孟鎮(zhèn)鍇,李曉旭,2,瞿文生,吳純啟,鐘 武,李云峰,王全軍
(1.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院毒物藥物研究所,抗毒藥物與毒理學(xué)國家重點實驗室,國家北京藥物安全評價研究中心,北京 100850;2.聊城大學(xué)藥學(xué)院,山東 聊城 252000)
肝臟是人體最大的代謝轉(zhuǎn)化器官,擔負多種重要生理功能,對人類健康至關(guān)重要。藥物誘導(dǎo)性肝損傷(drug induced liver injury,DILI)是導(dǎo)致藥物研發(fā)失敗和退市的最常見原因[1],其預(yù)測難度大,危害性強,影響深遠。有研究顯示,我國人群DILI年發(fā)生率為每10萬人中23.8人,遠高于西方國家[2]。隨著“安全、有效、質(zhì)量可控”的制藥原則逐步深入人心,藥物安全性問題備受關(guān)注,DILI的研究及預(yù)測更受到毒理學(xué)界的高度重視。細胞色素P450(cytochrome P450,CYP450)酶廣泛存在于肝微粒體中,是最為重要的藥物代謝Ⅰ相酶系,其功能與DILI的發(fā)生密切相關(guān),在藥物肝毒性評價研究中意義重大。得益于現(xiàn)代化工和制藥技術(shù)的進步,人們合成開發(fā)新化合物的種類和數(shù)量越來越多,速度越來越快,對體外化合物肝毒性篩選檢測模型提出了更高要求。尋找并構(gòu)建更加敏感、高效的體外肝細胞模型以滿足大量化合物更高的檢測篩選需求,一直以來是毒理學(xué)領(lǐng)域重要的研究內(nèi)容。
常規(guī)的體外肝細胞模型較多采用2D 培養(yǎng),但存在細胞間聯(lián)系少、功能表達不充分、培養(yǎng)時間短和性狀保持難等問題,參考價值有限。近年研究表明,體外3D 培養(yǎng)狀態(tài)下的肝細胞聚球體模型可很好地模擬細胞間物質(zhì)交換與信息傳遞,蛋白表達和肝功能表現(xiàn)更加突出[3-5],可長期培養(yǎng)并實現(xiàn)重復(fù)給藥,反復(fù)染毒,使藥物毒性暴露更加充分,檢測敏感度更高[6]。
原代人肝細胞(primary human hepatocytes,PHH)作為體外藥物肝毒性評價的金標準在藥物篩選中最具參考價值,但其來源緊缺,體外增殖能力差,性狀維持難,存在個體差異,限制了其普及和應(yīng)用[7]。HepG2細胞來源于人肝癌組織,科研應(yīng)用時間久,但參考價值有限;HepaRG 細胞為人肝祖細胞,來源于慢性丙肝患者肝組織,體外可不斷增殖,具有肝樣-膽管樣細胞雙向分化性,肝細胞功能表達良好且來源廣泛,極具應(yīng)用優(yōu)勢[6]。有研究顯示,對2D 培養(yǎng)狀態(tài)下的PHH,HepaRG和HepG2細胞進行比較,HepaRG 細胞CYP450 酶等多種功能蛋白表達顯著高于HepG2細胞,與PHH較為接近[8]。亦有文獻報道,3D 培養(yǎng)狀態(tài)下的HepaRG 和HepG2細胞聚球體,其多種功能蛋白的表達水平明顯高于自身2D 模型,對藥物的肝毒性更加敏感[4,9-10]。然而,針對此2種細胞3D聚球體模型的對比研究報道較少。本研究應(yīng)用HepaRG和HepG2細胞體外3D 聚球體模型,比較二者在生長形態(tài)、功能蛋白表達和對藥物肝毒性敏感性方面的差異,以期為體外肝細胞模型的選擇提供參考和依據(jù)。
HepaRG細胞和HepG2細胞均購自美國Millipore細胞庫。低吸附96孔板購自美國Corning公司;無酚紅Williams'E培養(yǎng)基(簡稱完全培養(yǎng)基,含胎牛血清10%,L-谷氨酰胺4 mmol·L-1,青霉素100 kU·L-1,鏈霉素100 mg·L-1)(批號2000888),胎牛血清(批號1795588)和L-谷氨酰胺(批號1951049)均購自美國Gibco公司;Trizol總RNA提取劑(貨號DP405-02)購自北京天根生化科技有限公司;逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(貨號RR047B)購自日本TaKaRa公司;小鼠抗人CYP1A2單克隆抗體(貨號ab22717),兔抗人CYP2B6多克隆抗體(貨號ab69652),兔抗人CYP2C9單克隆抗體(貨號ab150364),兔抗人CYP2C19 單克隆抗體(貨號ab185213),兔抗人CYP2E1 多克隆抗體(貨號ab28146),兔抗人CYP3A4多克隆抗體(貨號ab155029),兔抗人白蛋白多克隆抗體(貨號ab106582)和辣根過氧化物酶(HRP)標記兔抗雞IgY(貨號ab6753)均購自美國Abcam公司;CY3標記山羊抗小鼠IgG(貨號gb21301)和山羊抗兔IgG(二抗)(貨號gb21303)購自武漢谷歌生物科技公司;硫胺素(thiamine,貨號25332),非阿尿苷(fialuridine,貨號15867),對乙酰氨基酚(acetaminophen,貨號10024),苯溴馬?。╞enzbromarone,貨號19768),異煙肼(isoniazid,貨號20378),奈法唑酮(nefazodone,貨號10012642)和環(huán)磷酰胺(cyclophosphamide,貨號13849)均購自美國Cayman公司;CCK-8試劑盒(貨號NG639)購自日本同仁公司。
IC1000 型電子細胞計數(shù)儀購自上海睿鈺生物科技公司;3-18K型高速冷凍離心機購自美國Sigma公司;VICTOR3-1420 型多功能酶標儀購自美國Perkin Elmer 公司;ABI7500型熒光定量PCR儀購自美國Thermo Fisher Scientific 公司;Tanon1600型凝膠成像系統(tǒng)購自上海天能科技有限公司;ECLIPSE C1 型正置熒光顯微鏡購自日本尼康公司。
復(fù)蘇HepaRG和HepG2細胞,常規(guī)培養(yǎng)于完全培養(yǎng)基,37℃,5%CO2及飽和濕度培養(yǎng)箱中培養(yǎng)并隔天換液。細胞處于對數(shù)生長期時,以每孔100 個細胞的密度將2 種細胞分別接種于低吸附96 孔板中,每孔加完全培養(yǎng)基100 μL,接種后100×g離心5 min促進細胞向中心區(qū)域聚集,靜置2 min后轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)箱中,采取不添加二甲亞砜和糖皮質(zhì)激素等誘導(dǎo)劑的方式進行培養(yǎng),隔天用完全培養(yǎng)基半換液。于接種后第3,7,14和21天進行觀察,在40倍光學(xué)顯微鏡下拍攝HepaRG和HepG2細胞聚球體形態(tài),并采用photoshop軟件測量其直徑。
收集接種后第7,14和21天的HepaRG 和HepG2細胞聚球體,用PBS 清洗3 次,加入Trizol試劑提取總RNA,按照逆轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書進行cDNA逆轉(zhuǎn)錄。引物由北京Invitrogen公司合成,序列見表1,內(nèi)參為18SrRNA。實時熒光PCR反應(yīng)程序:95 ℃,30 s;40 個循環(huán)收集熒光(95℃,10 s;60℃,50 s);建立PCR 產(chǎn)物溶解曲線,擴增結(jié)束后進行如下設(shè)置(95℃,10 s;60℃30 s;95℃15 s),最后從60℃緩慢加熱至99℃。采用2-△△Ct法計算各樣品目的基因mRNA 表達水平,并以接種后第7天HepG2 細胞聚球體樣品中各目的基因mRNA 表達量作為基礎(chǔ)對照值,比較其他樣品目的基因mRNA的相對表達倍數(shù)。
Tab.1 Primer sequences for quantitative real-time PCR(qRT-PCR)
接種后第10天,收集足量聚球體樣品,4%多聚甲醛固定20 min 后清洗,制作石蠟切片,并脫蠟至水。以10%牛血清白蛋白室溫封閉30 min,加入一抗(用PBS緩沖液1∶100稀釋),放入濕盒,4℃孵育過夜。置脫色搖床上用PBS 晃動洗滌3 次,每次5 min,加入二抗(以TBST緩沖液1∶300稀釋)避光室溫孵育1 h,置脫色搖床上用PBS 晃動洗滌3 次后,以4‘,6-二脒基-2-苯基吲哚染核10 min,PBS清洗3次后用抗熒光淬滅劑封片。于熒光顯微鏡下觀察各蛋白熒光顯色并拍照,用Image J 軟件對熒光信號的平均熒光強度(mean fluorescence intensity,MFI)進行檢測和統(tǒng)計分析。
接種后第10 天,收集足量聚球體樣本,加入裂解液,冰上裂解20 min 并振蕩,離心收集上清。按4∶1 比例加入上樣緩沖液,沸水浴變性15 min,-20℃保存。配制SDS-PAGE的12%分離膠和5%濃縮膠,上樣并電泳。半干法PVDF 轉(zhuǎn)膜,加5%脫脂牛奶室溫下脫色搖床封閉1 h。加入一抗(1∶1000)4℃孵育過夜,置于脫色搖床上TBST 晃動洗滌3 次,每次5 min。加入二抗(1∶3000)室溫下孵育30 min并清洗3次。于暗室內(nèi)進行曝光、顯影和定影處理后掃描圖像,用Image J 軟件進行積分吸光度分析。
包括陰性對照藥物硫氨素等7種藥物均以完全培養(yǎng)基配制,其中硫胺素、非阿尿苷、對乙酰氨基酚、苯溴馬隆、異煙肼和奈法唑酮的終濃度為0.01,0.1,1,10,20和40 mmol·L-1;環(huán)磷酰胺的終濃度為0.01,0.1,1,5,10和20 mmol·L-1,分別以單次和重復(fù)給藥的方式對2種細胞聚球體進行細胞毒性實驗。
單次給藥:接種后第10 天,將原培養(yǎng)液更換為含不同濃度藥物的完全培養(yǎng)基,每孔100 μL,置于37℃,5%CO2及飽和濕度培養(yǎng)箱孵育24 h。而后吸去藥液,以不含藥的完全培養(yǎng)基清洗換液3 次,徹底去除殘留藥液。每孔加入CCK-8 試劑10 μL,繼續(xù)孵育4 h 后用多功能酶標儀在450 nm 波長下檢測吸光度(A450nm)值。
重復(fù)給藥:接種后第10,12 和14 天,分別重復(fù)單次給藥過程(共重復(fù)給藥3次),末次清洗換液去除藥物后,每孔加入CCK-8 試劑10 μL,孵育4 h 后用多功能酶標儀在450 nm波長下檢測A450nm值。
細胞存活抑制率(%)=(對照孔A450nm-實驗孔A450nm)/對照孔A450nm×100%。用GraphPad 7 軟件繪制不同給藥方式下各藥物對2種細胞聚球體的細胞存活抑制率曲線,并計算IC50值,以評價2種細胞聚球體對藥物體外肝毒性的敏感性。
實驗結(jié)果數(shù)據(jù)以±s表示,使用SPSS19.0 進行統(tǒng)計學(xué)分析。2 種細胞聚球體平均直徑測量結(jié)果和實時熒光PCR 檢測結(jié)果數(shù)據(jù)采用兩因素重復(fù)測量方差分析進行組間比較,免疫熒光和Western蛋白印跡實驗結(jié)果數(shù)據(jù)采用獨立樣本t檢驗進行兩組間比較,P<0.05認為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。
聚球體鏡下形態(tài)見圖1A,平均直徑變化見圖1B。隨著培養(yǎng)時間的延長,2 種細胞聚球體平均直徑均逐步增大。接種后第3 天,HepaRG和HepG2細胞均可穩(wěn)定聚合成球形結(jié)構(gòu),二者平均直徑無明顯差異。第7和14天時,二者均能保持較為規(guī)則致密的球形結(jié)構(gòu),HepG2細胞聚球體體積增長幅度較明顯,其平均直徑均顯著大于HepaRG細胞聚球體(P<0.01)。第21 天時,HepG2細胞聚球體體積小幅增長,細胞間黏附作用下降,球體形態(tài)疏松膨大,有明顯崩解碎裂傾向;而HepaRG 細胞聚球體有部分組織碎屑,但整體形態(tài)保持較為緊致,平均直徑顯著<HepG2細胞聚球體(P<0.01)。
Fig.1 Morphology(A)and average diameters(B)of HepaRG and HepG2 spheroids.HepaRG and HepG2 cells were seeded at 100 cells per well and all spheroids were monitored on the 3rd day(D3),D7,D14and D21 after cell inoculation.±s,n=4.**P<0.01,compared with HepG2 group at the same time.
實時熒光PCR檢測結(jié)果(圖2)表明,2種細胞聚球體除第14天CYP2B6mRNA 表達不具統(tǒng)計學(xué)意義外,在3 個檢測時間點中HepaRG 細胞聚球體CYP1A2,CYP2B6,CYP2C9,CYP2C19,CYP2E1和CYP3A4mRNA 表達水平均明顯高于同期HepG2 細胞聚球體(P<0.05,P<0.01);HepaRG 細胞聚球體CYP1A2和CYP2C9mRNA 表達水平在第7 天達峰值,與HepG2 細胞聚球體差異顯著(P<0.01),分別為基礎(chǔ)對照值(第7天的HepG2細胞聚球體mRNA表達量)的261.7和277.1倍;CYP2B6,CYP2C19和CYP2E1mRNA表達在第7和14天表達水平顯著高于同期HepG2 細胞聚球體(P<0.01),表達峰值分別為基礎(chǔ)對照值的55.7,9.9 和44.3倍;CYP3A4mRNA表達于第14 天達峰值,高于HepG2 細胞聚球體(P<0.01),為基礎(chǔ)對照值的280.7倍。
Fig.2 Relative expressions of CYP1A2(A),CYP2B6(B),CYP2C9(C),CYP2C19(D),CYP2E1(E)and CYP3A4(F)mRNA in HepaRG and HepG2 spheroids by qRT-PCR. CYP mRNA expression level was expressed as the relative expression fold based on the mRNA expression(2-ΔΔCt)of HepG2 cell spheroids on D7.±s,n=3.*P<0.05,**P<0.01,compared with HepG2 group at the same time.
熒光染色結(jié)果(圖3和表2)表明,培養(yǎng)第10 天HepaRG細胞聚球體CYP1A2,CYP2B6,CYP2C9,CYP2C19,CYP2E1 和CYP3A4 蛋白表達水平均高于同期HepG2 細胞聚球體,分別為后者的2.1,1.6,1.9,1.6,1.6和2.3倍(P<0.05,P<0.01)。
實時熒光PCR 結(jié)果(圖4A)表明,接種后第7天時,HepaRG細胞聚球體白蛋白mRNA表達明顯上調(diào);第14天達峰值,為基礎(chǔ)對照值的3.9倍,高于同期HepG2 細胞聚球體表達(P<0.01);第21 天時,2 種聚球體白蛋白mRNA 表達無明顯差別。Western 蛋白印跡法結(jié)果(圖4B)表明,接種后第10 天,HepaRG 聚球體白蛋白蛋白表達顯著高于HepG2聚球體,約為后者的1.9倍(P<0.01)。
Tab.2 Protein expression of CYP450s in HepaRG and HepG2 spheroids by immunofluorescence staining
在受試濃度范圍內(nèi)單次給藥,7 種藥物中除苯溴馬隆和奈法唑酮外,其余5 種對HepaRG 和HepG2細胞聚球體細胞存活的抑制作用均未達到半數(shù)抑制水平。同樣濃度范圍下重復(fù)給藥3 次,在HepaRG細胞聚球體,6 種陽性對照藥對細胞存活均有抑制作用,其IC50值見表3;在HepG2細胞聚球體,對乙酰氨基酚和環(huán)磷酰胺對細胞存活的抑制作用均未達到半數(shù)抑制水平。
Fig.3 Protein expression of CYP450s in HepaRG and HepG2 spheroids by immunofluorescence staining.HepaRG and HepG2 spheroids were stained with 4′,6-diamidino-2-phenylindole and secondary antibodies and detected on D10.
Fig.4 Albumin mRNA and protein expressions in HepaRG and HepG2 spheroids by qRT-PCR(A)and Western blotting(B).HepaRG and HepG2 spheroids were detected on D7,D14,and D21 by qRT-PCR and on D10 by Western blotting,respectively.B2 was the semi-quantitative result of B1.IA:integral absorbance.±s,n=3.**P<0.01,compared with HepG2 group of the same time.
Fig.5 Hepatotoxicity of thiamine(A),fialuridine(B),acetaminophen(C),benzbromarone(D),cyclophosphamide(E),isoniazid(F)and nefazodone(G)with single and repeated administration in HepaRG and HepG2 spheroids by CCK-8 assay.HepaRG and HepG2 spheroids were incubated with different concentrations of each drug for 24 h once(single administration)or 3 times at 24 h intervals(repeated administration).Inhibitory rate(%)=(cell control group A450 nm-experiment group A450 nm)/cell control group A450 nm×100%.±s,n=3.
Tab.3 lC50 values of drugs in HepaRG and HepG2 spheroids
HepaRG 細胞具有肝樣-膽管樣細胞雙向分化性,國外研究傾向于在培養(yǎng)初期(2 周內(nèi))添加二甲基亞砜、奧美拉唑和糖皮質(zhì)激素進行誘導(dǎo)[10-11],以促進細胞快速分化成熟。然而誘導(dǎo)劑的反復(fù)添加存在如下問題:①2 種模型培養(yǎng)條件不統(tǒng)一,結(jié)果對比可信度下降;②不同批次樣本間差異度增大,質(zhì)控難度提高;③建模的成本增加,操作工作量上升。出于上述考慮,本課題組在模型的構(gòu)建上采取了不添加誘導(dǎo)劑的方式。結(jié)果顯示,在無誘導(dǎo)劑添加的條件下接第14天,HepaRG細胞聚球體多種功能蛋白均有高水平表達,并明顯高于同期HepG2細胞聚球體。表明不添加誘導(dǎo)劑的HepaRG 細胞聚球體構(gòu)建方法相比于誘導(dǎo)法更加經(jīng)濟、簡便、實用,具有一定普適性,且在功能上優(yōu)于HepG2 細胞聚球體。
文獻報道,為保證模型內(nèi)部供能供養(yǎng)均勻且充足,聚球體參考直徑在200~300 μm 較為合適[11]。本研究以此范圍為細胞聚球體質(zhì)量控制的標準。結(jié)果顯示,在接種后第3~14天,HepG2細胞聚球體快速生長、體積持續(xù)增大,超出參考直徑范圍較為明顯;而HepaRG 細胞聚球體直徑持續(xù)穩(wěn)定在約300 μm,形態(tài)緊致,相比于HepG2細胞聚球體具有一定的形態(tài)優(yōu)勢。接種后第21 天,HepaRG和HepG2細胞聚球體直徑均≥400 μm,HepG2 細胞聚球體細胞間黏附作用明顯下降,而HepaRG細胞聚球體亦存在少量崩散現(xiàn)象,表明二者均存在能量供應(yīng)障礙。以上結(jié)果提示,為防止體積過大形成過多壞死區(qū)域而影響聚球體建模效果,以接種后7~14 d進行后續(xù)實驗為宜。
文獻報道,對CYP1A2,CYP2B6,CYP2C9,CYP2C19,CYP2E1和CYP3A4的檢測可覆蓋80%以上臨床藥代相關(guān)Ⅰ相酶,具有一定代表性和參考價值,而白蛋白生成能力的高低亦是評價肝細胞模型優(yōu)劣的重要指標[6,8]。Yokoyama等[8]研究表示,2D培養(yǎng)狀態(tài)下,HepaRG細胞的多種CYP450酶mRNA表達均明顯高于HepG2細胞。本研究結(jié)果表明,3D培養(yǎng)狀態(tài)下,HepaRG細胞聚球體亦保持了CYP450 酶的基因?qū)用娓弑磉_的優(yōu)勢。蛋白表達檢測結(jié)果與實時熒光PCR 結(jié)果與文獻報道趨勢一致[3]。值得指出的是,由實時熒光PCR結(jié)果可知,HepaRG 細胞聚球體功能蛋白基因的高表達主要集中在接種后第7 和14 天,第21 天時明顯下降。推測與聚球體體積過大導(dǎo)致內(nèi)部細胞能量供應(yīng)不足有關(guān)。為兼顧聚球體形態(tài)保持和功能蛋白表達,以保證實驗效果,選擇接種后第10 天的聚球型進行后續(xù)的藥物毒性評價。
細胞毒性實驗中,本課題組參考臨床藥物DILI評級[1]和美國國立衛(wèi)生研究院LiverTox 網(wǎng)站信息[12]選擇了6種陽性對照藥(其中環(huán)磷酰胺的DILI評級為肝毒性弱相關(guān),其余5種為肝毒性強相關(guān))和1 種陰性對照藥,具有很好的藥物代表性[13-21]。實驗結(jié)果顯示,陰性對照藥硫胺素未檢測出明顯細胞毒性,其余6 種陽性藥物均對細胞存活有不同程度的抑制。單次給藥條件下,除苯溴馬隆和奈法唑酮外,其余藥物對HepaRG和HepG2細胞聚球體細胞存活的抑制作用均未達到半數(shù)抑制水平。重復(fù)給藥條件下,6 種陽性藥物對2 種細胞聚球體抑制效果明顯增強,除對乙酰氨基酚和環(huán)磷酰胺對HepG2 細胞聚球體外,均達到半數(shù)抑制水平。通過對比濃度-細胞抑制率曲線和IC50值可知,重復(fù)給藥下HepaRG細胞聚球體對藥物毒性比HepG2細胞聚球體更為敏感,6種陽性藥物IC50值在0.3~8 mmol·L-1,較HepG2 細胞聚球體更低。提示HepaRG 細胞聚球體以重復(fù)給藥的方式應(yīng)用于體外藥物肝毒性的檢測篩選可以達到較為理想的效果。
在模型進一步應(yīng)用方面,高通量高內(nèi)涵檢測技術(shù)近年來在化合物的檢測篩選上應(yīng)用逐步成熟,可通過不同熒光探針的標記,對肝聚球體模型的細胞核形態(tài)、線粒體膜電位變化、細胞骨架損傷程度、膽鹽轉(zhuǎn)運狀態(tài)和脂質(zhì)堆積變性等情況進行綜合分析,可更好地研究藥物肝毒性分子機制[22-23],這是本課題下一步重點研究的課題。
綜上所述,本研究應(yīng)用體外HepaRG和HepG2細胞聚球體模型,探討了二者在生長規(guī)律、形態(tài)保持及CYP450酶和白蛋白表達方面的差異,并通過6種藥物的細胞毒性實驗對比其體外對藥物肝毒性敏感度的差異。結(jié)果顯示,對比HepG2 細胞聚球體,HepaRG 細胞聚球體體積控制更小,形態(tài)保持更加穩(wěn)定,CYP450酶和白蛋白基因和蛋白表達均明顯高于HepG2細胞聚球體,并對藥物的體外肝毒性反應(yīng)更為敏感,更符合體外3D 肝細胞模型構(gòu)建標準,作為藥物評價篩選模型具有一定優(yōu)勢,是更加理想的體外3D肝細胞模型。