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重组aFGF乳酸菌的构建\表达及其对小鼠溃疡性结肠炎的药效研究

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摘要:采用分子克隆技术构建携带人酸性成纤维细胞生长因子(acidic fibroblast growth factors, aFGF)基因序列的乳酸菌重组表达载体pGMN4,转化并筛选出高效表达aFGF的重组菌株,制成活菌制剂。口服5%葡聚糖硫酸钠(DSS)溶液7d诱导小鼠溃疡性结肠炎(Ulcerative Colitis, UC),在造模同时分别给予高、中、低剂量活菌制剂灌胃17d。通过比较小鼠的毛色、体重、便血、结肠长度、病变组织的髓过氧化物酶(myeloperoxidase, MPO)活性,以及观察结肠组织病理形态学变化,验证重组aFGF乳酸菌对DSS诱导的小鼠UC的预防和治疗效果。实验结果表明,重组aFGF乳酸菌的表达量可达50μg/mL,高剂量重组活菌制剂能够显著改善小鼠的一般情况和溃疡导致的结肠缩短,促进组织修复,保持结肠结构的完整性,并下调MPO的活性。重组aFGF乳酸菌对小鼠UC具有良好的预防和治疗效果,将为UC治疗制剂的开发提供更加广阔的思路。

关键词:乳酸菌;人酸性成纤维细胞生长因子;溃疡性结肠炎

中图分类号:Q815文献标识码:A文章编号:0439-8114(2011)12-2508-03

Expression of Recombinant Human Acidic Fibroblast Growth Factor in

Lactococcus lactic and the Therapy for Ulcerative Colitis in Mice

TONG Leia,ZHANG Qi-haoa,b,QIU Zhuang-weia,SU Zhi-jiana,b,CHEN Hong-xiaa,HUANG Ya-donga,b

(a. Biopharmaceutical Research and Development Center, Institute of Life Science, b. Guangdong Provincial Key Laboratory of Bioengineering Medicine, Jinan University, Guangzhou 510632, China)

Abstract: Recombinant lactic acid bacteria vector pGMN4 containing human acidic fibroblast growth factor (aFGF) gene was constructed by molecular cloning techniques. Vector pGMN4 was transferred into Lactococcus lactic and the expression of aFGF was detected. Recombinant L. lactic was applied in the therapy for ulcerative colitis of mice induced by dextran sodium sulphate (DSS). Recombinant L. lactic was used by stomach perfusion simultaneously with Ulcerative Colitis(UC) induction and continued for 17 d after the disease was induced. Some important parameters including general state of health, body weight, stool, colon length and the activity of myeloperoxidase (MPO) in ulcerated tissue were observed. The results showed that the expression of recombinant aFGF in lactic acid bacteria could be 50 μg/mL; high dosage of recombinant L. lactic could improve the general state of health, body weight, stool consistency, keep the integrity of colon, and lower the activity of MPO. Recombinant L. lactic could prevent the progression of UC, and would be a new biological therapeutic agent.

Key words: Lactococcus lactic; human acidic fibroblast growth factor; Ulcerative Colitis

溃疡性结肠炎(Ulcerative Colitis,UC)[1]又称非特异性溃疡性结肠炎,是一种原因不明的直肠和结肠炎性疾病,普遍结论认为是环境、遗传、免疫、心理及感染等多种因素共同影响的结果。病变主要累及大肠黏膜及黏膜下层,范围多自远端结肠开始,可逆行向近端发展,甚至累及全结肠及末段回肠,呈连续性分布,由于反复发作,迁延不愈,给患者身心带来不适。

酸性成纤维细胞生长因子(acidic fibroblast growth factor,aFGF)是成纤维细胞因子家族中的基本成员,是一类对来源于中胚层和神经外胚层的多种类型细胞具有广泛生物学活性的细胞生长因子[2]。aFGF包括促分裂活性与非促分裂激素样活性,其中促分裂活性主要包括促血管生成、组织发生、创伤修复以及神经营养等作用;而非促分裂激素样活性则主要有抑制细胞凋亡、降低血压、调节细胞Ca2+平衡、促激素分泌和参与中枢反馈调节[3,4]。

在前期研究的基础上,采用分子克隆技术构建人aFGF转基因乳酸菌并制成活菌制剂,开展重组aFGF乳酸菌对小鼠溃疡性结肠炎的预防和治疗作用研究,为实现aFGF口服给药治疗消化道溃疡奠定前期试验基础。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1质粒与试剂载体pMG36e、乳酸菌MG1363、植物乳杆菌、E.coil JM109 由暨南大学医药生物技术研究开发中心实验室保存,乳酸菌NZ9700购自荷兰NICO公司。质粒小体提取试剂盒、DNA凝胶回收试剂盒购自天根生化科技北京有限公司。限制性内切酶SphⅠ,SacⅠ,NcoⅠ,XhoⅠ,HpaⅠ购自TaKaRa公司,EarⅠ购自NEB公司。鼠抗人aFGF抗体购自R&D公司,羊抗鼠二抗购自广州碧云天公司。PVDF膜购自Pall公司。DSS购于上海西宝生物制剂公司,相对分子量为5 000,用生理盐水配制成5%的溶液。SASP购于上海三维制药有限公司,批号20100712。髓过氧化物酶(MPO)试剂盒购于南京建成生物工程研究所。

1.1.2培养基LB培养基(1 000 mL):蛋白胨10 g,酵母浸出粉5 g,氯化钠10 g(固体培养基加琼脂粉12 g);GM17培养基(1 000 mL):M17培养基37.25 g,葡萄糖5 g(固体培养基加琼脂粉12 g);BCP培养基(1 000 mL):蛋白胨20 g,酵母粉5 g,氯化钠4 g,乙酸钠1.5 g,溴甲酚紫40 mg,蜜二糖5 g(固体培养基加琼脂粉12 g)。

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1.1.3实验动物采用BALB/c小鼠,8周龄,体重(20±2)g/只,由广东省医学实验动物中心提供。

1.2方法

1.2.1重组人aFGF乳酸菌的构建及表达首先从植物乳杆菌基因组中扩增出半乳糖苷酶基因(melA)片段,用SphⅠ和SacⅠ双酶切后,与穿梭质粒pMG36e连接构成质粒pGMN1;再与从乳酸菌质粒pNZ8048扩增出来的Pnis-MCS段基因连接,构成质粒pGMN2;将人工合成的乳酸菌密码子偏好型的USP45-LEISS-aFGF14-154基因片段用NcoⅠ和XhoⅠ双酶切后,与质粒pGMN2连接,构成质粒pGMN3;用限制性内切酶HpaⅠ敲除红霉素抗性基因后,构成在乳酸菌中表达aFGF的质粒pGMN4,并将该质粒电转至乳酸菌NZ9700菌株中,PCR筛选出阳性转化子,转接GM17培养基。厌氧培养48h后,离心收集菌体上清,TCA沉淀浓缩上清总蛋白,经SDS-PAGE和Western Blot分析筛选出高效表达aFGF的菌株,ELISA试剂盒测定上清中aFGF含量。

1.2.2重组aFGF乳酸菌制剂对小鼠DSS诱导的溃疡性结肠炎的预防和治疗作用

1)实验分组。实验共分7个组,各组小鼠均为10只,分别为正常组(N):正常采食,饮水17 d;模型组 (M):5% DSS自由饮用7 d造模+无菌生理盐水灌胃17 d;柳氮磺砒啶组(SASP):5% DSS自由饮用7 d造模+ SASP (0.5g/kg)灌胃17 d;aFGF乳酸菌高剂量组(aFGF-H):5% DSS自由饮用7 d造模+乳酸菌NZ9700(pGMN4-USP45-LEISS-aFGF14-154)高剂量菌液灌胃17 d;aFGF乳酸菌中剂量组(aFGF-M):5% DSS自由饮用7 d造模+乳酸菌NZ9700(pGMN4-USP45-LEISS-aFGF14-154)中剂量菌液灌胃17 d;aFGF乳酸菌低剂量组(aFGF-L):5% DSS自由饮用7 d造模+乳酸菌NZ9700(pGMN4-USP45-LEISS-aFGF14-154)低剂量菌液灌胃17 d;乳酸菌组(NZ9700):5% DSS自由饮用7 d造模+乳酸菌 NZ9700菌液灌胃17 d。每只小鼠一次灌胃量为200 μL。

2)每天观察比较小鼠的一般情况,包括体重、精神状态、毛色、活动、大便性状,参照表1计算DAI积分。

3)样品收集。于实验第17天,脱臼断髓处死小鼠,取出至盲肠末端的整个结肠和直肠段,观察结肠的大体改变,测量整个结肠长度。用预冷无菌生理盐水将结肠冲洗干净,分别于结肠末端(距1 cm)处剪取0.5 cm结肠段,4%多聚甲醛固定,石蜡包埋、切片,HE染色进行病理形态学检测。另各取远段、中段、近段结肠、盲肠组织约50 mg迅速冷冻于液氮中,后转至-80 ℃保存,用以检测髓过氧化物酶(MPO)的活性。

2结果

2.1重组人aFGF乳酸菌的构建及表达

2.1.1重组人aFGF乳酸菌表达载体的构建及鉴定以来自乳酸菌表达载体pNZ8048的Pnis启动子和多克隆位点序列(Pnis-MCS)为构建乳酸表达菌所用启动子,以植物乳杆菌半乳糖苷酶基因(melA)为筛选标记,经过一系列酶切和连接反应,构建表达aFGF的乳酸菌表达载体pGMN4。对构建好的pGMN4进行双酶切鉴定,得到预期大小的目的片段545 bp(图1),同时对目的片段进行测序验证,比对结果表明DNA序列与源序列完全匹配。

2.1.2重组人aFGF乳酸菌的筛选及表达重组表达载体pGMN4电击转化乳酸菌NZ9700中,以重组质粒pGMN4为阳性对照,以水为阴性对照,PCR扩增筛选阳性克隆,结果如图2所示,A1~A10均为阳性克隆。将阳性克隆接种培养,12% SDS-PAGE和Western Blot分析结果表明已成功筛选出高表达aFGF的乳酸菌菌株(图3)。ELISA检测上清中aFGF含量为50 μg/mL。

2.2重组aFGF乳酸菌制剂对小鼠DSS诱导的溃疡性结肠炎的治疗试验结果

2.2.1体重变化小鼠每日体重变化见表2和图4。由表2和图4可见,M组、aFGF-L组和NZ9700组小鼠体重在6~7 d较正常组极显著下降(P<0.01);SASP组和aFGF-H组、aFGF-M组体重变化轻微,但与模型组比较具有统计学差异(P<0.01)。

2.2.2小鼠的一般情况和DAI值经观察,模型组小鼠毛色暗淡,恶动,精神状态不佳。在饮用DSS后3~5 d出现腹泻,5~10 d出现不同程度的肉眼血便。而SASP组和aFGF-H组、aFGF-M组小鼠毛色光亮,喜动,精神状态良好。在饮用DSS后3~5 d出现腹泻,肉眼血便次数和量明显减少,部分动物在整个试验过程中未见血便,体重变化如上(表2和图4)所示。DAI评分在正常组为0;在试验的第17天,对比DSS模型组,SASP阳性药物组和aFGF-H处理组DAI值显著下降(差异水平分别为P<0.01和P<0.05),而SASP阳性药物组和aFGF-H处理组间没有统计学差异;不同剂量aFGF乳酸菌处理组间未见明显剂量依赖关系(表3)。

2.2.3小鼠结肠长度变化DSS造模组(M组)小鼠结肠长度较N组显著缩短(P<0.01);SASP组、aFGF-H组和NZ9700乳酸菌液处理组小鼠结肠长度相对于DSS造模组(M组)有不同程度的改善,以SASP组、aFGF-H乳酸菌液处理组的效果较为显著(P<0.01),两者之间没有统计学差异;aFGF乳酸菌3个剂量处理组中,仅高剂量组显示有改善效果(图5)。

2.2.4小鼠结肠组织病理学变化大体病理改变:肉眼可见正常小鼠结肠黏膜完整,薄而光滑,有一定透明度;模型组小鼠结肠黏膜普遍水肿、糜烂、溃疡、附着伪膜,并覆盖有连结成片的脓苔。镜下组织病理改变:正常组小鼠结肠组织见腺体排列整齐,隐窝正常,杯状细胞无减少,未见黏膜糜烂、出血;模型组小鼠结肠溃疡病变部位可见部分隐窝破坏变形,淋巴组织增生,肠壁各层中血管普遍扩张充血,腺体排列紊乱,杯状细胞减少,小肠腔内可见炎性分泌渗出物,其中含纤维素、浆细胞、红细胞等;SASP组和aFGF-H乳酸菌液处理组黏膜组织结构完整,炎症细胞浸润少,有轻微的充血现象;aFGF-M乳酸菌液处理组黏膜组织结构尚完整,炎症细胞浸润较多,小血管充血较明显;aFGF-L乳酸菌液处理组和NZ9700处理组黏膜组织结构不完整,炎症细胞浸润多,充血明显,可见炎性分泌渗出物(图6)。

3.5小鼠结肠组织髓过氧化物酶(MPO)的检测

测定组织MPO活性,作为评价中性粒细胞浸润的指标,依照南京建成MPO试剂盒操作说明处理样品,在460 nm处测光密度(OD)值,以获取该组织样品的MPO活性。由图7可见,SASP组和aFGF-H乳酸菌液处理组能够显著降低MPO活性,与模型组比较有统计学差异(差异水平分别为P<0.01和P<0.05),而SASP阳性药物组和aFGF-H处理组间没有统计学差异。

3讨论

UC是一种原因不明的肠道慢性非特异性炎症,对其治疗必须是快速而有效的。传统的治疗药物包括氨基水杨酸盐、皮质类固醇、别嘌呤硫醇、甲氨蝶呤和抗肿瘤坏死因子等,而这些药物在临床应用上都会存在不恰当用药的误区,给病人带来不同程度的副作用,因此优化治疗方案和开发安全有效的药物非常重要[5]。在UC的发病过程中,肠道微环境的破坏是重要的环节之一,而作为维持肠道内环境稳定的益生菌也因此被应用到UC的预防和治疗上。Herias等[6]发现,单独应用乳酸杆菌并不能有效地阻止DSS诱发的小鼠UC,只能部分改善临床整体状况,而益生菌的联合应用则是今后治疗的发展方向。乳酸杆菌和丁酸梭菌联用可能通过抑制结肠上皮细胞凋亡,促进结肠上皮细胞增殖,从而加速受损伤上皮层的修复,降低上皮层的通透性,达到治疗UC的有效作用[7]。

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乳酸菌也是继大肠杆菌以及酵母菌之后又一具有实用价值的表达系统,开创了口服疫苗的新前景。乳酸菌作为表达系统的优势在于安全、无内毒素,表达的外源蛋白不用经过纯化即可直接连菌体一起服用,同时可以在肠道中存活定殖,持续表达外源靶蛋白[8]。因此,本研究把乳酸菌作为表达系统,构建人aFGF转基因乳酸菌,探讨其对DSS诱导的UC的预防和治疗作用。UC的愈合与局部组织中成纤维细胞生长因子(FGF)水平升高相关,而FGF通过抑制细胞凋亡和促进新生血管生成发挥作用[9,10]。口服aFGF蛋白药物经胃肠道后存在酶解现象,半衰期短,而重组aFGF乳酸菌可以避免胃肠道的酶解问题,并且可以在体内增殖,从而可以持续不断地表达aFGF蛋白,促进溃疡愈合。与此相符,该试验结果表明,高剂量活菌制剂对小鼠溃疡性结肠炎具有很好的预防和治疗效果,表现为改善小鼠的一般情况和溃疡导致的结肠缩短状况,促进组织修复,保持结肠结构的完整性。此外,有研究表明[11],FGF能够显著降低IL-1β的分泌,有效改善局部炎症反应。本试验中,aFGF乳酸菌能够显著降低溃疡结肠组织中的MPO活性,与病理形态学结果中减轻中性粒细胞浸润的效果是一致的,提示aFGF乳酸菌治疗UC与其抗炎效应相关。重组aFGF乳酸菌对小鼠UC具有良好的预防和治疗效果,将为UC治疗制剂的开发提供更加广阔的思路。

参考文献:

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