黄樟素、柠檬烯及优香芹烷等[14],其中,甲基丁香酚为细辛给药后血液和脑脊液吸收的主要成分之一[15]。杨华等[16]研究发现,甲基丁香酚可激活γ-氨基丁酸A型(GABAA)受体,通过抑制一氧化氮(NO)释放而发挥抗炎镇痛作用。Shin 等[2]研究发现,甲基丁香酚可通过抑制肥大细胞释放组氨酸,从而抑制大鼠皮肤的过敏反应。

AQP是一组与水分子转运相关的细胞膜蛋白,在液体转运平衡及某些腺体的分泌方面具有重要的作用。迄今为止,哺乳动物体内已发现了 13 种AQP亚型,即AQP0~AQP12。AQP能促进水肿液的吸收,选择性地吸收渗透水和某些非极性溶剂(如甘油和尿素等),其机制可能与Na-K-ATP 酶的协调定位相关,通过跨膜离子的转运,从而在膜两侧形成渗透梯度,推动水分子的转运。AQP广泛分布于多种组织细胞的质膜中,属于选择性水通道的主要内在膜蛋白(major intrinsic protein, MIP)家族,能快速且选择性地促进水分子的跨膜转运,从而达到相应的渗透梯度。AQP5 在部分腺体的分泌中起着关键的作用,Yasui等[17]研究发现,新生大鼠AQP5的表达量可持续增加至其成年,从而保证肺泡内液体的正常转运。Shen 等[18]发现,AQP5 野生型小鼠肺组织中 Th2 细胞浸润,黏蛋白过度分泌,而在AQP5 基因敲除小鼠无该现象,提示 AQP5 可能参与哮喘中气道炎症及黏液过度分泌的过程。Nejsum 等[19]研究发现,AQP5基因敲除小鼠汗腺体量减少,汗液分泌也较对照组明显减少,且黏稠度增高。鼻腔黏膜中腺体含量丰富,其分泌液对保持气道表面液体平衡、抵抗细菌的入侵起着重要的作用。AQP5与黏膜下浆液性腺体的分泌密切相关[20]。本研究也发现,大鼠鼻黏膜腺上皮及导管上皮细胞的胞膜和胞质中均分布有AQP5,且变应性鼻炎大鼠较正常大鼠鼻黏膜AQP5的表达减少,推测AQP5可能在限制鼻黏膜腺体的分泌、控制腺上皮细胞腔侧膜对水分子的转运中起着重要作用。

环磷酸腺苷-蛋白激酶A (cyclic adenosine monophosphate-protein kinase A, cAMP-PKA)信号通路通过PKA使其特异性磷酸底物cAMP反应元件结合蛋白(cAMP reaction element binding protein, CREB)丝氨酸在133位点(Ser133)磷酸化,参与鼻黏膜 AQP5 的表达调控[21,22,23]。变应性鼻炎时, NF-kappa B (NF-κB)信号通路被激活, 大量NF-κB p65从胞浆进入细胞核,诱导肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白介素1β(interleakin-1β, IL-1β)等基因转录,产生大量TNF-α、IL-1β等炎症因子 [24],这些炎症因子可通过抑制CREB磷酸化途径, 下调cAMP/PKA- CREB依赖性AQP5的表达。Towne等[25]通过TNF-α干预小鼠肺上皮细胞后发现,AQP5在mRNA和蛋白水平上分别减少了50%和90%,其作用机制可能通过TNF-α激活TNF-α受体1(TNF-R1)实现。小鼠肺部急性病毒感染后,AQP5表达的下调可能由于感染后炎症因子TNF-α、IL-1和IL-6等表达增多引起[26,27]。本研究也发现,变应性鼻炎大鼠较正常大鼠鼻黏膜AQP5表达减少,可能正是与NF-κB信号通路被激活相关,下调cAMP-PKA-CREB 信号通路上的基因表达,同时上调TNF-α、IL-1β等炎症因子的基因转录,从而使得AQP5及AQP5 mRNA的表达减少,鼻黏膜水肿、鼻黏膜腺体分泌亢进,进而产生鼻痒、喷嚏、流涕等鼻部症状。

本研究发现,变应性鼻炎大鼠鼻黏膜中AQP5及AQP5 mRNA的表达趋势基本一致,甲基丁香酚干预1、2、4周后,大鼠鼻黏膜AQP5及AQP5 mRNA的表达均较模型对照组增加;甲基丁香酚20 mg/kg组在干预1周后,AQP5 mRNA的表达与正常对照组比较差异无统计学意义;甲基丁香酚各剂量组干预2周后,AQP5的表达与布地奈德阳性对照组比较差异无统计学意义,推测甲基丁香酚可能通过抑制NF-κB 信号通路,一方面引起cAMP-PKA 信号传导途径下游磷酸化的 CREB 竞争性结合转录辅助因子CREB结合蛋白(CBP),上调包括AQP5在内的cAMP-PKA-CREB 信号通路上的基因表达;另一方面进入细胞核的NF-κB p65减少,下调TNF-α、IL-1β等炎症因子基因转录,从而在蛋白及mRNA水平上促进AQP5的表达,使得变应性鼻炎大鼠鼻黏膜腺体水肿程度减轻、腺体分泌减少,对变应性鼻炎起到治疗作用,但其具体作用机制尚需进一步探讨。

综上所述,甲基丁香酚可通过促进大鼠鼻黏膜AQP5的表达,调节变应性鼻炎大鼠鼻黏膜腺体的分泌,减轻其鼻部症状。

Funding Statement

国家自然科学基金(81450052)

Supported by the National Natural Science Foundation of China(81450052)

Contributor Information

林 丽星 (Li-xing LIN), Email: lxlin.lzu@163.com.

张 小兵 (Xiao-bing ZHANG), Email: 790736924@qq.com.

References

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