Impact and mechanism of NOD-like receptor thermal protein domain-associated protein 3 on pathological features and inflammatory response in a rat model of hemorrhoids
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摘要:目的
探讨NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NLRP3)对痔疮模型大鼠创面病理特征、炎症反应及环磷酸腺苷(cAMP)/瞬时受体电位香草酸亚型1(TRPV1)信号通路的影响。
方法将40只6周龄健康雄性SD大鼠随机分为对照组、模型组、NLRP3激动剂组和NLRP3抑制剂组,每组10只。对照组不进行干预,其余3组均构建急性痔疮模型。NLRP3激动剂组、NLRP3抑制剂组在造模成功后分别给予创面局部皮下注射NLRP3激动剂、NLRP3抑制剂,模型组、对照组则给予等量生理盐水皮下注射。观察各组大鼠创面病理特征并评估创面积分,采用酶联免疫吸附试验(ELISA)检测血清肿瘤坏死因子(TNF)-α、白细胞介素(IL)-6水平,采用蛋白质印迹法(Western blot)检测创面组织中NLRP3、cAMP和TRPV1蛋白表达量,采用实时荧光定量聚合酶链反应(qRT-PCR)检测创面组织中NLRP3、cAMP、TRPV1基因mRNA表达量。
结果与对照组相比,模型组创面组织炎性细胞浸润增多,水肿明显,组织结构紊乱,结缔组织增生; 与模型组相比, LRP3激动剂组炎性细胞浸润增多,而NLRP3抑制剂组炎性细胞浸润减少。干预后,与对照组相比,模型组创面积分和血清TNF-α、IL-6水平升高,创面组织中NLRP3、cAMP、TRPV1蛋白相对表达量和NLRP3、cAMP、TRPV1基因mRNA表达量升高,差异有统计学意义(P < 0.05); 干预后,与模型组相比, NLRP3激动剂组上述指标均升高, NLRP3抑制剂组上述指标均降低,差异有统计学意义(P < 0.05)。
结论NLRP3炎症小体可能通过激活cAMP/TRPV1信号通路,参与调控大鼠急性痔疮的发生与发展。
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关键词:
- 痔疮 /
- NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3 /
- 环磷酸腺苷 /
- 瞬时受体电位香草酸亚型1 /
- 炎症因子
Abstract:ObjectiveTo investigate the effects of NOD-like receptor thermal protein domain-associated protein 3 (NLRP3) on wound pathological characteristics, inflammatory responses, and cyclic adenosine monophosphate (cAMP)/transient receptor potential vanilloid subtype 1 (TRPV1) signaling pathways in a rat model of hemorrhoids.
MethodsForty healthy male SD rats aged 6 weeks were randomly divided into control group, model group, NLRP3 agonist group, and NLRP3 inhibitor group, with 10 rats in each group. The control group received no intervention, while acute hemorrhoid models were established in the other three groups. After successful modeling, the NLRP3 agonist group and the NLRP3 inhibitor group were administered local subcutaneous injections of NLRP3 agonist and NLRP3 inhibitor at the wound site, respectively. The model group and the control group received subcutaneous injections of equal volume of saline. The pathological characteristics of the wounds in each group were observed and wound scores were assessed. Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) was used to detect serum levels of tumor necrosis factor (TNF)-α and interleukin (IL)-6. Western blot analysis was employed to detect protein expression levels of NLRP3, cAMP, and TRPV1 in the wound tissue. Real-time fluorescent quantitative polymerase chain reaction (qRT-PCR) was used to detect mRNA expression levels of NLRP3, cAMP, and TRPV1 in the wound tissue.
ResultsCompared with the control group, the model group exhibited increased inflammatory cell infiltration, pronounced edema, disrupted tissue structure, and connective tissue hyperplasia in the wound tissue. When compared to the model group, the NLRP3 agonist group showed an increase in inflammatory cell infiltration, whereas the NLRP3 inhibitor group demonstrated a reduction in inflammatory cell infiltration. After intervention, compared with the control group, the model group had elevated wound scores and serum levels of TNF-α and IL-6. Additionally, the relative protein expression levels of NLRP3, cAMP, and TRPV1, as well as the mRNA expression levels of NLRP3, cAMP, and TRPV1 in the wound tissue, were increased in the model group (P < 0.05). Following intervention, when compared to the model group, the NLRP3 agonist group showed an increase in all aforementioned indicators, whereas the NLRP3 inhibitor group exhibited a decrease in these indicators (P < 0.05).
ConclusionThe NLRP3 inflammasome may participate in the development and progression of acute hemorrhoids in rats by activating the cAMP/TRPV1 signaling pathway.
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痔疮是临床常见的肛肠疾病,发病机制复杂,涉及多种因素。近年来,NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NLRP3)在痔疮发病中的作用逐渐受到关注。NLRP3炎症小体通过调节炎症反应、细胞凋亡和氧化应激等途径,参与痔疮的发生与发展[1-3]。环磷酸腺苷(cAMP)是一种重要的细胞内信号分子,主要通过激活蛋白激酶A(PKA)等效应蛋白,调控细胞的代谢、分化和增殖等过程。cAMP/PKA信号通路在痛觉敏化过程中发挥重要作用,并参与瞬时受体电位香草酸亚型1(TRPV1)蛋白的激活[4]。TRPV1主要表达于感觉神经末梢,参与痛觉信号的传递。激活TRPV1不仅可引发肛门周围疼痛感,还可促进神经肽的释放,加剧局部炎症反应和肛门疼痛[5]。然而,NLRP3与TRPV1蛋白的具体关系目前尚未完全明确。基于此,本研究探讨NLRP3对痔疮模型大鼠肛周病理组织形态、炎症反应及cAMP/TRPV1信号通路的影响及机制,为寻找更高效的干预靶点提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 实验动物
选取6周龄健康雄性SD大鼠40只(平均体质量200 g),购自北京维通利华实验动物技术有限公司,许可证号: SCXK(京)2020-0011。饲养期间,大鼠正常饮食和活动,环境(包括温度、湿度及光照条件)适宜,饲养1周后进行后续实验。本实验的所有操作均符合新疆医科大学第二附属医院的动物医学伦理要求(伦理审查编号20230601)。
1.2 主要试剂和仪器
NLRP3激动剂和抑制剂(纯度高于99%, 物质的量浓度为1.5 mmol/L, 批号分别为HY-13568495和HY-14023516, 购自荷兰Europe BV公司),苏木素-伊红(HE)染色试剂盒和蛋白定量试剂盒(批号分别为14526和20328, 购自美国Sigma公司),酶联免疫吸附试验(ELISA)试剂盒(批号A12359, 购自江苏碧云天科技有限公司),RIPA裂解液、十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)试剂、聚偏氟乙烯(PVDF)膜(批号分别为45896、52859、10234, 购自北京索莱宝科技有限公司),内参β-actin抗体、兔抗鼠NLRP3、cAMP和TRPV1一抗及对应二抗、ECL显色剂(批号分别为56425、B12485、B52859、B32548、42541,购自武汉博士德生物技术有限公司),逆转录试剂盒(批号RR092S,购自日本TaKaRa公司)。光学显微镜、蛋白电泳仪,购自北京六一生物科技有限公司。
1.3 研究分组与干预方法
将40只大鼠随机分为对照组、模型组、NLRP3激动剂组和NLRP3抑制剂组,每组10只。对照组不进行干预,其余3组均构建急性痔疮模型。造模方法: 将直径6 mm的滤纸片浸泡于99.0%(体积分数)醋酸溶液中5 min, 取出后贴敷于大鼠肛周皮肤及黏膜0.5 min, 每次使用1片滤纸,更换2次。24 h后,大鼠肛周溃疡面积>0.3 cm2, 红肿超出溃疡面且隆起高度>1 mm, 则判定为造模成功[6]。若造模未成功,可继续以浸润滤纸贴敷大鼠肛周直至造模成功,或更换大鼠按照上述方法继续造模。NLRP3激动剂组、NLRP3抑制剂组在造模成功后,分别给予NLRP3激动剂(剂量1 μg/kg)、NLRP3抑制剂(剂量1 μg/kg)于创面局部皮下注射, 1次/d, 连续7 d; 模型组、对照组则以同样方法给予等量生理盐水皮下注射, 1次/d, 连续7 d。实验期间, 40只大鼠均存活,体质量无显著变化,未出现死亡情况。
1.4 观察指标
1.4.1 创面病理特征和创面积分
分别于造模后干预前、干预7 d后进行创面积分评估,包括炎性渗出及溃疡积分、红肿积分[7]。有炎性渗出,溃疡面积>0.3 cm2计3分,溃疡面积0.2~0.3 cm2计2分,溃疡面积 < 0.2 cm2计1分,无炎性渗出计0分; 红肿超出溃疡面且红肿隆起高度>1 mm计3分,红肿边缘高于皮肤但 < 1 mm计2分,红肿勉强可见计1分,无红肿计0分。2项积分相乘得到最终积分,积分越高表示创面严重程度越高。连续干预7 d后处死大鼠,取肛周组织(1 mm×1 mm), 固定于10%(体积分数)甲醛溶液中,经脱水、石蜡包埋、切片处理后,按照HE染色试剂盒步骤完成染色,于光学显微镜(放大100倍)下观察创面病理特征。
1.4.2 ELISA检测血清炎症因子水平
分别于造模后干预前、干预7 d后采集大鼠静脉血6 mL,常规处理后,按照ELISA试剂盒说明书检测肿瘤坏死因子(TNF)-α和白细胞介素(IL)-6水平。
1.4.3 蛋白质印迹法(Western blot)检测NLRP3、cAMP、TRPV1蛋白表达量
连续干预7 d后,检测创面组织中的NLRP3、cAMP、TRPV1蛋白表达量。组织匀浆后加入RIPA裂解液,提取细胞总蛋白,对蛋白浓度进行定量,以β-actin抗体进行剂量标准化处理。取30 μg总蛋白进行8%SDS-PAGE电泳分离,将分离区带电转移至PVDF膜,加入兔抗鼠NLRP3、cAMP和TRPV1一抗(1∶2 000)静置过夜,再加入羊抗兔二抗(1∶500)室温孵育4 h, 以磷酸盐缓冲液(PBS)洗涤后,进行ECL显色。结果扫描保存,并采用Lab Works 4.5凝胶成像软件进行半定量分析,以样品蛋白与内参蛋白的电泳条带灰度值的比值表示。实验重复3次。
1.4.4 实时荧光定量聚合酶链反应(qRT-PCR)检测NLRP3、cAMP、TRPV1基因mRNA表达量
检测创面组织中NLRP3、cAMP、TRPV1基因的mRNA相对表达量。按照Trizol说明书提取总RNA,检测浓度和纯度后,按照逆转录酶说明书合成cDNA。取cDNA 2 μL进行聚合酶链反应(PCR), 反应体系包括TB Green Premix Ex Taq 10 μL+引物0.4 μL+ROX Reference Dye 0.4 μL+cDNA 2 μL, 加反应水至总体积25 μL。β-actin引物序列为5′-CATCTATGAGGGTTACGCG-3′和5′-CCAGGATAGAGCCACCAAT-3′; NLRP3引物序列为5′-GTCTACACCTGAGATCGC-3′和5′-AG ACTCACTACGCTTGAGAG-3; cAMP引物序列为5′-AGTCACTACCAGGTGCAGAC-3′和5′-CTTGCT TCAGACTCTGTGGG-3′; TRPV1引物序列为5′-TAC CCGTGCTCGATTTGAGG-3′和5′-GAACCACCCAC CAGGACAAT-3′。反应条件为95 ℃ 30 s; 95 ℃ 3 s,60 ℃ 30 s,40个循环。最后构建溶解曲线,结果以2-△△Ct表示,每组设置3个复孔,结果取平均值。
1.5 统计学分析
采用SPSS 22.0统计学软件进行数据处理,计量资料以($\bar{x} \pm s$)表示,多组间比较采用单因素方差分析,两两比较采用LSD-t检验, P < 0.05为差异有统计学意义。
2. 结果
2.1 创面病理特征比较
对照组肛周组织结构正常,未见炎性浸润; 模型组创面组织炎性细胞浸润增多,水肿明显,组织结构紊乱,结缔组织增生; NLRP3激动剂组与模型组相比,炎性细胞进一步增多,水肿更加明显,结缔组织增生更为显著; NLRP3抑制剂组与模型组相比,炎性细胞浸润减少,水肿减轻,结缔组织增生减少,新生血管增多,见图 1。
2.2 创面积分比较
干预前,模型组、NLRP3激动剂组、NLRP3抑制剂组的创面积分均高于对照组,差异有统计学意义(P < 0.05), 但模型组、NLRP3激动剂组、NLRP3抑制剂组的创面积分比较,差异无统计学意义(P>0.05)。干预7 d后, NLRP3激动剂组的创面积分高于干预前,NLRP3抑制剂组的创面积分低于干预前,差异有统计学意义(P < 0.05); 干预7 d后,模型组、NLRP3激动剂组、NLRP3抑制剂组的创面积分均高于对照组,NLRP3激动剂组的创面积分高于模型组, NLRP3抑制剂组的创面积分低于模型组、NLRP3激动剂组,差异有统计学意义(P < 0.05)。见表 1。
表 1 各组大鼠创面积分比较($\bar{x} \pm s$)分 组别 n 干预前 干预7 d后 对照组 10 0.3±0.1 0.3±0.1 模型组 10 7.8±0.5* 7.9±0.5* NLRP3激动剂组 10 7.7±0.4* 8.5±0.3*#▲ NLRP3抑制剂组 10 7.6±0.4* 5.4±0.3*#△▲ 与对照组比较, *P < 0.05; 与模型组比较, #P < 0.05;
与NLRP3激动剂组比较, △P < 0.05;
与干预前比较, ▲P < 0.05。2.3 血清TNF-α和IL-6水平比较
干预前,模型组、NLRP3激动剂组、NLRP3抑制剂组的血清TNF-α、IL-6水平均高于对照组,差异有统计学意义(P < 0.05), 但模型组、NLRP3激动剂组、NLRP3抑制剂组的血清TNF-α、IL-6水平比较,差异无统计学意义(P>0.05)。干预7 d后, NLRP3激动剂组的血清TNF-α、IL-6水平高于干预前, NLRP3抑制剂组的血清TNF-α、IL-6水平低于干预前,差异有统计学意义(P < 0.05); 干预7 d后,模型组、NLRP3激动剂组、NLRP3抑制剂组的血清TNF-α、IL-6水平均高于对照组, NLRP3激动剂组的血清TNF-α、IL-6水平高于模型组, NLRP3抑制剂组的血清TNF-α、IL-6水平低于模型组、NLRP3激动剂组,差异有统计学意义(P < 0.05)。见表 2。
表 2 各组大鼠血清TNF-α和IL-6水平比较($\bar{x} \pm s$)mg/L 组别 n TNF-α IL-6 干预前 干预7 d后 干预前 干预7 d后 对照组 10 0.5±0.1 0.6±0.1 0.9±0.2 0.9±0.3 模型组 10 8.6±2.3* 8.7±2.4* 12.5±3.4* 12.7±3.5* NLRP3激动剂组 10 8.4±2.2* 12.3±3.6*#▲ 12.2±3.1* 15.5±4.5*#▲ NLRP3抑制剂组 10 8.5±2.3* 4.8±0.9*#△▲ 12.6±3.4* 9.9±2.5*#△▲ TNF-α: 肿瘤坏死因子-α; IL-6: 白细胞介素-6。与对照组比较, *P < 0.05; 与模型组比较, #P < 0.05;
与NLRP3激动剂组比较, △P < 0.05; 与干预前比较, ▲P < 0.05。2.4 创面组织中NLRP3、cAMP和TRPV1蛋白表达量比较
干预7 d后,模型组、NLRP3激动剂组、NLRP3抑制剂组创面组织中NLRP3、cAMP、TRPV1蛋白相对表达量均高于对照组, NLRP3激动剂组NLRP3、cAMP、TRPV1蛋白相对表达量均高于模型组, NLRP3抑制剂组NLRP3、cAMP、TRPV1蛋白相对表达量均低于模型组、NLRP3激动剂组,差异有统计学意义(P < 0.05), 见图 2、图 3。
2.5 创面组织中NLRP3、cAMP、TRPV1基因的mRNA表达量比较
干预7 d后,模型组、NLRP3激动剂组、NLRP3抑制剂组创面组织中NLRP3、cAMP、TRPV1基因的mRNA相对表达量均高于对照组, NLRP3激动剂组NLRP3、cAMP、TRPV1基因的mRNA相对表达量均高于模型组, NLRP3抑制剂组NLRP3、cAMP、TRPV1基因的mRNA相对表达量均低于模型组、NLRP3激动剂组,差异有统计学意义(P < 0.05)。见图 4。
3. 讨论
本研究构建了大鼠急性痔疮病理模型,该模型的病理特征与人体痔疮高度相似[8], 表现为创面组织的炎性浸润显著增多,提示炎症反应在痔疮发病机制中发挥重要作用。NLRP3炎症小体主要由NLRP3蛋白、凋亡相关斑点样蛋白(ASC)和半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶-1前体(pro-caspase-1)构成,能够识别多种病原体相关分子模式(PAMPs)和损伤相关分子模式(DAMPs)。激活后的NLRP3炎症小体可引发一系列炎症反应,包括白细胞募集、炎症因子释放等,从而在机体抗感染和免疫调节中发挥关键作用[9]。张艺嘉等[10]研究发现,菝葜对痔疮大鼠具有显著的治疗效果,这可能与其对NLRP3通路的调控有关。越来越多的研究发现, NLRP3炎症小体在痔疮发病过程中扮演重要角色。痔疮患者体内NLRP3表达水平上调,通过调控炎症反应和细胞凋亡,影响痔疮的发生与发展[11]。
本研究分别应用NLRP3激动剂和NLRP3抑制剂进行干预后,观察到痔疮病理特征、创面积分、血清TNF-α水平、血清IL-6水平和组织中NLRP3、cAMP、TRPV1蛋白及其mRNA表达量均发生显著变化,其中NLRP3激动剂组上述指标进一步恶化,而NLRP3抑制剂组则有所改善。由此证实, NLRP3参与痔疮的发展,并可能通过介导cAMP信号通路影响TRPV1蛋白表达以及组织炎症因子释放。NLRP3可通过激活NF-κB和MAPK等炎症信号通路,促进IL-1β、IL-6、TNF-α等炎症因子的释放,这些因子在痔疮发病机制中发挥重要作用,可引起血管扩张、通透性增加及疼痛等症状[12]。因此, NLRP3在痔疮发病中具有促进炎症反应的作用。李惠雯等[13]研究指出, cAMP/PKA信号通路及TRPV1蛋白表达参与痔疮术后大鼠的痛觉敏化过程。cAMP信号通路的活性受腺苷酸环化酶、磷酸二酯酶等多种因素的调控,参与多种病理状态下外周痛觉过敏的形成与维持以及神经病理性疼痛的调节[14]。TRPV1是一种主要表达于神经元细胞膜上的离子通道蛋白,可被热、酸、辣椒素等多种刺激因素激活,引起钙离子内流,导致神经元兴奋。正常生理状态下, cAMP信号通路维持肛门括约肌的适度张力,保证肛门闭合功能,而TRPV1的磷酸化过程与痛觉敏化密切相关[15]。病理条件下, cAMP信号通路和TRPV1可能发生失调,例如长期便秘、肛门手术、炎症等因素可能导致括约肌松弛,且TRPV1过度激活可能引起肛门疼痛和炎症,最终促进痔疮的发生与发展[16]。
此外, NLRP3激活过程中会产生大量活性氧,进而加剧氧化应激。氧化应激可损伤细胞膜、蛋白质和DNA,引发细胞损伤和炎症反应。在痔疮发病过程中,氧化应激通过损伤血管内皮细胞,增加血管通透性,促进炎症细胞浸润,从而加重痔疮症状[17-20]。顾菁华等[21]研究指出,急性痔疮模型大鼠的病理组织形态变化、创面积分及免疫功能异常均与局部组织的炎症因子反应密切相关。
综上所述, NLRP3炎症小体可能通过激活cAMP/TRPV1信号通路,参与大鼠急性痔疮的发生与发展。
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表 1 各组大鼠创面积分比较($\bar{x} \pm s$)
分 组别 n 干预前 干预7 d后 对照组 10 0.3±0.1 0.3±0.1 模型组 10 7.8±0.5* 7.9±0.5* NLRP3激动剂组 10 7.7±0.4* 8.5±0.3*#▲ NLRP3抑制剂组 10 7.6±0.4* 5.4±0.3*#△▲ 与对照组比较, *P < 0.05; 与模型组比较, #P < 0.05;
与NLRP3激动剂组比较, △P < 0.05;
与干预前比较, ▲P < 0.05。表 2 各组大鼠血清TNF-α和IL-6水平比较($\bar{x} \pm s$)
mg/L 组别 n TNF-α IL-6 干预前 干预7 d后 干预前 干预7 d后 对照组 10 0.5±0.1 0.6±0.1 0.9±0.2 0.9±0.3 模型组 10 8.6±2.3* 8.7±2.4* 12.5±3.4* 12.7±3.5* NLRP3激动剂组 10 8.4±2.2* 12.3±3.6*#▲ 12.2±3.1* 15.5±4.5*#▲ NLRP3抑制剂组 10 8.5±2.3* 4.8±0.9*#△▲ 12.6±3.4* 9.9±2.5*#△▲ TNF-α: 肿瘤坏死因子-α; IL-6: 白细胞介素-6。与对照组比较, *P < 0.05; 与模型组比较, #P < 0.05;
与NLRP3激动剂组比较, △P < 0.05; 与干预前比较, ▲P < 0.05。 -
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