牛海峰,景鴻恩,惠 玲,閆 蔚,王 君,王宏賓,王曉臨,周 通,張國(guó)華,譚大勇
原發(fā)性肝癌是臨床最常見(jiàn)的惡性腫瘤之一,根據(jù)最新統(tǒng)計(jì),全世界每年新發(fā)肝癌患者約60萬(wàn),肝癌居惡性腫瘤的第5位。除手術(shù)治療外,誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡是目前腫瘤治療研究的熱點(diǎn),并有可能成為腫瘤治療的新途徑,因而尋找高效低毒的誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的藥物非常重要。鬼臼毒素主要來(lái)源于小檗科的鬼臼屬、八角蓮屬和山荷葉屬等,具有顯著的細(xì)胞毒性和抗腫瘤作用,目前臨床應(yīng)用較為廣泛的依托泊苷(VP-16)和替尼泊苷(VM-26)均為半合成鬼臼毒素衍生物[1],它們對(duì)小細(xì)胞肺癌、睪丸癌、急性白血病以及惡性淋巴腫瘤等均有良好的療效[2]。由于晚期腫瘤患者對(duì)現(xiàn)有鬼臼毒素衍生物普遍耐藥,同時(shí)該類(lèi)藥物水溶性差、抗瘤譜窄、具有較嚴(yán)重的骨髓抑制,其應(yīng)用逐漸受到限制,為克服VP-16和VM-26的不良反應(yīng),研究者對(duì)其進(jìn)行了大量結(jié)構(gòu)修飾工作[3-4]。N-(1-烴氧基-2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基氧羰基)-L丙氨酸-4'-去甲-4-脫氧鬼臼酯(Lg-2)為本課題組新合成的一種鬼臼毒素衍生物,是以丙氨酸作為L(zhǎng)inker連接氮氧自由基生成一個(gè)新型的去甲表鬼臼酯化合物。前期研究表明,Lg-2有較好的抗腫瘤活性[5-6]。由于現(xiàn)有的鬼臼類(lèi)衍生物對(duì)肝癌的抗腫瘤活性較差,本研究以肝癌HepG-2細(xì)胞為研究對(duì)象,研究Lg-2對(duì)HepG-2細(xì)胞的抗腫瘤效果,并對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行初步探討。
1.1 材料 Lg-2由蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院提供,相對(duì)分子量287.16,純度達(dá)95%以上,其結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖1。DMSO配置成0.001 mol/L原液,置-20℃凍存?zhèn)溆?。HepG-2肝癌細(xì)胞株由蘭州軍區(qū)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)科提供。RPMI 1640、DMSO、噻唑藍(lán)(MTT)均購(gòu)自美國(guó)Sigma公司,胎牛血清購(gòu)于杭州四季青公司,Hoechst33258染色試劑盒購(gòu)自碧云天公司,逆轉(zhuǎn)錄試劑盒為大連Takara公司產(chǎn)品。RT-PCR引物由大連寶生物工程有限公司合成:p53引物上游序列:5'-CGTGTGGAGTATTTGGATGACAGA-3',下 游序 列:5'-TGTAGTGGATGGTGGTACAGTCAGA-3'。Bax引物上游序列:5'-GCCAGCAAACTGGTGCTCAA-3',下游序列:5'-ATGTCCAGCCCATGATGGTTC-3'。Bc1-2引物上游序列:5'-TGTGTGTGGAGAGCGTCAACC-3',下游序列:5'-TTCAGAGACAGCCAGGAGAAATC-3'。p21引物上游序列:5'-CAGGGGACAGCAGAGGAAGA-3',下 游 序 列:5'-TTAGGGCTTCCTCTTGGAGAA-3'。Caspase3引物上游序列:5'-GACTCTGGAATATCCCTGGACAACA-3',下 游 序 列:5'-AGGTTTGCTGCATCGACATCTG-3'。β-actin引物上游序列:5'-GAAGGTGAAGGTCGGAGTC-3',下游序列:5'-GAAGATGGTGATGGGATTC-3'。
圖1 N-(1-烴氧基-2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基氧羰基)-L 丙氨酸-4'-去甲-4-脫氧鬼臼酯(Lg-2)結(jié)構(gòu)式
1.2 方法
1.2.1 細(xì)胞培養(yǎng):HepG-2細(xì)胞培養(yǎng)于含10%的胎牛血清、100 U/ml青霉素、100 U/ml鏈霉素的RPMI 1640培養(yǎng)基中,置37℃、5%CO2培養(yǎng)箱常規(guī)培養(yǎng),取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞進(jìn)行試驗(yàn)。
1.2.2 MTT法檢測(cè)Lg-2對(duì)HepG-2細(xì)胞體外增殖的抑制作用:分別設(shè)陰性對(duì)照組(只加HepG-2細(xì)胞)、VP-16處理組及Lg-2處理組3組。在96孔培養(yǎng)板內(nèi)每孔接種6000個(gè)單細(xì)胞懸液100 μl培養(yǎng)過(guò)夜,次日分別加入終濃度為 0.001、0.01、0.1、1、10 μmol/L的VP-16(VP-16處理組)與Lg-2(Lg-2處理組)。另設(shè)調(diào)零孔(只加培養(yǎng)液)。每組3個(gè)復(fù)孔,繼續(xù)培養(yǎng)48 h;同上接種細(xì)胞于96孔板,加入終濃度為10 μmol/L的 VP-16及 Lg-2,分別培養(yǎng)12、24、36、48、60 h,在上述時(shí)間點(diǎn)吸去培養(yǎng)基,加入含5 mg/ml的 MTT 的培養(yǎng)基 100 μl,37℃ 孵育 4 h,棄上清,加入 150 μl的 DMSO,輕微震蕩 10 min,于490 nm波長(zhǎng)處用酶標(biāo)儀測(cè)定各孔吸光度值(A),計(jì)算增殖抑制率。該實(shí)驗(yàn)重復(fù)3遍,結(jié)果取平均值。增殖抑制率的計(jì)算公式為:
1.2.3 流式細(xì)胞儀檢測(cè)細(xì)胞周期和腫瘤細(xì)胞凋亡:分別設(shè)陰性對(duì)照組(只加HepG-2細(xì)胞)、VP-16處理組及Lg-2處理組3組。接種HepG-2細(xì)胞于培養(yǎng)瓶,每瓶1×109個(gè),貼壁后加入終濃度為10 μmol/L的VP-16(VP-16處理組)與Lg-2(Lg-2處理組),陰性對(duì)照組加入等量RPMI 1640,分別培養(yǎng)24、48 h,胰酶消化收集細(xì)胞,離心5 min(800 r/min),PBS洗一次,加入預(yù)冷的70%乙醇4℃固定1 h;離心5 min(800 r/min),棄上清,1 ml PBS重懸細(xì)胞,400目篩網(wǎng)過(guò)濾,離心棄上清,加入50 μg/ml的PI染色液,混勻,4℃避光染色30 min,流式細(xì)胞儀檢測(cè)。
1.2.4 Hoech33258染色檢測(cè)細(xì)胞凋亡:分別設(shè)陰性對(duì)照組(只加HepG-2細(xì)胞)及Lg-2處理組。取潔凈蓋玻片置于6孔板內(nèi),接種2×104個(gè)HepG-2細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)夜,使細(xì)胞達(dá)到50% ~80%融合。加入終濃度為10 μmol/L的 Lg-2(Lg-2處理組)培養(yǎng)24 h,陰性對(duì)照組加入等量 RPMI 1640,取出蓋玻片,PBS洗2次,加入0.5 ml固定液固定,棄固定液,PBS洗2遍(可輕微震蕩),每次 3 min,加入0.5 ml的 Hoechst33258 染色液,染色5 min,PBS 洗2遍,每次3 min。加抗熒光淬滅封片液于熒光顯微鏡下觀察。
1.2.5 p53、bax、bc1-2、p21、Caspase3 基因轉(zhuǎn)錄水平的RT-PCR檢測(cè):分組同“1.2.3”。①總 RNA 的提取:分別接種2×105個(gè)HepG-2細(xì)胞于培養(yǎng)瓶中,加入終濃度為10 μmol/L的VP-16(VP-16處理組)與Lg-2(Lg-2處理組),陰性對(duì)照組加入等量 RPMI 1640,培養(yǎng) 48 h,胰酶消化后收集,按 Invitrogen TRIZOL Reagent說(shuō)明書(shū)提取總RNA,紫外分光光度計(jì)測(cè)定RNA純度和濃度并定量。②逆轉(zhuǎn)錄反應(yīng):參照Takara逆轉(zhuǎn)錄試劑盒說(shuō)明書(shū)進(jìn)行,總RNA 6 μl,DEPC 水 4.5 μl,Oligo(dT)3 μl,5 × buffer 5 μl,dNTP5 μl,逆轉(zhuǎn)錄酶 1 μl,RNase inhibitor 0.5 μl。反應(yīng)條件為70℃保溫10 min,冰上2 min,42℃保溫1 h,70℃保溫15 min后冰上冷卻。③PCR:β-肌動(dòng)蛋白(β-actin)作為內(nèi)參,反應(yīng)體系為 20 μl,其中cDNA 2 μl,上下游引物各 0.8 μl,SYBR Premix Ex Taq Ⅱ(2 × )10 μl,ROX Reference Dye(50 × )0.4 μl,ddH2O 6 μl。擴(kuò)增條件為 95℃ 預(yù)變性 30 s,95℃ 5 s,60℃ 31 s,共進(jìn)行40個(gè)循環(huán)。通過(guò) qPCR檢測(cè)細(xì)胞樣品中的目的基因和內(nèi)參基因的表達(dá)量,根據(jù)qPCR反應(yīng)曲線得到各樣品目的基因和內(nèi)參基因的Ct值,采用ΔΔCt的方法進(jìn)行相對(duì)定量。
ΔΔCt=(待測(cè)樣本的目的基因的Ct平均值-待測(cè)樣本的內(nèi)參基因的Ct平均值)-(對(duì)照樣本的目的基因的Ct平均值-對(duì)照樣本的內(nèi)參基因的Ct平均值)。
基因的表達(dá)量用F=2-ΔΔCt來(lái)表示,內(nèi)參基因Ct值及目的基因Ct值均取3次實(shí)驗(yàn)的平均值。
1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,組間比較采用t檢驗(yàn)。α=0.05為檢驗(yàn)水準(zhǔn)。
2.1 Lg-2對(duì)HepG-2細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制作用 MTT檢測(cè)結(jié)果顯示,Lg-2對(duì)HepG-2細(xì)胞增殖有明顯的抑制作用。藥物處理48 h,隨藥物濃度增加抑制效應(yīng)增強(qiáng),Lg-2處理組各濃度HepG-2抑制率均高于VP-16處理組(P<0.05),見(jiàn)表1。隨藥物作用時(shí)間的延長(zhǎng)抑制效應(yīng)增強(qiáng),Lg-2處理組各作用時(shí)間HepG-2抑制率均高于VP-16處理組(P<0.05),見(jiàn)表2。
表1 不同濃度VP-16、Lg-2對(duì)HepG-2細(xì)胞抑制率比較(±s,%)
表1 不同濃度VP-16、Lg-2對(duì)HepG-2細(xì)胞抑制率比較(±s,%)
注:VP-16:依托泊苷,Lg-2:N-(1-烴氧基-2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基氧羰基)-L丙氨酸-4'-去甲-4-脫氧鬼臼酯;與VP-16處理組相同藥物濃度比較,aP<0.05
藥物濃度(μmol/L)VP-16處理組(n=3)Lg-2處理組(n=3)0.001 11.533 ±1.401 17.867 ±1.795a 0.01 21.367 ±1.332 26.467 ±0.850a 0.1 23.367 ±1.172 29.700 ±1.453a 1 31.633 ±1.124 47.533 ±1.514a 10 41.033 ±1.430 55.100 ±2.663a
表2 VP-16、Lg-2不同作用時(shí)間對(duì)HepG-2抑制率的影響(±s,%)
表2 VP-16、Lg-2不同作用時(shí)間對(duì)HepG-2抑制率的影響(±s,%)
注:VP-16:依托泊苷,Lg-2:N-(1-烴氧基-2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基氧羰基)-L丙氨酸-4'-去甲-4-脫氧鬼臼酯;與VP-16處理組相同作用時(shí)間比較,aP<0.05
作用時(shí)間(h)VP-16處理組(n=3)Lg-2處理組(n=3)12 25.431 ±0.994 33.932 ±1.854a 24 42.532 ±1.866 47.474 ±0.652a 36 50.801 ±1.478 58.034 ±1.223a 48 54.174 ±1.821 59.631 ±2.061a 60 66.000 ±1.413 72.572 ±2.956a
2.2 Lg-2對(duì)HepG-2細(xì)胞周期的影響 流式細(xì)胞儀檢測(cè)顯示,在24及48 h時(shí),Lg-2處理組S期細(xì)胞所占比例與陰性對(duì)照組及VP-16處理組比較均明顯增加,而G2/M期細(xì)胞顯著減少,提示Lg-2可使細(xì)胞阻滯在G2/M期,見(jiàn)表3。
表3 Lg-2對(duì)HepG-2細(xì)胞周期分布的影響(%)
2.3 細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)變化 Hoechst33258染色顯示,Lg-2處理組細(xì)胞核呈現(xiàn)不同程度的早期凋亡特征,如染色質(zhì)致密濃縮,胞核體積變小,形狀變?yōu)槟I型核,或細(xì)胞核裂解為碎塊,產(chǎn)生凋亡小體,典型的呈梅花瓣?duì)?而陰性對(duì)照組細(xì)胞細(xì)胞核完整,染色質(zhì)均勻,無(wú)凋亡特征。見(jiàn)圖2。
圖2 Hoechst33258檢測(cè)Lg-2對(duì)HepG-2細(xì)胞凋亡的影響
2.4 Lg-2對(duì)HepG-2細(xì)胞凋亡相關(guān)基因表達(dá)的影響 qRT-PCR檢測(cè)結(jié)果顯示,與VP-16處理組比較,Lg-2處理組Bc1-2 mRNA的表達(dá)顯著降低(P<0.05),而 p53、Bax、p21、Caspase-3 mRNA 的表達(dá)顯著增高(P<0.05),見(jiàn)表4。
表4 Lg-2對(duì)HepG-2細(xì)胞凋亡相關(guān)基因表達(dá)的影響
鬼臼毒素類(lèi)藥物如VP-16是細(xì)胞周期依賴(lài)性和特異性抗腫瘤藥物,主要通過(guò)作用于DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ(topoisomeraseⅡ)使DNA斷鏈而產(chǎn)生抗腫瘤作用[7]。筆者所在課題組以鬼臼毒素為基礎(chǔ),合成了一系列結(jié)構(gòu)新穎且具有較好抗腫瘤活性的鬼臼毒素衍生物。其中Lg-2是以丙氨酸作為L(zhǎng)inker連接氮氧自由基生成一個(gè)新型的去甲表鬼臼酯化合物,有文獻(xiàn)報(bào)道,該基團(tuán)本身具有一定抗腫瘤作用,并可作為抗腫瘤藥物載體使其優(yōu)先聚積在腫瘤組織中[8]。本研究結(jié)果顯示,Lg-2能夠有效抑制人肝癌細(xì)胞系HepG-2的增殖,MTT檢測(cè)結(jié)果顯示Lg-2對(duì)HepG-2的作用呈時(shí)間依賴(lài)及劑量依賴(lài)性。Lg-2處理的HepG-2細(xì)胞,應(yīng)用流式細(xì)胞儀分析其周期變化,G2/M期細(xì)胞比例顯著減少,提示Lg-2可使細(xì)胞阻滯在G2/M期,這與VP-16引起細(xì)胞周期S期阻滯有所不同,提示Lg-2可能具有其他的作用靶點(diǎn)。qRT-PCR結(jié)果顯示,與VP-16處理組比較,Lg-2處理組 Bc1-2 mRNA的表達(dá)顯著降低,而 p53、Bax、p21、Caspase-3 mRNA的表達(dá)顯著增高。
細(xì)胞凋亡受多種凋亡相關(guān)基因調(diào)控[9],目前研究較為深入的與腫瘤發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)的凋亡相關(guān)基因主要有p53基因、Caspase基因、Bcl-2基因家族等。近年來(lái)的研究表明,許多抗癌藥物通過(guò)誘導(dǎo)凋亡基因(如p53、Bax等)的表達(dá),以及影響凋亡抑制基因(如 Bcl-2)的表達(dá),達(dá)到抑制腫瘤增殖的作用[10]。p53 基因是一種腫瘤抑制基因[11],分為野生型(wtp53)和突變型(mtp53)兩種[12]。野生型 p53基因可抑制細(xì)胞的異常增殖,能在細(xì)胞發(fā)生DNA損傷時(shí)使細(xì)胞停滯于G1/S期,使細(xì)胞有足夠時(shí)間修復(fù)損傷的DNA,恢復(fù)正常狀態(tài);若損傷的DNA無(wú)法修復(fù),則野生型p53基因可啟動(dòng)細(xì)胞凋亡機(jī)制。p53可以上調(diào)Bax的表達(dá)、下調(diào)Bc1-2的表達(dá)共同完成促進(jìn)細(xì)胞凋亡的作用。Bcl-2基因是重要的抗細(xì)胞凋亡的調(diào)控因子,是Bcl基因家族的一個(gè)重要成員,是一種調(diào)控細(xì)胞死亡的“存活基因”[13]。Bcl-2可抑制細(xì)胞的程序性死亡,并提供了一個(gè)選擇性的生存優(yōu)勢(shì)。Bc1-2蛋白具有離子通道和??康鞍椎碾p重作用,主要定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核膜、線粒體膜上,它可以嵌入到膜中,將Bcl-2固定在膜上。目前認(rèn)為,Bcl-2抑制細(xì)胞凋亡的機(jī)制可能與凋亡促進(jìn)基因Bax拮抗,抑制細(xì)胞色素C自線粒體釋放到胞質(zhì),阻止細(xì)胞色素C對(duì)Caspase蛋白酶激活有關(guān)。Bcl-2還能促進(jìn)谷胱甘肽進(jìn)入細(xì)胞核,從而改變核內(nèi)的氧化還原反應(yīng),阻止Caspase蛋白酶的活動(dòng)和其他核改變,抑制細(xì)胞凋亡發(fā)生[14]。p21基因是野生型p53基因的下游基因,在p21基因上游有2個(gè)p53蛋白特殊序列結(jié)合位點(diǎn),分別位于2400和8000 bp處。大量研究報(bào)道顯示p21有促進(jìn)細(xì)胞凋亡的作用,當(dāng)DNA受到損傷時(shí),p21通過(guò)p53依賴(lài)性途徑修復(fù)受損的DNA,當(dāng)修復(fù)失敗時(shí),p53則介導(dǎo)受損細(xì)胞凋亡[15]。因此p21基因通過(guò)p53依賴(lài)性途徑間接參與了細(xì)胞凋亡。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),HepG-2細(xì)胞經(jīng)Lg-2處理后,p53轉(zhuǎn)錄水平增加,Bc1-2基因表達(dá)降低,Bax基因表達(dá)增強(qiáng),使得Bax/Bcl-2上調(diào),誘導(dǎo)凋亡。此外,Lg-2激活p21的表達(dá)促進(jìn)細(xì)胞凋亡。在細(xì)胞內(nèi)所發(fā)生的與凋亡有關(guān)的一系列有序的級(jí)聯(lián)反應(yīng)中,Caspase蛋白水解酶的激活是關(guān)鍵步驟,Caspase-3是Caspase家族成員中執(zhí)行凋亡的關(guān)鍵酶之一,在各種類(lèi)型的細(xì)胞中廣泛分布,處于凋亡有序級(jí)聯(lián)反應(yīng)的下游,在細(xì)胞內(nèi)以無(wú)活性的前體(酶原)形式存在,被細(xì)胞外凋亡信號(hào)激活后,負(fù)責(zé)對(duì)全部或部分關(guān)鍵性蛋白的酶切(激活或滅活),導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[16]。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),用HepG-2細(xì)胞經(jīng) Lg-2后 Caspase-3 mRNA的水平上升,說(shuō)明 Lg-2可能通過(guò)上調(diào)Caspase-3 mRNA水平來(lái)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡[17]。
綜上所述,Lg-2可能通過(guò)使細(xì)胞周期阻滯在G2/M期抑制細(xì)胞增殖,并通過(guò)p53、p21、Caspase-3信號(hào)途徑誘導(dǎo)其凋亡達(dá)到抑制腫瘤生長(zhǎng)的目的。本研究為開(kāi)發(fā)新的肝癌輔助用藥提供了理論依據(jù),將有利于指導(dǎo)相關(guān)臨床前研究的開(kāi)展。
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