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竹节参总皂苷对大鼠心肌梗死的保护作用



全 文 :竹节参总皂苷对大鼠心肌梗死的保护作用
*
魏 娜1,袁 丁1,徐媛青1,张长城1,何毓敏1,王 婷1,贺海波2**
(1 三峡大学医学院,2三峡大学天然产物研究与利用湖北省重点实验室,宜昌 443002)
摘 要 目的:观察竹节参总皂苷对大鼠心肌梗死的保护作用,并初步探讨其发挥作用的机制。方法:通过结扎左冠状动脉
前降支建立大鼠心肌梗死模型,模型成功后随机分为模型组、竹节参总皂苷组( 50 mg /kg、100 mg /kg) ,连续灌胃给药 4 周,假手术组
和模型组给予等体积的生理盐水。4 周后进行心功能检测;取心脏,称重后计算心脏重量指数; HE、Masson、苦味酸-天狼星红染色,
观察心肌组织形态并计算胶原容积分数。取血清,检测 SOD、CAT、GSH-Px的活性和 MDA的含量; ELISA法检测 TNF-α、TGFβ炎症
因子的含量。结果:模型组大鼠心功能明显受损,心脏重量指数升高,并发生纤维化; 血清中抗氧化物酶的活性降低,脂质过氧化物
含量升高,且炎症因子含量升高,与假手术组比较有显著性差异。竹节参总皂苷( 50 mg /kg、100 mg /kg) 能使以上症状得到显著改
善。结论:竹节参总皂苷对心肌梗死大鼠具有保护作用,其作用机制可能与降低氧化应激反应和炎症损伤相关。
关键词 竹节参总皂苷;心肌梗死;氧化应激反应;炎症反应
缺血性心脏病在全世界有很高的致死率和并发率[1],心脏
长时间缺血容易引起心肌梗死的发生,心肌梗死(myocardial in-
farction,MI)又称心肌缺血性坏死,在缺血过程中氧气和营养缺
乏导致心肌细胞凋亡和坏死。梗死后左心室异常使心脏收缩
和舒张功能受损[2],从而使患者有很高的致死率和病发率。心
肌梗死发病过程复杂并且通过不同的方式引起心脏损伤,大量
实验研究证实活性氧(reactive oxygen species,ROS)参与了心肌
疾病的发生发展及病理损害[3,4]。在梗死区和非梗死区 ROS通
过损伤细胞膜结构直接引起心肌细胞坏死和凋亡[5],同时 ROS
可激活信号转导蛋白,使炎症因子表达增加,对细胞进行调
控[5]。另一方面,炎症因子诱发的损伤,如 TNF-α,转化生长因
子 β(transforming growth factor beta,TGF-β) ,也是一种主要的反
应,并且这些炎症因子可进一步促进 ROS 的生成,加重心肌细
胞损伤[6]。因此,降低氧化损伤和炎症反应成为治疗心肌梗死
的主要策略。尽管药物和介入性治疗可显著降低 MI 后的早期
死亡率,但是 MI后缺血性心肌病发展仍然广泛流行,并使经济
负担增加。
我们前期研究显示,竹节参不同提取部位预处理对冠脉结
扎诱导的大鼠急性心肌缺血损伤均具有保护作用,其中竹节参
总皂苷(正丁醇部位)预处理可通过降低氧化损伤和心肌细胞
凋亡发挥保护作用[7,8]。基于此,本实验拟通过结扎左冠状动
脉前降支建立大鼠心肌梗死模型,观察竹节参总皂苷对心肌梗
死大鼠的保护作用,并探讨其可能的作用机制,为其临床应用
提供理论基础和实验依据。
1 材料与方法
1. 1 试验药物 竹节参总皂苷的制备方法见我们前期研
究[8],由三峡大学国家中医药管理局中药药理科研三级实验室
提供。
1. 2 动物 Wistar大鼠 60 只,雄性,质量(200 ± 20)g,由湖
北省疾病控制中心实验动物中心提供,许可证号:SCXK(鄂)
2008-0005,分笼饲养,自由饮水和摄食。随机化分为假手术组、
模型组、竹节参总皂苷组(50 mg /kg、100 mg /kg)。术后 24h,竹
节参总皂苷组分别灌胃给予 50mg /kg、100mg /kg 竹节参总皂
苷,假手术组与模型组给予等体积的生理盐水,每天 1 次,连续
4w。
1. 3 试剂 超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱
甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、丙二醛(MDA)试剂盒购于南京建
成生物工程研究所;TNF-α、TGF-βELISA 试剂盒购于欣博盛生
物科技有限公司。
1. 4 仪器 16 导生理信号采集分析系统 (Biopac Systems,
INC,MP150) ,由美国 BIOPAC公司提供;DMR 型多功能显微镜
及图像分析系统,由德国 Leica 公司提供;ULTRACUT R 型超薄
切片机,由奥地利莱卡公司提供;CS-V1 型摊片烤片机,由孝感
市宏业医用仪器有限公司提供;TP1020 型脱水机,由德国 Leica
公司提供。
1. 5 方法 手术前检查大鼠心电图,选取心电图正常的大鼠,
用 20%氨基甲酸乙酯溶液(1. 5g /kg ip)麻醉后,沿左侧第 4 肋
间剪开皮肤,钝性分离肌肉组织,打开胸腔,剥开心包膜,挤压出
心脏,在左心耳与肺动脉圆锥之间,用 6 /0 丝线距左冠状动脉前
降支根部 1 ~ 2mm结扎,随后立即还纳心脏,挤出胸腔内空气,
使自行恢复自主呼吸。用Ⅱ导生理记录仪观察并记录心电图,
心电图 ST 段弓背抬高提示冠脉结扎成功。假手术组除不结扎
冠状动脉外,其余操作与手术动物相同,缝合伤口后,皮下注射
生理盐水(30ml /kg)补充体液丢失,碘伏消毒,并给予注射用青
霉素钠局部处理。实验大鼠于术后 4w 进行实验。20%氨基甲
酸乙酯溶液(1. 5g /kg. ip)麻醉后,颈部切开,分离右颈总动脉,
将导管经右颈总动脉插入左心室,稳定后测定记录收缩压(sys-
tolic blood pressure,SBP)、舒张压(diastolic blood pressure,DBP)、
平均动脉压(Mean Arterial Pressure,MAP)、左心室收缩压(left
ventricular systolic pressure,LVSP)、左心室舒张末压(left ven-
tricular end-diastolic pressure,LVEDP)、左室内压上升最大速率
(maximal rate of the increase of left ventricular pressure,LV + dp /
57中药药理与临床 2013;29(3)
* 国家自然科学基金资助项目基于体内作用的竹节参抗心肌缺血物质基础及资源品质研究,项目号: 31070314; 从调节 SIRT1、SIRT3 活性
与线粒体功能研究补肾活血方延缓心脏衰老的作用机制,项目号: 81273895;湖北省教育厅自然科学研究计划项目基于清除 ROS 及自噬与凋亡互
反馈调控研究竹节参皂苷抗心肌缺血 /再灌注损伤的分子机制,项目号: B2013169 **通讯作者
DOI:10.13412/j.cnki.zyyl.2013.03.031
dtmax)、左室内压下降最大速率(maximal rate of the decrease of
left ventricular pressure,LV-dp /dtmin)。
1. 5. 1 心脏重量指数测定方法 取血完毕后,取出心脏。用
生理盐水洗尽血污,剔除非心肌组织后吸去水分,称重,计算心
脏重量指数(心脏重量 /体重)。
1. 5. 2 组织形态学检测方法 随机选取大鼠,取出心脏用生
理盐水洗尽血污,剔除非心肌组织后吸去水分,取心室周长最
大的心肌片段,放入到 4%多聚甲醛的缓冲液中固定 24 小时。
经脱水、包埋,切片,制备成石蜡切片。片厚 4μm,HE 染色后显
微镜下观察。
1. 5. 3 心肌胶原容积分数分析 随机选取大鼠,取出心脏用
生理盐水洗尽血污,剔除非心肌组织后吸去水分,取心室周长
最大的心肌片段,放入到 4%多聚甲醛的缓冲液中固定 24 小
时。经脱水、包埋,切片,制备成石蜡切片。片厚 4μm,将石蜡
切片进行苦味酸-天狼星红染色,染色后的心肌细胞呈黄色,胶
原呈红色。然后进行计算机图像分析系统分析,每张切片各随
机分析 6 个视野,并取平均值。
1. 5. 4 血清氧化指标与炎症指标的检测 大鼠麻醉后进行腹
主动脉取血,放入无抗凝剂的离心管中,离心,-80℃保存。检
测时取各组血清样本,按试剂盒操作方法进行 SOD、CAT、GSH-
PX、MDA氧化指标的检测,ELISA法检测 TNF-α、TGF-β。
1. 5. 5 统计分析 统计每组数据,均以均数 ±标准差(x ± s)表
示。数据分析在 SPSS13. 0 统计软件包上进行,以单因素方差分
析(one-way ANOVA)进行多组间差异的比较,以 Dunnett-t 检验
比较两组间均数的差异,P < 0. 05 说明差异具有统计学意义。
2 结果
2. 1 竹节参总皂苷对心肌梗死大鼠心功能的影响 与假手术
组比较,4w后模型组 SBP、DBP、MAP、LVSP、+ dp /dtmax、-dp /dt-
min均显著降低,LVEDP显著升高,并具有显著性差异;竹节参
总皂苷组(50 mg /kg、100 mg /kg)使 SBP、DBP、MAP、LVSP、+
dp /dtmax、-dp /dtmin升高,LVEDP 降低,且具有显著性差异,说
明竹节参总皂苷对左冠状动脉前降支结扎造成的心功能损伤
发挥保护作用,见表 1。
表 1 竹节参总皂苷心肌梗死大鼠心功能的影响(珋x ± s,n = 10)
组别
剂量
(mg /kg)
SBP
(mmHg)
DBP
(mmHg)
MAP
(mmHg)
LVSP
(mmHg)
LVEDP
(mmHg)
+ dp /dtmax
(mmHg /s)
-dp /dtmin
(mmHg /s)
假手术对照 132. 0 ± 6. 12* 103. 7 ± 4. 48** 116. 5 ± 5. 74** 141. 8 ± 2. 69** 8. 22 ± 3. 62* 3,795 ± 286. 6** -3,592 ± 296. 5**
模型对照 100. 2 ± 16. 92 76. 1 ± 11. 74 86. 3 ± 13. 18 90. 3 ± 13. 87 27. 13 ± 5. 94 1,535 ± 655. 5 -1,271 ± 584. 8
竹节参总皂苷 50 117. 2 ± 20. 73 102. 8 ± 8. 88* 110. 0 ± 14. 57* 112. 5 ± 24. 97 17. 20 ± 4. 87 3,274 ± 507. 4* -2,323 ± 916. 6
竹节参总皂苷 100 128. 0 ± 9. 58* 100. 9 ± 7. 58* 112. 1 ± 2. 91** 138. 2 ± 5. 86** 17. 77 ± 0. 72 4,056 ± 574. 5** -3,678 ± 475. 4**
与模型组比较 * P <0. 05,** P <0. 01(下同)
2. 2 竹节参总皂苷对心肌梗死大鼠心脏重量指数的影响 与
假手术组比较,4w后模型组心脏重量指数显著升高;竹节参总
皂苷组(50 mg /kg、100 mg /kg)可显著降低心脏重量指数,说明
心肌梗死 4w后发生心肌肥大,使心脏重量指数升高,而竹节参
总皂苷可减轻这种损伤作用,见表 2。
表 2 竹节参总皂苷对心肌梗死大鼠心脏重量指数和心肌胶原容
积分数的影响(珋x ± s,n = 10)
组别 剂量(mg /kg)心脏重量指数(mg /g) 胶原容积分数(%)
假手术对照 0. 3083 ± 0. 0143* 6. 86 ± 1. 00**
模型对照 0. 3618 ± 0. 0255 41. 14 ± 6. 20
竹节参总皂苷 50 0. 3331 ± 0. 0104 34. 25 ± 5. 11*
竹节参总皂苷 100 0. 3227 ± 0. 0149* 31. 57 ± 5. 29**
2. 3 竹节参总皂苷对心肌梗死大鼠心肌胶原容积分数的影响
苦味酸-天狼星红染色后发现,心肌细胞被染成黄色,胶原纤
维呈红色。经图像分析系统半定量分析显示,模型组胶原容积
分数显著升高,与假手术组比较有显著性差异;竹节参总皂苷低
高剂量组可使胶原容积分数显著降低,与模型组比较并有显著
性差异,说明模型组大鼠心脏发生纤维化,使心脏收缩功能受
损,进而引起心室重构;而竹节参总皂苷低高剂量组可改善纤维
化程度,保护受损心肌,见表 2 和图 1。
图 1 竹节参总皂苷对心肌梗死大鼠心肌胶原容积分数的影响
( A: 假手术组,B: 模型组,C: 竹节参总皂苷 50 mg /kg,D: 竹节参总皂苷 100 mg /kg)
2. 4 心肌梗死病理过程的形态学观察 HE染色发现,假手术
组大鼠心肌细胞形态完整,细胞浆中横纹肌清晰,肌原纤维排
列整齐。模型组大鼠心肌内可见较大范围灶性病变,大量细胞
破裂,并伴有明显的变性和坏死,心肌纤维变长呈波浪形,排列
紊乱和断裂,肌纤维间距增宽,间质水肿、充血,并伴有炎性细胞
浸润。竹节参总皂苷组(50 mg /kg、100 mg /kg)大鼠心肌损伤程
度明显减轻,细胞破裂减少,局部有散在的心肌细胞变性坏死,
肌原纤维排列趋于整齐,并呈现剂量依赖性。说明竹节参总皂
苷对冠脉结扎诱发的心肌梗死大鼠的心肌损伤具有一定的保
护作用,见图 2。
67 中药药理与临床 2013;29(3)
图 2 竹节参总皂苷对心肌梗死组织形态学的影响
( A: 假手术,B: 模型组,C: 竹节参总皂苷 50 mg /kg,D: 竹节参总皂苷 100 mg /kg)
2. 5 竹节参总皂苷对心肌梗死大鼠血清中氧化指标的影响
与假手术组比较,4w 后模型组 SOD、CAT、GSH-Px 活性显著降
低,MDA含量显著升高;竹节参总皂苷(50 mg /kg、100 mg /kg)
使 SOD、CAT、GSH-Px 活性升高,MDA 含量降低,说明竹节参总
皂苷可能是通过增加抗氧化物酶的活性,使 ROS含量和脂质过
氧化反应降低,从而对心肌梗死大鼠发挥保护作用,见表 3。
2. 6 竹节参总皂苷对心肌梗死大鼠血清中炎症指标的影响
与假手术组比较,4w 后模型组大鼠血清中 TNF-α、TGF-β 含量
显著升高,表明发生了炎症反应;竹节参总皂苷(50 mg /kg、100
mg /kg)使 TNF-α、TGF-β 含量降低,说明竹节参总皂苷可能是
通过抑制炎症因子的表达,降低炎症反应,从而对心肌梗死大
鼠发挥保护作用 TNF-α、TGF-β,见表 3。
表 3 竹节参总皂苷对心肌梗死大鼠血清中氧化与炎症指标的影响(珋x ± s,n = 10)
组别 剂量(mg /kg) SOD (U /ml) CAT (U /ml) GSH-Px (U /ml) MDA (nmol /ml) TNF-α(pg /ml) TGF-β(ng /ml)
假手术对照 134. 8 ± 14. 74* 3. 87 ± 0. 81* 368. 0 ± 18. 17* 6. 58 ± 1. 41* 52. 8 ± 6. 69* 4. 06 ± 1. 39**
模型对照 103. 3 ± 7. 73 1. 84 ± 0. 14 311. 0 ± 12. 59 8. 82 ± 1. 85 111. 5 ± 31. 73 69. 85 ± 9. 54
竹节参总皂苷 50 131. 8 ± 8. 49** 3. 19 ± 1. 35 335. 0 ± 13. 61 7. 33 ± 0. 92 65. 0 ± 9. 89* 13. 43 ± 9. 41**
竹节参总皂苷 100 170. 4 ± 5. 22** 3. 16 ± 0. 76* 353. 3 ± 7. 62* 5. 06 ± 0. 34** 55. 6 ± 4. 16* 3. 39 ± 0. 93**
3 讨论
MI是心血管疾病诱发死亡的主要因素之一[9],MI后,血液
动力学受损并使心功能失调,不利于心脏愈后[10],纤维化在损
伤和未损伤部位出现,使心脏坚硬,心脏收缩功能障碍[11],因
此,维持左心室收缩和舒张功能,为缺血心肌提供充足的血液,
对心脏愈合非常重要。我们研究显示,竹节参总皂苷显著改善
MI后左心室收缩功能障碍,提高冠状动脉闭塞引起的心功能失
调的愈合率,并使心肌纤维化程度降低,从而对 MI 大鼠发挥保
护作用。了解 MI病理学机制对于研究治疗策略,开发药物至
关重要。研究发现,氧化应激反应和炎症反应是 MI 后两种主
要的病理学机制[12]。
大量研究证实,机体在正常生理状态下,自由基的生成和
清除处于平衡状态,但由于缺血缺氧会导致大量 ROS产生和堆
积,从而引起氧化应激损伤,导致氧化系统与抗氧化系统之间
的平衡失调。氧化应激反应和继而引起的心肌损伤程度与
ROS的过量生成和抗氧化作用之间的平衡决定[13]。阻止 ROS
的生成可以降低 MI 后心肌梗死面积,改善心功能失调。缺血
使抗氧化酶的活性降低并引起氧化应激反应,因此,增强内源
性天然抗氧化物的活性或补充外源性抗氧化物的抗氧化治疗
可能成为治疗心肌梗死的策略。我们研究显示,MI 后 SOD、
CAT和 GSH-Px活性降低并伴随 MDA 含量升高。竹节参总皂
苷可使 SOD、CAT和 GSH-Px活性升高,降低 MDA的生成,提示
竹节参总皂苷可能是通过提高内源性抗氧化物酶的活性,降低
脂质过氧化反应发挥作用的。
心肌缺血损伤与心脏强烈的炎症反应相关[14],这种反应包
括激活本地巨噬细胞和从血液中吸引其他免疫细胞,如中性粒
细胞,单核细胞和淋巴细胞。不同的免疫细胞产生大量的促炎
因子,继而引起炎症级联反应促使更多炎症细胞聚集,导致心
肌细胞进一步损伤和死亡。肉芽组织、胶原纤维的形成,补体的
激活和自由基的产生都与炎症级联反应相关[15]。因此,目前认
为降低炎症反应是治疗心肌缺血的一种重要治疗手段。心肌缺
血引起促炎因子 TNF-α,TGF-β 等升高,抑制左心室功能,并引
起心肌细胞凋亡使心肌细胞损失[16]。急性心肌梗死患者中
TNF-α合成释放显著增加,使中性粒细胞大量聚集并阻塞缺血
区微循环,并释放氧自由基使心肌细胞受损。TGF-β 可促进胶
原纤维和细胞外基质的合成和沉积,加重心肌纤维化,使心脏收
缩功能受损,引起心室重构。我们研究显示,模型组大鼠血清中
炎症因子与假手术组相比显著升高,但是竹节参总皂苷可以降
低其表达水平。因此,竹节参总皂苷可能是通过降低炎症因子
的表达发挥作用的。
心肌缺血过程中发生氧化应激反应,生成大量 ROS并直接
损伤心脏,并且炎症级联反应可进一步促进 ROS 的生成,加重
损伤[17,18]。同样,ROS也可以促进炎症因子的产生,引起心脏
损伤[19]。产生过量的 ROS可直接或间接通过炎症通路引起损
伤。Ungvari等研究证实细胞内如线粒体功能障碍,或炎性细胞
浸润引起的炎症反应,使 ROS 大量生成[20]。分离成年大鼠心
肌细胞,用 TNF-α干预可引起 MnSOD、CAT、GPx 的蛋白和基因
表达水平降低,并使细胞内 ROS 生成增加,引发脂质过氧化反
应[21];同样,ROS的生成也会引发炎症激活,不同浓度的 H2O2
可引起细胞内内源性 TNF-α 表达水平升高[21]。细胞坏死和凋
亡引起心肌梗死和心功能失调,在 ROS和炎症因子的共同作用
下,引发心脏不可逆的损伤,最终导致心衰[22]。因此,降低 ROS
的生成和炎症级联反应,打破二者之间的恶性循环是治疗心肌
缺血性损伤的有效治疗策略。
综上所述,竹节参总皂苷通过提高心肌梗死大鼠血清中
SOD、CAT、GSH-Px的活性,使内源性 ROS 清除系统功能增强,
降低 MDA含量,减轻了 ROS对心肌的损伤,同时降低了炎症因
77中药药理与临床 2013;29(3)
子 TNF-α、TGF-β的表达,改善左心室收缩和舒张功能,使心脏
重量指数和胶原容积分数降低。研究证实竹节参总皂苷对心
肌梗死大鼠发挥保护作用,其作用机制可能是通过降低氧化应
激反应和炎症反应实现的。
参考文献
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Cardioprotective effects and mechanism of saponins from Panax japonicus on myocardial infarction in rats
Wei Na1,Yuan Ding1,Xu Yuanqing1,Zhang Changcheng1,He Yumin1,Wang Ting1,He Haibo2
(1 Medical Science College;2 Hubei Key Laboratory of Natural Products Research and Development,
China Three Gorges University,Yichang 443002)
Objective:To observe the cardioprotective effects of saponins from Panax japonicus (SPJ)on myocardial infarction in rats and the pos-
sible mechanism of it. Methods:Myocardial infarction injury rats induced by ligating of the left anterior descending branch (LAD) ,rats
were randomly divided into four groups:sham-operated,LAD,LAD + SPJ (SPJ,50mg /kg /day and 100mg /kg /day,orally). After operation
the foregoing groups were pretreated with homologous drug once a day for 4 weeks respectively;sham-operated and LAD were given an equal
volume of saline. Four weeks later,we evaluate cardiac function;and hearts were harvested to assess heart weight index;histopathological
damages and Collagen volume fraction were evaluated by He,Masson,and picric acid-Sirius red staining. Blood samples were collected to
determine serum levels of superoxide dismutase (SOD) ,catalase (CAT) ,glutathione peroxidase (GSH-Px) ,malondialdehyde (MDA) ;in-
flammatory factors TNF-α and TGFβ were Detected by ELISA. Results:Myocardial infarction induced by ligation of LAD significantly sup-
pressed cardiac function,increased heart weight index and fibrosis;we also found a significant increase in oxidative stress as evidenced by in-
creases in the downregulation of SOD,CAT,GSH-Px and upregulation of MAD. In parallel there was a significant increase in inflammatory
cytokine levels,such as TNF-α and TGFβ. It showed significant difference between sham group and LAD group. SPJ (50 mg /kg and 100
mg /kg )can significantly improve these symptoms. Conclusion:The results suggest that SPJ plays a protective role on myocardial infarction
in rats,and the possibility of its mechanism may reduce oxidation stress and inflammatory response.
Key words saponins from Panax japonicus(竹节参总皂苷) ;myocardial infarction;oxidation stress;inflammatory response
87 中药药理与临床 2013;29(3)