《International Journal of Biological Macromolecules》：Lipopolysaccharide-induced perturbation of redox homeostasis and organ injuries: Mitigation by cholecalciferol
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本研究探讨维生素D3对脂多糖诱导的氧化应激和肝肾损伤的保护作用，结合体外、体内和计算生物学方法，评估DNA相互作用及氧化氮化应激等指标，发现vit-D3组合显著减轻损伤，提示其通过调节氧化应激和DNA相互作用发挥保护机制。
阿里夫·贾马尔·西迪基（Arif Jamal Siddiqui）|霍玛·法特玛（Homa Fatma）|穆罕默德·贾米尔（Mohd Jameel）|穆罕默德·阿米尔（Mohd Amir）|萨米娅·贝比（Samiya Baby）|萨达夫·贾汉（Sadaf Jahan）|穆罕默德·库杜斯（Mohammed Kuddus）|努哈·萨利赫·巴乌利（Nouha Saleh Buali）|因萨夫·巴赫里尼（Insaf Bahrini）|哈米德·阿什拉夫（Hameed Ashraf）|萨利姆·贾维德（Saleem Javed）|鲁基亚·阿夫罗斯（Ruquiya Afrose）|希夫祖尔·R·西迪基（Hifzur R. Siddique）
沙特阿拉伯海勒大学（University of Hail）理学院生物系
摘要
脂多糖（LPS）是一种存在于革兰氏阴性菌外膜中的糖脂，它在维持细菌的结构完整性和保护作用中起着关键作用。通常情况下，LPS不会穿过肠道屏障；然而，肠道损伤或高脂饮食会促进LPS进入全身循环。此外，许多补充剂、食品和益生菌中都含有革兰氏阴性菌或LPS。高水平的LPS与多种疾病的发展有关。在人体内，LPS会引发强烈的炎症和免疫反应，可能导致败血症休克，在严重情况下甚至会导致死亡。胆钙化醇（维生素D3）以其传统的钙吸收和骨骼代谢作用而闻名。然而，最近的研究强调了它在调节先天免疫系统、氧化应激和细胞增殖方面的作用。由于氧化应激主要导致DNA层面的大分子损伤，我们进行了DNA结合研究，以了解配体与DNA之间的相互作用机制，从而为体内大分子的保护提供理论基础。
本研究旨在探讨维生素D3对LPS引起的氧化应激紊乱和器官损伤的保护作用。尽管有一些研究发现LPS与肝肾毒性有关，但维生素D3在缓解内毒素引起的氧化应激紊乱和大分子损伤方面的潜在作用仍不明确。为了解决这一空白，我们采用了计算机模拟（in silico）、体外实验（in vitro）和体内实验（in vivo）的方法来评估DNA相互作用、氧化应激和硝化应激、抗氧化防御系统、大分子损伤、炎症标志物以及组织病理变化。LPS处理组表现出血清肝肾指标升高、活性氧/氮物种增多、大分子损伤以及肝肾组织的细胞结构损伤。值得注意的是，LPS与维生素D3的联合使用显著改善了由LPS引起的氧化损伤和病理变化。我们的发现表明，维生素D3是一种之前未被充分研究的LPS有害效应的调节因子。进一步推测，维生素D3缺乏的情况可能更容易受到LPS的不良影响。这一有希望的发现强调了进一步进行临床前和临床研究的必要性，以验证其治疗潜力。
引言
脂多糖（LPS）是一种存在于革兰氏阴性菌外膜中的有毒糖脂或内毒素，它为细菌提供结构完整性和保护[1]。LPS由一个疏水结构域（内毒素）、一个非重复性的寡糖核心和一个末端O-抗原组成。内毒素激活巨噬细胞中的TLR4受体，引发免疫反应和器官损伤，尤其是肝肾功能障碍[2]。在人体中，肠道微生物群是LPS的重要来源，由多种微生物产生。此外，用于治疗胃肠道功能障碍的免疫调节剂和食品补充剂通常含有活细菌，其产品可能含有LPS[3]。通常情况下，肠道屏障可以防止LPS的转运，这得益于紧密连接结构，它们阻止了LPS进入全身循环。此外，肠腔内的碱性磷酸酶可以通过去磷酸化作用使LPS的活性部分失活[4]。然而，由于各种原因（包括饮酒、高脂饮食、肠道通透性增加、药物副作用或生理因素），肠道屏障功能常常受损，导致LPS的转运。一旦LPS进入血液循环，会引发强烈的免疫和炎症反应，可能导致败血症休克甚至死亡[5]。LPS通过TLR4依赖性和非依赖性途径激活局部和全身炎症[5][6][7]。LPS侵入细胞系统可引发氧化还原失衡、活性氧/氮物种（ROS/RNS）的产生以及细胞因子风暴，从而导致器官功能障碍和衰竭[8]。ROS/RNS与多种疾病有关，包括肝肾损伤[9][10]。因此，寻找一种能够维持氧化还原平衡和信号传导、同时不产生有害副作用的制剂至关重要。
维生素D是一种前激素，主要有两种形式：维生素D2（麦角钙化醇）和维生素D3（胆钙化醇）。它可以通过饮食、阳光暴露和补充剂获得。维生素D3因其在骨骼健康和重塑中的作用而广为人知，但最近的研究揭示了这种必需营养素的多种其他功能[11]。维生素D3对高血压、心血管疾病、呼吸系统疾病、流感、结核病、神经病变和癌症具有积极作用。此外，维生素D3通过维持氧化还原稳态、减少氧化应激、抑制炎症和调节神经营养因子来提供神经和心脏保护[12]。维生素D3还能通过调节氧化应激、降低MDA水平、增加总抗氧化能力以及减轻肝肾组织的组织病理损伤来缓解药物引起的肝肾损伤[13]。血清中的维生素D3及其结合蛋白水平与肝硬化的严重程度和死亡率相关[14]。维生素D3还被发现对硫代乙酰胺、铅和对乙酰氨基酚引起的肝损伤具有保护作用[15][16][17]。尽管维生素D3在预防药物和外来物质引起的器官损伤方面的保护作用已被广泛研究，但大多数现有研究集中在慢性化学暴露或慢性疾病模型上[12][13][14][15][16][17]。早期的研究大多关注炎症结果，而没有系统地整合氧化还原失衡、大分子损伤和多实验平台下的组织病理学相关性。因此，对维生素D3作为LPS引起的氧化应激紊乱和肝肾损伤调节因子的全面评估仍然不足，需要进一步的研究。
在本研究中，我们假设维生素D3通过恢复氧化还原稳态和限制ROS/RNA介导的大分子损伤来减轻LPS引起的肝肾损伤。本研究的新颖之处不仅在于展示了维生素D3的抗炎或抗氧化作用，还提供了对维生素D3介导的氧化还原稳态和器官保护的全面评估。这项工作有望推动当前的理解，并鼓励更多的临床前和临床研究，为未来针对败血症相关器官功能障碍的转化策略提供依据。
化学物质和试剂
我们从Sigma（美国）购买了维生素D3（CAS 67-97-0，商品编号S3614）和LPS（CAS 297-473-0，商品编号L2637）、溴化乙锭（EtBr；CAS 1239-45-8，商品编号E7637）、Hoechst 33258（CAS 23491-45-4，商品编号94403）和小牛胸腺DNA（CAS# 73049-39-5，商品编号D1501）；从Fisher Scientific（美国）购买了盐酸（HCl，商品编号Q29145）和三氯乙酸（TCA，商品编号Q28444）。以下产品来自印度SRL：2,7-二氯荧光素二乙酸酯（DCFDA，商品编号85048）、焦性没食子酚（商品编号71648）和钠
DNA相互作用研究
在败血症条件下，DNA是氧化损伤的主要靶标；因此，通过相互作用分析可以了解体内的大分子保护机制[32][33]。因此，我们进行了CD光谱、紫外-可见光（UV–Vis）和荧光实验来探测配体与DNA的结合情况（图1）。
讨论
LPS常与多种疾病相关，如细菌性胃肠感染、克罗恩病、溃疡性结肠炎、糖尿病、心内膜炎、炎症性肠病、精神疾病、呼吸系统疾病、败血症和代谢性内毒素血症[3][40][41][42]。此外，LPS的给药与肝肾毒性有关，这与氧化还原失衡和氧化应激有关[43][44][45]。来自阳光和食物的维生素D会被转化为
结论
总之，内毒素引起的败血症和器官损伤是导致发病率和死亡率增加的重要因素。维生素D3缺乏与更高的败血症评分、恢复延迟和死亡率相关。此外，维生素D3显示出对肝肾损伤的保护作用。我们的观察结果表明，维生素D3通过降低ROS/RNS水平并逆转大分子和组织损伤来保护LPS引起的肝肾损伤（图9）。
作者贡献声明
阿里夫·贾马尔·西迪基（Arif Jamal Siddiqui）：验证、研究、资金获取、数据分析。霍玛·法特玛（Homa Fatma）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 初稿、验证、方法学、研究、数据分析。穆罕默德·贾米尔（Mohd Jameel）：撰写 – 初稿、验证、方法学、研究。穆罕默德·阿米尔（Mohd Amir）：方法学、研究、数据分析。萨米娅·贝比（Samiya Baby）：方法学、研究。萨达夫·贾汉（Sadaf Jahan）：研究。穆罕默德·库杜斯（Mohammed Kuddus）：研究。努哈·萨利赫·巴乌利（Nouha Saleh Buali）：研究。因萨夫·巴赫里尼（Insaf Bahrini）：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了沙特阿拉伯海勒大学科学研究部的资助，项目编号为RG-23123。
