CN117338763A - 丁酸钠在制备治疗帕金森病的药物中的应用及其治疗新靶标 - Google Patents
丁酸钠在制备治疗帕金森病的药物中的应用及其治疗新靶标 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了丁酸钠在制备治疗帕金森病的药物中的应用,Bmal1基因作为新靶标在制备治疗帕金森病的药物中的应用,以及Bmal1表达促进剂在制备治疗帕金森病的药物中的应用。本发明经研究证实:NaB治疗可显著改善PD小鼠的运动功能障碍,减少纹状体多巴胺能神经元的死亡。NaB治疗还减轻了PD小鼠肠道屏障的损伤,减少了结肠组织中的促炎因子白介素6和NFκB的表达。结肠RNA测序结果显示,节律基因Bmal1与NaB对PD的改善作用有关。
Description
技术领域
本发明涉及生物制药技术领域,具体涉及丁酸钠在制备治疗帕金森病的药物中的应用及其治疗新靶标。
背景技术
帕金森病(Parkinson’sdisease,PD)是世界第二大神经退行性疾病,仅次于阿尔兹海默症,多发于老年群体。截止到2016年,全球已有6100万PD患者,且增长速度越来越快,其患病率将在未来30年内翻一番,给患者本人、家庭以及社会造成沉重经济负担。PD的主要的病理特征是中脑黑质致密部多巴胺能神经元的丢失以及以及α-突触核蛋白(α-synuclein,α-syn)的聚集。PD的运动特征主要是静止性震颤、运动迟缓和身体僵直,称为运动三联征,也是临床上诊断的依据。此外,PD患者往往也会伴有非运动特征,例如味觉丧失和胃肠道功能障碍等。PD源于遗传和环境因素的相互作用,但具体的发病机制尚不明确,目前普遍认为与神将炎症、氧化应激、线粒体功能障碍等有关。
临床上已经确定了一系列与PD相关的胃肠道功能障碍,包括体重减轻、胃瘫、便秘和排便功能障碍以及肠道微生物区系改变,并且PD前驱期出现的便秘被认为是发展为PD的危险因素。虽然α-syn聚集体最常见于大脑,但也有在外围位置被发现,例如在PD患者尸检报告发现在病人的肠道和迷走神经支配的器官中存在α-syn聚集体,并且早于中枢神经系统五至数十年。基于这些观察结果,Braak等人提出了假说,认为PD发病始于肠道,错误折叠的α-syn通过迷走神经逆行轴突运输从肠道进入大脑,早前已有实验证明肠源性α-syn可以通过迷走神经扩散到脑区,除此之外,在接受了迷走神经切断手术治疗的病人患PD的概率也比对照组更低。某些肠道微生物及其代谢产物被认为可以触发α-syn的过度表达和聚集,而且有临床研究表明在PD患者和健康对照组之间,粪便和粘膜相关的肠道微生物区系有所不同,这些研究都有力支持了肠道菌群-肠-脑轴假说。肠道菌群-肠-脑轴双向相互作用的机制可分为三类,即:炎症过程和免疫反应;神经内分泌途径;迷走神经反射。
丁酸是主要的短链脂肪酸(Short-chainfattyacids,SCFAs)之一,在动物体内主要由结肠处的肠道菌群代谢产生。丁酸在体内不稳定,常以丁酸盐的形式存在。重要的是,丁酸盐几乎没有安全问题。丁酸钠(Sodiumbutyrate,NaB)是一种常见的丁酸盐,具有良好的抗炎作用,并且在结肠炎中可以修复肠道屏障。此外,在糖尿病肾病中认为NaB能够诱导的组蛋白Kbu或H3K9bu来缓解炎症和纤维化带来的肾损伤。在中风大鼠模型中,NaB通过GPR3/Gβγ激活PI41K/Akt,减少中风后的神经元凋亡。有临床报告显示PD患者肠道内产SCFAs的细菌减少,同时在病人的粪便标本中也检测到了SCFAs含量下降。
发明内容
申请人课题组前期研究证实了NaB灌胃后能够缓解PD小鼠的运动障碍与黑质区多巴胺能神经元的丢失,并且能够调节PD小鼠肠道菌群的紊乱。但是NaB是否通过作用肠道对PD小鼠起神经保护作用始终没有证实。本发明进一步研究了丁酸钠对帕金森病的改善作用及潜在机制研究,基于此,本发明提供如下技术方案:
丁酸钠在制备治疗帕金森病的药物中的应用。
在上述的应用技术方案中,所述药物包括活性成分丁酸钠以及药学上可接受的载体。
在上述的应用技术方案中,丁酸钠显著改善帕金森病患者的运动功能障碍,减少纹状体多巴胺能神经元的死亡,减轻肠道屏障的损伤,减少了结肠组织中的促炎因子白介素6和NFκB的表达。
在上述的应用技术方案中,Bmal1基因介导丁酸钠对帕金森病的缓解作用。
本发明还提供了Bmal1基因作为新靶标在制备治疗帕金森病的药物中的应用。
在上述的应用技术方案中,所述药物促进Bmal1基因的表达。
本发明还提供了Bmal1表达促进剂在制备治疗帕金森病的药物中的应用。
在上述的应用技术方案中,所述药物促进Bmal1的表达,改善帕金森病患者的运动功能障碍,减少纹状体多巴胺能神经元的死亡,减轻肠道屏障的损伤。
在上述的应用技术方案中,所述药物包括活性成分Bmal1表达促进剂以及药学上可接受的载体。
本发明的有益效果是:本发明经研究证实:NaB治疗可显著改善PD小鼠的运动功能障碍,减少纹状体多巴胺能神经元的死亡。NaB治疗还减轻了PD小鼠肠道屏障的损伤,减少了结肠组织中的促炎因子白介素6(Interleukin-6,IL-6)和NFκB的表达。结肠RNA测序结果显示,节律基因Bmal1与NaB对PD的改善作用有关。
附图说明
图1.NaB改善了PD小鼠的运动功能障碍和焦虑症状:(A)小鼠药物处理示意图;(B)爬杆实验;(C)平衡木实验;(D)平均拉力实验;(E)最大拉力实验;(F)旷场小鼠运动平均速度;(G)旷场小鼠运动总距离;(H)旷场小鼠中心区停留时间;(I)旷场小鼠运动轨迹;NC组n=11只小鼠,PD组n=10只小鼠,NaB组n=13只小鼠;*p<0.05,**p<0.01,***p<0.001。
图2.小鼠纹状体的TH和α-syn的WB图像。
图3.NaB治疗减轻PD小鼠血清、结肠和纹状体炎症因子水平:(A)小鼠结肠NFκB和IL-6的WB图像;(B)小鼠结肠紧密连接蛋白Occludin和Claudin的WB图像;(C)小鼠结肠的HE染色图像。
图4.NaB相关的差异表达mRNA:(A)小鼠结肠组织测序示意图;(B)PD组与NC组差异表达mRNA的散点图;(C)NaB组与PD组差异表达mRNA的散点图。
图5.NaB相关的差异表达mRNA的GO和KEGG分析:(A)PD组与NC组组间差异mRNA的GO分析;(B)NaB组与PD组组间差异mRNA的GO分析;(C)PD组与NC组组间差异mRNA的KEGG分析;(D)NaB组与PD组组间差异mRNA的KEGG分析;(E)差异mRNA的韦恩图;log2FC>1或log2FC<-1,P值<0.05。
图6.Bmal1的组织验证:(A)qRT-PCR检测小鼠结肠组织的Bmal1相对表达量;(B)小鼠结肠Bmal1的WB图像。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明,但并不因此而限制本发明。
下述实施例中的实验方法,如无特别说明,均为常规方法。
本发明研究方法是:
7周龄雄性C57BL/6小鼠随机分为三组:对照组(NC)、模型组(PD)、NaB治疗组(NaB)。除NC组小鼠注射等体积生理盐水外,其余各组连续5d腹腔注射1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶[MPTP,30mg/(kg*d)]建立亚急性PD模型。造模完成后NaB组连续灌胃NaB[NaB,300mg/(kg*d)]治疗14d,其余两组小鼠灌胃等体积的生理盐水。治疗结束后开始为期3d的行为学实验,然后立即处死取材。免疫印迹(Westernblotting,WB)、苏木精-伊红(HematoxylinEosin,HE)染色、qRT-PCR、RNA测序等实验研究NaB对PD小鼠的神经保护作用及其机制。
实施例1
1.实验材料与方法
1.1主要试剂与仪器
MPTP、丁酸钠购于美国Sigma公司;TH、GAPDH、Bmal1、Occludin抗体购于美国Proteintech公司;NFκB抗体购于Cell Signaling Technology公司;Trizol购于Takara公司;逆转录试剂盒、SYBR GREEN购于ABclonal公司;RIPA裂解液、BCA蛋白定量试剂盒购于碧云天公司;ECL化学发光液购于Millipore公司;PCR仪器、荧光定量PCR仪、电泳装置、凝胶成像系统购于Bio-Rad公司;旷场实验箱购于深圳瑞沃德生命科技公司。
1.2动物分组与模型制备
选择7周龄,体重在20-22g左右的雄性C57BL/6小鼠用于本实验研究,购于常州卡文斯实验动物有限公司。常规饲养,环境温度控制在22~25℃之间,湿度55%左右。12:12h昼夜循环光照条件下生活,自由饮水及进食,各组小鼠适应性喂养1周后随机分为NC组,PD组,NaB组。本实验的所有动物研究均得到了重庆医科大学伦理委员会的批准。
造模:PD组和NaB小鼠连续5天腹腔注射浓度为3mg/mL的MPTP溶液,按照小鼠体重10g/0.1ml给药,NC组则腹腔注射相应体积的生理盐水。5天造模结束后,NaB组按照小鼠体重10g/0.1ml灌胃浓度为30g/ml的NaB溶液,NC组和PD组小鼠则灌胃相应体积的生理盐水,持续14天。
1.3行为学实验
(1)爬杆实验
爬杆运动的装置是一根直径为1cm,长度为50cm的光滑木棍,以及一个直径为2cm的小木球固定在木棍的上端。为了防止打滑,用纱布将木棍以及小木球包裹起来。将小鼠以头朝下尾朝上的姿势放置在木球上,记录小鼠从上到下爬完整个木棍的时间。在正式实验前进行了为期3天的训练。实验重复3次,每次实验间隔15min进行,取平均值。
(2)旷场实验
旷场实验用于测试小鼠的自主活动和探索行为。旷场实验箱是一个长宽高分别为50cm*50cm*40cm的箱子。实验前确保试验箱清洁无异味,然后将实验小鼠迅速放置于实验箱的中央区域,并立即离开。整个实验持续时间为5min,S-MART软件测量并记录小鼠运动轨迹图像、运动总距离、在中心区域运动距离以及穿越中心区域的次数。待每只小鼠实验结束后,我们用75%的酒精擦拭整个实验箱,以去除前一只小鼠遗留的粪便、尿液以及气味。
(3)拉力试验
将小鼠放在抓力测试仪的抓杆的前方,.抓住小鼠尾部,向后直线拉拽。动物在非本意的向后移动时会本能地抓任何物体以阻止后退,直到拉力超过他们的抓力。动物失去抓力后,前置放大器自动记录了拉力的最大值和平均值。实验重复3次,每次实验间隔15min进行,取平均值。
(4)平衡木实验
将一根长1米宽14毫米的的方形平衡木一端搭在黑色方盒内,另一端悬空,黑色方盒内放饲料吸引小鼠入内。将小鼠放在平衡木的悬空端,木条下放上软垫以保护小鼠,防止跌伤。训练2天,每天三次,每次间隔30分钟。第三天开始实验,记录小鼠进入黑色方盒内所花时间,重复3次,每次实验间隔30min进行,取平均值。
1.4取材
小鼠经过麻醉后,将其固定在泡沫箱上,暴露小鼠的胸腔和心脏。用头皮针从心尖沿着左心室进针,同时剪破右心耳,见暗红的血液涌出后,迅速将预冷的生理盐水注入心脏。见肝脏颜色变浅,肺脏无明显肿大,口鼻无明显渗液,提示灌注成功。一部分小鼠直接剥离出大脑和结肠,用生理盐水清理结肠内外残渣后,将大脑和结肠组织存放在-80℃;另一部分小鼠在灌注生理盐水结束后立即灌注4%多聚甲醛溶液,当观察到小鼠四肢及尾巴颤动痉挛,身体僵硬说明多聚甲醛灌注成功,取小鼠结肠浸泡在4%多聚甲醛溶液中备用。
1.5组织测序
各组小鼠随机挑选3只,送新鲜结肠组织于上海生工公司进行转录组测序。
1.6HE染色
浸泡在4%多聚甲醛溶液中的结肠组织取出后经过梯度乙醇脱水后制作成石蜡切片,依次将石蜡切片放进两个装着脱蜡液的缸里,切片在每个缸中放20min。然后依次放入无水乙醇Ⅰ、无水乙醇Ⅱ、75%酒精5min进行水化。用苏木素对石蜡切片进行3min的染色,然后用自来水漂洗。分化液分化几秒钟,然后用自来水漂洗干净。然后放入85%酒精、95%酒精中各5min。最后将切片放入伊红染液中染色5min,流水漂洗。(3)石蜡切片依次放进无水乙醇Ⅰ、无水乙醇Ⅱ和无水乙醇Ⅱ中,每次5min。然后放进两个装着二甲苯的缸中10min,晾干后用中性树脂封片。
1.7Westernblot
脑黑质组织中加入RIPA裂解液、蛋白酶抑制剂、PMSF,冰上匀浆后,14000r/min离心5min,吸取上清。采用BCA法测定蛋白浓度后,在蛋白质中加入5Xbuffer,100℃煮10min,然后取相同质量蛋质进行SDS-PAGE凝胶电泳,转膜,5%脱脂奶粉室温封闭2h,TH(1:1000稀释,三鹰)、Bmal1(1:2000稀释,三鹰,)、Occludin(1:5000稀释,三鹰)、NFκB(1:500稀释,三鹰)、IL-6(1:2000稀释,三鹰)、GAPDH(1:5000稀释,三鹰)抗体4℃孵育过夜,TBST洗膜3次,每次10min,加入HRP标记二抗(1:5000稀释,博士德),室温孵育1h。ECL发光试剂盒发光,凝胶成像系统成像。
1.8qRT-PCR
Trizol法提取小鼠结肠组织总RNA,严格按照逆转录试剂盒说明书操作将RNA逆转录为cDNA,以cDNA为模板,按照qPCR试剂盒说明书进行实时荧光定量PCR检测bmal1和β-actin的cq值,以-△△β-actin的cq值为内参,根据2-△△cq法计算Bmal1的mRNA相对表达量。
qPCR所用引物为:
2.实验结果
2.1NaB改善PD小鼠的运动障碍和自主运动能力
为了探究NaB对PD小鼠运功能的影响,我们对小鼠进行了爬杆实验、平衡木实验和拉力实验。与NC组小鼠相比,PD组小鼠出现了明显的运动障碍,具体表现为在爬杆和穿过平衡木的时间明显增长,而四肢拉力的最大拉力和平均拉力明显下降。而经NaB给药后,PD小鼠的运能能力在以上实验中得到明显改善(图1B-E)。我们采用旷场实验评估小鼠的自主运动能力,结果显示经NaB处理后的小鼠运动平均速度和总距离以及中心区的停留时间都要高于PD组小鼠(图1F-I),表明NaB缓解了PD小鼠的焦虑心理,增强了其自主运动能力。
2.2NaB逆转了PD小鼠纹状体中α-syn的表达的增加和TH的表达的下降
多巴胺能神经元的丢失和α-syn的积聚是帕金森病的两个组织学特征。通过WB检测小鼠纹状体内TH和α-syn的表达情况。结果表明,NaB给药后逆转了PD小鼠的TH的下降,同时抑制了α-syn的表达。
2.3NaB逆转了PD小鼠的肠道屏障损伤
我们利用WB检测小鼠结肠的炎症因子IL-6和NFκB的表达情况,结果表明PD组这两种炎症因子蛋白表达量明显上调,而NaB处理后下调了IL-6和NFκB的表达(图3A)。之后,我们又用WB检测了小鼠结肠上皮的紧密连接蛋白Occludin和Claudin的表达情况,发现PD组小鼠Occludin和Claudin的表达出现下调,NaB能逆转这种下调(图3B)。之后,我们进一步对各组小鼠结肠进行病理HE切片染色,结果与图3A一致,PD组与NC对照组相比,PD组小鼠出现了结肠炎症,NaB治疗后炎症减轻(图3C)。综上所述,我们认为NaB逆转了PD小鼠的肠道屏障损伤。
2.4NaB逆转了PD小鼠异常表达的mRNA的水平
送小鼠结肠组织进行测序后,发现PD组与NC组相比较时,578个mRNA上调,998个mRNA下调(图4B)。当NaB组与PD组比较后,发现378个mRNA上调,265个mRNA下调。
2.5NaB相关mRNA的GO和KEGG分析
为了研究这些mRNA的功能,我们分别对PD组与NC组的差异表达mRNA以及NaB组和PD组得差异表达mRNA进行GO和KEGG分析。我们发现其主要涉及细胞进程、代谢过程、应激反应以及生物调节等生物过程(图5A-B)。两组差异mRNA相关的信号途径都明显富集在昼夜节律的信号通路上(图5C-D)。将两组差异mRNA取交集后,得到共同差异表达的mRNA有141个,在这141个mRNA中,按照P值<0.05,两组样本中至少一组组内FPKM>3,至少有一组组内平均FPKM<50,且log2FC>1或log2FC<-1为条件筛选到昼夜节律通路上的基因Bmal1(图5E)。
2.6小鼠组织验证Bmal1的表达
基于前期测序以及靶基因富集分析,发现Bmal1(BrainAndMuscleARNT-Like1)在帕金森病中存在潜在的生物学功能,可能是在结肠中通过昼夜节律通路从而对帕金森病产生影响。通过qRT-PCR验证高通量测序结果,与NC相比,PD组Bmal1下调,NaB处理后Bmal1上调,趋势与测序结果一致(图6A)。用WB检测Bmal1在小鼠结肠中蛋白水平的表达,结果显示与测序结果趋势一致(图6B)。
3.分析
PD的发病机制尚不明确,临床治疗手段也相对单一,目前主要的治疗手段还是左旋多巴安,但是左旋多巴安存在用药安全问题,而NaB的药物安全十分有保障。本研究结果显示,经MPTP诱导的PD小鼠出现运动能力下降、短暂震颤、尾巴僵直等症状,且纹状体区出现多巴胺能神经元神经元减少,说明亚急性PD小鼠造模成功。经NaB灌胃后,PD小鼠的运动功能障碍得到改善,纹状体中TH的下降也得到逆转,说明了NaB对PD小鼠具有良好的治疗作用。RNA-seq结果显示,与对照组相比,PD组小鼠结肠组中Bmal1mRNA表达量下降,经过NaB治疗后Bmal1mRNA表达量上升,经qRT-PCR、WB验证Bmal1在各组小鼠结肠组织中的表达情况,显示与测序结果趋势一致。我们推测Bmal1可能通过长脑轴介导了NaB的神经保护作用。
越来越多的证据证明肠功能障碍加剧PD,包括肠高通透性、紧密连接蛋白被破坏,尤其是炎症性肠病,例如Lrrk2基因是已知的PD风险基因,但是有研究证实它与克罗恩病有关。本研究中,与对照组相比,PD组小鼠结肠组织伴有肠道炎症因子升高和紧密连接蛋白,与先前的报道一致。丁酸盐具有抗炎性和可再生性,患有结肠疾病的患者口服NaB后就有很好的缓解作用,在溃疡性结肠炎患者中NaB可以增加其肠道中产SCFAs细菌的数目。我们的研究中也发现了在NaB治疗后,PD小鼠结肠的炎症因子下降。本实验中NaB缓解了PD的病理特征,即NaB减少了PD小鼠的纹状体α-syn的表达同时缓解了多巴胺能神经元的丢失,这与前期报道一致。
Bmal1基因是生物钟的核心协调者,也是唯一的单基因敲除即可导致所有节律完全消除的节律基因。BMAL1可与CLOCK形成异二聚体,并与位于整个基因组中的Ebox位点结合,诱导节律控制基因的节律性表达。Bmal1基因敲除鼠的存活率低,并且大多伴有节律紊乱、早衰、肌肉萎缩、器官衰竭等症状。在巨噬细胞中BMAL1蛋白通过Nrf2抑制炎症因子IL-1β起到抗炎作用。PD早期就已经已经检测到患者睡眠节律紊乱以及节律基因的异常表达,尤其是Bmal1。同时,有研究表明在Bmal1敲除鼠表现出对MPTP更敏感,有更为严重的神经炎症以及更多的多巴胺能神经元的丢失。在我们的测序数据也显示了Bmal1基因在PD小鼠结肠的异常表达,与对照组相比,PD组Bmal1表达下调,NaB治疗后Bmal1上调,因此我们合理推测Bmal1可能介导了NaB对PD的缓解作用。
综上所述,NaB对MPTP诱导的亚急性PD模型小鼠具有一定的神经保护作用,表现为减少运动功能障碍和减少多巴胺能神经元的丢失,其作用机制可能与Bmal1有关。
Claims (9)
1.丁酸钠在制备治疗帕金森病的药物中的应用。
2.根据权利要求1所述的应用,其特征在于:所述药物包括活性成分丁酸钠以及药学上可接受的载体。
3.根据权利要求1所述的应用,其特征在于:丁酸钠显著改善帕金森病患者的运动功能障碍,减少纹状体多巴胺能神经元的死亡,减轻肠道屏障的损伤,减少了结肠组织中的促炎因子白介素6和NFκB的表达。
4.根据权利要求1所述的应用,其特征在于:Bmal1基因介导丁酸钠对帕金森病的缓解作用。
5.Bmal1基因作为新靶标在制备治疗帕金森病的药物中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用,其特征在于:所述药物促进Bmal1基因的表达。
7.Bmal1表达促进剂在制备治疗帕金森病的药物中的应用。
8.根据权利要求8所述的应用,其特征在于:所述药物促进Bmal1的表达,改善帕金森病患者的运动功能障碍,减少纹状体多巴胺能神经元的死亡,减轻肠道屏障的损伤。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于:所述药物包括活性成分Bmal1表达促进剂以及药学上可接受的载体。
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2023
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