褪黑素对AFB1所致大鼠心肌损伤作用及机制

2022.06.27

闫慧徐庆科高洪瑞潘洋郝岩李健

[摘要] 目的研究褪黑素（MT）對黄曲霉毒素B1（AFB1）诱导大鼠心肌损伤的作用及其相关机制。

方法将成年雄性健康SD大鼠随机分为对照组、AFB1组和AFB1+MT组。对照组大鼠给予溶媒溶液灌胃，AFB1组和AFB1+MT组大鼠连续6周每天给予AFB1溶液（0.3 mg/kg）灌胃制备大鼠心肌损伤模型，AFB1+MT组大鼠在每天AFB1灌胃前半小时给予MT溶液（5 mg/kg）灌胃。连续灌胃6周后，腹主动脉取血制备血清，比较3组大鼠血清中乳酸脱氢酶（LDH）、肌酸激酶-MB（CK-MB）的水平;取大鼠心脏组织，应用酶标仪检测超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）的活性和丙二醛（MDA）的含量，采用Western blot法检测半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3（caspase-3）蛋白的表达;大鼠心脏组织切片后行TUNEL染色标记凋亡的心肌细胞。

结果与对照组比较，AFB1组大鼠的血清LDH和CK-MB水平及心脏组织MDA含量均升高，抗氧化酶SOD、CAT活性降低;AFB1+MT组大鼠的血清CK-MB、LDH水平及心脏组织MDA含量低于AFB1组，SOD、CAT活性得到恢复，差异均有显著意义（F=5.63～17.75，P<0.05）。Western blot和TUNEL染色结果显示，MT预处理可下调caspase-3蛋白的表达，降低AFB1诱导的心肌细胞凋亡（F=8.98～11.94，P<0.05）。

结论 MT可能通过减轻氧化应激、下调caspase-3的表达、抑制细胞凋亡改善AFB1诱导的心肌损伤。

[关键词] 褪黑激素;黄曲霉毒素B1;心肌损伤;细胞凋亡;氧化性应激;大鼠

[中图分类号] R347

[文献标志码] A

[文章编号] 2096-5532（2021）03-0411-05

doi：10.11712/jms.2096-5532.2021.57.018

[开放科学（资源服务）标识码（OSID）]

[网络出版] https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1517.R.20200806.1723.002.html;2020-08-07 11：03：42

ROLE AND MECHANISM OF MELATONIN IN RATS WITH MYOCARDIAL INJURY INDUCED BY AFLATOXIN B1

YAN Hui， XU Qingke， GAO Hongrui，? PAN Yang， HAO Yan， LI Jian

（Department of Cardiology， The Affiliated Hospital of Qingdao University， Qingdao 266003， China）

[ABSTRACT]Objective To investigate the role and mechanism of melatonin （MT） on aflatoxin B1 （AFB1）-induced myocardial injury in rats.

Methods Healthy adult male Sprague-Dawley rats were randomly divided into control group， AFB1 group， and AFB1+MT group. The rats in the control group were given solvent solution by gavage， and those in the AFB1 group and the AFB1+MT group were given AFB1 solution at a dose of 0.3 mg/（kg·d） by gavage for 6 consecutive weeks to establish a rat model of myocardial injury; in addition， the rats in the AFB1+MT group were given MT solution （5 mg/kg） by gavage? half an hour before the administration of AFB1. After 6 consecutive weeks of intragastric administration， blood was collected from the abdominal aorta to prepare the serum， and the three groups were compared in terms of the serum levels of lactate dehydrogenase （LDH） and creatine kinase-MB （CK-MB）; heart tissue was collected， and a microplate reader was used to measure the activities of superoxide dismutase （SOD） and catalase （CAT） and the content of malondialdehyde （MDA）; Western blot was used to measure the protein expression of caspase-3; heart tissue sections were prepared and TUNEL staining was used to observe apoptotic cells.

Results Compared with the control group， the AFB1 group had significant increases in the serum levels of LDH and CK-MB and the content of MDA in heart tissue， as well as significant reductions in the activities of SOD and CAT; compared with the AFB1 group， the AFB1+MT group had significantly lower serum levels of CK-MB and LDH and content of MDA in heart tissue， as well as significant recovery of the activities of SOD and CAT （F=5.63-17.75，P<0.05）. Western blot and TUNEL staining showed that MT pretreatment downregulated the protein expression of caspase-3 and reduced cardiomyocyte apoptosis induced by AFB1 （F=8.98-11.94，P<0.05）.

Conclusion MT can significantly improve myocardial injury induced by AFB1， possibly by redu-

cing oxidative stress， downregulating the expression of caspase-3， and inhibiting apoptosis.

[KEY WORDS]melatonin; aflatoxin B1; myocardial injury; apoptosis; oxidative stress; rats

黄曲霉毒素主要由黄曲霉和寄生曲霉等真菌产生[1]。作为迄今为止人类所知的毒性最强的食品污染物之一，黄曲霉毒素B1（AFB1）进入人体后，可诱导组织损伤[2]。AFB1诱导组织损伤的机制十分复杂，其中氧化应激被认为是其产生毒性的重要基础[3]。氧化应激是凋亡的重要调节信号[4]。凋亡又称为程序性细胞死亡，是一种细胞自主性自身破坏的死亡形式，可引起细胞形态改变、DNA断裂和凋亡小体形成[5-6]。WANG等[7]研究表明，AFB1可诱导产生过量的活性氧（ROS），触发氧化应激并诱导心肌细胞凋亡。因此，有必要找到安全有效的天然抗氧化剂，以预防或减轻AFB1诱导的心肌损伤。褪黑素（MT）是一种由松果体分泌的神经内分泌激素，具有调节生物节律、抗氧化的作用[8-9]。MT可以很容易地进入细胞和亚细胞区室，从而在减轻氧化应激方面优于其他抗氧化剂[10]。近年来的研究表明，MT对由氧化应激水平升高诱发的多种心脏疾病均具有治疗作用，如心肌缺血/再灌注性损伤、糖尿病性心肌病等[11-12]。但关于MT干预黄曲霉毒素诱发的心肌损伤少见报道。因此，本研究构建AFB1所致大鼠心肌损伤模型，并给予MT干预，探讨MT对AFB1心肌毒性的改善作用及其机制。

1 材料与方法

1.1 主要材料

成年雄性健康SD大鼠，体质量约150 g，由北京维通利华实验动物技术有限公司提供，许可证号为SCXK（鲁）20140007。MT为Sigma公司产品;AFB1购于上海诚竺生物科技有限公司;抗半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3（caspase-3）抗体和抗β-action抗体均由美国Abcam公司提供;超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、丙二醛（MDA）以及TUNEL试剂盒购于上海碧云天生物技术有限公司;乳酸脱氢酶（LDH）和肌酸激酶-MB（CK-MB）试剂盒为南京建成生物工程研究所产品;DAB染色液由北京中杉金桥生物技术有限公司提供;BCA试剂盒购于北京索莱宝科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 动物分组及处理适应性喂养1周后，将大鼠将随机分为对照组（A组）、AFB1组（B组）和AFB1+MT组（C组），每组5只。AFB1+MT组大鼠给予MT溶液（5 mg/kg，溶于乙醇生理盐水中）每天1次灌胃，与此同时对照组和AFB1组大鼠给予等量的乙醇生理盐水灌胃。MT给药后半小时，AFB1组和AFB1+MT組大鼠给予AFB1溶液（0.3 mg/kg）灌胃，对照组大鼠给予等量的含有二甲基亚砜的蒸馏水灌胃。连续灌胃6周。

1.2.2 标本采集连续6周胃插管给药后，腹腔注射戊巴比妥钠（50 mg/kg）麻醉大鼠，腹主动脉取血并迅速取出心脏组织。大鼠心脏被分为3等份，分别接受如下处理：①立即制备心脏组织匀浆液，检测SOD、CAT和MDA的水平;②在液氮中速冻并保存于-80 ℃冰箱中待进行蛋白质提取和分析;③用40 g/L甲醛固定备分析细胞凋亡。

1.2.3 血清LDH、CK-MB水平的测定从大鼠的腹主动脉采集血样，先在室温下静置30 min，再以3 000 r/min在4 ℃下离心10 min分离血清。根据试剂盒的说明，采用免疫抑制法测定血清CK-MB水平，采用微板法测定血清LDH水平。实验重复3次，取平均值。

1.2.4 心脏组织MDA含量和SOD、CAT活性的测定称取新鲜大鼠心脏组织，制备100 g/L匀浆液，在4 ℃下以12 000 r/min 离心10 min。吸取上清液转入新的EP管中，按照试剂盒说明书，利用各自的底物进行酶促反应并测量吸光度，计算心脏组织中MDA、SOD和CAT的表达水平。实验重复3次，取平均值。

1.2.5 Western blot检测caspase-3的表达将100 mg的冷冻大鼠心脏组织置于1 L含蛋白酶抑制剂的RIPA裂解缓冲液中充分裂解，在4 ℃下以12 000 r/min离心20 min，收集上清液，提取组织总蛋白，采用BCA法测蛋白浓度。应用125 g/L的十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳分离总蛋白（60 mg），转膜，封闭，加入兔源一抗（caspase-3，1∶500;β-actin，1∶10 000），于4 ℃下孵育过夜，洗涤3次后在室温下再加入HRP标记的山羊抗兔IgG（1∶5 000）孵育2 h。最后用TBST洗涤3次，通过增强化学发光（ECL）法使目标条带显色，并使用Image J软件分析其灰度值。目标蛋白的相对表达水平=目标蛋白条带的灰度值/β-action条带的灰度值。实验重复3次，取平均值。

1.2.6 TUNEL染色检测细胞凋亡每个样本随机取5张切片，用体积分数0.03的过氧化氢封闭后，按试剂盒说明书对心脏石蜡切片进行TUNEL染色，以PBST洗片，DAB染色。在光镜下观察凋亡的心肌细胞（细胞核呈黄棕色者），应用Image-Pro Plus 6.0 软件对细胞进行计数。计算凋亡率（凋亡细胞与每个区域中总细胞的百分比）。

1.3 统计学分析

用SPSS 13.0软件对数据进行统计分析。所得结果以±s表示，多组比较采用单因素方差分析，组间两两比较采用LSD-t检验;两个变量之间的相关性评估采用Pearson相关分析。以P<0.05表示差异具有统计学意义。

2 结? 果

2.1 各组大鼠心脏损伤血清指标的比较

各组大鼠血清CK-MB、LDH水平存在明显差异（F=16.60、17.75，P<0.01）。与对照组相比，AFB1组大鼠血清中心肌损伤标志物CK-MB和LDH的水平明显升高（t=5.14、5.91，P<0.01），而AFB1+MT组大鼠的血清CK-MB、LDH水平较AFB1组显著降低（t=3.06、3.61，P<0.01）。见表1。

与A组相比，*t=5.14、5.91，P<0.01;与B组相比，#t=3.06、3.61，P<0.01。

2.2 各组大鼠心脏组织MDA含量及SOD、CAT活性的比较

与对照组相比较，AFB1组大鼠心脏组织匀浆液中MDA含量显著升高，抗氧化酶SOD和CAT的活性显著降低;与AFB1组相比，AFB1+MT组大鼠MDA含量明显下降，SOD和CAT的活性明显升高，组间比较差异均有统计学意义（F=5.63～17.12，t=2.44～5.50，P<0.05）。见表2。

2.3 各组大鼠心脏组织caspase-3蛋白表达比较

Western blot检测结果显示，对照组、AFB1组和AFB1+MT组心脏组织caspase-3蛋白相对表达水平分别为1.00±0.25、3.45±0.70、2.07±0.76。AFB1组大鼠心脏组织caspase-3蛋白的表达水平较对照组显著增加（F=11.94，t=4.87，P<0.01），AFB1+MT组大鼠心脏组织caspase-3蛋白的表达显著低于AFB1组（t=2.74，P<0.05）。见图1。

2.4 各组大鼠心肌细胞凋亡率的比较

TUNEL染色结果显示，与对照组相比，AFB1组大鼠心肌细胞凋亡明显增加（F=8.98， t=4.16，P<0.01），但MT预处理使心肌细胞的凋亡受到了抑制（t=2.29，P<0.05）。见图2。

2.5 大鼠心脏组织中caspase-3与氧化應激指标的相关性

Pearson相关分析显示，AFB1+MT组大鼠心脏组织中caspase-3的表达水平与MDA含量呈显著正相关（r=0.857，P<0.05），而与SOD和CAT的酶活性呈显著负相关（r=-0.845、-0.732，P<0.05）。

3 讨? 论

AFB1是已知最危险的真菌毒素，摄入这种毒素能够引起心脏损伤[13-14]。本研究采用AFB1溶液（0.3 mg·kg-1·d-1）灌胃构建大鼠心肌损伤模型，显示AFB1组大鼠血清中心肌损伤标志物CK-MB和LDH的水平明显升高，说明大鼠心肌损伤模型制备成功;与AFB1组相比，MT给药后AFB1+MT组血清CK-MB、LDH水平显著降低。本研究结果首次证明，MT的应用可以有效地挽救暴露于AFB1所致的心肌损伤。为明确MT对AFB1引起的大鼠心肌损伤的保护作用及机制，本研究进一步检测了各组大鼠的心脏氧化应激指标和心肌细胞凋亡程度。

相关研究表明，AFB1可诱导细胞产生大量的ROS，进一步破坏膜质和DNA的结构，并抑制其修复而引起氧化应激[15-16]。正常情况下机体的氧化和抗氧化能力处于平衡状态，任何增强氧化作用或降低抗氧化能力的因素均可打破这一平衡，致细胞内ROS过量积累，进而引起细胞氧化损伤[17-18]。其中，脂质过氧化被认为是氧化损伤的主要指标之一，主要表现为MDA含量的增加。MT是目前已知的最为强效的抗氧化剂之一[19]。对大鼠肝脏的研究结果显示，MT可以显著恢复谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）、SOD和谷胱甘肽转移酶（GST）等抗氧化酶的活性，有效减轻AFB1诱导的肝脏氧化损伤[20-21]。

这些抗氧化酶共同参与机体抗氧化防御系统的形成，其中，SOD可催化氧自由基生成H2O2，进一步在GPx和CAT的催化下分解为水和氧[22-23]。本研究结果显示，经AFB1处理后，大鼠心脏组织匀浆液中MDA的含量显著升高，抗氧化酶SOD和CAT的活性显著降低，与以往的报道一致[13];AFB1+MT组与AFB1组相比，MDA含量明显下降，组织抗氧化酶活性明显升高，组间比较差异均有统计学意义，表明MT通过增强组织抗氧化能力来减轻AFB1诱导的心脏氧化损伤。

我們的前期研究证实，AFB1引起的心脏损伤与心肌细胞的凋亡有关[24]。细胞凋亡过程需要多种半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶的参与，其中，caspase-3是凋亡执行过程中最主要的蛋白，并在AFB1暴露的心肌细胞中异常表达，最终导致细胞的死亡[7， 24]。氧化应激被认为是凋亡的重要调节信号[25]。线粒体功能障碍与氧化应激诱导的凋亡过程密切相关，线粒体通透性的增加导致细胞色素C的释放增多，胞质中游离的细胞色素C可通过激活caspase-9而激活下游的caspase-3，最终导致凋亡的发生[26-28]。因此，氧化应激的抑制可能对AFB1诱导的心肌细胞凋亡具有保护作用。MEKI等[21]研究表明，MT通过改善氧化应激，下调caspase-3蛋白的表达，减轻AFB1诱导的肝细胞凋亡，从而保护肝脏组织免受AFB1的毒性损伤。目前，关于MT对AFB1细胞毒性的保护作用的研究尚仅限于消化和生殖系统[29-30]，而其与心脏有关的报道很少。

本研究TUNEL染色显示，AFB1可使大鼠心肌细胞凋亡率明显增加，而给予MT预处理则显著抑制了AFB1诱导的心肌细胞凋亡;Western blot检测结果也显示，MT可以显著降低AFB1诱导的caspase-3的活化，而caspase-3是凋亡过程中的关键调控蛋白，说明MT可能是通过下调caspase-3蛋白的表达来减轻AFB1的心肌毒性。进一步的相关分析显示，大鼠心脏组织中caspase-3的表达水平与MDA含量呈正相关，而与SOD和CAT的酶活性呈负相关。这些研究结果表明，MT保护大鼠心脏免受AFB1的毒性损伤，其机制可能与抑制氧化应激、下调caspase-3的表达，进而减少心肌细胞的异常凋亡有关。

综上所述，氧化应激是AFB1心肌毒性的主要表现之一，最终导致心肌细胞的凋亡。作为人类可自身分泌的内源性激素，MT具有强大的抗氧化能力，且安全无毒性。本研究结果表明，MT可以减轻AFB1诱导的心脏损伤，该作用可能是通过改善心肌抗氧化能力、抑制caspase-3蛋白的表达、降低心肌细胞凋亡实现的，这为AFB1心脏毒性的治疗提供了新的方法。

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（本文編辑马伟平）